可靠編碼器和測速發(fā)電機(jī)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)精確控制

分類：技術(shù)教程日期：2011-10-26 00:00:00 來源：西部工控網(wǎng)

　風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅曝露于自然環(huán)境中，而且必須在最惡劣的條件下絕對可靠地運(yùn)行。即使在運(yùn)行20或30年后，人們?nèi)匀幌Ｍ鼈兡軌蛟谌魏翁鞖庵斜３肿罴训倪\(yùn)行狀態(tài)，提供最高的經(jīng)濟(jì)效益，并具有最短的停機(jī)時間。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要采用精密的具有安全和性能可靠性的傳感器技術(shù)。增量式傳感器和測速發(fā)電機(jī)起著主要作用，它們必須同時滿足可靠性和耐用性方面的苛刻要求。陸上和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常都會使用十多個能正確完成任務(wù)并耐受極其嚴(yán)酷的環(huán)境條件的傳感器。

　　如同風(fēng)力發(fā)電機(jī)在尺寸、性能和結(jié)構(gòu)上的有所不同，對其所用傳感器的要求也多種多樣。如果希望在該市場取得成功，就必須考慮風(fēng)機(jī)制造商和業(yè)主在結(jié)構(gòu)、維護(hù)和運(yùn)行方面的不同需求。堡盟廣泛的產(chǎn)品系列融合了堡盟豐富的技術(shù)知識和多年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，能充分滿足以上要求。堡盟集團(tuán)運(yùn)動控制產(chǎn)品部門可為風(fēng)能行業(yè)中的各種應(yīng)用提供滿足當(dāng)前及未來要求的合適產(chǎn)品（圖1a、圖1b）。

　　圖1a：十多個編碼器和測速發(fā)電機(jī)在確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效和長期穩(wěn)定地運(yùn)行方面具有不可忽視的作用。

　　圖1b：一站式解決方案：多年以來，堡盟與著名風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商密切合作，精心開發(fā)定制解決方案。其廣泛的產(chǎn)品選擇幾乎可以滿足任何應(yīng)用要求。

　轉(zhuǎn)子速度和位置反饋

　　為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)頂級性能和最佳效率，必須根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度。用于監(jiān)測轉(zhuǎn)速的增量式傳感器可直接安裝在轉(zhuǎn)子輪轂上或者安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動系統(tǒng)上，用以獲取當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度，并將信息傳輸至主控制器。

　　絕對值編碼器可隨時提供轉(zhuǎn)子位置反饋，其最大分辨率為17位，并常常采用并聯(lián)增量通道來獲得冗余速度反饋。更多的高性能產(chǎn)品還包括HDmag系列新型無軸承磁編碼器，這些編碼器也能精確地完成發(fā)電機(jī)反饋任務(wù)。憑借極其緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它們在安裝過程中允許較大的軸向和徑向容差。用于高度動態(tài)應(yīng)用的無軸承編碼器可直接安裝在快速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)軸上，在20年時間中需完成25,000,000,000多圈。這顯然超出了球軸承的能力。最大通孔直徑為740 mm的編碼器直接安裝在輪轂上（圖6）。無軸承編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生500,000多個脈沖，憑借這一高分辨率它們可以精確采集相對較低的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

　　圖6：最大通孔直徑為740 mm的無軸承增量式或絕對值編碼器直接安裝在轉(zhuǎn)子輪轂上。

　　轉(zhuǎn)子葉片定位：給絕對值編碼器提出的挑戰(zhàn)

　　轉(zhuǎn)子葉片的槳距角是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的關(guān)鍵。為了最大限度地利用不同風(fēng)向的風(fēng)力，轉(zhuǎn)子葉片的迎風(fēng)面必須與風(fēng)向保持一致。由于在斷電時絕對值編碼器（圖3）也能保存位置值，并在冗余發(fā)電機(jī)重新啟動時作為參考循環(huán)，因此它們是位置反饋的首選產(chǎn)品。

　　圖3：轉(zhuǎn)子葉片變漿控制：對采用SSI、CANopen或任何其它現(xiàn)場總線接口以及以太網(wǎng)技術(shù)的絕對值編碼器提出的完美挑戰(zhàn)。
　絕對值編碼器可采用通孔和軸型設(shè)計(jì)。它們集成在槳距系統(tǒng)中，并在偏航機(jī)構(gòu)的作用下隨同每個轉(zhuǎn)子葉片移動，從而實(shí)現(xiàn)了冗余測量。通過可選的SSI、CANopen、Ethernet或其它現(xiàn)場總線接口，所采集的數(shù)值被傳輸至風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主控制器。

