磁致伸縮線性位移傳感器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用

引言：

風(fēng)能是一種可再生的、可預(yù)測的、清潔型能源。風(fēng)電場可快速建成，可為全球最大的、增長最快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展地區(qū)提供能源獨(dú)立性。經(jīng)預(yù)測，我國擁有250GW的陸地風(fēng)機(jī)和750GW海上風(fēng)機(jī)的裝機(jī)潛力，并在3～5年的時(shí)間里便可能成為全球最大的風(fēng)電市場，我國正著手建立一個發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的平臺。預(yù)計(jì)經(jīng)過10～15年的準(zhǔn)備，大約在2020年前后，使得風(fēng)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(dá)到裝機(jī)容量7000萬千瓦，積極創(chuàng)造條件實(shí)現(xiàn)1億千瓦，占屆時(shí)發(fā)電裝機(jī)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(jìn)一步發(fā)展中國的可再生能源。這相當(dāng)于中國國民生產(chǎn)總值(2006年)的十分之一。

國家財(cái)政部發(fā)布了《風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金管理暫行辦法》，明確了中央財(cái)政安排風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)和資金使用范圍，并將對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造商給予直接的現(xiàn)金補(bǔ)貼，對兆瓦級整機(jī)廠商，給予前50臺機(jī)組600元/千瓦的補(bǔ)貼。在國家政策支持和能源供應(yīng)緊張的背景下，中國的風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)也迅速崛起，已經(jīng)成為全球風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要根據(jù)風(fēng)速來確定槳葉的角度，通過改變槳葉的角度，來改變槳葉轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和功率，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的輸出功率。槳葉旋轉(zhuǎn)角度在0°到90°之間，在槳葉位于做功位置時(shí)，槳葉最大的面積幾乎是朝著風(fēng)向的，著風(fēng)面積最大。當(dāng)利用槳葉剎車時(shí)，槳葉的前端是是朝著風(fēng)向的，著風(fēng)面積最小，并受到旋轉(zhuǎn)阻力，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步減小至停止。槳葉角度調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種方式，當(dāng)采用電機(jī)驅(qū)動時(shí)，直流電機(jī)和一個齒輪箱配合工作，帶動調(diào)漿軸承，使槳葉的角度改變。當(dāng)采用液壓驅(qū)動時(shí)，需要采用三個獨(dú)立的液壓油缸，分別控制三個槳葉的槳距角。兩種驅(qū)動方式都需要傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控槳距角，當(dāng)采用電機(jī)驅(qū)動時(shí)，可以通過測量角位移來間接測量槳距角，當(dāng)采用液壓驅(qū)動時(shí)，可以通過測量線性位移來測量槳距角。

目前國內(nèi)大多數(shù)風(fēng)機(jī)制造企業(yè)采用電機(jī)驅(qū)動方式，只有少數(shù)企業(yè)采用液壓驅(qū)動方式，而丹麥的風(fēng)機(jī)制造企業(yè)普遍采用液壓驅(qū)動方式，其液壓變槳技術(shù)已經(jīng)有超過25年的歷史，幾乎所有的丹麥風(fēng)機(jī)制造商都從丹麥的液壓變槳技術(shù)中獲利。從技術(shù)的角度比較這兩種變槳方式，液壓變槳在環(huán)境的適應(yīng)能力、維護(hù)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(yùn)轉(zhuǎn)，特別適合高原、氣候寒冷的惡劣環(huán)境，采用電機(jī)變槳的風(fēng)機(jī)需要定期齒輪潤滑油，維護(hù)成本較高，尤其是安裝在海上的風(fēng)機(jī)。此外，液壓變漿的風(fēng)機(jī)，在性能上都具有領(lǐng)先優(yōu)勢，包括較大的扭矩輸出、較短的啟動時(shí)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(yīng)能力等方面的綜合素質(zhì)，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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)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(dǎo)絲)、電子電路、保護(hù)外殼、非接觸磁環(huán)組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖一所示。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電路產(chǎn)生一個“起始脈沖”，此脈沖沿著波導(dǎo)絲傳輸，同時(shí)產(chǎn)生一個沿著波導(dǎo)絲方向的螺旋磁場，當(dāng)此磁場與非接觸磁環(huán)的磁場相遇時(shí)，波導(dǎo)絲產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，即產(chǎn)生一個機(jī)械波沿著波導(dǎo)絲傳向電路，此機(jī)械波以恒定速度V傳輸，電路部分有一個拾能機(jī)構(gòu)將此機(jī)械波轉(zhuǎn)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(jì)算得出“起始脈沖”與“終止脈沖”之間的時(shí)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(shù)應(yīng)用于位移傳感器已有50年的歷史，康宇公司于1997年引進(jìn)了磁致伸縮線性位移傳感器技術(shù)和生產(chǎn)線，將此技術(shù)帶入了中國，數(shù)以萬計(jì)的磁致伸縮線性位移傳感器應(yīng)用于國內(nèi)自動化控制領(lǐng)域。

