Anelli collettori per turbine eoliche: tipi, guasti e selezione

I collettori rotanti delle turbine eoliche sono componenti piccoli ma-critici. Trasportano energia, segnali di controllo e dati attraverso le interfacce rotanti all'interno di una turbina - dal cuscinetto di imbardata in cima alla torre, al mozzo rotante che aziona le pale, a determinati modelli di generatori. Quando l'anello collettore è specificato correttamente, la turbina beccheggia, imbarda e comunica senza interruzioni. Quando è sottodimensionato, scarsamente sigillato o non adeguato all'architettura del campo, i sintomi si manifestano rapidamente: errori di comunicazione del campo, errori di feedback intermittenti, detriti di spazzole e tempi di inattività non pianificati.

Questa guida spiega i principali tipi dicollettori rotanti utilizzati nelle turbine eoliche, dove ciascuno si trova nella macchina, in che modo i sistemi di inclinazione elettrici e idraulici modificano i requisiti e quali specifiche un team di manutenzione o un ingegnere di progettazione dovrebbe raccogliere prima di ordinare un'unità sostitutiva standard o personalizzata.

Che cos'è un anello di contatto per una turbina eolica?

Un anello collettore è un connettore elettrico rotante. Trasferisce potenza, segnali di controllo o dati tra una struttura fissa e una rotante senza forzare la torsione dei cavi. In una turbina eolica, diversi gruppi ruotano durante il normale funzionamento: la gondola imbarda per seguire la direzione del vento, il mozzo gira continuamente con le pale e alcune topologie di generatori - in particolare i generatori a induzione alimentati doppiamente- (DFIG) ampiamente utilizzati nel vento su scala -di utilità - alimentano la corrente del rotore attraverso spazzole e anelli.

Il compito del collettore rotante è mantenere la continuità elettrica attraverso quella rotazione. In termini pratici, sostituisce un cavo che altrimenti si romperebbe nel giro di poche ore.

Perché gli anelli collettori sono importanti nelle turbine eoliche

Le turbine eoliche non funzionano in laboratori puliti. All'interno della navicella, l'anello collettore è esposto alle vibrazioni provenienti dalla trasmissione, alla condensa durante i cicli freddi-caldi, alla polvere sottile derivante dall'usura dei freni e all'ingresso di aria esterna e alla nebbia salina - offshore - che attacca il metallo non protetto. All'interno del mozzo, l'anello collettore del passo trasmette anche segnali critici per la sicurezza-: se il controller del passo della pala perde la comunicazione, la turbina deve reagire, spesso beccheggiando e fermandosi.

Questo è il motivo per cui un collettore usurato o con specifiche insufficienti raramente fallisce come un singolo evento drammatico. Il guasto avviene secondo uno schema: aumento della resistenza di contatto, errori occasionali del bus CAN, avvisi di beccheggio gradualmente più frequenti, quindi un guasto grave. Gli ingegneri dell'affidabilità si preoccupano dei collettori rotanti proprio perché la modalità di guasto è lenta, costosa da diagnosticare in remoto e costosa da manutenere su una torre di 90 metri o a 50 km al largo.

Principali tipi di collettori rotanti per turbine eoliche

Non tutte le turbine utilizzano tutti i tipi e le pressioni di progetto sono molto diverse in ogni luogo. I quattro gruppi seguenti coprono quasi tutte le applicazioni di collettori rotanti per turbine eoliche che incontrerai.

1. Anelli collettori di imbardata (principalmente turbine eoliche piccole e distribuite)

Nelle piccole turbine eoliche - residenziali, off-grid, telecomunicazioni-torri, agricole - il generatore si trova generalmente all'interno della testa rotante. L'intera testa gira per seguire il vento e l'energia prodotta deve viaggiare lungo una torre fissa fino al controller e al banco batterie. Un anello di imbardata si trova su quell'interfaccia e consente alla testa di ruotare liberamente mentre il percorso del cavo sottostante rimane fisso.

I vincoli dominanti qui non sono l’alta velocità; sono lo spazio, il tempo e il numero di cavi. L'anello spesso deve passare attraverso uno stretto albero verticale, sopravvivere ad anni di raggi UV e cicli di gelo-disgelo e instradare da 2 a 6 circuiti di alimentazione più linee di frenatura o sensori opzionali. Per le applicazioni di imbardata a bassa velocità, la classificazione della custodia e il pressacavo del cavo in genere contano più delle prestazioni alla velocità della spazzola, un fatto che spesso sfugge quando gli acquirenti si concentrano solo sul numero di circuiti.

