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(guó)Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)表明，在2008年，美國(guó)風(fēng)能產(chǎn)量激增了51%，新增容量達(dá)8545MW，新增投資超過(guò)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(lái)控制整個(gè)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。

● 發(fā)電機(jī)速度是通過(guò)跟蹤發(fā)電機(jī)軸的每分鐘轉(zhuǎn)速（rpm）來(lái)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)位置將需要在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加來(lái)自接近開(kāi)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(duì)型編碼器
絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器有單匝或多匝型，它是通過(guò)讀取光具盤(pán)或某種類型的磁力接收系統(tǒng)上的多個(gè)記錄來(lái)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(jí)，不再需要使用電池來(lái)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(duì)型編碼器通過(guò)SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口來(lái)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(duì)型編碼器不能夠用于跟蹤發(fā)電機(jī)速率。不過(guò)，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。