טבעות החלקה של טורבינת רוח: מדריך לבחירה וכשלים

טבעות החלקה של טורבינות רוח קטנות יחסית ללהבים או לתיבות הילוכים, אבל מגע אחד גרוע יכול לעצור מכונת רב-מגה וואט. התפקיד שלהם הוא להעביר כוח, אותות בקרה ונתונים על פני הממשקים המסתובבים בתוך הרכזת, הגנרטור, ולפעמים מכלול הפיך. כאשר ההעברה הזו הופכת לבלתי יציבה, ההשלכות מופיעות בדרך כלל כתקלות גובה, נתוני חיישנים לסירוגין או ביקורים בלתי מתוכננים של -שירותי מגדלים - ובאתרים בים, נסיעה חלופית בודדת יכולה לעלות יותר מאשר טבעת ההחלקה עצמה.

מדריך זה נכתב עבור מהנדסים, מנהלי נכסים וצוותי רכש שצריכים לבחורטבעות החלקה של טורבינת רוחעבור בנייה חדשה, שיפוצים או החלפות. הוא מכסה היכן יושבות טבעות החלקה בטורבינה, כיצד הן נכשלות, מה לציין וכיצד להשוות טכנולוגיות מגע מבלי ליפול למלכודות בחירה נפוצות.

מה עושות טבעות החלקה של טורבינת רוח

טבעת החלקה היא ממשק אלקטרומכני המאפשר למעגלי חשמל ואות לעבור ממסגרת נייחת למסגרת מסתובבת. בתוך טורבינת שירות מודרנית בקנה מידה-, אתה בדרך כלל מוצא טבעות החלקה הנושאות שלושה סוגי תנועה בו זמנית:

• כוח מנוע גובה לכוונון זווית הלהב
• אותות בקרה ומשוב בין מערכת הגובה והבקר הראשי
• נתוני חיישן כגון מתח להב, טמפרטורה, רטט וזיהוי קרח

בקרת גובה הצליל היא הערוץ הבטיחותי-הקריטי ביותר מבין השלושה.סדרת IEC 61400סטנדרטים של טורבינות רוח דורשים שמערכות שיפוע יישארו מסוגלות לצבוע את הלהבים גם בתנאי תקלה, מה שאומר שטבעת ההחלקה חייבת להמשיך לעבוד באמצעות רטט, תנודות טמפרטורה, עיבוי ומיליוני סיבובים לאורך 20 שנות חיים עיצוביים. רכיב של 200 אירו שיושב ברכזת יכול אפוא להחליט אם טורבינה של 5 מגה-וואט מייצרת או יושבת בחוסר מעש ומחכה למנוף.

איפה טבעות החלקה יושבות בטורבינת רוח

היגיון הבחירה שונה עבור כל מיקום. ערבוב ביניהם - לדוגמה, ציון עיצוב רכזת גנרי עבור מעגל עירור גנרטור - הוא אחת הטעויות היקרות יותר בקטגוריה זו.

Hub Slip Rings (מערכת גובה)

טבעות החלקה של רכזת מותקנות על הציר הראשי ומסתובבות עם הרוטור. הם נושאים כוח מנוע גובה (לעתים קרובות מתח 400-690 V AC או DC), אותות בקרת גובה (CANopen, Profibus או פרוטוקולים קנייניים), ומספר הולך וגדל של ערוצי חיישני להב. טבעות החלקה של רכזת הן בדרך כלל עיצובי קידוח גדולים- מכיוון שציר הרוטור עובר דרכן, והן צריכות לשרוד ספקטרום רעידות קשיח יותר מרוב ציוד המפעל.

טבעות החלקה של גנרטור (מכונות DFIG)

גנרטורים אינדוקציה מוזנים כפול- (DFIG), שעדיין נפוצים בציי היבשה, משתמשים בטבעות החלקה על הרוטור כדי להזין זרם עירור AC לפיתולי הרוטור. אלה רואים זרם גבוה (בדרך כלל כמה מאות אמפר), מהירויות סיבוב גבוהות יותר וייצור אבק פחמן משמעותי. דרגת מברשת, גימור פני הטבעת, לחץ קפיצים ואוורור תא התאים משפיעים ישירות על חיי השירות. טורבינות מגנט קבועות-ישירות- אינן זקוקות כלל לטבעת ההחלקה הזו - אחת הסיבות לכך שפלטפורמות ימיות עברו לכיוון נסיעה ישירה-.

