{"id":466,"date":"2018-01-15T07:08:05","date_gmt":"2018-01-15T06:08:05","guid":{"rendered":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/?page_id=466"},"modified":"2019-11-04T10:08:07","modified_gmt":"2019-11-04T09:08:07","slug":"forschung-2","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/forschung-2","title":{"rendered":"Turbogeneratoren"},"content":{"rendered":"<h3><strong>\u00dcbersicht<\/strong><\/h3>\n<ul>\n<li>Gekoppelte Netz-, Maschinen und Torsionsschwingungsberechnungen<br \/>\nSchwingungsdiagnose<\/li>\n<li>Simulation innerer Fehler in Synchronmaschinen<\/li>\n<li>Mehrmaschinendynamik, Kraftwerksschutz<\/li>\n<li>Untersuchung des elektromechanischen Verhaltens der St\u00e4nderwickelk\u00f6pfe gro\u00dfer Synchronmaschinen<\/li>\n<li>Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Wickelk\u00f6pfen kleiner Turbogeneratoren<\/li>\n<li>Untersuchung der elektromagnetischen Felder im St\u00e4nderwickelkopfbereich gro\u00dfer Turbogeneratoren<\/li>\n<li>Entwicklung eines Verfahrens f\u00fcr die Berechnung der Wickelkopfinduktivit\u00e4ten rotierender elektrischer Drehfeldmaschinen mit Fokus auf 2polige Turbogeneratoren unterschiedlicher Leistungsklassen<\/li>\n<li>Drehzahlvariabler Turbogenerator<\/li>\n<\/ul>\n<p><strong>Turbogeneratoren und Gro\u00dfantriebe<\/strong><\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/forschung-2\/monitoring-kreischer\" rel=\"attachment wp-att-469\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-469\" src=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/monitoring-Kreischer-300x248.jpg\" alt=\"xx\" width=\"364\" height=\"301\" srcset=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/monitoring-Kreischer-300x248.jpg 300w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/monitoring-Kreischer-768x634.jpg 768w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/monitoring-Kreischer-1024x846.jpg 1024w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/monitoring-Kreischer.jpg 1207w\" sizes=\"auto, (max-width: 364px) 100vw, 364px\" \/><\/a><a href=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/forschung-2\/femodell-kreischer\" rel=\"attachment wp-att-470\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-470\" src=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/femodell-Kreischer-274x300.png\" alt=\"xx\" width=\"284\" height=\"311\" srcset=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/femodell-Kreischer-274x300.png 274w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/femodell-Kreischer-768x840.png 768w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/femodell-Kreischer.png 920w\" sizes=\"auto, (max-width: 284px) 100vw, 284px\" \/>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0<\/a><a href=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/forschung-2\/netomac1-kreischer\" rel=\"attachment wp-att-471\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignnone wp-image-471\" src=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/netomac1-Kreischer-253x300.jpg\" alt=\"xx\" width=\"272\" height=\"323\" srcset=\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/netomac1-Kreischer-253x300.jpg 253w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/netomac1-Kreischer-768x911.jpg 768w, https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-content\/uploads\/sites\/588\/2018\/01\/netomac1-Kreischer.jpg 807w\" sizes=\"auto, (max-width: 272px) 100vw, 272px\" \/><\/a><\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p><strong>Gekoppelte Netz-, Maschinen und Torsionsschwingungsberechnungen (NETOMAC)<\/strong><\/p>\n<p>Nach einer Schalthandlung oder einem Fehler im elektrischen Netz kommt es zu dynamischen elektromechanischen Ausgleichsvorg\u00e4ngen zwischen dem Netz und den angeschlossenen Maschinen samt Wellenstrang. Die nichtlineare wechselseitige Abh\u00e4ngigkeit zwischen elektrischem und mechanischem System erfordert eine simultane Betrachtung aller beteiligten Teilsysteme. Im Falle eines Generators am Netz sind zus\u00e4tzlich Spannungs- und Drehzahlregler, der mechanische Wellenstrang bestehend aus Rotor, <abbr title=\"gegebenenfalls\">ggf.