STAL TURBOGENERATOR
en kortfattad systembeskrivning
av Björn Lindqvist
En turbogenerator kan exempelvis vara en ångturbin med tillhörande generator/generatorer. Under
en sådan turbogenerator finns en kondensor placerad vilken kyler av avloppsångan till kondensat.
Kondensatet(vattnet) pumpas med en högtryckspump in i ångpannan och omvandlas där åter igen till
vattenånga - i ett slutet kretslopp. Den här principen för produktion av el och fjärrvärme är ganska
vanlig i Sverige. Sättet hur ångpannan eldas varierar beroende på vilken typ av bränsle man har valt.
Det är speciellt en typ av turbinarrangemang som man kan träffa på här och där och det är den s.k.
Ljungströmturbinen eller dubbelrotationsturbinen. Ångturbinen är av radialtyp - ångan tillförs i
centrum och expanderar utåt mot periferin. Den är därför tvåaxlad med minst en turbinskiva för varje
axel och med varsin generator. Alltså är det två generatorer per ångturbin vilket bildar en stycken
turbogenerator. Generatorerna roterar båda med samma hastighet men åt motsatt håll. Turbintypen
är relativt enkel och har några fördelar. Ångtekniskt sett har den gynnsamma strömningsegenskaper
då den faktiskt roterar med det dubbla axelvarvtalet. Varje skiva är försedd med skovelkransar
(ringar) och saknar därmed fasta ledskenor (stillastående skovlar) vilket gör att man kan nyttja ett
fyra gånger så stort värmefall. Den är dessutom enkel, kompakt, effektiv (hög verkningsgrad) och
snabbstartad.
OR
Dubbelrotationsturbinen
Generator
Generator
Golv (turbinhall)
Ångavlopp
Magnetiseringsgeneratorer
Vätgaskylda generatorer förekommer
Kondensor
Kondensatpump >
200812 rev.1
Kylvatteneller
fjärrvärmepump
Sidvy STAL turbogenerator (föreg.)
En sammansatt radial- & axialturbin
Krans med skovlar
Stor ångturbin utförd som en turbogenerator - enkelroterande axialturbin med flera axialsteg
Generatorn
- ur en principiell synvinkel
Stator
3000 v/m
Axel
Rotor
Stator
Ankarlindning:
Fältlindning:
L1
L2
- magnetiserbar rotor (2-polig)
+
Rotor
Stator
L3
För magnetiseringen används likström.
Genom att ändra spänningen kan strömmen
styras och därmed magnetiseringsgraden.
Det är själva magnetiseringsgraden* av rotorn som bestämmer generatorns avgivna el-effekt men
det förutsätter även att ångventilen till turbinen öppnar upp för mera ånga. Regleringen är utförd så
att båda följs åt och det fungerar så att man mäter spänningen på generatorns faser. Om spänningen
då sjunker så ökas magnetiseringsgraden i rotorn automatiskt. Samtidigt eller dessförinnan har ångventilen öppnat för mera ånga. Genom att manipulera dessa två storheter kan olika resultat uppnås.
En ensam generator kan aldrig påverka frekvensen eller för den delen spänningen i nätet. Man säger
att nätet är starkt eller ett starkt nät. Om man tänker sig en tandemcykel med många som trampar och
att någon vill trampa hårdare så ökar effekten högst marginellt men detta kan då kompenseras av
någon enskild trampande person, eller så kan alla de andra minska sin andel något. Då frekvensen ska
vara 50 Hz måste tandemcykeln (i just den här jämförelsen) hela tiden ha samma hastighet.
En generator kan kopplas ifrån nätet när som helst men innan man kopplar in en generatorn måste
rotorn ha samma hastighet och även samma läge i förhållande till det roterande magnetfältet (som
nätet orsakar). Skulle en infasning ske utan att dessa villkor vore uppfyllda kan det leda till en kraftig
strömstöt på kraftnätet beroende på hur stor avvikelse i hastighet och ”läge” det rör sig om. En turbin
kan haverera om dess skovlar skulle lossna. Det kan leda till en dominoeffekt med många skovlar
inblandade. Så p.g.a. den uppkomna obalansen havererar turbinen s.k.”turbinsallad”. Ett sådant haveri
kan t ex orsakas av att vatten av någon anledning befinner sig i turbinhuset.
