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Kräftemessen in Windkraftwerken

: Pepperl+Fuchs


Windmühlen stellen heute vollwertige Kraftwerke dar, die Energie zuverlässig erzeugen und auch das Netz stützen können. Zu ihrer vollen und verlässlich sicheren Funktionstüchtigkeit spielen entsprechende Sensoren eine unabdingbar wichtige Rolle. Für diese spezifischen “Cold Climate“- und “Offshore“-Einsatzfälle bietet Pepperl+Fuchs die entsprechend richtige Sensorauswahl.

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Der klassische Aufbau eines Windkraftwerks zeigt die Anwendungsbereiche für Sensoren zu Steuerung des Blattanstellwinkels (Pitch), der Gondelposition (Yaw) und der Rotor- bzw. Generatordrehzahl.

Der klassische Aufbau eines Windkraftwerks zeigt die Anwendungsbereiche für...

Kein Windkraftwerk kommt ohne Sensoren aus. Letztere spielen bei der Funktion eine wesentliche Rolle. Mit Rotorblattlängen von bis zu 60 Metern und somit Durchmessern der überstrichenen Fläche von 120 Metern wurden Dimensionen erreicht, bei denen die enormen Lasten des Winddrucks eine präzise Steuerung der Blattwinkel unabdingbar machen. Bei den sich ergebenden Höhenunterschieden kommt es zu extrem unterschiedlichen aerodynamischen Bedingen an den Flügelflächen, so dass radiale Lasten auf die Rotorachse wirken, die sich dann wiederum im Getriebe (falls vorhanden) oder dem nachfolgenden Generator wiederfinden. Dies führt zu starken Belastungen der Lager, damit zum vorzeitigen Verscheiß oder sogar zum kurzfristigen Ausfall.

Rotor-Rundlauf entscheidet Lebensdauer

Inzwischen gehört es zum Stand der Technik, dass der Winkel eines jeden einzelnen Rotorblatts individuell in der Drehbewegung verändert werden kann. Dazu werden neben der Drehzahl auch die Lasten im Flügel gemessen. Durch das Ändern des Anstellwinkels wird eine gleichmäßige Last auf den (typischerweise drei) Rotorblättern angestrebt. Dies dient der Leistungsoptimierung genauso wie dem Rundlauf. Um das zu erreichen, muss auch die Position des Blatts exakt bestimmt werden. Hierbei kommen, insbesondere bei elektrischen Antrieben, Absolutdrehwertgeber zum Einsatz.

Technologisch trennt man zwischen optischen und magnetischen Verfahren. Erstere boten eine höhere Genauigkeit, während die Zweiten günstiger in den Kosten und unempfindlicher gegenüber schwierigen Umgebungsbedingungen waren. Inzwischen sind 14 Bit Auflösung, als einschlägiger Wert in dieser Anwendung,
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Beschleunigungssensoren messen die Kräfte in einem Windkraftwerk und liefern damit u. a. Daten für die Fernüberwachung.

Beschleunigungssensoren messen die Kräfte in einem Windkraftwerk und liefern...

in beiden Technologien erreichbar. Damit treten die Zuverlässigkeitsthemen in den Vordergrund.

Windkraftanlagen werden sehr oft küstennah oder vermehrt auch direkt auf See installiert. Damit sind sie verstärkt salzhaltiger Luft und einer hohen Feuchtigkeit ausgesetzt. Diese aggressiven klimatischen Bedingungen werden noch durch den Einsatz in kalten Gegenden verschärft. Gleichzeitig erfordert auch die erschwerte Erreichbarkeit der Anlagen, insbesondere auf See, dass die Zuverlässigkeit oberste Priorität bekommt. Service-Einsätze werden extrem teuer, sofern sie überhaupt kurzfristig durchführbar sind.

