Chraňte monitorovací a řídicí signály před elektrickým rušením kvůli zajištění spolehlivého sběru dat z větrných turbín pro jejich bezpečný a efektivní provoz. Může čistší signál a odstranění zemních smyček pomoci ve vaší aplikaci?

Jak v dubnu 2011 uvedlo sdružení AWEA (American Wind Energy Association), v odvětví větrných elektráren v USA bylo za první čtvrtletí roku 2011 nainstalováno přes 1 100 MW nové kapacity a při zahájení druhého čtvrtletí bylo rozestavěno dalších 5 600 MW nové kapacity. V USA existuje přes 400 firem vyrábějících komponenty pro větrné turbíny a v každém regionu země můžete najít specializované závody vyrábějící hlavní součásti, jako jsou věže, listy a sestavené gondoly, uvádí AWEA. S ohledem na takový růst existuje stálá potřeba spolehlivého sběru dat z větrných turbín pro bezpečný a efektivní provoz větrných turbín stejně jako větší potřeba ochrany před rušením monitorovacích a řídicích signálů elektrickým šumem.

Spolehlivost dat

S výrobou elektrické energie pomocí větrných turbín je spojen jedinečný soubor extrémních provozních podmínek. Turbíny obvykle fungují bez přímého dohledu, komponenty jsou nainstalovány na špicích věží vysokých 30 m a více a mezi zásahy plánované pravidelné údržby může uběhnout i 6 měsíců. Během této doby generují rotační součásti vibrace a teplo, které mohou způsobovat selhání a závady součástí, a nežádoucí elektromagnetické rušení může nepříznivě ovlivňovat integritu signálu. Stejně jako jiné technologie výroby elektrické energie generují i větrné turbíny vysoké napětí a proudy.

Elektrické součásti proto musejí být schopny přestát vysoká rázová napětí a být imunní vůči elektrickému šumu vyzařovanému z generátorů a spínačů v síti. Řídicí prvky větrných turbín jsou jádrem bezpečnosti, efektivity a provozuschopnosti větrné turbíny.Součásti řídicího prvku se obvykle nacházejí ve spodní části věže a v gondole na věži, někdy je třetí řídicí prvek umístěn v hlavě rotoru (viz schéma součástí větrné turbíny). Řídicí prvky mohou: 

• podílet se v podstatě na všech rozhodovacích procesech bezpečnostního systému,
• dohlížet na normální provoz větrné turbíny,
• monitorovat stovky různých funkcí,
• sbírat statistická měření,
• komunikovat s provozovatelem větrné turbíny,
• zajišťovat interní komunikaci.

Senzory v řídicích prvcích se používají pro měření až 500 parametrů u moderní větrné turbíny, včetně napětí a proudu generátoru, frekvence, rychlosti otáčení hřídele, směru a rychlosti větru, vibrací v gondole, listech a ložiscích rotoru, hydraulického tlaku, úhlu náklonu každého listu rotoru, nasměrování gondoly a teplot součástí.

Náročné prostředí větrné turbíny (elektrický šum, široká variabilita teplot, přechodové jevy a vysoké vibrace) vyžaduje odolná a spolehlivá zařízení na úpravu signálu pro rozhraní senzorů. Některé izolované moduly pro úpravu signálu z analogových I/O poskytují přesnost ± 0,03 % až 0,05 % a spolehlivost překračující požadavky Six Sigma, úzký výstupní šum, vysokou odolnost  vůči rázům a široký rozsah provozních teplot od -40 °C až do +85 °C. Tyto moduly upravují a chrání sběr kritických dat a kontrolují signály a připojená zařízení. Malé digitální I/O moduly mohou vytvářet odolnou ochrannou izolační bariéru mezi provozním a počítačovým systémem.

Izolace a absence šumu v signálech

K elektromagnetickému rušení (EMI) dochází, když se zařízení buď neúmyslně ovlivňují navzájem, nebo jsou ovlivněna přírodními vlivy. I když technologický pokrok povzbuzuje modernizování a rekonstruování řídicího prostředí, zvyšování výkonu a možná i snižování nákladů, nové technologie současně vytvářejí nový potenciál pro elektromagnetické rušení. Odstranění rušení v systému může být obtížné, protože univerzální řešení těchto problémů neexistuje. Se stále větším rozšiřováním elektroniky a s rostoucími rychlostmi obvodů se zvyšuje elektromagnetické rušení, což znamená, že lépe a efektivněji chránit integritu signálu nabývá zásadního významu.

Rušení způsobují tři základní prvky: 

(1) zdroj rušení generující rušení, 

(2) přijímací zařízení ovlivněné rušením a 

(3) vazební kanál mezi zdrojem a příjemcem. 

Signálové a napájecí vodiče jsou nejjednoduššími prostředky propojení různých prvků elektronického systému a tyto linky mohou být stovky i tisíce metrů dlouhé. Na své cestě od zdroje k místu určení tyto linky často procházejí silnými elektrickými a magnetickými poli, která mohou vážně zkreslovat přenášené signály. Dalšími hrozbami pro integritu signálu jsou interference způsobené zemními smyčkami a rozdíly zemních potenciálů. Pro účinné odstranění nebo minimalizaci problémů s rušením, jež jsou způsobeny elektrickými poli, magnetickými poli a zemními smyčkami, je nutno minimalizovat, odklonit nebo odstranit některý ze tří prvků nezbytných pro vznik problému s rušením. U větrných turbín mohou zemnicí systémy přenášet signálové a napájecí odražené proudy, formovat reference pro analogové a digitální obvody, uvolňovat hromadění náboje a chránit osoby a zařízení před poruchami a blesky.

Zemní smyčky vznikají tam, kde existuje několik proudových vratných cest nebo několik připojení k uzemnění. Tok proudu v zemní smyčce vytváří v obvodu rušící napětí. Nejzřejmější cestou k odstranění smyčky je přerušit spojení mezi vysílačem a zemí nebo mezi přijímačem a zemí. Pokud to není možné, izolace dvou obvodů je univerzálním způsobem přerušení smyčky: izolace brání toku proudu v zemních smyčkách a zabraňuje rozdílům zemnicího napětí. Účinnou metodou izolace je použití zařízení pro úpravu signálu s použitím transformátorů nebo optických vazebních prvků (viz schéma přerušení zemních smyček pomocí izolace).

Soufázové rušivé napětí se objevuje na izolačním mechanismu uvnitř zařízení pro úpravu signálu a šumová vazba je omezena na parazitní kapacitu napříč izolačními bariérami.Zařízení pro úpravu signálu rovněž zajišťují zesílení signálu zvyšující odstup signálu od šumu, vyrovnávají převod, korigují nelinearitu vysílače a poskytují filtrování signálu. Tyto prvky chrání integritu signálu a snižují požadavky na přijímač. Protože jsou zařízení pro úpravu signálu mnohdy dimenzována tak, aby přestála přechodové jevy, často chrání hostitelský systém před náročným průmyslovým prostředím a nákladným poškozením v případě poruchy.

John Lehman je technologický manažer společnosti Dataforth Corporation.

www.dataforth.com

www.awea.org