Inele colectoare pentru turbine eoliene: ghid de selecție și defecțiuni

Inelele colectoare ale turbinei eoliene sunt mici în comparație cu paletele sau cutiile de viteze, dar un singur contact defectuos poate opri o mașină de mai mulți-megawați. Sarcina lor este să transfere puterea, semnalele de control și datele prin interfețele rotative din interiorul hub-ului, al generatorului și, uneori, a ansamblului de rotire. Când transferul devine instabil, consecințele apar, de obicei, ca defecțiuni de pitch, date intermitente ale senzorului sau vizite neprogramate-serviciului turn-, iar în amplasamentele offshore, o singură călătorie de înlocuire poate costa mai mult decât inelul colector în sine.

Acest ghid este scris pentru ingineri, manageri de active și echipe de achiziții care trebuie să aleagăinele colectoare ale turbinei eolienepentru construcții noi, modernizări sau înlocuiri. Acesta acoperă locul unde stau inelele colectoare în turbină, cum eșuează, ce să specificați și cum să comparați tehnologiile de contact fără a cădea în capcanele de selecție obișnuite.

Ce fac inelele colectoare ale turbinelor eoliene

Un inel colector este o interfață electromecanică care permite circuitelor electrice și de semnal să treacă dintr-un cadru staționar într-unul rotativ. În interiorul unei turbine moderne la scară de utilitate-, găsiți de obicei inele colectoare care transportă trei tipuri de trafic simultan:

• Puterea motorului de pas pentru reglarea unghiului lamei
• Semnale de control și feedback între sistemul de pitch și controlerul principal
• Datele senzorului, cum ar fi tensiunea lamei, temperatura, vibrațiile și detectarea gheții

Controlul pasului este cel mai sigur-canalul dintre cele trei.Seria IEC 61400Standardele pentru turbinele eoliene impun ca sistemele de pas să rămână capabile să întindă palele chiar și în condiții de defecțiune, ceea ce înseamnă că inelul colector trebuie să continue să funcționeze prin vibrații, variații de temperatură, condens și milioane de rotații pe o durată de viață de 20 de ani. Prin urmare, o componentă de 200 EUR aflată în hub poate decide dacă o turbină de 5 MW produce sau sta inactiv în așteptarea unei macarale.

Unde stau inelele colectoare într-o turbină eoliană

Logica de selecție este diferită pentru fiecare locație. Combinarea acestora -, de exemplu, specificarea unui design generic de hub pentru un circuit de excitație a generatorului - este una dintre cele mai costisitoare greșeli din această categorie.

Inele colectoare pentru butuc (sistem de pas)

Inelele colectoare ale butucului sunt montate pe arborele principal și se rotesc cu rotorul. Acestea transportă puterea motorului de pas (adesea 400–690 V AC sau tensiuni de magistrală DC), semnale de control al pasului (CANopen, Profibus sau protocoale proprietare) și un număr tot mai mare de canale de senzori lame. Inelele colectoare ale butucului au, de obicei, design cu alezajul mare-, deoarece arborele rotorului trece prin ele și trebuie să supraviețuiască spectrelor de vibrații care sunt mai dure decât majoritatea echipamentelor din fabrică.

Inele colectoare ale generatorului (mașini DFIG)

Generatoarele cu inducție alimentate dublu-(DFIG), încă comune în flotele de pe uscat, folosesc inele colectoare pe rotor pentru a alimenta înfășurările rotorului cu curent de excitație AC. Acestea văd curent ridicat (de obicei câteva sute de amperi), viteze de rotație mai mari și generare semnificativă de praf de carbon. Calitatea periei, finisarea suprafeței inelului, presiunea arcului și ventilația nacelei afectează în mod direct durata de viață. Turbinele cu-acționare directă-magneților permanenți nu au deloc nevoie de acest inel colector - unul dintre motivele pentru care platformele offshore s-au îndreptat către-direcționarea directă.

