Контактные кольца ветряной турбины малы по сравнению с лопастями или редукторами, но один плохой контакт может остановить машину мощностью в несколько-мегаватт. Их работа заключается в передаче энергии, сигналов управления и данных через вращающиеся интерфейсы внутри концентратора, генератора и иногда узла поворотного механизма. Когда эта передача становится нестабильной, последствия обычно проявляются в виде ошибок шага, прерывистых данных датчиков или незапланированных-посещений вышки -, а на морских объектах одна поездка по замене может стоить дороже, чем само контактное кольцо.
Это руководство написано для инженеров, управляющих активами и отделов закупок, которым необходимо выбратьконтактные кольца ветряной турбиныдля новых построек, модернизации или замены. В нем рассказывается, где в турбине располагаются контактные кольца, как они выходят из строя, что указывать и как сравнивать контактные технологии, не попадая в обычные ловушки выбора.
Для чего нужны контактные кольца ветряных турбин
Токосъемное кольцо — это электромеханический интерфейс, который позволяет электрическим и сигнальным цепям переходить из неподвижной рамы во вращающуюся. Внутри современной турбины-масштаба обычно можно обнаружить контактные кольца, по которым одновременно проходят три вида трафика:
- Мощность мотора наклона для регулировки угла отвала
- Сигналы управления и обратной связи между системой шага и главным контроллером
- Данные датчиков, такие как натяжение лезвия, температура, вибрация и обнаружение льда.
Управление тангажем – наиболее-важный для безопасности канал из трех.Серия МЭК 61400Стандарты ветряных турбин требуют, чтобы системы шага сохраняли способность поворачивать лопасти даже в условиях неисправности, а это означает, что контактное кольцо должно продолжать работать, несмотря на вибрацию, перепады температуры, конденсацию и миллионы оборотов в течение 20-летнего расчетного срока службы. Таким образом, компонент стоимостью 200 евро, расположенный в хабе, может решить, будет ли турбина мощностью 5 МВт вырабатывать энергию или простаивать в ожидании крана.
Где расположены контактные кольца в ветряной турбине
Логика выбора различна для каждого местоположения. Смешение их -, например, указание общей конструкции концентратора для цепи возбуждения генератора - является одной из самых дорогостоящих ошибок в этой категории.
Скользящие кольца ступицы (система шага)
Ступичные контактные кольца установлены на главном валу и вращаются вместе с ротором. Они передают мощность двигателя шага (часто 400–690 В переменного или постоянного тока на шине), сигналы управления шагом (CANopen, Profibus или собственные протоколы), а также все большее количество каналов датчиков лопастей. Контактные кольца ступиц обычно представляют собой конструкции с большим-отверстием, поскольку через них проходит вал ротора, и они должны выдерживать спектры вибрации, более жесткие, чем большинство заводского оборудования.
Контактные кольца генератора (машины DFIG)
Асинхронные генераторы с двойным-питанием (DFIG), которые все еще распространены на береговых флотах, используют контактные кольца на роторе для подачи переменного тока возбуждения на обмотки ротора. Они характеризуются высоким током (обычно несколько сотен ампер), более высокими скоростями вращения и значительным образованием угольной пыли. Класс щетки, обработка поверхности кольца, давление пружины и вентиляция гондолы — все это напрямую влияет на срок службы. Турбинам с прямым-постоянным-магнитом вообще не требуется это контактное кольцо -, это одна из причин, по которой морские платформы перешли на прямой-привод.
Скользящие кольца рыскания
В большинстве крупных турбин вместо контактного кольца отклонения от курса используется тросовая петля и процедура раскручивания, но в турбинах меньшего размера (обычно ниже ~ 500 кВт) иногда используется токосъемное кольцо на вершине башни, чтобы обеспечить непрерывное вращение. Они сталкиваются с более низкими скоростями, но с большим воздействием окружающей среды и ограниченным пространством для установки.
Хаб против генератора против рыскания
| Параметр | Хаб (Подача) | Генератор (ДФИГ) | Отклонение от курса (маленькие турбины) |
|---|---|---|---|
| Типичная скорость | До ~20 об/мин | 900–2000 об/мин | <1 rpm |
| Типичный ток на кольцо | 10–63 А мощность плюс сигнал | 200–1,500 A | 5–30 A |
| Класс напряжения | 400–690 В плюс сигнал низкого-напряжения | 690 В (сторона ротора) | 230–400 V |
| Доминирующий стресс | Вибрация, конденсат, шум сигнала | Износ щеток, пыль, тепло | Воздействие погодных условий, соляной туман |
| Типичные каналы | 20–60 (смешанная мощность/сигнал) | 3 питание + заземление | 4–24 |
| Рекомендации по интервалу технического обслуживания | Осмотр через 12–24 месяца | Проверка кисти через 3–12 месяцев. | 12 месяцев |
Приведенные выше значения являются общими диапазонами из таблиц данных производителя и руководств по обслуживанию OEM; Фактические значения для вашей машины всегда должны быть взяты из документации турбины и протоколов испытаний поставщика контактных колец.
