Nierówna szczelina powietrzna pomiędzy stojanem i wirnikiem (powszechnie znana jako „mimośrodowość szczeliny powietrznej”) w dużych hydrogeneratorach jest poważnym defektem, który może mieć szereg niekorzystnych skutków dla stabilnej pracy i żywotności urządzenia.
Mówiąc prościej, nierównomierna szczelina powietrzna powoduje asymetryczny rozkład pola magnetycznego, co z kolei wywołuje szereg problemów elektromagnetycznych i mechanicznych. Poniżej szczegółowo analizujemy wpływ na prąd i napięcie stojana, a także inne powiązane z tym negatywne konsekwencje.
I. Wpływ na prąd stojana
To jest najbardziej bezpośredni i oczywisty efekt.
1. Zwiększony prąd i zniekształcenie przebiegu
Zasada: W obszarach o mniejszych szczelinach powietrznych opór magnetyczny jest mniejszy, a gęstość strumienia magnetycznego większa; w obszarach o większych szczelinach powietrznych opór magnetyczny jest większy, a gęstość strumienia magnetycznego mniejsza. To asymetryczne pole magnetyczne indukuje niezrównoważoną siłę elektromotoryczną w uzwojeniach stojana.
Wydajność: Powoduje to nierównowagę prądów stojana w trzech fazach. Co ważniejsze, do przebiegu prądu wprowadzana jest duża liczba wyższych harmonicznych, zwłaszcza nieparzystych (takich jak 3., 5., 7. itd.), przez co przebieg prądu przestaje być gładką falą sinusoidalną, a staje się zniekształcony.
2. Generowanie składowych prądu o częstotliwościach charakterystycznych
Zasada działania: Obracające się mimośrodowe pole magnetyczne jest odpowiednikiem źródła modulacji niskiej częstotliwości, które moduluje podstawowy prąd o częstotliwości sieciowej.
Wydajność: W widmie prądu stojana pojawiają się pasma boczne. Dokładniej, charakterystyczne składowe częstotliwości pojawiają się po obu stronach częstotliwości podstawowej (50 Hz).
3. Lokalne przegrzanie uzwojeń
Zasada działania: Składowe harmoniczne prądu zwiększają straty miedzi (straty I²R) w uzwojeniach stojana. Jednocześnie prądy harmoniczne generują dodatkowe straty wirowe i histerezę w rdzeniu żelaznym, co prowadzi do wzrostu strat w żelazie.
Wydajność: Lokalna temperatura uzwojeń stojana i rdzenia żelaznego wzrasta nienormalnie, co może przekroczyć dopuszczalną granicę dla materiałów izolacyjnych, przyspieszyć starzenie się izolacji, a nawet spowodować wypadki spowodowane zwarciem.
II. Wpływ na napięcie stojana
Mimo że wpływ na napięcie nie jest tak bezpośredni jak na prąd, jest on równie istotny.
1. Zniekształcenie przebiegu napięcia
Zasada działania: Siła elektromotoryczna generowana przez generator jest bezpośrednio związana ze strumieniem magnetycznym w szczelinie powietrznej. Nierównomierna szczelina powietrzna powoduje zniekształcenie przebiegu strumienia magnetycznego, co z kolei powoduje zniekształcenie przebiegu napięcia indukowanego w stojanie, zawierającego napięcia harmoniczne.
Wydajność: Jakość napięcia wyjściowego ulega pogorszeniu i nie jest już ono standardową falą sinusoidalną.
2. Nierównowaga napięć
W poważnych przypadkach asymetrii może to powodować pewien stopień nierównowagi napięcia wyjściowego trójfazowego.
III. Inne poważniejsze skutki uboczne (spowodowane problemami z prądem i napięciem)
Powyższe problemy z prądem i napięciem spowodują serię reakcji łańcuchowych, które często okażą się bardziej śmiertelne.
1. Niezrównoważone przyciąganie magnetyczne (UMP)
Jest to najpoważniejsza i najniebezpieczniejsza konsekwencja mimośrodowości szczeliny powietrznej.
​
Zasada: Po stronie z mniejszą szczeliną powietrzną siła przyciągania magnetycznego jest znacznie większa niż po stronie z większą szczeliną powietrzną. Ta wypadkowa siła przyciągania magnetycznego (UMP) będzie dalej przyciągać wirnik w kierunku strony z mniejszą szczeliną powietrzną.
Błędne koło: UMP samoczynnie pogłębia problem nierównej szczeliny powietrznej, tworząc błędne koło. Im większa mimośrodowość, tym większy UMP; im większa UMP, tym większa mimośrodowość.
Konsekwencje:
•Zwiększone wibracje i hałas: Urządzenie generuje silne wibracje o podwojonej częstotliwości (głównie dwukrotnie wyższej od częstotliwości sieciowej, 100 Hz), a poziom wibracji i hałasu znacznie wzrasta.
•Uszkodzenia mechaniczne podzespołów: Długotrwałe zużycie UMP powoduje zwiększone zużycie łożysk, zmęczenie czopów, wyginanie wału, a nawet może spowodować ocieranie się stojana i wirnika o siebie (wzajemne tarcie i kolizje), co jest poważną awarią.
2. Zwiększone wibracje jednostki

Źródła: Głównie z dwóch aspektów:
1. Drgania elektromagnetyczne: powstają na skutek niezrównoważonego przyciągania magnetycznego (UMP); częstotliwość jest związana z wirującym polem magnetycznym i częstotliwością siatki.
2. Drgania mechaniczne: Spowodowane zużyciem łożysk, niewspółosiowością wału i innymi problemami powodowanymi przez UMP.
Konsekwencje: Wpływ na stabilną pracę całego zespołu generatora (łącznie z turbiną) i zagrożenie bezpieczeństwa konstrukcji elektrowni.
3. Wpływ na połączenie sieciowe i system energetyczny
Zniekształcenia przebiegu napięcia i harmoniczne prądu zanieczyszczają system zasilania elektrowni i przedostają się do sieci, co może mieć wpływ na normalną pracę innych urządzeń podłączonych do tej samej magistrali, a także nie spełnia wymogów jakości energii.
4. Zmniejszona wydajność i moc wyjściowa
Dodatkowe straty harmoniczne i nagrzewanie zmniejszą sprawność generatora, a przy tej samej mocy wejściowej wody użyteczna moc czynna ulegnie zmniejszeniu.
Wniosek

Nierównomierna szczelina powietrzna między stojanem a wirnikiem w dużych hydrogeneratorach nie jest wcale błahym problemem. Początkowo jest to problem elektromagnetyczny, ale szybko przekształca się w poważną usterkę, obejmującą aspekty elektryczne, mechaniczne i termiczne. Wywołane przez to niezrównoważone przyciąganie magnetyczne (UMP) i wynikające z niego silne wibracje to główne czynniki zagrażające bezpiecznej pracy urządzenia. Dlatego podczas instalacji, konserwacji oraz codziennej eksploatacji i konserwacji urządzenia należy ściśle kontrolować równomierność szczeliny powietrznej, a wczesne oznaki usterek mimośrodowości muszą być wykrywane i odpowiednio wcześnie eliminowane za pomocą systemów monitorowania online (takich jak monitorowanie wibracji, prądu i szczeliny powietrznej).