風(fēng)電滑環(huán)編碼器防雷保護(hù)模塊研究設(shè)計(jì)

陳 年，李 唐，史曉勇，沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，揚(yáng)州 225000)

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風(fēng)電滑環(huán)編碼器防雷保護(hù)模塊研究設(shè)計(jì)

陳 年，李 唐，史曉勇，沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，揚(yáng)州 225000)

針對(duì)風(fēng)電滑環(huán)編碼器受雷擊故障率高，影響用戶(hù)風(fēng)機(jī)正常使用的問(wèn)題，根據(jù)編碼器損壞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)編碼器電源的保護(hù)模塊，分析了編碼器故障的根本原因是感應(yīng)電壓，進(jìn)而設(shè)計(jì)了釋放感應(yīng)電壓模塊，該模塊可吸收瞬間釋放感應(yīng)電壓，將編碼器實(shí)際工作電壓穩(wěn)定在允許的40VDC以?xún)?nèi)，從而保證了編碼器的安全。該模塊體積小，最終與編碼器電纜融為一體，安裝方便，保護(hù)效果佳。

風(fēng)電滑環(huán)；編碼器；感應(yīng)電壓；雷擊

0 引 言

在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，保持風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速(也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)不變，從而得到恒頻的電能，所以編碼器是風(fēng)電發(fā)電中至關(guān)重要的一環(huán)。編碼器屬于精密器件，而風(fēng)電滑環(huán)使用環(huán)境比較惡劣，遇到極寒、雷電等天氣，會(huì)對(duì)編碼器產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。對(duì)損壞的一批編碼器進(jìn)行拆卸分析，發(fā)現(xiàn)編碼器損壞的部位可以定位到TI芯片SN65LBC176D損壞的引腳為接地引腳，如圖1所示。

圖1 損壞的穩(wěn)壓管

接地引腳的損壞，有可能有以下3種耦合途徑發(fā)生：

(1) 電阻耦合(地反擊)：其發(fā)生是由于兩點(diǎn)間的地不平衡，引起干擾電流的流動(dòng)，輕則干擾信號(hào)，重則損壞后端設(shè)備；

(2) 電容性耦合；

(3) 電感性耦合。

結(jié)合滑環(huán)的故障現(xiàn)象，編碼器是工作一段時(shí)間后或者遇到雷雨天氣故障，故排除電壓接反和輸入端過(guò)電壓造成的原因，所以造成編碼器損壞的主要原因是瞬間高電壓接入或者電路中的沖擊電流。同時(shí)滑環(huán)與系統(tǒng)連接已經(jīng)做了絕緣處理，所以沖擊電流不可能通過(guò)編碼器軸引入，剩下的原因只能是瞬間高電壓或者沖擊電流通過(guò)編碼器連接電纜引入編碼器，從而燒毀編碼器內(nèi)部器件。

文章設(shè)計(jì)了一種編碼器防雷保護(hù)模塊，并對(duì)該方法的可行性、經(jīng)濟(jì)性做了分析。

1 感應(yīng)電壓的產(chǎn)生

由于大電機(jī)的啟動(dòng)、信號(hào)電纜線(xiàn)離動(dòng)力線(xiàn)過(guò)近、雷擊大電流通過(guò)避雷針入地或通過(guò)金屬構(gòu)件經(jīng)過(guò)室內(nèi)流入接地端，因法拉第電流感應(yīng)原理而對(duì)于空間產(chǎn)生瞬間電磁變化，這種電磁場(chǎng)變化又會(huì)通過(guò)編碼器電纜感應(yīng)到信號(hào)兩端，獲得浪涌電壓。如果接地不規(guī)范或者編碼器電纜不專(zhuān)業(yè)，這種浪涌的可能性就更大。這種浪涌電壓往往在短時(shí)間獲得較高的電壓值，這種電壓值如大于編碼器的信號(hào)端電壓限值，瞬間擊穿編碼器信號(hào)端口或接收端口[2]。

