Kühlung eines Synchrongenerators

Kühlung von Synchronmaschinen: Methoden Vorteile und Einschränkungen

Bedeutung der Kühlung

Die Kühlung ist ein entscheidender Aspekt des Betriebs von Synchronmaschinen. Natürliche Kühlmechanismen sind nicht ausreichend, um die erhebliche Menge an Wärme, die in den Wechselrichtern erzeugt wird, abzuführen. Um dies zu bewältigen, werden gezwungene Luftkühlungssysteme eingesetzt. In solchen Systemen wird Luft aktiv in den Wechselrichter gepresst, wodurch eine größere Menge an Luft über dessen Oberflächen geleitet wird und somit eine erhebliche Menge an Wärme effektiv entfernt wird. Ein geschlossenes Lüftungssystem ist besonders effektiv, um die Kühlung von Synchronmaschinen zu verbessern. In diesem Aufbau wird die heiße, saubere Luft aus dem Wechselrichter durch einen wassergekühlten Wärmetauscher gekühlt und dann mit Hilfe von Ventilatoren wieder durch den Wechselrichter zirkuliert.

Um die Kontaktfläche zur Kühlungsluft zu maximieren, werden Duktionskanäle in den Stator- und Rotor-Kernen sowie in den Feldspulen des Generators integriert. Diese Duktionen können je nach gewünschtem Luftströmungsmuster radial oder axial angeordnet sein.

Radiale Strömungs-Lüftungssystem

Beschreibung

In einem radialen Strömungs-Lüftungssystem tritt die Kühlungsluft durch den Luftspalt im Stator in die Duktionen ein und fließt radial zum hinteren Teil des Stators, wo sie anschließend abgeleitet wird.

Vorteile

• Geringer Energieverlust: Die für die Belüftung erforderliche Energie wird minimiert, was zur Gesamteffizienz beiträgt.

• Vielseitigkeit: Dieses System kann sowohl auf kleine als auch auf große Maschinen angewendet werden, was es zu einer flexiblen Option für verschiedene Generatorgrößen macht.

Einschränkungen

Größe und Kompaktheit: Die Anwesenheit von Lüftungskanälen, die etwa 20% der Länge des Armaturens ausmachen, macht die Maschine weniger kompakt.

Wärmeabfuhr: Im Vergleich zu anderen Kühlungssystemen bietet das radiale Strömungssystem relativ geringere Wärmeabfuhr. In einigen Fällen kann die Stabilität des Systems aufgrund von Schwankungen im Volumen der Kühlungsluft, die durch die Maschine strömt, beeinträchtigt werden.

Axiales Strömungs-Lüftungssystem

Beschreibung

Bei dieser Methode wird Luft axiell durch Passagen gedrückt, die durch Löcher im Stator und Rotor gebildet werden.

Leistung und Einschränkungen

Das axiale Strömungs-Lüftungssystem ist sehr effektiv, außer bei Maschinen mit signifikanten axialen Längen. Eine seiner Hauptnachteile ist die ungleichmäßige Wärmeübertragung. Der Luftausgangsbereich der Maschine erhält tendenziell weniger Kühlung, da die Luft sich während des Axialdurchflusses erwärmt.

Umfangsgenauige Lüftung

Beschreibung

Bei der umfangsgenauen Lüftung wird Luft an einem oder mehreren Punkten am äußeren Rand des Stator-Kerns zugeführt und dann umfangsgenau durch die Duktionen zwischen den Laminaten zu bestimmten Austrittsstellen gedrückt. Diese Methode ermöglicht eine Erhöhung der Duktionsfläche.

Kombinationen und Überlegungen

In manchen Fällen wird die umfangsgenaue Lüftung mit dem radialen Strömungssystem kombiniert. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass es keine Interferenz zwischen den beiden Luftströmen gibt. Um solche Interferenzen zu vermeiden, werden die äußeren Flächen der alternierenden radialen Duktionen in der Regel verschlossen.

Anforderungen an die Kühlungsluft

Für eine effektive Kühlung muss die verwendete Luft sauber und staubfrei sein. Staubpartikel können die Duktionen verstopfen, ihre Querschnittsfläche reduzieren und dadurch die Effizienz der Wärmeübertragung durch Leitung verringern. Um saubere Luft sicherzustellen, werden häufig Luftfilter und Käsesiebfilters verwendet. In einigen Situationen wird die Luft in einem Sprühraum gewaschen. Zudem wird in den meisten Fällen die Luft durch Wasserkühler gekühlt und dann für die Wiederverwendung zirkuliert.

Einschränkungen der Luftkühlung

Ausrüstung und Kosten: Für Maschinen mit großer Kapazität werden die Ventilatoren, die zur Zirkulation der Luft erforderlich sind, größer und verbrauchen beträchtliche Mengen an Energie. Dies erfordert die Verwendung von Hilfsausrüstung, die teuer sein kann.

Kapazitätsbegrenzungen: Es gibt eine optimale Leistungsbewertung für Maschinen, über die hinaus die Luftkühlung nicht mehr ausreicht, um die Temperatur innerhalb sicherer Betriebsschranken zu halten.

Wasserstoffkühlung von Synchronmaschinen

In einem Wasserstoffkühlungssystem dient Wasserstoffgas als Kühlmedium. Eine eingehendere Untersuchung dieser Methode finden Sie im Artikel "Wasserstoffkühlung von Synchronmaschinen."

Direkte Wasserkühlung in Synchronmaschinen

Anwendung

Die Wasserstoffkühlung ist für die Wärmeabfuhr von großen Turbogeneratoren mit Kapazitäten von 500 MW und darüber hinaus nicht ausreichend. Die große Menge an Wasserstoffgas, die für solche Maschinen erforderlich ist, kann deren Nutzung wirtschaftlich unrentabel machen. In diesen Fällen wird direkte Wasserkühlung eingesetzt. Bei sehr großen Turbogeneratoren werden die Rotoren oft mit Wasserstoff gekühlt, während die Statorwicklungen mit direktem entmineralisiertem Wasser gekühlt werden. Das Wasser wird mit einem Wechselstrommotor angetriebenem Zentrifugalpumpen zirkuliert, und Patronenfilter werden verwendet, um Verunreinigungen zu entfernen. Diese Filter sind speziell konzipiert, um korrosive metallische Partikel, die in den Wicklungen und Rohrleitungen erzeugt werden, daran zu hindern, in die hohlen Leiter der Wicklungen einzudringen.

Vorteile gegenüber der Wasserstoffkühlung

• Effizienz: Wassergekühlte Systeme sind schneller und effizienter aufgrund der höheren thermischen Leitfähigkeit von Wasser im Vergleich zu Wasserstoff.

• Raumnutzung: Die kleinere Duktionsfläche, die für Wasser erforderlich ist, ermöglicht es, mehr Raum für Leiter in den Nuten bereitzustellen und so das Design des Generators zu optimieren.

Nachteile

• Reinigungsanforderungen: Das für die Kühlung verwendete Wasser muss hochgradig gereinigt werden, um eine Erhöhung seiner Leitfähigkeit zu verhindern, die zu elektrischen Problemen führen könnte.

• Kosten: Die Wasserkühlung ist in der Regel teurer als die Wasserstoffkühlung, was sie zu einer kostspieligeren Option für die Kühlung von Generatoren macht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kühlung von Synchronmaschinen eine Reihe von Methoden umfasst, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen. Die Auswahl der geeigneten Kühlungsmethode hängt von Faktoren wie Größe, Kapazität und Betriebsanforderungen des Generators ab.