可靠编码器和测速发电机在风机系统控制

　　前言:陆上和海上风力发电机通常都会使用十多个能正确完成任务并耐受极其严酷的环境条件的传感器。
　　
　　风力发电机不仅曝露于自然环境中，而且必须在zui恶劣的条件下可靠地运行。即使在运行20或30年后，人们仍然希望它们能够在任何天气中保持*的运行状态，提供zui高的经济效益，并具有zui短的停机时间。要实现这些目标，需要采用精密的具有安全和性能可靠性的传感器技术。增量式传感器和测速发电机起着主要作用，它们必须同时满足可靠性和耐用性方面的苛刻要求。陆上和海上风力发电机通常都会使用十多个能正确完成任务并耐受极其严酷的环境条件的传感器。
　　
　　如同风力发电机在尺寸、性能和结构上的有所不同，对其所用传感器的要求也多种多样。如果希望在该市场取得成功，就必须考虑风机制造商和业主在结构、维护和运行方面的不同需求。堡盟广泛的产品系列融合了堡盟丰富的技术知识和多年的专业经验，能充分满足以上要求。堡盟集团运动控制产品部门可为风能行业中的各种应用提供满足当前及未来要求的合适产品（图1a、图1b）。　　图1a：十多个编码器和测速发电机在确保风力发电机安全可靠、经济和长期稳定地运行方面具有不可忽视的作用。　　图1b：一站式解决方案：多年以来，堡盟与风力发电机制造商密切合作，精心开发定制解决方案。其广泛的产品选择几乎可以满足任何应用要求。
　　
　　转子速度和位置反馈
　　
　　为了确保风力发电机实现*性能和*效率，必须根据风力、风向调节转子速度。用于监测转速的增量式传感器可直接安装在转子轮毂上或者安装在风力发电机的传动系统上，用以获取当前的转子速度，并将信息传输至主控制器。
　　
　　值编码器可随时提供转子位置反馈，其zui大分辨率为17位，并常常采用并联增量通道来获得冗余速度反馈。更多的高性能产品还包括HDmag系列新型无轴承磁编码器，这些编码器也能地完成发电机反馈任务。凭借极其紧凑的结构设计，它们在安装过程中允许较大的轴向和径向容差。用于高度动态应用的无轴承编码器可直接安装在快速旋转的发电机轴上，在20年时间中需完成25,000,000,000多圈。这显然超出了球轴承的能力。zui大通孔直径为740mm的编码器直接安装在轮毂上（图6）。无轴承编码器每转产生500,000多个脉冲，凭借这一高分辨率它们可以采集相对较低的转子转速。　　图6：zui大通孔直径为740mm的无轴承增量式或值编码器直接安装在转子轮毂上。
　　
　　转子叶片定位：给值编码器提出的挑战
　　
　　转子叶片的桨距角是风力发电机发电效率的关键。为了zui大限度地利用不同风向的风力，转子叶片的迎风面必须与风向保持一致。由于在断电时值编码器（图3）也能保存位置值，并在冗余发电机重新启动时作为参考循环，因此它们是位置反馈的产品。　　图3：转子叶片变浆控制：对采用SSI、CANopen或任何其它现场总线接口以及以太网技术的值编码器提出的挑战。
　　
　　值编码器可采用通孔和轴型设计。它们集成在桨距系统中，并在偏航机构的作用下随同每个转子叶片移动，从而实现了冗余测量。通过可选的SSI、CANopen、Ethernet或其它现场总线接口，所采集的数值被传输至风力发电机的主控制器。
　　
　　用于发电机反馈的编码器
　　
　　发电机转速是风力发电场运行的重要因素：首先是确保稳定的电网供电，其次是在超过zui高转速极*使风机紧急停止。实践证明，对这些应用而言，增量式编码器是一种可靠的选择。由于超速开关可作为超出速度阈值时的紧急停止触发器（图4），增量式编码器可与之配合使用，在发电场的盈利能力和运行安全方面起着关键作用。　　图4：由于超速开关可作为超出速度阈值时的紧急停止触发器，增量式编码器或测速发电机可与之配合使用，在发电场的盈利能力和运行安全方面起着关键作用。
　　
　　通孔直径在150mm以内的重载编码器产品可提供zui高每转10,000个脉冲。例如，HOG131编码器系列的特点是具有出色的抗振性和的耐候性，是适合在高盐分空气和恶劣海上环境中应用的产品（图2）。　　图2：例如，HOG131编码器系列的特点是具有出色的抗振性和的耐候性，是适合在高盐分空气和恶劣海上环境中的应用的产品
　　
　　轴型编码器采用特殊密封，以满足坚固性要求。凭借集成的防雷保护装置、-40°C至+100°C的工作温度以及特殊的表面保护，即使在极限条件下也能确保可靠的运行。集成的状态监控功能（图5）可用作故障预警系统，从而大大降低了发生意外故障的风险。由于潜在错误在定期维护过程中得以消除，从而避免了因传感器故障而造成不可容忍的发电场停机时间。　　图5：通过集成的状态监控功能（EMS–增强监测系统）进一步增强安全性：由于潜在错误在定期维护过程中得以消除，从而避免了因传感器故障而造成不可容忍的发电场停机时间。
　　
　　机舱运动控制：值多圈编码器实现定位
　　
　　为了*地利用主导风以确保风力发电场的发电效率zui高，机舱必须旋转并与当前风向保持一致。所谓的方位角定位需要同时获取旋转方向和位置。该任务通常由值多圈编码器（图7）通过光感应或磁感应来完成。紧凑的结构、*的抗冲击和抗振动能力以及极广的工作温度范围，确保值多圈编码器具有长期的可靠性。堡盟提供的拥有保护的编码器解决方案可耐受zui高500G的持续冲击影响，并采用电绝缘轴有效防止轴电流的影响。　　图7：的机舱运动控制：对于所谓的方位角定位，必须同时获取旋转方向和位置，这通常采用值多圈编码器来完成。
　　
　　我们提供广泛的产品选择，包括标准化产品和定制解决方案，并充分考虑陆上和海上应用中所需分辨率和接口、现场安装条件以及耐用性和牢固性方面的要求，以适应每一个风力发电机特定的技术和结构特点。
　　
　　满足严格的安全要求的堡盟编码器系列包括大批不同机械结构的值和增量式编码器（图8），它们均符合SIL3（IEC62061）和PLe标准（ENISO13849-1）。　　图8：满足严格的安全要求的堡盟编码器系列包括大批不同机械结构的值和增量式编码器（图8），它们均符合SIL3（IEC62061）和PLe标准（ENISO13849-1）　　图9：令人印象深刻的风力发电机需要大量可靠的传感器，确保长期、、安全的可再生能源供给。