טבעות להחליק Yaw

רוב הטורבינות הגדולות משתמשות בלולאת כבלים ומתפתלות בשגרה במקום טבעת החלקת פיתול, אך טורבינות קטנות יותר (בדרך כלל מתחת ל-500 קילוואט בערך) משתמשות לעיתים בטבעת החלקה פיתול בחלק העליון של המגדל כדי לאפשר סיבוב מתמשך. אלה מתמודדים עם מהירויות נמוכות יותר אך יותר חשיפה סביבתית ומרחב הרכבה צפוף.
 

Hub נגד Generator נגד Yaw

הערכים שלמעלה הם טווחים נפוצים מגיליונות נתונים של יצרן ומדריכי שירות OEM; הנתונים האמיתיים עבור המכונה שלך צריכים תמיד להגיע מתיעוד הטורבינה ודוחות הבדיקה של ספק הטבעות.

איך טבעות החלקה של טורבינת רוח נכשלות

"כשל בטבעת החלקה" היא קטגוריה מעורפלת. בשטח, בעיות כמעט תמיד מגיעות לאחד מהמנגנונים שלמטה - וכל אחד מהם מצביע על תיקון או תחזוקה שונה.

• בלאי מברשות והצטברות אבק.מברשות פחמן ומתכת-גרפיט יוצרות אבק מוליך כשהן נשחקות. ללא אוורור, אבק מצטבר על ערימת הטבעות ויוצר נתיבי דליפה בין טבעות סמוכות, אשר מופיעות כהתנגדות בידוד יורדת מתחת ל-100 MΩ או כקריעת תקלות של קרקע-.דפוסי ללבוש מברשתהם בדרך כלל התסמין הראשון שטכנאי בדיקה רואה.
• עלייה בהתנגדות למגע.חמצון, זיהום או אובדן לחץ קפיץ מגבירים את התנגדות המגע ממיליאוהם לטווח האוהם. במעגל מתח זה גורם לנפילת מתח ולחימום; על קו חיישן זרם נמוך- הוא מעלה את רצפת הרעש ועלול להשחית מברקי CAN.
• עיבוי וקורוזיה.רכזות הן סביבות לחות - מכונות חמות, פלדה קרה, אוויר סביבה. בורות על משטחי הטבעת מתרחשים במהירות, במיוחד באתרי החוף והחוף שבהם קיים תרסיס מלח. עבור פלטפורמות ימיות, ייעודימדדי אמינות ביםבדרך כלל כתובים במפרט.
• בלאי המושרה על ידי רטט- של כבלים ומחברים.טבעת ההחלקה עצמה עשויה להיות בסדר, אבל כבלי הצמה, מיתרי המתח או המחברים מתעייפים בנקודת הכניסה. זה נפוץ יותר מאשר כישלון במסלול-טבעות בצי צעירים יותר.
• פירוק חומר סיכה.עיצובים מסוימים משתמשים בחומר סיכה מגע או מעכב חמצון. עם הזמן הוא מתפלמר או מתייבש, במיוחד מעל 60 מעלות של טמפרטורות תא צל, והתנהגות המגע משתנה.
• התמוטטות בידוד.מעקב על פני מבודדים מזוהמים עלול לגרום להבהוב, במיוחד באוטובוסים עם -מתח גבוה יותר. זהו כישלון קשה, לא עקומת השפלה.

רוב המנגנונים הללו הם הדרגתיים, ורובם ניתנים לזיהוי במהלך בדיקה מתוזמנת - אבל רק אם הליך הבדיקה מודד בפועל התנגדות למגע, התנגדות בידוד ואורך מברשת, במקום רק "להסתכל בתוך הרכזת".
 

ציון דרישות החשמל

לפני הפנייה לספקים יש לכתוב את מעטפת החשמל על נייר. הספקים יבקשו זאת בכל מקרה, והבקשה-להצעת מחיר- (RFQ) עוברת מהר יותר כאשר התשובות נקבעות מראש.