經(jīng)過十余年的研究與生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，康宇公司已經(jīng)掌握了磁致伸縮線性位移傳感器技術(shù)，能夠?yàn)閲鴥?nèi)外客戶提供各種結(jié)構(gòu)、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(fēng)電領(lǐng)域大量使用，基本外形結(jié)構(gòu)如圖三所示，內(nèi)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(jié)構(gòu)圖

圖四 液壓缸內(nèi)置安裝結(jié)構(gòu)圖

三、機(jī)械盤式煞車對位移傳感器的需求：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有兩種煞車方式，一種是氣動煞車，一種是機(jī)械煞車，一般風(fēng)機(jī)都會同時(shí)采用上述兩種煞車方式，兩種煞車裝置的結(jié)合可以徹底保證風(fēng)機(jī)在各種情況下的正常工作。即使在緊急情況下也能使風(fēng)機(jī)不遭到損壞。氣動煞車是由風(fēng)機(jī)的漿距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，在正常停車的情況下，變槳系統(tǒng)將槳葉驅(qū)動到空載位置，使槳葉轉(zhuǎn)子逐漸停轉(zhuǎn)，在緊急情況下，每一個槳葉分別由一個獨(dú)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(jī)械盤式煞車系統(tǒng)，它被安置于風(fēng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速區(qū)段，在停機(jī)檢修時(shí)，氣動煞車將風(fēng)機(jī)停穩(wěn)后，用這個機(jī)械盤式煞車將風(fēng)機(jī)煞車。氣動煞車在制動時(shí)會在發(fā)電機(jī)齒輪箱上產(chǎn)生巨大的制動扭矩，如果在機(jī)組停機(jī)維修時(shí)也依靠它來維持制動狀態(tài)，則會產(chǎn)生額外應(yīng)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(hù)制動操作分開。當(dāng)轉(zhuǎn)子停止在預(yù)定位置時(shí)，轉(zhuǎn)子被鎖緊銷鎖定，傳動鏈制動器此時(shí)可以打開。從而，制動器可釋放負(fù)載，否則負(fù)載將作用在傳動系上，而影響整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行監(jiān)測，所以在大多數(shù)的機(jī)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(nèi)某風(fēng)機(jī)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(jié)束語：

隨著國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)能力、維護(hù)成本等方面的優(yōu)勢，必將得以廣泛應(yīng)用。機(jī)械盤式煞車鎖緊銷方面，磁致伸縮線性位移傳感器的應(yīng)用顯著提高了鎖緊銷動作的可靠性，進(jìn)而提高了整機(jī)運(yùn)行的安全性。

康宇公司不單為國內(nèi)風(fēng)機(jī)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(yàn)，針對機(jī)械盤式煞車的煞車片磨損程度測量，推出了微位移開關(guān)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(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

大力發(fā)展包括風(fēng)電在內(nèi)的可再生能源，是搶抓世界新一輪能源革命先機(jī)的必然要求。鼓勵風(fēng)力發(fā)電，不僅能做大做強(qiáng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，而且能改善我國能源結(jié)構(gòu)，大大減少溫室氣體排放量。我國風(fēng)電如何趁勢而上?當(dāng)務(wù)之急，就是加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，降低運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用可以為此創(chuàng)出一條路來。”