حلقات الانزلاق لتوربينات الرياح: دليل الاختيار والفشل

تعتبر حلقات الانزلاق لتوربينات الرياح صغيرة الحجم مقارنة بالشفرات أو علب التروس، إلا أن اتصالًا سيئًا واحدًا يمكن أن يوقف ماكينة متعددة{0}}ميجاوات. وتتمثل مهمتهم في نقل الطاقة وإشارات التحكم والبيانات عبر الواجهات الدوارة داخل المحور والمولد وأحيانًا مجموعة الانعراج. عندما يصبح هذا النقل غير مستقر، تظهر العواقب عادةً كأخطاء في درجة الصوت، أو بيانات مستشعر متقطعة، أو-زيارات خدمة البرج غير المجدولة - وفي المواقع الخارجية، يمكن أن تكلف رحلة بديلة واحدة أكثر من تكلفة حلقة الانزلاق نفسها.

تم إعداد هذا الدليل للمهندسين ومديري الأصول وفرق المشتريات الذين يحتاجون إلى الاختيارحلقات الانزلاق لتوربينات الرياحللبنيات الجديدة أو التعديلات التحديثية أو الاستبدالات. ويغطي مكان وجود حلقات الانزلاق في التوربين، وكيفية فشلها، وما الذي يجب تحديده، وكيفية مقارنة تقنيات الاتصال دون الوقوع في مصائد الاختيار الشائعة.

ما الذي تفعله حلقات الانزلاق لتوربينات الرياح

الحلقة المنزلقة عبارة عن واجهة كهروميكانيكية تسمح للدوائر الكهربائية ودوائر الإشارة بالعبور من إطار ثابت إلى إطار دوار. داخل التوربينات العامة-الحديثة، عادةً ما تجد حلقات انزلاقية تحمل ثلاثة أنواع من حركة المرور في وقت واحد:

• قوة المحرك الملعب لتعديل زاوية الشفرة
• إشارات التحكم والتغذية الراجعة بين نظام الملعب ووحدة التحكم الرئيسية
• بيانات الاستشعار مثل سلالة الشفرة ودرجة الحرارة والاهتزاز والكشف عن الجليد

يعد التحكم في درجة الصوت القناة الأكثر أهمية للسلامة-من بين القنوات الثلاثة.سلسلة IEC 61400تتطلب معايير توربينات الرياح أن تظل أنظمة الميل قادرة على ريش الشفرات حتى في ظل ظروف الأعطال، مما يعني أن حلقة الانزلاق يجب أن تستمر في العمل من خلال الاهتزاز وتقلبات درجات الحرارة والتكثيف وملايين الدورات عبر عمر تصميم يبلغ 20 عامًا. وبالتالي، يمكن للمكون الذي تبلغ قيمته 200 يورو والموجود في المحور أن يقرر ما إذا كانت توربينة بقدرة 5 ميجاوات تنتج أم أنها ستظل في وضع الخمول في انتظار الرافعة.

حيث تجلس حلقات الانزلاق في توربينات الرياح

يختلف منطق الاختيار لكل موقع. خلطها - على سبيل المثال، تحديد تصميم محوري عام لدائرة إثارة المولد - هو أحد الأخطاء الأكثر تكلفة في هذه الفئة.

حلقات الانزلاق المحورية (نظام الملعب)

يتم تثبيت حلقات انزلاق المحور على العمود الرئيسي وتدور مع الدوار. إنها تحمل قوة محرك درجة الصوت (غالبًا 400-690 فولت تيار متردد أو الفولتية الناقلة للتيار المستمر)، وإشارات التحكم في درجة الصوت (CANopen، أو Profibus، أو بروتوكولات الملكية)، وعدد متزايد من قنوات مستشعر الشفرة. عادةً ما تكون حلقات الانزلاق المحورية ذات تصميمات كبيرة-لأن عمود الدوار يمر من خلالها، ويجب أن تتحمل أطياف الاهتزاز الأكثر صرامة من معظم معدات المصانع.

