Encoder assoluti e incrementali per applicazioni sicure di controllo del passo

Dopo il devastante terremoto e il disastro nucleare del marzo 2011 in Giappone, i piani per la generazione di energia rinnovabile hanno ripreso vigore in tutto il mondo. La generazione di elettricità dall'energia eolica è attualmente il tipo di recupero energetico più diffuso e comune. Per ottenere la massima efficienza possibile, ogni singolo componente di un impianto eolico deve soddisfare requisiti rigorosi. Questo vale anche per gli encoder, necessari per il posizionamento preciso delle tre pale del rotore - il cosiddetto "controllo del passo". Il controllo dinamico del passo delle pale del rotore contribuisce in modo significativo ad aumentare l'efficienza. Allo stesso tempo, gli encoder devono avere una lunga durata in condizioni ambientali estremamente difficili. Questo articolo spiega quali tipi di sensori sono utilizzati per le applicazioni di controllo del passo.

Una tendenza al rialzo

Da oltre due decenni, l'utilizzo dell'energia eolica è un metodo collaudato per generare corrente elettrica. In tutto il mondo, il numero di ordini di impianti eolici è aumentato dopo la terribile catastrofe del Giappone, con l'obiettivo di immettere in rete una quantità di elettricità mai pianificata prima.

Nella parte più alta di una centrale eolica, a circa 100 metri dal livello del suolo, si trovano componenti che sembrano quasi invisibili rispetto all'enorme navicella e alle possenti pale del rotore, al riduttore e al generatore. Tuttavia, il loro ruolo non deve essere sottovalutato ed è fondamentale per sfruttare al massimo l'energia del più leggero soffio di vento: stiamo parlando degli encoder utilizzati sulla navicella e sulle (per lo più tre) pale del rotore.

Tecnologia dei sensori robusta

Encoder AR 62

È la robusta tecnologia dei sensori all'interno degli encoder che consente di ottenere la massima resa dall'energia eolica. L'encoder "mostra" all'unità di controllo la posizione angolare della navicella rispetto alla direzione del vento e consente di riallineare l'azimut della navicella se necessario.

Un encoder per ogni pala del rotore ne indica la posizione rispetto all'asse del rotore. Il controllo dinamico del passo è utilizzato per aumentare l'efficienza, ossia le pale del rotore sono completamente rivolte contro il vento durante i periodi di bassa velocità del vento. Quando la velocità del vento è elevata, le pale del rotore vengono ruotate contro il vento, consentendo così all'impianto di rimanere in una condizione operativa sicura. Come per molte altre applicazioni rotative, questo compito specifico nel settore dell'industria eolica richiede diverse soluzioni di encoder: a partire da approcci semplici che richiedono un solo encoder incrementale fino a due encoder assoluti ridondanti.

Gli encoder devono generalmente soddisfare requisiti molto severi. I modelli che devono dimostrare la loro affidabilità su una pala del rotore devono resistere a urti, vibrazioni, forze centrifughe, grandi differenze di temperatura (da - 40 a oltre + 100 °C), campi magnetici nelle loro immediate vicinanze e persino sovratensioni da fulmini, il tutto per una durata di 20 anni!

I costi di manutenzione di un encoder sono sproporzionati rispetto ai costi effettivi dell'encoder. Ciò è particolarmente vero per le applicazioni offshore. Oltre al costo di mezza giornata di lavoro per i due meccanici che devono sostituire l'encoder, è necessario sostenere costi significativi per il noleggio di un'imbarcazione e dell'equipaggio.

Requisiti

Di conseguenza, gli encoder per le applicazioni di controllo del passo negli impianti eolici devono essere il più possibile robusti. Sono disponibili diverse versioni di controllo del passo: una versione ha l'encoder posizionato su una combinazione motore-freno-riduttore (Fig. 1). Un'altra versione prevede un sensore montato direttamente sulla ralla del rotore (Fig. 2). In questa applicazione, l'encoder deve soddisfare requisiti completamente diversi, poiché i carichi meccanici sul sensore sono significativamente più elevati rispetto al gruppo di azionamento del passo della combinazione ingranaggio-motore-freno.

Manutenzione di una WEA offshore (www.shutterstock.com)

Gli encoder di Aldingen per gli impianti eolici di tutto il mondo

Hengstler, uno dei principali produttori di encoder, offre una gamma completa di prodotti che comprende diverse versioni di encoder incrementali e assoluti (monogiro e multigiro). Per soddisfare una grande varietà di requisiti, sono disponibili le seguenti opzioni: encoder ottici e magnetici con risoluzioni molto elevate, diametri esterni da 30 a 80 mm e versioni ad albero cavo o ad albero intero. Gli encoder sono dotati delle comuni interfacce meccaniche ed elettriche. Inoltre, Hengstler Aldingen fornisce encoder altamente resistenti alla corrosione per aree con atmosfere potenzialmente esplosive.

