磁致伸縮線性位移傳感器在風力發(fā)電機組上的應用

引言：

風能是一種可再生的、可預測的、清潔型能源。風電場可快速建成，可為全球最大的、增長最快的經(jīng)濟發(fā)展地區(qū)提供能源獨立性。經(jīng)預測，我國擁有250GW的陸地風機和750GW海上風機的裝機潛力，并在3～5年的時間里便可能成為全球最大的風電市場，我國正著手建立一個發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)的平臺。預計經(jīng)過10～15年的準備，大約在2020年前后，使得風電能成為火電、水電之后的第三大常規(guī)發(fā)電電源，至少達到裝機容量7000萬千瓦，積極創(chuàng)造條件實現(xiàn)1億千瓦，占屆時發(fā)電裝機容量的10%(08年僅占0.4%)。國家發(fā)改委也宣布，中國政府將撥款2650億美元用于進一步發(fā)展中國的可再生能源。這相當于中國國民生產(chǎn)總值(2006年)的十分之一。

國家財政部發(fā)布了《風力發(fā)電設備產(chǎn)業(yè)化專項資金管理暫行辦法》，明確了中央財政安排風電設備產(chǎn)業(yè)化專項資金的補助標準和資金使用范圍，并將對風力發(fā)電設備制造商給予直接的現(xiàn)金補貼，對兆瓦級整機廠商，給予前50臺機組600元/千瓦的補貼。在國家政策支持和能源供應緊張的背景下，中國的風電設備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風電最為活躍的場所。

一、液壓變漿系統(tǒng)對位移傳感器的需求：

風力發(fā)電機組需要根據(jù)風速來確定槳葉的角度，通過改變槳葉的角度，來改變槳葉轉子的轉速和功率，進而獲得穩(wěn)定的輸出功率。槳葉旋轉角度在0°到90°之間，在槳葉位于做功位置時，槳葉最大的面積幾乎是朝著風向的，著風面積最大。當利用槳葉剎車時，槳葉的前端是是朝著風向的，著風面積最小，并受到旋轉阻力，使風機轉速逐步減小至停止。槳葉角度調節(jié)的執(zhí)行機構有電機驅動和液壓驅動兩種方式，當采用電機驅動時，直流電機和一個齒輪箱配合工作，帶動調漿軸承，使槳葉的角度改變。當采用液壓驅動時，需要采用三個獨立的液壓油缸，分別控制三個槳葉的槳距角。兩種驅動方式都需要傳感器來實時監(jiān)控槳距角，當采用電機驅動時，可以通過測量角位移來間接測量槳距角，當采用液壓驅動時，可以通過測量線性位移來測量槳距角。

目前國內大多數(shù)風機制造企業(yè)采用電機驅動方式，只有少數(shù)企業(yè)采用液壓驅動方式，而丹麥的風機制造企業(yè)普遍采用液壓驅動方式，其液壓變槳技術已經(jīng)有超過25年的歷史，幾乎所有的丹麥風機制造商都從丹麥的液壓變槳技術中獲利。從技術的角度比較這兩種變槳方式，液壓變槳在環(huán)境的適應能力、維護成本等方面具有較大的優(yōu)勢，其可以在零下30度的環(huán)境下正常運轉，特別適合高原、氣候寒冷的惡劣環(huán)境，采用電機變槳的風機需要定期齒輪潤滑油，維護成本較高，尤其是安裝在海上的風機。此外，液壓變漿的風機，在性能上都具有領先優(yōu)勢，包括較大的扭矩輸出、較短的啟動時間等。

在液壓變漿系統(tǒng)中，測量液壓油缸活塞行程的線性位移傳感器扮演著十分重要的角色，而磁致伸縮線性位移傳感器憑借其在測量精度、可靠性、環(huán)境適應能力等方面的綜合素質，成為了各行各業(yè)液壓缸行程測量位移傳感器中的佼佼者，磁致伸縮線性位移傳感器已經(jīng)被大量的使用在風力發(fā)電領域。

二、磁致伸縮線性位移傳感器介紹：

磁致伸縮線性位移傳感器，是基于磁致伸縮原理用于測量線性位移的一種傳感器，主要由磁致伸縮敏感元件(波導絲)、電子電路、保護外殼、非接觸磁環(huán)組成，內部結構如圖一所示。當傳感器工作時，電路產(chǎn)生一個“起始脈沖”，此脈沖沿著波導絲傳輸，同時產(chǎn)生一個沿著波導絲方向的螺旋磁場，當此磁場與非接觸磁環(huán)的磁場相遇時，波導絲產(chǎn)生磁致伸縮效應，即產(chǎn)生一個機械波沿著波導絲傳向電路，此機械波以恒定速度V傳輸，電路部分有一個拾能機構將此機械波轉換成一個微弱電信號IEo，經(jīng)過放大后得到一個“終止脈沖”，通過計算得出“起始脈沖”與“終止脈沖”之間的時間差T，因此位移值L即等于VT，原理如圖二所示。