Как на самом деле выходят из строя контактные кольца ветряных турбин
«Отказ контактного кольца» — это расплывчатая категория. В полевых условиях проблемы почти всегда связаны с одним из механизмов, перечисленных ниже -, и каждый из них указывает на различные исправления конструкции или обслуживания.
- Износ щеток и скопление пыли.Углеродные и металлические-графитовые щетки по мере износа образуют проводящую пыль. Без вентиляции пыль скапливается в пакете колец и создает пути утечки между соседними кольцами, что проявляется в падении сопротивления изоляции ниже 100 МОм или в виде ложных срабатываний при замыкании на землю-.Характер износа щетокобычно являются первым признаком, который видит технический специалист.
- Контактное сопротивление возрастает.Окисление, загрязнение или потеря давления пружины увеличивают контактное сопротивление от миллиомов до омов. В цепи питания основного тона это вызывает падение напряжения и нагрев; на линии датчика с низким-током это повышает минимальный уровень шума и может повредить телеграммы CAN.
- Конденсат и коррозия.Хабы — это влажная среда -, теплое оборудование, холодное сталь, окружающий воздух. Питтинг на поверхностях колец возникает быстро, особенно на прибрежных и морских участках, где присутствует соляной аэрозоль. Для морских платформ выделеномеры надежности на мореобычно прописываются в спецификации.
- Вибрация-вызывает износ кабелей и разъемов.Само контактное кольцо может быть в порядке, но кабели, компенсаторы натяжения или разъемы устают в точке входа. Это более распространено, чем отказ кольцевой-гусеницы на молодых автопарках.
- Деградация смазки.В некоторых конструкциях используется контактная смазка или ингибитор окисления. Со временем он полимеризуется или высыхает, особенно при температуре гондолы выше 60 градусов, и поведение контакта меняется.
- Пробой изоляции.Прохождение через загрязненные изоляторы может привести к пробою, особенно на шинах с более высоким-питанием напряжения. Это серьезный сбой, а не кривая деградации.
Большинство из этих механизмов действуют постепенно, и большинство из них можно обнаружить во время плановой проверки -, но только в том случае, если в ходе процедуры проверки действительно измеряется контактное сопротивление, сопротивление изоляции и длина щетки, а не просто «заглядывает внутрь ступицы».
Определение электрических требований
Прежде чем обращаться к поставщикам, напишите электротехнический конверт на бумаге. Поставщики в любом случае будут запрашивать это, и запрос-предложения-цен (RFQ) выполняется быстрее, если ответы определены заранее.
- Ток на цепь, как продолжительный, так и пиковый (ток срыва шагового двигателя может превышать номинальный в 3–6 раз).
- Класс напряженияи является ли цепь переменным или постоянным током. Для систем на 690 В проверьте, применяется ли IEC 60664 категории перенапряжения III или IV.
- Количество силовых цепейпротивколичество цепей сигнала/данных, хранится отдельно.
- Сигнальные протоколы- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Мбит или аналоговые линии датчиков. Каждый протокол имеет разную устойчивость к шуму.
- Бюджет электрического шумадля сенсорных каналов. Энкодеры шага и нагрузочные-штыревые тензодатчики обычно требуют чистоты на уровне милливольт-;контроль контактного шумав контактном кольце является частью выполнения этого бюджета.
- Требования к изоляции и диэлектрике- обычно больше или равно 1000 МОм при 500 В постоянного тока для силовых цепей плюс испытание на устойчивость к силовой-частоте.
- Заземление. Многие конструкции включают отдельное заземляющее кольцо или щетку; для сайтов,-подверженных грозам, это не-обсуждается.
Выбор контактной технологии
Ни одна контактная технология не является лучшей для каждого применения ветряных турбин. Правильный ответ обычно — гибрид, в котором используются разные технологии для силовой и сигнальной частей одной сборки.
Углеродные и металлические-графитовые щетки
Углеродные и серебряно-серебряные-графитовые щетки — это рабочие лошадки в приложениях с более высоким-током - колец возбуждения генераторов и шин питания основного тона. Они выдерживают большие токи, допускают некоторое загрязнение и их недорогая замена. Компромисс- — образование пыли, слышимый шум и необходимость периодической проверки длины щетки и давления пружины.сорт кисти(смола-углерод, электрографит, металлический-графит, медь-графит) должны соответствовать плотности тока и материалу кольца.
