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Ein Turbogenerator, auch als Vollpolmaschine bezeichnet, ist eine Bauart eines Synchrongenerators, der vorwiegend von schnelllaufenden Gas- oder Dampfturbinen angetrieben wird. Die Kombination des Turbogenerators und der Turbine wird als Turbosatz bezeichnet.
Der hauptsächliche Anwendungsbereich dieser Maschine liegt im Bereich mittlerer bis größerer Wärmekraftwerke wie Kohle- oder Kernkraftwerke zur Gewinnung von elektrischer Energie. Mehr als 75 % der elektrischen Energie weltweit wird mittels Turbogeneratoren erzeugt.
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Das wesentliche Konstruktionsmerkmal im Gegensatz zu einer Schenkelpolmaschine, welche ebenfalls einen Synchrongenerator darstellt, ist die vergleichsweise hohe Drehzahl von 3.000 oder 1.500 min-1 in Netzen mit 50 Hz bzw. 3.600 oder 1.800 min-1 in Netzen mit 60 Hz. Zur Beherrschung der damit einhergehenden Fliehkräfte wird der Rotor als schlanker, im Durchmesser maximal 1,25 m, langer Vollpolmaschinenrotor ausgeführt und in horizontaler Lage betrieben.
Am Rotor werden die Nuten zur Aufnahme der Erregerwicklung direkt aus dem massiven Volltrommelrotor herausgefräst. Die Rotorwicklung wird in diese Nuten eingelegt und verkeilt. Am Ballenende wird jeweils ein Kappenring aufgeschrumpft. Dieser vermeidet ein Herausfliegen der am Ende zusammenkommenden Kupferwicklungen (Läuferwickelkopf) durch die Fliehkräfte. Der Kappenring besteht im Gegensatz zum Rotor selbst aus hochlegiertem nichtmagnetischem Stahl und bildet mit den Nutenkeilen an der Oberfläche des Rotors einen elektrisch leitfähigen Käfig welcher als Dämpferwicklung bezeichnet wird. Die Dämpferwicklung dient dazu, Stoßbelastungen (Polradpendelungen) und die Erwärmung des Läufers bei Schieflast zu reduzieren. In dem aus massiven Stahl geschmiedeten Rotor treten bei symmetrischer Belastung keine Wechselfelder und somit auch keine Wirbelströme auf. Durch eine Schieflast kommt es allerdings zu einem magnetischen Drehfeld im Stahlkern des Rotors, welches zu Wirbelströmen und zu einer unzulässigen Erwärmung und im Extremfall zur Zerstörung des Turbogenerators führen kann.
Zur Versorgung der Erregerwicklung mit Gleichstrom wurden bei älteren Turbogeneratoren auf die Achse fix gekuppelte Gleichstrommaschinen, welche in diesem Fall auch als Erregermaschine bezeichnet werden, eingesetzt. Die Zuführung des Gleichstroms zum Rotor des Turbogenerators muss dann über Bürsten und Schleifringe erfolgen.
Heute sind hauptsächlich zwei Arten der Erregung für große Turbogeneratoren üblich:
Welche der beiden genannten Methoden jeweils zum Einsatz kommt, hängt neben der jeweiligen Hersteller-Philosophie in erster Linie von den Anforderungen des Kraftwerksbetreibers ab. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile:
Die Erregung ist sehr wichtig für das Betriebsverhalten des Generators, da über die Einstellung des Erregerstromes die Amplitude der Klemmenspannung und damit die Blindleistung geregelt wird, die der Generator dem Netz zur Verfügung stellen kann (die Wirkleistung wird durch die Turbinendrehzahl bzw. deren Drehmoment bestimmt). Die Erregerleistung beträgt bei Turbogeneratoren ca. 0,5 % bis 3 % der Generatorleistung.
Weiters sind Turbogeneratoren, im Gegensatz zu den langsam rotierenden Schenkelpolmaschinen, nicht leerlauffest und erlauben nur eine geringe Überdrehzahl. Bei einem plötzlichen Lastabfall (im schlimmsten Fall durch eine unvorgesehene Netztrennung) muss zur Vermeidung von mechanischen Schäden sofort eine automatische Turbinenschnellabschaltung erfolgen. Dafür besitzen die Dampfturbinen sogenannte Schnellschlussventile, die den vollen Dampfmassenstrom zu den Turbinen innerhalb von weniger als einer Sekunde sperren und über Umleitstationen in den Kondensator leiten. Somit können die Turbinen kein Drehmoment mehr erzeugen. Parallel wird die Entregung des Turbogenerators durchgeführt.
Die Generatorspannung eines Turbogenerators liegt bei Leistungen im Bereich von 40 MVA bei 6,3 kV, bei großen Turbogeneratoren von über 1000 MVA werden bis zu 27 kV erreicht. Dabei betragen die Ströme bei größeren Anlagen rund 10 kA. Über einen Generatorleistungsschalter wird die Generatorspannung dem in unmittelbarer Nähe zur Maschinenhalle aufgestellten Maschinentransformator zugeführt, welche sie in die im Hochspannungsnetz übliche Spannung von beispielsweise 400 kV hochtransformiert.
Je nach Leistungsgröße von Turbogeneratoren wird die Kühlungsart gewählt.
Turbogeneratoren zählen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 % zu den effizientesten Energiewandlern.
Im Jahr 2000 belief sich die elektrische Energieerzeugung auf 55.440 PJ (entspricht 15.400 TWh). Etwa 64% entfielen auf fossile Energiequellen (Kohle, Gas, Öl), weitere 17 % auf Kernkraftwerke. In beiden Bereichen von Wärmekraftwerken verwendet man ausschließlich Turbogeneratoren zur elektrischen Energieerzeugung.
