Плъзгащи пръстени на вятърни турбини: Ръководство за избор и повреда

Плъзгащите пръстени на вятърните турбини са малки в сравнение с лопатките или скоростните кутии, но един-единствен лош контакт може да спре много-мегаватова машина. Тяхната работа е да прехвърлят мощност, контролни сигнали и данни през въртящите се интерфейси вътре в главината, генератора и понякога модула за обръщане. Когато това прехвърляне стане нестабилно, последствията обикновено се проявяват като грешки в наклона, периодични данни от сензори или непланирани-посещения на сервиз на кула -, а в офшорни обекти едно пътуване за смяна може да струва повече от самия контактен пръстен.

Това ръководство е написано за инженери, мениджъри на активи и екипи за доставки, които трябва да избиратплъзгащи пръстени на вятърна турбиназа ново строителство, преоборудване или замяна. Той обхваща къде се намират контактните пръстени в турбината, как се отказват, какво да се уточни и как да се сравняват контактните технологии, без да се попада в обичайни капани за избор.

Какво правят хлъзгащите пръстени на вятърната турбина

Плъзгащият пръстен е електромеханичен интерфейс, който позволява на електрически и сигнални вериги да преминават от неподвижна рамка във въртяща се. Вътре в една модерна-мащабна турбина обикновено намирате контактни пръстени, пренасящи три вида трафик наведнъж:

• Мощност на двигателя за регулиране на ъгъла на острието
• Сигнали за управление и обратна връзка между системата за наклон и главния контролер
• Сензорни данни като напрежение на острието, температура, вибрации и откриване на лед

Контролът на височината е каналът с най-голямо{0}}критично значение за безопасността от трите.IEC 61400-сериястандартите за вятърни турбини изискват системите на наклона да останат в състояние да оперират лопатките дори при условия на повреда, което означава, че контактният пръстен трябва да продължи да работи при вибрации, температурни колебания, кондензация и милиони завъртания през 20-годишен проектен живот. Следователно компонент от 200 евро, който се намира в хъба, може да реши дали една турбина с мощност 5 MW да произвежда или да стои бездействаща в очакване на кран.

Където хлъзгащите пръстени се намират във вятърна турбина

Логиката за избор е различна за всяко място. Смесването им - например, определянето на общ дизайн на хъб за верига за възбуждане на генератор - е една от най-скъпите грешки в тази категория.

Плъзгащи пръстени на главината (система на наклона)

Плъзгащите пръстени на главината са монтирани на главния вал и се въртят заедно с ротора. Те пренасят захранване на наклонен двигател (често 400–690 V AC или DC напрежения на шината), сигнали за управление на наклона (CANopen, Profibus или собствени протоколи) и нарастващ брой канали за сензори за перки. Плъзгащите пръстени на главината обикновено са с голям-отвор, тъй като валът на ротора минава през тях и те трябва да издържат на вибрационни спектри, които са по-устойчиви от повечето фабрични съоръжения.

Плъзгащи пръстени на генератор (DFIG машини)

Индукционните генератори с двойно{0}} захранване (DFIG), все още често срещани в сухопътните флоти, използват контактни пръстени на ротора, за да подават променлив ток на възбуждане към намотките на ротора. Те виждат висок ток (обикновено няколкостотин ампера), по-високи скорости на въртене и значително генериране на въглероден прах. Степента на четката, повърхността на пръстена, налягането на пружината и вентилацията на гондолата влияят пряко на експлоатационния живот. Турбините с постоянен-магнит с директно{4}}задвижване изобщо не се нуждаят от този контактен пръстен - една от причините офшорните платформи да преминат към директно-задвижване.

Плъзгащи пръстени за обръщане

Повечето големи турбини използват кабелен контур и процедура за разплитане вместо плъзгащ се пръстен, но по-малките турбини (обикновено под ~500 kW) понякога използват плъзгащ се пръстен на върха на кулата, за да позволят непрекъснато въртене. Те са изправени пред по-ниски скорости, но по-голямо излагане на околната среда и тясно място за монтаж.
 

Главина срещу генератор срещу отклонение

Стойностите по-горе са общи диапазони от таблици с данни на производителя и сервизни ръководства на OEM; действителните цифри за вашата машина трябва винаги да идват от документацията на турбината и протоколите от изпитванията на доставчика на контактните пръстени.

Как плъзгащите пръстени на вятърната турбина всъщност се провалят

„Повреда на плъзгащия пръстен“ е неясна категория. На полето проблемите почти винаги се връщат към един от механизмите по-долу - и всеки от тях сочи към различен дизайн или корекция на поддръжката.