Лучше всего подходит для: питания двигателя шага, возбуждения генератора, заземления. Следите за: скоплением пыли на сигнальных кольцах поблизости, смещением давления пружины, щеткой пыли на оптике энкодера, если он установлен близко.
Волокнистая щетка (мульти-волоконная) Контакты
В конструкциях волоконных кистей используются пучки проволок из чистого золота или золотых{0}}сплавов, которые закреплены на кольце из драгоценного-металла. Благодаря множеству параллельных точек контакта и очень низкой силе контакта на нить они практически не создают мусора и имеют очень низкий контактный шум. Они являются основным выбором для каналов датчиков и данных в современных контактных кольцах ступиц.
Лучше всего подходит для: линий передачи данных CAN/Profibus/Ethernet, сигналов ножевых датчиков, управления слабым-током. Следите за: ограниченным током на пучок нитей (обычно<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.
Контакты из моноволокна и благородного-металлического провода
Контакты из моноволокна из благородного-металла (одиночная проволока из золота или-сплава золота на кольце из драгоценного-металла) располагаются между волоконными щетками и традиционными щетками. Они распространены в компактныхизготовленное на заказ контактное кольцосборки в условиях ограниченного пространства.
Лучше всего подходит для: слаботочных сигнальных цепей, гибридных сборок. Обратите внимание: износ покрытия после очень большого количества оборотов, а также тот факт, что «позолоченное-покрытие» не является автоматически лучшим, - тонкое золото на мягкой подложке может изнашиваться быстрее, чем правильно подобранная серебряная-графитовая щетка.
Гибридные конструкции
В типичном контактном кольце ступицы нижний блок передает мощность двигателя шага на угольные или металлические-графитовые щетки, средний блок передает трафик полевой-шины на оптоволоконные щетки, а верхний блок обрабатывает линии датчиков низкого-тока на золотых-на-золотых контактах. Заземление осуществляется на отдельном кольце с резервными щетками. Именно такое разделение позволяет одной сборке одновременно отвечать противоречивым требованиям (высокий ток + низкий уровень шума).
Экологические характеристики: не останавливайтесь на «промышленном классе»
«Промышленный класс» не принесет вам ничего полезного. Цифры, приведенные ниже, имеют значение в технических характеристиках ветряной турбины.
- Защита от проникновения.Внутреннее пространство концентратора обычно соответствует стандарту IP54; Для морских гондол и открытых контактных колец рыскания обычно требуется степень защиты IP65 или выше. ВидетьИнтерпретация рейтинга IPто, что на самом деле гарантируют цифры.
- Рабочая температура.Разумное значение по умолчанию составляет от –40 до +70 градусов для береговых зон с северным-климатом, от –20 до +60 градусов для зон с умеренным климатом и с контролем конденсации-для морских территорий. Варианты для холодного-климата требуют проверки смазки при низкой температуре.
- Влажность.95 % относительной влажности без-конденсации — типичный минимум; для мест с регулярной конденсацией может потребоваться внутренний обогрев.
- Устойчивость к солевому-туману.Морские и береговые турбины должны соответствовать требованиям IEC 60068-2-52 или ISO 9227, испытаниям солевого тумана на металлических деталях и разъемах.
- Вибрация.Синусоидальные профили IEC 60068-2-6 и произвольные профили 2-64 являются общими ориентирами; поставщик должен предоставлять отчеты об испытаниях, а не маркетинговые заявления.
- Молния и всплеск.Кольца токосъёмника расположены на пути, который может видеть непрямые токи молнии. Устойчивость к перенапряжению должна быть согласована заранее.
Программа исследований ветра Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии СШАпубликует полезные данные по-надежности, показывающие, что электросистемы и электрические системы остаются одними из подсистем с более высоким-отказом-частотой отказов в действующих парках машин -, поэтому эти экологические показатели должны быть указаны в контракте, а не в устных обязательствах.
Механические и интеграционные ограничения
Проекты модернизации чаще терпят неудачу из-за механической посадки, чем из-за электрических характеристик. Прежде чем утвердить дизайн, подтвердите:
- Диаметр отверстия и внешний диаметр относительно доступного диапазона ступицы или гондолы.
- Допуск вала, биение и допуск на концентричность
- Направление выхода кабеля (осевое или радиальное) и тип разъема - многие турбины имеют очень ограниченный радиус изгиба кабеля.
- Схема монтажного фланца и крепление моментного рычага
- Вес и баланс вращающихся узлов
- Доступ для обслуживания - может ли техник добраться до окна щетки, когда турбина находится в сервисном положении?
