磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器在風(fēng)力發(fā)電機組上的應用

引言：

風(fēng)能是一種可再生的、可預測的、清潔型能源。風(fēng)電場(chǎng)可快速建成，可為全球最大的、增長(cháng)最快的經(jīng)濟發(fā)展地區提供能源獨立性。經(jīng)預測，我國擁有250GW的陸地風(fēng)機和750GW海上風(fēng)機的裝機潛力，并在3～5年的時(shí)間里便可能成為全球最大的風(fēng)電市場(chǎng)，我國正著(zhù)手建立一個(gè)發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的平臺。預計經(jīng)過(guò)10～15年的準備，大約在2020年前后，使得風(fēng)電能成為火電、水電之后的第三大常規發(fā)電電源，至少達到裝機容量7000萬(wàn)千瓦，積極創(chuàng )造條件實(shí)現1億千瓦，占屆時(shí)發(fā)電裝機容量的10%(08年僅占0.4%)。國家發(fā)改委也宣布，中國政府將撥款2650億美元用于進(jìn)一步發(fā)展中國的可再生能源。這相當于中國國民生產(chǎn)總值(2006年)的十分之一。

國家財政部發(fā)布了《風(fēng)力發(fā)電設備產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項資金管理暫行辦法》，明確了中央財政安排風(fēng)電設備產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項資金的補助標準和資金使用范圍，并將對風(fēng)力發(fā)電設備制造商給予直接的現金補貼，對兆瓦級整機廠(chǎng)商，給予前50臺機組600元/千瓦的補貼。在國家政策支持和能源供應緊張的背景下，中國的風(fēng)電設備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風(fēng)電最為活躍的場(chǎng)所。

一、液壓變漿系統對位移傳感器的需求：

風(fēng)力發(fā)電機組需要根據風(fēng)速來(lái)確定槳葉的角度，通過(guò)改變槳葉的角度，來(lái)改變槳葉轉子的轉速和功率，進(jìn)而獲得穩定的輸出功率。槳葉旋轉角度在0°到90°之間，在槳葉位于做功位置時(shí)，槳葉最大的面積幾乎是朝著(zhù)風(fēng)向的，著(zhù)風(fēng)面積最大。當利用槳葉剎車(chē)時(shí)，槳葉的前端是是朝著(zhù)風(fēng)向的，著(zhù)風(fēng)面積最小，并受到旋轉阻力，使風(fēng)機轉速逐步減小至停止。槳葉角度調節的執行機構有電機驅動(dòng)和液壓驅動(dòng)兩種方式，當采用電機驅動(dòng)時(shí)，直流電機和一個(gè)齒輪箱配合工作，帶動(dòng)調漿軸承，使槳葉的角度改變。當采用液壓驅動(dòng)時(shí)，需要采用三個(gè)獨立的液壓油缸，分別控制三個(gè)槳葉的槳距角。兩種驅動(dòng)方式都需要傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監控槳距角，當采用電機驅動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)測量角位移來(lái)間接測量槳距角，當采用液壓驅動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)測量線(xiàn)性位移來(lái)測量槳距角。

目前國內大多數風(fēng)機制造企業(yè)采用電機驅動(dòng)方式，只有少數企業(yè)采用液壓驅動(dòng)方式，而丹麥的風(fēng)機制造企業(yè)普遍采用液壓驅動(dòng)方式，其液壓變槳技術(shù)已經(jīng)有超過(guò)25年的歷史，幾乎所有的丹麥風(fēng)機制造商都從丹麥的液壓變槳技術(shù)中獲利。從技術(shù)的角度比較這兩種變槳方式，液壓變槳在環(huán)境的適應能力、維護成本等方面具有較大的優(yōu)勢，其可以在零下30度的環(huán)境下正常運轉，特別適合高原、氣候寒冷的惡劣環(huán)境，采用電機變槳的風(fēng)機需要定期齒輪潤滑油，維護成本較高，尤其是安裝在海上的風(fēng)機。此外，液壓變漿的風(fēng)機，在性能上都具有領(lǐng)先優(yōu)勢，包括較大的扭矩輸出、較短的啟動(dòng)時(shí)間等。

在液壓變漿系統中，測量液壓油缸活塞行程的線(xiàn)性位移傳感器扮演著(zhù)十分重要的角色，而磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器憑借其在測量精度、可靠性、環(huán)境適應能力等方面的綜合素質(zhì)，成為了各行各業(yè)液壓缸行程測量位移傳感器中的佼佼者，磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器已經(jīng)被大量的使用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

二、磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器介紹：

磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器，是基于磁致伸縮原理用于測量線(xiàn)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(huán)組成，內部結構如圖一所示。當傳感器工作時(shí)，電路產(chǎn)生一個(gè)“起始脈沖”，此脈沖沿著(zhù)波導絲傳輸，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)沿著(zhù)波導絲方向的螺旋磁場(chǎng)，當此磁場(chǎng)與非接觸磁環(huán)的磁場(chǎng)相遇時(shí)，波導絲產(chǎn)生磁致伸縮效應，即產(chǎn)生一個(gè)機械波沿著(zhù)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(gè)拾能機構將此機械波轉換成一個(gè)微弱電信號IEo，經(jīng)過(guò)放大后得到一個(gè)“終止脈沖”，通過(guò)計算得出“起始脈沖”與“終止脈沖”之間的時(shí)間差T，因此位移值L即等于VT，原理如圖二所示。

