風力タービンのスリップ リング: 種類、故障、選択

風力タービンのスリップ リングは小さいですが、ミッションクリティカルなコンポーネントです。{0}}これらは、タワー上部のヨー ベアリングからブレードを駆動する回転ハブ、特定の発電機設計に至るまで、タービン - 内の回転インターフェースを介して電力、制御信号、データを伝送します。スリップ リングが正しく指定されている場合、タービンは中断されることなくピッチ、ヨー、通信を行います。サイズが小さかったり、密閉性が不十分だったり、ピッチのアーキテクチャに適合していなかったりすると、ピッチ通信の障害、断続的なフィードバック エラー、ブラシの破片、計画外のダウンタイムなどの症状がすぐに現れます。

このガイドでは、主な種類について説明します。風力タービンで使用されるスリップリング、それぞれが機械のどこに配置されているか、電気および油圧ピッチシステムが要件をどのように変更するか、標準交換ユニットまたはカスタムユニットを注文する前にメンテナンスチームまたは設計エンジニアが収集する必要がある仕様について説明します。

風力タービンのスリップリングとは何ですか?

スリップ リングは回転式電気コネクタです。ケーブルを無理にねじることなく、静止構造物と回転構造物の間で電力、制御信号、データを転送します。風力タービンでは、通常の動作時にいくつかのアセンブリが回転します。ナセルは風向きを追跡するためにヨーイングし、ハブはブレードとともに連続的に回転します。また、一部の発電機トポロジー -、特に風力発電規模の発電所で広く使用されている二重給電誘導発電機 (DFIG) -} - は、ブラシとリングを介してローター電流を供給します。

スリップ リングの役割は、その回転を通じて電気的導通を維持することです。実際には、数時間以内に故障してしまうケーブル配線を置き換えます。

風力タービンにおいてスリップリングが重要な理由

風力タービンはクリーンラボでは稼働しません。ナセル内部のスリップ リングでは、ドライブトレインからの振動、冷温サイクル中の結露、ブレーキの磨耗や外気の侵入による微細な粉塵、保護されていない金属を攻撃する-沖合の-塩霧が発生します。ハブの内部では、ピッチ スリップ リングも安全上重要な信号を伝達します。-ブレード ピッチ コントローラーが通信を失った場合、タービンは、多くの場合、フェザリングして停止するなどの反応を行う必要があります。

そのため、スリップ リングが摩耗していたり​​、仕様が不足していたり​​しても、単一の劇的な出来事として故障することはほとんどありません。{0}パターンとしては失敗します。接触抵抗の上昇、時折の CAN バス エラー、ピッチ警告の頻度が徐々に高くなり、その後ハード フォルトが発生します。信頼性エンジニアがスリップ リングに気を配るのは、故障モードが遅く、遠隔診断に費用がかかり、90 メートルのタワーまたは沖合 50 km での保守に費用がかかるためです。

風力タービン用スリップリングの主な種類

すべてのタービンがすべてのタイプを使用しているわけではなく、設計圧力は場所ごとに大きく異なります。以下の 4 つのアセンブリは、風力タービンのスリップ リングのほぼすべての用途をカバーしています。

1. ヨー スリップ リング (主に小型の分散型風力タービン)

小型風力タービン-、住宅用、-オフグリッド、通信塔-、農業用-）では、通常、発電機は回転ヘッド内に設置されています。風を追跡するために頭全体が回転し、生成された電力は固定タワーを通ってコントローラーとバッテリーバンクに送られる必要があります。ヨー スリップ リングがそのインターフェイスに配置されており、下のケーブル パスが固定されたままヘッドを自由に回転させることができます。

ここでの主要な制約は高速性ではありません。それは、スペース、天候、ケーブル数です。多くの場合、リングは狭い垂直シャフトに適合し、長年にわたる紫外線と凍結融解サイクルに耐え、2 ～ 6 つの電源回路とオプションのブレーキまたはセンサー ラインを配線する必要があります。-低速ヨー用途では、通常、ブラシの速度性能よりもエンクロージャの定格とケーブルの張力緩和が重要です。-この事実は、購入者が回路数のみに注目していると見落とされがちです。

