風力タービンのスリップ リング: 選択と故障ガイド

風力タービンのスリップ リングはブレードやギアボックスに比べて小さいですが、接触不良が 1 つあるだけで数メガワットの機械が停止する可能性があります。{0}}彼らの仕事は、ハブ、発電機、そして場合によってはヨー アセンブリ内の回転インターフェイス間で電力、制御信号、データを転送することです。転送が不安定になると、その影響は通常、ピッチ障害、断続的なセンサー データ、または予定外のタワー サービス訪問-として現れます-。オフショア サイトでは、1 回の交換出張にスリップ リング自体よりも費用がかかる場合があります。

このガイドは、選択する必要があるエンジニア、資産管理者、調達チームを対象に書かれています。風力タービンのスリップリング新規構築、改造、または交換用。タービン内のスリップ リングの位置、スリップ リングがどのように故障するか、何を指定するか、一般的な選択の罠に陥ることなく接触技術を比較する方法について説明します。

風力タービンのスリップ リングの役割

スリップ リングは、電気回路と信号回路を固定フレームから回転フレームに通過させる電気機械インターフェイスです。最新の実用規模のタービン内では、通常、次の 3 種類のトラフィックを同時に伝送するスリップ リングが使用されています。

• 刃角度調整用ピッチモーター動力
• ピッチシステムとメインコントローラー間の制御信号とフィードバック信号
• ブレードのひずみ、温度、振動、氷の検出などのセンサーデータ

ピッチ制御は、3 つのチャネルの中で最も安全性が重要なチャネルです。{0}IEC 61400シリーズ風力タービンの規格では、ピッチ システムが故障状況下でもブレードをフェザリングできる機能を維持することが求められています。これは、スリップ リングが振動、温度変動、結露、および 20 年の設計寿命にわたって数百万回転しても機能し続けなければならないことを意味します。したがって、ハブに設置されている 200 ユーロのコンポーネントによって、5 MW タービンが発電するか、それともクレーンを待ってアイドル状態にあるのかが決まります。

風力タービンのスリップ リングが設置される場所

選択ロジックは場所ごとに異なります。たとえば、- を混同し、発電機の励磁回路 - に汎用ハブ設計を指定することは、このカテゴリで最もコストがかかる間違いの 1 つです。

ハブスリップリング（ピッチ系）

ハブスリップリングはメインシャフトに取り付けられ、ローターとともに回転します。ピッチ モーター電源 (多くの場合 400 ～ 690 V AC または DC バス電圧)、ピッチ制御信号 (CANopen、Profibus、または独自のプロトコル) を伝送し、ブレード センサー チャネルの数も増加しています。ハブ スリップ リングは通常、ローター シャフトが通過するため大口径設計になっており、ほとんどの工場設備よりも厳しい振動スペクトルに耐える必要があります。-

発電機スリップ リング (DFIG マシン)

-陸上の艦隊では依然として一般的な二重給電誘導発電機（DFIG）は、ローターのスリップ リングを使用してローター巻線に交流励磁電流を供給します。これらでは、高電流 (通常は数百アンペア)、より高い回転速度、および顕著な炭素粉塵の発生が見られます。ブラシのグレード、リングの表面仕上げ、スプリングの圧力、ナセルの換気はすべて耐用年数に直接影響します。ダイレクト-永久磁石-タービンにはこのスリップ リングはまったく必要ありません。-これが海洋プラットフォームがダイレクト-に移行した理由の 1 つです。

ヨースリップリング

ほとんどの大型タービンは、ヨー スリップ リングの代わりにケーブル ループとねじれ戻しルーチンを使用しますが、小型のタービン (通常、約 500 kW 未満) では、継続的な回転を可能にするために塔頂部でヨー スリップ リングを使用することがあります。これらは速度が遅くなりますが、環境への曝露が大きくなり、取り付けスペースが狭くなります。
 

ハブ vs ジェネレーター vs ヨー

上記の値は、メーカーのデータシートおよび OEM サービス マニュアルに記載されている一般的な範囲です。ご使用の機械の実際の数値は、必ずタービンのマニュアルとスリップ リングのサプライヤーのテスト レポートから取得する必要があります。

風力タービンのスリップリングが実際にどのように故障するか

「スリップリングの故障」というのは曖昧なカテゴリーです。現場では、ほとんどの場合、問題は - 以下のメカニズムのいずれかに遡り、それぞれが異なる設計またはメンテナンス修正を示しています。