<\/abbr> Erregermaschine und antreibende Turbinen sowie das angeschlossene Netz zu ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n<p>Die nichtlineare wechselseitige Abh\u00e4ngigkeit ist durch die Ausgleichsstr\u00f6me 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 f\u00fchren und die magnetische Kopplung des Systems beeinflussen. Weitere nichtlineare Einfl\u00fcsse werden durch den Spannungs- und Drehzahlregler hervorgerufen. Der Spannungsregler \u00e4ndert die Erregung des Generators in Abh\u00e4ngigkeit seiner Klemmenspannung und der Drehzahlregler regelt das Turbinenmoment in Abh\u00e4ngigkeit der Drehzahl und der mittleren elektrischen Wirkleistung, welche \u00fcber die Generatorklemmen abgegeben wird.<\/p>\n<p>All diese Abh\u00e4ngigkeiten m\u00fcssen bei diesen Simulationen ber\u00fccksichtigt werden und erfordern damit die korrekte Parametrisierung der Eingangsdaten, damit die Ergebnisse das tats\u00e4chliche Verhalten des Systems darstellen.<\/p>\n<p><strong>Schwingungsdiagnose: \u201eEntwicklung eines Diagnosemoduls f\u00fcr Wickelkopfschwingungen\u201c<\/strong><\/p>\n<p>St\u00e4nderwickelk\u00f6pfe gro\u00dfer Turbogeneratoren sind komplexe, schwingungsf\u00e4hige Gebilde, welche im Betrieb einer st\u00e4ndigen Wechselbelastung ausgesetzt sind. Bei Betriebsst\u00f6rungen des Generators k\u00f6nnen zudem gro\u00dfe elektromagnetische Kr\u00e4fte auf den Wickelkopfverbund wirken und diesen zus\u00e4tzlich altern lassen. Eine kontinuierliche Beurteilung des Wickelkopfzustands erm\u00f6glicht Aussagen \u00fcber dessen Betriebssicherheit und macht eventuell notwendige Reparaturma\u00dfnahmen planbar. Der Wickelkopfzustand l\u00e4sst sich durch eine modale Betrachtung der Wickelkopfschwingungen beschreiben, wodurch eine ganzheitliche \u00dcberwachung eines homogenen Wickelkopfes erm\u00f6glicht und die Auffindung von sich anbahnenden Sch\u00e4den im Wickelkopfbereich erleichtert wird. Da die Auspr\u00e4gungen einzelner modaler Schwingungsanteile R\u00fcckschl\u00fcsse auf verschiedene Anregungsmechanismen zulassen, stellt die modale Betrachtung eine M\u00f6glichkeit zur Diagnose dar. F\u00fcr eine kontinuierliche und diagnostische Wickelkopf\u00fcberwachung auf modaler Basis wird ein flexibles Diagnoseprogramm ben\u00f6tigt, welches die Einzelstabschwingungen transformiert und die berechneten Modalformen in Abh\u00e4ngigkeit 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 durchgef\u00fchrt und Strategien zur Ber\u00fccksichtigung der Betriebsparameterabh\u00e4ngigkeiten erarbeitet.<\/p>\n<p><strong>Simulation innerer Fehler in Synchronmaschinen: \u201eWindungs- und Phasenschl\u00fcsse im Stator gro\u00dfer Synchronmaschinen\u201c<\/strong><\/p>\n<p>Die Auswirkungen von inneren Fehlern im Stator einer Synchronmaschine sind verglichen mit den \u00e4u\u00dferen elektrischen Fehlern, wie <abbr title=\"zum Beispiel\">z.B.<\/abbr> den Klemmenkurzschl\u00fcssen, der Fehlsynchronisation und den Kurzschl\u00fcssen im Netz, weiterhin unzureichend erforscht. H\u00e4ufige Folge von inneren Fehlern ist der Totalschaden der beteiligten Wicklung, des Blechpakets, der Lager und der angekoppelten Antriebe <abbr title=\"beziehungsweise\">bzw.<\/abbr> Lasten. Dass Windungsschl\u00fcsse auch im Fall von gro\u00dfen Synchrongeneratoren wieder ein aktuelles Thema darstellen, zeigt sich daran, dass in den letzten Jahren ein h\u00e4ufigeres Auftreten bei Turbogeneratoren in einer Leistungsklasse von 20 bis 40 MVA beobachtet werden konnte. Neue und leistungsf\u00e4hige Feldberechnungsprogramme, begleitet von verbesserten analytischen Methoden, erm\u00f6glichen einen tieferen Einblick in die physikalischen Vorg\u00e4nge mit innerer Unsymmetrie, der bisher nur unter vereinfachenden Annahmen m\u00f6glich war. Es werden numerische und analytische Verfahren weiterentwickelt und kombiniert angewendet, um eine deutlich genauere Berechnung von Windungs- und Phasenschl\u00fcssen zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n<p><strong>Untersuchung des elektromechanischen Verhaltens