淺談變槳系統(tǒng)中的位置傳感器

文/中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司 軒轅曉東 李宏斌/

1 前言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要根據(jù)風(fēng)速來確定槳葉的角度，通過改變槳葉的角度，來改變槳葉轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和功率，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的輸出功率。槳葉旋轉(zhuǎn)角度在0°到90°之間。槳葉角度調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)（三套伺服電機(jī)通過減速器分別驅(qū)動(dòng)三片槳葉運(yùn)動(dòng)）和液壓驅(qū)動(dòng)(一個(gè)液壓缸通過一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)推動(dòng)三片槳葉同步運(yùn)動(dòng)或三個(gè)液壓缸通過三套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)三片槳葉運(yùn)動(dòng))兩種方式，兩種驅(qū)動(dòng)方式都需要傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控槳距角，當(dāng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過測量角位移來間接測量槳距角，當(dāng)采用液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過測量線性位移來測量槳距角。

2 電動(dòng)變槳旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和原理

2.1 電動(dòng)變槳編碼器的位置和控制策略

輪轂里有三套電池盒和軸控制盒以及感應(yīng)電機(jī)和減速機(jī)，在輪轂和機(jī)艙連接處有電氣開關(guān)盒，通訊總線和電纜是靠滑環(huán)與機(jī)艙的主控制器連接的，目前，兆瓦級以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用電機(jī)控制槳葉的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)。

電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

每只槳葉都有單獨(dú)的電機(jī)和減速機(jī)放置在輪轂處，每臺共三套。其中電機(jī)后部安裝了一只多圈絕對值編碼器，常用SSI等串行通訊協(xié)議＋增量信號或正余弦信號編碼器，SSI信號連接到變槳控制器作為槳葉位置反饋，增量信號或正余弦信號連接到驅(qū)動(dòng)控制器作為轉(zhuǎn)子速度反饋。為了提供系統(tǒng)的可靠性，在槳根處也安裝了一只多圈絕對值編碼器。該編碼器連接到變槳控制器作為槳葉位置的冗余反饋信號，常用SSI協(xié)議絕對值編碼器。

電動(dòng)變槳控制策略框圖

2.2 旋轉(zhuǎn)式編碼器的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個(gè)正弦波相差90度相位差（相對于一個(gè)周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

絕對位置從碼盤上讀取，在碼盤上，每一位對應(yīng)一個(gè)碼道，每個(gè)數(shù)位編碼器對應(yīng)一個(gè)輸出電路，每一個(gè)通道都包含一個(gè)光源的接收器，每圈 (360°) 讀數(shù)完成后，將重復(fù)讀數(shù)輸出。

絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器GM400

內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖

變槳系統(tǒng)上應(yīng)用的編碼器安裝在機(jī)頭中并隨其一起旋轉(zhuǎn)，這就要求編碼器要有很好的抗沖擊振動(dòng)能力，而風(fēng)機(jī)工作在環(huán)境惡劣的野外，晝夜溫差大，這就要求編碼器堅(jiān)固耐用，可靠性高，可靠性主要取決于絕對值編碼器多圈計(jì)數(shù)的技術(shù)。

絕對值編碼器多圈計(jì)數(shù)比較表

從上圖可以看出，采用機(jī)械齒輪計(jì)圈技術(shù)，由于沒有使用任何壽命器件，因而工作溫度更寬，使用壽命更長。

信號輸出有正弦波（電流或電壓）、方波（TTL、HTL）、集電極開路（PNP、NPN）、推拉式多種形式，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。

3 液壓變槳中位置傳感器的結(jié)構(gòu)和原理

3.1 液壓變槳位置傳感器的位置和控制策略

丹麥的風(fēng)機(jī)制造企業(yè)普遍采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，其液壓變槳技術(shù)已經(jīng)有超過25年的歷史。每個(gè)變槳系統(tǒng)由一個(gè)與輪轂連接的液壓缸組成，液壓缸的活塞桿與葉根上的曲柄銷連接。協(xié)助變槳缸運(yùn)行的閥門裝在分配管組上，用螺栓直接固定在液壓缸上。

液壓變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PLC發(fā)出命令控制比例閥流量的大小來改變槳葉的變槳速度，比例閥的LVDT反饋實(shí)際位置，每個(gè)液壓缸的后面都有一個(gè)線性位置傳感器作為槳葉位置的反饋信號。

3.2 位置傳感器原理與基本結(jié)構(gòu)

