旋轉(zhuǎn)編碼器在M瓦級(jí)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用及常見(jiàn)故障

王紹銘++史家銘

摘 要：在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中按發(fā)電機(jī)不同的發(fā)電原理可以分為兩大類，一類是雙饋機(jī)組，一類是距永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組。在現(xiàn)代風(fēng)機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步的過(guò)程中，永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組技術(shù)不斷成熟，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用也不斷增加。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組中大多采用電變槳系統(tǒng)，所以旋轉(zhuǎn)編碼器成為檢測(cè)變槳系統(tǒng)葉片角度的重要元器件。本論文主要介紹了旋轉(zhuǎn)編碼器的作用，在風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器多種故障的原因，以及處理辦法。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器；變槳系統(tǒng)故障；柔性連接

中圖分類號(hào)： TN762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）11-136-2

0 引言

在永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，電變槳系統(tǒng)作為功率控制的核心部分已經(jīng)在大量風(fēng)機(jī)的運(yùn)行中得到實(shí)踐和檢驗(yàn)。在電變槳矩的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)機(jī)能否正常實(shí)現(xiàn)變槳功能是風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的重要保證。以某型永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組為例，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常報(bào)旋編跳變故障，發(fā)生葉片未能收回到正常位置的情況。針對(duì)這一故障本文就故障判斷、處理方法及改進(jìn)意見(jiàn)做了分析。

1 旋轉(zhuǎn)編碼器

1.1 旋轉(zhuǎn)編碼器的概述

光電旋轉(zhuǎn)編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，近10年來(lái)，在數(shù)控機(jī)床、光電經(jīng)偉儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)伺服中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在風(fēng)機(jī)當(dāng)中最為普遍。

1.2 旋轉(zhuǎn)編碼器在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用

變槳系統(tǒng)就是在風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率時(shí)，主PLC（可編程邏輯控制器）依據(jù)風(fēng)速的變化，發(fā)出控制命令通過(guò)總線端子控制器調(diào)節(jié)變槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)三個(gè)槳葉的槳距角，經(jīng)旋轉(zhuǎn)編碼器回饋給主控，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)于監(jiān)測(cè)和檢測(cè)整個(gè)變槳角度起了重要的作用。

1.3 旋轉(zhuǎn)編碼器的分類

根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。

①增量式，是直接利用光電轉(zhuǎn)換原輸出三組方波脈沖A、B和Z相：A、B兩組脈沖相位差90度，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。

②絕對(duì)式編碼器：是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上透光和不透光扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，在碼盤一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件。根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。

③混合式絕對(duì)值編碼器：它輸出兩組信息：一組信息用于檢測(cè)磁極位置，帶有絕對(duì)信息功能；另一組則完全同增量式編碼器的輸出信息。

2 旋轉(zhuǎn)編碼器以及周邊鏈接電子元件電路圖介紹

2.1 旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊（SSI傳感器接口端子）電源由SSI接口提供，接口電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)以讀取傳感器數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)以字的形式傳送到控制器的過(guò)程映像區(qū)中。各種操作模式、傳輸頻率和內(nèi)部位寬可以永久地保存在控制寄存器中。

2.2 異步電機(jī)逆變器功能和原理

逆變器代表了當(dāng)今最為先進(jìn)的技術(shù)使用IMS功率模塊、Flash內(nèi)存，微處理器控制等。本文與旋轉(zhuǎn)編碼器連接只用了D5和D3兩個(gè)引腳，為旋轉(zhuǎn)編碼器送來(lái)的兩路正交編碼信號(hào)。

2.3 某型風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器電控原理圖（圖1）

如圖1所示，旋轉(zhuǎn)編碼器1、2、3、4、6、7引腳與傳感器接口模塊相接。由感器接口模塊直接給旋轉(zhuǎn)編碼器提供電源， 信號(hào)采集器把采集來(lái)的信息直接傳輸給主控制器，由主控制器傳輸給主控系統(tǒng)。

圖中只有D3和D5兩個(gè)引腳連接到旋轉(zhuǎn)編碼器，D3引腳是旋轉(zhuǎn)編碼器自已診斷故障，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸給逆變器。D5引腳是旋轉(zhuǎn)編碼器采集的位移直接傳送給逆變器。

3 風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)某型風(fēng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器故障的分析及其處理方法

3.1 風(fēng)機(jī)變槳位置傳感器故障（圖2）

上圖為某型風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)編碼器故障后由后臺(tái)調(diào)出故障文件后生成的槳葉角度變化圖，橫軸為時(shí)間，縱軸為3支槳葉角度。該型風(fēng)機(jī)有兩種情況報(bào)此故障。

