Turbogeneratoren

Übersicht

• Gekoppelte Netz-, Maschinen und Torsionsschwingungsberechnungen
  Schwingungsdiagnose
• Simulation innerer Fehler in Synchronmaschinen
• Mehrmaschinendynamik, Kraftwerksschutz
• Untersuchung des elektromechanischen Verhaltens der Ständerwickelköpfe großer Synchronmaschinen
• Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Wickelköpfen kleiner Turbogeneratoren
• Untersuchung der elektromagnetischen Felder im Ständerwickelkopfbereich großer Turbogeneratoren
• Entwicklung eines Verfahrens für die Berechnung der Wickelkopfinduktivitäten rotierender elektrischer Drehfeldmaschinen mit Fokus auf 2polige Turbogeneratoren unterschiedlicher Leistungsklassen
• Drehzahlvariabler Turbogenerator

Turbogeneratoren und Großantriebe

      

 

Gekoppelte Netz-, Maschinen und Torsionsschwingungsberechnungen (NETOMAC)

Nach einer Schalthandlung oder einem Fehler im elektrischen Netz kommt es zu dynamischen elektromechanischen Ausgleichsvorgängen zwischen dem Netz und den angeschlossenen Maschinen samt Wellenstrang. Die nichtlineare wechselseitige Abhängigkeit zwischen elektrischem und mechanischem System erfordert eine simultane Betrachtung aller beteiligten Teilsysteme. Im Falle eines Generators am Netz sind zusätzlich Spannungs- und Drehzahlregler, der mechanische Wellenstrang bestehend aus Rotor, ggf. Erregermaschine und antreibende Turbinen sowie das angeschlossene Netz zu berücksichtigen.

Die nichtlineare wechselseitige Abhängigkeit ist durch die Ausgleichsströme und dem daraus resultierenden transienten elektrischen Moment im Generator bedingt. Hierdurch werden Torsionsschwingungen im Wellenstrang angeregt, welche wiederum zu einer Abweichung des Polradwinkels zwischen Rotor- und Statorfeld führen und die magnetische Kopplung des Systems beeinflussen. Weitere nichtlineare Einflüsse werden durch den Spannungs- und Drehzahlregler hervorgerufen. Der Spannungsregler ändert die Erregung des Generators in Abhängigkeit seiner Klemmenspannung und der Drehzahlregler regelt das Turbinenmoment in Abhängigkeit der Drehzahl und der mittleren elektrischen Wirkleistung, welche über die Generatorklemmen abgegeben wird.

All diese Abhängigkeiten müssen bei diesen Simulationen berücksichtigt werden und erfordern damit die korrekte Parametrisierung der Eingangsdaten, damit die Ergebnisse das tatsächliche Verhalten des Systems darstellen.

Schwingungsdiagnose: „Entwicklung eines Diagnosemoduls für Wickelkopfschwingungen“

Ständerwickelköpfe großer Turbogeneratoren sind komplexe, schwingungsfähige Gebilde, welche im Betrieb einer ständigen Wechselbelastung ausgesetzt sind. Bei Betriebsstörungen des Generators können zudem große elektromagnetische Kräfte auf den Wickelkopfverbund wirken und diesen zusätzlich altern lassen. Eine kontinuierliche Beurteilung des Wickelkopfzustands ermöglicht Aussagen über dessen Betriebssicherheit und macht eventuell notwendige Reparaturmaßnahmen planbar. Der Wickelkopfzustand lässt sich durch eine modale Betrachtung der Wickelkopfschwingungen beschreiben, wodurch eine ganzheitliche Überwachung eines homogenen Wickelkopfes ermöglicht und die Auffindung von sich anbahnenden Schäden im Wickelkopfbereich erleichtert wird. Da die Ausprägungen einzelner modaler Schwingungsanteile Rückschlüsse auf verschiedene Anregungsmechanismen zulassen, stellt die modale Betrachtung eine Möglichkeit zur Diagnose dar. Für eine kontinuierliche und diagnostische Wickelkopfüberwachung auf modaler Basis wird ein flexibles Diagnoseprogramm benötigt, welches die Einzelstabschwingungen transformiert und die berechneten Modalformen in Abhängigkeit von Betriebsparametern wie Wirk- und Bildleistung des Generators bewertet. Um ein derartiges Diagnoseprogramm bereitzustellen, werden in diesem Projekt gezielte Untersuchungen zur Anwendbarkeit eines analytischen Wickelkopfmodells durchgeführt und Strategien zur Berücksichtigung der Betriebsparameterabhängigkeiten erarbeitet.

