Sick-Stegmann：風(fēng)力渦輪機設計中的旋轉編碼器

編碼器技術(shù)是風(fēng)能獲取的關(guān)鍵

旋轉編碼器在風(fēng)能產(chǎn)業(yè)中起著(zhù)非常重要的作用，它提供了使用當前渦輪機中非常動(dòng)態(tài)靈活的控制系統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(shí)驗室的數據表明，在2008年，美國風(fēng)能產(chǎn)量激增了51%，新增容量達8545MW，新增投資超過(guò)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(fēng)能產(chǎn)能比2007年增加了約46%。

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

圖1 風(fēng)力渦輪機控制系統中使用了多達5個(gè)編碼器

● 隨著(zhù)風(fēng)力條件的變化，葉片距控制系統維持著(zhù)轉子的速度。

● 偏航控制系統（方位）根據風(fēng)向來(lái)控制整個(gè)發(fā)電機的旋轉。

● 發(fā)電機速度是通過(guò)跟蹤發(fā)電機軸的每分鐘轉速（rpm）來(lái)進(jìn)行監控的。

風(fēng)力渦輪機中常用的3種類(lèi)型的旋轉編碼器是增量型、絕對型和混合型，其中每種技術(shù)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各個(gè)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)生固定數量的脈沖。這種反饋類(lèi)型的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠實(shí)時(shí)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(lèi)型更低的優(yōu)點(diǎn)。

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(wú)法保存位置數據。驗證和跟蹤葉片及發(fā)動(dòng)機的相對位置將需要在控制系統設計中增加來(lái)自接近開(kāi)關(guān)或霍爾效應傳感器的額外輸入當作參考點(diǎn)。

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(guò)讀取光具盤(pán)或某種類(lèi)型的磁力接收系統上的多個(gè)記錄來(lái)分辨軸向位置的。這種類(lèi)型具有保存位置數據的能力，哪怕是控制系統斷電也可以。多匝型包括用于記錄軸轉動(dòng)次數（精確到千位）的齒輪級，不再需要使用電池來(lái)保存位置信息。位置數據是直接讀取的，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(guò)SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口來(lái)提供位置反饋數據。這些接口可能會(huì )限制反饋位置數據的傳送速率，所以它不是實(shí)時(shí)的。因此，絕對型編碼器不能夠用于跟蹤發(fā)電機速率。不過(guò)，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(shù)的優(yōu)點(diǎn)。這為用戶(hù)提供了替換2個(gè)編碼器的潛在可能性，可降低成本和占用空間。這種類(lèi)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，因為它提供了轉速高達6000rpm的電機所需要的實(shí)時(shí)反饋，同時(shí)還能夠在系統斷電時(shí)保存絕對的單匝或多匝位置數據。目前，有許多電機驅動(dòng)已經(jīng)增加了標準輸入，以便接收正弦/余弦波形反饋。有時(shí)，客戶(hù)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(xué)和磁學(xué)技術(shù)在不斷改進(jìn)以增加分辨率，溫度范圍和耐用性。光學(xué)編碼器設計利用Opto-ASIC等新技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，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(guò)電場(chǎng)可調分辨率、輸出驅動(dòng)類(lèi)型（TTL或HTL）和標記物寬度，使得用戶(hù)能夠對編碼器進(jìn)行編程。

金屬光具盤(pán)是另一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)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(guò)去，增量型和絕對型編碼器需要使用玻璃光具盤(pán)來(lái)實(shí)現更高的分辨率，但它降低了對震動(dòng)和振動(dòng)的抵抗能力。新出現的金屬光具盤(pán)將分辨率提升了6倍，無(wú)須使用電子乘法器，并具有更好的震動(dòng)和振動(dòng)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(zhì)量標準，那么所有這些技術(shù)改進(jìn)和體積縮減都沒(méi)什么價(jià)值。例如，軸承的質(zhì)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。