Anelli collettori per turbine eoliche: guida alla selezione e ai guasti

I collettori rotanti delle turbine eoliche sono piccoli rispetto alle pale o ai riduttori, ma un singolo contatto errato può fermare una macchina da molti-megawatt. Il loro compito è trasferire potenza, segnali di controllo e dati attraverso le interfacce rotanti all'interno dell'hub, del generatore e talvolta del gruppo di imbardata. Quando il trasferimento diventa instabile, le conseguenze si manifestano solitamente come difetti di inclinazione, dati intermittenti dei sensori o visite di servizio alla torre -non programmate - e nei siti offshore, un singolo viaggio sostitutivo può costare più del collettore stesso.

Questa guida è scritta per ingegneri, asset manager e team di procurement che devono scegliereCollettori rotanti per turbine eolicheper nuove costruzioni, retrofit o sostituzioni. Spiega dove si trovano gli anelli collettori nella turbina, come si guastano, cosa specificare e come confrontare le tecnologie di contatto senza cadere nelle trappole della selezione comune.

Cosa fanno gli anelli collettori delle turbine eoliche

Un collettore rotante è un'interfaccia elettromeccanica che consente ai circuiti elettrici e di segnale di passare da un telaio fisso a uno rotante. All'interno di una moderna turbina-di scala industriale, in genere si trovano collettori rotanti che trasportano tre tipi di traffico contemporaneamente:

• Potenza del motore del passo per la regolazione dell'angolazione della lama
• Segnali di controllo e feedback tra il sistema di pitch e il controller principale
• Dati del sensore quali deformazione della lama, temperatura, vibrazione e rilevamento del ghiaccio

Il controllo del tono è il canale-più critico dei tre per la sicurezza.Serie IEC 61400Gli standard delle turbine eoliche richiedono che i sistemi di passo rimangano in grado di mettere in bandiera le pale anche in condizioni di guasto, il che significa che l'anello collettore deve continuare a funzionare nonostante vibrazioni, sbalzi di temperatura, condensa e milioni di rotazioni per una durata di progettazione di 20 anni. Un componente da 200 euro seduto nel mozzo può quindi decidere se una turbina da 5 MW produce o resta inattiva in attesa di una gru.

Dove si trovano gli anelli collettori in una turbina eolica

La logica di selezione è diversa per ogni sede. Mescolarli - ad esempio, specificando un design hub generico per un circuito di eccitazione del generatore - è uno degli errori più costosi in questa categoria.

Anelli collettori nel mozzo (sistema a passo)

Gli anelli collettori del mozzo sono montati sull'albero principale e ruotano con il rotore. Trasportano l'alimentazione del motore del passo (spesso tensioni del bus CA o CC da 400–690 V), segnali di controllo del passo (CANopen, Profibus o protocolli proprietari) e un numero crescente di canali del sensore della lama. Gli anelli collettori del mozzo sono generalmente di design con alesaggio di grandi dimensioni- perché l'albero del rotore li attraversa e devono resistere a spettri di vibrazione che sono più resistenti della maggior parte delle apparecchiature di fabbrica.

Anelli collettori del generatore (macchine DFIG)

I generatori a induzione (DFIG) a doppia-alimentazione, ancora comuni nelle flotte terrestri, utilizzano anelli collettori sul rotore per alimentare corrente di eccitazione CA agli avvolgimenti del rotore. Questi comportano correnti elevate (tipicamente diverse centinaia di ampere), velocità di rotazione più elevate e una significativa generazione di polvere di carbonio. Il grado della spazzola, la finitura della superficie dell'anello, la pressione della molla e la ventilazione della navicella influiscono direttamente sulla durata. Le turbine a magneti permanenti-a trasmissione diretta-non hanno affatto bisogno di questo collettore rotante - uno dei motivi per cui le piattaforme offshore si sono spostate verso la trasmissione-diretta.

