風力發電機專用增量式光電編碼器研制

熊文凱，李劍白

(1.深圳市英科達光電技術有限公司，518067，廣東，深圳；2.江西省科學院，330029，南昌)

0 引言

光電編碼器是集光、機、電為一體的數字化測角儀器，它采用光電的方法將角位移量實時地轉換成數字量，是工業自動化和測量系統中基礎的傳感器。

風力發電作為綠色能源，是我國政府大力扶持和重點發展的新能源產業。大型MW級風力發電機成為當今發展的主流，多釆用變槳距、偏航和變速恒頻控制系統等新技術，以提高風力發電效率，避免過載對風機的損壞和保證風電上網質量。一臺風電機組通常使用多臺不同用途的編碼器。風機用編碼器因工況惡劣，技術含量高，學科綜合性強，市場一直為國外少數公司壟斷，國內尚無成熟產品。深圳市英科達光電技術有限公司在國家和地方政府支持下，開展了風機用光電編碼器國產化研究工作。其中，用于變速恒頻控制系統主發電機轉速反饋的《風力發電機專用增量式光電編碼器》獲國家科技部創新基金支持，研發工作取得了重要進展，研制的CXB-90A(金屬光柵盤)和CXB-90B(玻璃光柵盤)2種產品經檢測、型式試驗、風場裝機實用考核表明：性能指標全部滿足立項要求，順利通過國家科技部創新基金項目驗收。

1 光電編碼器原理及在雙饋風力發電機中的作用

1.1 光電編碼器的基本原理

根據角度代碼形成方法的不同，編碼器又分為增量式和絕對式兩大類。對增量(最小角分辨率)進行累加計數后輸出角度代碼的稱為增量式。絕對式光電編碼器將角度信息刻制存貯在圓玻璃盤(稱碼盤)上，經處理后輸出的角位置信息是轉角的單值函數，掉電后再工作不用重新標定。增量式一般用于測速，絕對式多用于角位置的測量。

本項目主要用于風力發電機主控系統的速度反饋，屬于增量式編碼器。

典型的增量式光電編碼器原理如圖1所示。它由主軸、主光柵、指示光柵、光源和光電接收元件組成。通常，主光柵在玻璃盤上整周均勻刻制(復制)等間距的透光和不透光的扇形柵線。指示光柵在玻璃板上刻制與主光柵等柵距的一簇扇形柵線。主光柵與編碼器主軸固連，隨主軸一起旋轉。光源、指示光柵和光電接收元件與編碼器機座連接不動。光源發出恒定光束，照射在主光柵盤上，主光柵隨主軸一起旋轉時，主光柵和指示光柵重疊部份，構成光柵付，對光束進行調制，形成莫爾條紋(moire fringe)，通過光電轉換后輸出與轉角相對應的光電信號，經電子學處理并與計算機連接后，可實現角位移的動態測量和實時控制。

圖1 增量式光電編碼器原理

1.2 光電編碼器在雙饋風力發電機中的作用

目前MW級大型風力發電機多采用變速恒頻技術，在變速恒頻發電機組中，雙饋式變速恒頻機型是風電行業的主流，工作原理如圖1所示。風機葉輪通過多級齒輪增速箱驅動交流勵磁雙饋發電機發電。風力發電機專用增量式光電編碼器是風電主控制系統的重要組成部分，它安裝在發電機主軸上，對發電機的轉速進行測量并反饋到控制系統，實現閉環控制。當風速變化引起發電機轉速n變化時，控制轉子電流的頻率f2，保證定子頻率f1恒定，即應滿足：

f1=Pfm±f2

式中：f1為定子電流頻率，要求與電網頻率相同；fm為轉子機械頻率，fm=n/60；P為電機的極對數；f2為轉子電流頻率。發電機的轉速n由增量式編碼器實時測量。當發電機的轉速n變化時，即Pfm變化時，若通過變流器控制f2相應變化，可使f1保持恒定不變，即與電網頻率保持一致，也就實現了變速恒頻控制。

圖2 雙饋風力發電機組工作原理

2 國內外技術發展現狀和趨勢

2.1 國內現狀

1963年中國科學院長春光學精密機械研究所因發展軍用“靶場動態光電測試設備”的需要，在國內率先開始研制光電編碼器，探討莫爾條紋的應用方法，并著手解決碼盤(光柵盤)的制備技術。經過40多年的發展，國內已有編碼器生產企業數十家，產品基本上可滿足工業低端數控設備(例如低精度數控機床、繡花機、紡織機等)的需要。而一些軍用編碼器則集中在中國科學院的個別研究所，僅有極少量的供應，價格昂貴。據統計，國內工業用光電編碼器市場，在數量上國內廠家占有量為75%，國外進口為25%；但產值上則反過來，國內僅占25%，而國外則占75%，平均單臺產值差9倍，國內工業用中高端編碼器市場，基本被國外產品所占據。

而風力發電機專用光電編碼器因技術含量高，研制難度大，目前國內尚無成熟產品，市場和技術全被國外少數企業壟斷。

2.2 國外技術發展現狀和趨勢

國外從事研發和生產光電編碼器的國家和廠商數不勝數，但真正在風力發電行業有所建樹，并成為主流風機編碼器供應廠商的就廖廖無幾，當前對國內風電最具影響力的國外編碼器生產廠有2家：一是堡盟旗下的德國霍伯納(Baumer Huebner)[1]，從事重載編碼器的研發和生產已有70多年歷史；二是瑞典萊納林德(LEINELIDE)[2]，成立于1967年，有40多年編碼器研發和生產的經驗，產品售往世界30多個國家和地區。

