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Windkraftanlagen als Technologietreiber

: Baumer


Erneuerbare Energien sind auf dem Vormarsch. Sie stellen an die Automatisierungstechnik teilweise neue Forderungen. Windkraftanlagen im On- und Offshore-Bereich liefern dafür ein gutes Beispiel: Der hart umkämpfte Markt, die rauen Betriebsbedingungen und der schwierige Zugang bei Wartung und Reparatur verlangen der hier eingesetzten Technik einiges ab. Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit aller verwendeten Komponenten werden damit zu entscheidenden Kriterien. Das gilt auch für die zahlreichen Sensoren, die für den reibungslosen Betrieb der Windkraftanlagen unerlässlich sind.

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Drehgeber, die an Windkraftanlagen zuverlässig arbeiten, eignen sich auch für den harten Industrieeinsatz.

Drehgeber, die an Windkraftanlagen zuverlässig arbeiten, eignen sich auch für...


Bei den langen Laufzeiten von Windkraftanlagen von mehr als 20 oder 30 Jahren sollen außerhalb der geplanten Wartungsarbeiten möglichst keine technischen Probleme auftreten. Schwankende Witterungsbedingungen dürfen die Sensorfunktion nicht beeinträchtigen, Präzision ist unerlässlich, Sicherheitsanforderungen und -vorschriften müssen erfüllt und eine zustandsorientierte Wartung möglich sein. Die aktuellen Entwicklungstrends im Bereich Sensorik tragen diesen Anforderungen Rechnung und werden zukünftig Auswirkungen auf die gesamte Automatisierungstechnik haben, zumal an einer Windkraftanlage viele Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien eingesetzt sind.



Drehgeber für harte Einsatzbedingungen

An einer Windkraftanlage arbeiten z. B. bis zu einem Dutzend Drehgeber – vom Inkrementalgeber über redundante Absolutwertgeber bis hin zu hochauflösenden Varianten, die sich dank zahlreicher Schnittstellen von SSI bis Ethernetvernetzung problemlos in übergeordnete Steuerungskonzepte integrieren lassen. Bei Windkraftanlagen sorgen diese verschiedenen Drehgebertypen z. B. für die zuverlässige Positionserfassung bei der Rotorblattverstellung, der Gondelpositionierung oder für die Überwachung der Generatordrehzahl. Optimiert für den langjährigen Einsatz unter extremen Umgebungsbedingungen, bieten sie auch für
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In heutigen Windkraftanlagen sind viele Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien eingesetzt.

In heutigen Windkraftanlagen sind viele Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien...

raue Industrieumgebungen oder mobile Einsatzbereiche beste Voraussetzungen.

Pressen, Stanzen, Walzwerke, Containerkräne, Papiermaschinen oder Anlagen der Lebensmittelindustrie, die bis in den letzten Winkel mit Dampfstrahl gereinigt werden, profitieren von solchen zuverlässigen Robust-Lösungen.

Weitere Features so genannter HeavyDuty-Drehgeber sind die Abtastung der Inkrementalscheibe mit Opto-ASICs, schock- und vibrationsfest eingebaute Elektronik, Spezialdichtungen und – bei Hohlwellengebern – die durchgehende Hohlwelle. Kurzschlussfeste Leitungstreiber mit temperaturüberwachten Leistungstransistoren sorgen dafür, dass sich die Inkrementalsignale mit HTL-Pegel auch über weite Strecken, selbst bei hoher Frequenz, sicher übermitteln lassen. Entfernungen von über 300 m bei 100 kHz und Gebertemperaturen von 100° C sind kein Problem. Bei Windkraftanlagen kann sich der am Geber angeschlossene Umrichter daher nicht nur auf dem Turm, sondern auch gut zugänglich am Boden befinden. In anderen Applikationen werden Anwender diese praxisgerechte Möglichkeit sicherlich ebenfalls zu schätzen wissen.

