东汽1.5 MW风机发电机编码器及线缆原理应用解析

冯猛　李彤　赵玮

摘  要：为更安全、有效地使用发电机编码器，并在工业生产实践中创造更多的效益，操作者应对其主要构成及线缆工作原理有较全面的认识。该文在分别阐述绝对式发电机编码器检测原理的基础上，较为详细地探究其在风电变频系统内的应用情况，能精准地测量到发电机转子位置，真正实现伺服控制双馈发电机，并且探究了多芯线缆对编码器磁场稳定性干扰程度的方法，以供同行参考。

关键词：编码器   检测原理   风电变频系统   实践应用

中图分类号：TM31                         文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）09（b）-0032-03

Application Analysis of Encoder and Cable Principle of

1.5 MW Fan Generator of Dongfang Motor

FENG Meng   LI Tong   ZHAO Wei

（Hebei Xintianke Innovative Energy Technology Co.， Ltd.， Zhangjiakou， Hebei Province， 076250 China）

Abstract： In order to use the generator encoder more safely and effectively and create more benefits in industrial production practice， operators should have a comprehensive understanding of their main composition and working principle of cables. On the basis of expounding the detection principle of absolute generator encoder respectively， this paper explores its application in wind power frequency conversion system in detail， can accurately measure the rotor position of generator， truly realize servo control of doubly fed generator， and explores the multicore cable interference degree of stability of the magnetic field of the encoder， provide the reference for colleague.

Key Words： Encoder; Detection principle; Wind power frequency conversion system; Practical application

在現代工程领域中，传感器是获取信息的常用工具之一，也是实现自动化检测、控制的基础装置，其功能是将各种非电量转变成电量。编码器是一种常见的传感器，按照运动部件运动方式的差异性，可以将它分成旋转式、直线式两种类型，相比之下前者更易实现，有形体微小、环境适应能力强等诸多优势，这也是其在工业生产中应用范围不断拓展的主要原因。

1  编码器线缆检测原理

1.1 绝对式

编码器工作原理及输出波形具体见图1。这是一种能直接输出数字量的传感器，其圆形码盘上沿径存有多个同心码道，相邻码道的扇区数为双倍关系，这就代表码盘上的码道数是其二进制数码的位数。码盘的一侧为光源，另一侧各个码道均有相对应的光敏元件。当码道处于不同位置时，各光敏元件依照光照条件转换出对应的电平信号，此时在编码器各部位，读取各道刻线的通、暗，获取单组由20～2n-1的2进制编码（格雷码），其被叫作n位绝对编码器。

经典的格雷码是一种有反射与循环属性的单步自补码，是可靠性编码。格雷码在转换任意两个相毗邻的数时，仅有单个数位出现改变，明显减少了由一个状态至下一个状态时部分逻辑发生混淆情况的概率。

参照绝对编码器测量范围的差异，可以将其分成单圈、多圈式，仅用在旋转360°范畴中的测量，被叫作单圈绝对值编码器;测量旋转范围超出360°时，需应用多圈绝对值编码器。

1.2 线缆早期故障机理

线缆之间电磁干扰是线缆早期故障的常见类型，也是发生同一相永久故障问题的前兆。早期故障主要分为半周波及多周波故障，两者多发生在电压峰值周边，前者持续25%周波左右;后者持续1～3个周波，在电弧消失时故障会自动消解掉。早期故障出现时，故障相线路首端电压骤然降低，但电流值异常增加，解除故障以后，电压、电流均恢复到原值正常范围[1]。

2  风电控制系统中编码器的应用

2.1 双馈异步发电机

1.5 kW风力机组配置了四级双馈异步发电机，变频/恒频是其主要特点。在转速闭环式控制系统内，电机转速被作为反馈量实现闭环控制，转速测量的精准性是影响系统性能的主要因素。光电码盘测速时，M法、T法与M/T法均是常用方法，相比之下，M/T法具有高低速，综合性能更强。计算发电机转速时，可以采用如下方式：假设时钟频率为f，编码器于前轮每次转动360°生成的脉冲数记为P，M1与M2依次为相同时间中编码器脉冲与时钟脉冲对应的计数值。该文受篇幅的限制，仅探讨M/T法的测速操作：

M/T法是M法、T法两种方法结合而成的，能够同时测定一定数目的编码器脉冲与生成这些脉冲所耗用的时间，采用（M1×f）/M2表示单位实践中编码器生成的脉冲数，基于以上分析便能得到發电机的实际转速[2]：

这种方法结合使用了M1与M2，在发动机整个速度范围中表现出较高的精准性，图2是M/T法的测速原理。

针对测速过程中形成误差，统一使用伺服控制器修整，该文这里不做赘述。采用增量式编码器阶段，设计科学的技术规格有很大现实意义，其中最关键作用是维持其分辨率、精准度、输出信号的稳定性，响应频率、信号输出形式科学。发电机上应用的编码器信号输出了6通（S1、S2、S0、S1-、S2-、S0-）HTL电路，见图3[3]。

2.2 减小单芯线缆对编码器磁场的干扰

12根单芯线缆是发电机编码器线缆的重要构成[4]。因其是垂直敷设而成的，并且混防动力线缆与控制线缆，桥架内没有牢固固定线缆，以至在大电流状态下单芯电缆生成叠加磁场。在磁场力的作用下，编码器线缆在线缆架桥中晃动，切割局部磁感线。生成了干扰电流，这便是变频器不能正常采集编码器转速信号的主因[5]。为解除上述问题，确保风机发电机至变频器信号稳定传输，该课题采用12根单芯线缆，并依照“品”字形排列，使12根单芯电缆之间形成的磁场互为消除，力争将磁场对编码器形成的干扰降到最低（见图4）[6]。

3  结语

采集信号是编码器的主要作用，在速度、角度、方位等方面表现得十分明显，其精准性与稳定性明显提升了系统的运行质量，同时结合12芯新型发电机编码器线缆与编码器自身物理属性、环境因素，进而取得更精准的测量结果，为变频系统安全使用保驾护航。

参考文献

[1] 陈平易，魏琴，吴垠昊.一种风力发电机组变桨系统用13位绝对式光电编码器设计[J].电子技术与软件工程，2019（6）：79.

[2] 林涛，赵成林，刘航鹏，等.基于改进栈式自编码器的风电机组发电机健康评估[J].计算机工程与科学，2020，42（3）：517-522.

[3] 邹小洪.浅谈双馈异步风力发电机变频器运行控制技术[J].红水河，2020，39（2）：49-52，57.

[4] 佚名.雷厉风行应对风力发电机的测试挑战[J].现代制造，2020（24）：63.

[5] 陶晶，柴署淇.双馈风力发电机组常见的转轴及轴承故障分析[J].工程建设与设计，2020（17）：55-57.

[6] 许子昂.基于多参数融合的风机故障预警及发电性能评估[D].吉林：东北电力大学，2021.

作者简介：冯猛（1992—），男，硕士，研究方向为热能工程。

李彤（1992—），男，本科，助理工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化。

赵玮（1995—），男，本科，助理工程师，研究方向为农业电气化。