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磁致伸缩线性位移传感器在风力发电机组上的应用

风能是一种可再生的、可预测的、清洁型能源。风电场可快速建成,可为全球最大的、增长最快的经济发展地区提供能源独立性。经预测,我国拥有250GW的陆地风机和750GW海上风机的装机潜力,并在3~5年的时间里便可能成为全球最大的风电市场,我国正着手建立一个发展风电产业的平台。预计经过10~15年的准备,大约在2020年前后,使得风电能成为火电、水电之后的第三大常规发电电源,至少达到装机容量7000万千瓦,积极创造条件实现1亿千瓦,占届时发电装机容量的10%(08年仅占0.4%)。国家发改委也宣布,中国政府将拨款2650亿美元用于进一步发展中国的可再生能源。这相当于中国国民生产总值(2006年)的十分之一。

国家财政部发布了《设备产业化专项资金管理暂行办法》,明确了中央财政安排风电设备产业化专项资金的补助标准和资金使用范围,并将对设备制造商给予直接的现金补贴,对兆瓦级整机厂商,给予前50台机组600元/千瓦的补贴。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,中国的风电设备制造业也迅速崛起,已经成为全球风电最为活跃的场所。

一、液压变浆系统对的需求:

机组需要根据风速来确定桨叶的角度,通过改变桨叶的角度,来改变桨叶转子的转速和功率,进而获得稳定的输出功率。桨叶旋转角度在0°到90°之间,在桨叶位于做功位置时,桨叶最大的面积几乎是朝着风向的,着风面积最大。当利用桨叶刹车时,桨叶的前端是是朝着风向的,着风面积最小,并受到旋转阻力,使风机转速逐步减小至停止。桨叶角度调节的执行机构有电机驱动和液压驱动两种方式,当采用电机驱动时,直流电机和一个齿轮箱配合工作,带动调浆轴承,使桨叶的角度改变。当采用液压驱动时,需要采用三个独立的液压油缸,分别控制三个桨叶的桨距角。两种驱动方式都需要传感器来实时监控桨距角,当采用电机驱动时,可以通过测量角位移来间接测量桨距角,当采用液压驱动时,可以通过测量位移来测量桨距角。

目前国内大多数风机制造企业采用电机驱动方式,只有少数企业采用液压驱动方式,而丹麦的风机制造企业普遍采用液压驱动方式,其液压变桨技术已经有超过25年的历史,几乎所有的丹麦风机制造商都从丹麦的液压变桨技术中获利。从技术的角度比较这两种变桨方式,液压变桨在环境的适应能力、维护成本等方面具有较大的优势,其可以在零下30度的环境下正常运转,特别适合高原、气候寒冷的恶劣环境,采用电机变桨的风机需要定期齿轮润滑油,维护成本较高,尤其是安装在海上的风机。此外,液压变浆的风机,在性能上都具有领先优势,包括较大的扭矩输出、较短的启动时间等。

在液压变浆系统中,测量液压油缸活塞行程的扮演着十分重要的角色,而凭借其在测量精度、可靠性、环境适应能力等方面的综合素质,成为了各行各业液压缸行程测量位移传感器中的佼佼者,线性位移传感器已经被大量的使用在风力发电领域。

二、线性位移传感器介绍:

磁致伸缩线性位移传感器,是基于磁致伸缩原理用于测量线性位移的一种传感器,主要由磁致伸缩敏感元件(波导丝)、电子电路、保护外壳、非接触磁环组成,内部结构如图一所示。当传感器工作时,电路产生一个“起始脉冲”,此脉冲沿着波导丝传输,同时产生一个沿着波导丝方向的螺旋磁场,当此磁场与非接触磁环的磁场相遇时,波导丝产生磁致伸缩效应,即产生一个机械波沿着波导丝传向电路,此机械波以恒定速度V传输,电路部分有一个拾能机构将此机械波转换成一个微弱电信号IEo,经过放大后得到一个“终止脉冲”,通过计算得出“起始脉冲”与“终止脉冲”之间的时间差T,因此位移值L即等于VT,原理如图二所示。

磁致伸缩技术应用于位移传感器已有50年的历史,康宇公司于1997年引进了磁致伸缩线性位移传感器技术和生产线,将此技术带入了中国,数以万计的磁致伸缩线性位移传感器应用于国内自动化控制领域。

经过十余年的研究与生产的经验,康宇公司已经掌握了磁致伸缩线性位移传感器技术,能够为国内外客户提供各种结构、各种电气信号的磁致伸缩位移传感器产品,并具有了为客户定制特殊产品的能力,康宇公司的KYDM-L系列位移传感器在风电领域大量使用,基本外形结构如图三所示,内置安装于液压缸如图四所示。

图三 KYDM-L系列磁致伸缩线性位移传感器结构图

图四 液压缸内置安装结构图

三、机械盘式煞车对位移传感器的需求:

风力发电机组的有两种煞车方式,一种是气动煞车,一种是机械煞车,一般风机都会同时采用上述两种煞车方式,两种煞车装置的结合可以彻底保证风机在各种情况下的正常工作。即使在紧急情况下也能使风机不遭到损坏。气动煞车是由风机的浆距角调节系统实现的,在正常停车的情况下,变桨系统将桨叶驱动到空载位置,使桨叶转子逐渐停转,在紧急情况下,每一个桨叶分别由一个独立的蓄电池组直接通过变矩控制器供电煞车。作为气动煞车的辅助手段,加入了机械盘式煞车系统,它被安置于风机的高转速区段,在停机检修时,气动煞车将风机停稳后,用这个机械盘式煞车将风机煞车。气动煞车在制动时会在发电机齿轮箱上产生巨大的制动扭矩,如果在机组停机维修时也依靠它来维持制动状态,则会产生额外应力和不必要的摩损,由于这个原因,必须将系统紧急制动操作和维护制动操作分开。当转子停止在预定位置时,转子被锁紧销锁定,传动链制动器此时可以打开。从而,制动器可释放负载,否则负载将作用在传动系上,而影响整个风力发电机组的使用寿命。锁紧销的动作是否可靠到位,需要通过位移传感器来进行监测,所以在大多数的机械盘式煞车系统上的锁紧销都需要安装位置传感器,国内某风机厂家率先采用了康宇公司的KYDM-L系列磁致伸缩线性位移传感器,用于锁紧销活塞行程监测,大大提高了锁紧销的安全性,图五为安装了磁致伸缩线性位移传感器的锁紧销,图六为安装了锁紧销的液压盘式煞车系统。

图五 锁紧销

图六 液压盘式煞车系统

结束语:

随着国内风力发电机组的制造水平的不断提高,液压变桨系统凭借其在性能、环境适应能力、维护成本等方面的优势,必将得以广泛应用。机械盘式煞车锁紧销方面,磁致伸缩线性位移传感器的应用显著提高了锁紧销动作的可靠性,进而提高了整机运行的安全性。

康宇公司不单为国内风机企业提供KYDM-L系列磁致伸缩线性位移传感器,还凭借多年的传感器、变送器的经验,针对机械盘式煞车的煞车片磨损程度测量,推出了微位移开关产品,经过部分客户的测试、使用,该产品在功能、性能、可靠性上都达到了国内先进水平。

大力发展包括风电在内的可再生能源,是抢抓世界新一轮能源革命先机的必然要求。鼓励风力发电,不仅能做大做强风电产业,而且能改善我国能源结构,大大减少温室气体排放量。我国风电如何趁势而上?当务之急,就是加强技术创新,降低运营成本真正走出一条创新与高水平发展的新路来。我们希望国产传感器在风力发电机上的应用可以为此创出一条路来。”

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