磁致伸縮技術應用于位移傳感器已有50年的歷史，康宇公司于1997年引進了磁致伸縮線性位移傳感器技術和生產(chǎn)線，將此技術帶入了中國，數(shù)以萬計的磁致伸縮線性位移傳感器應用于國內自動化控制領域。

經(jīng)過十余年的研究與生產(chǎn)的經(jīng)驗，康宇公司已經(jīng)掌握了磁致伸縮線性位移傳感器技術，能夠為國內外客戶提供各種結構、各種電氣信號的磁致伸縮位移傳感器產(chǎn)品，并具有了為客戶定制特殊產(chǎn)品的能力，康宇公司的KYDM-L系列位移傳感器在風電領域大量使用，基本外形結構如圖三所示，內置安裝于液壓缸如圖四所示。

圖三 KYDM-L系列磁致伸縮線性位移傳感器結構圖

圖四 液壓缸內置安裝結構圖

三、機械盤式煞車對位移傳感器的需求：

風力發(fā)電機組的有兩種煞車方式，一種是氣動煞車，一種是機械煞車，一般風機都會同時采用上述兩種煞車方式，兩種煞車裝置的結合可以徹底保證風機在各種情況下的正常工作。即使在緊急情況下也能使風機不遭到損壞。氣動煞車是由風機的漿距角調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)的，在正常停車的情況下，變槳系統(tǒng)將槳葉驅動到空載位置，使槳葉轉子逐漸停轉，在緊急情況下，每一個槳葉分別由一個獨立的蓄電池組直接通過變矩控制器供電煞車。作為氣動煞車的輔助手段，加入了機械盤式煞車系統(tǒng)，它被安置于風機的高轉速區(qū)段，在停機檢修時，氣動煞車將風機停穩(wěn)后，用這個機械盤式煞車將風機煞車。氣動煞車在制動時會在發(fā)電機齒輪箱上產(chǎn)生巨大的制動扭矩，如果在機組停機維修時也依靠它來維持制動狀態(tài)，則會產(chǎn)生額外應力和不必要的摩損，由于這個原因，必須將系統(tǒng)緊急制動操作和維護制動操作分開。當轉子停止在預定位置時，轉子被鎖緊銷鎖定，傳動鏈制動器此時可以打開。從而，制動器可釋放負載，否則負載將作用在傳動系上，而影響整個風力發(fā)電機組的使用壽命。鎖緊銷的動作是否可靠到位，需要通過位移傳感器來進行監(jiān)測，所以在大多數(shù)的機械盤式煞車系統(tǒng)上的鎖緊銷都需要安裝位置傳感器，國內某風機廠家率先采用了康宇公司的KYDM-L系列磁致伸縮線性位移傳感器，用于鎖緊銷活塞行程監(jiān)測，大大提高了鎖緊銷的安全性，圖五為安裝了磁致伸縮線性位移傳感器的鎖緊銷，圖六為安裝了鎖緊銷的液壓盤式煞車系統(tǒng)。

圖五 鎖緊銷

圖六 液壓盤式煞車系統(tǒng)

結束語：

隨著國內風力發(fā)電機組的制造水平的不斷提高，液壓變槳系統(tǒng)憑借其在性能、環(huán)境適應能力、維護成本等方面的優(yōu)勢，必將得以廣泛應用。機械盤式煞車鎖緊銷方面，磁致伸縮線性位移傳感器的應用顯著提高了鎖緊銷動作的可靠性，進而提高了整機運行的安全性。

康宇公司不單為國內風機企業(yè)提供KYDM-L系列磁致伸縮線性位移傳感器，還憑借多年的傳感器、變送器的經(jīng)驗，針對機械盤式煞車的煞車片磨損程度測量，推出了微位移開關產(chǎn)品，經(jīng)過部分客戶的測試、使用，該產(chǎn)品在功能、性能、可靠性上都達到了國內先進水平。

大力發(fā)展包括風電在內的可再生能源，是搶抓世界新一輪能源革命先機的必然要求。鼓勵風力發(fā)電，不僅能做大做強風電產(chǎn)業(yè)，而且能改善我國能源結構，大大減少溫室氣體排放量。我國風電如何趁勢而上?當務之急，就是加強技術創(chuàng)新，降低運營成本真正走出一條創(chuàng)新與高水平發(fā)展的新路來。我們希望國產(chǎn)傳感器在風力發(fā)電機上的應用可以為此創(chuàng)出一條路來。”