Schützt Mensch, Maschine und Umwelt

Spezial Windkraft

Drehzahlüberwachung – Ein zentraler Faktor bei Windenergieanlagen ist die Drehzahl, deren sichere Überwachung unumgänglich ist. Sonst ist der Schaden an der Anlage und auch der wirtschaftliche groß. von Eike Walther, Manager Windenergie Deutschland, Pilz GmbH & Co. KG

27. August 2012

Betreiber von Windenergieanlagen müssen bei der Planung der Anlagen darauf achten, dass die gewählte Sicherheitslösung auch den geltenden Sicherheitsanforderungen genügt. Der Mensch hat erste Priorität, aber auch die Anlagensicherheit einer Windenergieanlage (WEA) verdient besondere Beachtung. Dazu zählt der Schutz vor Überdrehzahlen von Rotor und Generator durch sichere Drehzahlwächter, die den geforderten Performance Level erfüllen und aktiv zum Investitionsschutz beitragen.

Oberste Instanz ist auch in der Windkraft die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG, an dessen Vorgaben sich Hersteller und Betreiber bei Planung und Bau von WEAs in Europa halten müssen. Sie verlangt nach einer umfassenden Risikobeurteilung für alle Lebensphasen und Betriebsarten der Anlage und verpflichtet die Hersteller zur Ausstellung einer Konformitätserklärung gemäß Anhang IIA der Maschinenrichtlinie.

De facto verbindlich sind auch die Richtlinien des Germanischen Lloyd (GL) zur Zertifizierung von Windkraftanlagen. Der GL benennt die EN ISO 13849-1 als eine geeignete Norm für eine umfassende Fehlerbetrachtung. Mit einem dort beschriebenen Verfahren kann der Anwender sicherheitsrelevante Steuerungsfunktionen nach ihrer funktionalen Sicherheit in ein Performance Level (PL) einstufen. Dieses Verfahren gilt als Maß für die Zuverlässigkeit einer Sicherheitsfunktion.

Bei Windenergieanlagen wird die kinetische Energie des Windes über die langsam drehende Rotorwelle und ein Getriebe auf die schnelldrehende Generatorwelle übertragen. Der Schutz vor Drehzahlüberschreitung des Rotors stellt laut GL eine sicherheitsrelevante Funktion dar.

Standardkomponenten können diese Sicherheitsfunktionen bei einer Störung mit dem in der Risikobeurteilung ermittelten Performance Level nicht gewährleisten. Bei einem Ausfall der Systeme für Drehzahlüberwachung erhält der Anwender unter Umständen keine Rückmeldung über den tatsächlichen Anlagenzustand; eine Gefahrensituation für Mensch und Anlage ist dann nicht auszuschließen. Neben Personenschäden kann es zu Anlagenschäden und sogar zum Totalausfall der Anlage kommen.

Wächter der Drehzahl

Darum ist unter allen Umständen für die sichere Überwachung der Rotor- und der Generatordrehzahl sowie des Übersetzungsverhältnisses zu sorgen. Das funktioniert am besten über sichere Drehzahlwächter wie den PNOZ s30 von Pilz. Das Gerät arbeitet als Stand-alone-Modul für die sichere Überwachung von Stillstand, Drehzahl, Position, Drehzahlbereich und Drehrichtung. Da der Wächter Drehzahlbereiche und Drehrichtung sicher überwachen kann, ist er für die drehzahlrelevanten Sicherheitsfunktionen einer WEA geeignet. Der PNOZ s30 verfügt zudem über die UL/cUL-Zulassung und ist vom TÜV zertifiziert.

Der PNOZ s30 besitzt eine durchgängige zweikanalige Steuerungsarchitektur, um die hohen technischen Anforderungen von Sicherheitsfunktionen zu erfüllen. Ein Standardencoder erfasst als erster Kanal die Rotordrehzahl. Der zweite Kanal wird durch einen Standard-Näherungsschalter abgebildet, der die Generatordrehzahl misst. Mit diesem Initiatorsignal als weiteres Gebersignal stellt der Standardencoder ein zweikanalig redundantes und diversitäres System dar. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Generator wird durch das Getriebe vorgegeben und bildet den dritten zu überwachenden Parameter.

Auf diese Weise überwacht der PNOZ s30 die Maximaldrehzahlen der Rotor- und der Generatorwelle sowie deren Verhältnis zueinander. Überdrehzahlen sowie Implausibilitäten der Gebersignale erkennt er zuverlässig und leitet bei Bedarf die entsprechende sichere Reaktion ein. Ziel ist, Störungen oder Fehler zu erkennen, bevor es zu Schäden an der Anlage und vor allem am Getriebe kommt.

Alle für den Betrieb notwendigen Informationen werden in ein benutzerfreundliches Basismenü eingetragen. Die Bedienung des Drehzahlwächters erfolgt über einen Drehknopf. In Kombination mit dem Monochrom-Display spart dies Zeit bei Inbetriebnahme und Gerätetausch, da keine separate Software erforderlich ist. Das Display zeigt die eingestellten Grenzwerte und Parameter sowie die aktuelle Drehzahl an und informiert den Anwender permanent über die aktuelle Drehzahl.

Die Parameter einer Applikation werden auf der zugehörigen Chipkarte abgespeichert und lassen sich so auf einfache Weise auf ein anderes Gerät übertragen. Das reduziert Kosten und Zeitaufwand. Zudem sind die Parameterdaten durch ein Passwort geschützt und damit sicher vor Manipulationen oder unbeabsichtigten Änderungen.

Auf einen Blick

Sichere Automatisierungstechnik, die schnell auf sensible Faktoren im Betrieb der WEA reagiert, kann Fehler- oder Störungsquellen frühzeitig identifizieren und die Lebensdauer verlängern. Sichere Drehzahlwächter wie der PNOZ s30 von Pilz erfüllen die Vorgaben für Windenergieanlagen und gewährleisten wirtschaftlichen Betrieb.

Erschienen in Ausgabe: 06/2012