【摘 要】 桨叶位置传感器用于变桨位置桨叶角度精度校准的检测元件，在实际使用过程中，不可避免的会有故障产生，造成风机故障停机，不仅对设备造成故障电量损失，同时给现场的运维工作带来更多的压力。通过对桨叶位置传感器的检修实践，总结出了此故障的治理方法，并论证了此治理方法的有效性，具备一定的推广使用价值。
【关键词】 风电机组 位置传感器 接近开关 设备治理
对于发电企业来说，为取得良好的运营效益，度电必争、避免不必要的电量损失，显得尤为重要。
风机的电量损失来源主要有环境因素损失、电网因素损失、风机计划性停机维护损失及故障损失等，在这些电量损失类型中，故障电量损失是可以通过设备质量治理，提前进行预防。这些可预防的故障损失，也可以称为不必要的故障电量损失。由桨叶位置传感器故障引起的电量损失，就是属于不必要的故障电量损失。
本文经过对桨叶位置传感器的调试工艺、工作原理、故障频次进行统计分析，提出桨叶位置传感器故障治理的方法，并通过风场的实践，达到降低桨叶位置传感器故障频次及电量损失的目的。
对于电机执行机构变桨控制系统，其变桨传感器布置一般分为92限位开关°、95°限位开关、一个电机编码器和一个轮毂编码器的形式；以及一个3-5°位置传感器、90°位置传感器、95°限位开关和一个电机编码器的形式。[2]
本文研究的变桨系统为第二种带位置传感器的变桨布置形式，采用三柜制设计理念，系统包括三个基本相同的控制柜，采用低压交流变桨形式，每个柜内包括：
1）电源管理模块
2）超级电容
3）变桨电机驱动器（带有速度环、电流环采集功能）
4）PLC（带有位置环及控制输出功能）及通讯接口（带有DP、CAN通讯接口）
5）含有继电器输入/输出的安全电路
6）每个轴箱的外部连接有一个三相交流异步电动机
7）绝对值式编码器
8）95°限位开关
9）3-5°桨叶位置传感器和90°桨叶位置传感器
为了更好的分析桨叶位置传感器故障产生的原因，重点介绍变桨调试过程，来理解桨叶位置传感器的功能和工作原理。
2.2.1 变桨系统调试前检查
检查所有3-5°位置传感器和90°位置传感器安装牢靠、感应距离合适。位置传感器的感应面到挡板距离为2.5~3mm，且位置传感器检测只有检测到金属时，才会正常亮起黄灯。
2.2.2 变桨系统调试
通过COM串口将调试电脑与变桨柜PLC相连接（禁止热插拔，插拔时需断开PLC供电电源2F2开关），打开变桨调软件，进入调试界面。
将变桨系统调至强制手动模式，手动转动桨叶角度至机械0°位后，对电机编码器进行清零，通过变桨调试软件界面观察桨叶角度确实在0°位后，桨叶角度校零成功。
在变桨调试软件选择手动调试菜单下的Teach操作界面，点击Teach（风机进行Teach之前必须完成对零操作），这时变桨系统先顺桨至92°，然后由92°开桨至-2°，在此过程中PLC分别记录90°和3-5°桨叶位置传感器对应的Switchon和Switchoff值。接着变桨系统自动顺桨回89°，机组确认两个桨叶位置传感器switchon与switchoff之间差值在1.4-1.8°之间，Teach状态栏FALSE变为TURE，表示Teach成功。至此，变桨系统调试完成。
2.2.3 桨叶位置传感器作用简介
桨叶角度通过编码器可以进行判断，如果编码器角度不准确，就不能掌握桨叶是否开桨至0°，也不能准确判断桨叶是否安全回至90°位置。在每支桨叶的3-5°和90°位置分别安装一个位置传感器，用于对桨叶角度精度进行校准，判断桨叶角度位置是否准确，以此来完成桨叶角度的监控。[3]
桨叶位置传感器即接近开关，为了更好的理解风机桨叶位置传感器的工作方式，需要对接近开关的工作原理有所了解，掌握其工作原理，才能更好的制定降低桨叶位置传感器故障的方案。
接近开关是一种对接近它的物件有感知能力的元件，即位移传感器，它能够利用位移传感器对接近的物体的敏感特性，从而达到控制开关通或断的目的。接近开关是无需与运动部件进行机械直接接触，而可以操作的位置开关。当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器，或给计算机（PLC）装置提供控制指令。[4]
1）涡流式接近开关。涡流式接近开有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体，在接近这个能产生电磁场的接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。
2）电容式接近开关。这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。
3）霍尔开关。霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应，而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。