ほとんどの実用規模（MW- クラス）のタービンは、ない従来のヨースリップリングを使用します。ケーブル ループと、設定された回転数の後に自動的にねじれを戻すケーブル ツイスト カウンターを使用してヨーを処理します。-したがって、誰かが「すべての風力タービンはスリップ リングを使用しているのですか?」と尋ねると、 - 正直な答えは「いいえ」です。大型タービンのヨー軸ではありません。

2. ハブまたはピッチ制御スリップ リング (実用規模のタービン)

「風力タービンのスリップ リング」というと、ほとんどの人がこのスリップ リングを指します。これは固定ナセル フレームと回転ハブの間に設置され、ブレード ピッチ システム - への電力と通信を伝送します。このシステムは各ブレードの迎え角を調整してローター速度を制御し、強風時にタービンを保護します。

ピッチ制御スリップリングは通常、次のことを伝達します。

• ピッチモーターまたはピッチバックアップバッテリー（電動ピッチシステム）用の電源
• ピッチコントローラー通信用のCANバス、PROFIBUS、またはイーサネット
• ブレード根元ひずみゲージ、エンコーダー、温度プローブからのセンサーフィードバック
• 寒冷気候における暖房または除氷電力--
• 落雷保護パス (OEM 設計に応じて)

ピッチ システムの場合、通常は、生の機械的適合性よりも信号の完全性とプロトコルの互換性の方が重要です。寸法的には OEM 部品と同じに見えるピッチ リングでも、シールドの処理を誤ると、断続的な CAN エラーが発生し、メンテナンス チームが数か月にわたって追跡します。この分野で確立されたサプライヤーの 1 つである Mersen は、自社のピッチ スリップ リングについて、IP{2}}定格の耐汚染性-ハウジング - 内の回転ハブとタービン コントローラーの間で電力と通信を伝達するものであると説明しています。これは、産業用ピッチ リングがどうあるべきかについての合理的な基準を提供します (を参照)メルセンピッチコントロールスリップリング).

3. 発電機スリップ リング (DFIG および巻線-ローター設計)

発電機のスリップ リングは、ヨー リングやピッチ リングよりもはるかに厳しい環境に耐えます。二次励磁誘導発電機では、スリップ リングはギアボックス後の発電機シャフトでフル動作 RPM -、通常 1,000 ～ 2,000 rpm でロータ電流を流します。これにより、設計の問題が完全に変わります。

これらの速度では、ブラシの材質とグレード、接触圧力曲線、リングの同心度、ブラシの粉塵の排出、および連続負荷時の熱挙動など、ヨー リングでは重要ではなかった事柄が優先され始めます。ブラシの摩耗はメンテナンスの脚注ではなくなりました。それがサービス間隔の制限要因となります。ブラシの摩耗、接点の汚れ、および是正措置-業界では十分に文書化されており、ほとんどの発電機スリップ リングは、生涯にわたって密閉されているのではなく、定期的にブラシを交換するように設計されています。--

発電機用途の場合、機械的な取り付けの前に接点の材質と熱挙動を検討する必要があります。-これは、穴径から始まる購入本能とは逆です。

4. ハイブリッド スリップ リング / ロータリー ユニオン アセンブリ (油圧ピッチ タービン)

一部のタービン OEM は、電動ピッチ アクチュエータの代わりに油圧ピッチ アクチュエータを使用しています。これらのマシンでは、回転ハブ インターフェイスが通過する必要があります。両方油圧オイル（ピッチシリンダー用）と電気信号（制御とフィードバック用）。これを行うコンポーネントはハイブリッド スリップ リングと回転ユニオンであり、電気油圧ユニオンとも呼ばれます。{1}}

これらは、電気のみのピッチ リングとは互換性がありません。{0}回転時に加圧オイルをシールし、流体経路から信号チャネルを電気的に絶縁し、漏れなく熱サイクルに耐える必要があります。ハイブリッド スリップ リング アセンブリ通常、既製品ではなく、特定のタービン モデルに合わせて設計されています。 Moog は、風力用の電気油圧ロータリー ソリューションを組み合わせた詳細な参考資料を公開しています。これは、ハイブリッドの代替品を指定している場合に読む価値があります（「ムーグ風力発電ロータリーソリューション).
 

