Sensorsteuerung

Hohe Anforderungen: Sensoren für Windkraftanlagen

Die exakte Positionierung rotativer Komponenten in Windkraftanlagen erfordert eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassungen von Drehwinkeln und Drehzahlen. Die zuverlässige Funktion dieser Sensoren ermöglicht eine effiziente Windausbeute und stellt eine lange Anlagenverfügbarkeit sicher.
Wind in jeglicher Form ist auch bei Windkraftanlagen nicht unbedingt willkommen. Sensoren übernehmen die Steuerung der Anlagen. (Fotos: Lenord + Bauer)

Die genaue Betrachtung der Vielzahl an rotativ gelagerten Systemkomponenten der Windenergieanlagen, bei denen häufig Drehgeber zum Einsatz kommen, verdeutlicht die Sensorik-Anforderungen im Branchensegment Windenergie. Zwar wird die Windenergie mechanisch gewonnen, dennoch ist die effektive Nutzung von Windenergie heutzutage nur durch State-of-the-art-Sensorik möglich. Drehzahl- und Lagesensoren sind zu diesem Zweck in Gondel, Rotornabe, Azimut und Blattwurzel so wie am Generator installiert.

Speziell die Schock- und Vibrationsbelastungen, der Kontakt mit aggressiven Medien und Schmierstoffen, die zum Teil salzhaltige Atmosphäre, kombiniert mit hohem Verschmutzungsgrad, erschweren in Windenergieanlagen den langfristig stabilen Einsatz konventioneller Messsysteme. Optische Sensoren beispielsweise stoßen bei Temperaturwechsel oder hohen mechanischen Belastungen an ihre Grenzen. Lenord + Bauer hat für solche Anforderungen Drehgeber entwickelt, die hohe Auflösungen und Genauigkeiten optischer Systeme mit der Robustheit und Zuverlässigkeit kombinieren. Basierend auf dem Nonius-Algorithmus arbeiten die Absolutwertgeber der Produktfamilie GEL 235 mit der berührungslosen magnetischen Abtastung einer Codescheibe aus ferro-magnetischem Stahl, der sogenannten Stegscheibe. Magneto-Resistive Sensoren tasten hierbei drei Spuren ab und liefern drei korrespondierende Sinussignale, die innerhalb einer Umdrehung eindeutig sind. Die Phasenlage wird ausgewertet und mit hoher Auflösung und Genauigkeit die Absolutposition bestimmt.
Die mechanische Konstruktion dieser Drehgeber in Verbindung mit der Stegscheibe machen sie unempfindlich gegen Schock, Vibration und Betauung. Die günstig gewählten Ausdehnungskoeffizienten der optimierten Aufbautechnik ermöglichen eine überlegene Wiederholgenauigkeit des Drehgebers über den kompletten Temperaturbereich von minus 40 bis plus 105 Grad Celsius. Aber auch herkömmliche magnetische Absolutwertgeber, die auf Basis eines Diametralmagneten funktionieren, finden Anwendung in Windkraftanlagen. Wenn eine hohe Auflösung nicht benötigt wird, punkten sie durch Unempfindlichkeit und Erreichen hoher Schutzklassen.

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Pitchregelung ist aktueller Stand

Drehzahlvariable pitchgeregelte Anlagen stellen den aktuellen Stand der Technik im Windenergieanlagenbau dar. Ist bei Nennwindgeschwindigkeit das maximale Gegenmoment erreicht, kann durch weiteres Erhöhen des Generatormomentes eine Windböe nicht kompensiert werden. Es hat zur Folge, dass die Rotordrehzahl weit über den Betriebspunkt hinaus ansteigt. Daher wird der aerodynamische Wirkungsgrad der Blätter gezielt verschlechtert, indem sie durch den Rotorblattverstellmotor aus ihrem optimalen Anstellwinkel herausgefahren werden. Diesen Vorgang nennt man Pitchen. Die Rotordrehzahl der Anlage wird daher ab Erreichen des maximalen Generatormomentes über den Anstellwinkel der Blätter beeinflusst.

