Применение магнитострик­ционных датчиков линейного положения (магнитострик­ционных датчиков линейного перемещения) в ветряных электростанциях.

Ветрогенератор

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ, ветряк) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим ее преобразованием в электрическую энергию.

Ветрогенераторы могут быть горизонтально осевыми (именно о них и пойдет речь) или вертикально осевыми. Горизонтально осевые ветрогенераторы обычно имеют больший диаметр ротора и мощность, чем вертикально осевые.

Основными элементы ветрогенератора:

(1) – датчик положения лопастей

(2) – контроллер

(3) – тормоз

(4) – электрогенератор

(5) – лопасти

(6) – башня

Предпочтительные места для установки ветряных электростанций – это высокие равнины, холмистые местности и побережья, где скорость ветра наибольшая.

Ветрогенераторы являются важнейшим источником возобновляемой энергии, и их эффективность и надежность имеют решающее значение для обеспечения стабильного энергоснабжения. Одним из ключевых компонентов ветрогенератора является устройство поворота лопастей, которое обеспечивает оптимальное положение лопастей относительно направления ветра. Для этого используются датчики линейного положения, которые измеряют положение привода поворота лопастей и передают сигналы системе управления.

Гидроцилиндры с датчиками обратной связи в ветрогенераторах

Эффективность ветрогенератора в значительной степени зависит от шага винта. Входная мощность ветряка контролируется путем динамической регулировки угла поворота лопасти. Система управления использует независимые гидравлические приводы для поворота каждой отдельной лопасти на угол от 0 до 90 градусов. В условиях слабого ветра угол лопастей регулируется для достижения максимальной эффективности и поддержания постоянной выходной мощности. Поскольку изменения всего лишь в один градус могут изменить аэродинамику, точная обратная связь по положению лопастей, имеет решающее значение. Когда скорость ветра превышает максимально допустимую выходную мощность генератора, лопасти регулируются в оптимальное положение для снижения аэродинамической эффективности и поддержания подходящей скорости вращения. Активное управление входной мощностью не только обеспечивает максимальную эффективность, но и снижает нагрузку на ротор, башню и фундамент, что повышает безопасность и долговечность.

Виброустойчивость узлов и механизмов ветрогенератора

Ветрогенераторы играют ключевую роль в современном мире энергетики, предоставляя экологически чистую электроэнергию. Однако эффективная их работа напрямую зависит от их механической устойчивости и способности противостоять вибрациям. Вибрации, возникающие в процессе работы ветрогенератора значительно влияют на систему управления лопастями. Слабая виброустойчивость механических и электрических узлов ветряка влечёт за собой либо более частое обслуживание, либо вообще может привести к поломке некоторых узлов, что повлечет за собой остановку и ремонт ветряной электростанции, и как следствие увеличит финансовые потери.

Источники вибраций, влияющие на конструкцию ветрогенератора

Ветряные турбины (ветряки) подвержены различным видам вибраций, которые могут повлиять на их эффективность, долговечность и эксплуатационную безопасность. Вибрации в ветряках могут быть вызваны множеством факторов, включая аэродинамические силы, механические неисправности и структурные особенности. Вот основные типы вибраций, которые могут возникать в ветряных турбинах:

Аэродинамические вибрации:

• Флаттер (Flutter): Возникает из-за взаимодействия аэродинамических сил с лопастями, что может вызвать колебания или вибрации лопастей. Это опасный тип вибрации, который может привести к разрушению лопастей.

• Трепетание (Buffeting): Пульсации воздушного потока, вызванные турбулентностью ветра, могут вызывать нерегулярные вибрации лопастей и всей конструкции турбины.

Механические вибрации:

• Небаланс ротора: Неправильное распределение массы на лопастях ротора вызывает вибрации, которые передаются на всю конструкцию турбины. Небаланс может возникнуть из-за повреждений, загрязнения или неправильной установки лопастей.
• Механический резонанс: Когда частота вибраций ротора совпадает с естественной частотой конструкции, возникает резонанс, который может значительно усилить амплитуду вибраций и привести к поломкам.
• Износ подшипников и зубчатых передач: Неисправности в механических компонентах, таких как подшипники и редукторы, могут вызвать вибрации, которые ощущаются по всей структуре турбины.

Структурные вибрации:

• Колебания башни: Длинные башни ветряков могут испытывать вибрации из-за ветровых нагрузок или динамических сил, передаваемых от вращения ротора. Эти вибрации могут усиливаться при резонансе.

• Вибрации от фундамента: Неправильно спроектированный или установленный фундамент может передавать вибрации от земли, что приводит к колебаниям всей установки.

Электромагнитные вибрации:

Генераторные вибрации: Электрические машины, такие как генераторы, могут вызывать вибрации из-за электромагнитных сил, которые возникают в процессе преобразования механической энергии в электрическую.

Вибрации от внешних факторов:

• Ветровые порывы и турбулентность: Внезапные изменения скорости и направления ветра вызывают непредсказуемые вибрации.

• Морские волны (для оффшорных турбин): Офшорные ветряки могут испытывать вибрации от движения волн и течений.

