隨著人們對可再生能源利用價值認識的提高，以及風電機組制造、控制和其它相關技術的不斷進步，風力發電在近十幾年來的發展非常迅速。與此同時，風電機組的單機容量和風電場的總裝機容量也不斷增長，因此風電機組的風能利用率和安全運行問題也越來越受到人們的關注。

電感式接近傳感器在偏航系統中能夠很好地控制偏航角度和偏航旋轉方向，這大大提高了風電機組的風能利用率，在安全運行方面電感式接近傳感器在風輪轉速控制中起到了重要作用。

接近傳感器工作原理

1 概述

接近傳感器可以在不與目標物實際接觸的情況下檢測靠近傳感器的金屬目標物。其特點為：非接觸檢測，避免了對傳感器自身和目標物的損壞；無觸點輸出，操作壽命長；即使在有水或油噴濺的苛刻環境中也能穩定檢測；反應速度快；小型感測頭，安裝靈活；在自動控制系統中可作為限位、計數、定位控制和自動保護環節。

2 原理

電感式接近傳感器主要是利用金屬導體和交變電磁場的互感原理。能使磁場衰減的金屬材料會產生渦流，這樣會使磁場能量衰減，并且減小振幅。在電感式接近開關里這樣的變化就會使相應的輸出電平翻轉。

電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測面產生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態，轉換為電信號通過整形放大轉換成二進制的開關信號，經功率放大后輸出。內部原理見圖1。

圖1 接近傳感器內部原理圖

接近傳感器在風機偏航中的應用

1 偏航系統簡介

風機的偏航系統是水平軸式兆瓦級風力發電機組必不可少的組成系統之一，它主要功能如下：（1）偏航系統能夠根據風向變化隨時調整機艙使葉輪對準風向，使風輪始終處于對風狀態；（2）具備偏航制動功能，提供必要的鎖緊力矩，保障風電機組的安全運行；（3）當風力發電機組由于偏航作用，連接機艙與塔筒內及塔下電氣設備之間的電纜會發生扭轉纏繞，纏繞嚴重可損壞電纜，當纏繞到一定程度時，偏航系統可自動解纜。即當向某個方向累計偏航達到720度，控制系統會啟動自動解纜程序，避免電纜因過度扭絞發生危險。

2 接近傳感器在風機偏航中的應用原理

風電機組偏航運行時序大概簡介如下：通過風傳感器檢測風向，并將檢測到的風向信號送至主控系統，主控系統計算出風向與機艙位置的夾角，從而確定是否需要調整機艙方向以及朝哪個方向調整能盡快對準風向。

當需要調整方向時，主控系統發出信號給偏航驅動機構，以調整機艙的方向，從而達到對準風向的目的。在此偏航過程中，接近傳感器輸出信號給主控系統，主控系統以此判斷偏航旋轉方向并并計算偏航角度。當對風結束后，偏航電機停止轉動，偏航過程結束。

我們依據現場安裝條件及偏航大齒圈的轉速，選擇適宜的接近傳感器。選擇時注意頻率匹配，所檢測目標的頻率要低于接近傳感器的最大感應頻率，同時所檢測目標的材料要在接近傳感器感應范圍內。

2個接近傳感器安裝在偏航軸承大齒圈外側，調整背緊螺母可以調整接近傳感器和偏航齒圈頂之間的距離。安裝時應使接近傳感器感應面與齒輪平面相垂直，如圖2所示。

圖2 接近傳感器安裝圖

被測量齒圈的金屬齒輪、齒槽等運動部件經過接近傳感器的前端，引起磁場的相應變化而使得接近傳感器輸出脈沖信號不同，主控系統通過采集脈沖信號計算偏航角度并控制機組偏航不超過720度，防止電纜過度纏繞。通過一左一右兩個接近傳感器發出的信號，主控系統可以判定偏航系統的偏航旋轉方向。

接近傳感器上面有一個指示燈，當有信號輸出時，這個指示燈就會亮，當接近到一定距離時，觀察指示燈是否亮，如果指示燈亮說明此傳感器能正常工作。

接近傳感器在風輪轉速控制方面應用

1 風輪轉速過高的危害

風機傳動鏈包括主軸組件、齒輪箱、連軸器、制動器、發電機。風吹動風輪旋轉經主軸傳到齒輪箱，經齒輪箱將低速軸速度轉變成更高的發電機速度。

風輪轉速和功率隨著風速的提高而增加，但是風速過高會導致風輪轉速過高和發電機超負荷。大風情況下，風機還容易造成飛車失控危及風力發電機組的運行安全。因此風輪轉速控制顯得尤為重要。

2 風輪轉速控制原理

在風力發電機組中我們可以利用接近傳感器感測低速軸轉速，如果感測低速軸轉速過高則報警，然后剎車。

在齒輪箱低速軸處安裝接近傳感器，低速軸縮緊盤上有一定數量的螺栓，當有螺栓面靠近接近傳感器感測面時，接近傳感器就會發出脈沖信號給過速繼電器， 過速繼電器將此脈沖信號轉變為模擬量后，傳給主控系統，由主控系統判定齒輪箱低速軸的轉子速度，當速度超過設定值時，將會引起機組停機，保證機組運行安全。

過速繼電器是一種脈沖評估系統。它從低速軸處的接近傳感器接收脈沖，測量脈沖時間間隔，計算輸入頻率。將此值與設定的開關點比較，根據設定參數開啟輸出。集成的頻率-電流轉換器將輸入頻率轉換為模擬信號。控制原理如圖3。

圖3 控制原理圖

（1、低速軸處的接近傳感器；2、風力發電站；3、塔上控制柜中PLC模塊；4、過速繼電器模擬輸出。）

結束語

本文介紹了電感式接近傳感器在偏航系統中控制偏航角度、偏航旋轉方向以及在風輪轉速控制中的應用。

電感式接近傳感器其優點是溫度范圍寬，抗干擾能力強，靈敏度高 高可靠性 壽命長有良好的抗沖擊性和抗震性，由于安裝使用方便，通用性好，已被廣泛應用于各種領域。

本文編自《電氣技術》，作者為彭曉蘭、時連斌。