電液伺服控制液壓缸系統(tǒng)中，目前經(jīng)常使用的線位移傳感器有電感型、電位計(jì)式、電容式、光柵式和磁柵式等。

LVDT(Linear.Variable.Differential.Transformer)是線性可變差動(dòng)變壓器縮寫。工作原理簡單地說是鐵芯可動(dòng)變壓器。它由一個(gè)初級線圈、兩個(gè)次級線圈、鐵芯、線圈骨架、外殼等部件組成。當(dāng)鐵芯由中間向兩邊移動(dòng)時(shí)，次級兩個(gè)線圈輸出電壓之差與鐵芯移動(dòng)成線性關(guān)系。

LVDT原理圖

比例閥用LVDT

當(dāng)初級線圈P1，P2之間供給一定頻率的交變電壓時(shí)，鐵芯在線圈內(nèi)移動(dòng)改變了空間的磁場分布，從而改變了初、次級線圈之間的互感量，次級線圈S11，S22之間就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，隨著鐵心的位置不同，互感量也不同，次級產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也不同，這樣就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出，由于兩個(gè)次級線圈電壓極性相反，輸出電壓為差動(dòng)電壓。

用LVDT精確測量雙向比例閥的閥芯的位置，以便輸出4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號經(jīng)過與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較后輸出一個(gè)調(diào)節(jié)信號給與閥相連的電磁開關(guān)線圈，以便在閉環(huán)閥門控制系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)精確控制閥芯的位置。

磁致伸縮線性位移傳感器，是基于磁致伸縮原理用于測量線性位移的一種傳感器，主要由磁致伸縮敏感元件(波導(dǎo)絲)、電子電路、保護(hù)外殼、非接觸磁環(huán)組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖一所示。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電路產(chǎn)生一個(gè)“起始脈沖”，此脈沖沿著波導(dǎo)絲傳輸，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)沿著波導(dǎo)絲方向的螺旋磁場，當(dāng)此磁場與非接觸磁環(huán)的磁場相遇時(shí)，波導(dǎo)絲產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，即產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械波沿著波導(dǎo)絲傳向電路，此機(jī)械波以恒定速度V傳輸，電路部分有一個(gè)拾能機(jī)構(gòu)將此機(jī)械波轉(zhuǎn)換成一個(gè)微弱電信號IEo，經(jīng)過放大后得到一個(gè)“終止脈沖”，通過計(jì)算得出“起始脈沖”與“終止脈沖”之間的時(shí)間差T，因此位移值L即等于VT。

3.3 微脈沖位移傳感器巴魯夫的調(diào)節(jié)

1）示教模式

用來設(shè)置一個(gè)新的零點(diǎn)和終點(diǎn)來替代工廠設(shè)定。首先將定位磁環(huán)移到新的零點(diǎn)，然后再移到新的終點(diǎn)，通過按壓按鍵，保存相應(yīng)的數(shù)值。

2）校準(zhǔn)模式

可通過該方法校準(zhǔn)新的零點(diǎn)和終點(diǎn)數(shù)值。當(dāng)定位磁環(huán)無法移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)的零點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí)，就有可能使用這種方法。移動(dòng)定位磁環(huán)到新的起始和終止位置，然后按壓按鍵調(diào)節(jié)顯示的數(shù)值，直到到達(dá)期望的數(shù)值

3）在線調(diào)節(jié)

編程功能允許用戶在工作時(shí)（如閉環(huán)結(jié)構(gòu)中）設(shè)置零點(diǎn)和終點(diǎn)。在設(shè)置過程中不會輸出錯(cuò)誤信號，因此不會出現(xiàn)液壓缸動(dòng)作不受控的情況。

4 結(jié)論

位置傳感器可分為兩種，角位移傳感器和直線位移傳感器。其中角位移傳感器常用在電動(dòng)變槳系統(tǒng)中，具有可靠性高、成本低、安裝空間、機(jī)械間隙和長期維護(hù)很麻煩的特點(diǎn)。直線位移傳感器常用在液壓變槳系統(tǒng)中，具有工作原理簡單、測量精度高、高分辨率、可靠性強(qiáng)、價(jià)格比同類型位移產(chǎn)品稍高的特點(diǎn)。

[1]維斯塔斯技術(shù)部,《V52總圖》編號944659,2004,9.

[2]姜鎮(zhèn)軍.磁致伸縮液壓缸位移傳感器[D].大連理工大學(xué),2007.