Kompakter Aufpasser

Spezial Windkraft

Sensorik – Schwingungen und Vibrationen in der Gondel oder im Mast von Windkraftanlagen können große Schäden verursachen. Ein speziell entwickelter Vibrationssensor ermöglicht ein zuverlässiges Schwingungsmonitoring, um die Anlage gegebenenfalls stillzusetzen.

27. August 2012

Eine wesentliche Komponente von modernen Windkraftanlagen sind Sensoren, die dort für eine Vielzahl von Aufgaben zum Einsatz kommen. Die Bandbreite reicht von Winkelcodierern für die Regelung des Anstellwinkels der Propellerflügel über Drehzahlsensoren im Generator bis zu Temperatursensoren im Getriebe. Neben solchen »funktionalen« Sensoren kommt dazu eine Reihe von Sensorik-Komponenten, die die Aufgabe haben, die Anlage zu schützen oder sie vor Beschädigungen durch Einflüsse von außen oder durch defekte Anlagenteile zu bewahren. Auf diese Weise können in vielen Fällen größere Schäden vermieden und der Wert der Anlage erhalten werden.

Eine wichtige physikalische Messgröße, die zum Schutz einer Windenergieanlage erfasst werden muss, sind zum Beispiel die während des Betriebs entstehenden Vibrationen, vornehmlich in der Gondel oder kurz unterhalb der Gondel im oberen Bereich des Masts. Schließlich können zu starke Vibrationen die gesamte Anlage in Mitleidenschaft ziehen. So kann es am Mast aufgrund der entstehenden Beschleunigungskräfte zu Rissbildungen oder sogar zum Bruch kommen. In jedem Falle muss die Anlage heruntergefahren werden, wenn zu große Vibrationen auftreten und damit Gefahr im Verzug ist.

Ursache für diese auftretenden Vibrationen können zum einen interne Ereignisse sein. So kann es beispielsweise zu starken Schwingungen der Hauptwelle in einem Frequenzfenster von etwa 10 bis 50 Hertz kommen, wenn das Getriebe oder die Lager einen Schaden aufweisen. Zum anderen können äußere Einflüsse ein Aufschwingen der Anlage verursachen. Zu nennen sind hier sind unter anderem Vereisungen der Rotorblätter. Diese treten nicht gleichmäßig auf und verursachen deshalb eine Unwucht des Rotors, die die ganze Anlage in Schwingung versetzen kann. Ein weiterer Grund für Vibrationen in Windkraftanlagen sind ungünstige Windverhältnisse, die zu starken Bewegungen der Gondel und des Mastes führen können. Hier liegen die Frequenzen typischerweise bei 0,1 bis 15 Hertz.

Sichere Überwachung

Um bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte die Anlage automatisiert herunterzufahren oder anzuhalten, müssen diese Vibrationen und Schwingungen im Rahmen des Schwingungs-Monitorings einer Windkraftanlage ermittelt werden. Genau für solche Zwecke hat der Düsseldorfer Sensorikspezialist TWK-Elektronik den Vibrationssensor NVA65 entwickelt, der speziell an die Bedürfnisse und Einsatzbedingungen in einer Windenergieanlage zugeschnitten ist.

Die mikroelektromechanischen Beschleunigungssensoren erfassen Vibrationen in einem Fre-quenzbereich von 0,1 bis etwa 50 Hertz. Mit Hilfe eines leistungsstarken 32-Bit-Controllers wird dieser Frequenzbereich über digitale Bandpassfilter hoher Ordnung in mehrere Bänder aufgeteilt, um die unterschiedlichen Schwingungsursachen zu trennen und uninteressante Störfrequenzen zu unterdrücken.

Der Sensor erfasst die in den für das Vibrationsmonitoring wichtigen niederfrequenten Frequenzbändern gemessenen Beschleunigungen kontinuierlich in jeder Richtung in der x–y–Ebene und gibt sie wahlweise via Analog-Signal (4–20 Milliampere) oder über CANopen aus, entweder für x und y getrennt oder als geometrische Summe beider Werte. Im Rahmen des Anlagen-Monitorings lässt sich so jederzeit der Schwingungs- und Vibrationszustand beobachten.

Integrierte Schaltrelais

Eine Spezialität der Sensoren der Serie NVA65 sind eingebaute Grenzwertrelais, die beim Überschreiten bestimmter Beschleunigungswerte schalten, um beispielsweise einen Alarm auszulösen oder die Steuerung zu veranlassen, die Anlage herunterzufahren. Dazu sind für die verschiedenen Frequenzbereiche je zwei eigene Relais vorgesehen, um – je nach Ursache getrennt – Warnung und Alarm ausgeben zu können. Ausgelöst wird der Schaltvorgang anhand der Größe der geometrischen Summe S der Beschleunigungswerte in x- und y-Richtung. Dabei wird bei wachsendem S zunächst über eines der integrierten Relais eine Warnmeldung ausgegeben, bei weiterem Ansteigen löst das andere Relais den Alarm aus. Die galvanische Trennung der beiden Relais-Ausgänge gewährleistet dabei eine sichere Funktion. Dazu kommt eine integrierte Fehlerüberwachung, die bei einer Störung diverser Funktionen des Sensors ein Signal an die Anlagensteuerung ausgibt.

Die Werte für die zu beobachtenden Frequenzen sowie die entsprechenden Grenzwerte-Paare für Warnung und Alarm werden ab Werk programmiert, lassen sich jedoch zusätzlich über eine CANopen-Schnittstelle individuell parametrieren.

Das kompakte Aluminium- oder Edelstahlgehäuse mit den Maßen 100 x 65 x 42 Millimeter sowie die Schutzart IP67 ermöglichen den Einsatz des Sensors auch bei beengtem Bauraum und unter rauen Umgebungsbedingungen. Passend zur jeweiligen Einbausituation sind dabei verschiedene Gehäuseausrichtungen möglich.

Erschienen in Ausgabe: 06/2012