Все перечисленные вибрации, так или иначе влияют на систему управления лопастями. Поэтому важно подходить ответственно к выбору гидроцилиндров с датчиками обратной связи для данной системы, чтобы ее эксплуатация была долговечной и предсказуемой.

Конечно при проектировании ветроэлектростанций уровень вибраций узлов и механизмов сугубо индивидуальный для каждой модели ветряка, но некоторые обобщенные данные приведены в ГОСТ Р ИСО 10816-21-2021.

Как выбрать производителя датчиков обратной связи, устойчивых к вибрациям в ветрогенераторах?

Основной аргумент при выборе датчика для ветряка – это подтвержденные испытания на вибрацию.

Магнитострикционные датчики линейного положения серии MSI, от компании МультиСистемная Интеграция, имеют следующие подтвержденные показатели согласно стандарту IEC 60068-2-6: 15g/10 – 2000Гц, где:

• 15g — это уровень вибрационного ускорения, он означает, что датчик должен выдерживать вибрации с пиковым ускорением до 15g;
• 10 – 2000Гц — это диапазон частот вибраций, который применяется при испытаниях. Датчик подвергается вибрациям в этом частотном диапазоне от 10 Гц до 2000 Гц.

То есть датчик подвергается вибрационным нагрузкам с ускорением до 15g в диапазоне частот от 10 до 2000 Гц, в соответствии с методиками стандарта IEC 60068-2-6.

Согласно информации в таблице A.1 (ГОСТ Р ИСО 10816-21-2021)

Параметр “Граница зон В/С, м/с²” относится к неконтролируемому ускорению вибраций в различных элементах ветрогенератора. Зоны В/С и С/D используются для определения допустимых уровней вибрации для каждого элемента, где:

• Зона В/С (м/с²) указывает на границу между зонами B и C, что соответствует допустимым уровням вибраций для нормальной эксплуатации.
• Зона С/D (м/с²) указывает на границу между зонами C и D, что соответствует уровням вибраций, требующим особого внимания или действий.

Что касается датчика с параметрами 15g/10 – 2000Гц, это означает, что датчик способен выдерживать вибрации с ускорением до 15g (где 1g = 9.81 м/с²) в диапазоне частот от 10 до 2000Гц. Учитывая, что границы вибраций в таблице для подшипников качения коробки передач и электрогенератора охватывают частоты до 2000Гц, датчик серии MSI будет подходящим по частотному диапазону. Ускорение до 15g (что примерно равно 147 м/с²) также значительно превышает пределы указанных значений в таблице, что делает его вполне пригодным для использования в данных условиях.

Наша компания готова предложить клиенту магнитострикционные датчики линейного положения, а также гидроцилиндры с датчиками обратной связи в сборе. Например для привода поворота лопастей ветряка, проектанты и производители могут использовать гидроцилиндры с встроенными стержневыми датчиками серии MSI.

Если же у вас уже есть парк ветрогенераторов и в системе управления углом отклонения лопастей уже установлены гидроцилиндры с датчиками таких производителей, как Temposonics и BALLUFF, то это не является для нас проблемой. Так как наши датчики являются прямой заменой этих брендов, ничуть не уступая по качеству. Вы просто снимаете датчик Temposonics или BALLUFF и устанавливаете датчик серии MSI без каких-либо дополнительных изменений в конструкции и интерфейсе.

Преимущества датчиков серии MSI

• Датчики имеют широкий спектр интерфейсов: Analog, START/STOP, SSI, PROFIBUS, CAN;

• Измеряемая длина: от 25 до 3800 мм с шагом 1 мм;

• Повторяемость: лучше 0,001% ПДИ (Предельно Допустимое Измерение) – позволяет каждый раз показывать одно и тоже значение в заданной точки;

• Высочайшая точность: линейность лучше 0,01% ПДИ (Предельно Допустимое Измерение) – позволяет определить точную координату перемещаемого магнита;
• Рабочая температура: -40 °C…+75 °C (опционально +85 °C) – обеспечивает стабильную работу датчиков даже в экстремальных условиях окружающей среды;
• Класс защиты: IP67 (защита от пыли и воды);
• Отсутствие механического износа;
• Вибрационная устойчивость согласно стандарту IEC 60068-2-6: 15g/10 – 2000Гц.

Позиционные измерения совершаются при помощи кольцеобразных позиционных магнитов, перемещающихся вдоль волновода без физического контакта. Фланец датчика изготовлен из высококачественной нержавеющей стали и рассчитан на длительный срок эксплуатации

Датчики и гидроцилиндры серии MSI идеально подходят для использования в ветроэнергетике

Благодаря многолетнему опыту, мы поставляем высококачественные датчики и гидроцилиндры, способные работать практически в любых условиях, а их обслуживание никогда не станет для вас внеплановым. Наша команда предлагает услуги по подбору и замене неисправного датчика других производителей, учитывая его размеры, интерфейс и другие характеристики. Также мы сможем спроектировать и изготовить гидроцилиндр с датчиком по предоставленным чертежам или по сломанным образцам без документации.

            МультиСистемная Интеграция – Комбинируем технологии для вашей выгоды