• ブラシの摩耗と埃の蓄積。カーボンおよび金属-グラファイト ブラシは、摩耗すると導電性の粉塵を発生します。換気がないと、リングスタックに塵が蓄積し、隣接するリング間に漏れ経路が形成され、絶縁抵抗が 100 MΩ を下回ったり、迷惑な地絡トリップとして現れます。-。ブラシの摩耗パターン通常、検査技術者が最初に目にする症状です。
• 接触抵抗が上昇します。酸化、汚染、またはスプリング圧力の損失により、接触抵抗がミリオームからオームの範囲まで増加します。ピッチ電源回路では、これにより電圧降下と発熱が発生します。低電流センサーラインではノイズフロアが上昇し、CAN テレグラムが破損する可能性があります。-
• 結露と腐食。ハブは湿気の多い環境 - 暖かい機械、冷たい鋼材、周囲の空気です。特に塩分エアロゾルが存在する海岸や沖合の場所では、環の表面に孔食がすぐに発生します。オフショアプラットフォーム専用オフショアの信頼性対策通常は仕様書に書き込まれます。
• 振動-によりケーブルやコネクタが摩耗します。スリップ リング自体は正常かもしれませんが、ピグテール ケーブル、ストレイン リリーフ、またはコネクタが入口点で疲労します。これは、若いフリートでの環状線の障害よりも一般的です。{1}
• 潤滑剤の劣化。一部の設計では、接触潤滑剤または酸化防止剤を使用します。時間の経過とともに、特にナセル温度が 60 度を超えると重合または乾燥し、接触動作が変化します。
• 絶縁破壊。汚染された絶縁体を横切るトラッキングは、特に高電圧ピッチのバスでフラッシュオーバーを引き起こす可能性があります。{0}}これはハード故障であり、劣化曲線ではありません。

これらのメカニズムのほとんどは段階的であり、そのほとんどは定期検査 - 中に検出できますが、それは単に「ハブの内部を調べる」のではなく、検査手順で接触抵抗、絶縁抵抗、ブラシの長さを実際に測定する場合に限られます。
 

電気要件の指定

サプライヤーに連絡する前に、電気エンベロープを紙に書いてください。サプライヤーはとにかくそれを要求します。その答えが事前に決まっていると、見積依頼（RFQ）--）が迅速に進みます。

• 1回路あたりの電流、連続とピークの両方（ピッチモーターのストール電流は公称の 3 ～ 6 倍になる可能性があります）。
• 電圧クラスそして回路がACかDCか。 690 V システムの場合は、IEC 60664 過電圧カテゴリ III または IV が適用されるかどうかを確認してください。
• 電源回路数対信号/データ回路の数、別々に保管されています。
• 信号プロトコル- CANopen、Profibus DP、EtherCAT、Profinet、Ethernet 100/1000 Mbit、またはアナログ センサー ライン。各プロトコルのノイズ耐性は異なります。
• 電気ノイズの予算センサーチャンネル用。ピッチ エンコーダとロードピンひずみゲージには通常、ミリボルト- レベルの清浄度が必要です。接触ノイズ対策スリップリングの使用はその予算を満たす一環です。
• 絶縁および誘電要件- 通常、電源回路の場合は 500 V DC で 1,000 MΩ 以上、さらに電源周波数耐性テスト-。
• アーシング。多くの設計には、別個の接地リングまたはブラシが含まれています。雷-が発生しやすい場所では、これは交渉の余地がありません。-

コンタクトテクノロジーの選択

すべての風力タービン用途に最適な単一の接触技術はありません。通常、正しい答えは、同じアセンブリの電源セクションと信号セクションに異なるテクノロジーを使用するハイブリッドです。

カーボンおよびメタル-グラファイト ブラシ

カーボンおよび銀-グラファイト ブラシは、高電流アプリケーション - の発電機励起リングやピッチ パワー バスの主力製品です。これらは高電流に耐え、多少の汚れは許容し、交換も安価です。その代償として、粉塵の発生、可聴ノイズ、およびブラシの長さとスプリング圧力の定期的な検査が必要になります。-のブラシグレード（樹脂-結合カーボン、エレクトログラファイト、金属-グラファイト、銅-グラファイト）は、電流密度とリングの材質に一致する必要があります。

ピッチモーターの電源、発電機の励磁、接地に最適です。注意: 近くの信号リング上の塵の蓄積、スプリング圧力のドリフト、近くに取り付けられている場合のエンコーダ光学系のブラシの塵。

ファイバーブラシ（マルチ-フィラメント）接点

ファイバー ブラシのデザインでは、貴金属のリング上にある純金または金合金のワイヤの束を使用します。{0}{1}多くの平行な接触点とフィラメントあたりの接触力が非常に低いため、破片がほとんど発生せず、接触ノイズが非常に低くなります。これらは、最新のハブ スリップ リングのセンサーおよびデータ チャネルとして有力な選択肢です。

最適な用途: CAN/Profibus/Ethernet データ ライン、ブレード センサー信号、低電流制御。-注意: フィラメント束あたりの電流制限 (通常は<10 A), higher cost, and sensitivity to chemical contamination on the gold surface.