• זרם לכל מעגל, הן רציפות והן שיא (זרם עצירת מנוע גובה יכול להיות 3-6× נומינלי).
• דרגת מתחוהאם המעגל הוא AC או DC. עבור מערכות 690 וולט, ודא אם קטגוריית מתח יתר של IEC 60664 חלה.
• מספר מעגלי חשמלנֶגֶדמספר מעגלי אות/נתונים, נשמר בנפרד.
• פרוטוקולי אותות- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Mbit או קווי חיישן אנלוגיים. לכל פרוטוקול סבילות רעשים שונה.
• תקציב רעשי חשמלעבור ערוצי חיישנים. מקודדי גובה-רוחב ומדדי מתח של-עומס זקוקים בדרך כלל לניקיון ברמת מיליווולט-;בקרת רעש מגעבטבעת ההחלקה היא חלק מעמידה בתקציב הזה.
• דרישות בידוד ודיאלקטריות- בדרך כלל גדול או שווה ל-1,000 MΩ ב-500 V DC עבור מעגלי מתח, בתוספת בדיקת עמידה בתדר-הספק.
• הַאֲרָקָה. עיצובים רבים כוללים טבעת הארקה נפרדת או מברשת; עבור אתרים המועדים-לברקים, זה לא ניתן- למשא ומתן.

בחירת טכנולוגיית מגע

אין טכנולוגיית מגע יחיד היא הטובה ביותר עבור כל יישום של טורבינת רוח. התשובה הנכונה היא בדרך כלל היברידית המשתמשת בטכנולוגיות שונות עבור קטעי חשמל ואותות של אותו מכלול.

פחמן ומתכת-מברשות גרפיט

מברשות פחמן וכסף-גרפיט הן סוסי העבודה של-יישומים נוכחיים גבוהים יותר - טבעות עירור של מחוללים ואפיקי כוח. הם סובלים זרמים גבוהים, מקבלים זיהום מסוים וזולים להחלפה. הפתרון- הוא יצירת אבק, רעש נשמע והצורך בבדיקה תקופתית של אורך המברשת ולחץ הקפיץ. הכיתה מברשת(שרף-פחמן מלוכד, אלקטרוגרפיט, מתכת-גרפיט, נחושת-גרפיט) ​​צריך להתאים לצפיפות הזרם ולחומר הטבעתי.

המתאים ביותר עבור: כוח מנוע גובה, עירור גנרטור, הארקה. שימו לב ל: הצטברות אבק על טבעות האותות בקרבת מקום, סחיפה של לחץ קפיץ, אבק מברשת על אופטיקה של המקודד אם היא מותקנת קרוב.

אנשי קשר עם מברשת סיבים (רב-פילמנטים).

עיצובי מברשות סיבים משתמשים בחבילות של חוטי זהב משובח או-מסגסוגת זהב הנוסעים על טבעת-מתכת יקרה. עם נקודות מגע מקבילות רבות וכוח מגע נמוך מאוד לכל חוט, הם כמעט ללא פסולת ויש להם רעש מגע נמוך מאוד. הם הבחירה הדומיננטית עבור ערוצי חיישנים ונתונים בטבעות החלקה מודרניות לרכזת.

המתאים ביותר עבור: קווי נתונים מסוג CAN/Profibus/Ethernet, אותות חיישני להב, בקרת זרם נמוכה-. שימו לב ל: זרם מוגבל לכל חבילת נימה (בדרך כלל<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.

אנשי קשר מונופילמנטים ואצילים-מתכתיים

מגעי מתכת אצילים-חד-פילמנטים (חוט זהב או זהב-יחיד על טבעת מתכת-יקרה) יושבים בין מברשות סיבים למברשות מסורתיות. הם נפוצים בקומפקטטבעת החלקה מותאמת אישיתמכלולים שבהם המקום מצומצם.

המתאים ביותר ל: מעגלי אות-נמוכים, מכלולים היברידיים. שימו לב ל: בלאי ציפוי לאחר ספירת סיבובים גבוהה מאוד, והעובדה ש"ציפוי זהב- אינו עדיף אוטומטית - זהב דק על פני מצע רך יכול להישחק מהר יותר ממברשת גרפיט כסף- שצוינה כהלכה.

עיצובים היברידיים

בטבעת החלקה של רכזת טיפוסית, הערימה התחתונה נושאת כוח מנוע גובה על מברשות פחמן או מתכת-גרפיט, הערימה האמצעית נושאת תעבורת שדה-באוטובוס על מברשות סיבים, והערימה העליונה מטפלת בקווי חיישן זרם-נמוכים במגעי זהב-ב-מגעי זהב. הארקה היא על טבעת ייעודית משלה עם מברשות מיותרות. הפרדה זו היא המאפשרת למכלול בודד לעמוד בדרישות סותרות (זרם גבוה + רעש נמוך) בו-זמנית.
 

