Zusatzverluste im Stirnraum von Hydrogeneratoren mit Roebelstabwicklung

Abstract

Zur Umwandlung mechanischer Energie der Wasserturbine in elektrische Energie werden in Wasserkraftwerken groesstenteils Schenkelpol-Synchronmaschinen verwendet. Diese decken einen grossen Leistungsbereich ab, die groessten Wasserkraftgeneratoren erzeugen eine elektrische Wirkleistung im Bereich von 800 MW. Die Statorwicklung (Ankerwicklung) grosser Synchronmaschinen ist als sogenannte Roebel-Stabwicklung ausgefuehrt. Die vorliegende Dissertation hat die Berechnung der Stirnraumverluste zum Thema. Das sind Zusatzverluste in den axialen Endbereichen der Maschine, also in den Stirnverbindern der Statorwicklungs-Staebe und den konstruktiven Presselementen des Stator-Blechpakets. Dazu gehoeren Schlingstromverluste in den Roebel-Staeben, also Kreisstromverluste aufgrund parasitaerer Magnetfelder in den Wickelkoepfen, lokale Wirbelstromverluste in den Teilleitern der Stirnverbinder, Wirbelstromverluste in den Pressplatten und Pressfingern. Weitere Stirnraumverlustanteile, wie zum Beispiel Zusatzverluste in den Wicklungsverbindungen und -ableitungen, Wirbelstromverluste in den Blechpaketenden und Wirbelstromverluste in elektrisch leitfaehigen Verschalungs-und Gehaeuseteilen, werden im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht. Die Stirnraumverluste werden mit Hilfe der entwickelten Rechenverfahren fuer 4 Beispielmaschinen berechnet. Bei den wassergekuehlten Maschinen des Kraftwerks Bieudron zeigen die detaillierten Messungen eine gute Uebereinstimmung mit den Rechenergebnissen. Vor allem bei hochpoligen Maschinen mit grossen Durchmessern zeigt sich, dass die zusaetzlichen Verlustkomponenten, die nicht in dieser Arbeit betrachtet werden, eine grosse Rolle spielen. Somit besteht noch ein weiterer Bedarf nach genauer Untersuchung dieser Verlustkomponenten in einer zukuenftigen Arbeit. Die vorgestellten Berechnungsverfahren erlauben eine relativ schnelle Abschaetzung der betrachteten Verlustanteile verglichen mit aufwendigen Finite-Elemente-Untersuchungen.

In hydro power plants, the mechanical power of the water turbine is converted into electrical power mainly by synchronous generators with salient poles. These machines are built with an active power up to 800 MW. The stator winding (armature winding) of large hydro generators consists of Roebel-bars. The aim of this thesis is the calculation of additional losses in the end region of synchronous machines. These end region losses include additional losses in the stator winding overhang (bar end connections) and in the stator clamping system. More precisely there are circulating current losses in the Roebel bars, due to the parasitic end region field, local eddy current losses in the winding strands, eddy current losses in the clamping plates and clamping fingers. Other end region losses, like additional losses in the terminal connections, eddy current losses in the end of the stator core and eddy current losses in conductive metal parts (stator frame, air-guides and covers) are not content of this work. The presented calculation methods are compared with measurements for 4 hydrogenerators. The calculated results show a very good accordance with the measurements made on the water-cooled generators of the Bieudron power plant. Contrarily in low speed machines with a big stator bore diameter, other additional loss components get important. The results of this thesis show the need for more precise investigations on these loss components. Nevertheless the presented calculation methods are very useful for a quick estimation of end region losses in detail, especially in comparison with an expensive Finite-Element study.