حلقات انزلاق المولدات (آلات DFIG)

تستخدم مولدات الحث ذات التغذية المزدوجة (DFIGs)، والتي لا تزال شائعة في الأساطيل البرية، حلقات الانزلاق الموجودة على الدوار لتغذية تيار الإثارة المتناوب إلى ملفات الدوار. تشهد هذه التيارات العالية (عادة عدة مئات من الأمبيرات)، وسرعات دوران أعلى، وتوليد كبير لغبار الكربون. درجة الفرشاة، تشطيب السطح الحلقي، ضغط الزنبرك، وتهوية الكنة كلها تؤثر بشكل مباشر على عمر الخدمة. التوربينات المغناطيسية-المحرك المباشر الدائم-لا تحتاج إلى حلقة الانزلاق هذه على الإطلاق - وهو أحد الأسباب التي جعلت المنصات البحرية تتحرك نحو المحرك المباشر-.

حلقات ياو زلة

تستخدم معظم التوربينات الكبيرة حلقة كبل وروتين غير ملتوي بدلاً من حلقة انزلاقية ياو، لكن التوربينات الأصغر حجمًا (عادة أقل من 500 كيلو واط تقريبًا) تستخدم أحيانًا حلقة انزلاقية ياو في أعلى البرج للسماح بالدوران المستمر. تواجه هذه سرعات أقل ولكنها تتعرض لمزيد من التعرض البيئي ومساحة تركيب ضيقة.
 

المحور مقابل المولد مقابل ياو

القيم المذكورة أعلاه هي نطاقات شائعة من أوراق بيانات الشركة المصنعة وأدلة خدمة OEM؛ يجب أن تأتي الأرقام الفعلية لجهازك دائمًا من وثائق التوربين وتقارير اختبار مورد حلقة الانزلاق.

كيف تفشل حلقات الانزلاق لتوربينات الرياح فعليًا

"فشل حلقة الانزلاق" هي فئة غامضة. في الميدان، ترجع المشكلات دائمًا تقريبًا إلى إحدى الآليات الموضحة أدناه - وتشير كل واحدة إلى تصميم مختلف أو إصلاح للصيانة.

• تآكل الفرشاة وتراكم الغبار.تعمل فرش الجرافيت الكربونية والمعدنية- على توليد غبار موصل أثناء تآكلها. بدون تهوية، يتراكم الغبار على مجموعة الحلقات ويخلق مسارات تسرب بين الحلقات المتجاورة، والتي تظهر كمقاومة عزل تنخفض إلى أقل من 100 ميجا أوم أو كرحلات خطأ أرضية مزعجة.أنماط ارتداء الفرشاةعادة ما تكون الأعراض الأولى التي يراها فني الفحص.
• ارتفاع مقاومة الاتصال.تؤدي الأكسدة أو التلوث أو فقدان ضغط الزنبرك إلى زيادة مقاومة التلامس من ملي أوم إلى نطاق أوم. في دائرة الطاقة المائلة، يؤدي هذا إلى انخفاض الجهد والتسخين؛ على خط مستشعر تيار منخفض-يؤدي إلى رفع مستوى الضوضاء ويمكن أن يفسد برقيات CAN.
• التكثيف والتآكل.المحاور هي بيئات رطبة - آلات دافئة، فولاذ بارد، هواء محيط. ويحدث الحفر على الأسطح الحلقية بسرعة، خاصة في المواقع الساحلية والبحرية حيث يوجد الهباء الجوي الملحي. للمنصات البحرية، مخصصةتدابير الموثوقية البحريةعادة ما تكون مكتوبة في المواصفات.
• يسبب الاهتزاز-تآكل الكابلات والموصلات.قد تكون حلقة الانزلاق نفسها جيدة، لكن الكابلات الضفيرة أو تخفيف الضغط أو الموصلات تتعب عند نقطة الدخول. يعد هذا أكثر شيوعًا من فشل التتبع الدائري-في الأساطيل الأحدث.
• تدهور مواد التشحيم.تستخدم بعض التصميمات مادة تشحيم ملامسة أو مثبط الأكسدة. مع مرور الوقت، فإنه يتبلمر أو يجف، خاصة فوق درجات حرارة الكنة التي تزيد عن 60 درجة، ويتغير سلوك الاتصال.
• انهيار العزل.يمكن أن يؤدي التتبع عبر العوازل الملوثة إلى حدوث وميض كهربائي، خاصة في الناقلات ذات الجهد العالي-. وهذا فشل فادح، وليس منحنى التدهور.

