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技术交流|风电编码器技术原理、常见问题分析及维护建议

发布时间:2018/01/18  分类:技术案例
 

1 编码器在风机变桨中的作用

变桨系统就是在风机达到额定功率时,主控PLC依据风速的变化发出控制命令,通过BC3150调节变桨电机的转速,从而调节三个桨叶的桨距角,经旋转编码器回馈给主控,保证风机正常运行。变桨控制系统在风机的启动、停机和紧急停机时还要调节桨叶以到达启停要求。旋转编码器对于监测和检测整个变桨角度起了重要的作用。同时编码器作为电气伺服系统的速度反馈器件,保证各桨叶按照给定速度变桨,保证变桨控制精度。

2、编码器原理介绍

旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时,经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线,并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后,输出脉冲或代码信号。其特点是体积小,重量轻,品种多,功能全,频响高,分辨能力高,力矩小,耗能低,性能稳定,可靠使用寿命长等特点。编码器按照原理用途可分为增量编码器,绝对值编码器,旋转变压器编码器三种,下面结合编码器原理说明在风力机组中实际使用情况。

1)增量式编码器原理介绍

有一个中心有轴的光电码盘,其上有环形通、暗的刻线,有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成ABCD,每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度),将CD信号反向,叠加在AB两相上,可增强稳定信号;另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。由于AB两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,通过零位脉冲,可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料,玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线,其热稳定性好,精度高,金属码盘直接以通和不通刻线,不易碎,但由于金属有一定的厚度,精度就有限制,其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级,塑料码盘是经济型的,其成本低,但精度、热稳定性、寿命均要差一些。分辨率——编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率,也称解析分度、或直接称多少线,一般在每转分度5~10000线。例如双馈风力机组中发电机测速编码器一般就是2048线,即每圈就可以提供2048个脉冲,实现对发电机角度的精确测量反馈。

2-1 增量编码器原理示意图

2)绝对值编码器

绝对值编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线……编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通、暗,获得一组从2的零次方到2n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码),这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置,什么时候就去读取它的位置。这样,编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器。旋转单圈绝对值编码器,以转动中测量光电码盘各道刻线,以获取唯一的编码,当转动超过360度时,编码又回到原点,这样就不符合绝对编码唯一的原则,这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量,称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360度范围,就要用到多圈绝对值编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理,当中心码盘旋转时,通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮,多组码盘),在单圈编码的基础上再增加圈数的编码,以扩大编码器的测量范围,这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器。它同样是由机械位置确定编码,每个位置编码唯一不重复,而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大,实际使用往往富余较多,这样在安装时不必要费劲找零,将某一中间位置作为起始点就可以了,从而大大简化了安装调试难度。

在风机电控变桨伺服控制系统中,绝大部分都需要使用多圈绝对值编码器作为桨叶角度反馈,充分利用了编码器的高精度角度显示及多圈纪录的功能。例如宝盟GM400-24编码器,该编码器可提供8192脉冲4096圈绝对值位置,同时还可以提供增量信号单圈输出1024脉冲计数,为变桨系统角度位置和电机速度反馈,提供了对桨叶调节的精度控制和设备的保护功能。

2-2 绝对值编码器原理示意图

3)正弦波编码器(旋转变压器)

正弦波编码器也属于增量式编码器,主要的区别在于输出信号是正弦波模拟量信号,而不是数字量信号。它的出现主要是为了满足电气领域的需要,主要用作电动机的反馈检测元件。在与其它系统相比的基础上,人们需要提高动态特性时,可以采用这种编码器。为了保证良好的电机控制性能,编码器的反馈信号必须能够提供大量的脉冲,尤其是在转速很低的时候,采用传统的增量式编码器产生大量的脉冲,从许多方面来看都有问题,当电机高速旋转(6000rpm)时,传输和处理数字信号是困难的。在这种情况下,处理给伺服电机的信号所需带宽(例如编码器每转脉冲为10000)将很容易地超过MHz门限;而另一方面采用模拟信号大大减少了上述麻烦,并有能力模拟编码器的大量脉冲。这要感谢正弦和余弦信号的内插法,它为旋转角度提供了计算方法。这种方法可以获得基本正弦的高倍增加,例如可从每转1024个正弦波编码器中,获得每转超过1000,000个脉冲。接受此信号所需的带宽只要稍许大于100KHz即已足够。

2-3 磁阻式旋转变压器结构图

在风机变桨系统控制中,华锐机组使用的KEB变桨系统、伦茨变桨系统,电机速度反馈即采用的旋转变压器提供的模拟信号,其高可靠性,也得到了充分验证。

3、编码器常见问题与维护建议

1)电路板击穿损坏

电路板击穿损坏主要与外部供电回路不稳定,雷击过压,系统过压有关。在机组实际运行中,机组发生电源类故障,容易造成供电电压短时波动,引起编码器电路电源回路损坏。还有一种情况就是雷击过压串入到控制回路,引起编码器器损坏。针对电压引起的损坏问题,可以主动增加电源滤波隔离器件及浪涌过压保护器件,来减少编码器由于供电问题损坏比例。可根据实际风机情况,进行相关技改优化。

2)光电码盘脏污

编码器码盘对清洁度要求极高,新品编码器各部位都安装有密封圈。随着运行年限的增加,密封不同程度的存在老化情况,尤其在变桨系统发生漏油时,油脂容易渗透到编码器内,引起码盘严重脏污,造成编码器测量误差直至损坏。这种情况占比虽然较少,建议在维护中能够保持轮毂清洁,发现漏油减速器等设备及时处置。

3)机械损坏

机械损坏主要包括联轴器对轮损坏,轴承卡涉损坏等。变桨编码器与电机连接主要通过联轴器连接,在运行中,电机转速较高,长期运行过程中,容易出现螺栓松动,弹垫变形的问题。这就需要维护人员在检修中,主动对对轮进行检查,紧固对轮固定螺栓。及时更换不合格的对轮和缓冲垫。对于发电机编码器,重点检查连接轴的同心度,及时调整轴同心度,避免轴承不同心,引起编码器振动过大损坏。