Контактные кольца ветряных турбин – небольшие, но-важные компоненты. Они передают мощность, сигналы управления и данные через вращающиеся интерфейсы внутри турбины - от подшипника отклонения от курса на вершине башни к вращающейся ступице, приводящей в движение лопасти, и к генераторам определенных конструкций. Если контактное кольцо установлено правильно, турбина наклоняется, отклоняется и взаимодействует без перерывов. Если он недостаточного размера, плохо герметизирован или не соответствует архитектуре поля, симптомы проявляются быстро: сбои связи с полем, периодические ошибки обратной связи, мусор на щетках и незапланированные простои.
В этом руководстве описаны основные типыконтактные кольца, используемые в ветряных турбинах, где каждый из них сидит в машине, как электрические и гидравлические системы шага изменяют требования и какие спецификации должна собрать группа технического обслуживания или инженер-конструктор, прежде чем заказывать стандартную замену или нестандартную единицу.
Что такое контактное кольцо ветряной турбины?
Токосъемное кольцо представляет собой вращающийся электрический разъем. Он передает мощность, сигналы управления или данные между неподвижной структурой и вращающейся, не заставляя кабели скручиваться. В ветряной турбине несколько узлов вращаются при нормальной работе: гондола отклоняется, чтобы отслеживать направление ветра, ступица постоянно вращается вместе с лопастями, а некоторые топологии генераторов -, в частности, индукционные генераторы с двойным питанием- (DFIG), широко используемые в коммунальных-масштабных ветровых установках -, подают ток ротора через щетки и кольца.
Задача контактного кольца — сохранять электрическую непрерывность при вращении. На практике он заменяет кабельную трассу, которая в противном случае вышла бы из строя в течение нескольких часов.
Почему контактные кольца важны в ветряных турбинах
Ветровые турбины не работают в чистых лабораториях. Внутри гондолы на контактное кольцо воздействует вибрация от трансмиссии, конденсация при холодной-теплой езде на велосипеде, мелкая пыль от износа тормозов и проникновение внешнего воздуха, а также - морской - соляной туман, который воздействует на незащищенный металл. Внутри ступицы контактное кольцо шага также передает сигналы,-критически важные для безопасности: если контроллер шага лопастей теряет связь, турбине приходится реагировать, часто наклоняясь к флюгеру и останавливаясь.
Вот почему изношенное контактное кольцо или контактное кольцо с недостаточными-техническими характеристиками редко выходит из строя как одно-единственное драматическое событие. Он выходит из строя по шаблону: рост сопротивления контактов, периодические ошибки CAN-шины, постепенное увеличение частоты предупреждений о шаге, а затем серьезная неисправность. Инженеры по надежности заботятся о контактных кольцах именно потому, что характер отказа медленный, удаленная диагностика обходится дорого, а обслуживание на 90-метровой вышке или в 50 км от берега обходится дорого.
Основные типы контактных колец ветряных турбин
Не каждая турбина использует каждый тип, и расчетное давление в каждом месте сильно различается. Четыре узла, приведенные ниже, охватывают практически все области применения контактных колец ветряных турбин, с которыми вы можете столкнуться.
1. Кольца скольжения по рысканью (в основном небольшие и распределенные ветряные турбины)
В небольших ветряных турбинах - бытовых, автономных-сетевых, телекоммуникационных-башенных, сельскохозяйственных - генератор обычно располагается внутри вращающейся головки. Вся голова поворачивается, чтобы отслеживать ветер, а вырабатываемая мощность должна передаваться по стационарной башне к контроллеру и аккумуляторной батарее. На этом интерфейсе расположено контактное кольцо отклонения от курса и позволяет головке свободно вращаться, в то время как путь кабеля внизу остается фиксированным.
Доминирующим ограничением здесь является не высокая скорость; это пространство, погода и количество кабелей. Кольцу часто приходится проходить через узкую вертикальную шахту, выдерживать годы воздействия ультрафиолета и циклы замораживания-оттаивания, а также прокладывать от 2 до 6 силовых цепей плюс дополнительные тормозные или сенсорные линии. Для приложений с низким-рысканием номинал корпуса и защита от натяжения кабеля обычно имеют большее значение, чем характеристики скорости кисти--, и этот факт часто упускается из виду, когда покупатели сосредотачиваются только на количестве цепей.
