Nerovnoměrná vzduchová mezera mezi statorem a rotorem (běžně známá jako „excentricita vzduchové mezery“) ve velkých hydrogenerátorech je závažnou poruchou, která může mít řadu nepříznivých dopadů na stabilní provoz a životnost jednotky.
Jednoduše řečeno, nerovnoměrná vzduchová mezera způsobuje asymetrické rozložení magnetického pole, což následně spouští řadu elektromagnetických a mechanických problémů. Níže podrobně analyzujeme dopad na statorový proud a napětí, jakož i další související nepříznivé důsledky.
I. Vliv na statorový proud
Toto je nejpřímější a nejzřetelnější účinek.
1. Zvýšené zkreslení proudu a tvaru vlny
Princip: V oblastech s menšími vzduchovými mezerami je magnetický odpor menší a hustota magnetického toku je větší; v oblastech s většími vzduchovými mezerami je magnetický odpor větší a hustota magnetického toku je menší. Toto asymetrické magnetické pole indukuje nevyváženou elektromotorickou sílu ve vinutí statoru.
Výkon: To způsobuje nerovnováhu v třífázových statorových proudech. A co je důležitější, do proudového průběhu se vnáší velké množství vyšších harmonických, zejména lichých harmonických (jako je 3., 5., 7. atd.), což způsobuje, že proudový průběh již není hladký sinusový, ale je zkreslený.
2. Generování proudových složek s charakteristickými frekvencemi
Princip: Rotující excentrické magnetické pole je ekvivalentní nízkofrekvenčnímu modulačnímu zdroji, který moduluje proud o základní síťové frekvenci.
Výkon: Ve spektru statorového proudu se objevují postranní pásma. Konkrétně se charakteristické frekvenční složky objevují na obou stranách základní frekvence (50 Hz).
3. Lokální přehřátí vinutí
Princip: Harmonické složky proudu zvyšují ztráty v mědi (ztráty I²R) statorových vinutí. Zároveň harmonické proudy generují dodatečné ztráty vířivými proudy a hysterezní ztráty v železném jádře, což vede ke zvýšeným ztrátám v železe.
Výkon: Lokální teplota statorových vinutí a železného jádra abnormálně stoupá, což může překročit povolený limit izolačních materiálů, urychlit stárnutí izolace a dokonce způsobit zkratové nehody a vyhoření.
II. Vliv na napětí statoru
I když vliv na napětí není tak přímý jako na proud, je stejně důležitý.
1. Zkreslení napěťového průběhu
Princip: Elektromotorická síla generovaná generátorem přímo souvisí s magnetickým tokem ve vzduchové mezeře. Nerovnoměrná vzduchová mezera způsobuje zkreslení průběhu magnetického toku, což následně způsobuje zkreslení i indukovaného průběhu statorového napětí, který obsahuje harmonické napětí.
Výkon: Kvalita výstupního napětí se snižuje a již nemá standardní sinusový tvar.
2. Nevyváženost napětí
V závažných asymetrických případech to může způsobit určitý stupeň nevyváženosti třífázového výstupního napětí.
III. Další závažnější nežádoucí účinky (způsobené problémy s proudem a napětím)
Výše uvedené problémy s proudem a napětím dále spustí řadu řetězových reakcí, které jsou často fatální.
1. Nevyvážená magnetická přitažlivost (UMP)
Toto je nejzásadnější a nejnebezpečnější důsledek excentricity vzduchové mezery.
​
Princip: Na straně s menší vzduchovou mezerou je magnetická přitažlivost mnohem větší než na straně s větší vzduchovou mezerou. Tato čistá magnetická přitažlivost (UMP) dále přitáhne rotor ke straně s menší vzduchovou mezerou.
Začarovaný kruh: Neutrálni tlak (UMP) samo zhoršuje problém nerovnoměrné vzduchové mezery a vytváří začarovaný kruh. Čím větší je excentricita, tím větší je UMP; čím větší je UMP, tím větší je excentricita.
Důsledky:
• Zvýšené vibrace a hluk: Jednotka generuje silné vibrace s dvojnásobnou frekvencí (většinou dvojnásobek síťové frekvence, 100 Hz) a hladina vibrací a hluku se výrazně zvyšuje.
• Mechanické poškození součástí: Dlouhodobé UMP způsobí zvýšené opotřebení ložisek, únavu čepů, ohýbání hřídele a může dokonce způsobit tření statoru a rotoru o sebe (vzájemné tření a kolize), což je zničující porucha.
2. Zvýšené vibrace jednotky

Zdroje: Hlavně ze dvou hledisek:
1. Elektromagnetické vibrace: Způsobené nevyváženou magnetickou přitažlivostí (UMP), frekvence souvisí s rotujícím magnetickým polem a frekvencí mřížky.
2. Mechanické vibrace: Způsobené opotřebením ložisek, nesouosostí hřídele a dalšími problémy způsobenými UMP.
Důsledky: Ovlivňuje stabilní provoz celého generátorového soustrojí (včetně turbíny) a ohrožuje bezpečnost konstrukce strojovny.
3. Dopad na připojení k rozvodné síti a energetickou soustavu
Zkreslení napěťového průběhu a proudové harmonické znečišťují energetickou soustavu elektrárny a vnášejí se do sítě, což může ovlivnit normální provoz ostatních zařízení na stejné sběrnici a nesplňovat požadavky na kvalitu energie.
4. Snížená účinnost a výstupní výkon
Další harmonické ztráty a ohřev sníží účinnost generátoru a při stejném vstupním výkonu vody se sníží užitečný činný výkon.
Závěr

Nerovnoměrná vzduchová mezera mezi statorem a rotorem ve velkých hydrogenerátorech není v žádném případě triviální záležitostí. Začíná jako elektromagnetický problém, ale rychle se vyvine v komplexní závažnou závadu, která integruje elektrické, mechanické a tepelné aspekty. Nevyvážená magnetická přitažlivost (UMP), kterou způsobuje, a výsledné silné vibrace jsou hlavními faktory ohrožujícími bezpečný provoz jednotky. Proto musí být během instalace, údržby a každodenního provozu a údržby jednotky přísně kontrolována rovnoměrnost vzduchové mezery a včasné příznaky poruch excentricity musí být detekovány a řešeny pomocí online monitorovacích systémů (jako je monitorování vibrací, proudu a vzduchové mezery).