分析：聯(lián)軸器，是一個(gè)柔性連接在旋編和電機(jī)之間能傳遞力矩并使之成為一個(gè)整體軸系的對(duì)輪。在風(fēng)機(jī)正常的情況下作用是保持電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋編同步，以便旋編檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺亍娘L(fēng)機(jī)故障解釋文件中，我們可以知道風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中：

故障原因：

①當(dāng)葉片角度大于5度，持續(xù)100毫秒0度接近開關(guān)輸出高電平信號(hào)，風(fēng)機(jī)報(bào)此故障。

②當(dāng)葉片角度小于3.5度時(shí)，持續(xù)100毫秒0度接近開關(guān)輸出低電平信號(hào)，風(fēng)機(jī)報(bào)此故障（0度接近開關(guān)大于5度時(shí)不能有輸出，小于3.5度時(shí)必須有輸出，否則風(fēng)機(jī)報(bào)故障）。

③旋編碼器受到外界電磁信號(hào)干擾，可對(duì)旋轉(zhuǎn)編編碼器重新機(jī)械清零。處理完成后發(fā)現(xiàn)和實(shí)際位置有偏差2度到3度左右，旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的角度跟接近開關(guān)檢測(cè)的角度不一樣，接近開關(guān)是機(jī)械保護(hù)，它的優(yōu)先權(quán)大于旋轉(zhuǎn)編碼器。機(jī)組在檢測(cè)到角度只能相信接近開關(guān)，所以更換旋轉(zhuǎn)編碼器。

以上原因排除后即可檢查旋轉(zhuǎn)編碼器聯(lián)軸器，若新更換旋編未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，則可能是聯(lián)軸器松動(dòng)導(dǎo)致。圖3是一個(gè)柔性連接在旋編和電機(jī)之間能傳遞力矩并使之成為一個(gè)整體軸系的對(duì)輪。在風(fēng)機(jī)正常的情況下如圖3所示作用是保持電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋編同步，以便旋編檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺亍?/p>

當(dāng)柔性連接不正常時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與旋編會(huì)出現(xiàn)偏差，如圖4所示，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)角度與實(shí)現(xiàn)角度不相符。也驗(yàn)證了為什么機(jī)械清零時(shí)，與實(shí)現(xiàn)刻度會(huì)差2度左右。也就是說(shuō)0度接近開關(guān)大于5度時(shí)不能有輸出，小于3.5度時(shí)必須有輸出，但是由于聯(lián)軸器的影響實(shí)際刻度與旋編檢測(cè)的刻度不相同，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)報(bào)變槳安全鏈故障。

3.2 風(fēng)機(jī)變槳轉(zhuǎn)速比較故障

風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)下，三個(gè)葉片同在69度之后，3號(hào)葉片向87度方向收回，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)旋編跳變現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)下，并且葉片位置角度小于86度，葉片進(jìn)行變槳過(guò)程，持續(xù)2.5秒鐘，葉片即時(shí)角速度與變槳速度設(shè)置值相減的差值大于2.5，風(fēng)機(jī)報(bào)此故障，執(zhí)行緊急停機(jī)過(guò)程，禁止自動(dòng)復(fù)位。

分析：該故障觸發(fā)槳外部安全鏈OK信號(hào)，機(jī)組報(bào)變槳速度比較故障。

故障原因：

①相關(guān)繼電器接線松動(dòng)導(dǎo)致該故障；

②主控制器未接到相關(guān)繼電器反饋信號(hào)觸發(fā)安全鏈；

③葉片實(shí)際角度偏差大約2.5度/SSHI ，風(fēng)機(jī)報(bào)變槳速度比較故障同時(shí)觸發(fā)該故障。

4 總結(jié)

由上文可以看出，旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感器的一種，在風(fēng)機(jī)變槳控制系統(tǒng)中起著信號(hào)采集的作用，特別是在測(cè)量速度、角度、位置等方面，其精確性和穩(wěn)定性大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。但是有旋轉(zhuǎn)編碼器所產(chǎn)生的故障，分析其故障原因也是多種多樣的。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際處理故障中，要充分理解電控原理圖的基礎(chǔ)上還要考慮機(jī)械原因，對(duì)系統(tǒng)有了充分的了解才可以做到故障排查循序漸進(jìn)，逐步找到故障原因。只有真正找到故障的根源，才能保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] KUBLER旋轉(zhuǎn)編碼器說(shuō)明.