Nerovnomerná vzduchová medzera medzi statorom a rotorom (bežne známa ako „excentricita vzduchovej medzery“) vo veľkých hydrogenerátoroch je vážnym poruchovým režimom, ktorý môže mať rad nepriaznivých účinkov na stabilnú prevádzku a životnosť jednotky.
Jednoducho povedané, nerovnomerná vzduchová medzera spôsobuje asymetrické rozloženie magnetického poľa, čo následne spúšťa sériu elektromagnetických a mechanických problémov. Nižšie podrobne analyzujeme vplyv na statorový prúd a napätie, ako aj ďalšie súvisiace nepriaznivé dôsledky.
I. Vplyv na statorový prúd
Toto je najpriamejší a najzreteľnejší účinok.
1. Zvýšené skreslenie prúdu a tvaru vlny
Princíp: V oblastiach s menšími vzduchovými medzerami je magnetický odpor menší a hustota magnetického toku je väčšia; v oblastiach s väčšími vzduchovými medzerami je magnetický odpor väčší a hustota magnetického toku je menšia. Toto asymetrické magnetické pole indukuje nevyváženú elektromotorickú silu vo vinutiach statora.
Výkon: To spôsobuje nerovnováhu v trojfázových statorových prúdoch. A čo je dôležitejšie, do priebehu prúdu sa zavádza veľké množstvo vyšších harmonických, najmä nepárnych harmonických (ako napríklad 3., 5., 7. atď.), čo spôsobuje, že priebeh prúdu už nie je hladký sínusový priebeh, ale je skreslený.
2. Generovanie prúdových zložiek s charakteristickými frekvenciami
Princíp: Rotujúce excentrické magnetické pole je ekvivalentné nízkofrekvenčnému modulačnému zdroju, ktorý moduluje základný prúd sieťovej frekvencie.
Výkon: V spektre statorového prúdu sa objavujú bočné pásma. Konkrétne sa charakteristické frekvenčné zložky objavujú na oboch stranách základnej frekvencie (50 Hz).
3. Lokálne prehriatie vinutí
Princíp: Harmonické zložky prúdu zvyšujú straty v medi (straty I²R) vo vinutiach statora. Zároveň harmonické prúdy generujú dodatočné straty vírivými prúdmi a hysteréziou v železnom jadre, čo vedie k zvýšeným stratám v železe.
Výkon: Lokálna teplota statorových vinutí a železného jadra abnormálne stúpa, čo môže prekročiť povolený limit izolačných materiálov, urýchliť starnutie izolácie a dokonca spôsobiť skratové vyhorenie.
II. Vplyv na napätie statora
Hoci vplyv na napätie nie je taký priamy ako na prúd, je rovnako dôležitý.
1. Skreslenie napäťového priebehu
Princíp: Elektromotorická sila generovaná generátorom priamo súvisí s magnetickým tokom vo vzduchovej medzere. Nerovnomerná vzduchová medzera spôsobuje skreslenie priebehu magnetického toku, čo následne spôsobuje skreslenie aj priebehu indukovaného statorového napätia, ktoré obsahuje harmonické napätia.
Výkon: Kvalita výstupného napätia sa znižuje a už nemá štandardný sínusový priebeh.
2. Nevyváženosť napätia
V závažných asymetrických prípadoch to môže spôsobiť určitý stupeň nerovnováhy v trojfázovom výstupnom napätí.
III. Iné závažnejšie nepriaznivé účinky (spôsobené problémami s prúdom a napätím)
Vyššie uvedené problémy s prúdom a napätím ďalej spustia sériu reťazových reakcií, ktoré sú často fatálnejšie.
1. Nevyvážený magnetický ťah (UMP)
Toto je najzásadnejší a najnebezpečnejší dôsledok excentricity vzduchovej medzery.
​
Princíp: Na strane s menšou vzduchovou medzerou je magnetická príťažlivosť oveľa väčšia ako na strane s väčšou vzduchovou medzerou. Táto čistá magnetická príťažlivosť (UMP) bude rotor ďalej priťahovať smerom k strane s menšou vzduchovou medzerou.
Začarovaný kruh: UMP (neprekonateľná tlaková vlna) samo zhoršuje problém nerovnomernej vzduchovej medzery a vytvára začarovaný kruh. Čím je excentricita väčšia, tým je UMP väčšia; čím je UMP väčšia, tým je excentricita väčšia.
Dôsledky:
• Zvýšené vibrácie a hluk: Jednotka generuje silné vibrácie so zdvojenou frekvenciou (najmä dvojnásobok sieťovej frekvencie, 100 Hz) a hladina vibrácií a hluku sa výrazne zvyšuje.
• Mechanické poškodenie komponentov: Dlhodobé UMP spôsobí zvýšené opotrebovanie ložísk, únavu čapov, ohýbanie hriadeľa a môže dokonca spôsobiť trenie statora a rotora o seba (vzájomné trenie a kolízia), čo je zničujúce zlyhanie.
2. Zvýšené vibrácie jednotky

Zdroje: Hlavne z dvoch hľadísk:
1. Elektromagnetické vibrácie: Spôsobené nevyváženým magnetickým ťahom (UMP), frekvencia súvisí s rotačným magnetickým poľom a frekvenciou siete.
2. Mechanické vibrácie: Spôsobené opotrebovaním ložísk, nesprávnym zarovnaním hriadeľa a inými problémami spôsobenými UMP.
Dôsledky: Ovplyvňuje stabilnú prevádzku celého generátorového agregátu (vrátane turbíny) a ohrozuje bezpečnosť konštrukcie strojárne.
3. Vplyv na pripojenie k sieti a energetický systém
Skreslenie priebehu napätia a prúdové harmonické znečisťujú energetickú sústavu elektrárne a vnášajú sa do siete, čo môže ovplyvniť normálnu prevádzku iných zariadení na tej istej zbernici a nespĺňať požiadavky na kvalitu energie.
4. Znížená účinnosť a výstupný výkon
Dodatočné harmonické straty a ohrev znížia účinnosť generátora a pri rovnakom vstupnom výkone vody sa zníži užitočný činný výkon.
Záver

Nerovnomerná vzduchová medzera medzi statorom a rotorom vo veľkých hydrogenerátoroch nie je v žiadnom prípade triviálna záležitosť. Začína sa ako elektromagnetický problém, ale rýchlo sa vyvinie do komplexnej vážnej poruchy, ktorá integruje elektrické, mechanické a tepelné aspekty. Nevyvážená magnetická sila (UMP), ktorú spôsobuje, a výsledné silné vibrácie sú hlavnými faktormi ohrozujúcimi bezpečnú prevádzku jednotky. Preto počas inštalácie, údržby a dennej prevádzky a údržby jednotky musí byť prísne kontrolovaná rovnomernosť vzduchovej medzery a včasné príznaky porúch excentricity musia byť zistené a riešené prostredníctvom online monitorovacích systémov (ako je monitorovanie vibrácií, prúdu a vzduchovej medzery).