Sick-Stegmann：風力渦輪機設計中的旋轉編碼器

編碼器技術是風能獲取的關鍵

旋轉編碼器在風能產(chǎn)業(yè)中起著非常重要的作用，它提供了使用當前渦輪機中非常動態(tài)靈活的控制系統(tǒng)所必不可少的高分辨率反饋。選擇合適的編碼器將能夠極大地增強系統(tǒng)以最佳功率輸出運行的能力，并使投資的回報最大化。

美國Lawrence Berkeley國家實驗室的數(shù)據(jù)表明，在2008年，美國風能產(chǎn)量激增了51%，新增容量達8545MW，新增投資超過160億美元。新建離網(wǎng)型渦輪機7800臺、并網(wǎng)型渦輪機1292臺。每臺渦輪機的平均產(chǎn)能大約是1.7MW。風能產(chǎn)能比2007年增加了約46%。

風力渦輪機的剖面圖展示了一種常用的控制系統(tǒng)，如圖1所示。這類系統(tǒng)通常使用5個編碼器，它提供反饋，以維持發(fā)電機在不同的風力條件和不同的負載需求下的性能。

圖1 風力渦輪機控制系統(tǒng)中使用了多達5個編碼器

● 隨著風力條件的變化，葉片距控制系統(tǒng)維持著轉子的速度。

● 偏航控制系統(tǒng)（方位）根據(jù)風向來控制整個發(fā)電機的旋轉。

● 發(fā)電機速度是通過跟蹤發(fā)電機軸的每分鐘轉速（rpm）來進行監(jiān)控的。

風力渦輪機中常用的3種類型的旋轉編碼器是增量型、絕對型和混合型，其中每種技術都各有利弊。下面的概述將幫助引導設計工程師找出對應系統(tǒng)各個部分的最佳編碼器。

增量型編碼器
增量型旋轉編碼器是單匝設備，在軸的每一周旋轉中都產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖。這種反饋類型的一個優(yōu)點是它能夠實時響應軸轉速的變化，因此非常適用于跟蹤渦輪發(fā)電機的每分鐘轉速（rpm）。此外，它還具有應用范圍廣以及成本比其他類型更低的優(yōu)點。

增量型編碼器可以用于控制葉片距和偏航角的變化，但是它無法保存位置數(shù)據(jù)。驗證和跟蹤葉片及發(fā)動機的相對位置將需要在控制系統(tǒng)設計中增加來自接近開關或霍爾效應傳感器的額外輸入當作參考點。

絕對型編碼器
絕對型旋轉編碼器有單匝或多匝型，它是通過讀取光具盤或某種類型的磁力接收系統(tǒng)上的多個記錄來分辨軸向位置的。這種類型具有保存位置數(shù)據(jù)的能力，哪怕是控制系統(tǒng)斷電也可以。多匝型包括用于記錄軸轉動次數(shù)（精確到千位）的齒輪級，不再需要使用電池來保存位置信息。位置數(shù)據(jù)是直接讀取的，而不是以增量方式讀取，并且在上電后很快即可使用。

絕對型編碼器通過SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口來提供位置反饋數(shù)據(jù)。這些接口可能會限制反饋位置數(shù)據(jù)的傳送速率，所以它不是實時的。因此，絕對型編碼器不能夠用于跟蹤發(fā)電機速率。不過，這并不影響它被用于跟蹤變化較緩慢的發(fā)電機位置，也不影響被用于某些葉片距控制系統(tǒng)中。

混合型旋轉編碼器
混合型編碼器有單匝或多匝型，它本身提供了增量型和絕對型編碼器技術的優(yōu)點。這為用戶提供了替換2個編碼器的潛在可能性，可降低成本和占用空間。這種類型的編碼器提供脈沖或正弦/余弦波形，非常適用于葉片距控制系統(tǒng)，因為它提供了轉速高達6000rpm的電機所需要的實時反饋，同時還能夠在系統(tǒng)斷電時保存絕對的單匝或多匝位置數(shù)據(jù)。目前，有許多電機驅動已經(jīng)增加了標準輸入，以便接收正弦/余弦波形反饋。有時，客戶可以獲得更高的電機效率。

縱覽
并不是所有的旋轉編碼器都同等重要，當今的增量型、絕對型和混合型編碼器設計中所用到的光學和磁學技術在不斷改進以增加分辨率，溫度范圍和耐用性。光學編碼器設計利用Opto-ASIC等新技術進行了改進，第二或第三代設計提供了更高的分辨能力，更快的工作轉速，并改善了工作溫度范圍。此外，Opto-ASIC通過電場可調(diào)分辨率、輸出驅動類型（TTL或HTL）和標記物寬度，使得用戶能夠對編碼器進行編程。

金屬光具盤是另一個經(jīng)過改進的重要編碼器部件，它使得編碼器能夠工作在惡劣的環(huán)境中，并提供了更高的分辨率。過去，增量型和絕對型編碼器需要使用玻璃光具盤來實現(xiàn)更高的分辨率，但它降低了對震動和振動的抵抗能力。新出現(xiàn)的金屬光具盤將分辨率提升了6倍，無須使用電子乘法器，并具有更好的震動和振動性能。

許多新型編碼器設計都減小了外殼的尺寸。但是，如果設計和建造不能達到高質量標準，那么所有這些技術改進和體積縮減都沒什么價值。例如，軸承的質量，裝配方式以及軸承之間的距離都將極大影響編碼器的壽命。