風力タービンスリップリング比較表

実際の仕様は、OEM、タービン サイズ クラス、および現場の条件によって異なります。 1.5 MW の陸上タービンと 12 MW の洋上プラットフォームでは、表面的には似ているように見えても、ブラシの材質、シーリング、ハーネスの終端という点では共通点のないスリップ リングが使用されている場合があります。

電気ピッチと油圧ピッチ: スリップリングの変化

ピッチ システムのアーキテクチャは、ピッチ スリップ リングの選択における唯一の最大の要素です。交換の失敗の多くは、ハブに使用されているピッチ アクチュエータの種類を確認せずに、寸法と回路数で部品を照合したために発生します。

電気ピッチシステム

電気ピッチ タービンには、各ブレードに電気モーター、駆動装置、およびバックアップ バッテリーが搭載されています。ピッチ スリップ リングは、ピッチ モーターの電力 (通常は 400 ～ 690 V AC または DC バス)、制御通信、およびフィードバックを伝送する必要があります。ここでの主なリスクは、モーターの電力線と CAN/イーサネット信号の間の EMC カップリングと、強風時の連続的なピッチングによる電力チャネルの温度上昇です。スリップ リング内の電力パスと信号パスを適切に分離することは、回路の総数よりも重要です。

油圧ピッチシステム

油圧ピッチ タービンは、ロータリー ユニオンを介して油圧動力を送り、主に制御信号、センサー フィードバック、およびピッチ位置エンコーダーにスリップ リングを使用します。油圧経路と電気経路は、2 つの別個のコンポーネントに含めることも、1 つの組み合わせたハイブリッド ユニットに含めることもできます。統合に関する質問 - の結合と個別の - は通常、タービン OEM によって決定され、現場での選択ではありません。

実際的なルールは、最初にピッチ アーキテクチャを選択し、次に寸法を確認し、次に回路数を確認することです。逆の順序で進むと、チームはコミュニケーションが取れない完全に適合する部分ができてしまいます。
 

風力タービンのスリップ リングの指定方法

風力タービンのスリップ リングは、電気的、機械的、環境的、保守性の要件を同時に満たさなければなりません。以下の選択プロセスは、標準の代替品とカスタム設計の両方に適用されます。

電気負荷と回路数

選択は、回路リストから始める必要があります。電源回路の数、電圧と電流、および信号回路とデータ回路の数です。小型のヨーリングでは、250 V AC の電源回路が 3 つだけ必要な場合があります。最新のユーティリティ-規模のピッチリングには、ピッチモーター電源、24 V 制御、230 V 補助、CAN バス、イーサネット - をすべて 1 つのアセンブリに組み合わせた 12 ～ 60+ 回路が必要になる場合があります。クロストークを制限するには、電源回路と信号回路をリング スタック内で物理的に分離する必要があります。

信号の種類とプロトコル

最新の風力タービンは、同じスリップ リング上で複数のデジタル プロトコルを実行します。ピッチ コントローラーは通常、CAN バスまたは PROFIBUS を使用します。状態監視ではイーサネットの使用が増えています。高帯域幅信号の場合、ブラシ-と-の接触だけでは十分ではない可能性があります-ギガビットイーサネットスリップリング制御されたインピーダンスとシールドされた接点ペアを使用して、1 Gbps で信号の整合性を維持します。サプライヤーがコンタクトスタックを最終決定する前に、プロトコル、データレート、およびシールドが必要かどうかを指定します。

