Sick-Stegmann：風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)中的旋轉(zhuǎn)編碼器

編碼器技術(shù)是風(fēng)能獲取的關(guān)鍵

旋轉(zhuǎn)編碼器在風(fēng)能產(chǎn)業(yè)中起著非常重要的作用，它提供了使用當(dāng)前渦輪機(jī)中非常動(dòng)態(tài)靈活的控制系統(tǒng)所必不可少的高分辨率反饋。選擇合適的編碼器將能夠極大地增強(qiáng)系統(tǒng)以最佳功率輸出運(yùn)行的能力，并使投資的回報(bào)最大化。

美國Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)表明，在2008年，美國風(fēng)能產(chǎn)量激增了51%，新增容量達(dá)8545MW，新增投資超過160億美元。新建離網(wǎng)型渦輪機(jī)7800臺(tái)、并網(wǎng)型渦輪機(jī)1292臺(tái)。每臺(tái)渦輪機(jī)的平均產(chǎn)能大約是1.7MW。風(fēng)能產(chǎn)能比2007年增加了約46%。

風(fēng)力渦輪機(jī)的剖面圖展示了一種常用的控制系統(tǒng)，如圖1所示。這類系統(tǒng)通常使用5個(gè)編碼器，它提供反饋，以維持發(fā)電機(jī)在不同的風(fēng)力條件和不同的負(fù)載需求下的性能。

圖1 風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)中使用了多達(dá)5個(gè)編碼器

● 隨著風(fēng)力條件的變化，葉片距控制系統(tǒng)維持著轉(zhuǎn)子的速度。

● 偏航控制系統(tǒng)（方位）根據(jù)風(fēng)向來控制整個(gè)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

● 發(fā)電機(jī)速度是通過跟蹤發(fā)電機(jī)軸的每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）來進(jìn)行監(jiān)控的。

風(fēng)力渦輪機(jī)中常用的3種類型的旋轉(zhuǎn)編碼器是增量型、絕對型和混合型，其中每種技術(shù)都各有利弊。下面的概述將幫助引導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師找出對應(yīng)系統(tǒng)各個(gè)部分的最佳編碼器。

增量型編碼器
增量型旋轉(zhuǎn)編碼器是單匝設(shè)備，在軸的每一周旋轉(zhuǎn)中都產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖。這種反饋類型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)軸轉(zhuǎn)速的變化，因此非常適用于跟蹤渦輪發(fā)電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）。此外，它還具有應(yīng)用范圍廣以及成本比其他類型更低的優(yōu)點(diǎn)。

增量型編碼器可以用于控制葉片距和偏航角的變化，但是它無法保存位置數(shù)據(jù)。驗(yàn)證和跟蹤葉片及發(fā)動(dòng)機(jī)的相對位置將需要在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加來自接近開關(guān)或霍爾效應(yīng)傳感器的額外輸入當(dāng)作參考點(diǎn)。

絕對型編碼器
絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器有單匝或多匝型，它是通過讀取光具盤或某種類型的磁力接收系統(tǒng)上的多個(gè)記錄來分辨軸向位置的。這種類型具有保存位置數(shù)據(jù)的能力，哪怕是控制系統(tǒng)斷電也可以。多匝型包括用于記錄軸轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)（精確到千位）的齒輪級，不再需要使用電池來保存位置信息。位置數(shù)據(jù)是直接讀取的，而不是以增量方式讀取，并且在上電后很快即可使用。

絕對型編碼器通過SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口來提供位置反饋數(shù)據(jù)。這些接口可能會(huì)限制反饋位置數(shù)據(jù)的傳送速率，所以它不是實(shí)時(shí)的。因此，絕對型編碼器不能夠用于跟蹤發(fā)電機(jī)速率。不過，這并不影響它被用于跟蹤變化較緩慢的發(fā)電機(jī)位置，也不影響被用于某些葉片距控制系統(tǒng)中。

混合型旋轉(zhuǎn)編碼器
混合型編碼器有單匝或多匝型，它本身提供了增量型和絕對型編碼器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。這為用戶提供了替換2個(gè)編碼器的潛在可能性，可降低成本和占用空間。這種類型的編碼器提供脈沖或正弦/余弦波形，非常適用于葉片距控制系統(tǒng)，因?yàn)樗峁┝宿D(zhuǎn)速高達(dá)6000rpm的電機(jī)所需要的實(shí)時(shí)反饋，同時(shí)還能夠在系統(tǒng)斷電時(shí)保存絕對的單匝或多匝位置數(shù)據(jù)。目前，有許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)增加了標(biāo)準(zhǔn)輸入，以便接收正弦/余弦波形反饋。有時(shí)，客戶可以獲得更高的電機(jī)效率。

縱覽
并不是所有的旋轉(zhuǎn)編碼器都同等重要，當(dāng)今的增量型、絕對型和混合型編碼器設(shè)計(jì)中所用到的光學(xué)和磁學(xué)技術(shù)在不斷改進(jìn)以增加分辨率，溫度范圍和耐用性。光學(xué)編碼器設(shè)計(jì)利用Opto-ASIC等新技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，第二或第三代設(shè)計(jì)提供了更高的分辨能力，更快的工作轉(zhuǎn)速，并改善了工作溫度范圍。此外，Opto-ASIC通過電場可調(diào)分辨率、輸出驅(qū)動(dòng)類型（TTL或HTL）和標(biāo)記物寬度，使得用戶能夠?qū)幋a器進(jìn)行編程。

金屬光具盤是另一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的重要編碼器部件，它使得編碼器能夠工作在惡劣的環(huán)境中，并提供了更高的分辨率。過去，增量型和絕對型編碼器需要使用玻璃光具盤來實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，但它降低了對震動(dòng)和振動(dòng)的抵抗能力。新出現(xiàn)的金屬光具盤將分辨率提升了6倍，無須使用電子乘法器，并具有更好的震動(dòng)和振動(dòng)性能。

許多新型編碼器設(shè)計(jì)都減小了外殼的尺寸。但是，如果設(shè)計(jì)和建造不能達(dá)到高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么所有這些技術(shù)改進(jìn)和體積縮減都沒什么價(jià)值。例如，軸承的質(zhì)量，裝配方式以及軸承之間的距離都將極大影響編碼器的壽命。