La maggior parte delle turbine su scala-di utilità (classe-MW) lo fannononutilizzare un tradizionale anello collettore di imbardata. Gestiscono l'imbardata con anelli di cavo e un contatore di torsione del cavo-che attiva uno srotolamento automatico dopo un determinato numero di rotazioni. Quindi, quando qualcuno chiede "tutte le turbine eoliche utilizzano anelli collettori?" - la risposta onesta è no, non sull'asse di imbardata sulle grandi turbine.

2. Collettori con mozzo o controllo del passo (turbine di utilità-scala)

Questo è l'anello collettore che la maggior parte delle persone intende quando dice "anello collettore di turbine eoliche". Si trova tra il telaio stazionario della gondola e il mozzo rotante e trasporta energia e comunicazione per il sistema di inclinazione delle pale - il sistema che regola l'angolo di attacco di ciascuna pala per controllare la velocità del rotore e proteggere la turbina in caso di vento forte.

I collettori rotanti per il controllo del passo tipicamente trasferiscono:

• Alimentazione per motori di piazzola o batterie di riserva (sistemi di piazzola elettrici)
• CAN bus, Profibus o Ethernet per la comunicazione del controller del passo
• Feedback del sensore da estensimetri della radice della pala, encoder e sonde di temperatura
• Potenza di riscaldamento o di sbrinamento-nelle varianti a clima freddo-
• Percorsi di protezione contro i fulmini, a seconda del design OEM

Per i sistemi di passo, l'integrità del segnale e la compatibilità del protocollo sono generalmente più critici dell'adattamento meccanico grezzo. Un anello di passo che sembra dimensionalmente identico alla parte OEM ma che non gestisce correttamente la schermatura produrrà errori CAN intermittenti a cui i team di manutenzione inseguono per mesi. Mersen, uno dei fornitori affermati in questo segmento, descrive i suoi collettori rotanti come un sistema di trasferimento di potenza e comunicazione tra il mozzo rotante e il controller della turbina in alloggiamenti-classificati IP, resistenti ai contaminanti- - che forniscono una base ragionevole per come dovrebbe apparire un anello di passo industriale (vediAnelli collettori di controllo del passo Mersen).

3. Anelli collettori del generatore (design DFIG e-rotore avvolto)

Gli anelli collettori del generatore vivono in un ambiente molto più difficile rispetto agli anelli di imbardata o di beccheggio. In un generatore a induzione con alimentazione doppia-, l'anello collettore trasporta la corrente del rotore al regime massimo di funzionamento - tipicamente da 1.000 a 2.000 giri/min all'albero del generatore dopo il cambio. Ciò cambia completamente il problema di progettazione.

A quelle velocità, gli aspetti che non contano in un anello di imbardata iniziano a prevalere: materiale e qualità delle spazzole, curve di pressione di contatto, concentricità dell'anello, evacuazione della polvere delle spazzole e comportamento termico sotto carico continuo. L'usura delle spazzole non è più una nota a piè di pagina relativa alla manutenzione; è il fattore limitante sugli intervalli di manutenzione.Usura delle spazzole, contaminazione da contatto e misure correttivesono ben-documentati nel settore e la maggior parte dei collettori rotanti dei generatori sono progettati in base alla sostituzione programmata delle spazzole anziché al funzionamento sigillato-per-vita.

Per le applicazioni sui generatori, il materiale dei contatti e il comportamento termico devono essere esaminati prima dell'adattamento meccanico - l'opposto dell'istinto di acquisto che inizia con il diametro del foro.

4. Gruppi collettori ibridi/raccordi rotanti (turbine a passo idraulico)

Alcuni OEM di turbine utilizzano attuatori di passo idraulici anziché elettrici. In queste macchine deve passare l'interfaccia del mozzo rotanteEntrambiolio idraulico (per i cilindri di passo) e segnali elettrici (per controllo e feedback). Il componente che fa questo è un raccordo ibrido collettore rotante-anello, a volte chiamato raccordo elettro-idraulico.

