Кільця ковзання вітрових турбін невеликі порівняно з лопатями чи редукторами, але один поганий контакт може зупинити багато-мегаватну машину. Їх робота полягає в передачі живлення, керуючих сигналів і даних через обертові інтерфейси всередині концентратора, генератора, а іноді й поворотного вузла. Коли це перенесення стає нестабільним, наслідки зазвичай проявляються у вигляді помилок нахилу, переривчастих даних датчиків або незапланованих-візитів служби вежі -, а на офшорних майданчиках одна поїздка на заміну може коштувати більше, ніж саме контактне кільце.
Цей посібник написано для інженерів, менеджерів активів і команд із закупівель, яким потрібно вибратикільця ковзання вітрової турбінидля новобудов, модернізації або заміни. У ньому описано, де розташовані контактні кільця в турбіні, як вони виходять з ладу, що вказувати та як порівнювати контактні технології, не потрапляючи в типові пастки вибору.
Що роблять контактні кільця вітрової турбіни
Контактне кільце — це електромеханічний інтерфейс, який дозволяє електричним і сигнальним ланцюгам переходити з нерухомої рами в обертову. Усередині сучасної-турбіни загального користування ви зазвичай знаходите контактні кільця, які передають три види трафіку одночасно:
- Потужність двигуна кроку для регулювання кута леза
- Сигнали управління та зворотного зв'язку між системою висоти та основним контролером
- Дані датчиків, такі як натяг леза, температура, вібрація та виявлення льоду
Контроль висоти є найбільш-критично важливим для безпеки з трьох каналів.Серія IEC 61400Стандарти вітряних турбін вимагають, щоб системи кроку залишалися здатними створювати лопаті навіть за умов несправності, а це означає, що контактне кільце має працювати в умовах вібрації, коливань температури, конденсації та мільйонів обертів протягом 20-річного терміну служби. Таким чином, компонент вартістю 200 євро, який знаходиться в хабі, може вирішувати, чи турбіна потужністю 5 МВт виробляє, чи простоює в очікуванні крана.
Де контактні кільця сидять у вітряній турбіні
Для кожного місця логіка вибору різна. Змішування їх -, наприклад, визначення загальної конструкції концентратора для схеми збудження генератора - є однією з найдорожчих помилок у цій категорії.
Кільця ковзання втулки (система кроку)
На головному валу встановлені контактні кільця маточини, які обертаються разом з ротором. Вони передають живлення двигуна кроку (часто 400–690 В змінного або постійного струму), сигнали керування кроком (CANopen, Profibus або власні протоколи) і все більше число каналів датчиків лопатей. Кільця ковзання маточини зазвичай мають великий-отвір, оскільки через них проходить вал ротора, і вони мають витримувати спектри вібрації, які є міцнішими, ніж більшість заводського обладнання.
Контактні кільця генератора (машини DFIG)
Індукційні генератори з подвійним живленням (DFIG), які все ще поширені на берегових флотах, використовують контактні кільця на роторі для подачі змінного струму збудження на обмотки ротора. Вони спостерігають високу силу струму (зазвичай кілька сотень ампер), вищі швидкості обертання та значне утворення вуглецевого пилу. Ступінь кисті, обробка поверхні кільця, тиск пружини та вентиляція гондоли безпосередньо впливають на термін служби. Турбіни з постійним-магнітом із прямим{4}}приводом взагалі не потребують цього контактного кільця - одна з причин, чому морські платформи перейшли на прямий-привід.
Кільця повороту
Більшість великих турбін використовують кабельну петлю та процедуру розкручування замість поворотного контактного кільця, але менші турбіни (зазвичай менше ~500 кВт) іноді використовують поворотне контактне кільце у верхній частині вежі, щоб забезпечити безперервне обертання. Вони мають нижчу швидкість, але більший вплив на навколишнє середовище та обмежений простір для монтажу.
Втулка проти генератора проти повороту
| Параметр | Ступина (крок) | Генератор (DFIG) | Поворот (малі турбіни) |
|---|---|---|---|
| Типова швидкість | До ~20 об/хв | 900–2000 об/хв | <1 rpm |
| Типовий струм на кільце | 10–63 А потужність, плюс сигнал | 200–1,500 A | 5–30 A |
| Клас напруги | 400–690 В плюс сигнал низької-напруги | 690 В (сторона ротора) | 230–400 V |
| Домінуючий стрес | Вібрація, конденсація, шум сигналу | Знос щіток, пил, тепло | Вплив погоди, соляний туман |
| Типові канали | 20–60 (змішана потужність/сигнал) | 3 живлення + заземлення | 4–24 |
| Орієнтовний інтервал обслуговування | 12–24 місяці огляд | 3–12 місяців перевірка кисті | 12 місяців |
Наведені вище значення є загальними діапазонами з таблиць даних виробника та посібників з обслуговування OEM; фактичні цифри для вашої машини завжди повинні виходити з документації турбіни та протоколів випробувань постачальника контактних кілець.
