风力涡轮机设计中的旋转编码器

编码器技术是风能获取的关键
  旋转编码器在风能产业中起着非常重要的作用，它提供了使用当前涡轮机中非常动态灵活的控制系统所必不可少的高分辨率反馈。选择合适的编码器将能够极大地增强系统以最佳功率输出运行的能力，并使投资的回报最大化。
  
美国Lawrence Berkeley国家实验室的数据表明，在2008年，美国风能产量激增了51%，新增容量达8545MW，新增投资超过160亿美元。新建离网型涡轮机7800台、并网型涡轮机1292台。每台涡轮机的平均产能大约是1.7MW。风能产能比2007年增加了约46%。
  
风力涡轮机的剖面图展示了一种常用的控制系统，如图1所示。这类系统通常使用5个编码器，它提供反馈，以维持发电机在不同的风力条件和不同的负载需求下的性能。
  
  图1 风力涡轮机控制系统中使用了多达5个编码器
  
● 随着风力条件的变化，叶片距控制系统维持着转子的速度。
  
● 偏航控制系统（方位）根据风向来控制整个发电机的旋转。
  
● 发电机速度是通过跟踪发电机轴的每分钟转速（rpm）来进行监控的。
  
风力涡轮机中常用的3种类型的旋转编码器是增量型、绝对型和混合型，其中每种技术都各有利弊。下面的概述将帮助引导设计工程师找出对应系统各个部分的最佳编码器。
  增量型编码器
增量型旋转编码器是单匝设备，在轴的每一周旋转中都产生固定数量的脉冲。这种反馈类型的一个优点是它能够实时响应轴转速的变化，因此非常适用于跟踪涡轮发电机的每分钟转速（rpm）。此外，它还具有应用范围广以及成本比其他类型更低的优点。
  
增量型编码器可以用于控制叶片距和偏航角的变化，但是它无法保存位置数据。验证和跟踪叶片及发动机的相对位置将需要在控制系统设计中增加来自接近开关或霍尔效应传感器的额外输入当作参考点。
  绝对型编码器
绝对型旋转编码器有单匝或多匝型，它是通过读取光具盘或某种类型的磁力接收系统上的多个记录来分辨轴向位置的。这种类型具有保存位置数据的能力，哪怕是控制系统断电也可以。多匝型包括用于记录轴转动次数（精确到千位）的齿轮级，不再需要使用电池来保存位置信息。位置数据是直接读取的，而不是以增量方式读取，并且在上电后很快即可使用。
  
绝对型编码器通过SSI、Profibus、DeviceNet或CANopen串行接口来提供位置反馈数据。这些接口可能会限制反馈位置数据的传送速率，所以它不是实时的。因此，绝对型编码器不能够用于跟踪发电机速率。不过，这并不影响它被用于跟踪变化较缓慢的发电机位置，也不影响被用于某些叶片距控制系统中。
  
混合型旋转编码器
混合型编码器有单匝或多匝型，它本身提供了增量型和绝对型编码器技术的优点。这为用户提供了替换2个编码器的潜在可能性，可降低成本和占用空间。这种类型的编码器提供脉冲或正弦/余弦波形，非常适用于叶片距控制系统，因为它提供了转速高达6000rpm的电机所需要的实时反馈，同时还能够在系统断电时保存绝对的单匝或多匝位置数据。目前，有许多电机驱动已经增加了标准输入，以便接收正弦/余弦波形反馈。有时，客户可以获得更高的电机效率。
  纵览
并不是所有的旋转编码器都同等重要，当今的增量型、绝对型和混合型编码器设计中所用到的光学和磁学技术在不断改进以增加分辨率，温度范围和耐用性。光学编码器设计利用Opto-ASIC等新技术进行了改进，第二或第三代设计提供了更高的分辨能力，更快的工作转速，并改善了工作温度范围。此外，Opto-ASIC通过电场可调分辨率、输出驱动类型（TTL或HTL）和标记物宽度，使得用户能够对编码器进行编程。
  
金属光具盘是另一个经过改进的重要编码器部件，它使得编码器能够工作在恶劣的环境中，并提供了更高的分辨率。过去，增量型和绝对型编码器需要使用玻璃光具盘来实现更高的分辨率，但它降低了对震动和振动的抵抗能力。新出现的金属光具盘将分辨率提升了6倍，无须使用电子乘法器，并具有更好的震动和振动性能。
  
许多新型编码器设计都减小了外壳的尺寸。但是，如果设计和建造不能达到高质量标准，那么所有这些技术改进和体积缩减都没什么价值。例如，轴承的质量，装配方式以及轴承之间的距离都将极大影响编码器的寿命。