　　用于發(fā)電機(jī)反饋的編碼器

　　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是風(fēng)力發(fā)電場運(yùn)行的重要因素：首先是確保穩(wěn)定的電網(wǎng)供電，其次是在超過最高轉(zhuǎn)速極限時使風(fēng)機(jī)緊急停止。實(shí)踐證明，對這些應(yīng)用而言，增量式編碼器是一種可靠的選擇。由于超速開關(guān)可作為超出速度閾值時的緊急停止觸發(fā)器（圖4），增量式編碼器可與之配合使用，在發(fā)電場的盈利能力和運(yùn)行安全方面起著關(guān)鍵作用。

　　圖4：由于超速開關(guān)可作為超出速度閾值時的緊急停止觸發(fā)器，增量式編碼器或測速發(fā)電機(jī)可與之配合使用，在發(fā)電場的盈利能力和運(yùn)行安全方面起著關(guān)鍵作用。

　　通孔直徑在150 mm以內(nèi)的重載編碼器產(chǎn)品可提供最高每轉(zhuǎn)10,000個脈沖。例如，HOG 131編碼器系列的特點(diǎn)是具有出色的抗振性和極佳的耐候性，是適合在高鹽分空氣和惡劣海上環(huán)境中應(yīng)用的完美產(chǎn)品（圖2）。

　　圖2：例如，HOG 131編碼器系列的特點(diǎn)是具有出色的抗振性和極佳的耐候性，是適合在高鹽分空氣和惡劣海上環(huán)境中的應(yīng)用的完美產(chǎn)品

　　軸型編碼器采用特殊密封，以滿足堅(jiān)固性要求。憑借集成的防雷保護(hù)裝置、-40°C至+ 100°C的工作溫度以及特殊的表面保護(hù)，即使在極限條件下也能確保可靠的運(yùn)行。集成的狀態(tài)監(jiān)控功能（圖5）可用作故障預(yù)警系統(tǒng)，從而大大降低了發(fā)生意外故障的風(fēng)險。由于潛在錯誤在定期維護(hù)過程中得以消除，從而避免了因傳感器故障而造成不可容忍的發(fā)電場停機(jī)時間。

　　圖5：通過集成的狀態(tài)監(jiān)控功能（EMS – 增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)）進(jìn)一步增強(qiáng)安全性：由于潛在錯誤在定期維護(hù)過程中得以消除，從而避免了因傳感器故障而造成不可容忍的發(fā)電場停機(jī)時間

機(jī)艙運(yùn)動控制：絕對值多圈編碼器實(shí)現(xiàn)精確定位

　　為了最佳地利用主導(dǎo)風(fēng)以確保風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電效率最高，機(jī)艙必須旋轉(zhuǎn)并與當(dāng)前風(fēng)向保持一致。所謂的方位角定位需要同時獲取旋轉(zhuǎn)方向和位置。該任務(wù)通常由絕對值多圈編碼器（圖7）通過光感應(yīng)或磁感應(yīng)來完成。緊湊的結(jié)構(gòu)、極高的抗沖擊和抗振動能力以及極廣的工作溫度范圍，確保絕對值多圈編碼器具有長期的可靠性。堡盟提供的擁有專利保護(hù)的編碼器解決方案可耐受最高500 G的持續(xù)沖擊影響，并采用電絕緣軸有效防止軸電流的影響。

　　圖7：精確的機(jī)艙運(yùn)動控制：對于所謂的方位角定位，必須同時獲取旋轉(zhuǎn)方向和位置，這通常采用絕對值多圈編碼器來完成。

　　我們提供廣泛的產(chǎn)品選擇，包括標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品和定制解決方案，并充分考慮陸上和海上應(yīng)用中所需分辨率和接口、現(xiàn)場安裝條件以及耐用性和牢固性方面的要求，以適應(yīng)每一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)特定的技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

　　滿足嚴(yán)格的安全要求的堡盟編碼器系列包括大批不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的絕對值和增量式編碼器（圖8），它們均符合SIL3（IEC 62061）和PLe標(biāo)準(zhǔn)（EN ISO 13849-1）。