Bis zu einem Dutzend Drehgeber und Tachogeneratoren verrichten ihren Dienst in Windkraftanlagen

Die Elektronik der Drehgeberbaureihe HOG 131 ist komplett vergossen

Rotorblattverstellung: Ein Fall für absolute Drehgeber mit SSI-, CANopen- oder anderen Feldbusschnittstellen bis hin zu Ethernet

Zur Messung der Generatordrehzahl haben sich Kombinationen bewährt; zum Schutz der Anlage werden inkrementale Drehgeber oder Tachogeneratoren mit Fliehkraftschaltern zur Zwangsabschaltung bei Drehzahlüberschreitung kombiniert

Lagerlose inkrementale oder absolute magnetische Drehgeber mit bis 740 mm Hohlwellendurchmesser lassen sich direkt auf der Rotornabe montieren

Präzise Gondelpositionierung: Für diese so genannte Azimut-Steuerung müssen Drehrichtung und Position erfasst werden. Meist übernehmen diese Aufgabe absolute Multiturn-Drehgeber Exklusiv in KEM Die Autoren: Claus Tuschke ist Industrial Segment Manager Windkraftindustrie bei der Baumer GmbH, Friedberg; Ellen-Christine Reiff ist Redakteurin im Redaktionsbüro Stutensee, Stutensee

Windkraftanlagen müssen unter unterschiedlichen und teils sehr harten Bedingungen zuverlässig arbeiten. Auch bei langen Laufzeiten bis 30 Jahre sollen keine technischen Probleme auftreten und ein wirtschaftlicher, störungsfreier Betrieb bei unterschiedlichsten Windverhältnissen gewährleistet sein. Deshalb setzen Konstrukteure an allen für die Sicherheit und optimale Auslastung relevanten Stellen entsprechende Sensorik ein. Eine wichtige Rolle übernehmen absolute und inkrementale Drehgeber sowie Tachogeneratoren. Bis zu einem Dutzend davon verrichten im On- und Offshore-Bereich unter härtesten Bedingungen ihre Dienste.

So unterschiedlich wie Windkraftanlagen hinsichtlich ihrer Größe und Leistung sowie in ihrem konstruktiven Aufbau sind, so unterschiedlich sind auch die Anforderungen an die eingesetzten Sensoren. Wer diesem Markt gerecht werden will, muss den verschiedenartigen Wünschen und Bedürfnissen der Konstrukteure und Anwender Rechnung tragen. Ein breites Produktportfolio gepaart mit Know-how und langjähriger Erfahrung bietet dafür sicherlich optimale Voraussetzungen.

Ein gutes Beispiel dafür liefert das Produktsegment Motion Control der Baumer Group, in dem sich für die unterschiedlichsten Windkraftanlagen, die passende Sensorik finden lässt und das auch zukünftigen Anforderungen gerecht wird.

Drehzahlmessung und Posi- tionserfassung am Rotor

Um den Wirkungsgrad zu optimieren, wird die Rotordrehzahl – vor allem bei Windkraftanlagen der höheren Leistungsklasse – an die jeweils aktuellen Windverhältnisse angepasst. Zur dafür notwendigen Drehzahlüberwachung werden meist Inkrementalgeber eingesetzt. Sie sind entweder direkt an der Nabe oder im Antriebsstrang positioniert, erfassen die aktuelle Drehzahl des Rotors und leiten diese Information an die übergeordnete Steuerung weiter.

Absolute Drehgeber, die jederzeit die momentane Stellung des Rotors anzeigen und sich ebenfalls für diesen Anwendungsbereich eignen, arbeiten mit Auflösungen bis 17 Bit und bieten häufig parallel inkrementale Impulsspuren für die redundante Drehzahlerfassung. Die Elektronik der Drehgeberbaureihe HOG 131 beispielsweise ist komplett vergossen und damit besonders vibrationsresistent und gegen extreme Umwelteinflüsse geschützt. Die vor allem beim Offshore-Einsatz durch die Seeluft rauen Umgebungsbedingungen sind damit unproblematisch.

Rotorblattverstellung: Ein Fall für absolute Drehgeber

Die Anstellwinkel der Rotorblätter, der so genannte Pitch, ist entscheidend für die Effizienz einer Windkraftanlage. Je nach Windstärke und -richtung müssen die Rotorblätter entsprechend positioniert werden. Für die Positionserfassung bieten sich hier absolute Drehgeber an; da auch bei einem Ausfall der Spannungsversorgung der Posi- tionswert erhalten bleibt und beim Wiederanlauf keine Referenzfahrt erforderlich ist.

