堡盟用于直驅式風力發電機的無齒輪多圈絕對值編碼器

堡盟電子（上海）有限公司

1 引言

風力發電機具有悠久的歷史，它發源于古老的風車。早在十九世紀末期，首套發電設施就已經問世。今天，可再生能源市場競爭非常激烈，現代風力發電機必須滿足最嚴苛的性能要求和成本效益要求。可靠性、安全性和有效性是零部件選擇的關鍵標準。當然，用于轉子葉片的位置反饋和槳距控制用編碼器也不例外。以下應用描述了帶電池緩沖保護的多圈絕對值編碼器是如何再次通過工業實踐的檢驗的。

德國Vensys能源股份有限公司是兆瓦級直驅式永磁風力發電機技術的領先制造商。目前Vensys發電機在三大洲提供可靠能源，如圖1所示。這些發電機以其注重簡單性和減少機械易損件的結構設計理念而取勝，如圖2所示。由轉子驅動的永磁發電機、專利型冷卻系統和低磨損帶式傳動變槳控制系統，為可靠運行并減少維護量創造了前提條件。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。安裝在變槳系統中用于轉子葉片位置反饋的編碼器就是一個很好的例子。

圖1 Vensys風力發電機是自1990年開始并持續至今的密集研發活動的成果

圖2 Vensys發電機以其注重簡單性和減少機械易損件的結構設計理念而取勝

2 令人嘆服的可靠技術

槳距是指轉子葉片的迎風角度（也稱攻角），對風力發電機的效率具有決定性的作用。轉子葉片定位必須考慮風速，這是因為必須首先確保最大輸出功率，其次防止短時強風和高風速造成發電機損壞。轉子葉片位置由編碼器獲得，如圖3所示，編碼器通過SSI接口發送信號至槳距控制系統，以便根據風速進行葉片定位。

工程碩士Frank Becker是Vensys公司的槳距系統專家，他為我們介紹了尋找最佳編碼器解決方案最重要的因素。“風力發電機的維護可不是件容易的事，因此我們對零部件質量的要求是非常苛刻的。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品理念，因為我們的風力發電機也是無齒輪直驅式發電機。

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

圖3 b 變槳控制是堡盟絕對值編碼器最重要的應用領域之一，多年來在風力發電應用中成功經歷了考驗

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

3 電池解決方案是首選

每個轉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、無磨損感應技術的開發。堡盟運動控制產品全球銷售市場總監Joachim Acker描述了其功能原理：“帶鋰電池緩沖保護的ASIC電路負責計算并記錄圈數。這樣始終可以在接通電源后立即獲得當前位置，無需任何參考，而且對圈數幾乎沒有限制。此外，避免了機械易損件”。

電池隔離性高、無充電循環以及編碼器功耗低等特點極大地延長了編碼器的使用壽命。“自1992年以來，在現場安裝的一百多萬臺編碼器無一出現電池故障。”Acker先生解釋說。其長期的電池性能更令Vensys深為嘆服。“實踐證明，編碼器所使用的電池在工業應用中具有長期的可靠性——無論是在我們的風力發電機中，還是在心臟起搏器等裝置中。此外，電池狀態監測也非常簡便。如果發生電量低的預警，例如低于25%時，我們可以在每年一到兩次的可預測維護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出警告，從而導致不可預測、成本高昂且不堪忍受的停機時間。”Becker先生說。

4 在極廣的溫度范圍內穩定可靠

由于采用電子集成電路來計算圈數，極其耐用的堡盟多圈編碼器甚至可采用大軸徑通孔設計，如圖5所示。它們利用最高36位分辨率，最高轉速可達12,000 rpm，而實際應用中并無如此高的要求，因為標準運行的特征是轉速范圍在200～800 rpm之間。但是，在緊急停機時，編碼器必須承受從0～1500 rpm的巨大加速度。“這顯然是電子解決方案優于機械齒輪的另一個令人信服的優點。”Becker先生強調說。

雖然安裝在風力發電機中的多圈編碼器并未完全曝露于風雨中，但是轉子和變槳系統并不能完全密封，因此編碼器必須耐受惡劣的環境條件。堡盟多圈絕對值編碼器具有IP65防護等級，同時具有極佳的抗沖擊和抗振性（振動：10~2000 Hz時為30G；沖擊：6ms時200G；符合EN60068標準）。此外，Becker先生解釋說：“德國法規要求低溫運行能力達到-20℃，中國法規則要求-40℃——大多數同類編碼器均無法保證。” 而堡盟產品-40~+85℃寬溫設計是滿足長期野外運行要求的重要標準。

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