מפרט סביבתי: אל תעצור ב"דרגה תעשייתית"

"ציון תעשייתי" לא אומר לך שום דבר מועיל. המספרים שלהלן הם אלה החשובים בדף המפרט של טורבינת רוח.

• הגנה מפני כניסה.פנים הרכזת הם בדרך כלל IP54; תארים מהחוף וטבעות החלקה חשופות צריכות בדרך כלל IP65 ומעלה. לִרְאוֹתפרשנות דירוג IPלמה שהספרות מבטיחות למעשה.
• טמפרטורת הפעלה.ברירת מחדל סבירה היא -40 מעלות עד +70 מעלות עבור אתרי אקלים צפוניים- על החוף, -20 מעלות עד +60 מעלות עבור אתרים ממוזגים, ועיבוי- נשלט עבור מחוץ לחוף. גרסאות אקלים קר- זקוקות לאימות של חומר סיכה בטמפרטורה נמוכה.
• לַחוּת.95% RH ללא-עיבוי הוא מינימום טיפוסי; עבור אתרים עם עיבוי קבוע, ייתכן שיידרש חימום פנימי.
• התנגדות מלח-ערפל.טורבינות ימיות וחופיות צריכות להתייחס ל-IEC 60068-2-52 או ISO 9227 לבדיקות ריסוס מלח על חלקים ומחברים מתכתיים.
• רֶטֶט.פרופילים אקראיים של IEC 60068-2-6 ו-2-64 הם נקודות ייחוס נפוצות; על הספק לספק דוחות בדיקה, לא טענות שיווקיות.
• ברק ונחשול.טבעות החלקה ממוקמות על שביל שיכול לראות זרמי ברקים עקיפים. יש להסכים מראש על עמידה בפני נחשולים.

התוכנית מחקר הרוחות של מעבדת האנרגיה המתחדשת הלאומית של ארה"במפרסמת נתוני אמינות- שימושיים המראים שמערכות חשמל ומערכות חשמל נשארות בין -שיעורי התקלות-הגבוהים יותר בציי ההפעלה - וזו הסיבה שמספרים סביבתיים אלו צריכים להיות בחוזה, ולא בהתחייבות מילולית.

מגבלות מכניות ואינטגרציה

פרויקטים של שיפוץ מחדש נכשלים בהתאמה מכנית לעתים קרובות יותר מאשר בביצועים חשמליים. לפני אישור עיצוב, אשר:

• קוטר הקדח והקוטר החיצוני כנגד המעטפה הזמינה ברכזת או בתא
• סובלנות פיר, יציאה וקצבת ריכוזיות
• כיוון יציאת הכבלים (צירי לעומת רדיאלי) וסוג מחבר - לטורבינות רבות יש רדיוס כיפוף כבל מוגבל מאוד
• דגם אוגן הרכבה ועיגון זרוע מומנט
• משקל ואיזון עבור מכלולים מסתובבים
• גישת שירות - האם טכנאי יכול להגיע לחלון המברשת כשהטורבינה במצב שירות?

בפועל, עבור פרויקטים רבים של שיפוץ והספק מחדש, אילוצים מכניים קובעים את התכנון לפני שהחשמליים עושים זאת. זה כאשר הרכבה הניתנת להגדרה או מותאמת אישית מלאה היא הגיונית יותר מאשר לאלץ חלק קטלוגי להתאים.

מה לשלוח לספק

הצעת מחיר נקייה מקצרת את מחזור הצעת המחיר משבועות לימים. הספק צריך את כל הדברים הבאים כדי לעצב או לבחור טבעת החלקה:

תקציר: התייחס לבחירת טבעות החלקה כהחלטת אמינות

טבעת ההחלקה הימנית של טורבינת הרוח היא זו שתואמת את המעטפת החשמלית של הטורבינה, שורדת את סביבתה, מתאימה לשטח המכני הפנוי ותומכת בתוכנית תחזוקה ריאלית לאורך 20 שנה. רוב העלות של טעות זו משולמת לא ברכישה אלא במהלך הביקור הראשון הלא מתוכנן-במגדל.

הגדר את הדרישות החשמליות, הסביבתיות והמכניות לפני שאתה מדבר עם הספקים. בקשו דוחות בדיקה, לא סיסמאות. הפרד טכנולוגיות מגע מתח ואותות בכל מקום שהמכלול מאפשר זאת. ובאתרי חוף או חוף, קחו קורוזיה ואיטום ברצינות רבה יותר מאשר בחירת חומר מגע - המלח בדרך כלל זוכה בוויכוחים לפני המברשת.