Turbogenerator

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Ein Turbogenerator, auch als Vollpolmaschine bezeichnet, ist eine Bauart eines Synchrongenerators, der vorwiegend von schnelllaufenden Gas- oder Dampfturbinen angetrieben wird. Die Kombination des Turbogenerators und der Turbine wird als Turbosatz bezeichnet.

Der hauptsächliche Anwendungsbereich dieser Maschine liegt im Bereich mittlerer bis größerer Wärmekraftwerke wie Kohle- oder Kernkraftwerke zur Gewinnung von elektrischer Energie. Mehr als 75 % der elektrischen Energie weltweit wird mittels Turbogeneratoren erzeugt.

Aufbau[Bearbeiten]

Turbogenerator mit 1 GVA im Kraftwerk Schwarze Pumpe in Form der gelben zylindrische Einheit in der Mitte.
Vollpolmaschine
Blick in einen geöffneten Turbogenerator des Kernkraftwerks Balakowo

Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal zur Schenkelpolmaschine, die ebenfalls einen Synchrongenerator darstellt, ist die vergleichsweise hohe Drehzahl von 3.000 oder 1.500 min-1 in Netzen mit 50 Hz bzw. 3.600 oder 1.800 min-1 in Netzen mit 60 Hz. Zur Beherrschung der damit einhergehenden Fliehkräfte wird der Rotor als schlanker, langer Vollpolrotor ausgeführt und in horizontaler Lage betrieben. Zurzeit liegen die maximal realisierbaren Durchmesser bei etwa 1,25 m für 3000 min-1 und 1,15 m für 3600 min-1. Bei vierpoligen Maschinen sind die möglichen Rotordurchmesser deutlich größer (um 2 m für 1500 min-1). Die Grenzwerte ergeben sich aus den zurzeit technisch realisierbaren maximalen Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 235 m/s, wobei zur Auslegung ein Überdrehzahl-Faktor von 1,2 (20% Überdrehzahl bezogen auf die Nenndrehzahl) zugrunde gelegt wird [1].

Am Rotor werden die Nuten zur Aufnahme der Erregerwicklung direkt aus dem massiven Rotorkörper (Schmiedestück) herausgefräst. Die Rotorwicklung wird in diese Nuten eingelegt und verkeilt. Am Ballenende wird jeweils ein Kappenring aufgeschrumpft. Dieser vermeidet ein Herausfliegen der am Ende zusammenkommenden Kupferwicklungen (Läuferwickelkopf) durch die Fliehkräfte. Der Kappenring besteht im Gegensatz zum Rotor selbst aus hochlegiertem nichtmagnetischem Stahl und bildet mit den Nutenkeilen an der Oberfläche des Rotors einen elektrisch leitfähigen Käfig welcher als Dämpferwicklung bezeichnet wird. Die Dämpferwicklung dient dazu, Stoßbelastungen (Polradpendelungen) und die Erwärmung des Läufers bei Schieflast zu reduzieren. In dem aus massiven Stahl geschmiedeten Rotor treten bei symmetrischer Belastung keine Wechselfelder und somit auch keine Wirbelströme auf. Durch eine Schieflast kommt es allerdings zu einem magnetischen Drehfeld im Stahlkern des Rotors, welches zu Wirbelströmen und zu einer unzulässigen Erwärmung und im Extremfall zur Zerstörung des Turbogenerators führen kann.

Zur Versorgung der Erregerwicklung mit Gleichstrom wurden bei älteren Turbogeneratoren auf die Achse fix gekuppelte Gleichstrommaschinen, welche in diesem Fall auch als Erregermaschine bezeichnet werden, eingesetzt. Die Zuführung des Gleichstroms zum Rotor des Turbogenerators muss dann über Bürsten und Schleifringe erfolgen.

Heute sind hauptsächlich zwei Arten der Erregung für große Turbogeneratoren üblich:

  • Bürstenlose Erregung mit rotierendem Erreger (z. B. Außenpolmaschine mit auf bzw. in der Rotorwelle angebrachten Dioden zur Gleichrichtung). Der Erreger wird von außen mit einem Gleichstrom gespeist, der üblicherweise durch eine Stromrichteranlage zur Verfügung gestellt wird.
  • Statische Erregung: Eine Stromrichteranlage liefert den Gleichstrom, der über eine Bürstenbrücke (Schleifringe und Kohlebürsten) auf die Rotorwicklung der Innenpolmaschine übertragen wird. Die Bürsten sind bei dieser Variante im laufenden Betrieb problemlos auswechselbar.