速度、接触材質、摩耗

ヨー運動は断続的で遅い -、場合によっては 1 分間に数度しか進みません。ピッチの動きはより頻繁になりますが、それでも適度です。発電機-側の回転は継続的かつ高速です。回転がより速く、より連続的に行われるほど、より多くのブラシの材質、接触圧力、およびリングの表面仕上げが設計に影響を及ぼします。銀-グラファイト ブラシは中電流アプリケーションでは一般的です。-金-オン-金接点は、接触抵抗ノイズが数ミリオーム未満に抑えられる必要がある低レベル信号に使用されます。-

環境保護

動作環境を正直に確認してください。温暖な気候にある陸上タービンの密閉ナセル内のスリップ リングは、塩霧、結露、マイナス 30 度の低温始動にさらされる洋上タービンのハブ内のスリップ リングとは仕様が異なります。見てくださいIP定格の選択平均的なケースではなく、現実的な最悪のケースに対して。オフショアで使用する場合、通常、腐食から保護されたハウジングとコンフォーマル コーティングされた PCB- はオプションではなく必須です。-

取り付けエンベロープとハーネス

交換作業では、スリップ リングを既存のフランジにボルトで固定し、既存のハーネス終端を受け入れ、既存の構造を取り除く必要があります。 OEM の図面、故障したユニットの写真、元の配線図により、サプライヤーとの数週間のやり取りが節約されます。--

メンテナンスアクセス

整備のために登る必要があるタービンでは、ブラシの点検窓、ドレンプラグ、センサーコネクターがより重要になります。オフショアの訪問あたりの O&M コストは十分に高いため、スリップ リング アセンブリ全体を取り外さずにブラシを交換できる設計であれば、最初のサービスで元が取れます。

風力タービンのスリップリングの故障の原因は何ですか?

風力タービンのスリップ リングの故障のほとんどは 4 つのカテゴリに分類されます。早い段階でパターンを認識することが、計画的なブラシの変更と計画外のタワー登攀を分けるものです。

ブラシの摩耗と破片の蓄積。接触ベースのスリップ リングでは正常です。-破片が隣接するリングに橋を架けたり、信号接点を汚したりすると障害になります。症状: 接触抵抗の上昇、断続的な CAN エラー、リング スタックの周囲に黒い塵が見える。

湿気の侵入と腐食。冬季停止中に暖房が効かなくなる洋上タービンやナセルでよく見られます。症状: 銅リングの緑色の酸化、地絡、絶縁抵抗の突然の低下。

振動による位置ずれ。-ドライブトレインの共振とタワーの揺れにより、取り付けボルトが徐々に緩み、ベアリングのアライメントが変化します。症状: ブラシが不均一に磨耗し、1 つのリングが繰り返し故障しますが、他のリングはきれいなままです。

EMC および地絡故障。ピッチ通信の障害は、多くの場合、スリップ リングの接点自体ではなく、シールド終端、接地戦略、または回転ハーネス内の信号ケーブルへのピッチ モーター ケーブルの近さに起因します。

標準の交換用スリップ リングとカスタム スリップ リングの比較

ほとんどの風力発電所では、標準的な OEM の同等の代替品を使用することが適切です。{0}タービンのモデルはわかっており、部品の履歴は文書化されており、スペアは在庫にあり、メンテナンス チームは計画されたサービス期間内にそれを交換できます。

A カスタム風力タービンスリップリング次の場合に正しいパスです。

• オリジナルの部品は廃止され、OEM はサポートしなくなりました。
• ピッチシステムが改修されました（ブレード負荷センサーの追加、状態監視のアップグレードなど）
• OEM 設計で繰り返される失敗は、実際の現場条件に対してサイズが小さかったことを示唆しています
• 電気スリップリングと別個のロータリーユニオンを 1 つのハイブリッドアセンブリに統合する必要がある
• 海上または寒冷気候の現場では、より高い IP 定格、優れた腐食保護、または低温認定が必要です。{0}{1}{1}

いずれの場合でも、サプライヤーは同じ情報を事前に必要とします。タービンのモデルとシリアル、元のスリップ リングの図面または写真、電圧と電流を含む完全な回路リスト、通信プロトコル、RPM、取り付けインターフェース、環境条件、および交換対象のユニットの - (可能な場合は -) の故障履歴です。これを最初に 1 回送信すると、通常、2 ～ 3 回の説明を省略できます。

FAQ: 風力タービンのスリップ リング

すべての風力タービンはスリップ リングを使用しますか?