Questi non sono intercambiabili con gli anelli di passo solo elettrici-. Devono sigillare l'olio pressurizzato durante la rotazione, isolare elettricamente i canali del segnale dal percorso del fluido e sopravvivere ai cicli termici senza perdite.Gruppi di collettori rotanti ibridisono generalmente progettati per un modello di turbina specifico anziché venduti immediatamente. Moog pubblica materiale di riferimento dettagliato sulle soluzioni rotanti elettriche-idrauliche combinate per il settore eolico, che vale la pena leggere se si specifica una sostituzione ibrida (vedereSoluzioni rotanti Moog per l'energia eolica).
 

Tabella comparativa degli anelli collettori delle turbine eoliche

Le specifiche reali variano in base all'OEM, alla classe di dimensioni della turbina e alle condizioni del sito. Una turbina onshore da 1,5 MW e una piattaforma offshore da 12 MW possono utilizzare collettori rotanti che sembrano superficialmente simili ma non hanno nulla in comune in termini di materiale delle spazzole, tenuta e terminazione del cablaggio.

Passo elettrico vs. passo idraulico: come cambia l'anello collettore

L'architettura del sistema di passo è il fattore più importante nella scelta dei collettori rotanti del passo. Molte sostituzioni fallite avvengono perché qualcuno ha abbinato la parte in base alle dimensioni e al numero di circuiti senza verificare il tipo di attuatore di passo utilizzato dal mozzo.

Sistemi di piazzola elettrica

Le turbine a passo elettrico hanno un motore elettrico, un azionamento e una batteria di riserva su ciascuna pala. L'anello collettore del passo deve trasportare l'alimentazione del motore del passo (spesso 400–690 V CA o bus CC), la comunicazione di controllo e il feedback. I rischi principali in questo caso sono l'accoppiamento EMC tra le linee di alimentazione del motore e i segnali CAN/Ethernet e l'aumento termico nei canali di alimentazione in caso di beccheggio continuo durante le raffiche di tempo. La corretta separazione dei percorsi di alimentazione e segnale all'interno del collettore rotante è più importante del conteggio totale dei circuiti.

Sistemi di beccheggio idraulico

Le turbine a passo idraulico convogliano la potenza idraulica attraverso un giunto rotante e utilizzano l'anello collettore principalmente per segnali di controllo, feedback del sensore ed encoder della posizione del passo. I percorsi idraulici ed elettrici possono essere in due componenti separati o in un'unità ibrida combinata. La questione dell'integrazione - combinata vs. separata - viene solitamente decisa dall'OEM della turbina e non è una scelta sul campo.

La regola pratica: selezionare prima l'architettura del campo, poi controllare le dimensioni, quindi controllare il conteggio dei circuiti. Andando nell'ordine opposto è il modo in cui i team finiscono con una parte perfettamente adattata che non può comunicare.
 

Come specificare un collettore rotante per una turbina eolica

Un collettore rotante per turbina eolica deve soddisfare contemporaneamente requisiti elettrici, meccanici, ambientali e di manutenzione. Il processo di selezione riportato di seguito funziona sia per le sostituzioni standard che per i progetti personalizzati.

Carico elettrico e conteggio dei circuiti

La selezione dovrebbe iniziare con l'elenco dei circuiti: quanti circuiti di alimentazione, a quale tensione e corrente, oltre a quanti circuiti di segnale e dati. Un piccolo anello di imbardata può richiedere solo 3 circuiti di alimentazione a 250 V CA. Un moderno anello di passo su scala -di utilità può richiedere da 12 a 60+ circuiti con una combinazione di potenza del motore di passo, controllo a 24 V, ausiliario a 230 V, bus CAN ed Ethernet - tutto in un unico gruppo. I circuiti di alimentazione e segnale dovrebbero essere fisicamente separati all'interno dello stack ad anello per limitare la diafonia.

Tipo di segnale e protocollo

Le moderne turbine eoliche eseguono diversi protocolli digitali sullo stesso collettore rotante. I controller del passo utilizzano tipicamente il bus CAN o il Profibus; il monitoraggio delle condizioni utilizza sempre più Ethernet. Per segnali ad alta-larghezza di banda, il contatto con spazzola-e-anello da solo potrebbe non essere sufficiente - aAnello collettore Gigabit Ethernetutilizza impedenza controllata e coppie di contatti schermati per mantenere l'integrità del segnale a 1 Gbps. Specificare il protocollo, la velocità dei dati e se è necessaria la schermatura prima che il fornitore finalizzi lo stack di contatti.