تكون معظم هذه الآليات تدريجية، ويمكن اكتشاف معظمها أثناء الفحص المجدول - ولكن فقط إذا كان إجراء الفحص يقيس بالفعل مقاومة التلامس ومقاومة العزل وطول الفرشاة، بدلاً من مجرد "النظر داخل المحور".
 

تحديد المتطلبات الكهربائية

قبل الاتصال بالموردين، اكتب المغلف الكهربائي على الورق. سيطلب الموردون ذلك على أي حال، ويكون طلب-عرض الأسعار (RFQ)- أسرع عندما يتم تحديد الإجابات مسبقًا.

• التيار لكل دائرة، سواء المستمر أو الذروة (يمكن أن يكون تيار توقف محرك الملعب 3-6 × اسميًا).
• فئة الجهدوهل الدائرة هي AC أو DC. بالنسبة للأنظمة 690 فولت، تأكد من تطبيق الفئة IEC 60664 للجهد الزائد III أو IV.
• عدد دوائر الطاقةعكسعدد دوائر الإشارة/البيانات، تبقى منفصلة.
• بروتوكولات الإشارة- CANopen أو Profibus DP أو EtherCAT أو Profinet أو Ethernet 100/1000 Mbit أو خطوط الاستشعار التناظرية. كل بروتوكول له قدرة مختلفة على تحمل الضوضاء.
• ميزانية الضوضاء الكهربائيةلقنوات الاستشعار. تحتاج أجهزة تشفير طبقة الصوت ومقاييس إجهاد سن التحميل-عادةً إلى نظافة مستوى الميليفولت-؛التحكم في الضوضاء الاتصالفي حلقة الانزلاق جزء من تلبية تلك الميزانية.
• متطلبات العزل والعزل الكهربائي- عادة أكبر من أو يساوي 1000 ميجا أوم عند 500 فولت تيار مباشر لدوائر الطاقة، بالإضافة إلى اختبار تحمل تردد الطاقة-.
• التأريض. تشتمل العديد من التصميمات على حلقة أو فرشاة تأريض منفصلة؛ بالنسبة للمواقع المعرضة للصواعق-فهذا غير-قابل للتفاوض.

اختيار تكنولوجيا الاتصال

لا توجد تقنية اتصال واحدة هي الأفضل لكل تطبيق لتوربينات الرياح. الإجابة الصحيحة هي عادةً هجين يستخدم تقنيات مختلفة لأقسام الطاقة والإشارة في نفس التجميع.

فرش الكربون والمعادن-الجرافيت

تعد فرش الجرافيت الكربونية والفضية- بمثابة الركيزة الأساسية لتطبيقات التيار العالي - وحلقات إثارة المولدات - وناقلات طاقة الملعب. فهي تتحمل التيارات العالية، وتتقبل بعض التلوث، كما أن استبدالها غير مكلف. والحل -هو توليد الغبار، والضوضاء المسموعة، والحاجة إلى الفحص الدوري لطول الفرشاة وضغط الزنبرك. الدرجة الفرشاة(الراتنج-الكربون المرتبط، الإلكتروجرافيت، المعدن-الجرافيت، النحاس-الجرافيت) يجب أن تتطابق مع كثافة التيار والمادة الحلقية.

