堡盟電子（上海）有限公司

1 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有悠久的歷史，它發(fā)源于古老的風(fēng)車。早在十九世紀(jì)末期，首套發(fā)電設(shè)施就已經(jīng)問世。今天，可再生能源市場競爭非常激烈，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須滿足最嚴(yán)苛的性能要求和成本效益要求?？煽啃浴踩院陀行允橇悴考x擇的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，用于轉(zhuǎn)子葉片的位置反饋和槳距控制用編碼器也不例外。以下應(yīng)用描述了帶電池緩沖保護(hù)的多圈絕對值編碼器是如何再次通過工業(yè)實(shí)踐的檢驗(yàn)的。

德國Vensys能源股份有限公司是兆瓦級直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的領(lǐng)先制造商。目前Vensys發(fā)電機(jī)在三大洲提供可靠能源，如圖1所示。這些發(fā)電機(jī)以其注重簡單性和減少機(jī)械易損件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念而取勝，如圖2所示。由轉(zhuǎn)子驅(qū)動的永磁發(fā)電機(jī)、專利型冷卻系統(tǒng)和低磨損帶式傳動變槳控制系統(tǒng)，為可靠運(yùn)行并減少維護(hù)量創(chuàng)造了前提條件。所用零部件必須具有高度的可靠性和長期耐用性，Vensys在這方面絕不允許任何紕漏。安裝在變槳系統(tǒng)中用于轉(zhuǎn)子葉片位置反饋的編碼器就是一個(gè)很好的例子。

圖1 Vensys風(fēng)力發(fā)電機(jī)是自1990年開始并持續(xù)至今的密集研發(fā)活動的成果

圖2 Vensys發(fā)電機(jī)以其注重簡單性和減少機(jī)械易損件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念而取勝

2 令人嘆服的可靠技術(shù)

槳距是指轉(zhuǎn)子葉片的迎風(fēng)角度（也稱攻角），對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率具有決定性的作用。轉(zhuǎn)子葉片定位必須考慮風(fēng)速，這是因?yàn)楸仨毷紫却_保最大輸出功率，其次防止短時(shí)強(qiáng)風(fēng)和高風(fēng)速造成發(fā)電機(jī)損壞。轉(zhuǎn)子葉片位置由編碼器獲得，如圖3所示，編碼器通過SSI接口發(fā)送信號至槳距控制系統(tǒng)，以便根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行葉片定位。

工程碩士Frank Becker是Vensys公司的槳距系統(tǒng)專家，他為我們介紹了尋找最佳編碼器解決方案最重要的因素?！帮L(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)可不是件容易的事，因此我們對零部件質(zhì)量的要求是非?？量痰?。堡盟多圈絕對值編碼器（如圖4所示）最打動我們的是它們早已在類似的應(yīng)用中證明了其長期可靠性。此外，無齒輪多圈絕對值編碼器原理也符合我們自己公司的產(chǎn)品理念，因?yàn)槲覀兊娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)也是無齒輪直驅(qū)式發(fā)電機(jī)。

圖3 a 用于轉(zhuǎn)子葉片位置反饋的編碼器直接安裝在變槳馬達(dá)的軸上，該信號通過SSI接口傳輸至變槳控制系統(tǒng)

圖3 b 變槳控制是堡盟絕對值編碼器最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，多年來在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中成功經(jīng)歷了考驗(yàn)

圖4 堡盟多圈絕對值編碼器利用可靠的非接觸感應(yīng)原理，并采用集成電路來計(jì)算圈數(shù)

3 電池解決方案是首選

每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片上安裝的多圈編碼器提供了精確的槳距控制。自1992年以來，堡盟就一直非常重視非接觸式、無磨損感應(yīng)技術(shù)的開發(fā)。堡盟運(yùn)動控制產(chǎn)品全球銷售市場總監(jiān)Joachim Acker描述了其功能原理：“帶鋰電池緩沖保護(hù)的ASIC電路負(fù)責(zé)計(jì)算并記錄圈數(shù)。這樣始終可以在接通電源后立即獲得當(dāng)前位置，無需任何參考，而且對圈數(shù)幾乎沒有限制。此外，避免了機(jī)械易損件”。

電池隔離性高、無充電循環(huán)以及編碼器功耗低等特點(diǎn)極大地延長了編碼器的使用壽命?！白?992年以來，在現(xiàn)場安裝的一百多萬臺編碼器無一出現(xiàn)電池故障?！盇cker先生解釋說。其長期的電池性能更令Vensys深為嘆服?！皩?shí)踐證明，編碼器所使用的電池在工業(yè)應(yīng)用中具有長期的可靠性——無論是在我們的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，還是在心臟起搏器等裝置中。此外，電池狀態(tài)監(jiān)測也非常簡便。如果發(fā)生電量低的預(yù)警，例如低于25%時(shí)，我們可以在每年一到兩次的可預(yù)測維護(hù)期間安排更換編碼器。但是對齒輪而言，則無法在損壞之前發(fā)出警告，從而導(dǎo)致不可預(yù)測、成本高昂且不堪忍受的停機(jī)時(shí)間?！盉ecker先生說。

4 在極廣的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠

由于采用電子集成電路來計(jì)算圈數(shù)，極其耐用的堡盟多圈編碼器甚至可采用大軸徑通孔設(shè)計(jì)，如圖5所示。它們利用最高36位分辨率，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12,000 rpm，而實(shí)際應(yīng)用中并無如此高的要求，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的特征是轉(zhuǎn)速范圍在200～800 rpm之間。但是，在緊急停機(jī)時(shí)，編碼器必須承受從0～1500 rpm的巨大加速度?！斑@顯然是電子解決方案優(yōu)于機(jī)械齒輪的另一個(gè)令人信服的優(yōu)點(diǎn)?！盉ecker先生強(qiáng)調(diào)說。

雖然安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的多圈編碼器并未完全曝露于風(fēng)雨中，但是轉(zhuǎn)子和變槳系統(tǒng)并不能完全密封，因此編碼器必須耐受惡劣的環(huán)境條件。堡盟多圈絕對值編碼器具有IP65防護(hù)等級，同時(shí)具有極佳的抗沖擊和抗振性（振動：10~2000 Hz時(shí)為30G；沖擊：6ms時(shí)200G；符合EN60068標(biāo)準(zhǔn)）。此外，Becker先生解釋說：“德國法規(guī)要求低溫運(yùn)行能力達(dá)到-20℃，中國法規(guī)則要求-40℃——大多數(shù)同類編碼器均無法保證?！?而堡盟產(chǎn)品-40~+85℃寬溫設(shè)計(jì)是滿足長期野外運(yùn)行要求的重要標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 一站式解決方案：多年以來，堡盟與風(fēng)能行業(yè)的知名制造商密切合作，精心研制定制解決方案