风电数据传感器，接近传感器在风力发电机组中的应用

作者介绍了电感式接近传感器在风力发电机组的偏航系统和风轮转速控制中的应用，对风力发电机组的电控设计具有较好的指导意义。

随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电在近十几年来的发展非常迅速。与此同时，风电机组的单机容量和风电场的总装机容量也不断增长，因此风电机组的风能利用率和安全运行问题也越来越受到人们的关注。

电感式接近传感器在偏航系统中能够很好地控制偏航角度和偏航旋转方向，这大大提高了风电机组的风能利用率，在安全运行方面电感式接近传感器在风轮转速控制中起到了重要作用。

1 概述

接近传感器可以在不与目标物实际接触的情况下检测靠近传感器的金属目标物。其特点为：非接触检测，避免了对传感器自身和目标物的损坏；无触点输出，操作寿命长；即使在有水或油喷溅的苛刻环境中也能稳定检测；反应速度快；小型感测头，安装灵活；在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。

2 原理

电感式接近传感器主要是利用金属导体和交变电磁场的互感原理。能使磁场衰减的金属材料会产生涡流，这样会使磁场能量衰减，并且减小振幅。在电感式接近开关里这样的变化就会使相应的输出电平翻转。

电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。内部原理见图1。

图1 接近传感器内部原理图

1 偏航系统简介

风机的偏航系统是水平轴式兆瓦级风力发电机组必不可少的组成系统之一，它主要功能如下：（1）偏航系统能够根据风向变化随时调整机舱使叶轮对准风向，使风轮始终处于对风状态；（2）具备偏航制动功能，提供必要的锁紧力矩，保障风电机组的安全运行；（3）当风力发电机组由于偏航作用，连接机舱与塔筒内及塔下电气设备之间的电缆会发生扭转缠绕，缠绕严重可损坏电缆，当缠绕到一定程度时，偏航系统可自动解缆。即当向某个方向累计偏航达到720度，控制系统会启动自动解缆程序，避免电缆因过度扭绞发生危险。

风电机组偏航运行时序大概简介如下：通过风传感器检测风向，并将检测到的风向信号送至主控系统，主控系统计算出风向与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。

当需要调整方向时，主控系统发出信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，从而达到对准风向的目的。在此偏航过程中，接近传感器输出信号给主控系统，主控系统以此判断偏航旋转方向并并计算偏航角度。当对风结束后，偏航电机停止转动，偏航过程结束。

我们依据现场安装条件及偏航大齿圈的转速，选择适宜的接近传感器。选择时注意频率匹配，所检测目标的频率要低于接近传感器的最大感应频率，同时所检测目标的材料要在接近传感器感应范围内。

2个接近传感器安装在偏航轴承大齿圈外侧，调整背紧螺母可以调整接近传感器和偏航齿圈顶之间的距离。安装时应使接近传感器感应面与齿轮平面相垂直，如图2所示。

图2 接近传感器安装图

被测量齿圈的金属齿轮、齿槽等运动部件经过接近传感器的前端，引起磁场的相应变化而使得接近传感器输出脉冲信号不同，主控系统通过采集脉冲信号计算偏航角度并控制机组偏航不超过720度，防止电缆过度缠绕。通过一左一右两个接近传感器发出的信号，主控系统可以判定偏航系统的偏航旋转方向。

接近传感器上面有一个指示灯，当有信号输出时，这个指示灯就会亮，当接近到一定距离时，观察指示灯是否亮，如果指示灯亮说明此传感器能正常工作。

1 风轮转速过高的危害

风机传动链包括主轴组件、齿轮箱、连轴器、制动器、发电机。风吹动风轮旋转经主轴传到齿轮箱，经齿轮箱将低速轴速度转变成更高的发电机速度。

风轮转速和功率随着风速的提高而增加，但是风速过高会导致风轮转速过高和发电机超负荷。大风情况下，风机还容易造成飞车失控危及风力发电机组的运行安全。因此风轮转速控制显得尤为重要。

2 风轮转速控制原理

在风力发电机组中我们可以利用接近传感器感测低速轴转速，如果感测低速轴转速过高则报警，然后刹车。

在齿轮箱低速轴处安装接近传感器，低速轴缩紧盘上有一定数量的螺栓，当有螺栓面靠近接近传感器感测面时，接近传感器就会发出脉冲信号给过速继电器， 过速继电器将此脉冲信号转变为模拟量后，传给主控系统，由主控系统判定齿轮箱低速轴的转子速度，当速度超过设定值时，将会引起机组停机，保证机组运行安全。

过速继电器是一种脉冲评估系统。它从低速轴处的接近传感器接收脉冲，测量脉冲时间间隔，计算输入频率。将此值与设定的开关点比较，根据设定参数开启输出。集成的频率-电流转换器将输入频率转换为模拟信号。控制原理如图3。

图3 控制原理图

（1、低速轴处的接近传感器；2、风力发电站；3、塔上控制柜中PLC模块；4、过速继电器模拟输出。）

本文介绍了电感式接近传感器在偏航系统中控制偏航角度、偏航旋转方向以及在风轮转速控制中的应用。

电感式接近传感器其优点是温度范围宽，抗干扰能力强，灵敏度高 高可靠性 寿命长有良好的抗冲击性和抗震性，由于安装使用方便，通用性好，已被广泛应用于各种领域。

本文编自《电气技术》，作者为彭晓兰、时连斌。