الأنسب لـ: قوة المحرك، وإثارة المولد، والتأريض. راقب: تراكم الغبار على حلقات الإشارة القريبة، وانحراف ضغط الزنبرك، وغبار الفرشاة على بصريات التشفير إذا تم تركيبه بالقرب.

اتصالات فرشاة الألياف (متعددة الشعيرات).

تستخدم تصميمات فرشاة الألياف حزمًا من أسلاك من الذهب الخالص أو سبائك الذهب-المثبتة على حلقة معدنية ثمينة-. مع العديد من نقاط الاتصال المتوازية وقوة الاتصال المنخفضة جدًا لكل خيط، فإنها لا تنتج أي بقايا تقريبًا ولها ضوضاء اتصال منخفضة جدًا. إنها الخيار السائد لأجهزة الاستشعار وقنوات البيانات في حلقات الانزلاق المحورية الحديثة.

الأنسب لـ: خطوط بيانات CAN/Profibus/Ethernet، وإشارات مستشعر الشفرة، والتحكم في التيار المنخفض-. انتبه إلى: تيار محدود لكل حزمة خيوط (عادة<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.

شعيرات أحادية و-اتصالات سلكية معدنية رفيعة

توجد وصلات معدنية أحادية الخيط-معدنية نبيلة (سلك من سبيكة ذهبية أو ذهبية واحدة-على حلقة معدنية ثمينة-) بين فرش الألياف والفرش التقليدية. فهي شائعة في الاتفاقحلقة زلة مخصصةالتجمعات حيث المساحة ضيقة.

الأنسب لـ: دوائر الإشارة ذات التيار المنخفض-والمجموعات المختلطة. انتبه إلى: تآكل الطلاء بعد عدد مرات دوران عالية جدًا، وحقيقة أن "المطلي بالذهب-" ليس أفضل تلقائيًا - من الذهب الرقيق على ركيزة ناعمة يمكن أن يتآكل بشكل أسرع من فرشاة الجرافيت الفضية- المحددة بشكل صحيح.

التصاميم الهجينة

في حلقة انزلاق المحور النموذجية، تحمل المجموعة السفلية قوة المحرك على فرش الكربون أو المعدن-الجرافيت، وتحمل المجموعة الوسطى حركة مرور المجال-على فرش الألياف، وتتعامل المجموعة العلوية مع خطوط الاستشعار المنخفضة-التيار على الذهب-على-الملامسات الذهبية. يتم التأريض على حلقة مخصصة خاصة به مع فرش زائدة عن الحاجة. هذا الفصل هو ما يتيح لمجموعة واحدة تلبية المتطلبات المتناقضة (التيار العالي + الضوضاء المنخفضة) في نفس الوقت.
 

المواصفات البيئية: لا تتوقف عند "الدرجة الصناعية"

"الدرجة الصناعية" لا تخبرك بأي شيء مفيد. الأرقام أدناه هي تلك التي تهم في ورقة مواصفات توربينات الرياح.