いいえ、小型風力タービンでは、発電機が回転ヘッド内にあるため、ヨー スリップ リングを使用することがよくあります。実用規模のタービンのほとんどは、回転ハブにピッチ/ハブ スリップ リングを使用しますが、ヨーリングではなくケーブル ループと自動ケーブル撚り戻しシーケンスでヨーを処理します。- DFIG- ベースのタービンには発電機スリップ リングもあります。直接駆動-永久磁石タービンはそうではありません。

風力タービン内でスリップ リングはどのような役割を果たしますか?

電力、制御信号、またはデータは、ケーブルをねじることなく、回転インターフェース - を介して、ほとんどの場合、固定ナセルとピッチ制御用の回転ハブの間、またはローター電流用の発電機内 - 内で転送されます。

風力タービンのスリップ リングとロータリー ユニオンの違いは何ですか?

スリップ リングは、回転を通じて電力と信号を伝達します。ロータリー ユニオンは、流体 -、通常はピッチ アクチュエータ用の作動油 - を回転方向に移送します。油圧-ピッチ タービンでは、両方を 1 つのユニットに組み合わせたハイブリッド アセンブリが使用されることがよくあります。

風力タービンのスリップリングの故障の原因は何ですか?

最も一般的な原因は、ブラシの磨耗や破片の蓄積、湿気や塩霧の侵入、振動による位置ずれ、ピッチのコミュニケーションを妨げる EMC や接地の問題です。{0}

風力タービンのスリップ リングの寿命はどれくらいですか?

寿命は回転プロファイル、ブラシの材質、環境によって異なります。陸上タービンのピッチ スリップ リングは、大規模なブラシ サービスの間に 5 ～ 10 年稼働することがよくあります。 DFIG マシンの発電機スリップ リングは通常、ブラシの交換間隔が短く、ギアボックスや発電機の定期メンテナンスと並行して計画されることがよくあります。メーカーのドキュメントと特定のサイトのサービス履歴は、単一の数字よりも信頼性が高くなります。

ピッチスリップリングを標準スリップリングと交換できますか?

標準ユニットがオリジナルのピッチ システム アーキテクチャ、電気仕様、通信プロトコル、IP 定格、および取り付けインターフェイスと一致する場合に限ります。機械的に適合している部品でも信号シールドの処理が誤っていると、診断が難しい断続的なピッチ障害が発生します。疑問がある場合は、タービン モデルに合わせて設計されたカスタム ピッチ スリップ リングを指定してください。

風力タービンのスリップ リングはカスタマイズできますか?

はい。カスタマイズは、旧式の OEM の代替品、改造されたピッチ システム、オフショアおよび寒冷地仕様、ハイブリッド電気油圧アセンブリなどで一般的です。-サプライヤーは有用な設計を作成するために、完全な仕様パッケージ - 図面、回路リスト、環境条件、故障履歴 - を必要とします。

まとめ

風力タービンのスリップ リングは、機械の回転界面にわたって電力、通信、および設計によっては - - 液圧媒体を運びます。右側のスリップ リングがボアに適合しません。これは、特定のタービンのピッチ アーキテクチャ、電気負荷、信号プロトコル、環境、およびメンテナンス プランに一致するものです。交換作業の場合は、注文する前に元のユニットを徹底的に文書化してください。カスタム作業の場合は、仕様だけでなく障害パターンも共有します。- 多くの場合、新しい設計で何を変更する必要があるかを示すのは障害履歴です。