時間:2014-09-29 16:07:55來源:堡盟電子(上海)有限公司
風力發(fā)電機具有悠久的歷史,它發(fā)源于古老的風車。早在十九世紀末期,首套發(fā)電設(shè)施就已經(jīng)問世。今天,可再生能源市場競爭非常激烈,現(xiàn)代風力發(fā)電機必須滿足最嚴苛的性能要求和成本效益要求??煽啃浴踩院陀行允橇悴考x擇的關(guān)鍵標準。當然,用于轉(zhuǎn)子葉片的位置反饋和槳距控制用編碼器也不例外。以下應(yīng)用描述了帶電池緩沖保護的多圈絕對值編碼器是如何再次通過工業(yè)實踐的檢驗的。
德國Vensys能源股份有限公司是兆瓦級直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機技術(shù)的領(lǐng)先制造商。目前Vensys發(fā)電機在三大洲提供可靠能源(圖1)。這些發(fā)電機以其注重簡單性和減少機械易損件的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念而取勝(圖2)。由轉(zhuǎn)子驅(qū)動的永磁發(fā)電機、專利型冷卻系統(tǒng)和低磨損帶式傳動變槳控制系統(tǒng),為可靠運行并減少維護量創(chuàng)造了前提條件。所用零部件必須具有高度的可靠性和長期耐用性,Vensys在這方面絕不允許任何紕漏。安裝在變槳系統(tǒng)中用于轉(zhuǎn)子葉片位置反饋的編碼器就是一個很好的例子。
圖1:Vensys風力發(fā)電機是自1990年開始并持續(xù)至今的密集研發(fā)活動的成果。今天,Vensys已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)先的兆瓦級無齒輪直驅(qū)式風力發(fā)電機的卓越制造商。(圖片:Vensys)
圖2:Vensys發(fā)電機以其注重簡單性和減少機械易損件的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念而取勝。(圖片:Vensys)
令人嘆服的可靠技術(shù)
槳距是指轉(zhuǎn)子葉片的迎風角度(也稱攻角),對風力發(fā)電機的效率具有決定性的作用。轉(zhuǎn)子葉片定位必須考慮風速,這是因為必須首先確保最大輸出功率,其次防止短時強風和高風速造成發(fā)電機損壞。轉(zhuǎn)子葉片位置由編碼器獲得(圖3a),編碼器通過SSI接口發(fā)送信號至槳距控制系統(tǒng),以便根據(jù)風速進行葉片定位。
工程碩士FrankBecker是Vensys公司的槳距系統(tǒng)專家,他為我們介紹了尋找最佳編碼器解決方案最重要的因素。“風力發(fā)電機的維護可不是件容易的事,因此我們對零部件質(zhì)量的要求是非??量痰?。堡盟多圈絕對值編碼器(圖5)最打動我們的是它們早已在類似的應(yīng)用中證明了其長期可靠性。此外,無齒輪多圈絕對值編碼器原理也符合我們自己公司的產(chǎn)品理念,因為我們的風力發(fā)電機也是無齒輪直驅(qū)式發(fā)電機。
圖3:用于轉(zhuǎn)子葉片位置反饋的編碼器直接安裝在變槳馬達的軸上。該信號通過SSI接口傳輸至變槳控制系統(tǒng)。(圖片:堡盟)
圖3b:變槳控制:這是絕對值編碼器最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一,可使用SSI、CANopen或其它現(xiàn)場總線接口以及以太網(wǎng)技術(shù)。十多年來在風力發(fā)電應(yīng)用中成功經(jīng)歷了上萬次考驗。(圖片:堡盟)
圖4:工程碩士Frank Becker,Vensys公司的變槳系統(tǒng)專家:堡盟多圈絕對值編碼器最打動我們的是它們早已在類似的應(yīng)用中證明了其長期可靠性。此外,無齒輪多圈絕對值編碼器原理也符合我們自己公司的產(chǎn)品理念。(圖片:堡盟)
圖5:堡盟多圈絕對值編碼器利用可靠的非接觸感應(yīng)原理,并采用集成電路來計算圈數(shù)。因而編碼器非常耐用,甚至可采用大軸徑通孔設(shè)計。(圖片:堡盟)
電池解決方案是首選
每個轉(zhuǎn)子葉片上安裝的多圈編碼器提供了精確的槳距控制。自1992年以來,堡盟就一直非常重視非接觸式、無磨損感應(yīng)技術(shù)的開發(fā)。堡盟運動控制產(chǎn)品全球銷售市場總監(jiān)JoachimAcker(圖6)描述了其功能原理:“帶鋰電池緩沖保護的ASIC電路負責計算并記錄圈數(shù)。這樣始終可以在接通電源后立即獲得當前位置,無需任何參考,而且對圈數(shù)幾乎沒有限制。此外,避免了機械易損件”。
電池隔離性高、無充電循環(huán)以及編碼器功耗低等特點極大地延長了編碼器的使用壽命。“自1992年以來,在現(xiàn)場安裝的一百多萬臺編碼器無一出現(xiàn)電池故障,”Acker先生解釋說。其長期的電池性能還令Vensys深為嘆服。“實踐證明,編碼器所使用的電池在工業(yè)應(yīng)用中具有長期的可靠性——無論是在我們的風力發(fā)電機中,還是在心臟起搏器等裝置中。此外,電池狀態(tài)監(jiān)測也非常簡便。如果發(fā)生電量低的預警,例如低于25%時,我們可以在每年一到兩次的可預測維護期間安排更換編碼器。但是對齒輪而言,則無法在損壞之前發(fā)出警告,從而導致不可預測、成本高昂且不堪忍受的停機時間,”Becker先生說。
圖6:堡盟技術(shù)中心定位與格式調(diào)節(jié)負責人Joachim Acker說:“自1992年以來,在現(xiàn)場安裝的一百多萬個編碼器無一出現(xiàn)電池故障“。(圖片:堡盟)
在極廣的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠
由于采用電子集成電路來計算圈數(shù),極其耐用的堡盟多圈編碼器甚至可采用大軸徑通孔設(shè)計(圖7)。它們利用最高36位分辨率,最高轉(zhuǎn)速可達12,000rpm,而實際應(yīng)用中并無如此高的要求,因為標準運行的特征是轉(zhuǎn)速范圍在200至800rpm之間。但是,在緊急停機時,編碼器必須承受從0至1500rpm的巨大加速度。“這顯然是電子解決方案優(yōu)于機械齒輪的另一個令人信服的優(yōu)點,”Becker先生強調(diào)說。
雖然安裝在風力發(fā)電機中的多圈編碼器并未完全曝露于風雨中,但是轉(zhuǎn)子和變槳系統(tǒng)并不能完全密封,因此編碼器必須耐受惡劣的環(huán)境條件。目前的標準具有IP65防護等級,具有極佳的抗沖擊和抗振性(振動:10至2000Hz時為30G;沖擊:6ms時200G;符合EN60068標準)。此外,-40至+85°C廣泛的溫度范圍是滿足長期野外運行要求的重要標準。Becker先生解釋說:“德國法規(guī)要求低溫運行能力達到-20°C,中國法規(guī)則要求-40°C——大多數(shù)同類編碼器均無法保證。”
圖7:一站式解決方案:多年以來,堡盟與風能行業(yè)的知名制造商密切合作,精心研制定制解決
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