Velocità, materiale di contatto e usura

Il movimento di imbardata è intermittente e lento - a volte solo di pochi gradi al minuto. Il movimento del tono è più frequente ma comunque moderato. La rotazione laterale del generatore- è continua e veloce. Quanto più veloce e continua è la rotazione, tanto più il materiale della spazzola, la pressione di contatto e la finitura della superficie dell'anello dominano il design. Le spazzole in grafite argento-sono comuni per le applicazioni-mediamente correnti; i contatti oro-su-oro vengono utilizzati per segnali di basso-livello in cui il rumore della resistenza di contatto deve rimanere al di sotto di pochi milliohm.

Protezione dell'ambiente

Confermare onestamente l'ambiente operativo. Un collettore rotante all'interno di una gondola sigillata di una turbina onshore in un clima temperato è una specifica diversa da quella all'interno del mozzo di una turbina offshore esposta a nebbia salina, condensa e avviamento a freddo di -30 gradi. GuardareSelezione del grado IPrispetto al caso peggiore realistico, non al caso medio. Per l'uso offshore, gli alloggiamenti-protetti dalla corrosione e i PCB con rivestimento-conforme sono generalmente obbligatori anziché facoltativi.

Busta e cablaggio di montaggio

Per i lavori di sostituzione, l'anello collettore deve essere imbullonato nella flangia esistente, accettare le terminazioni del cablaggio esistente e liberare la struttura esistente. I disegni OEM, le fotografie dell'unità guasta e lo schema elettrico originale fanno risparmiare settimane di avanti-e-con il fornitore.

Accesso per manutenzione

Le finestre di ispezione delle spazzole, i tappi di scarico e i connettori dei sensori sono tutti più importanti su una turbina su cui devi salire per riparare. Il costo di manutenzione e manutenzione offshore per visita è sufficientemente elevato da far sì che i progetti che consentono la sostituzione delle spazzole senza rimuovere l'intero gruppo collettore si ripaghino al primo intervento.

Quali sono le cause del guasto dell'anello collettore della turbina eolica?

La maggior parte dei guasti agli anelli collettori delle turbine eoliche rientrano in quattro categorie. Riconoscere precocemente lo schema è ciò che distingue un cambio di spazzola pianificato da una scalata della torre non pianificata.

Usura delle spazzole e accumulo di detriti.Normale in qualsiasi collettore rotante basato su-contatto. Diventa un fallo quando i detriti colmano gli anelli adiacenti o interrompono i contatti del segnale di fallo. Sintomi: aumento della resistenza di contatto, errori CAN intermittenti, polvere nera visibile attorno alla pila di anelli.

Ingresso di umidità e corrosione.Comune nelle turbine offshore e nelle gondole dove il riscaldamento viene a mancare durante gli arresti invernali. Sintomi: ossidazione verde sugli anelli di rame, guasti a terra, improvvisi cali della resistenza di isolamento.

Disallineamento-indotto dalle vibrazioni.La risonanza della trasmissione e l'oscillazione della torre allentano gradualmente i bulloni di montaggio e spostano l'allineamento dei cuscinetti. Sintomi: usura irregolare delle spazzole, un anello che si rompe ripetutamente mentre gli altri rimangono puliti.

EMC e guasti a terra.Gli errori di comunicazione del passo spesso non sono riconducibili ai contatti del collettore rotante in sé, ma alla terminazione della schermatura, alla strategia di messa a terra o alla vicinanza dei cavi del motore del passo ai cavi di segnale all'interno del cablaggio rotante.

Sostituzione standard e anello collettore personalizzato

Per la maggior parte dei parchi eolici, una sostituzione equivalente OEM-standard è la strada giusta. Il modello della turbina è noto, la cronologia dei componenti è documentata, il ricambio è sullo scaffale e un team di manutenzione può sostituirlo in una finestra di servizio pianificata.

A anello di contatto personalizzato per turbina eolicaè la strada giusta quando:

• La parte originale è obsoleta e l'OEM non la supporta più
• Il sistema di inclinazione è stato adattato (ad esempio, sensori di carico della lama aggiunti, monitoraggio delle condizioni aggiornato)
• I ripetuti fallimenti del progetto OEM suggeriscono che fosse sottodimensionato per le condizioni effettive del sito
• È necessario consolidare un collettore rotante elettrico e un giunto rotante separato in un unico gruppo ibrido
• Hai bisogno di un grado di protezione IP più elevato, di una migliore protezione dalla corrosione o di una qualificazione per le basse-temperature per un sito offshore o con clima-freddo

In ogni caso, il fornitore ha bisogno delle stesse informazioni in anticipo: modello e seriale della turbina, disegno o foto originali del collettore rotante, elenco completo dei circuiti con tensioni e correnti, protocolli di comunicazione, numero di giri, interfaccia di montaggio, condizioni ambientali e - se disponibile - cronologia dei guasti dell'unità da sostituire. Inviarlo una volta all'inizio in genere consente di risparmiare due o tre cicli di chiarimenti.