浪涌電壓的產(chǎn)生原因有2個(gè):一個(gè)是雷電;另一個(gè)是接通、斷開(kāi)電感負(fù)載或大型負(fù)載。帶電插拔也會(huì)產(chǎn)生高的感應(yīng)電壓。若雷電直接擊中線(xiàn)路，產(chǎn)生的浪涌電壓更為強(qiáng)烈，危害更大。

2 電源保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

編碼器的工作電源范圍為10～40VDC，編碼器供電一般選用24VDC，感應(yīng)電壓瞬間可以達(dá)到上千伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)編碼器的承受范圍，故考慮在電源端加入保護(hù)模塊，利用TVS管極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，將進(jìn)入編碼器的電源電壓箝制到允許水平，即40V左右，而實(shí)際給編碼器供電的電源是經(jīng)過(guò)變換的12V，在編碼器的工作范圍之內(nèi)[3-4]。其原理如圖2所示。

圖2 保護(hù)模塊原理圖

2.1 電源保護(hù)模塊工作原理

變槳系統(tǒng)提供的直流電壓一般為24VDC，當(dāng)電源端感應(yīng)到電壓，會(huì)在輸入端口產(chǎn)生瞬間上千伏的高電壓， 這里的TVS管SMBJ26A，將瞬間感應(yīng)高電壓釋放到大地，并將高電壓箝制到40V左右水平，該電壓是不超過(guò)LM2596的工作范圍的，故不影響LM2596工作，也就保證了進(jìn)入編碼器的電壓為12V，從而達(dá)到了保護(hù)編碼器的目的。

2.2 主要元件的典型參數(shù)選取

2.2.1TVS管選取

(1) 先從工作電壓24V選取最大反向工作電壓VRWM為26V，則擊穿電壓為:VBR=VRWM/0.85=26/0.85=30.59V。

(2) 從擊穿電壓值選取最大箝位電壓

VC(max)=1.3VBR=30.59×1.3=39.76V。選取10KP26CA，功率為10kW，反向關(guān)斷電壓VRWM為26V，擊穿電壓為28.9～33.2V，最大箝位電壓為VC=42V。

2.2.2 可恢復(fù)保險(xiǎn)絲選取

編碼器工作電壓24V，電流20mA，最大電流50mA;保持電流I=50×3=150mA;選取型號(hào)為SMD016-1206-R;觸發(fā)電流It=0.37A;最大電壓Vmax=48V。

2.2.3 其他器件選取

電源芯片為L(zhǎng)M2596，輸入電壓為15V≤VIN≤40V，負(fù)載電流為 0.2A≤ILOAD≤3A，最大電源電壓Vmax=45V>VC=42V，故保障了LM2596工作在安全電壓。二極管為1N5825。

3 浪涌試驗(yàn)

3.1 浪涌試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)GB/T17626.5做浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)[5-6]。對(duì)于連接到電源線(xiàn)的端口，使用1.2/50μs組合波發(fā)生器。

發(fā)生器的特性與性能：極性為正負(fù)；重復(fù)率為每分鐘一次或更快；開(kāi)路輸出電壓峰值為0.5kV起至所需的試驗(yàn)電平，可調(diào)；浪涌電壓波形如圖3所示;短路輸出電流峰值與設(shè)置的電壓峰值有關(guān)；浪涌電流波形如圖4所示；有效輸出阻抗為2(1+10%)Ω。

圖3 未連接CDN的發(fā)生器輸出端的開(kāi)路電壓波形(1.2/50 μs)

圖4 未連接CDN的發(fā)生器輸出端的短路電流波形(8/20 μs)

3.2 實(shí)物及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)設(shè)備浪涌發(fā)生器人機(jī)界面和印刷電路板(PCB)實(shí)物如圖5所示。該P(yáng)CB長(zhǎng)寬為89mm×29mm，最高處18mm，模塊體積小。