Komponenten für harte Klimabedingungen

Damit müssen sich die Sensoren den sogenannten “Cold Climate“ und “Offshore“ Bedingungen anpassen. Oft wird daher gefordert, dass der Sensor ab -40° C betriebsbereit ist, gleichzeitig aber auch bei hoher Luftfeuchtigkeit einwandfrei funktioniert und durch salzhaltige Luft nicht geschädigt wird. Dies hat nachhaltigen Einfluss auf die Auswahl der Materialien und die Konstruktion insgesamt. Auch die Lebensdauer der Lager bedarf einer eingehenden Analyse, da hier direkte Abhängigkeiten von den Temperaturen, den Drehzahlen sowie den axialen und radialen Lasten bestehen.

Schließlich steht auch die elektromagnetische Empfindlichkeit auf dem Prüfstand.

Problematisch
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Inkrementale und absolute Drehwertgeber müssen den harten Umgebungsbedingungen in Offshore oder Kaltklimagebieten standhalten.

Inkrementale und absolute Drehwertgeber müssen den harten Umgebungsbedingungen...

für die Zulieferer ist das Fehlen von Standards in diesem Bereich. Inzwischen kristallisiert sich hier zwar ein gewisser “Common Sense“ heraus, aber viele Details liegen immer noch im Unklaren. Deswegen hat es sich der VDMA zur Aufgabe gemacht, in seiner Untergruppe “Antriebstechnik für Windenergieanlagen“, ein Einheitsblatt zu entwickeln, in dem die Anforderungen für “Cold Climate“ Bedingungen konkretisiert werden sollen.

“Kräftemessen“ im Windkraftwerk

Neben der Positionierung der Rotorblätter, also den Pitch Steuerungen, gehört die Drehung der Gondel (Yaw Steuerung) sowie die präzise Ermittlung der Drehzahl an verschiedenen Stellen im Kraftwerk zu den klassischen Anwendungen. Im Yaw kommen sowohl inkrementale wie absolute Drehwertgeber zum Einsatz. Bei der Drehzahl handelt es sich in der Regel um inkrementale Encoder. Letzteres ist aber auch eine Sicherheitsfunktion, da die Detektion des Überschreitens der maximal zulässigen Drehzahl für das Kraftwerk sozusagen „lebensnotwendig“ ist. Das Überschreiten einer bestimmten maximalen Drehzahl kann letztlich zur Zerstörung mit dramatischen Folgen führen. Aber auch die sichere Erkennung des Stillstands ist unabdingbar, da das Wartungspersonal beim Betreten der Windmühle über diesen Zustand Gewissheit haben muss. Hier werden z. B. vom Germanischen Lloyd Sicherheitsstufen nach Performance Level zwingend gefordert. In der Regel muss PLd erreicht werden, was analog einem Security Level SIL2 entspricht.

Pepperl+Fuchs kann hier sogar Produkte mit SIL3 Zertifizierung anbieten, die im Fall der Drehzahlerfassung aus einem inkrementalen SIL3 Drehgeber mit programmierbaren Drehzahlwächter und Safety Monitor bestehen. Schließlich müssen im Windkraftwerk auch Kräfte gemessen
werden, da im Fall von sehr starken Böen eventuell eine Notabschaltung erfolgen muss. Dazu werden Beschleunigungssensoren angeboten, die in ein oder zwei Achsen Beschleunigungskräfte zwischen -2g und +2g messen können. Die entsprechenden Werte können über eine analoge Schnittstelle geliefert werden. Darüber hinaus können ab Werk digitale Ausgänge programmiert werden, die beim Überschreiten eines bestimmten maximalen Werts ein entsprechendes Ausgangsignal liefern.

Auch diese Produkte erfüllen in Bezug auf Temperaturgang, Dichtigkeit und Materialbeschaffenheit alle Anforderungen an die harten Bedingungen in extremen Klimazonen.

Der klassische Aufbau eines Windkraftwerks zeigt die Anwendungsbereiche für Sensoren zu Steuerung des Blattanstellwinkels (Pitch), der Gondelposition (Yaw) und der Rotor- bzw. Generatordrehzahl.
Beschleunigungssensoren messen die Kräfte in einem Windkraftwerk und liefern damit u. a. Daten für die Fernüberwachung.
Inkrementale und absolute Drehwertgeber müssen den harten Umgebungsbedingungen in Offshore oder Kaltklimagebieten standhalten.



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