Як насправді виходять з ладу контактні кільця вітрової турбіни
«Поломка контактного кільця» — розпливчаста категорія. У польових умовах проблеми майже завжди пов’язані з одним із наведених нижче механізмів -, і кожен із них вказує на іншу конструкцію чи виправлення технічного обслуговування.
- Знос щіток і накопичення пилу.Вугільні та металеві-графітові щітки утворюють електропровідний пил під час зношування. Без вентиляції пил накопичується на стеці кілець і створює шляхи витоку між сусідніми кільцями, що проявляється падінням опору ізоляції нижче 100 МОм або неприємними відключеннями заземлення-.Візерунки зносу пензлязазвичай є першим симптомом, який бачить інспектор.
- Підвищення контактного опору.Окислення, забруднення або втрата тиску пружини збільшує контактний опір від міліомів до омів. У ланцюзі живлення кроку це спричиняє падіння напруги та нагрівання; на лінії датчика з низьким -струмом це підвищує рівень шуму та може пошкодити телеграми CAN.
- Конденсат і корозія.Центри – це вологе середовище - тепле обладнання, холодна зброя, навколишнє повітря. Пітинг на поверхнях кільця швидко виникає, особливо в прибережних і морських зонах, де присутній сольовий аерозоль. Для офшорних платформ, спецофшорні заходи надійностізазвичай записуються в спец.
- Вібраційний-знос кабелів і роз’ємів.Саме по собі контактне кільце може бути в порядку, але кабелі з розтяжками, розвантажувачі натягу або роз’єми втомлюються в точці входу. Це частіше, ніж кільце-збій колії на молодших автопарках.
- Деградація мастила.Деякі конструкції використовують контактне мастило або інгібітор окислення. З часом він полімеризується або висихає, особливо при температурі гондоли вище 60 градусів, і поведінка контакту змінюється.
- Пробою ізоляції.Відстеження через забруднені ізолятори може спричинити спалах, особливо на шинах із вищою-напругою. Це серйозна помилка, а не крива деградації.
Більшість із цих механізмів є поступовими, і більшість з них можна виявити під час запланованої перевірки -, але лише якщо процедура перевірки фактично вимірює контактний опір, опір ізоляції та довжину щітки, а не просто «заглядає всередину втулки».
Визначення електричних вимог
Перш ніж звертатися до постачальників, напишіть електричний конверт на папері. Постачальники все одно запитуватимуть про це, а запит-на-цінову пропозицію (RFQ) виконується швидше, якщо відповіді визначено заздалегідь.
- Струм на ланцюгяк безперервний, так і піковий (струм зупинки двигуна кроку може бути в 3–6 разів більше номінального).
- Клас напругиі чи є ланцюг змінним або постійним струмом. Для систем 690 В перевірте, чи застосовується IEC 60664 категорії перенапруги III або IV.
- Кількість ланцюгів живленняпротикількість ланцюгів сигналу/даних, зберігається окремо.
- Сигнальні протоколи- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Мбіт або аналогові лінії датчиків. Кожен протокол має різну стійкість до перешкод.
- Бюджет електричного шумудля сенсорних каналів. Датчики кроку та тензодатчики-контактів зазвичай вимагають чистоти на рівні мілівольт-;контроль контактного шумуу контактному кільці є частиною виконання цього бюджету.
- Вимоги до ізоляції та діелектрика- зазвичай більше або дорівнює 1000 МОм при 500 В постійного струму для ланцюгів живлення, а також випробування на стійкість до-частоти.
- Заземлення. Багато конструкцій включають окреме кільце заземлення або щітку; для сайтів,-уразливих блискавкою, це не-підлягає обговоренню.
Вибір контактної техніки
Жодна одноконтактна технологія не є найкращою для кожного застосування вітрових турбін. Правильною відповіддю зазвичай є гібрид, який використовує різні технології для силових і сигнальних секцій одного вузла.
Вугільні та металеві-графітові щітки
Вугільні та срібні-графітові щітки є робочими конячками для -застосувань високого струму - кілець збудження генераторів і силових шин кроку. Вони витримують високі струми, сприймають деякі забруднення та недорогі для заміни. Компроміс- полягає в утворенні пилу, чутному шумі та необхідності періодичної перевірки довжини щітки та тиску пружини. Theсорт кисті(смоляний-вуглець, електрографіт, металевий-графіт, мідний-графіт) має відповідати густині струму та матеріалу кільця.