Inele de alunecare Yaw

Majoritatea turbinelor mari folosesc o rutină cu buclă de cablu și derulare în loc de un inel de rotire, dar turbinele mai mici (de obicei sub ~ 500 kW) folosesc uneori un inel de alunecare în vârful turnului pentru a permite rotația continuă. Acestea se confruntă cu viteze mai mici, dar mai multă expunere la mediu și spațiu de montare redus.
 

Hub vs Generator vs Yaw

Valorile de mai sus sunt intervale comune din fișele tehnice ale producătorului și manualele de service OEM; cifrele reale pentru mașina dvs. ar trebui să provină întotdeauna din documentația turbinei și din rapoartele de testare ale furnizorului de inele colectoare.

Cum eșuează de fapt inelele colectoare ale turbinelor eoliene

„Eșecul inelului de alunecare” este o categorie vagă. Pe teren, problemele provin aproape întotdeauna de la unul dintre mecanismele de mai jos - și fiecare indică o remediere diferită de proiectare sau întreținere.

• Uzura periei și acumularea de praf.Periile de carbon și metal-grafit generează praf conductiv pe măsură ce se uzează. Fără ventilație, praful se acumulează pe stiva de inele și creează căi de scurgere între inelele adiacente, care se manifestă ca rezistență de izolație care scade sub 100 MΩ sau ca declanșări neplăcute-la pământ.Modele de uzură a perieisunt de obicei primul simptom pe care un tehnician de inspecție îl vede.
• Rezistența de contact crește.Oxidarea, contaminarea sau pierderea presiunii arcului mărește rezistența de contact de la miliohmi în intervalul de ohmi. Pe un circuit de putere pitch, acest lucru cauzează căderea tensiunii și încălzirea; pe o linie de senzori cu curent scăzut-, ridică nivelul de zgomot și poate deteriora telegramele CAN.
• Condens și coroziune.Huburile sunt medii umede - mașini calde, oțel rece, aer ambiental. Urmează rapid pitting-ul pe suprafețele inelelor, în special în zonele de coastă și offshore, unde este prezent aerosol de sare. Pentru platforme offshore, dedicatemăsuri de fiabilitate offshoresunt de obicei scrise în spec.
• Uzura-indusă de vibrații a cablurilor și a conectorilor.Inelul colector în sine poate fi în regulă, dar cablurile coadă, dispozitivele de detensionare sau conectorii obosesc la punctul de intrare. Acest lucru este mai frecvent decât eșecul-canelului pe flotele mai tinere.
• Degradarea lubrifiantului.Unele modele folosesc un lubrifiant de contact sau un inhibitor de oxidare. În timp, se polimerizează sau se usucă, în special la temperaturi peste 60 de grade la nacelă, iar comportamentul de contact se modifică.
• Defectarea izolației.Urmărirea prin izolatoarele contaminate poate provoca fulgerări, în special pe magistralele cu pas cu tensiune mai mare-. Aceasta este o defecțiune grea, nu o curbă de degradare.

Cele mai multe dintre aceste mecanisme sunt graduale și cele mai multe sunt detectabile în timpul inspecției programate -, dar numai dacă procedura de inspecție măsoară efectiv rezistența la contact, rezistența izolației și lungimea periei, în loc să se uite doar în interiorul butucului.
 

Specificarea cerințelor electrice

Înainte de a contacta furnizorii, scrieți plicul electric pe hârtie. Furnizorii o vor cere oricum, iar cererea-de-ofertă (RFQ) merge mai rapid atunci când răspunsurile sunt decise în avans.