der St\u00e4nderwickelk\u00f6pfe gro\u00dfer Synchronmaschinen: \u201eDynamisches Verhalten der Wickelk\u00f6pfe gro\u00dfer Turbogeneratoren\u201c<\/strong><\/p>\n<p>Wickelk\u00f6pfe sind elementare Bestandteile gro\u00dfer Turbogeneratoren, welche ein komplexes, mechanisch schwingf\u00e4higes System darstellen. Findet w\u00e4hrend des Betriebs der Maschine eine Anregung in der N\u00e4he einer Eigenfrequenz statt, so kann dies zur drastischen Reduzierung der Lebensdauer f\u00fchren. Die Anregung setzt sich hierbei aus einer Kombination aus den Blechpaketschwingungen und den elektromagnetischen Wickelkopfkr\u00e4ften zusammen. Im Fehlerfall k\u00f6nnen die Wickelkopfkr\u00e4fte mehr als das 100fache der Wickelkopfkr\u00e4fte im Nennbetrieb der Maschine erreichen, was auch bei einer resonanzfernen Anregung zur Zerst\u00f6rung f\u00fchren kann. Im Rahmen der Forschung wurden unterschiedliche Betriebszust\u00e4nde ausgew\u00e4hlter Maschinen analysiert und die daraus resultierenden Belastungen des Wickelkopfs untersucht. Ferner wurde ein St\u00f6rfallkatalog erstellt, der die Empfindlichkeit in Abh\u00e4ngigkeit von relevanten Konstruktionsparametern bei den zuvor untersuchten Betriebszust\u00e4nden auflistet. Dieser St\u00f6rfallkatalog soll dabei helfen, schon w\u00e4hrend der Konstruktion gezielte Ma\u00dfnahmen gegen unerw\u00fcnschte Wickelkopfverformungen vornehmen zu k\u00f6nnen oder w\u00e4hrend einer m\u00f6glichen Revision die zu untersuchenden Bauteile schneller lokalisieren zu k\u00f6nnen.<\/p>\n<p><strong>Untersuchung der elektromagnetischen Felder im St\u00e4nderwickelkopfbereich gro\u00dfer Turbogeneratoren<\/strong><\/p>\n<p>Die im Nennbetrieb auftretenden Schwingungen haben einen bedeutenden Einfluss auf die Lebensdauer der Bauteile im Wickelkopfbereich von gro\u00dfen Generatoren, w\u00e4hrend die Kr\u00e4fte bei St\u00f6rf\u00e4llen wie dem dreipoligen Klemmenkurzschluss oder einer Fehlsynchronisation zu\u00a0 schweren Folgest\u00f6rungen f\u00fchren k\u00f6nnen, die den Betrieb des Generators unter Umst\u00e4nden beeintr\u00e4chtigen. Aus diesem Grund ist die Auslegung der St\u00fctzkonstruktionen, die die Auswirkungen derartiger St\u00f6rungen begrenzen sollen, eines der zentralen Themen. Zus\u00e4tzlich entstehen thermische Belastungen durch Wirbelstr\u00f6me in Folge axial auf das Blechpaket eintreffender Feldanteile. Die so hervorgerufenen Verluste haben Auswirkungen auf das Design der K\u00fchlung und begrenzen den zul\u00e4ssigen Leistungsbereich, insbesondere im untererregten Betrieb.<\/p>\n<p>Eine Berechnung und Beurteilung der oben angesprochenen Beanspruchungen ist erst nach der Berechnung des sich im Wickelkopfbereich ausbildenden magnetischen Feldes m\u00f6glich. Ein umfassendes Verst\u00e4ndnis der Felder und ihrer Auswirkungen l\u00e4sst sich nur mit Hilfe einer dreidimensionalen Betrachtung erlangen. Die Finite-Elemente-Methode stellt hier ein gutes Werkzeug zur Verf\u00fcgung, mit dessen Hilfe die Geometrie nachgebildet und berechnet werden kann. Besonders die vielf\u00e4ltigen M\u00f6glichkeiten bei der Auswertung der Ergebnisse erlauben im Anschluss ein verbessertes Verst\u00e4ndnis der Vorg\u00e4nge im Endbereich von Turbogeneratoren.<\/p>\n<p><strong>\u201eEntwicklung eines Verfahrens f\u00fcr die Berechnung der Wickelkopfinduktivit\u00e4ten rotierender elektrischer Drehfeldmaschinen mit Fokus auf 2-polige Turbogeneratoren unterschiedlicher Leistungsklassen (DFG)\u201c<\/strong><\/p>\n<p>Im Gegensatz zur Berechnung des Luftspaltfeldes in konventionellen rotierenden Maschinen, die mit zweidimensionalen, analytischen und in zunehmendem Ma\u00dfe auch numerischen Methoden erfolgen kann, stellt die Berechnung des Wickelkopfstreufeldes eine echte dreidimensionale Problemstellung dar. \u00dcber viele Jahrzehnte hinweg wurde daher beim Entwurf elektrischer Maschinen der Einfluss des Wickelkopfes auf das elektrische Betriebsverhalten nur \u00fcber relativ grobe N\u00e4herungen behandelt, die nur wenige Einflussgr\u00f6\u00dfen ber\u00fccksichtigen und wesentliche Geometrie- und Materialparameter vernachl\u00e4ssigen.