風電滑環編碼器防雷保護模塊研究設計

陳 年，李 唐，史曉勇，沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發展有限公司，揚州 225000)

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風電滑環編碼器防雷保護模塊研究設計

陳 年，李 唐，史曉勇，沙旭南

(中船重工海博威(江蘇)科技發展有限公司，揚州 225000)

針對風電滑環編碼器受雷擊故障率高，影響用戶風機正常使用的問題，根據編碼器損壞的特點，設計了一種針對編碼器電源的保護模塊，分析了編碼器故障的根本原因是感應電壓，進而設計了釋放感應電壓模塊，該模塊可吸收瞬間釋放感應電壓，將編碼器實際工作電壓穩定在允許的40VDC以內，從而保證了編碼器的安全。該模塊體積小，最終與編碼器電纜融為一體，安裝方便，保護效果佳。

風電滑環；編碼器；感應電壓；雷擊

0 引 言

在風力發電中，當風力發電機組與電網并網時，要求風電的頻率與電網的頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻即在風力發電過程中，保持風車的轉速(也即發電機的轉速)不變，從而得到恒頻的電能，所以編碼器是風電發電中至關重要的一環。編碼器屬于精密器件，而風電滑環使用環境比較惡劣，遇到極寒、雷電等天氣，會對編碼器產生嚴重影響[1]。對損壞的一批編碼器進行拆卸分析，發現編碼器損壞的部位可以定位到TI芯片SN65LBC176D損壞的引腳為接地引腳，如圖1所示。

圖1 損壞的穩壓管

接地引腳的損壞，有可能有以下3種耦合途徑發生：

(1) 電阻耦合(地反擊)：其發生是由于兩點間的地不平衡，引起干擾電流的流動，輕則干擾信號，重則損壞后端設備；

(2) 電容性耦合；

(3) 電感性耦合。

結合滑環的故障現象，編碼器是工作一段時間后或者遇到雷雨天氣故障，故排除電壓接反和輸入端過電壓造成的原因，所以造成編碼器損壞的主要原因是瞬間高電壓接入或者電路中的沖擊電流。同時滑環與系統連接已經做了絕緣處理，所以沖擊電流不可能通過編碼器軸引入，剩下的原因只能是瞬間高電壓或者沖擊電流通過編碼器連接電纜引入編碼器，從而燒毀編碼器內部器件。

文章設計了一種編碼器防雷保護模塊，并對該方法的可行性、經濟性做了分析。

1 感應電壓的產生

由于大電機的啟動、信號電纜線離動力線過近、雷擊大電流通過避雷針入地或通過金屬構件經過室內流入接地端，因法拉第電流感應原理而對于空間產生瞬間電磁變化，這種電磁場變化又會通過編碼器電纜感應到信號兩端，獲得浪涌電壓。如果接地不規范或者編碼器電纜不專業，這種浪涌的可能性就更大。這種浪涌電壓往往在短時間獲得較高的電壓值，這種電壓值如大于編碼器的信號端電壓限值，瞬間擊穿編碼器信號端口或接收端口[2]。

浪涌電壓的產生原因有2個:一個是雷電;另一個是接通、斷開電感負載或大型負載。帶電插拔也會產生高的感應電壓。若雷電直接擊中線路，產生的浪涌電壓更為強烈，危害更大。

2 電源保護模塊設計

編碼器的工作電源范圍為10～40VDC，編碼器供電一般選用24VDC，感應電壓瞬間可以達到上千伏，遠遠超過編碼器的承受范圍，故考慮在電源端加入保護模塊，利用TVS管極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力，將進入編碼器的電源電壓箝制到允許水平，即40V左右，而實際給編碼器供電的電源是經過變換的12V，在編碼器的工作范圍之內[3-4]。其原理如圖2所示。

圖2 保護模塊原理圖

2.1 電源保護模塊工作原理

變槳系統提供的直流電壓一般為24VDC，當電源端感應到電壓，會在輸入端口產生瞬間上千伏的高電壓， 這里的TVS管SMBJ26A，將瞬間感應高電壓釋放到大地，并將高電壓箝制到40V左右水平，該電壓是不超過LM2596的工作范圍的，故不影響LM2596工作，也就保證了進入編碼器的電壓為12V，從而達到了保護編碼器的目的。