Simulation innerer Fehler in Synchronmaschinen: „Windungs- und Phasenschlüsse im Stator großer Synchronmaschinen“

Die Auswirkungen von inneren Fehlern im Stator einer Synchronmaschine sind verglichen mit den äußeren elektrischen Fehlern, wie z.B. den Klemmenkurzschlüssen, der Fehlsynchronisation und den Kurzschlüssen im Netz, weiterhin unzureichend erforscht. Häufige Folge von inneren Fehlern ist der Totalschaden der beteiligten Wicklung, des Blechpakets, der Lager und der angekoppelten Antriebe bzw. Lasten. Dass Windungsschlüsse auch im Fall von großen Synchrongeneratoren wieder ein aktuelles Thema darstellen, zeigt sich daran, dass in den letzten Jahren ein häufigeres Auftreten bei Turbogeneratoren in einer Leistungsklasse von 20 bis 40 MVA beobachtet werden konnte. Neue und leistungsfähige Feldberechnungsprogramme, begleitet von verbesserten analytischen Methoden, ermöglichen einen tieferen Einblick in die physikalischen Vorgänge mit innerer Unsymmetrie, der bisher nur unter vereinfachenden Annahmen möglich war. Es werden numerische und analytische Verfahren weiterentwickelt und kombiniert angewendet, um eine deutlich genauere Berechnung von Windungs- und Phasenschlüssen zu ermöglichen.

Untersuchung des elektromechanischen Verhaltens der Ständerwickelköpfe großer Synchronmaschinen: „Dynamisches Verhalten der Wickelköpfe großer Turbogeneratoren“

Wickelköpfe sind elementare Bestandteile großer Turbogeneratoren, welche ein komplexes, mechanisch schwingfähiges System darstellen. Findet während des Betriebs der Maschine eine Anregung in der Nähe einer Eigenfrequenz statt, so kann dies zur drastischen Reduzierung der Lebensdauer führen. Die Anregung setzt sich hierbei aus einer Kombination aus den Blechpaketschwingungen und den elektromagnetischen Wickelkopfkräften zusammen. Im Fehlerfall können die Wickelkopfkräfte mehr als das 100fache der Wickelkopfkräfte im Nennbetrieb der Maschine erreichen, was auch bei einer resonanzfernen Anregung zur Zerstörung führen kann. Im Rahmen der Forschung wurden unterschiedliche Betriebszustände ausgewählter Maschinen analysiert und die daraus resultierenden Belastungen des Wickelkopfs untersucht. Ferner wurde ein Störfallkatalog erstellt, der die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von relevanten Konstruktionsparametern bei den zuvor untersuchten Betriebszuständen auflistet. Dieser Störfallkatalog soll dabei helfen, schon während der Konstruktion gezielte Maßnahmen gegen unerwünschte Wickelkopfverformungen vornehmen zu können oder während einer möglichen Revision die zu untersuchenden Bauteile schneller lokalisieren zu können.

Untersuchung der elektromagnetischen Felder im Ständerwickelkopfbereich großer Turbogeneratoren

Die im Nennbetrieb auftretenden Schwingungen haben einen bedeutenden Einfluss auf die Lebensdauer der Bauteile im Wickelkopfbereich von großen Generatoren, während die Kräfte bei Störfällen wie dem dreipoligen Klemmenkurzschluss oder einer Fehlsynchronisation zu  schweren Folgestörungen führen können, die den Betrieb des Generators unter Umständen beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist die Auslegung der Stützkonstruktionen, die die Auswirkungen derartiger Störungen begrenzen sollen, eines der zentralen Themen. Zusätzlich entstehen thermische Belastungen durch Wirbelströme in Folge axial auf das Blechpaket eintreffender Feldanteile. Die so hervorgerufenen Verluste haben Auswirkungen auf das Design der Kühlung und begrenzen den zulässigen Leistungsbereich, insbesondere im untererregten Betrieb.

Eine Berechnung und Beurteilung der oben angesprochenen Beanspruchungen ist erst nach der Berechnung des sich im Wickelkopfbereich ausbildenden magnetischen Feldes möglich. Ein umfassendes Verständnis der Felder und ihrer Auswirkungen lässt sich nur mit Hilfe einer dreidimensionalen Betrachtung erlangen. Die Finite-Elemente-Methode stellt hier ein gutes Werkzeug zur Verfügung, mit dessen Hilfe die Geometrie nachgebildet und berechnet werden kann. Besonders die vielfältigen Möglichkeiten bei der Auswertung der Ergebnisse erlauben im Anschluss ein verbessertes Verständnis der Vorgänge im Endbereich von Turbogeneratoren.