Interessante Lösungsansätze erschließen auch Kombigeräte, bei denen mehrere Funktionen in einem Gerät integriert sind – der Montageaufwand reduziert sich, man spart Einbauplatz und Servicemaßnahmen müssen nur für ein Gerät geplant werden. Außerdem ist der Anschaffungspreis oft attraktiver. Zu diesen Kombigeräten zählen beispielsweise Absolutwertgeber, die zusätzlich zur Position ein Inkrementalsignal zur Geschwindigkeitsüberwachung
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HeavyDuty-Drehgeber bieten besondere Features wie die Abtastung der Inkrementalscheibe mit Opto-ASICs, schock- und vibrationsfest eingebaute Elektronik und Spezialdichtungen.

HeavyDuty-Drehgeber bieten besondere Features wie die Abtastung der Inkrementalscheibe...

ausgeben.

Als Schutzmaßnahme für Windkraftanlagen haben sich außerdem inkrementale Drehgeber bewährt, die mit Fliehkraftschaltern zur Zwangsabschaltung bei Drehzahlüberschreitung kombiniert werden. Auch für diese Drehgeber gibt es im Maschinen- und Anlagenbau Einsatzbereiche, wenn es Überlastungsschäden an Motoren oder Generatoren zu verhindern gilt. Kombinationen aus absolutem Drehgeber und Resolver, die eine präzise Positionierung oder sichere Notabschaltung ermöglichen und zudem Motor-Feedback-Informationen übermitteln, sind ein weiteres Beispiel dafür, wie sich mehrere Funktionen sinnvoll in nur einem Gerät integrieren lassen.

Keine Angst vor dicken Wellen

Langsam laufende Motoren und Generatoren liegen im Trend. Sie sparen Getriebestufen, oft sogar das gesamte Getriebe und damit Kosten und Energie. Niedrige Drehzahlen muss man jedoch mit höheren Drehmomenten erkaufen, will man die gleiche Leistung übertragen. Bei Großmaschinen werden dann die Wellen oft so dick, dass für sie auf dem Markt lange keine Drehgeber zu finden waren. Mit lagerlosen, magnetischen Drehgebern, die in Windkraftanlagen für den Einsatz an großen Wellen verwendet werden, stehen jetzt auch für solche Einsatzbereiche maßgeschneiderte Lösungen zur Verfügung.

Die Geber bestehen aus einem direkt auf der Antriebswelle zu montierenden Geberrad und einem separaten Abtastkopf. Mit Hohlwellendurchmessern bis 740
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mm lassen sich Drehgeber direkt auf der Nabe montieren und können pro Umdrehung bis zu 500.000 Impulse liefern. Dank lagerlosen Aufbaus arbeitet die Mechanik über Jahre verschleißfrei. Die kontaktlose Abtastung der Drehgeber erlaubt radiale und axiale Abstandstoleranzen von bis zu 3 mm zwischen Geberrad und Abtasteinheit. Thermische und mechanische Toleranzen lassen sich so ausgleichen, während gleichzeitig der Einbau erleichtert und die Sicherheit im Betrieb erhöht wird.

Sensorik für Füllstands- und Leckageüberwachung

Auch bei Füllstands- und Leckageüberwachungen kann der Anlagen- und Maschinenbau von Sensoren profitieren, die sich in Windkraftanlagen bereits bewährt haben. Optische Leckagesensoren mit integrierter Elektronik, die Flüssigkeitsmengen ab 1 ml zuverlässig erkennen, finden auch im industriellen Umfeld Einsatzmöglichkeiten, zumal sie dank Teflon/PFA-Ummantelung chemisch sehr beständig sind und sich mit einem Montageclip ohne Werkzeug montieren lassen.

Ähnliches gilt auch für induktive und kapazitive Sensoren, ohne die Windkraftanlagen ebenfalls nicht auskommen. Robuste, induktive Sensoren werden hier z. B. für die Positions- und Drehzahlerfassung eingesetzt, wenn die Genauigkeit von Drehgebern nicht erforderlich ist. Das berührungslose, wartungsfreie Messprinzip, die Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungseinflüsse, sehr hohe Auflösung und Wiederholgenauigkeit bei schneller Schaltfrequenz sind hier wichtige Features.

