ISBN 978-3-8439-1098-9

978-3-8439-1098-9, Reihe Energietechnik

Roman Vogel
Oberwellenerscheinungen, elektromagnetische und mechanische Belastungen in einem Turbogenerator bei Stromrichterspeisung

145 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Konventionell werden Turbogeneratoren drehzahlstarr und oberschwingungsarm betrieben. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem drehzahlvariablen Turbogenerator bei unkonventioneller Speisung über einen I-Umrichter und analysiert theoretisch die dadurch zusätzlich entstehenden elektromagnetischen und mechanischen Probleme. Der Umrichter wird hierbei sowohl in 6- als auch in 12-pulsiger Ausführung betrachtet. Als Beispielmaschine dient ein 20 MW Turbogenerator, welcher mit konventionellen Auslegungsmethoden für einen Betrieb ohne Umrichter bei einer Nenndrehzahl von 7020 min-1 dimensioniert wurde. Insbesondere die Bestimmung der umrichterbedingten Dämpferverluste im Rotor steht im Vordergrund der Arbeit. Die Maschine wird mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) modelliert, wodurch die Auswirkung der Sättigung auf die Feldverhältnisse und die Dämpferverluste berücksichtigt wird. Die Modellierung des I-Umrichters, sowie des Maschinenendbereichs erfolgt auf Basis von konzentrierten Elementen im Vorschaltnetzwerk des FE-Modells. Mittels transienter Zeitschrittrechnung wird der stationäre Betrieb des Turbogenerators am Umrichter simuliert und die inneren elektromagnetischen Vorgänge anhand der Feldgrößen im FE-Modell umfassend analysiert. Es wird untersucht, in welchem Maße sich die Dämpferverluste durch eine 12-pulsige Umrichtervariante und/oder durch die Modifikation der Dämpferwicklung reduzieren lassen. Die Kupferverluste in den Röbelstäben des Ständers, die umrichterbedingt zunehmen, werden ebenfalls betrachtet. Dabei wird die Effektivität der klassischen Voids untersucht. Hierfür wird ein lineares Netzwerkmodell der Teilleiter, unter Verwendung der FEM zur Bestimmung der Impedanzmatrizen, aufgebaut und die Abhängigkeit der Verluste sowie der Teilleiterstromverteilung bei Variation der Voidlänge herausgearbeitet. Im Zusammenhang mit variabler Drehzahl und hohem Drehzahlbereich tritt im Rotor eine wechselnde Fliehkraftbelastung auf, die zum Verbrauch mechanischer Lebensdauer einzelner Rotorkomponenten führt. Dieser Lebensdauerverbrauch wird in einem strukturmechanischen 2D-FE-Modell unter Berücksichtigung von nichtlinearen Kontaktbeziehungen ermittelt. Anschließend wird die mechanische Belastung des Wellenstrangs durch Torsionsschwingungen im regulären Betrieb und bei Störfällen untersucht.