Damit über das Rotorblattverstellsystem die Blattposition genau angefahren werden kann, benötigt dieses ein Lage- beziehungsweise Drehzahl-Feedback-System. Zum Einsatz kommen in dieser Applikation die redundanten Drehgebersysteme der Produktfamilie Sensorline GEL 2035, die zwei galvanisch getrennte Ausgangssignale bieten. Auf diese Weise ist auch bei Ausfall eines Sensorteils die Positionierung der Rotorblätter in die Stall-Stellung möglich. Das Rotorblatt ist mit der Blattwurzel über das Blattlager drehbar mit der Rotornabe verbunden. An der Verzahnung des Blattlagers kann über ein Messritzel mit hoher Genauigkeit und ohne Einfluss des Getriebespiels des Pitchgetriebes an der Blattwurzel die Blattposition und -geschwindigkeit gemessen werden. Da sich über die Zeit in der Verzahnung des Lagers Verschmutzungen wie Schmiermittelablagerungen und Verbundmaterialien des Rotorblattes sammeln, die auf das Messritzel und somit auf die Drehgeberwelle drücken, bietet Lenord + Bauer für diese Applikation einen Drehgeber der Produktfamilie Sensorline GEL 2035 mit optimierter Lagerlast von radial 300 und axial 300 Newton an.

Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der Windrichtung nachgeführt werden. Die Ausrichtung des Rotors in den Wind erfolgt dann mittels Stellmotoren und Lagesensor. Der Windrichtungssensor sorgt für die entsprechende Ausrichtung der Gondel, indem er Richtungsänderungen des Windes an eine Steuerung meldet, die dann über die Frequenzumrichter mehrere Getriebemotoren aktiviert und damit die Drehbewegung der Gondel ausführt. Für die Umwandlung mechanischer in elektrische Leistung werden Drehstrom-Asynchron- oder -synchron-Generatoren eingesetzt. Immer wenn der Generator nicht direkt mit dem Netz gekoppelt ist, sondern wenn dieser über einen Umrichter mit dem Netz verbunden ist, benötigt der Generator einen Drehgeber, um die Rotorlage des Generators an den Umrichter weiterzugeben und den Regelkreis des Umrichters zu schließen. Diese Drehgeber müssen meist über einen isolierten Aufbau zur Generatorwelle und über eine hohe Signalgüte verfügen. Lenord + Bauer bietet hierfür beispielsweise fremdgelagerte Drehzahlsensoren der Produktreihe Sensorline GEL 247 an, welche mittels berührungsloser Abtastung Messzahnräder auswerten.

Drehgebereinsatz am Schleifringübertrager

Schleifringe übertragen oft mehr als 65 Kontakte und liefern bis 250 Ampere Spitzenstrom für die Rotorblattverstellmotoren so wie elektrische Signale und die Buskommunikation vom feststehenden Teil der Windenergieanlage, der Gondel, in die drehende Rotornabe. Weil sich der Schleifring synchron mit der Rotornabe dreht, ermöglicht der im Schleifring integrierte Drehgeber die exakte Positionsbestimmung der Rotornabe. Der Fokus bei dieser Drehgeberapplikation liegt in einer hohen Singleturn-Auflösung, die beim GEL 2351 durch einen parametrierbaren Spannungsausgang realisiert wurde. Der Kunde kann je nach Anforderung die Anzahl der Messpunkte eines Winkelsegmentes anpassen. Im Steuerungsbereich beschäftigt sich Lenord + Bauer mit aktuellen Themen rund um die Bewegungssteuerung, unterstützt aber auch weiterhin traditionelle Legacy-Technologien (LB2Protokoll, LBGraph), wie sie noch bei vielen Maschinenherstellern zu finden sind. Für die algorithmische Codierung verschiedenster Kinematiken setzt Lenord + Bauer auf Steuerungsverfahren nach IEC 61131 (CoDeSys). Björn Schlüter/bw

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