Найкраще підходить для: потужності крокового двигуна, збудження генератора, заземлення. Слідкуйте за: накопиченням пилу на сигнальних кільцях поблизу, дрейфом тиску пружини, пилом від щіток на оптиці кодера, якщо він встановлений поблизу.
Контакти з волокнистою щіткою (багато-нитяні).
У конструкціях волокнистих щіток використовуються пучки чистого золота або дротів із-золотого сплаву, які сидять на кільці з дорогоцінного-металу. Завдяки багатьом паралельним контактним точкам і дуже низькій контактній силі на нитку вони майже не утворюють сміття та мають дуже низький контактний шум. Вони є домінуючим вибором для датчиків і каналів даних у сучасних контактних кільцях втулки.
Найкраще підходить для: ліній передачі даних CAN/Profibus/Ethernet, сигналів датчика леза, керування низьким-струмом. Слідкуйте за: обмеженим струмом на пучок ниток (зазвичай<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.
Дротові контакти з мононитки та-благородного металу
Контакти з мононитки з благородного-металу (один дріт із золота або-сплаву золота на кільці з-дорогоцінного металу) розташовані між волокнистими щітками та традиційними щітками. Вони поширені в компактнихспеціальне кільце ковзаннявузлів, де мало місця.
Найкраще підходить для: слабкострумових сигнальних ланцюгів, гібридних вузлів. Слідкуйте за: знос покриття після дуже великої кількості обертів і той факт, що «позолочене-покриття» автоматично не є кращим - тонке золото на м’якій основі може зношуватися швидше, ніж належним чином визначена срібна-графітова щітка.
Гібридні конструкції
У типовому контактному кільці втулки нижній стек передає потужність двигуна кроку на вугільні або металеві-графітові щітки, середній стек передає трафік-шини на волокнисті щітки, а верхній стек обробляє лінії датчика низького-струму на золотих-на-золотих контактах. Заземлення здійснюється на власному виділеному кільці з резервними щітками. Таке розділення дозволяє одній збірці одночасно відповідати суперечливим вимогам (високий струм + низький рівень шуму).
Екологічні характеристики: не зупиняйтеся на "промисловому рівні"
«Промисловий клас» не говорить вам нічого корисного. Цифри, наведені нижче, мають значення в технічних характеристиках вітрових турбін.
- Захист від проникнення.Внутрішня частина концентратора зазвичай відповідає стандарту IP54; офшорні гондоли та відкриті контактні кільця зазвичай мають ступінь захисту IP65 або вище. дивІнтерпретація рейтингу IPза те, що насправді гарантують цифри.
- Робоча температура.Розумне значення за замовчуванням становить від –40 градусів до +70 градусів для наземних північних-кліматичних місць, від –20 градусів до +60 градусів для помірних місць і конденсація-контрольована для морських зон. Варіанти з холодним-кліматом потребують перевірки мастила при низькій температурі.
- Вологість.95 % RH без-конденсації є типовим мінімумом; для місць з регулярним утворенням конденсату може знадобитися внутрішній обігрів.
- Стійкість до-сольового туману.Офшорні та прибережні турбіни мають посилатися на IEC 60068-2-52 або ISO 9227 для випробувань соляним туманом на металевих частинах і з’єднувачах.
- вібрація.Синусоїда IEC 60068-2-6 і випадкові профілі 2-64 є загальними опорними точками; постачальник повинен надавати звіти про випробування, а не маркетингові заяви.
- Блискавки та перенапруги.Кільця ковзання розташовані на шляху, який може бачити непрямі струми блискавки. Стійкість до перенапруги повинна бути узгоджена заздалегідь.
TheПрограма досліджень вітру Національної лабораторії відновлюваної енергії СШАпублікує корисні польові-дані про надійність, які показують, що тангаж та електричні системи залишаються одними з-підсистем-відмов-з вищою частотою відмов у діючих парках -, тому ці показники навколишнього середовища мають бути в контракті, а не в усному зобов’язанні.
Механічні та інтеграційні обмеження
Проекти модернізації частіше виходять з ладу через механічну підгонку, ніж через електричну. Перед затвердженням проекту підтвердьте:
- Діаметр отвору та зовнішній діаметр відносно доступної оболонки втулки або гондоли
- Допуск на вал, биття та концентричність
- Напрямок виходу кабелю (осьовий чи радіальний) і тип роз’єму - багато турбін мають дуже обмежений радіус вигину кабелю
- Схема монтажного фланця та кріплення моментного важеля
- Вага та баланс для обертових вузлів
- Сервісний доступ - чи може технік дістатися до щіткового вікна, коли турбіна знаходиться в сервісному положенні?
На практиці для багатьох проектів модернізації та відновлення потужності механічні обмеження вирішують проект раніше, ніж електричні. Саме тоді конфігурована або повністю спеціальна збірка є більш розумною, ніж примусова підгонка частини каталогу.