Domande frequenti: collettori rotanti per turbine eoliche

Tutte le turbine eoliche utilizzano anelli collettori?

No. Le piccole turbine eoliche spesso utilizzano un anello collettore di imbardata perché il generatore si trova nella testa rotante. La maggior parte delle turbine su scala -di utilità utilizzano un anello collettore di beccheggio/mozzo per il mozzo rotante, ma gestiscono l'imbardata con anelli di cavo e una sequenza automatica di srotolamento del cavo- anziché con un anello di imbardata. Le turbine basate su DFIG-sono inoltre dotate di anelli collettori del generatore; le turbine a magneti permanenti-a trasmissione diretta no.

Cosa fa un anello collettore in una turbina eolica?

Trasferisce energia elettrica, segnali di controllo o dati attraverso un'interfaccia rotante - il più delle volte tra la gondola stazionaria e il mozzo rotante per il controllo del passo o nel generatore per la corrente del rotore - senza torcere i cavi.

Qual è la differenza tra un collettore rotante e un giunto rotante in una turbina eolica?

Un anello collettore trasferisce l'energia elettrica e i segnali attraverso la rotazione. Un giunto rotante trasferisce i fluidi - tipicamente olio idraulico per gli attuatori del passo - attraverso la rotazione. Le turbine idrauliche-a passo spesso utilizzano un gruppo ibrido che combina entrambi in un'unica unità.

Quali sono le cause del guasto dell'anello collettore della turbina eolica?

Le cause più comuni sono l'usura delle spazzole e l'accumulo di detriti, l'ingresso di umidità o nebbia salina, il disallineamento-indotto dalle vibrazioni e problemi di compatibilità elettromagnetica o di messa a terra che interrompono la comunicazione del campo.

Quanto durano gli anelli collettori delle turbine eoliche?

La durata dipende dal profilo di rotazione, dal materiale della spazzola e dall'ambiente. I collettori rotanti del passo nelle turbine onshore spesso durano 5-10 anni tra i principali servizi di spazzolatura. I collettori rotanti del generatore nelle macchine DFIG hanno in genere intervalli di sostituzione delle spazzole più brevi, spesso pianificati insieme alla manutenzione programmata del cambio o del generatore. La documentazione del produttore e la cronologia degli interventi presso il sito specifico sono più affidabili di qualsiasi singolo numero.

È possibile sostituire un collettore rotante con passo con un collettore rotante standard?

Solo se l'unità standard corrisponde all'architettura del sistema di passo, alle specifiche elettriche, ai protocolli di comunicazione, al grado di protezione IP e all'interfaccia di montaggio dell'originale. Una parte che si adatta meccanicamente ma che non gestisce correttamente la schermatura del segnale causerà guasti intermittenti difficili da diagnosticare. In caso di dubbi, specificare un collettore rotante con passo personalizzato progettato per il modello di turbina.

È possibile personalizzare gli anelli collettori delle turbine eoliche?

SÌ. La personalizzazione è comune per le sostituzioni OEM obsolete, i sistemi di inclinazione adattati, le varianti offshore e per i climi freddi-e i gruppi elettroidraulici-ibridi. Il fornitore necessita di un pacchetto di specifiche completo - disegni, elenco dei circuiti, condizioni ambientali e cronologia dei guasti - per produrre un progetto utile.

Riepilogo

I collettori rotanti delle turbine eoliche trasportano energia, comunicazione e - in alcuni progetti - mezzi idraulici attraverso le interfacce rotanti della macchina. L'anello collettore giusto non è quello adatto al foro; è quello che corrisponde all'architettura del passo, al carico elettrico, ai protocolli di segnale, all'ambiente e al piano di manutenzione della specifica turbina. Per i lavori di sostituzione, documentare accuratamente l'unità originale prima di ordinarla. Per il lavoro personalizzato, condividi il modello di errore e le specifiche - spesso è la cronologia degli errori che indica cosa deve cambiare nel nuovo progetto.