Welche der beiden genannten Methoden jeweils zum Einsatz kommt, hängt neben der jeweiligen Hersteller-Philosophie in erster Linie von den Anforderungen des Kraftwerksbetreibers ab. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile:

  • Der rotierende Erreger ist normalerweise wartungsarm, jedoch kann im Ernstfall eine Wartung / Reparatur nur bei Stillstand der Maschine erfolgen. Die durch die dazugehörige Gleichrichteranlage zu verarbeitenden Ströme sind vergleichsweise gering, jedoch ist eine Nachführung des Erregerstromes bei schnellen Wechseln des Betriebszustandes eher träge aufgrund der Erregerzeitkonstanten. Zum Ausgleich von Spannungseinbrüchen an den Generatorklemmen muss die Stromrichteranlage sehr große Spannungsreserven (sog. Deckenerregung) gegenüber dem Normalbetrieb bereitstellen.
  • Die statische Stromrichter-Erregung ist insgesamt etwas komplexer im Aufbau, kann jedoch weitgehend online gewartet werden, d. h. während des Betriebs des Generators. Die zu verarbeitenden Ströme entsprechen den erforderlichen Erregerströmen und liegen bei großen Maschinen im Bereich von bis zu 10 kA. Dafür kann die statische Erregung sehr schnell auf Lastwechsel reagieren, wobei die Deckenspannung deutlich geringer ausfallen kann als beim rotierenden Erreger. Dieser Dynamikvorteil kommt heute aufgrund der steigenden Lastflussdynamik in Netzen, mit vielen regenerativen Energieerzeugern, immer mehr zum Tragen. Im Regelfall stellen Netzbetreiber bestimmte Minimalanforderungen an die Generatorsysteme von Kraftwerksbetreibern bezüglich Dynamik und Zuverlässigkeit bei kurzzeitigen Störungen, die oft mit rotierenden Erregern nicht realisierbar sind.

Die Erregung ist sehr wichtig für das Betriebsverhalten des Generators, da über die Einstellung des Erregerstromes die Amplitude der Klemmenspannung und damit die Blindleistung geregelt wird, die der Generator dem Netz zur Verfügung stellen kann (die Wirkleistung wird durch die Turbinendrehzahl bzw. deren Drehmoment bestimmt). Die Erregerleistung beträgt bei Turbogeneratoren ca. 0,5 % bis 3 % der Generatorleistung.

Weiters sind Turbogeneratoren, im Gegensatz zu den langsam rotierenden Schenkelpolmaschinen, nicht leerlauffest und erlauben nur eine geringe Überdrehzahl. Bei einem plötzlichen Lastabfall (im schlimmsten Fall durch eine unvorgesehene Netztrennung) muss zur Vermeidung von mechanischen Schäden sofort eine automatische Turbinenschnellabschaltung erfolgen. Dafür besitzen die Dampfturbinen sogenannte Schnellschlussventile, die den vollen Dampfmassenstrom zu den Turbinen innerhalb von weniger als einer Sekunde sperren und über Umleitstationen in den Kondensator leiten. Somit können die Turbinen kein Drehmoment mehr erzeugen. Parallel wird die Entregung des Turbogenerators durchgeführt.

Die Generatorspannung eines Turbogenerators liegt bei Leistungen im Bereich von 40 MVA bei 6,3 kV, bei großen Turbogeneratoren von über 1000 MVA werden bis zu 27 kV erreicht. Dabei betragen die Ströme bei größeren Anlagen rund 10 kA. Über einen Generatorleistungsschalter wird die Generatorspannung dem in unmittelbarer Nähe zur Maschinenhalle aufgestellten Maschinentransformator zugeführt, welche sie in die im Hochspannungsnetz übliche Spannung von beispielsweise 400 kV hochtransformiert.

Kühlung[Bearbeiten]

660-MVA-Turbogenerator im Kraftwerk Drax

Je nach Leistungsgröße von Turbogeneratoren wird die Kühlungsart gewählt.

  • Bei Maschinen mit Leistungen bis 300 MW erfolgt die Kühlung der Maschine vorwiegend mit Frischluft.
  • Im Leistungsbereich von 250 MW bis 450 MW erfolgt die Kühlung meistens mittels Wasserstoff, dessen große spezifische Wärmekapazität gegenüber Luft eine wirksamere Kühlung ermöglicht.
  • Bei den derzeit leistungsstärksten Turbogeneratoren bis zu 1.800 MW erfolgt die Kühlung in Kombination mit Wasserstoff und Reinwasser. Zur gezielten Wärmeabfuhr werden die Wicklungen des Turbogenerators mit Hohlleitern ausgeführt und von den jeweiligen Kühlmedien durchströmt.

Turbogeneratoren zählen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 % zu den effizientesten Energiewandlern.

Bedeutung für elektrische Energieerzeugung[Bearbeiten]

Im Jahr 2000 belief sich die elektrische Energieerzeugung auf 55.440 PJ (entspricht 15.400 TWh). Etwa 64 % entfielen auf fossile Energiequellen (Kohle, Gas, Öl), weitere 17 % auf Kernkraftwerke. In beiden Bereichen von Wärmekraftwerken verwendet man ausschließlich Turbogeneratoren zur Stromerzeugung.

Literatur[Bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Turbogenerators in gas turbine systems - Part 2, ISBN 978-1-84569-728-0 (Print) 978-0-85709-606-7 (Online), Woodhead Publishing Inc., Kapitel 8.2.4