2.2 主要元件的典型參數選取

2.2.1TVS管選取

(1) 先從工作電壓24V選取最大反向工作電壓VRWM為26V，則擊穿電壓為:VBR=VRWM/0.85=26/0.85=30.59V。

(2) 從擊穿電壓值選取最大箝位電壓

VC(max)=1.3VBR=30.59×1.3=39.76V。選取10KP26CA，功率為10kW，反向關斷電壓VRWM為26V，擊穿電壓為28.9～33.2V，最大箝位電壓為VC=42V。

2.2.2 可恢復保險絲選取

編碼器工作電壓24V，電流20mA，最大電流50mA;保持電流I=50×3=150mA;選取型號為SMD016-1206-R;觸發電流It=0.37A;最大電壓Vmax=48V。

2.2.3 其他器件選取

電源芯片為LM2596，輸入電壓為15V≤VIN≤40V，負載電流為 0.2A≤ILOAD≤3A，最大電源電壓Vmax=45V>VC=42V，故保障了LM2596工作在安全電壓。二極管為1N5825。

3 浪涌試驗

3.1 浪涌試驗參數

根據GB/T17626.5做浪涌(沖擊)抗擾度試驗[5-6]。對于連接到電源線的端口，使用1.2/50μs組合波發生器。

發生器的特性與性能：極性為正負；重復率為每分鐘一次或更快；開路輸出電壓峰值為0.5kV起至所需的試驗電平，可調；浪涌電壓波形如圖3所示;短路輸出電流峰值與設置的電壓峰值有關；浪涌電流波形如圖4所示；有效輸出阻抗為2(1+10%)Ω。

圖3 未連接CDN的發生器輸出端的開路電壓波形(1.2/50 μs)

圖4 未連接CDN的發生器輸出端的短路電流波形(8/20 μs)

3.2 實物及試驗現場

試驗設備浪涌發生器人機界面和印刷電路板(PCB)實物如圖5所示。該PCB長寬為89mm×29mm，最高處18mm，模塊體積小。

圖5 實物及試驗儀器參數設置

3.3 試驗步驟

首先將編碼器電源端接到保護模塊的輸出端，調節浪涌發生器，從等級1至等級4分別做浪涌試驗；然后在不加保護模塊的條件下，直接將浪涌施加至編碼器電源端，從等級1至等級4分別做浪涌試驗；分析試驗結果如表1所示。

表1 浪涌試驗

3.4 試驗分析

在沒有保護模塊的條件下，等級1和等級2的浪涌對Baumer編碼器無影響，編碼器檢測儀器顯示的數據(位置、速度和脈沖數)均正常。

當施加3級浪涌 (即瞬間2kV電壓) 時，編碼器受影響不能正常工作，編碼器檢測儀器的位置輸出為0，脈沖數不正確，但重新給編碼器上電，編碼器可以恢復繼續工作。

達到4級浪涌(即瞬間4kV電壓)時，編碼器損壞，損壞瞬間編碼器表面發熱，此后重新上電編碼器也不能恢復工作。

在有保護模塊的條件下，浪涌能量被保護模塊吸收釋放，編碼器得到了保護，施加4級浪涌時，編碼器仍然可以正常工作，編碼器檢測儀器顯示數據正常。

最終該保護模塊設計安裝在編碼器電纜中，外面用塑料殼保護，如圖6所示。

這樣做好處有2點：

(1) 保護模塊靠近編碼器，保護效果更好；

圖6 保護模塊安裝在編碼器電纜中

(2) 更換方便，作為電纜提供給客戶。

4 結論與展望

編碼器損壞是滑環損壞的主要原因。本文設計的編碼器保護模塊具有體積小、成本低的特點，同時編碼器電源通過4級浪涌沖擊試驗，大大提高了編碼器抗雷擊能力。

[1] 徐忱,范玲.旋轉編碼器原理及應用[J].黑龍江科技信息，2007(17)：57-58.

[2] 陳養波,張曉紅.光電式絕對值編碼器的使用與故障的處理方法[J].港口科技動態，2005(5)：13-15.

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[4] 姚建明,馬滬平.防雷器的設計選型方法[J].浙江氣象,2005，16(1)：41-44.

[5] 尚國光.編碼器在風電行業中的應用[J].自動化博覽,2009(6)：104-105.

[6] 胡國強,高勇峰.風電機組電氣滑環接觸不良問題的解決方案[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