4）光电式接近开关。利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可感知有物体接近。
5）热释电式接近开关。用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。
6）其它型式的接近开关。当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。
本文研究的接近开关，只能检测金属物品，属于涡流式接近开关。由接近开关的工作原理可以看出，即使传感器上附着有不含金属粉末的油污，油污就不会对传感器的正常工作产生影响。
通过变桨调试和位置传感器的工作原理，可总结出以下几点故障原因：
1）机械部件存在配合间隙，随着机械运动，间隙会发生一定变化，导致误差出现，且轮毂属于旋转部件，会加剧误差的扩大。当累计误差超出传感器的感应区间，就会报出位置传感器故障。
2）变桨驱动齿和变桨大齿圈共同作用，实现桨叶的变桨功能，长期磨合会产生一定磨损，产生少许铁屑，当铁屑和变桨轴承油脂混合，污染接近开关感应面，导致故障发生。
3）位置传感器的感应区间和桨叶实际位置不匹配，可能由于异物触发传感器或者是传感器本身损坏。
4）接近开关的插头接触不良、回路接线松动或者PLC模块存在故障。
统计自2016年开始，桨叶位置传感器故障的发生次数、故障原因，统计数据如下表1故障检修统计表所示：
表1：故障检修统计表
从故障检修统计表可以看出，风机故障原因主要为异物影响、误差影响。传感器运行5年仅有损坏1个，说明传感器性能良好，能满足现场的运维需求。对于异物的影响，协同风机厂家正在做相应的技术测试，本文不予探讨。本文重点讨论误差影响，以及报出了位置传感器故障，但未实际进行检修的情况。
针对实际发生检修的机组，每次故障后，对传感器和线路等硬件外观检查均未发现异常，在对桨叶进行Teach操作发现，Teach结果为FALSE，位置传感器switchon与switchoff之间差值超出了感应区间，重新调整桨叶位置传感器或者挡块后，Teach结果则为TRUE。风机的桨叶运行一段时间后，会存在误差，此误差是影响位置传感器故障的主要因素。
对于故障能够自复位的机组，检修时同样检查传感器外观和回路，也未发现异常，Teach结果显示，位置传感器switchon与switchoff之间差值，在感应区间的边缘。可见，自复位情况也属于运行误差范畴。
3.3.1 治理
找到了位置传感器故障的主要因素，针对影响因素制定治理方法。为了消除误差，可以定期的对变桨系统进行Teach操作，并将传感器的感应区间调整至中间位置，使传感器的适应误差能力更强。
3.3.2 验证
统计风机变桨系统的Teach时间，方便进行对比分析，时间记录如下表2风机Teach时间统计表所示：
表2：风机Teach时间统计表
从风机Teach时间统计表可以看出，2016年风机完成Teach操作后，2017年由误差引起的位置传感器故障降低了23次，效果非常明显；由于2017年未进行Teach操作，2018年的位置传感器故障比2017年多6次；2019年开始进行Teach操作后，每年由误差引起的位置传感器故障仅为2次，比2018年降低7次，效果明显。从Teach操作时间也可以看出，Teach操作间隔为1年，效果比较理想，可以跟随风机维护一起开展此项工作。
3.3.3 效益
对于效益，直接体现在减少故障电量损失上，自2016年的故障电量损失见下表3故障损失统计表所示：
表3：故障损失统计表
从表中可以看出，采取Teach操作措施的年份，位置传感器损失电量损失较低，最低的为2019年损失12280.98kWh，且2019年比2018年位置传感器损失电量损失减少55382.30kWh，平均每年位置传感器损失电量损失减少41540.61kWh。
根据实践经验，将Teach操作加到年度风机维护中，使风机维护手册适应现场的同时，使维护手册更为完善。
风机故障的减少，使得风机的可利用率提高，故障损失电量更少，也使得风机运行更加安全稳定。
对于其他使用桨叶位置传感器的变桨系统，变桨调试和风机变桨系统可能存在差异，但桨叶位置传感器的功能、工作原理、误差产生等因素保持高度一致，此方法也可给其他变桨系统提供实践依据，具备一定的推广使用价值。
参考文献：
[1] 赵亚亮，余康，苏杰.TR-1.5G变桨距系统概述及分析[J].东北电力技术，2011(05):21-23.
[2] 凌志斌，窦真兰，张秋琼，等.风力机组电动变桨系统[J].电力电子技术，2011(08):101-103.
[3] 轩辕晓东，李宏斌.浅谈变桨系统中的位置传感器[C]//CNKI；WanFang.CNKI；WanFang，2013:62-65.
[4] 邓重一.接近开关原理及其应用[J].自动化博览(5):31-34.
作者：中国广核新能源控股有限公司 陈瑞全、姜超、李凯来源：《风能产业》2020.12
