Ein ungleichmäßiger Luftspalt zwischen Stator und Rotor (allgemein bekannt als „Luftspaltexzentrizität“) in großen Wasserkraftgeneratoren ist ein schwerwiegender Fehlermodus, der eine Reihe von negativen Auswirkungen auf den stabilen Betrieb und die Lebensdauer des Geräts haben kann.
Vereinfacht ausgedrückt führt ein ungleichmäßiger Luftspalt zu einer asymmetrischen Magnetfeldverteilung, was wiederum eine Reihe elektromagnetischer und mechanischer Probleme auslöst. Im Folgenden analysieren wir detailliert die Auswirkungen auf Statorstrom und -spannung sowie weitere damit verbundene negative Folgen.
I. Einfluss auf den Statorstrom
Dies ist der direkteste und offensichtlichste Effekt.
1. Erhöhter Strom und Wellenformverzerrung
Prinzip: In Bereichen mit kleineren Luftspalten ist der magnetische Widerstand geringer und die magnetische Flussdichte größer; in Bereichen mit größeren Luftspalten ist der magnetische Widerstand größer und die magnetische Flussdichte geringer. Dieses asymmetrische Magnetfeld induziert eine unausgeglichene elektromotorische Kraft in den Statorwicklungen.
Auswirkungen: Dies führt zu einer Unsymmetrie der dreiphasigen Statorströme. Noch wichtiger ist, dass zahlreiche Oberschwingungen höherer Ordnung, insbesondere ungeradzahlige Oberschwingungen (wie die 3., 5., 7. usw.), in die Stromwellenform eingeführt werden, wodurch diese keine glatte Sinuswelle mehr ist, sondern verzerrt wird.
2. Erzeugung von Stromkomponenten mit charakteristischen Frequenzen
Prinzip: Das rotierende exzentrische Magnetfeld entspricht einer niederfrequenten Modulationsquelle, die den Grundfrequenzstrom moduliert.
Verhalten: Im Statorstromspektrum treten Seitenbänder auf. Genauer gesagt, treten charakteristische Frequenzkomponenten auf beiden Seiten der Grundfrequenz (50 Hz) auf.
3. Lokale Überhitzung der Wicklungen
Prinzip: Oberschwingungen im Strom erhöhen die Kupferverluste (I²R-Verluste) der Statorwicklungen. Gleichzeitig erzeugen die Oberschwingungsströme zusätzliche Wirbelstrom- und Hystereseverluste im Eisenkern, was zu erhöhten Eisenverlusten führt.
Leistung: Die lokale Temperatur der Statorwicklungen und des Eisenkerns steigt anormal an, was die zulässige Grenze der Isolationsmaterialien überschreiten, die Alterung der Isolation beschleunigen und sogar Kurzschluss-Durchbrennunfälle verursachen kann.
II. Auswirkungen auf die Statorspannung
Obwohl die Auswirkungen auf die Spannung nicht so direkt sind wie auf den Strom, sind sie ebenso wichtig.
1. Verzerrung der Spannungswellenform
Prinzip: Die vom Generator erzeugte elektromotorische Kraft steht in direktem Zusammenhang mit dem magnetischen Fluss im Luftspalt. Ein ungleichmäßiger Luftspalt verursacht eine Verzerrung der magnetischen Flusskurve, was wiederum zu einer Verzerrung der induzierten Statorspannung und dem Auftreten von Oberschwingungen führt.
Leistung: Die Qualität der Ausgangsspannung nimmt ab und es handelt sich nicht mehr um eine Standard-Sinuswelle.
2. Spannungsunsymmetrie
In stark asymmetrischen Fällen kann dies zu einem gewissen Grad an Ungleichgewicht in der dreiphasigen Ausgangsspannung führen.
III. Weitere, schwerwiegendere Nebenwirkungen (verursacht durch Strom- und Spannungsprobleme)
Die oben genannten Strom- und Spannungsprobleme lösen wiederum eine Reihe von Kettenreaktionen aus, die oft fatalere Folgen haben.
1. Unausgeglichene magnetische Anziehung (UMP)
Dies ist die grundlegendste und gefährlichste Folge der Luftspaltexzentrizität.
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Prinzip: Auf der Seite mit dem kleineren Luftspalt ist die magnetische Anziehungskraft deutlich größer als auf der Seite mit dem größeren Luftspalt. Diese resultierende magnetische Anziehungskraft (UMP) zieht den Rotor zusätzlich zur Seite mit dem kleineren Luftspalt.
Teufelskreis: UMP verstärkt das Problem des ungleichmäßigen Luftspalts und bildet so einen Teufelskreis. Je stärker die Exzentrizität, desto größer der UMP; je größer der UMP, desto stärker die Exzentrizität.
Folgen:
•Erhöhte Vibrationen und Geräusche: Das Gerät erzeugt starke, frequenzverdoppelte Vibrationen (hauptsächlich das Zweifache der Netzfrequenz, 100 Hz), wodurch die Vibrations- und Geräuschpegel deutlich ansteigen.
•Mechanische Schäden an Bauteilen: Langfristige UMP führt zu erhöhtem Lagerverschleiß, Zapfenermüdung, Wellenbiegung und kann sogar dazu führen, dass Stator und Rotor aneinander reiben (gegenseitige Reibung und Kollision), was einen verheerenden Ausfall zur Folge hat.
2. Erhöhte Geräteschwingung

Quellen: Hauptsächlich aus zwei Perspektiven:
1. Elektromagnetische Schwingungen: Verursacht durch eine unausgeglichene magnetische Anziehung (UMP), hängt die Frequenz von der Drehfeld- und Netzfrequenz ab.
2. Mechanische Vibrationen: Verursacht durch Lagerverschleiß, Wellenfehlausrichtung und andere Probleme, die durch UMP verursacht werden.
Folgen: Beeinträchtigt den stabilen Betrieb des gesamten Generatorsatzes (einschließlich der Turbine) und gefährdet die Sicherheit der Kraftwerksanlage.
3. Auswirkungen auf den Netzanschluss und das Stromsystem
Spannungswellenformverzerrungen und Stromoberschwingungen verschmutzen das Stromversorgungssystem der Anlage und werden in das Netz eingespeist, was den normalen Betrieb anderer Geräte am selben Bus beeinträchtigen kann und die Anforderungen an die Stromqualität nicht erfüllt.
4. Reduzierter Wirkungsgrad und geringere Ausgangsleistung
Zusätzliche Oberwellenverluste und Erwärmung verringern den Wirkungsgrad des Generators, und bei gleicher Eingangswasserleistung sinkt die nutzbare Wirkleistung.
Abschluss

Ungleichmäßiger Luftspalt zwischen Stator und Rotor in großen Wasserkraftgeneratoren ist keineswegs zu vernachlässigen. Er beginnt als elektromagnetisches Problem, entwickelt sich aber schnell zu einem umfassenden, schwerwiegenden Fehler, der elektrische, mechanische und thermische Aspekte umfasst. Die dadurch verursachte magnetische Unwucht (UMP) und die daraus resultierenden starken Vibrationen sind die Hauptfaktoren, die den sicheren Betrieb der Anlage gefährden. Daher muss die Gleichmäßigkeit des Luftspalts während der Installation, Wartung und des täglichen Betriebs der Anlage streng kontrolliert werden. Frühe Anzeichen von Exzentrizitätsfehlern müssen mithilfe von Online-Überwachungssystemen (wie Vibrations-, Strom- und Luftspaltüberwachung) rechtzeitig erkannt und behoben werden.