Specializzata nella tecnologia dei sensori e dei contatori/timer, Hengstler offre una lunga esperienza nel campo dell'energia eolica e quindi soluzioni ottimizzate. Gli encoder per il posizionamento del passo e dell'azimut e per il controllo di retroazione dei generatori si distinguono per le seguenti caratteristiche chiave:

• Intervallo di temperatura da -40°C ... +100° C
• Funzionamento affidabile nelle aree a clima freddo
• Custodia resistente all'acqua di mare per applicazioni offshore
• Varianti incrementali o assolute a singolo giro e a più piani
• Sistema diagnostico integrato

Scansione rigorosamente ottica per il controllo del passo

L'encoder assoluto e incrementale AC 58-I-SSI è stato sviluppato appositamente per il montaggio diretto su combinazioni motore-freno-riduttore. Grazie alla sua struttura estremamente robusta e compatta, l'AC 58-I-SSI (SSI=SYNCHRONOUS-SERIAL INTERFACE) è il dispositivo preferito per il montaggio di motori con controllo del passo.

Encoder Hengstler AC58 su Pitch-Drive

La tecnologia completamente ottica del sensore AC-58 offre vantaggi in termini di robustezza (resistenza alle interferenze) e longevità. Né i componenti di grandi dimensioni né le batterie possono causare deviazioni o addirittura la rottura totale dell'encoder. La scansione - sia a un giro che a più giri - viene effettuata mediante componenti ottici (Fig. 3).

Il segmento multigiro utilizzato da Hengstler è dotato di un robusto riduttore; pertanto, il gruppo strettamente ottico di AC 58 non è suscettibile di interferenze magnetiche. I campi magnetici significativi sono prodotti dalla struttura del motore o del freno di un azionamento a passo. Sebbene l'alloggiamento dell'encoder garantisca una buona schermatura, questi campi magnetici avranno un impatto sull'encoder dopo diversi anni.

AC 58 è progettato per resistere a temperature fino a 120 °C (all'interno dell'intervallo di trasmissione) e a velocità fino a 12.000 giri/min. Supera quindi i requisiti previsti per gli impianti eolici. Non necessita di batterie ad alte prestazioni e di lunga durata e si rivela quindi un dispositivo estremamente robusto e a bassa manutenzione. Ciò è in contrasto con molti altri tipi di encoder, che utilizzano anch'essi ingranaggi per la scansione multigiro, ma si affidano alla tecnologia di scansione magnetica, che è suscettibile alle interferenze magnetiche causate dal motore e/o dal freno e, a lungo andare, causerà problemi trasmettendo segnali errati all'unità di controllo per la regolazione delle pale del rotore. Anche in questo caso, i tempi di inattività e i conseguenti elevati (e inutili) costi di manutenzione di un impianto eolico sono inevitabili.

Sarebbe inoltre errato credere che i costi di produzione di un impianto eolico possano essere mantenuti bassi utilizzando encoder magnetici multigiro a basso costo. Il rischio di guasti sopra descritto, causato dagli effetti della temperatura e/o dei campi magnetici, nonché dall'invecchiamento della batteria, rimarrà troppo elevato anche dopo molti anni di funzionamento. È più conveniente affidarsi alla tecnologia collaudata di un encoder AC 58 di Hengstler.

Conclusione

Le applicazioni che utilizzano encoder ottici multigiro a ingranaggi del tipo AC 58 di Hengstler sono ormai ampiamente diffuse negli impianti eolici. Le posizioni vengono determinate con un metodo ottico a luce trasmessa. L'ingranaggio meccanico per il multigiro viene scansionato otticamente, in modo che non sia necessario verificare la presenza di campi magnetici che possono essere prodotti, in primo luogo, dal gruppo freno dell'azionamento del passo. Il principio di scansione ottica non è sensibile alle interferenze magnetiche; pertanto, l'AC 58 può essere montato su tutti i motori con freno. Inoltre, l'encoder offre un'elevata risoluzione del segnale e consente la scansione del valore assoluto e di un segnale incrementale aggiuntivo, che può essere utilizzato per il controllo della velocità o come valore di riferimento. Opzionalmente, i segnali incrementali possono essere registrati in tempo reale per il controllo della velocità.