Mit kapazitiven Sensoren lassen sich z. B. Getriebeölstände einfach und
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zuverlässig messen. Mit Schutzart IP67 kann man sie direkt in der Ölwanne montieren. Verschiedene Gehäusevarianten bieten ideale Lösungen für unterschiedliche Einbausituationen – natürlich nicht nur in Tanks. Dank der Eigenschaft, leitende wie auch nicht leitende Stoffe zu detektieren, sind kapazitive Sensoren äußerst vielseitig einsetzbar. Sie eignen sich aber auch zur Detektion von Objekten verschiedenster Farben, Formen und Werkstoffen – und zudem sind Füllstandsmessungen durch Behälterwände hindurch möglich.

Wartungsmaßnahmen: planbar und zustandsorientiert

Wo wirtschaftlich gearbeitet werden soll, sind Wartungsintervalle ein wichtiges Thema. Auf Windkraftanlagen triff dies besonders zu: Treten zwischen den Wartungen Schäden auf, bedeutet das nicht nur unplanmäßigen Stillstand und Leistungsausfall, sondern auch erhebliche Kosten für Reparaturen und Austausch einzelner Bauteile. Fast schon unverzichtbar werden in diesem Zusammenhang in die Sensoren integrierte Diagnose-Systeme, mit deren Hilfe sich z. B. die Drehgeberfunktion jetzt jederzeit überwachen lässt. Eventuelle Funktionsstörungen werden dann nicht nur direkt am Gerät angezeigt, sondern auch an die übergeordnete Steuerung weitergeleitet.

Es gibt jedoch noch weitere Maßnahmen, die Wartungsmaßnahmen planbar machen und dadurch die Effizienz einer Maschine oder Anlage erhöhen. In manchen Anwendungen genügen dazu schon vergleichsweise einfache Lösungen – z. B., wenn man an Scheibenbremsen die Beläge kontrollieren
will. Robuste und dennoch präzise messende induktive Sensoren haben sich hier bei Windkraftanlagen bereits gut bewährt. Schaltende Ausführungen können Grenzwerte direkt signalisieren. Im Fall der Fälle kann dann bei einer der nächsten Wartungsmaßnahmen der Bremsbelag getauscht werden.

Ähnliche Beispiele gibt es noch viele. So lassen sich auch Vision-Systeme, die an Windkraftanlagen Rotorblattdurchbiegungen, Strukturschäden oder Eisablagerungen frühzeitig vor einer Funktionsstörung erkennen, auch in industriellen Anwendungen nutzen. Denn auch hier gilt: Technik, die sich an Windkraftanlagen bewährt hat, hält auch in anderen Anwendungsbereichen extremen Anforderungen stand.


Drehgeber, die an Windkraftanlagen zuverlässig arbeiten, eignen sich auch für den harten Industrieeinsatz.
In heutigen Windkraftanlagen sind viele Sensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien eingesetzt.
HeavyDuty-Drehgeber bieten besondere Features wie die Abtastung der Inkrementalscheibe mit Opto-ASICs, schock- und vibrationsfest eingebaute Elektronik und Spezialdichtungen.
Ausgangstreiber mit mehr Power: Signalhub eines HTL-Signals nach 300 m bei 100° C und 100 kHz (a). Bei gleichen Testbedingungen im Vergleich der Signalhub eines konventionellen Drehgebers (b).
Praxisgerechte Lösungsansätze erschließen auch Kombigeräte, beispielsweise Absolutwertgeber, die zusätzlich zur Position ein Inkrementalsignal zur Geschwindigkeitsüberwachung ausgeben.
Lagerlose, inkrementale oder absolute, magnetische Drehgeber mit bis zu 740 mm Hohlwellendurchmesser lassen sich direkt auf der Rotornabe montieren.
Optische, induktive und kapazitive Sensoren, die sich in Windkraftanlagen bewährt haben, bieten auch für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau beste Voraussetzungen.
Messende Sensoren überwachen präzise Bremsen, Rotorblatt- und Turmbelastung und tragen so zum sicheren und zuverlässigen Anlagenbetrieb bei.
Neues Vision-System für hochpräzises Blade-Monitoring bei Windkraftanlagen und industriellen Anwendungen.


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