风电滑环编码器防雷保护模块研究设计

陈 年，李 唐，史晓勇，沙旭南

(中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，扬州 225000)



风电滑环编码器防雷保护模块研究设计

陈 年，李 唐，史晓勇，沙旭南

(中船重工海博威(江苏)科技发展有限公司，扬州 225000)

针对风电滑环编码器受雷击故障率高，影响用户风机正常使用的问题，根据编码器损坏的特点，设计了一种针对编码器电源的保护模块，分析了编码器故障的根本原因是感应电压，进而设计了释放感应电压模块，该模块可吸收瞬间释放感应电压，将编码器实际工作电压稳定在允许的40VDC以内，从而保证了编码器的安全。该模块体积小，最终与编码器电缆融为一体，安装方便，保护效果佳。

风电滑环；编码器；感应电压；雷击

0 引 言

在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即恒频。恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速(也即发电机的转速)不变，从而得到恒频的电能，所以编码器是风电发电中至关重要的一环。编码器属于精密器件，而风电滑环使用环境比较恶劣，遇到极寒、雷电等天气，会对编码器产生严重影响[1]。对损坏的一批编码器进行拆卸分析，发现编码器损坏的部位可以定位到TI芯片SN65LBC176D损坏的引脚为接地引脚，如图1所示。

图1 损坏的稳压管

接地引脚的损坏，有可能有以下3种耦合途径发生：

(1) 电阻耦合(地反击)：其发生是由于两点间的地不平衡，引起干扰电流的流动，轻则干扰信号，重则损坏后端设备；

(2) 电容性耦合；

(3) 电感性耦合。

结合滑环的故障现象，编码器是工作一段时间后或者遇到雷雨天气故障，故排除电压接反和输入端过电压造成的原因，所以造成编码器损坏的主要原因是瞬间高电压接入或者电路中的冲击电流。同时滑环与系统连接已经做了绝缘处理，所以冲击电流不可能通过编码器轴引入，剩下的原因只能是瞬间高电压或者冲击电流通过编码器连接电缆引入编码器，从而烧毁编码器内部器件。

文章设计了一种编码器防雷保护模块，并对该方法的可行性、经济性做了分析。

1 感应电压的产生

由于大电机的启动、信号电缆线离动力线过近、雷击大电流通过避雷针入地或通过金属构件经过室内流入接地端，因法拉第电流感应原理而对于空间产生瞬间电磁变化，这种电磁场变化又会通过编码器电缆感应到信号两端，获得浪涌电压。如果接地不规范或者编码器电缆不专业，这种浪涌的可能性就更大。这种浪涌电压往往在短时间获得较高的电压值，这种电压值如大于编码器的信号端电压限值，瞬间击穿编码器信号端口或接收端口[2]。

浪涌电压的产生原因有2个:一个是雷电;另一个是接通、断开电感负载或大型负载。带电插拔也会产生高的感应电压。若雷电直接击中线路，产生的浪涌电压更为强烈，危害更大。

2 电源保护模块设计

编码器的工作电源范围为10～40VDC，编码器供电一般选用24VDC，感应电压瞬间可以达到上千伏，远远超过编码器的承受范围，故考虑在电源端加入保护模块，利用TVS管极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力，将进入编码器的电源电压箝制到允许水平，即40V左右，而实际给编码器供电的电源是经过变换的12V，在编码器的工作范围之内[3-4]。其原理如图2所示。

图2 保护模块原理图

2.1 电源保护模块工作原理

变桨系统提供的直流电压一般为24VDC，当电源端感应到电压，会在输入端口产生瞬间上千伏的高电压， 这里的TVS管SMBJ26A，将瞬间感应高电压释放到大地，并将高电压箝制到40V左右水平，该电压是不超过LM2596的工作范围的，故不影响LM2596工作，也就保证了进入编码器的电压为12V，从而达到了保护编码器的目的。

2.2 主要元件的典型参数选取

2.2.1TVS管选取

(1) 先从工作电压24V选取最大反向工作电压VRWM为26V，则击穿电压为:VBR=VRWM/0.85=26/0.85=30.59V。

(2) 从击穿电压值选取最大箝位电压

VC(max)=1.3VBR=30.59×1.3=39.76V。选取10KP26CA，功率为10kW，反向关断电压VRWM为26V，击穿电压为28.9～33.2V，最大箝位电压为VC=42V。

2.2.2 可恢复保险丝选取

编码器工作电压24V，电流20mA，最大电流50mA;保持电流I=50×3=150mA;选取型号为SMD016-1206-R;触发电流It=0.37A;最大电压Vmax=48V。