Anelli di contatto di imbardata

La maggior parte delle turbine di grandi dimensioni utilizza un anello di cavo e una routine di distorsione invece di un anello collettore di imbardata, ma le turbine più piccole (tipicamente inferiori a ~ 500 kW) a volte utilizzano un anello collettore di imbardata in cima alla torre per consentire la rotazione continua. Questi affrontano velocità inferiori ma maggiore esposizione ambientale e spazio di montaggio ristretto.
 

Hub vs generatore vs imbardata

I valori sopra indicati sono intervalli comuni nelle schede tecniche del produttore e nei manuali di servizio OEM; i dati effettivi per la vostra macchina dovrebbero sempre provenire dalla documentazione della turbina e dai rapporti di prova del fornitore degli anelli collettori.

Come i collettori rotanti delle turbine eoliche effettivamente falliscono

"Guasto dell'anello collettore" è una categoria vaga. Sul campo, i problemi risalgono quasi sempre a uno dei meccanismi indicati di seguito - e ognuno di essi rimanda a una diversa soluzione di progettazione o manutenzione.

• Usura delle spazzole e accumulo di polvere.Le spazzole in carbonio e grafite metallica-generano polvere conduttiva man mano che si usurano. Senza ventilazione, la polvere si accumula sulla pila di anelli e crea percorsi di dispersione tra gli anelli adiacenti, che si manifestano come resistenza di isolamento che scende al di sotto di 100 MΩ o come fastidiosi interventi per guasto a terra-.Modelli di usura delle spazzolesono solitamente il primo sintomo che vede un tecnico di ispezione.
• Aumento della resistenza di contatto.L'ossidazione, la contaminazione o la perdita di pressione della molla aumentano la resistenza di contatto da milliohm alla gamma degli ohm. Su un circuito di alimentazione di passo ciò provoca caduta di tensione e riscaldamento; su una linea di sensori a bassa-corrente aumenta il rumore di fondo e può corrompere i telegrammi CAN.
• Condensa e corrosione.Gli hub sono ambienti umidi - macchinari caldi, acciaio freddo, aria ambiente. La vaiolatura sulle superfici degli anelli si verifica rapidamente, soprattutto nei siti costieri e offshore dove è presente aerosol salino. Per piattaforme offshore, dedicatomisure di affidabilità offshoresono solitamente scritti nelle specifiche.
• Usura di cavi e connettori indotta da vibrazioni-.L'anello collettore stesso può andare bene, ma i cavi a spirale, i pressacavi o i connettori si affaticano nel punto di ingresso. Questo è più comune del fallimento del ring-tracking sulle flotte più giovani.
• Degrado del lubrificante.Alcuni modelli utilizzano un lubrificante per contatti o un inibitore dell'ossidazione. Nel corso del tempo polimerizza o si secca, in particolare al di sopra delle temperature della gondola di 60 gradi, e il comportamento di contatto cambia.
• Rottura dell'isolamento.Il tracciamento attraverso isolanti contaminati può causare scariche elettriche, in particolare sui bus-di passo a tensione più elevata. Questo è un fallimento grave, non una curva di degrado.

La maggior parte di questi meccanismi sono graduali e sono rilevabili durante l'ispezione programmata - ma solo se la procedura di ispezione misura effettivamente la resistenza di contatto, la resistenza di isolamento e la lunghezza delle spazzole, invece di limitarsi a "guardare all'interno del mozzo".
 

Specificazione dei requisiti elettrici

Prima di contattare i fornitori, scrivere la busta elettrica su carta. I fornitori lo richiederanno comunque e la richiesta-di-preventivo (RFQ) sarà più veloce quando le risposte verranno decise in anticipo.

