東汽1.5 MW風機發電機編碼器及線纜原理應用解析

馮猛　李彤　趙瑋

摘? 要：為更安全、有效地使用發電機編碼器，并在工業生產實踐中創造更多的效益，操作者應對其主要構成及線纜工作原理有較全面的認識。該文在分別闡述絕對式發電機編碼器檢測原理的基礎上，較為詳細地探究其在風電變頻系統內的應用情況，能精準地測量到發電機轉子位置，真正實現伺服控制雙饋發電機，并且探究了多芯線纜對編碼器磁場穩定性干擾程度的方法，以供同行參考。

關鍵詞：編碼器? ?檢測原理? ?風電變頻系統? ?實踐應用

中圖分類號：TM31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

在現代工程領域中，傳感器是獲取信息的常用工具之一，也是實現自動化檢測、控制的基礎裝置，其功能是將各種非電量轉變成電量。編碼器是一種常見的傳感器，按照運動部件運動方式的差異性，可以將它分成旋轉式、直線式兩種類型，相比之下前者更易實現，有形體微小、環境適應能力強等諸多優勢，這也是其在工業生產中應用范圍不斷拓展的主要原因。

1? 編碼器線纜檢測原理

1.1 絕對式

編碼器工作原理及輸出波形具體見圖1。這是一種能直接輸出數字量的傳感器，其圓形碼盤上沿徑存有多個同心碼道，相鄰碼道的扇區數為雙倍關系，這就代表碼盤上的碼道數是其二進制數碼的位數。碼盤的一側為光源，另一側各個碼道均有相對應的光敏元件。當碼道處于不同位置時，各光敏元件依照光照條件轉換出對應的電平信號，此時在編碼器各部位，讀取各道刻線的通、暗，獲取單組由20～2n-1的2進制編碼（格雷碼），其被叫作n位絕對編碼器。

經典的格雷碼是一種有反射與循環屬性的單步自補碼，是可靠性編碼。格雷碼在轉換任意兩個相毗鄰的數時，僅有單個數位出現改變，明顯減少了由一個狀態至下一個狀態時部分邏輯發生混淆情況的概率。

參照絕對編碼器測量范圍的差異，可以將其分成單圈、多圈式，僅用在旋轉360°范疇中的測量，被叫作單圈絕對值編碼器;測量旋轉范圍超出360°時，需應用多圈絕對值編碼器。

1.2 線纜早期故障機理

線纜之間電磁干擾是線纜早期故障的常見類型，也是發生同一相永久故障問題的前兆。早期故障主要分為半周波及多周波故障，兩者多發生在電壓峰值周邊，前者持續25%周波左右;后者持續1～3個周波，在電弧消失時故障會自動消解掉。早期故障出現時，故障相線路首端電壓驟然降低，但電流值異常增加，解除故障以后，電壓、電流均恢復到原值正常范圍[1]。

2? 風電控制系統中編碼器的應用

2.1 雙饋異步發電機

1.5 kW風力機組配置了四級雙饋異步發電機，變頻/恒頻是其主要特點。在轉速閉環式控制系統內，電機轉速被作為反饋量實現閉環控制，轉速測量的精準性是影響系統性能的主要因素。光電碼盤測速時，M法、T法與M/T法均是常用方法，相比之下，M/T法具有高低速，綜合性能更強。計算發電機轉速時，可以采用如下方式：假設時鐘頻率為f，編碼器于前輪每次轉動360°生成的脈沖數記為P，M1與M2依次為相同時間中編碼器脈沖與時鐘脈沖對應的計數值。該文受篇幅的限制，僅探討M/T法的測速操作：

M/T法是M法、T法兩種方法結合而成的，能夠同時測定一定數目的編碼器脈沖與生成這些脈沖所耗用的時間，采用（M1×f）/M2表示單位實踐中編碼器生成的脈沖數，基于以上分析便能得到發電機的實際轉速[2]：

這種方法結合使用了M1與M2，在發動機整個速度范圍中表現出較高的精準性，圖2是M/T法的測速原理。

針對測速過程中形成誤差，統一使用伺服控制器修整，該文這里不做贅述。采用增量式編碼器階段，設計科學的技術規格有很大現實意義，其中最關鍵作用是維持其分辨率、精準度、輸出信號的穩定性，響應頻率、信號輸出形式科學。發電機上應用的編碼器信號輸出了6通（S1、S2、S0、S1-、S2-、S0-）HTL電路，見圖3[3]。

2.2 減小單芯線纜對編碼器磁場的干擾

12根單芯線纜是發電機編碼器線纜的重要構成[4]。因其是垂直敷設而成的，并且混防動力線纜與控制線纜，橋架內沒有牢固固定線纜，以至在大電流狀態下單芯電纜生成疊加磁場。在磁場力的作用下，編碼器線纜在線纜架橋中晃動，切割局部磁感線。生成了干擾電流，這便是變頻器不能正常采集編碼器轉速信號的主因[5]。為解除上述問題，確保風機發電機至變頻器信號穩定傳輸，該課題采用12根單芯線纜，并依照“品”字形排列，使12根單芯電纜之間形成的磁場互為消除，力爭將磁場對編碼器形成的干擾降到最低（見圖4）[6]。

3? 結語

采集信號是編碼器的主要作用，在速度、角度、方位等方面表現得十分明顯，其精準性與穩定性明顯提升了系統的運行質量，同時結合12芯新型發電機編碼器線纜與編碼器自身物理屬性、環境因素，進而取得更精準的測量結果，為變頻系統安全使用保駕護航。

參考文獻

[1] 陳平易，魏琴，吳垠昊.一種風力發電機組變槳系統用13位絕對式光電編碼器設計[J].電子技術與軟件工程，2019（6）：79.

[2] 林濤，趙成林，劉航鵬，等.基于改進棧式自編碼器的風電機組發電機健康評估[J].計算機工程與科學，2020，42（3）：517-522.

[3] 鄒小洪.淺談雙饋異步風力發電機變頻器運行控制技術[J].紅水河，2020，39（2）：49-52，57.

[4] 佚名.雷厲風行應對風力發電機的測試挑戰[J].現代制造，2020（24）：63.

[5] 陶晶，柴署淇.雙饋風力發電機組常見的轉軸及軸承故障分析[J].工程建設與設計，2020（17）：55-57.

[6] 許子昂.基于多參數融合的風機故障預警及發電性能評估[D].吉林：東北電力大學，2021.

作者簡介：馮猛（1992—），男，碩士，研究方向為熱能工程。

李彤（1992—），男，本科，助理工程師，研究方向為機械設計制造及其自動化。

趙瑋（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向為農業電氣化。