风力发电机专用增量式光电编码器研制

2022-08-26熊文凯李剑白

江西科学 2022年4期

熊文凯，李剑白

(1.深圳市英科达光电技术有限公司，518067，广东，深圳；2.江西省科学院，330029，南昌)

0 引言

光电编码器是集光、机、电为一体的数字化测角仪器，它采用光电的方法将角位移量实时地转换成数字量，是工业自动化和测量系统中基础的传感器。

风力发电作为绿色能源，是我国政府大力扶持和重点发展的新能源产业。大型MW级风力发电机成为当今发展的主流，多釆用变桨距、偏航和变速恒频控制系统等新技术，以提高风力发电效率，避免过载对风机的损坏和保证风电上网质量。一台风电机组通常使用多台不同用途的编码器。风机用编码器因工况恶劣，技术含量高，学科综合性强，市场一直为国外少数公司垄断，国内尚无成熟产品。深圳市英科达光电技术有限公司在国家和地方政府支持下，开展了风机用光电编码器国产化研究工作。其中，用于变速恒频控制系统主发电机转速反馈的《风力发电机专用增量式光电编码器》获国家科技部创新基金支持，研发工作取得了重要进展，研制的CXB-90A(金属光栅盘)和CXB-90B(玻璃光栅盘)2种产品经检测、型式试验、风场装机实用考核表明：性能指标全部满足立项要求，顺利通过国家科技部创新基金项目验收。

1 光电编码器原理及在双馈风力发电机中的作用

1.1 光电编码器的基本原理

根据角度代码形成方法的不同，编码器又分为增量式和绝对式两大类。对增量(最小角分辨率)进行累加计数后输出角度代码的称为增量式。绝对式光电编码器将角度信息刻制存贮在圆玻璃盘(称码盘)上，经处理后输出的角位置信息是转角的单值函数，掉电后再工作不用重新标定。增量式一般用于测速，绝对式多用于角位置的测量。

本项目主要用于风力发电机主控系统的速度反馈，属于增量式编码器。

典型的增量式光电编码器原理如图1所示。它由主轴、主光栅、指示光栅、光源和光电接收元件组成。通常，主光栅在玻璃盘上整周均匀刻制(复制)等间距的透光和不透光的扇形栅线。指示光栅在玻璃板上刻制与主光栅等栅距的一簇扇形栅线。主光栅与编码器主轴固连，随主轴一起旋转。光源、指示光栅和光电接收元件与编码器机座连接不动。光源发出恒定光束，照射在主光栅盘上，主光栅随主轴一起旋转时，主光栅和指示光栅重叠部份，构成光栅付，对光束进行调制，形成莫尔条纹(moire fringe)，通过光电转换后输出与转角相对应的光电信号，经电子学处理并与计算机连接后，可实现角位移的动态测量和实时控制。

图1 增量式光电编码器原理

1.2 光电编码器在双馈风力发电机中的作用

目前MW级大型风力发电机多采用变速恒频技术，在变速恒频发电机组中，双馈式变速恒频机型是风电行业的主流，工作原理如图1所示。风机叶轮通过多级齿轮增速箱驱动交流励磁双馈发电机发电。风力发电机专用增量式光电编码器是风电主控制系统的重要组成部分，它安装在发电机主轴上，对发电机的转速进行测量并反馈到控制系统，实现闭环控制。当风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子电流的频率f2，保证定子频率f1恒定，即应满足：

f1=Pfm±f2

式中：f1为定子电流频率，要求与电网频率相同；fm为转子机械频率，fm=n/60；P为电机的极对数；f2为转子电流频率。发电机的转速n由增量式编码器实时测量。当发电机的转速n变化时，即Pfm变化时，若通过变流器控制f2相应变化，可使f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。

图2 双馈风力发电机组工作原理

2 国内外技术发展现状和趋势

2.1 国内现状

1963年中国科学院长春光学精密机械研究所因发展军用“靶场动态光电测试设备”的需要，在国内率先开始研制光电编码器，探讨莫尔条纹的应用方法，并着手解决码盘(光栅盘)的制备技术。经过40多年的发展，国内已有编码器生产企业数十家，产品基本上可满足工业低端数控设备(例如低精度数控机床、绣花机、纺织机等)的需要。而一些军用编码器则集中在中国科学院的个别研究所，仅有极少量的供应，价格昂贵。据统计，国内工业用光电编码器市场，在数量上国内厂家占有量为75%，国外进口为25%；但产值上则反过来，国内仅占25%，而国外则占75%，平均单台产值差9倍，国内工业用中高端编码器市场，基本被国外产品所占据。