由于各國對綠色能源的高度重視，世界風電設備得到飛速發展，風機中應用的光電編碼器技術日新月異，當前的發展趨勢為:提高對惡劣工況的適應能力；釆用集光、機、電一體化設計，提高產品穩定性和電磁兼容性；加強絕緣，提高軸電流防護能力；完善密封、三防措施，擴展海上風場應用。

3 主要研究內容

風力發電機組安裝的地域寬廣，運行在高空野外，使用環境復雜，工作條件極其惡劣， 無人值守，可靠性要求極高。此外，尚要求絕緣性好，有優異的軸電流防護能力。

本項目根據國內風力發電機廠家的需求，選擇國內用量較大的型號，進行國產化研發。

3.1 釆用光機電一體化的讀數系統

光機電一體化的讀數系統如圖3所示，主要由光源、光柵盤(玻璃或金屬)、探測器和處理電路及線性驅動器4個部分組成。LED發出恒定光束，經準直鏡，變成一束平行光，照射在光柵盤上，光柵盤裝在編碼器主軸上，隨其旋轉，對光進行調制。接收光電二極管按相位陣列布置，即對應光柵每一對柵線(一明一亮)均布4個光電二極管，將莫爾條紋信號轉換成位移周期相同，相位互差90°的4個正弦信號。若釆用含20個光電二極管的列陣，可同時接收5個光柵周期的光電信號，將轉換后的光電信號的同名端連接在一起，可輸出經5個周期積分、差分后的高質量光電信號A(sinθ)，B(cosθ)。

圖3 光電系統組成框圖

由于采用平行光束和相位陣列接收元件，光柵盤與光源和光敏元件之間的距離增加到0.7 mm左右時，仍能獲得優質的莫爾條紋光電信號，比原主光柵與指示光柵間隙0.07 mm拉大了一個數量級，該間隙非常安全，在強沖擊振動下也不會劃傷光柵盤。

采用光電二極管陣列，同時完成移相，積分、差分，大幅度消除了光柵盤復制存在的諸多缺陷(如不均勻，疵點，斷線等)的影響。以上措施為國內現工藝水平復制的玻璃光柵盤，特別是金屬光柵盤在高精度編碼器中的應用奠定了技術基礎。

光電二極管的陣列布置，減小了光強分布不均勻的影響，可不用電位器，同時大幅度提高了電磁兼容性。

3.2 軸系絕緣，提高軸電流防護能力

發電機由于定子鐵芯的局部磁阻大或定、轉子間氣隙不均勻等都會引起定子磁場不平衡，這種磁通的不對稱會在發電機轉子軸上感應出電動勢，在轉子軸兩端產生電壓，這就是軸電壓。軸電壓由軸頸、油膜，軸承、基座及基礎底層構成通路，在回路內產生很大的電流,即為軸電流。這部分軸電流會造成編碼器及發電機組的損壞。在實際運行中，軸電壓一般較高，可達數百伏至上千伏。通常風力發電機專用編碼器電絕緣耐壓應達2.5 kV才認為是安全的。

本項目在軸承外環與編碼器主體之間釆用特殊絕緣結構，其耐壓超過2.5 kV，可保證軸電壓不會因“擊穿”而形成軸電流。其難點是絕緣件材料的選擇，因裝在軸承外環上，同軸度要求較嚴，除絕緣性能外還要考慮材料的強度、剛度、可加工性和溫度特性。

3.3 風力發電機專用增量式編碼器組成

圖4是本項目研發的風力發電機專用增量式光電編碼器組成圖。件2、件3分別是絕緣件和絕緣軸承，采取雙重絕緣結構，可保證達到軸電流防護要求；件8是高精度2048CPR金屬盤，抗沖擊振動；件7是將發光管LED、準直鏡、光電二極管相位陣列集成為模塊化的光電系統，簡化了裝調，大幅度提高了光電信號質量；在一個編碼器機殼中相隔90°安置了2塊光電系統模塊(件7)，件10線路板上也有2套各自獨立的處理電路與2塊光電模塊相對應，在電氣上可實現了雙編碼器冗余。此外，該編碼器設計的殼體堅固，密封優良，可滿足風機的裝載要求。

圖4 風力發電機專用增量式光電編碼器組成圖

3.4 與國外同類產品性能對比

研制成功的CXB-91A和CXB-90B風力發電機用編碼器與替代的國外同類產品性能對比，如表1。

表1 風力發電機用編碼器性能對比表

通過比較可知，本項目所研制的編碼器已全面達到進口產品的技術指標要求。

4 結束語

經測試，本編碼器已達到國外同類產品水平，并通過采用金屬碼盤代替常規的玻璃碼盤，抗沖擊振動和可靠性明顯提高。該編碼器經在風力發電機組中的長期實際應用考核，充分證明其穩定性和可靠性，現已大批量裝機使用替代進口產品，實現了風力發電設備關鍵傳感器之一光電編碼器的國產化。