„Entwicklung eines Verfahrens für die Berechnung der Wickelkopfinduktivitäten rotierender elektrischer Drehfeldmaschinen mit Fokus auf 2-polige Turbogeneratoren unterschiedlicher Leistungsklassen (DFG)“

Im Gegensatz zur Berechnung des Luftspaltfeldes in konventionellen rotierenden Maschinen, die mit zweidimensionalen, analytischen und in zunehmendem Maße auch numerischen Methoden erfolgen kann, stellt die Berechnung des Wickelkopfstreufeldes eine echte dreidimensionale Problemstellung dar. Über viele Jahrzehnte hinweg wurde daher beim Entwurf elektrischer Maschinen der Einfluss des Wickelkopfes auf das elektrische Betriebsverhalten nur über relativ grobe Näherungen behandelt, die nur wenige Einflussgrößen berücksichtigen und wesentliche Geometrie- und Materialparameter vernachlässigen.

Die elektromagnetische Kopplung zwischen Rotor und Stator im Bereich des Wickelkopfes von elektrischen Drehfeldmaschinen stellt nach wie vor ein Grundsatzproblem des Elektromaschinenbaus dar. Besonders bei Maschinen größerer Leistung spielt die Feldverteilung im Stirnraum eine bedeutende Rolle. So führen z.B. die axialen Feldkomponenten des in das Blechpaket eindringenden Stirnraumfeldes und der Eckeneffekt zu einer Endzonenerwärmung, die bei der konstruktiven Auslegung und Dimensionierung berücksichtigt werden muss und letzlich u. a. eine der Leistungsbegrenzungen der Maschine darstellt. Die Ausbildung des Wickelkopfstreufeldes und die resultierenden Feldverläufe werden in den üblichen Ersatzschaltbildern in den Streureaktanzen berücksichtigt. Für die korrekte Beschreibung des Betriebsverhaltens der Maschine in Verbindung mit dem Netz und dem mechanischen Antriebssystem ist eine genaue Kenntnis dieses Ersatzschaltbildes notwendig, wozu gerade auch die Streuinduktivitäten des Stators und dessen Kopplungen zum Rotor gehören. Aus Schätzungen ist hierbei bekannt, dass der Anteil des Wickelkopfes an der Gesamtstreuung etwa ein Drittel beträgt, wobei dieser Anteil mit abnehmender Baugröße der Maschine steigt. Als Fazit der vorangegangen Ausführungen kann gesagt werden, dass die zu bearbeitende Thematik ein essentielles Problem der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen ist.

Umfangreiche Untersuchungen der magnetischen Felder des Wickelkopfes sowie Parameterstudien bilden eine Wissensbasis zum elektromagnetischen Verhalten des Stirnraumbereiches elektrischer Drehfeldmaschinen mit Schwerpunkt auf 2-polige Turbogeneratoren unterschiedlicher Leistung. Diese schafft letztlich in einfacher Weise eine akkurate Vorausberechnung der Stirnstreuung bzw. der Wickelkopfinduktivitäten beim Entwurfsprozess elektrischer Maschinen.

Drehzahlvariabler Turbogenerator

Der Turbogenerator hat sich bisher als Großantrieb in der Kraftwerkstechnik etabliert. In einer verhältnismäßig kleinen Größenordnung von einigen wenigen 10 MW kann dieser in Kombination mit einem I-Umrichter auch als drehzahlvariables System verwendet werden und beispielsweise in einem Biomasse-Kraftwerke Einsatz finden. Durch die Umrichterrückwirkung entstehen zusätzlich zu den konventionellen, neuartige Auslegungsaspekte für den Turbogenerator, die im Rahmen dieses Projektes umfassend analysiert. Ein wesentlicher Schwerpunkt sind zusätzliche Verluste, speziell die Wirbelstromverluste an der Rotoroberfläche, welche infolge von umrichterbedingten Stromoberschwingungen entstehen und bei thermischer Betrachtung berücksichtigt werden müssen. Dämpferwicklungsdesign und Umrichterwahl werden im Zusammenhang mit diesem Problempunkt untersucht. Hochauflösende umrichtergekoppelte FEM-Modelle wurden hierfür aufgebaut und je nach Design variiert, wobei eine adequate Berücksichtigung der Feldeindringtiefe und der Sättigung bei der Verlustbestimmung möglich wird. Mechanische Beanspruchungen bei höheren Drehzahlen und umrichterbedingten Momentenpendelungen sind ein weiterer wesentlicher Betrachtungspunkt der Auslegung, der ebenfalls mittels numerischer Methoden behandelt wird.

 

HSU

Letzte Änderung: 4. November 2019