• Curent pe circuit, atât continuu, cât și de vârf (un curent de blocare a motorului cu pas poate fi de 3–6× nominal).
• Clasa de tensiuneși dacă circuitul este AC sau DC. Pentru sistemele de 690 V, confirmați dacă se aplică categoria III sau IV de supratensiune IEC 60664.
• Numărul de circuite de puterecontranumărul de circuite de semnal/date, păstrate separat.
• Protocoale de semnal- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Mbit sau linii de senzori analogici. Fiecare protocol are o toleranță diferită la zgomot.
• Bugetul de zgomot electricpentru canalele senzorilor. Codificatoarele de pas și tensometrele de sarcină-pin au nevoie de obicei de curățenie la nivel de milivolt-;controlul zgomotului de contactîn inelul colector face parte din îndeplinirea acelui buget.
• Cerințe de izolare și dielectrice- de obicei, Mai mare sau egal cu 1.000 MΩ la 500 V CC pentru circuitele de alimentare, plus un test de rezistență la frecvență de putere-.
• Legare la pământ. Multe modele includ un inel de împământare sau o perie separată; pentru site-urile predispuse la-fulger, acest lucru nu este-negociabil.

Alegerea tehnologiei de contact

Nicio tehnologie de contact unic nu este cea mai bună pentru fiecare aplicație de turbină eoliană. Răspunsul corect este de obicei un hibrid care utilizează tehnologii diferite pentru secțiunile de putere și semnal ale aceluiași ansamblu.

Perii de carbon și metal-grafit

Periile de carbon și argint-grafit sunt calitățile de lucru ale inelelor de excitație ale generatoarelor-actuale - mai înalte și ale magistralelor de putere cu pas. Ele tolerează curenți mari, acceptă o anumită contaminare și sunt ieftine de înlocuit. Schimbul-constă în generarea de praf, zgomotul audibil și necesitatea unei inspecții periodice a lungimii periei și a presiunii arcului. Thegrad perie(carbon legat de rășină-, electrografit, metal-grafit, cupru-grafit) ar trebui să se potrivească cu densitatea curentului și cu materialul inelului.

Cel mai potrivit pentru: puterea motorului de pas, excitarea generatorului, împământare. Urmăriți: acumularea de praf pe inelele de semnal din apropiere, deplasarea presiunii arcului, praful de perie pe optica codificatorului dacă este montat aproape.

Contacte perie cu fibre (cu mai multe-filament).

Modelele de perii cu fibre folosesc mănunchiuri de fire de aur fin sau din aliaj-aur care călătoresc pe un inel de-metal prețios. Cu multe puncte de contact paralele și forță de contact foarte scăzută pe filament, acestea nu generează aproape niciun rest și au un zgomot de contact foarte scăzut. Sunt alegerea dominantă pentru senzori și canalele de date în inelele colectoare moderne.

Cel mai potrivit pentru: linii de date CAN/Profibus/Ethernet, semnale ale senzorului blade, control de curent scăzut-. Urmăriți: curent limitat per pachet de filamente (de obicei<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.

Contacte din sârmă metalică monofilament și -nobile

Contacte din metal-nobil cu monofilament (sârmă unică de aur sau-aliaj de aur pe un inel de-metal prețios) se află între periile de fibre și periile tradiționale. Sunt comune în compactinel colector personalizatansambluri în care spațiul este îngust.

Cel mai potrivit pentru: circuite de semnal cu curent scăzut-, ansambluri hibride. Atenție la: uzura placare după un număr foarte mare de rotații și faptul că „placat cu aur-nu este automat mai bun - aurul subțire pe un substrat moale se poate uza mai repede decât o perie de argint-grafit specificată corespunzător.

Modele hibride

Într-un inel colector de butuc obișnuit, stiva de jos transportă puterea motorului de pas pe perii de carbon sau metal-grafit, stiva de mijloc transportă traficul de câmp-autobuz pe perii de fibră, iar stiva de sus se ocupă de liniile senzorilor de curent-scăzut pe contacte de aur-pe-aurii. Împământarea este pe propriul inel dedicat, cu perii redundante. Această separare este ceea ce permite unui singur ansamblu să îndeplinească cerințe contradictorii (curent ridicat + zgomot redus) în același timp.
 