モノフィラメントと貴金属ワイヤ接点-

モノフィラメント貴金属接点（貴金属リング上の単一の金または金-ワイヤ）-は、ファイバー ブラシと従来のブラシの間に配置されます。コンパクトで共通カスタムスリップリングスペースが狭い場所でのアセンブリ。

最適な用途: 低電流信号回路、ハイブリッド アセンブリ。-注意: 非常に高い回転数でメッキが摩耗すること、および「金-メッキ」が自動的に優れているわけではないという事実-柔らかい基板上の薄い金は、適切に指定された銀-グラファイトブラシよりも早く摩耗する可能性があります。

ハイブリッド設計

一般的なハブ スリップ リングでは、下部スタックはカーボンまたは金属{0}}グラファイト ブラシでピッチ モーターの電力を伝送し、中間スタックはファイバー ブラシでフィールド バス トラフィックを伝送し、上部スタックは金-上の-接点で低電流センサー ラインを処理します。アースは冗長ブラシを備えた独自の専用リング上にあります。この分離により、単一のアセンブリが相反する要件 (高電流 + 低ノイズ) を同時に満たすことができます。
 

環境仕様：「工業グレード」にとどまらない

「工業用グレード」という言葉は何も役に立ちません。以下の数値は、風力タービンの仕様書で重要な数値です。

• 侵入保護。ハブの内部は通常 IP54 です。オフショア ナセルと露出したヨー スリップ リングには通常、IP65 以上が必要です。見るIP 格付けの解釈数字が実際に何を保証しているのか。
• 動作温度。妥当なデフォルトは、陸上の北部気候地域では -40 度から +70 度、温帯地域では -20 度から +60 度、沖合では結露が抑制されています。-寒冷地仕様では、潤滑剤を低温で検証する必要があります。-
• 湿度。95 % RH (結露なし) が一般的な最小値です。定期的に結露が発生する現場では、内部加熱が必要になる場合があります。
• 耐塩水性-。洋上および沿岸のタービンは、金属部品およびコネクタに対する IEC 60068-2-52 または ISO 9227 塩水噴霧試験を参照する必要があります。
• 振動。IEC 60068-2-6 正弦波プロファイルと 2-64 ランダム プロファイルが共通の基準点です。サプライヤーはマーケティング上の主張ではなく、テストレポートを提供する必要があります。
• 雷とサージ。ピッチ スリップ リングは、間接雷電流が見える経路上にあります。サージ耐性については事前に合意する必要があります。

の米国国立再生可能エネルギー研究所の風力研究プログラムは、有効なフィールド信頼性データを公開しています。-これは、ピッチと電気システムが依然として稼働中のフリートの-故障率-率の高いサブシステムであることを示しています-。そのため、これらの環境数値は口頭で約束するのではなく、契約に記載する必要があります。

機械的制約と統合制約

改造プロジェクトは、電気的性能よりも機械的な取り付けで失敗することが多くなります。デザインを承認する前に、次のことを確認してください。

• ハブまたはナセルの利用可能なエンベロープに対するボア直径と外径
• 軸の公差、振れ、同心度の許容差
• ケーブルの出口方向 (軸方向と半径方向) とコネクタのタイプ - の多くのタービンでは、ケーブルの曲げ半径が非常に限られています
• 取り付けフランジパターンとトルクアーム固定
• 回転アセンブリの重量とバランス
• サービスへのアクセス - 技術者は、タービンがサービス位置にあるときにブラシ ウィンドウに手が届きますか?

実際には、多くの改修および再出力プロジェクトでは、電気的制約よりも先に機械的制約が設計を決定します。このような場合には、カタログ パーツを強制的に適合させるよりも、構成可能なアセンブリまたは完全にカスタムのアセンブリを使用する方が賢明です。

サプライヤーに送るもの

明確な RFQ により、見積もりサイクルが数週間から数日に短縮されます。サプライヤーがスリップ リングを設計または選択するには、次のすべてが必要です。

要約: スリップ リングの選択を信頼性の決定として扱う

適切な風力タービンのスリップ リングとは、タービンの電気的エンベロープに適合し、その環境に耐え、利用可能な機械スペースに適合し、20 年にわたる現実的なメンテナンス計画をサポートするものです。この間違いによるコストのほとんどは、購入時ではなく、計画外の最初のタワー訪問時に支払われます。-

サプライヤーと相談する前に、電気的、環境的、機械的要件を定義してください。スローガンではなく、テストのレポートを求めてください。アセンブリが許可する場合は、電源と信号の接点テクノロジを分離します。また、沖合や沿岸の現場では、接触材料の選択よりも腐食とシールを重視してください。- 通常、ブラシよりも先に塩が議論に勝ちます。