<\/p>\n<p>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 gr\u00f6\u00dferer Leistung spielt die Feldverteilung im Stirnraum eine bedeutende Rolle. So f\u00fchren <abbr title=\"zum Beispiel\">z.B.<\/abbr> die axialen Feldkomponenten des in das Blechpaket eindringenden Stirnraumfeldes und der Eckeneffekt zu einer Endzonenerw\u00e4rmung, die bei der konstruktiven Auslegung und Dimensionierung ber\u00fccksichtigt werden muss und letzlich u. a. eine der Leistungsbegrenzungen der Maschine darstellt. Die Ausbildung des Wickelkopfstreufeldes und die resultierenden Feldverl\u00e4ufe werden in den \u00fcblichen Ersatzschaltbildern in den Streureaktanzen ber\u00fccksichtigt. F\u00fcr 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 Streuinduktivit\u00e4ten des Stators und dessen Kopplungen zum Rotor geh\u00f6ren. Aus Sch\u00e4tzungen ist hierbei bekannt, dass der Anteil des Wickelkopfes an der Gesamtstreuung etwa ein Drittel betr\u00e4gt, wobei dieser Anteil mit abnehmender Baugr\u00f6\u00dfe der Maschine steigt. Als Fazit der vorangegangen Ausf\u00fchrungen kann gesagt werden, dass die zu bearbeitende Thematik ein essentielles Problem der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen ist.<\/p>\n<p>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 <abbr title=\"beziehungsweise\">bzw.<\/abbr> der Wickelkopfinduktivit\u00e4ten beim Entwurfsprozess elektrischer Maschinen.<\/p>\n<p><strong>Drehzahlvariabler Turbogenerator<\/strong><\/p>\n<p>Der Turbogenerator hat sich bisher als Gro\u00dfantrieb in der Kraftwerkstechnik etabliert. In einer verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig kleinen Gr\u00f6\u00dfenordnung 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 Umrichterr\u00fcckwirkung entstehen zus\u00e4tzlich zu den konventionellen, neuartige Auslegungsaspekte f\u00fcr den Turbogenerator, die im Rahmen dieses Projektes umfassend analysiert. Ein wesentlicher Schwerpunkt sind zus\u00e4tzliche Verluste, speziell die Wirbelstromverluste an der Rotoroberfl\u00e4che, welche infolge von umrichterbedingten Stromoberschwingungen entstehen und bei thermischer Betrachtung ber\u00fccksichtigt werden m\u00fcssen. D\u00e4mpferwicklungsdesign und Umrichterwahl werden im Zusammenhang mit diesem Problempunkt untersucht. Hochaufl\u00f6sende umrichtergekoppelte FEM-Modelle wurden hierf\u00fcr aufgebaut und je nach Design variiert, wobei eine adequate Ber\u00fccksichtigung der Feldeindringtiefe und der S\u00e4ttigung bei der Verlustbestimmung m\u00f6glich wird. Mechanische Beanspruchungen bei h\u00f6heren Drehzahlen und umrichterbedingten Momentenpendelungen sind ein weiterer wesentlicher Betrachtungspunkt der Auslegung, der ebenfalls mittels numerischer Methoden behandelt wird.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>\u00dcbersicht Gekoppelte Netz-, Maschinen und Torsionsschwingungsberechnungen Schwingungsdiagnose Simulation innerer Fehler in Synchronmaschinen Mehrmaschinendynamik, Kraftwerksschutz Untersuchung des elektromechanischen Verhaltens der St\u00e4nderwickelk\u00f6pfe gro\u00dfer Synchronmaschinen Untersuchung des Schwingungsverhaltens von Wickelk\u00f6pfen kleiner Turbogeneratoren Untersuchung [&hellip;]<\/p>\n","protected":false},"author":53,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[],"class_list":["post-466","page","type-page","status-publish","hentry"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/466","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/users\/53"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=466"}],"version-history":[{"count":13,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/466\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1133,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/pages\/466\/revisions\/1133"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=466"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=466"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.hsu-hh.de\/ema\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=466"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}