• حماية الدخول.عادةً ما تكون التصميمات الداخلية للمحور IP54؛ عادةً ما تحتاج الكرات البحرية وحلقات الانعراج المكشوفة إلى IP65 أو أعلى. يرىتفسير تصنيف IPلما تضمنه الأرقام فعلا.
• درجة حرارة التشغيل.الإعداد الافتراضي المعقول هو -40 درجة إلى +70 درجة للمواقع المناخية الشمالية البرية-، -20 درجة إلى +60 درجة للمواقع المعتدلة، والتحكم في التكثيف- للمواقع البحرية. تحتاج متغيرات المناخ البارد- إلى مواد تشحيم يتم التحقق منها عند درجة حرارة منخفضة.
• رطوبة.95% رطوبة نسبية غير-تكاثف هو الحد الأدنى النموذجي؛ بالنسبة للمواقع ذات التكثيف المنتظم، قد تكون هناك حاجة للتدفئة الداخلية.
• مقاومة الملح-للضباب.يجب أن تشير التوربينات البحرية والساحلية إلى اختبار رش الملح IEC 60068-2-52 أو ISO 9227 على الأجزاء المعدنية والموصلات.
• اهتزاز.تعد الملامح الجيبية IEC 60068-2-6 والملامح العشوائية 2-64 بمثابة نقاط مرجعية شائعة؛ يجب على المورد تقديم تقارير الاختبار، وليس المطالبات التسويقية.
• البرق والطفرة.تقع حلقات الانزلاق على مسار يمكنه رؤية تيارات البرق غير المباشرة. وينبغي الاتفاق على الصمود في وجه الارتفاع مقدما.

البرنامج أبحاث الرياح التابع للمختبر الوطني الأمريكي للطاقة المتجددةتنشر بيانات موثوقية ميدانية مفيدة- توضح أن أنظمة الترددات والأنظمة الكهربائية تظل من بين الأنظمة الفرعية ذات معدل -الفشل- الأعلى في تشغيل الأساطيل - ولهذا السبب يجب أن تكون هذه الأرقام البيئية في العقد، وليس في التزام شفهي.

القيود الميكانيكية والتكامل

تفشل مشاريع التعديل التحديثي في ​​الملاءمة الميكانيكية أكثر من الأداء الكهربائي. قبل الموافقة على التصميم، تأكد من:

• قطر التجويف والقطر الخارجي مقابل الغلاف المتوفر في المحور أو الكنة
• التسامح رمح، الجريان، وبدل التركيز
• اتجاه خروج الكابل (محوري مقابل شعاعي) ونوع الموصل - العديد من التوربينات لها نصف قطر انحناء كابل محدود للغاية
• نمط شفة التركيب وتثبيت ذراع عزم الدوران
• الوزن والتوازن للجمعيات الدوارة
• الوصول إلى الخدمة - هل يستطيع الفني الوصول إلى نافذة الفرشاة والتوربين في وضع الخدمة؟

من الناحية العملية، بالنسبة للعديد من مشاريع التحديث وإعادة الطاقة، تحدد القيود الميكانيكية التصميم قبل أن تفعل المشاريع الكهربائية. وذلك عندما يكون التجميع القابل للتكوين أو المخصص بالكامل أكثر منطقية من إجبار جزء الكتالوج على الملاءمة.

ما الذي يجب إرساله للمورد

يؤدي طلب عرض الأسعار النظيف إلى تقصير دورة عرض الأسعار من أسابيع إلى أيام. يحتاج المورد إلى كل ما يلي لتصميم أو تحديد حلقة الانزلاق:

ملخص: تعامل مع اختيار الحلقة المنزلقة كقرار موثوقية

إن الحلقة الانزلاقية المناسبة لتوربينات الرياح هي تلك التي تتوافق مع الغلاف الكهربائي للتوربين، وتحافظ على بيئتها، وتتناسب مع المساحة الميكانيكية المتاحة، وتدعم خطة صيانة واقعية على مدار 20 عامًا. لا يتم دفع معظم تكلفة حدوث هذا الخطأ عند الشراء ولكن أثناء أول زيارة غير مخطط لها للبرج-.

تحديد المتطلبات الكهربائية والبيئية والميكانيكية قبل التحدث إلى الموردين. اطلب تقارير الاختبار، وليس الشعارات. تقنيات اتصال الطاقة والإشارة المنفصلة أينما يسمح التجميع بذلك. وبالنسبة للمواقع البحرية أو الساحلية، خذ التآكل والختم على محمل الجد أكثر من اختيار مادة التلامس - عادةً ما يفوز الملح بالحجج قبل أن تفعل الفرشاة.