Большинство турбин общего-масштаба (класса МВт-) имеютнетиспользуйте традиционное контактное кольцо рыскания. Они контролируют отклонение от курса с помощью тросовых петель и счетчика скручивания троса-, который запускает автоматическое раскручивание после заданного количества оборотов. Поэтому, когда кто-то спрашивает: «Все ли ветряные турбины используют контактные кольца?» - честный ответ: нет, не на оси рыскания больших турбин.
2. Скользящие кольца ступицы или регулятора шага (универсальные-масштабные турбины)
Именно это контактное кольцо большинство людей имеет в виду, когда говорят «контактное кольцо ветряной турбины». Он расположен между неподвижной рамой гондолы и вращающейся ступицей и передает энергию и связь для системы шага лопастей - — системы, которая регулирует угол атаки каждой лопасти для управления скоростью ротора и защиты турбины при сильном ветре.
Контактные кольца регулировки шага обычно передают:
- Питание двигателей шага или резервных батарей шага (электрические системы шага)
- Шина CAN, PROFIBUS или Ethernet для связи с контроллером шага.
- Обратная связь датчиков от тензорезисторов на ножках, энкодеров и датчиков температуры.
- Мощность обогрева или борьбы с-обледенением в вариантах для холодного-климата
- Молниезащитные пути в зависимости от конструкции OEM
Для систем шага целостность сигнала и совместимость протоколов обычно более важны, чем механическая подгонка. Шаговое кольцо, которое по размерам идентично оригинальной детали, но неправильно обращается с экранированием, будет вызывать периодические ошибки CAN, которые команды технического обслуживания преследуют месяцами. Компания Mersen, один из признанных поставщиков в этом сегменте, описывает свои шаговые контактные кольца как средство передачи энергии и связи между вращающейся ступицей и контроллером турбины в корпусах с классом IP-, устойчивых к загрязнениям--, что дает разумную основу для того, как должно выглядеть промышленное шаговое кольцо (см.Контактные кольца регулировки шага Mersen).
3. Контактные кольца генератора (конструкции DFIG и обмотки-ротора)
Контактные кольца генератора работают в гораздо более жестких условиях, чем кольца рыскания или шага. В асинхронном генераторе с двойным-питанием контактное кольцо проводит ток ротора при полной рабочей частоте вращения -, обычно от 1000 до 2000 об/мин на валу генератора после редуктора. Это полностью меняет проблему проектирования.
На этих скоростях начинают доминировать вещи, которые не имеют значения при рыскании: материал и класс щетки, кривые контактного давления, концентричность кольца, удаление пыли из щетки и тепловое поведение при постоянной нагрузке. Износ щеток больше не является примечанием по техническому обслуживанию; это ограничивающий фактор интервалов обслуживания.Износ щеток, контактное загрязнение и меры по устранениюхорошо-задокументированы в отрасли, и большинство контактных колец генераторов рассчитаны на плановую замену щеток, а не герметизированы-на-жизнь.
При использовании генераторов перед механической установкой следует проверить материал контактов и температурные характеристики -, в отличие от инстинкта покупателя, который начинается с диаметра отверстия.
4. Гибридные токосъёмные кольца/поворотные соединения (турбины с гидравлическим шагом)
Некоторые производители турбин используют гидравлические приводы шага вместо электрических. В этих машинах интерфейс вращающейся ступицы должен пройтиобагидравлическое масло (для цилиндров шага) и электрические сигналы (для управления и обратной связи). Компонент, который обеспечивает это, представляет собой гибридный союз контактного кольца и вращающегося механизма, иногда называемый электро-гидравлическим союзом.
Они не взаимозаменяемы с электрическими-кольцами шага. Они должны герметизировать масло под давлением при вращении, электрически изолировать сигнальные каналы от пути жидкости и выдерживать термоциклирование без утечек.Гибридные сборки контактных колецобычно разрабатываются для конкретной модели турбины, а не продаются в готовом виде. Moog публикует подробный справочный материал по комбинированным электро-вращательным решениям для ветрогенераторов, который стоит прочитать, если вы выбираете гибридную замену (см.Роторные решения Moog для ветроэнергетики).