2.2.3 其他器件选取

电源芯片为LM2596，输入电压为15V≤VIN≤40V，负载电流为 0.2A≤ILOAD≤3A，最大电源电压Vmax=45V>VC=42V，故保障了LM2596工作在安全电压。二极管为1N5825。

3 浪涌试验

3.1 浪涌试验参数

根据GB/T17626.5做浪涌(冲击)抗扰度试验[5-6]。对于连接到电源线的端口，使用1.2/50μs组合波发生器。

发生器的特性与性能：极性为正负；重复率为每分钟一次或更快；开路输出电压峰值为0.5kV起至所需的试验电平，可调；浪涌电压波形如图3所示;短路输出电流峰值与设置的电压峰值有关；浪涌电流波形如图4所示；有效输出阻抗为2(1+10%)Ω。

图3 未连接CDN的发生器输出端的开路电压波形(1.2/50 μs)

图4 未连接CDN的发生器输出端的短路电流波形(8/20 μs)

3.2 实物及试验现场

试验设备浪涌发生器人机界面和印刷电路板(PCB)实物如图5所示。该PCB长宽为89mm×29mm，最高处18mm，模块体积小。

图5 实物及试验仪器参数设置

3.3 试验步骤

首先将编码器电源端接到保护模块的输出端，调节浪涌发生器，从等级1至等级4分别做浪涌试验；然后在不加保护模块的条件下，直接将浪涌施加至编码器电源端，从等级1至等级4分别做浪涌试验；分析试验结果如表1所示。

表1 浪涌试验

3.4 试验分析

在没有保护模块的条件下，等级1和等级2的浪涌对Baumer编码器无影响，编码器检测仪器显示的数据(位置、速度和脉冲数)均正常。

当施加3级浪涌 (即瞬间2kV电压) 时，编码器受影响不能正常工作，编码器检测仪器的位置输出为0，脉冲数不正确，但重新给编码器上电，编码器可以恢复继续工作。

达到4级浪涌(即瞬间4kV电压)时，编码器损坏，损坏瞬间编码器表面发热，此后重新上电编码器也不能恢复工作。

在有保护模块的条件下，浪涌能量被保护模块吸收释放，编码器得到了保护，施加4级浪涌时，编码器仍然可以正常工作，编码器检测仪器显示数据正常。

最终该保护模块设计安装在编码器电缆中，外面用塑料壳保护，如图6所示。

这样做好处有2点：

(1) 保护模块靠近编码器，保护效果更好；

图6 保护模块安装在编码器电缆中

(2) 更换方便，作为电缆提供给客户。

4 结论与展望

编码器损坏是滑环损坏的主要原因。本文设计的编码器保护模块具有体积小、成本低的特点，同时编码器电源通过4级浪涌冲击试验，大大提高了编码器抗雷击能力。

[1] 徐忱,范玲.旋转编码器原理及应用[J].黑龙江科技信息，2007(17)：57-58.

[2] 陈养波,张晓红.光电式绝对值编码器的使用与故障的处理方法[J].港口科技动态，2005(5)：13-15.

[3] 刘勇.防雷器在电源系统中原理以及应用[J].科技创新导报,2008(16)：43-45.

[4] 姚建明,马沪平.防雷器的设计选型方法[J].浙江气象,2005，16(1)：41-44.

[5] 尚国光.编码器在风电行业中的应用[J].自动化博览,2009(6)：104-105.

[6] 胡国强,高勇峰.风电机组电气滑环接触不良问题的解决方案[J]，2013(1)：78-80.

StudyandDesignofLightningProtectionModuleforWindPowerSlipRingEncoder

CHENNian，LITang，SHIXiao-yong，SHAXu-nan

(CSICHebowi(Jiangsu)TechnologyDevelopmentCo.Ltd.,Yangzhou225000,China)

Forlightningfailurerateofwindpowerslipringencoderishigh,whichinfluencesusersonusingthewindmachinenormally.Accordingtothecharacteristicsofencoderdamage,thispaperdesignsaprotectionmoduleofencodersupply,analyzesthattherootcauseofencoderfaultisinducedvoltage,thendesignsthemoduleforreleasinginducedvoltage.Themodulecanabsorbtheinducedvoltagereleasedinstantly,makesthepracticaloperatingvoltagestablewithin40VDCwhichispermitted,sotheencodersafetyisensured.Thesizeofthemoduleissmall,sothemoduleisintegratedwiththeencodercable,whichisconvenienttobeinstalledandmakestheprotectiveeffectwell.

windpowerslipring；encoder；inducedvoltage；lightning

2016-06-23

TN

A

CN32-1413(2016)05-0113-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.028