磁致伸縮技術(shù)應用于位移傳感器已有50年的歷史，康宇公司于1997年引進(jìn)了磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器技術(shù)和生產(chǎn)線(xiàn)，將此技術(shù)帶入了中國，數以萬(wàn)計的磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器應用于國內自動(dòng)化控制領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)十余年的研究與生產(chǎn)的經(jīng)驗，康宇公司已經(jīng)掌握了磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器技術(shù)，能夠為國內外客戶(hù)提供各種結構、各種電氣信號的磁致伸縮位移傳感器產(chǎn)品，并具有了為客戶(hù)定制特殊產(chǎn)品的能力，康宇公司的KYDM-L系列位移傳感器在風(fēng)電領(lǐng)域大量使用，基本外形結構如圖三所示，內置安裝于液壓缸如圖四所示。

圖三 KYDM-L系列磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器結構圖

圖四 液壓缸內置安裝結構圖

三、機械盤(pán)式煞車(chē)對位移傳感器的需求：

風(fēng)力發(fā)電機組的有兩種煞車(chē)方式，一種是氣動(dòng)煞車(chē)，一種是機械煞車(chē)，一般風(fēng)機都會(huì )同時(shí)采用上述兩種煞車(chē)方式，兩種煞車(chē)裝置的結合可以徹底保證風(fēng)機在各種情況下的正常工作。即使在緊急情況下也能使風(fēng)機不遭到損壞。氣動(dòng)煞車(chē)是由風(fēng)機的漿距角調節系統實(shí)現的，在正常停車(chē)的情況下，變槳系統將槳葉驅動(dòng)到空載位置，使槳葉轉子逐漸停轉，在緊急情況下，每一個(gè)槳葉分別由一個(gè)獨立的蓄電池組直接通過(guò)變矩控制器供電煞車(chē)。作為氣動(dòng)煞車(chē)的輔助手段，加入了機械盤(pán)式煞車(chē)系統，它被安置于風(fēng)機的高轉速區段，在停機檢修時(shí)，氣動(dòng)煞車(chē)將風(fēng)機停穩后，用這個(gè)機械盤(pán)式煞車(chē)將風(fēng)機煞車(chē)。氣動(dòng)煞車(chē)在制動(dòng)時(shí)會(huì )在發(fā)電機齒輪箱上產(chǎn)生巨大的制動(dòng)扭矩，如果在機組停機維修時(shí)也依靠它來(lái)維持制動(dòng)狀態(tài)，則會(huì )產(chǎn)生額外應力和不必要的摩損，由于這個(gè)原因，必須將系統緊急制動(dòng)操作和維護制動(dòng)操作分開(kāi)。當轉子停止在預定位置時(shí)，轉子被鎖緊銷(xiāo)鎖定，傳動(dòng)鏈制動(dòng)器此時(shí)可以打開(kāi)。從而，制動(dòng)器可釋放負載，否則負載將作用在傳動(dòng)系上，而影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機組的使用壽命。鎖緊銷(xiāo)的動(dòng)作是否可靠到位，需要通過(guò)位移傳感器來(lái)進(jìn)行監測，所以在大多數的機械盤(pán)式煞車(chē)系統上的鎖緊銷(xiāo)都需要安裝位置傳感器，國內某風(fēng)機廠(chǎng)家率先采用了康宇公司的KYDM-L系列磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器，用于鎖緊銷(xiāo)活塞行程監測，大大提高了鎖緊銷(xiāo)的安全性，圖五為安裝了磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器的鎖緊銷(xiāo)，圖六為安裝了鎖緊銷(xiāo)的液壓盤(pán)式煞車(chē)系統。

圖五 鎖緊銷(xiāo)

圖六 液壓盤(pán)式煞車(chē)系統

結束語(yǔ)：

隨著(zhù)國內風(fēng)力發(fā)電機組的制造水平的不斷提高，液壓變槳系統憑借其在性能、環(huán)境適應能力、維護成本等方面的優(yōu)勢，必將得以廣泛應用。機械盤(pán)式煞車(chē)鎖緊銷(xiāo)方面，磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器的應用顯著(zhù)提高了鎖緊銷(xiāo)動(dòng)作的可靠性，進(jìn)而提高了整機運行的安全性。

康宇公司不單為國內風(fēng)機企業(yè)提供KYDM-L系列磁致伸縮線(xiàn)性位移傳感器，還憑借多年的傳感器、變送器的經(jīng)驗，針對機械盤(pán)式煞車(chē)的煞車(chē)片磨損程度測量，推出了微位移開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)部分客戶(hù)的測試、使用，該產(chǎn)品在功能、性能、可靠性上都達到了國內先進(jìn)水平。

大力發(fā)展包括風(fēng)電在內的可再生能源，是搶抓世界新一輪能源革命先機的必然要求。鼓勵風(fēng)力發(fā)電，不僅能做大做強風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，而且能改善我國能源結構，大大減少溫室氣體排放量。我國風(fēng)電如何趁勢而上?當務(wù)之急，就是加強技術(shù)創(chuàng )新，降低運營(yíng)成本真正走出一條創(chuàng )新與高水平發(fā)展的新路來(lái)。我們希望國產(chǎn)傳感器在風(fēng)力發(fā)電機上的應用可以為此創(chuàng )出一條路來(lái)。”