Таблица сравнения контактных колец ветряных турбин
| Тип контактного кольца | Типичное расположение | Основная функция | Общая передача | Доминирующий вызов дизайна |
|---|---|---|---|---|
| Кольцо скольжения по рысканью | Интерфейс небольшой турбинной головки-к-башне | Позволяет голове вращаться, чтобы отслеживать направление ветра | 2–6 силовых цепей, дополнительные линии датчиков | Степень защиты IP для наружного применения, узкий монтажный диапазон |
| Токосъемное кольцо шага/ступицы | Гондола к вращающейся ступице (инструментальный-масштаб) | Питание и связь с системой подачи | Мощность двигателя шага + CAN/PROFIBUS/Ethernet + обратная связь датчика | Целостность сигнала, ЭМС, вибрация, корпус со степенью защиты IP- |
| Контактное кольцо генератора | DFIG или вал генератора с обмоткой-ротором | Проводит ток ротора при непрерывном-вращении на высокой скорости. | Трех-ток фазного ротора при частоте вращения генератора | Износ щеток, рассеивание тепла, контроль мусора |
| Гибридное контактное кольцо – поворотный союз | Гидравлические шаговые турбины, интерфейс ступицы | Сочетает электрические сигналы с перекачкой гидравлического масла. | Сигналы + данные + гидравлическая среда под давлением | Уплотнение, электрическая изоляция, номинальное давление |
Реальные характеристики зависят от OEM-производителя, класса размера турбины и условий площадки. Береговая турбина мощностью 1,5 МВт и морская платформа мощностью 12 МВт могут использовать контактные кольца, которые внешне выглядят одинаково, но не имеют ничего общего с точки зрения материала щеток, уплотнений и концов жгутов.
Электрический шаг против гидравлического шага: как меняется контактное кольцо
Архитектура системы шага является важнейшим фактором при выборе контактного кольца шага. Многие неудачные замены происходят из-за того, что кто-то сопоставил деталь по размеру и количеству цепей, не проверив, какой тип привода шага использует ступица.
Системы электрического шага
Турбины с электрическим шагом имеют на каждой лопасти электродвигатель, привод и резервную батарею. Контактное кольцо шага должно передавать питание двигателя шага (часто 400–690 В переменного или постоянного тока), управляющую связь и обратную связь. Основными рисками здесь являются электромагнитная связь между линиями питания двигателя и сигналами CAN/Ethernet, а также повышение температуры в силовых каналах при постоянной качке во время порывистой погоды. Правильное разделение путей питания и сигналов внутри контактного кольца имеет большее значение, чем общее количество цепей.
Гидравлические системы подачи
Гидравлические турбины шага передают гидравлическую энергию через вращающееся соединение и используют контактное кольцо в основном для сигналов управления, обратной связи от датчиков и энкодеров положения шага. Гидравлические и электрические пути могут состоять из двух отдельных компонентов или в одном комбинированном гибридном блоке. Вопрос интеграции - в сочетании с отдельным - обычно решается производителем турбины и не является выбором на месте.
Практическое правило: сначала выберите архитектуру шага, затем проверьте размеры, затем проверьте количество цепей. Если действовать в другом порядке, команды получают идеально подходящую деталь, которая не может взаимодействовать.
Как определить контактное кольцо ветряной турбины
Контактное кольцо ветряной турбины должно одновременно удовлетворять электрическим, механическим, экологическим требованиям и требованиям по удобству эксплуатации. Приведенный ниже процесс выбора подходит как для стандартных замен, так и для нестандартных конструкций.
Электрическая нагрузка и количество цепей
Выбор следует начинать со списка цепей: сколько цепей питания, при каком напряжении и токе плюс сколько цепей сигналов и данных. Небольшому рысканью может потребоваться всего 3 цепи питания напряжением 250 В переменного тока. Для современного-кольца шага масштаба коммунального назначения может потребоваться от 12 до 60+ цепей с сочетанием мощности двигателя шага, управления 24 В, вспомогательного напряжения 230 В, шины CAN и Ethernet - — все в одном узле. Цепи питания и сигнала должны быть физически разделены внутри кольцевого стека, чтобы ограничить перекрестные помехи.