• Износване на четките и натрупване на прах.Въглеродните и металните-графитни четки генерират проводящ прах, докато се износват. Без вентилация прахът се натрупва върху пакета пръстени и създава пътища за изтичане между съседни пръстени, което се проявява като съпротивление на изолацията, което пада под 100 MΩ или като неудобни заземяващи-задействания.Модели на износване на четкиобикновено са първият симптом, който вижда техникът за проверка.
• Повишаване на контактното съпротивление.Окисляването, замърсяването или загубата на налягане на пружината увеличава контактното съпротивление от милиома в диапазона на ома. На верига за захранване на стъпка това причинява спад на напрежението и нагряване; на сензорна линия с нисък{1}}ток повишава нивото на шума и може да повреди CAN телеграмите.
• Кондензация и корозия.Хъбовете са влажни среди - топли машини, студена стомана, околния въздух. Питинг върху повърхностите на пръстените следва бързо, особено в крайбрежни и офшорни обекти, където има солен аерозол. За офшорни платформи, специалноофшорни мерки за надеждностобикновено се записват в спецификацията.
• Износване-на кабели и конектори, предизвикано от вибрации.Самият хлъзгащ пръстен може да е наред, но кабелите с пигтейл, облекчаващите напрежението или конекторите се уморяват на входната точка. Това е по-често срещано от повреда на пръстеновидната-релса при по-младите флоти.
• Разграждане на лубриканта.Някои конструкции използват контактна смазка или инхибитор на окисляването. С течение на времето той полимеризира или изсъхва, особено над 60 градуса температури на гондолата, и контактното поведение се променя.
• Разрушаване на изолацията.Проследяването през замърсени изолатори може да причини мигане, особено при шини с по-високо-напрежение. Това е тежък отказ, а не крива на деградация.

Повечето от тези механизми са постепенни и повечето се откриват по време на планирана проверка -, но само ако процедурата за проверка действително измерва съпротивлението на контакта, съпротивлението на изолацията и дължината на четката, вместо просто да „гледа вътре в главината“.
 

Уточняване на електрическите изисквания

Преди да се свържете с доставчици, напишете електрическия плик на хартия. Доставчиците така или иначе ще го поискат, а заявката-за-оферта (RFQ) преминава по-бързо, когато отговорите са решени предварително.

• Ток на верига, както непрекъснат, така и пиков (токът на спиране на наклонения двигател може да бъде 3–6 пъти номинален).
• Клас на напрежениеи дали веригата е AC или DC. За системи от 690 V потвърдете дали се прилага IEC 60664 категория на пренапрежение III или IV.
• Брой силови веригисрещуброй вериги за сигнал/данни, съхранявани отделно.
• Сигнални протоколи- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Mbit или аналогови сензорни линии. Всеки протокол има различна шумоустойчивост.
• Бюджет за електрически шумза сензорни канали. Пич енкодерите и товарните-щифтови тензодатчици обикновено се нуждаят от чистота на ниво миливолт-;контрол на контактния шумв контактния пръстен е част от изпълнението на този бюджет.
• Изолационни и диелектрични изисквания- обикновено По-голямо или равно на 1000 MΩ при 500 V DC за силови вериги, плюс тест за издръжливост на-честота.
• Заземяване. Много дизайни включват отделен заземяващ пръстен или четка; за сайтове,-податливи на светкавици, това не-подлежи на обсъждане.

Избор на контактна технология

Нито една технология с единичен контакт не е най-добра за всяко приложение на вятърна турбина. Правилният отговор обикновено е хибрид, който използва различни технологии за захранващи и сигнални секции на един и същи модул.

Въглеродни и метални-графитни четки

Въглеродните и сребърните-графитни четки са работните коне за по-високи{1}}приложения - за възбуждане на генератори и захранващи шини на стъпка. Те понасят големи токове, приемат известно замърсяване и не са скъпи за подмяна. Компромисът-е генерирането на прах, звуковия шум и необходимостта от периодична проверка на дължината на четката и натиска на пружината. Theклас четка(със -смола въглерод, електрографит, метал-графит, мед-графит) трябва да съответства на плътността на тока и материала на пръстена.

Най-подходящ за: мощност на двигателя на стъпка, възбуждане на генератор, заземяване. Внимавайте за: натрупване на прах върху сигналните пръстени наблизо, дрейф на налягането на пружината, прах от четка върху оптиката на енкодера, ако е монтиран близо.

Контакти с влакнеста четка (мулти-нишка).

Дизайнът на четка с влакна използва снопове фино злато или жици от-златна сплав, които се движат върху пръстен от благороден-метал. С много успоредни контактни точки и много ниска контактна сила на нишка, те почти не генерират отломки и имат много нисък контактен шум. Те са доминиращият избор за сензори и канали за данни в модерните контактни пръстени на главините.

Най-подходящ за: CAN/Profibus/Ethernet линии за данни, сигнали от сензори за ножове, ниско-токово управление. Следете за: ограничен ток на сноп нишки (обикновено<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.