На практике во многих проектах модернизации и модернизации механические ограничения определяют проект раньше, чем электрические. В этом случае более разумно использовать настраиваемую или полностью пользовательскую сборку, чем принудительное подгонку детали из каталога.
Что отправить поставщику
Чистый запрос цен сокращает цикл предложения с недель до дней. Для проектирования или выбора контактного кольца поставщику необходимо следующее:
| Категория | Необходимая информация |
|---|---|
| Приложение | Номинал турбины, модель (если подлежит раскрытию), местоположение (на суше/берегу/море), новая постройка или модернизация |
| Механический | Отверстие, внешний диаметр, длина, монтажный интерфейс, скорость вращения (постоянная и пиковая), выход кабеля |
| Силовые цепи | Количество цепей, напряжение, непрерывный и пиковый ток, переменный/постоянный ток, частота |
| Сигнальные цепи | Количество цепей, протокол (CAN, Profibus, EtherCAT, Ethernet, аналоговый), скорость передачи данных, требования к экранированию |
| Заземление | Требуемый путь тока заземления, уровень грозового перенапряжения |
| Среда | Диапазон температур, влажность, класс IP, соляной-туман (если применимо), класс вибрации |
| Обслуживание | Ожидаемый интервал обслуживания, ожидаемый срок службы щеток, ограничения доступа |
| Документация | Необходимые протоколы испытаний (высоковольтное сопротивление, ИК-излучение, контактное сопротивление, солевой туман, вибрация), сертификаты, данные наработки на отказ |
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Что такое контактное кольцо ветряной турбины?
A: Это электромеханический узел, который передает мощность, управляющие сигналы и данные между неподвижной конструкцией ветряной турбины и вращающейся частью -, чаще всего ступицей ротора (для управления шагом) или, в машинах DFIG, обмотками ротора генератора.
Вопрос: Почему выходят из строя контактные кольца ветряной турбины?
Ответ: Обычными механизмами являются износ щеток и накопление пыли, повышение контактного сопротивления из-за загрязнения или низкой силы пружины, коррозия, вызванная конденсацией-, вибрационная усталость кабелей и разрушение изоляции. Большинство из них происходят постепенно и выявляются при плановом осмотре.
Вопрос: Как часто следует проверять контактное кольцо ветряной турбины?
Ответ: Разумным вариантом по умолчанию является ежегодный визуальный осмотр, а также проверка контактного сопротивления и сопротивления изоляции; Кольца щеток генератора на машинах DFIG обычно требуют проверки длины щеток каждые 3–12 месяцев в зависимости от режима работы. Точный интервал должен соответствовать руководству поставщика и графику обслуживания турбины OEM.
Вопрос: Являются ли контактные кольца волоконной щетки лучше, чем угольная щетка для ветряных турбин?
О: Для слабых-каналов сигналов и данных да, - оптоволоконные щетки практически не создают мусора и имеют очень низкий контактный шум. Для больших-мощностей тока или возбуждения генератора обычно лучшим выбором являются угольные или металлические-графитовые щетки. В современных контактных кольцах ступицы используются оба типа в отдельных секциях одного и того же узла.
Вопрос: Можно ли использовать стандартное промышленное контактное кольцо в ветряной турбине?
О: Обычно не без изменений. Турбины вызывают вибрацию, конденсацию, соляной туман (на море), длительные интервалы технического обслуживания и смешанный трафик мощности/сигнала, который превышает общие промышленные спецификации. Обычно требуется либо модель турбины-из каталога, либо сборка, изготовленная по индивидуальному заказу.
Вопрос: Какую документацию должен предоставить поставщик контактных колец ветряной турбины?
A: Как минимум: отчет об электрических испытаниях (высоковольтное сопротивление, сопротивление изоляции, контактное сопротивление), результаты испытаний на воздействие окружающей среды (вибрация, температура, солевой туман на море), руководство по техническому обслуживанию с определенной процедурой проверки, список запасных частей и сертификаты на материалы для компонентов колец и щеток.
Резюме: Относитесь к выбору контактных колец как к решению по обеспечению надежности.
Правильное контактное кольцо ветряной турбины соответствует электрическим характеристикам турбины, выдерживает воздействие окружающей среды, соответствует доступному механическому пространству и обеспечивает реалистичный план технического обслуживания в течение 20 лет. Большая часть стоимости ошибки оплачивается не при покупке, а во время первого незапланированного-посещения башни.
Прежде чем обращаться к поставщикам, определите электрические, экологические и механические требования. Просите отчеты об испытаниях, а не лозунги. Раздельные технологии силовых и сигнальных контактов везде, где это позволяет сборка. А на морских или прибрежных объектах относитесь к коррозии и герметизации более серьезно, чем к выбору контактного материала - соль обычно побеждает в спорах раньше, чем щетка.