Тип сигнала и протокол
Современные ветряные турбины используют несколько цифровых протоколов через одно контактное кольцо. Контроллеры шага обычно используют шину CAN или PROFIBUS; мониторинг состояния все чаще использует Ethernet. Для сигналов с высокой-полосой пропускания одних лишь щеточных-и-кольцевых контактов может быть недостаточно - aКонтактное кольцо Gigabit Ethernetиспользует контролируемый импеданс и экранированные пары контактов для поддержания целостности сигнала на скорости 1 Гбит/с. Укажите протокол, скорость передачи данных и необходимость экранирования, прежде чем поставщик завершит работу над стеком контактов.
Скорость, контактный материал и износ
Рыскание прерывистое и медленное -, иногда всего несколько градусов в минуту. Движение по тангажу более частое, но все же умеренное. Боковое вращение генератора- происходит непрерывно и быстро. Чем быстрее и непрерывнее вращение, тем больше в конструкции доминируют материал щетки, контактное давление и качество поверхности кольца. Серебряные-графитовые щетки обычно используются при работе со средней-силой тока; золотые-на-золотые контакты используются для сигналов низкого-уровня, когда шум контактного сопротивления должен оставаться ниже нескольких миллиом.
Защита окружающей среды
Честно подтвердите операционную среду. Токосъемное кольцо внутри герметичной гондолы береговой турбины в умеренном климате отличается от кольца внутри ступицы морской турбины, подверженной воздействию солевого тумана, конденсата и холодного запуска при -30 градусах. Посмотрите наВыбор рейтинга IPпротив реалистичного наихудшего случая, а не среднего случая. Для морского использования корпуса с защитой от коррозии-и печатные платы с конформным-покрытием обычно являются обязательными, а не дополнительными.
Монтажный конверт и обвязка
Для проведения работ по замене контактное кольцо должно вкрутиться в существующий фланец, принять существующие концы жгута и освободить существующую конструкцию. OEM-чертежи, фотографии неисправного устройства и исходная схема подключения позволяют сэкономить недели на-и-переговорах с поставщиком.
Доступ для обслуживания
Смотровые окна щеток, сливные пробки и разъемы датчиков имеют большее значение для турбины, к которой вам приходится подниматься для обслуживания. Затраты на эксплуатацию и обслуживание морского оборудования достаточно высоки, поэтому конструкции, позволяющие заменять щетки без полного снятия узла контактных колец, окупаются при первом же обслуживании.
Что вызывает выход из строя контактного кольца ветряной турбины?
Большинство неисправностей контактных колец ветряных турбин делятся на четыре категории. Раннее распознавание закономерности отличает запланированную замену кисти от незапланированного подъема на башню.
Износ щеток и скопление мусора.Нормально для любого контактного-кольца контактного типа. Возникает неисправность, когда мусор забивает соседние кольца или засоряет сигнальные контакты. Симптомы: повышение сопротивления контактов, периодические ошибки CAN, видимая черная пыль вокруг кольцевого пакета.
Попадание влаги и коррозия.Обычно встречается в морских турбинах и гондолах, где во время зимних остановок отключается отопление. Симптомы: зеленое окисление на медных кольцах, замыкания на землю, резкие падения сопротивления изоляции.
Вибрация-вызвала смещение.Резонанс трансмиссии и раскачивание башни постепенно ослабляют крепежные болты и выравнивание подшипников переключения передач. Симптомы: неравномерный износ щеток, одно кольцо постоянно выходит из строя, а другие остаются чистыми.
ЭМС и неисправности заземления.Сбои в передаче данных по шагу часто связаны не с самими контактами контактных колец, а с заделкой экрана, стратегией заземления или близостью кабелей двигателя шага к сигнальным кабелям внутри вращающегося жгута проводов.
Стандартная замена и нестандартное контактное кольцо
Для большинства ветряных электростанций правильным решением является стандартная-замена, эквивалентная OEM. Модель турбины известна, история детали документирована, запасная часть находится на полке, и группа технического обслуживания может заменить ее в запланированный период обслуживания.
A изготовленное на заказ контактное кольцо ветряной турбиныправильный путь, когда:
- Оригинальная деталь устарела, и OEM-производитель больше ее не поддерживает.
- Система шага была модернизирована (например, добавлены датчики нагрузки на отвал, улучшен мониторинг состояния).
- Повторные сбои в конструкции OEM позволяют предположить, что ее размеры были занижены для реальных условий площадки.