Die absoluten Drehgeber gibt es in Wellen- oder Hohlwellenausführungen. Sie werden in den Pitch-Antrieb integriert und – als redundantes System je Rotorblatt – am Zahnkranz über ein Ritzel mitgeführt. Die von ihnen erfassten Werte lassen sich dann wahlweise über SSI, CANopen oder andere Feldbusschnittstellen bis hin zu Ethernet an die übergeordnete Steuerung der Windkraftanlage übertragen.

Drehgeber für die Generatordrehzahl

Eine wichtige Größe beim Betrieb von Windkraftanlagen ist die Generatordrehzahl, zum einen um eine gleichmäßige Netzeinspeisung sicher zu Stellen, zum anderen um bei Drehzahlüberschreitung einen Nothalt auszulösen. Zur Messung haben sich vielfach inkrementale Drehgeber bewährt, die zum Schutz der Anlage häufig mit Fliehkraftschaltern zur Zwangsabschaltung bei Drehzahlüberschreitung kombiniert werden. Heavy-Duty-Ausführungen mit bis zu 63 mm Hohlwellen-Durchmesser liefern bis zu 10 000 Impulse pro Umdrehung. Bei Wellenausführungen sorgt eine Spezialdichtung für die notwendige Widerstandsfähigkeit. Integrierter Blitzschutz, der weite Betriebstemperaturbereich von -40° bis +100 °C und ein spezieller Oberflächenschutz garantieren zuverlässigen Betrieb auch unter extremen Einsatzbedingungen. Für zusätzliche Sicherheit kann eine integrierte Funktionskontrolle sorgen, die eventuelle Störungen rechtzeitig signalisiert, bevor es zu einem Ausfall kommt. Eventuelle Fehler lassen sich so im Rahmen geplanter Wartungsarbeiten beheben, bevor es zu einem Ausfall der Sensorik und dem praktisch nicht tolerierbaren Anlagenstillstand kommt.

Gut geeignet für den Einsatz am Generator sind auch die neuen lagerlosen magnetischen Drehgeber der HDmag-Baureihe. Sie sind besonders kompakt und erlauben bei der Montage große axiale und radiale Toleranzen. Der lagerlose Drehgeber eignet sich besonders für den Einsatz an der schnell drehenden Welle des Generators. Diese Welle macht in 20 Jahren mehr als 25 000 000 000 Umdrehungen. Drehgeber mit Kugellager wären damit sicherlich überfordert. Mit Hohlwellendurchmessern bis 740 mm lassen sich die lagerlosen Drehgeber direkt auf der Nabe montieren. Sie liefern über 500 000 Impulse pro Umdrehung. Die vergleichsweise langsamen Rotordrehzahlen lassen sich auf diese Weise präzise erfassen.

Präzise Gondelpositionierung mit absoluten Multiturns

Für einen wirtschaftlichen Betrieb sollte die Gondel der Windkraftanlage stets optimal zur Windrichtung positioniert werden. Für diese so genannte Azimut-Steuerung müssen Drehrichtung und Position erfasst werden. Meist übernehmen diese Aufgabe absolute Multiturn-Drehgeber. Dabei stehen sowohl optische als auch magnetische Systeme zur Wahl. Kompakte Bauformen, hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie der große Temperaturbereich sorgen für einen langjährigen zuverlässigen Betrieb. Baumer bietet hier patentierte Lösungen zum Schutz vor Dauerschockbelastungen von bis zu 500 g. Die elektrische Wellenisolierung gewährleistet zudem einen wirksamen Schutz gegen Wellenströme.

Durch die große Auswahl lässt sich so für jede denkbare Windkraftanlage eine „maßgeschneiderte" Drehgeberlösung finden, die sowohl hinsichtlich Auflösung und Schnittstellen als auch in Bezug auf Montagemöglichkeiten und Widerstandsfähigkeit die beim On- oder Offshore-Einsatz hohen Anforderungen erfüllt und dabei sowohl konstruktive als auch technische Eigenheiten unterschiedlicher Anlagentypen berücksichtigt.

Auch den aktuellen Forderungen nach sicherheitsgerechten Komponenten in Windkraftanlagen wird das Drehgeberprogramm gerecht. So bietet die Produktpalette bereits absolute und inkrementale Drehgeber mit Sicherheitsfunktionen nach SIL 3 (IEC 62061) und PLe (EN ISO 13849-1) in unterschiedlichen mechanischen Varianten.

Husum Wind Energy:

Halle 1, Stand 1E11

Online-Info

www.kem.de/S110440