* Synkrongeneratorns Emk beror på Imagn. och Iankar enligt Er = f(Im;Ia;φ).
Blockschema över reglersystemet för en STAL-turbin
Vi har alltså två parallellkopplade ”huvudgeneratorer” som producerar den omvandlade energin från
ångturbinens axel till elektrisk energi. De två andra - extra - generatorerna som bara finns på den ena
generatorn ser endast till att rotorerna får sin nödvändiga magnetisering tillgodosedd.
Tyristordioder
+
PMG
G
G
G
Likriktardioder
Permanentmagnet symbol
+
Strömmen tas ut från respektive stator och likriktas därefter. Från den minsta generatorn med
permanentmagneterna likriktas strömmen samtidigt som den regleras. Detta åstadkommer man med
tyristorer. Tyristorn är en halvledardiod med ett styre och via styret kan man bestämma när dioden ska
öppnas. Principen är mycket snarlik manövreringen av likströmsmotorn i elektriska lok (RC-lok).
Tyristorerna i det här sammanhanget ska tåla höga strömstyrkor och är lite speciella i det avseendet.
Den likriktade strömmen tar sedan vägen in i rotorn på den andra ”extrageneratorn” via två borstar.
Det är strömmen och inte spänning som ger upphov till magnetfältet i rotorn men då fältlindningen
har en bestämd impedans kan man reglera strömmen via spänningen. Spänningen hackas ner av
nämnda tyristorer för att sedan matas in i rotorn. Rotorfältlindningarna i huvudgeneratorerna är
seriekopplade så den ström som flyter i den ena rotorn är densamma som i den andra. Detta är nödvändigt då de två generatorerna ska vara helt identiska (elektriskt sett). Även i huvudgeneratorerna
har man alltså borstar.
Regleringen av fältströmmen styrs via automatik men kan även väljas att styras manuellt. I manuellt
läge kan man reglera den reaktiva effekten. Med en synkrongenerator har man då denna extra resurs
att ta till i vissa situationer. Man kan alltså välja att antingen tillföra mer fältström än nödvändigt eller
mindre fältström än nödvändigt. Väljer man det första fallet med högre ström så blir rotorn Övermagnetiserad och generatorerna levererad då reaktiv effekt till kraftnätet. I det andra fallet med
mindre fältström blir generatorerna undermagnetiserade och då förbrukas reaktiv effekt från kraftnätet.
Förutom att producera elenergi, kan man alltså (och samtidigt) faskompensera nätet.
Generellt kretsschema över reglersystemet för elgeneratorerna till en STAL-turbin
- som här avser två synkrongeneratorer
L1 L2 L3
AUTOMATISK DEL
MANUELL DEL
V
H/A
SPE
TRAFO
SRE
M
SRE – styrregler enhet
SPE – styrpuls enhet
+
G
G
G
PMG
+
# Undermagnetiserad – Generatorn
förbrukar reaktiv effekt.
= Induktiv reaktans (spole).
# Övermagnetiserad – Generatorn
producerar reaktiv effekt.
= Kapacitiv reaktans (kondensator).
Alla generatorer är av typen trefas och alstrar därmed växelström vilka likriktas, förutom de två
huvudgeneratorerna. Förövrigt kallas den andra hjälpgeneratorn för huvudmatare och den minsta för
hjälpmatare. Hjälpmataren är uppbyggd av permanentmagneter som på det viset levererar magnetiseringströmmen till huvudmataren. Benämningen är permanentmagnetgenerator eller PMG.
Ljungströmturbinen eller STAL-turbinen är en svensk uppfinning. STAL är en förkortning av Svenska
Turbinfabriks Ab Ljungström. 1959 slogs STAL ihop med AB de Lavals Ångturbin och några år senare
antogs det nya namnet: STAL-LAVAL Turbin AB.
Birger Ljungström 1872-1948
Tvåpolig höghastighetsrotor
med synliga fältlindningar >
Axiala ångturbintyper
>
Gustaf de Laval 1845-1913