圖5 實(shí)物及試驗(yàn)儀器參數(shù)設(shè)置

3.3 試驗(yàn)步驟

首先將編碼器電源端接到保護(hù)模塊的輸出端，調(diào)節(jié)浪涌發(fā)生器，從等級(jí)1至等級(jí)4分別做浪涌試驗(yàn)；然后在不加保護(hù)模塊的條件下，直接將浪涌施加至編碼器電源端，從等級(jí)1至等級(jí)4分別做浪涌試驗(yàn)；分析試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 浪涌試驗(yàn)

3.4 試驗(yàn)分析

在沒(méi)有保護(hù)模塊的條件下，等級(jí)1和等級(jí)2的浪涌對(duì)Baumer編碼器無(wú)影響，編碼器檢測(cè)儀器顯示的數(shù)據(jù)(位置、速度和脈沖數(shù))均正常。

當(dāng)施加3級(jí)浪涌 (即瞬間2kV電壓) 時(shí)，編碼器受影響不能正常工作，編碼器檢測(cè)儀器的位置輸出為0，脈沖數(shù)不正確，但重新給編碼器上電，編碼器可以恢復(fù)繼續(xù)工作。

達(dá)到4級(jí)浪涌(即瞬間4kV電壓)時(shí)，編碼器損壞，損壞瞬間編碼器表面發(fā)熱，此后重新上電編碼器也不能恢復(fù)工作。

在有保護(hù)模塊的條件下，浪涌能量被保護(hù)模塊吸收釋放，編碼器得到了保護(hù)，施加4級(jí)浪涌時(shí)，編碼器仍然可以正常工作，編碼器檢測(cè)儀器顯示數(shù)據(jù)正常。

最終該保護(hù)模塊設(shè)計(jì)安裝在編碼器電纜中，外面用塑料殼保護(hù)，如圖6所示。

這樣做好處有2點(diǎn)：

(1) 保護(hù)模塊靠近編碼器，保護(hù)效果更好；

圖6 保護(hù)模塊安裝在編碼器電纜中

(2) 更換方便，作為電纜提供給客戶(hù)。

4 結(jié)論與展望

編碼器損壞是滑環(huán)損壞的主要原因。本文設(shè)計(jì)的編碼器保護(hù)模塊具有體積小、成本低的特點(diǎn)，同時(shí)編碼器電源通過(guò)4級(jí)浪涌沖擊試驗(yàn)，大大提高了編碼器抗雷擊能力。

[1] 徐忱,范玲.旋轉(zhuǎn)編碼器原理及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2007(17)：57-58.

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[6] 胡國(guó)強(qiáng),高勇峰.風(fēng)電機(jī)組電氣滑環(huán)接觸不良問(wèn)題的解決方案[J]，2013(1)：78-80.

StudyandDesignofLightningProtectionModuleforWindPowerSlipRingEncoder

CHENNian，LITang，SHIXiao-yong，SHAXu-nan

(CSICHebowi(Jiangsu)TechnologyDevelopmentCo.Ltd.,Yangzhou225000,China)

Forlightningfailurerateofwindpowerslipringencoderishigh,whichinfluencesusersonusingthewindmachinenormally.Accordingtothecharacteristicsofencoderdamage,thispaperdesignsaprotectionmoduleofencodersupply,analyzesthattherootcauseofencoderfaultisinducedvoltage,thendesignsthemoduleforreleasinginducedvoltage.Themodulecanabsorbtheinducedvoltagereleasedinstantly,makesthepracticaloperatingvoltagestablewithin40VDCwhichispermitted,sotheencodersafetyisensured.Thesizeofthemoduleissmall,sothemoduleisintegratedwiththeencodercable,whichisconvenienttobeinstalledandmakestheprotectiveeffectwell.

windpowerslipring；encoder；inducedvoltage；lightning

2016-06-23

TN

A

CN32-1413(2016)05-0113-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.028