Specificații de mediu: nu vă opriți la „grad industrial”

„Calitate industrială” nu vă spune nimic util. Numerele de mai jos sunt cele care contează pe fișa de specificații a unei turbine eoliene.

• Protecție la intrare.Interioarele hub-ului sunt de obicei IP54; nacelele offshore și inelele colectoare expuse au nevoie de obicei de IP65 sau mai mare. VedeaInterpretarea ratingului IPpentru ceea ce cifrele garantează de fapt.
• Temperatura de functionare.O valoare prestabilită rezonabilă este de la –40 grade până la +70 grade pentru site-urile cu climă nordică-pe mal, de la –20 de grade până la +60 grade pentru site-urile temperate și condensul-controlat pentru offshore. Variantele de-climă rece necesită lubrifiant verificat la temperatură scăzută.
• Umiditate.95 % RH fără-condens este un minim tipic; pentru site-urile cu condens regulat, poate fi necesară încălzirea interioară.
• Rezistență-la ceață de sare.Turbinele offshore și de coastă ar trebui să facă referire la IEC 60068-2-52 sau ISO 9227 pentru testarea cu pulverizare de sare pe părți și conectori metalici.
• Vibrație.IEC 60068-2-6 profile sinusoidale și 2-64 aleatoare sunt puncte de referință comune; furnizorul ar trebui să furnizeze rapoarte de testare, nu afirmații de marketing.
• Fulger și val.Inelele colectoare de pas se așează pe o potecă care poate vedea curenții indirecti de fulgere. Rezistenta la supratensiune ar trebui convenita in avans.

TheProgramul de cercetare eoliană al Laboratorului Național de Energie Regenerabilă din SUApublică date utile de câmp-fiabilitate care arată că sistemele de pitch și electrice rămân printre subsistemele cu rata de eșec-mai mare în flotele operaționale -, motiv pentru care aceste cifre de mediu ar trebui să figureze în contract, nu într-un angajament verbal.

Constrângeri mecanice și de integrare

Proiectele de modernizare eșuează la potrivirea mecanică mai des decât la performanța electrică. Înainte de a aproba un proiect, confirmați:

• Diametrul alezajului și diametrul exterior față de plicul disponibil în butuc sau nacelă
• Toleranța arborelui, deformare și toleranță de concentricitate
• Direcția de ieșire a cablului (axială vs radială) și tipul de conector - multe turbine au o rază de curbură foarte limitată a cablului
• Model de flanșă de montare și ancorare braț de cuplu
• Greutate și echilibru pentru ansambluri rotative
• Acces la service - poate un tehnician să ajungă la fereastra periei cu turbina în poziţia de service?

În practică, pentru multe proiecte de modernizare și repowerare, constrângerile mecanice decid proiectarea înaintea celor electrice. Acesta este momentul în care un ansamblu configurabil sau complet personalizat este mai sensibil decât forțarea unei piese de catalog să se potrivească.

Ce să trimiți unui furnizor

Un RFQ curat scurtează ciclul de cotație de la săptămâni la zile. Furnizorul are nevoie de toate următoarele pentru a proiecta sau selecta un inel colector:

Rezumat: Tratați selecția inelului colector ca pe o decizie de fiabilitate

Inelul colector potrivit pentru turbina eoliană este cel care se potrivește cu anvelopa electrică a turbinei, supraviețuiește mediului, se potrivește spațiului mecanic disponibil și susține un plan realist de întreținere de peste 20 de ani. Cea mai mare parte a costurilor pentru a greși acest lucru nu este plătită la achiziție, ci în timpul primei vizite neplanificate la-turn.

Definiți cerințele electrice, de mediu și mecanice înainte de a vorbi cu furnizorii. Cereți rapoarte de testare, nu sloganuri. Tehnologii separate de putere și contact de semnal oriunde permite ansamblul. Și pentru site-urile offshore sau de coastă, luați în considerare coroziunea și etanșarea mai în serios decât alegerea materialului de contact - sarea câștigă de obicei argumente înainte ca peria să o facă.