Codeurs absolus et incrémentaux pour des applications sûres de contrôle du pas
À la suite du tremblement de terre et de la catastrophe nucléaire qui ont dévasté le Japon en mars 2011, les projets de production d'énergie renouvelable ont repris de plus belle dans le monde entier. La production d'électricité à partir de l'énergie éolienne est actuellement le type de récupération d'énergie le plus répandu et le plus commun. Pour atteindre le meilleur rendement possible, chaque composant d'une centrale éolienne doit répondre à des exigences strictes. Il en va de même pour les encodeurs, qui sont nécessaires au positionnement précis des trois pales du rotor - ce que l'on appelle le "contrôle du pas". Le contrôle dynamique du pas des pales du rotor contribue de manière significative à l'amélioration du rendement. En même temps, les codeurs doivent avoir une longue durée de vie dans des conditions environnementales extrêmement difficiles. Cet article explique quels types de capteurs sont utilisés pour les applications de contrôle du pas.
Une tendance à la hausse
Depuis plus de vingt ans, l'énergie éolienne est une méthode éprouvée pour produire du courant électrique. Dans le monde entier, le nombre de commandes d'installations éoliennes a augmenté après la terrible catastrophe survenue au Japon, et l'objectif est d'injecter plus d'électricité dans le réseau qu'il n'en a jamais été prévu.
La partie la plus haute d'une centrale éolienne, à environ 100 mètres au-dessus du sol, abrite des composants qui semblent presque invisibles par rapport à l'énorme nacelle et aux puissantes pales de rotor, au multiplicateur et au générateur. Pourtant, leur rôle ne doit pas être sous-estimé et est crucial pour exploiter au maximum l'énergie du moindre souffle de vent : il s'agit des encodeurs utilisés sur la nacelle et sur les pales du rotor (la plupart du temps trois).
Technologie des capteurs robustes
Codeur AR 62
C'est la technologie robuste des capteurs à l'intérieur des encodeurs qui permet d'obtenir un rendement maximal de l'énergie éolienne. Le codeur "indique" à l'unité de contrôle la position angulaire de la nacelle par rapport à la direction du vent et permet de réaligner l'azimut de la nacelle si nécessaire.
Un encodeur pour chaque pale du rotor indique la position de chaque pale par rapport à l'axe du rotor. Le contrôle dynamique du pas est utilisé pour augmenter l'efficacité, c'est-à-dire que les pales du rotor sont tournées à fond contre le vent pendant les périodes où la vitesse du vent est faible. Lorsque la vitesse du vent est élevée, les pales du rotor sont tournées à l'opposé du vent, ce qui permet à l'installation de rester dans des conditions de fonctionnement sûres. Comme pour de nombreuses autres applications rotatives, cette tâche spécifique dans le secteur de l'industrie éolienne nécessite différentes solutions de codage : des approches simples nécessitant un seul codeur incrémental jusqu'à deux codeurs absolus redondants.
Les codeurs doivent généralement répondre à des exigences très strictes. Les modèles qui doivent prouver leur fiabilité sur une pale de rotor doivent résister aux chocs, aux vibrations, aux forces centrifuges, aux grandes différences de température (de - 40 à plus de + 100 °C), aux champs magnétiques dans leur voisinage direct, et même aux surtensions dues à la foudre - tout cela pendant leur durée de vie de 20 ans !
Les coûts de maintenance facturés pour un codeur sont disproportionnés par rapport aux coûts réels du codeur. C'est particulièrement vrai pour les applications offshore. Outre le coût d'une demi-journée de travail pour les deux mécaniciens qui doivent remplacer l'encodeur, des frais importants doivent être payés pour la location d'un bateau et l'équipage.
Exigences
C'est pourquoi les codeurs destinés aux applications de contrôle du pas dans les centrales éoliennes doivent être aussi robustes que possible. Différentes versions de commande de pas sont disponibles : dans l'une d'elles, le codeur est placé sur une combinaison moteur-frein-engrenage (Fig. 1). Dans une autre version, le capteur est monté directement sur la couronne d'orientation de la pale du rotor (figure 2). Dans cette application, le codeur doit répondre à des exigences totalement différentes, car les charges mécaniques qui s'exercent sur le capteur sont nettement plus élevées que celles qui s'exercent sur l'ensemble d'entraînement du pas de la combinaison moteur-frein à engrenages.