Що надіслати постачальнику
Чистий RFQ скорочує цикл пропозиції з тижнів до днів. Для розробки чи вибору контактного кільця постачальнику необхідно мати все наведене нижче.
| Категорія | Необхідна інформація |
|---|---|
| застосування | Рейтинг турбіни, модель (якщо розкривається), розташування (берегова/прибережна/морська), нова конструкція чи модернізація |
| Механічний | Отвір, зовнішній діаметр, довжина, монтажний інтерфейс, швидкість обертання (безперервна та пікова), вихід кабелю |
| Силові ланцюги | Кількість ланцюгів, напруга, тривалий і піковий струм, AC/DC, частота |
| Сигнальні ланцюги | Кількість каналів, протокол (CAN, Profibus, EtherCAT, Ethernet, аналоговий), швидкість передачі даних, вимоги до екранування |
| Заземлення | Необхідний шлях струму заземлення, рівень грозового перенапруги |
| Навколишнє середовище | Діапазон температур, вологість, рейтинг IP, соляний туман, якщо застосовно, клас вібрації |
| Технічне обслуговування | Очікуваний інтервал обслуговування, очікуваний термін служби щіток, обмеження доступу |
| Документація | Необхідні протоколи випробувань (висока напруга, інфрачервоне випромінювання, контактна стійкість, сольовий спрей, вібрація), сертифікати, дані про напрацювання на відмову |
FAQ
Q: Що таке кільце ковзання вітрової турбіни?
A: Це електромеханічний вузол, який передає потужність, керуючі сигнали та дані між нерухомою структурою вітряної турбіни та обертовою частиною -, як правило, маточиною ротора (для керування кроком) або, у машинах DFIG, обмотками ротора генератора.
З: Чому виходять з ладу контактні кільця вітрової турбіни?
В: Загальними механізмами є зношування щіток і накопичення пилу, підвищення контактного опору через забруднення або низьку силу пружини, корозія, -спричинена конденсацією, втома кабелю від вібрації та руйнування ізоляції. Більшість з них відбувається поступово і їх можна виявити під час планового огляду.
З: Як часто слід перевіряти контактне кільце вітрової турбіни?
Відповідь: прийнятним стандартом є щорічна візуальна перевірка, а також перевірка контактного опору та опору ізоляції; щіткові кільця генератора на машинах DFIG зазвичай потребують перевірки довжини щіток кожні 3–12 місяців залежно від роботи. Точний інтервал повинен відповідати інструкції постачальника та графіку обслуговування OEM турбіни.
Питання: Чи ковзні кільця з волокнистою щіткою є кращими за вугільну щітку для вітрових турбін?
В: Для каналів сигналу й даних із низьким-струмом, так, - волоконні щітки майже не утворюють сміття та мають дуже низький контактний шум. Для високої-потужності кроку струму або збудження генератора зазвичай кращим вибором є вугільні або металеві-графітові щітки. Сучасні контактні кільця маточини використовують обидва в окремих секціях одного вузла.
З: Чи можна стандартне промислове контактне кільце використовувати у вітровій турбіні?
A: Зазвичай не без змін. Турбіни викликають вібрацію, конденсацію, соляний туман (у морі), тривалі міжсервісні інтервали та змішаний трафік електроенергії/сигналу, що перевищує загальні промислові специфікації. Зазвичай потрібна спеціальна каталожна-модель турбіни або спеціальна збірка.
З: Яку документацію повинен надати постачальник контактного кільця вітрової турбіни?
A: Як мінімум: звіт про електричні випробування (витривалість високої напруги, опір ізоляції, опір контакту), результати випробувань на навколишнє середовище (вібрація, температура, соляний бризок, якщо на морі), керівництво з технічного обслуговування з визначеною процедурою перевірки, список запасних частин і сертифікати матеріалів для компонентів кільця та щітки.
Резюме: розглядайте вибір контактного кільця як рішення щодо надійності
Правильне контактне кільце вітряної турбіни відповідає електричній оболонці турбіни, витримує навколишнє середовище, відповідає доступному механічному простору та підтримує реалістичний план технічного обслуговування протягом 20 років. Більша частина вартості цієї помилки сплачується не під час покупки, а під час першого незапланованого відвідування-вежі.
Визначте електричні, екологічні та механічні вимоги, перш ніж говорити з постачальниками. Вимагайте звітів про випробування, а не гасел. Окремі технології живлення та сигналу, де це дозволяє збірка. А для офшорних або прибережних об’єктів поставтеся до корозії та герметизації більш серйозно, ніж до вибору контактного матеріалу - сіль зазвичай перемагає суперечки раніше, ніж щітка.