Моновлакна и жични контакти от-благородни метали

Моновлакнести контакти от благороден-метал (единична златна или златна-тел от-сплав върху пръстен от благороден-метал) се намират между влакнестите четки и традиционните четки. Те са често срещани в компактниплъзгащ се пръстен по поръчкасглобки, където мястото е ограничено.

Най-подходящ за: слабо{0}}токови сигнални вериги, хибридни модули. Внимавайте за: износване на покритието след много високи стойности на въртене и факта, че „позлатеното-покритие“ не е автоматично по-добро - тънкото злато върху мек субстрат може да се износва по-бързо от правилно определена сребърна-графитна четка.

Хибридни дизайни

В типичен плъзгащ се пръстен на главината долният стек пренася мощността на двигателя за наклон върху въглеродни или метални-графитни четки, средният стек пренася полеви-шинен трафик върху влакнести четки, а горният стек управлява ниски-токови сензорни линии върху златни-върху-златни контакти. Заземяването е на собствен специален пръстен с излишни четки. Това разделяне е това, което позволява на един модул да отговаря на противоречиви изисквания (висок ток + нисък шум) едновременно.
 

Екологични спецификации: Не спирайте на „Индустриален клас“

„Индустриален клас“ не ви казва нищо полезно. Числата по-долу са тези, които имат значение в спецификационния лист на вятърна турбина.

• Защита от проникване.Вътрешността на хъба обикновено е IP54; офшорните гондоли и откритите хлъзгащи пръстени обикновено се нуждаят от IP65 или по-висок. ВижтеТълкуване на IP рейтингза това, което всъщност гарантират цифрите.
• Работна температура.Разумна настройка по подразбиране е от –40 градуса до +70 градуса за крайбрежни северни-климатични обекти, –20 градуса до +60 градуса за умерени места и кондензация-контролирана за крайбрежни райони. Вариантите за студен-климат се нуждаят от смазка, проверена при ниска температура.
• Влажност.95 % RH без-конденз е типичен минимум; за обекти с редовна кондензация може да се наложи вътрешно отопление.
• Устойчивост на солена{0}}мъгла.Офшорните и крайбрежните турбини трябва да се позовават на IEC 60068-2-52 или ISO 9227 тестване със солен спрей върху метални части и съединители.
• Вибрация.IEC 60068-2-6 синусоидални и 2-64 произволни профили са общи референтни точки; доставчикът трябва да предостави доклади от тестове, а не маркетингови твърдения.
• Светкавица и пренапрежение.Плъзгащите пръстени на стъпка се намират на пътека, която може да види индиректни токове на мълния. Издръжливостта на пренапрежение трябва да бъде договорена предварително.

TheПрограма за изследване на вятъра на Националната лаборатория за възобновяема енергия на САЩпубликува полезни полеви-данни за надеждност, показващи, че наклона и електрическите системи остават сред подсистемите с по-висок{1}}отказ-в работещите флотилии -, поради което тези стойности за околната среда трябва да бъдат в договора, а не в устния ангажимент.

Механични и интеграционни ограничения

Проектите за модернизиране се провалят по отношение на механичното прилягане по-често, отколкото на електрическото представяне. Преди да одобрите дизайн, потвърдете:

• Диаметър на отвора и външен диаметър спрямо наличната обвивка в главината или гондолата
• Допустимо отклонение на вала, биене и допустима концентричност
• Посока на излизане на кабела (аксиална спрямо радиална) и тип конектор - много турбини имат много ограничен радиус на огъване на кабела
• Схема на монтажен фланец и анкериране на въртящото рамо
• Тегло и баланс за въртящи се възли
• Сервизен достъп - може ли техник да достигне прозореца на четката, когато турбината е в сервизно положение?

На практика, за много проекти за модернизиране и повторно захранване, механичните ограничения решават дизайна преди електрическите. Това е моментът, в който един конфигурируем или напълно персонализиран монтаж е по-разумно от принудителното принудително напасване на каталожна част.

Какво да изпратите на доставчик

Чистата RFQ съкращава цикъла на офертите от седмици до дни. Доставчикът се нуждае от всичко изброено по-долу, за да проектира или избере контактен пръстен:

Резюме: Отнасяйте се към избора на хлъзгащ пръстен като към решение за надеждност

Правилният контактен пръстен на вятърната турбина е този, който отговаря на електрическата обвивка на турбината, оцелява в околната среда, пасва на наличното механично пространство и поддържа реалистичен план за поддръжка в продължение на 20 години. По-голямата част от разходите за тази грешка се плащат не при покупката, а по време на първото непланирано посещение на-кулата.

Определете електрическите, екологичните и механичните изисквания, преди да говорите с доставчиците. Поискайте доклади от тестове, а не лозунги. Отделни захранващи и сигнални контактни технологии, където монтажът го позволява. А за офшорни или крайбрежни обекти се отнасяйте по-сериозно към корозията и уплътняването, отколкото към избора на контактен материал - солта обикновено печели споровете преди четката.