Aus Wind wird Watt

Winkelcodierer - Rotorblätter und Gondel werden ständig am Wind ausgerichtet. Elektro-optische und elektro-magnetische Winkelcodierer signalisieren, wo Rotorblätter und Gondel der Windkraftanlage stehen.

06. Juni 2006

Zur Rückmeldung der Ist-Positionen von Rotorblättern und Gondel dienen elektro-optische und elektromagnetische Winkelcodierer. Die Windrichtung wird durch berührungslose Sensorik in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt. Vor der Zertifizierung einer Windkraftanlage werden viele Verhaltensmerkmale geprüft. Dazu gehören die mechanische Belastung der Rotorblätter, des Triebstranges und der Turmkonstruktion. Gemessen werden auch die Schallimmission, das elektrische Verhalten der abgegebenen Leistung sowie die Abhängigkeiten von Windgeschwindigkeit und Windrichtungsverteilung.

Für Messungen, von Linearbewegungen werden potenziometrische oder induktive Wegaufnehmer verwendet. Die Bewegung von Getriebewellen und Getriebestützen sowie die Verschiebung von Maschinenfundamenten werden damit erfasst. Turmbewegungen werden mit Dehnungsmessstreifen und Beschleunigungssensoren gemessen. Bei der Lastmessung muss u. a. die Gondelposition ermittelt werden, um festzustellen, ob die Anlage ›im Wind‹ steht oder eine Fehlstellung vorliegt. Zur Positionsmessung wird ein Multitour-Winkelcodierer mit analogem Signalausgang verwendet.

Individuelle Messwertaufnehmer

Die erwähnten Messungen, die zur Typenzertifizierung verlangt werden, erfordern Messwertaufnehmer, die je nach Typ der zu prüfenden Anlage angepasst werden können. Dies gilt zum Beispiel für Befestigungen und Anlenk­mechanismen. Die Beständigkeit der Aufnehmer gegen Feuchtigkeit und extreme Temperaturbedingungen ist zwingend. Gehäuse und Verstellwellen sind daher aus seewasserbeständigem Aluminium bzw. aus Edelstahl auszuführen. Dichtungen und elektrische Anschlüsse müssen Schutzarten bis zu IP 68 entsprechen. Der Einsatz im Offshorebereich erfordert eine sorgfältige Auswahl der einzusetzenden Aufnehmer. Auf eine zuverlässige elektrische Übertragungstechnik muss ebenfalls geachtet werden. Alle genannten Messwertaufnehmer liefern absolute Messsignale mit einem festen Bezugspunkt. Auch nach einer Spannungsunterbrechung wird der aktuelle Zustand gemeldet. Neue Referenzfahrten sind nicht erforderlich.

Leistung bis zum Grenzbereich

Die Beanspruchung von Windkraftanlagen übersteigt bei Windgeschwindigkeiten oberhalb des Nennwertes die Grenzen, die durch die Auslegung der Festigkeit der Rotorstruktur gegeben sind. Weiterhin bildet die zulässige Generatorhöchstleistung eine Grenze für die Leistungsabgabe der Windkraftanlage an der Abtriebswelle. Da Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit wächst, muss die Leistungsaufnahme der Anlage begrenzt werden. Neben diesen Aspekten des Schutzes und der Betriebssicherheit kann eine Begrenzung der Leistung auch vom Betreiber gewünscht sein. Dazu gehört vor allem die Abgabe einer konstanten elektrischen Leistung, sofern es das Windangebot zulässt. Beide Vorgaben lassen sich nur über aerodynamische Reglungsverfahren erfüllen. Ein Verfahren, das vor allem bei größeren Windkraftanlagen angewendet wird, ist die Leistungsbegrenzung durch Winkelverstellung (Pitch) der Rotorblätter. Die Luftkräfte werden durch Verdrehen der Rotorblätter um ihre Längsachse gerade so beeinflusst, dass die Leistungsabgabe der Windkraftanlage ab der Nennleistung konstant bleibt.

Jedes Rotorblatt ist bei der Pitch-Regelung einzeln verstellbar über einen Bereich von 0 bis 90°. Zur Rückmeldung der Positionen werden seit über 10 Jahren elektro-optische Winkelcodierer mit einer Auflösung von 12 Bit/360° und mit serieller SSI-Schnittstelle eingesetzt. Neben den elektrischen Daten sind maßgeblich für den Einsatz die robuste mechanische Ausführung, insbesondere die zulässige axiale und radiale Belastbarkeit der Verstellwelle bis zu 250 N, die Schutzart IP 66 und die Auswahl hochwertiger Bauelemente im Hinblick auf höchste Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. Je nach Auslegung der elektronischen Steuerung verwenden inzwischen verschiedene Hersteller von Windkraftanlagen serienmäßig auch Winkelcodierer mit analogen Schnittstellen von 0 bis 20 mA, 0 bis 10 VDC oder mit CANopen-Interfaces. Die Einsatzbereiche erstrecken sich inzwischen für Anlagen von 250 KW bis 6.000 KW Leistung.

Neue Möglichkeiten im Hinblick auf die rauen Einsatzbedingungen, wie sie im Meeresbereich vorliegen, erschließen sich durch die Verwendung von elektro-magnetischen Winkelcodierern in Zwei-Kammer-Bauweise. Bei dieser Konstruktion ist die Verstellwelle mit einem kleinen Permanentmagneten vom elektronischen Teil durch eine Metallwand getrennt. Die Schaltung mit Hall-Elementen in einem ASiC und die Signalaufbereitung befinden sich in der rückseitigen Kammer und sind vollständig vergossen. Dadurch ist die Schutzart IP 68 gewährleistet. Die Gehäuse bestehen entweder aus seewasserbeständigem Aluminium oder aus Edelstahl. Die Auflösung beträgt maximal 13 Bit/360°. Für den Messbereich von 90° ergibt sich damit eine Auflösung von rund 3 Winkelminuten. Digitale und analoge Schnittstellen stehen ebenfalls zur Wahl. Sonderfunktionen nach Vorgabe des Anlagenstellers können realisiert werden. In neueren Anlagen werden Winkelcodierer in Zwei-Kammer-Bauweise mit CANopen-Schnittstelle eingesetzt. Zusammen mit weiteren Teilnehmern sind sie über das gemeinsame Netz mit der Steuerung verbunden, was den Kabelaufwand reduziert.

Zur Ermittlung der Windrichtung wird die Bewegung einer Windfahne durch einen berührungslosen elektro-magnetischen Winkelsensor erfasst, der als Bausatz in den Windmesser integriert ist. Der Sensor liefert ein Signal von 0 bis 10 VDC über 0° bis 360°, das der Regelung zur Verfügung gestellt wird. Ein Preset-Eingang ermöglicht die Justierung auf Mitte, so dass einem Messwinkel von ±180° das Ausgangssignal von ±5 VDC entspricht. Die Auflösung beträgt sechs Winkelminuten. Der Bausatz kann raumsparend ohne eigene Lagerung in Windmessgeräte integriert werden. Durch die berührungslose magnetische Aktivierung entsteht keine Reibung und somit auch keine Verfälschung des Messwertes.

Theo W. Kessler, TWK

Erschienen in Ausgabe: 04/2006