Maintenance a Offshore WEA (www.shutterstock.com)
Codeurs d'Aldingen pour les centrales éoliennes du monde entier
Hengstler, l'un des principaux fabricants de codeurs, propose une gamme complète de produits comprenant différentes versions de codeurs incrémentaux et absolus (monotour et multitour). Pour répondre à une grande variété d'exigences, les options suivantes sont disponibles : codeurs optiques et magnétiques atteignant de très hautes résolutions, des diamètres extérieurs de 30 à 80 mm, et des versions à arbre creux ou à arbre plein. Les codeurs sont équipés des interfaces mécaniques et électriques courantes. En outre, Hengstler Aldingen fournit des codeurs hautement résistants à la corrosion pour les zones à risque d'explosion.
Spécialisée dans la technologie des capteurs et des compteurs/timer, Hengstler offre une longue expérience dans le domaine de l'énergie éolienne et, par conséquent, des solutions optimisées. Les codeurs pour le positionnement en tangage et en azimut et le contrôle de retour pour les générateurs se distinguent par les caractéristiques clés suivantes :
- Plage de température de -40°C ... +100° C
- Fonctionnement fiable dans les zones à climat froid
- Boîtier résistant à l'eau de mer pour les applications offshore
- Variantes incrémentales ou absolues monotour et multitours
- Système de diagnostic intégré
Numérisation strictement optique pour le contrôle de la hauteur de chute
Le codeur absolu et incrémental de type AC 58-I-SSI a été spécialement conçu pour le montage direct sur les combinaisons moteur-frein-engrenage. Grâce à sa conception extrêmement robuste et compacte, l'AC 58-I-SSI (SSI=SYNCHRONOUS-SERIAL INTERFACE) est l'appareil de choix pour le montage de moteurs à commande de pas.
Codeur Hengstler AC58 sur Pitch-Drive
La technologie du capteur entièrement optique de l'AC-58 offre des avantages en termes de robustesse (résistance aux interférences) et de longévité. Ni les gros composants, ni les piles ne peuvent provoquer des déviations ou même une panne totale du codeur. Le balayage, qu'il soit monotour ou multitour, s'effectue au moyen de composants optiques (Fig. 3).
Le segment multitour utilisé par Hengstler est doté d'un réducteur robuste ; par conséquent, l'assemblage strictement optique de l'AC 58 n'est pas sensible aux interférences magnétiques. Des champs magnétiques importants sont produits par le moteur ou le frein d'un entraînement à pas variable. Bien qu'un bon blindage soit assuré par le boîtier du codeur, ces champs magnétiques auront un impact sur le codeur après plusieurs années.
L'AC 58 est conçu pour résister à des températures allant jusqu'à 120 °C (dans la plage d'entraînement) et à des vitesses allant jusqu'à 12 000 tr/min. Il surpasse donc les exigences imposées aux centrales éoliennes. Il n'a pas besoin de batteries performantes et à longue durée de vie et se révèle donc être un appareil extrêmement robuste et nécessitant peu d'entretien. Contrairement à de nombreux autres types de codeurs, qui utilisent également des engrenages pour le balayage multi-tours, mais reposent sur la technologie du balayage magnétique, qui est sensible aux interférences magnétiques causées par le moteur et/ou le frein et qui, à long terme, entraînera des problèmes en transmettant des signaux incorrects à l'unité de contrôle pour le réglage des pales du rotor. Cela se traduira inévitablement par des temps d'arrêt et par des coûts de maintenance élevés (et inutiles) pour une centrale éolienne.
Il serait également faux de croire que les coûts de fabrication d'une centrale éolienne peuvent être maintenus à un faible niveau en utilisant des codeurs magnétiques multitours bon marché. Le risque de défaillance décrit ci-dessus, causé par les effets de la température et/ou des champs magnétiques, ainsi que par le vieillissement de la batterie, restera trop élevé, même après de nombreuses années de fonctionnement. Il s'avère plus rentable de se fier à la technologie éprouvée d'un codeur AC 58 fabriqué par Hengstler.
Conclusion
Les applications utilisant des codeurs optiques multitours à engrenages du type AC 58 de Hengstler se sont largement répandues dans les centrales éoliennes. Les positions sont déterminées au moyen d'une méthode optique à lumière transmise. L'engrenage mécanique multitour est balayé optiquement, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de vérifier la présence de champs magnétiques qui peuvent, en premier lieu, être produits par l'ensemble de freinage de l'entraînement du pas. Le principe de balayage optique n'est pas sensible aux interférences magnétiques ; l'AC 58 peut donc être monté sur tous les moteurs dotés de freins. En outre, le codeur offre une résolution élevée du signal et permet de balayer la valeur absolue ainsi qu'un signal incrémental supplémentaire, qui peut être utilisé pour le contrôle de la vitesse ou comme valeur de référence. En option, les signaux incrémentaux peuvent être enregistrés en temps réel pour le contrôle de la vitesse.