• Corrente per circuito, sia continua che di picco (la corrente di stallo del motore di passo può essere 3–6× nominale).
• Classe di tensionee se il circuito è AC o DC. Per i sistemi a 690 V, verificare se si applica la categoria di sovratensione III o IV della norma IEC 60664.
• Numero di circuiti di potenzacontronumero di circuiti segnale/dati, tenuti separati.
• Protocolli di segnale- CANopen, Profibus DP, EtherCAT, Profinet, Ethernet 100/1000 Mbit o linee di sensori analogici. Ciascun protocollo ha una tolleranza al rumore diversa.
• Bilancio del rumore elettricoper i canali dei sensori. Gli encoder del passo e gli estensimetri a perno di carico in genere richiedono una pulizia a livello di millivolt;controllo del rumore di contattonell'anello collettore fa parte del rispetto di tale budget.
• Requisiti di isolamento e dielettrici- tipicamente maggiore o uguale a 1.000 MΩ a 500 V CC per i circuiti di alimentazione, più un test di resistenza alla frequenza di alimentazione-.
• Messa a terra. Molti modelli includono un anello o una spazzola di messa a terra separati; per i siti-soggetti ai fulmini questo non è-negoziabile.

Scelta della tecnologia di contatto

Non esiste una tecnologia a contatto singolo che sia la migliore per ogni applicazione di turbine eoliche. La risposta giusta è solitamente un ibrido che utilizza tecnologie diverse per le sezioni di potenza e segnale dello stesso assieme.

Spazzole in carbonio e metallo-grafite

Le spazzole in carbonio e grafite argentata-sono i cavalli di battaglia delle-applicazioni a corrente più elevata - anelli di eccitazione dei generatori e bus di potenza del passo. Tollerano correnti elevate, accettano una certa contaminazione e sono poco costosi da sostituire. Il compromesso-è rappresentato dalla generazione di polvere, dal rumore udibile e dalla necessità di un'ispezione periodica della lunghezza della spazzola e della pressione della molla. ILgrado di pennello(carbonio legato con resina-, elettrografite, metallo-grafite, rame-grafite) deve corrispondere alla densità di corrente e al materiale dell'anello.

Ideale per: potenza del motore di passo, eccitazione del generatore, messa a terra. Fare attenzione a: accumulo di polvere sugli anelli di segnalazione nelle vicinanze, deriva della pressione della molla, polvere di spazzole sull'ottica dell'encoder se montato vicino.

Contatti con spazzola in fibra (multi-filamento).

I design delle spazzole in fibra utilizzano fasci di fili d'oro fino o-lega d'oro che scorrono su un anello di-metallo prezioso. Con molti punti di contatto paralleli e una forza di contatto per filamento molto bassa, non generano quasi alcun detrito e hanno un rumore di contatto molto basso. Sono la scelta dominante per i canali di sensori e dati nei moderni collettori rotanti dei mozzi.

Ideale per: linee dati CAN/Profibus/Ethernet, segnali di sensori a lama, controllo a bassa-corrente. Fare attenzione a: corrente limitata per fascio di filamenti (tipicamente<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.

Contatti in monofilamento e filo metallico-nobile

I contatti monofilamento in metallo nobile-(singolo filo d'oro o in lega d'oro-su un anello di metallo-prezioso) si trovano tra le spazzole in fibra e le spazzole tradizionali. Sono comuni in compattoanello di contatto personalizzatoassemblaggi in cui lo spazio è limitato.

Ideale per: circuiti di segnali a bassa-corrente, gruppi ibridi. Attenzione a: usura della placcatura dopo conteggi di rotazione molto elevati e al fatto che "placcato in oro" non è automaticamente migliore. - L'oro sottile su un substrato morbido può usurarsi più velocemente di un pennello in grafite-argento adeguatamente specificato.

Disegni ibridi

In un tipico anello collettore del mozzo, lo stack inferiore trasporta la potenza del motore di passo su spazzole in carbonio o grafite di metallo-, lo stack intermedio trasporta il traffico del bus di campo-su spazzole in fibra e lo stack superiore gestisce linee di sensori a bassa-corrente su contatti dorati-su-contatti dorati. La messa a terra avviene su un proprio anello dedicato con spazzole ridondanti. Questa separazione è ciò che consente ad un singolo assieme di soddisfare contemporaneamente requisiti contraddittori (elevata corrente + basso rumore).
 