- Вам необходимо объединить электрическое контактное кольцо и отдельный поворотный штуцер в один гибридный узел.
- Вам необходим более высокий рейтинг IP, лучшая защита от коррозии или соответствие требованиям низких-температур для работы на море или в условиях холодного-климата.
В любом случае поставщику заранее необходима одна и та же информация: модель и серийный номер турбины, оригинальный чертеж или фотографии контактных колец, полный список цепей с напряжением и током, протоколы связи, частота вращения, интерфейс монтажа, условия окружающей среды и -, если доступно, - история отказов заменяемого устройства. Отправка этого сообщения один раз в начале обычно экономит два-три раунда разъяснений.
Часто задаваемые вопросы: Контактные кольца ветряных турбин
Во всех ли ветряных турбинах используются контактные кольца?
Нет. В небольших ветряных турбинах часто используется контактное кольцо отклонения от курса, поскольку генератор находится во вращающейся головке. В большинстве турбин общего-масштаба для вращающейся ступицы используется контактное кольцо шага/ступицы, но отклонение от курса регулируется с помощью тросовых петель и автоматической последовательности-раскручивания троса, а не кольца отклонения от курса. Турбины на базе DFIG-также имеют контактные кольца генератора; турбины с прямым-приводом и постоянными магнитами этого не делают.
Что делает контактное кольцо в ветряной турбине?
Он передает электроэнергию, сигналы управления или данные через вращающийся интерфейс -, чаще всего между неподвижной гондолой и вращающейся ступицей для управления шагом или в генераторе тока ротора - без скручивания кабелей.
В чем разница между контактным кольцом и вращающимся соединением в ветряной турбине?
Контактное кольцо передает электроэнергию и сигналы при вращении. Поворотный штуцер передает жидкости -, обычно гидравлическое масло для приводов шага -, поперек вращения. В турбинах с гидравлическим-шагом часто используется гибридный узел, сочетающий в себе оба компонента в одном блоке.
Что вызывает выход из строя контактного кольца ветряной турбины?
Наиболее распространенными причинами являются износ щеток и скопление мусора, попадание влаги или солевого тумана, смещение, вызванное вибрацией,-вызванное вибрацией, а также проблемы с электромагнитной совместимостью или заземлением, которые нарушают передачу данных по шагу.
Как долго служат контактные кольца ветряных турбин?
Срок службы зависит от профиля вращения, материала щетки и окружающей среды. Контактные кольца шага в береговых турбинах часто служат 5–10 лет между основными щеточными обслуживаниями. Контактные кольца генератора в машинах DFIG обычно имеют более короткие интервалы замены щеток, которые часто планируются одновременно с плановым обслуживанием коробки передач или генератора. Документация производителя и история обслуживания на конкретном объекте более надежны, чем любой отдельный номер.
Можно ли заменить контактное кольцо на стандартное контактное кольцо?
Только в том случае, если стандартное устройство соответствует архитектуре системы шага, электрическим характеристикам, протоколам связи, степени защиты IP и монтажному интерфейсу оригинала. Деталь, которая подходит механически, но неправильно защищает сигнал, будет вызывать периодические ошибки шага, которые трудно диагностировать. Если у вас есть сомнения, выберите специальное контактное кольцо шага, разработанное для модели турбины.
Можно ли изготовить контактные кольца ветряных турбин по индивидуальному заказу?
Да. Кастомизация обычно применяется для устаревших OEM-заменителей, модернизированных систем шага, вариантов для морских работ и-холодного климата, а также гибридных электрических-гидравлических узлов. Для разработки полезного проекта поставщику необходим полный пакет спецификаций -, чертежи, список цепей, условия окружающей среды и история отказов -.
Краткое содержание
Контактные кольца ветряной турбины передают энергию, связь и - в некоторых конструкциях - гидравлическую среду через вращающиеся интерфейсы машины. Правое контактное кольцо не соответствует отверстию; это тот, который соответствует архитектуре шага, электрической нагрузке, протоколам сигналов, окружающей среде и плану технического обслуживания конкретной турбины. Для работ по замене тщательно задокументируйте исходное устройство перед заказом. Для индивидуальной работы поделитесь шаблоном сбоев, а также спецификацией - часто именно история сбоев указывает на то, что необходимо изменить в новом проекте.