淺談變槳系統中的位置傳感器

文/中國大唐集團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

風力發電機組需要根據風速來確定槳葉的角度，通過改變槳葉的角度，來改變槳葉轉子的轉速和功率，進而獲得穩定的輸出功率。槳葉旋轉角度在0°到90°之間。槳葉角度調節的執行機構有電機驅動（三套伺服電機通過減速器分別驅動三片槳葉運動）和液壓驅動(一個液壓缸通過一套曲柄滑塊機構推動三片槳葉同步運動或三個液壓缸通過三套曲柄滑塊機構分別驅動三片槳葉運動)兩種方式，兩種驅動方式都需要傳感器來實時監控槳距角，當采用電機驅動時，可以通過測量角位移來間接測量槳距角，當采用液壓驅動時，可以通過測量線性位移來測量槳距角。

2 電動變槳旋轉編碼器的結構和原理

2.1 電動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電機和減速機，在輪轂和機艙連接處有電氣開關盒，通訊總線和電纜是靠滑環與機艙的主控制器連接的，目前，兆瓦級以上的大型風力發電機組大多采用電機控制槳葉的電動變槳距系統。

電動變槳距系統的結構圖

每只槳葉都有單獨的電機和減速機放置在輪轂處，每臺共三套。其中電機后部安裝了一只多圈絕對值編碼器，常用SSI等串行通訊協議＋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動控制器作為轉子速度反饋。為了提供系統的可靠性，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協議絕對值編碼器。

電動變槳控制策略框圖

2.2 旋轉式編碼器的工作原理和基本結構

由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環形通、暗的刻線，有光電發射和接收器件讀取,獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩定信號；另每轉輸出一個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與反轉，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，每一位對應一個碼道，每個數位編碼器對應一個輸出電路，每一個通道都包含一個光源的接收器，每圈 (360°) 讀數完成后，將重復讀數輸出。

絕對式旋轉編碼器GM400

內部基本結構圖

變槳系統上應用的編碼器安裝在機頭中并隨其一起旋轉，這就要求編碼器要有很好的抗沖擊振動能力，而風機工作在環境惡劣的野外，晝夜溫差大，這就要求編碼器堅固耐用，可靠性高，可靠性主要取決于絕對值編碼器多圈計數的技術。

絕對值編碼器多圈計數比較表

從上圖可以看出，采用機械齒輪計圈技術，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備接口應與編碼器對應。

3 液壓變槳中位置傳感器的結構和原理

3.1 液壓變槳位置傳感器的位置和控制策略

丹麥的風機制造企業普遍采用液壓驅動方式，其液壓變槳技術已經有超過25年的歷史。每個變槳系統由一個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。協助變槳缸運行的閥門裝在分配管組上，用螺栓直接固定在液壓缸上。

液壓變槳系統結構圖

PLC發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反饋實際位置，每個液壓缸的后面都有一個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構

電液伺服控制液壓缸系統中，目前經常使用的線位移傳感器有電感型、電位計式、電容式、光柵式和磁柵式等。

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

LVDT原理圖

比例閥用LVDT

當初級線圈P1，P2之間供給一定頻率的交變電壓時，鐵芯在線圈內移動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之間就產生感應電動勢，隨著鐵心的位置不同，互感量也不同，次級產生的感應電動勢也不同，這樣就將鐵芯的位移量變成了電壓信號輸出，由于兩個次級線圈電壓極性相反，輸出電壓為差動電壓。

用LVDT精確測量雙向比例閥的閥芯的位置，以便輸出4-20mA的標準電流信號經過與預先設定的值進行比較后輸出一個調節信號給與閥相連的電磁開關線圈，以便在閉環閥門控制系統中動態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(波導絲)、電子電路、保護外殼、非接觸磁環組成，內部結構如圖一所示。當傳感器工作時，電路產生一個“起始脈沖”，此脈沖沿著波導絲傳輸，同時產生一個沿著波導絲方向的螺旋磁場，當此磁場與非接觸磁環的磁場相遇時，波導絲產生磁致伸縮效應，即產生一個機械波沿著波導絲傳向電路，此機械波以恒定速度V傳輸，電路部分有一個拾能機構將此機械波轉換成一個微弱電信號IEo，經過放大后得到一個“終止脈沖”，通過計算得出“起始脈沖”與“終止脈沖”之間的時間差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節

1）示教模式

用來設置一個新的零點和終點來替代工廠設定。首先將定位磁環移到新的零點，然后再移到新的終點，通過按壓按鍵，保存相應的數值。

2）校準模式

可通過該方法校準新的零點和終點數值。當定位磁環無法移動到標準的零點或終點時，就有可能使用這種方法。移動定位磁環到新的起始和終止位置，然后按壓按鍵調節顯示的數值，直到到達期望的數值

3）在線調節

編程功能允許用戶在工作時（如閉環結構中）設置零點和終點。在設置過程中不會輸出錯誤信號，因此不會出現液壓缸動作不受控的情況。

4 結論

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變槳系統中，具有可靠性高、成本低、安裝空間、機械間隙和長期維護很麻煩的特點。直線位移傳感器常用在液壓變槳系統中，具有工作原理簡單、測量精度高、高分辨率、可靠性強、價格比同類型位移產品稍高的特點。

[1]維斯塔斯技術部,《V52總圖》編號944659,2004,9.

[2]姜鎮軍.磁致伸縮液壓缸位移傳感器[D].大連理工大學,2007.