Specifiche ambientali: non fermarci al "grado industriale"

Il "grado industriale" non ti dice nulla di utile. I numeri seguenti sono quelli che contano sulla scheda tecnica di una turbina eolica.

• Protezione dall'ingresso.Gli interni dell'hub sono generalmente IP54; le gondole offshore e gli anelli di contatto con imbardata esposta richiedono solitamente IP65 o superiore. VedereInterpretazione del grado IPper ciò che le cifre effettivamente garantiscono.
• Temperatura operativa.Un valore predefinito ragionevole è compreso tra –40 gradi e +70 gradi per i siti onshore con clima settentrionale-, tra –20 gradi e +60 gradi per i siti temperati e controllo della condensazione-per quelli offshore. Le varianti a clima freddo- richiedono che il lubrificante venga verificato a bassa temperatura.
• Umidità.95% di umidità relativa senza -condensazione è il minimo tipico; per siti con condensa regolare potrebbe essere necessario il riscaldamento interno.
• Resistenza-alla nebbia salina.Le turbine offshore e costiere devono fare riferimento ai test in nebbia salina IEC 60068-2-52 o ISO 9227 su parti metalliche e connettori.
• Vibrazione.I profili sinusoidali e casuali 2-64 IEC 60068-2-6 sono punti di riferimento comuni; il fornitore dovrebbe fornire rapporti di prova, non dichiarazioni di marketing.
• Fulmini e ondate.Gli anelli collettori del passo si trovano su un percorso che può vedere le correnti di fulmine indirette. La resistenza alle sovratensioni dovrebbe essere concordata in anticipo.

ILProgramma di ricerca eolica del National Renewable Energy Laboratory degli Stati Unitipubblica utili dati sull'affidabilità sul campo-che dimostrano che gli impianti elettrici e di campo rimangono tra i sottosistemi con tasso di-guasto-più elevato nelle flotte operative - ed è per questo motivo che questi numeri ambientali dovrebbero essere nel contratto, non in un impegno verbale.

Vincoli meccanici e di integrazione

I progetti di retrofit falliscono più spesso in termini di adattamento meccanico che in termini di prestazioni elettriche. Prima di approvare un progetto, confermare:

• Diametro del foro e diametro esterno rispetto all'involucro disponibile nel mozzo o nella gondola
• Tolleranza dell'albero, eccentricità e tolleranza di concentricità
• Direzione di uscita del cavo (assiale o radiale) e tipo di connettore - molte turbine hanno un raggio di curvatura del cavo molto limitato
• Schema della flangia di montaggio e ancoraggio del braccio di reazione
• Peso e bilanciamento per gruppi rotanti
• Accesso al servizio - un tecnico può raggiungere la finestra della spazzola con la turbina in posizione di servizio?

In pratica, per molti progetti di ammodernamento e ripotenziamento, i vincoli meccanici decidono la progettazione prima di quelli elettrici. Questo è il momento in cui un assieme configurabile o completamente personalizzato è più sensato che forzare l'adattamento di una parte del catalogo.

Cosa inviare a un fornitore

Una richiesta di offerta pulita riduce il ciclo del preventivo da settimane a giorni. Il fornitore ha bisogno di tutto quanto segue per progettare o selezionare un collettore rotante:

Riepilogo: considerare la scelta del collettore rotante come una decisione sull'affidabilità

L'anello collettore giusto per una turbina eolica è quello che si adatta all'involucro elettrico della turbina, sopravvive al suo ambiente, si adatta allo spazio meccanico disponibile e supporta un piano di manutenzione realistico nell'arco di 20 anni. La maggior parte del costo derivante da un errore viene pagato non al momento dell'acquisto ma durante la prima visita non pianificata-alla torre.

Definire i requisiti elettrici, ambientali e meccanici prima di parlare con i fornitori. Richiedi rapporti di prova, non slogan. Tecnologie di contatto di potenza e di segnale separate laddove l'assemblaggio lo consente. E per i siti offshore o costieri, prendi la corrosione e la sigillatura più seriamente della scelta del materiale di contatto - il sale di solito vince le discussioni prima della spazzola.