而风力发电机专用光电编码器因技术含量高，研制难度大，目前国内尚无成熟产品，市场和技术全被国外少数企业垄断。

2.2 国外技术发展现状和趋势

国外从事研发和生产光电编码器的国家和厂商数不胜数，但真正在风力发电行业有所建树，并成为主流风机编码器供应厂商的就廖廖无几，当前对国内风电最具影响力的国外编码器生产厂有2家：一是堡盟旗下的德国霍伯纳(Baumer Huebner)[1]，从事重载编码器的研发和生产已有70多年历史；二是瑞典莱纳林德(LEINELIDE)[2]，成立于1967年，有40多年编码器研发和生产的经验，产品售往世界30多个国家和地区。

由于各国对绿色能源的高度重视，世界风电设备得到飞速发展，风机中应用的光电编码器技术日新月异，当前的发展趋势为:提高对恶劣工况的适应能力；釆用集光、机、电一体化设计，提高产品稳定性和电磁兼容性；加强绝缘，提高轴电流防护能力；完善密封、三防措施，扩展海上风场应用。

3 主要研究内容

风力发电机组安装的地域宽广，运行在高空野外，使用环境复杂，工作条件极其恶劣，无人值守，可靠性要求极高。此外，尚要求绝缘性好，有优异的轴电流防护能力。

本项目根据国内风力发电机厂家的需求，选择国内用量较大的型号，进行国产化研发。

3.1 釆用光机电一体化的读数系统

光机电一体化的读数系统如图3所示，主要由光源、光栅盘(玻璃或金属)、探测器和处理电路及线性驱动器4个部分组成。LED发出恒定光束，经准直镜，变成一束平行光，照射在光栅盘上，光栅盘装在编码器主轴上，随其旋转，对光进行调制。接收光电二极管按相位阵列布置，即对应光栅每一对栅线(一明一亮)均布4个光电二极管，将莫尔条纹信号转换成位移周期相同，相位互差90°的4个正弦信号。若釆用含20个光电二极管的列阵，可同时接收5个光栅周期的光电信号，将转换后的光电信号的同名端连接在一起，可输出经5个周期积分、差分后的高质量光电信号A(sinθ)，B(cosθ)。

图3 光电系统组成框图

由于采用平行光束和相位阵列接收元件，光栅盘与光源和光敏元件之间的距离增加到0.7 mm左右时，仍能获得优质的莫尔条纹光电信号，比原主光栅与指示光栅间隙0.07 mm拉大了一个数量级，该间隙非常安全，在强冲击振动下也不会划伤光栅盘。

采用光电二极管阵列，同时完成移相，积分、差分，大幅度消除了光栅盘复制存在的诸多缺陷(如不均匀，疵点，断线等)的影响。以上措施为国内现工艺水平复制的玻璃光栅盘，特别是金属光栅盘在高精度编码器中的应用奠定了技术基础。

光电二极管的阵列布置，减小了光强分布不均匀的影响，可不用电位器，同时大幅度提高了电磁兼容性。

3.2 轴系绝缘，提高轴电流防护能力

发电机由于定子铁芯的局部磁阻大或定、转子间气隙不均匀等都会引起定子磁场不平衡，这种磁通的不对称会在发电机转子轴上感应出电动势，在转子轴两端产生电压，这就是轴电压。轴电压由轴颈、油膜，轴承、基座及基础底层构成通路，在回路内产生很大的电流,即为轴电流。这部分轴电流会造成编码器及发电机组的损坏。在实际运行中，轴电压一般较高，可达数百伏至上千伏。通常风力发电机专用编码器电绝缘耐压应达2.5 kV才认为是安全的。

本项目在轴承外环与编码器主体之间釆用特殊绝缘结构，其耐压超过2.5 kV，可保证轴电压不会因“击穿”而形成轴电流。其难点是绝缘件材料的选择，因装在轴承外环上，同轴度要求较严，除绝缘性能外还要考虑材料的强度、刚度、可加工性和温度特性。

3.3 风力发电机专用增量式编码器组成

图4是本项目研发的风力发电机专用增量式光电编码器组成图。件2、件3分别是绝缘件和绝缘轴承，采取双重绝缘结构，可保证达到轴电流防护要求；件8是高精度2048CPR金属盘，抗冲击振动；件7是将发光管LED、准直镜、光电二极管相位阵列集成为模块化的光电系统，简化了装调，大幅度提高了光电信号质量；在一个编码器机壳中相隔90°安置了2块光电系统模块(件7)，件10线路板上也有2套各自独立的处理电路与2块光电模块相对应，在电气上可实现了双编码器冗余。此外，该编码器设计的壳体坚固，密封优良，可满足风机的装载要求。