Mehr als 20 oder gar 30 Jahre betragen die Laufzeiten von Windkraftanlagen. Dennoch sollen außerhalb der geplanten Wartungsarbeiten keine technischen Probleme auftreten; wechselnde Witterungsbedingungen dürfen die Sensorfunktion nicht beeinträchtigen, Präzision ist unerlässlich, Sicherheitsanforderungen und -vorschriften müssen erfüllt und eine zustandsorientierte Wartung möglich sein.

ANZEIGE

Baumer trägt diesen Forderungen mit einer breiten Palette leistungsfähiger und zuverlässiger Sensoren Rechnung. Näherungsschalter, Füllstandsensoren und Vision-Systeme gehören ebenso dazu wie inkrementale und absolute Drehgeber mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien.

Treten zwischen den geplanten Wartungsintervallen Schäden auf, bedeutet das nicht nur unerwarteten Stillstand und Leistungsausfall, sondern auch erhebliche Kosten für Reparaturen und Austausch einzelner Bauteile. Das ist ganz besonders dann der Fall, wenn in oder an der Gondel in einer Höhe von 50 bis 150 Metern gearbeitet werden muss. Die Zuverlässigkeit der eingesetzten Komponenten, möglichst unterstützt durch geeignete Maßnahmen für eine Funktionskontrolle, ist daher besonders wichtig.

Widerstandsfähige Sensoren für vielfältige Anwendungen

ANZEIGE

Um beispielsweise Rotorblatt-Durchbiegungen, Strukturschäden oder Eisablagerungen frühzeitig vor einer Funktionsstörung zu erkennen, sind Vision-Systeme eine gute Wahl. Das neu entwickelte Vision-System ZHDM beispielsweise ermöglicht die besonders präzise Messung der Rotorblatt-Durchbiegung und -Torsion mit einer Genauigkeit von besser als 0,01°.

Es ist problemlos nachrüstbar und dank eines Einsatztemperaturbereichs von –40 bis +80 °C auch für Cold-Climate-Applikationen bestens geeignet. Durch die lange lastzyklenunabhängige Lebensdauer, die hohe IP-Schutzklasse und überaus robuste Auslegung kann es auch problemlos an Offshore-Windkraftanlagen eingesetzt werden.

Um technische Ausfälle möglichst gering zu halten, kommen an Windkraftanlagen speziell für den Außenbereich entwickelte, schaltende und distanzmessende Sensoren zum Einsatz, die dank des Dichtigkeitskonzepts ProTect+ hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit garantieren.

Die optischen und induktiven Sensoren durchlaufen besonders harte Schocktestverfahren in Wasser und Luft und erfüllen auch nach unzähligen Temperaturzyklen die Anforderungen der Schutzklasse IP 69K im Arbeitstemperaturbereich von –40 bis +80 °C. Optimierte mechanische Schnittstellen und Fertigungsprozesse sowie der Einsatz hochwertiger Materialien (V4A Edelstahl, Liquid Silicon Rubber und Polyamid) sorgen für Beständigkeit und Langzeitdichtigkeit.

Die wartungsfreien und berührungslos messenden Sensoren können in Windkraftanlagen vielfältige Aufgaben übernehmen. Sie überwachen beispielsweise Bremsbeläge, was planbare zustandsorientierte Wartungsmaßnahmen ermöglicht. Digital schaltende Sensoren überwachen zuverlässig Position und Drehzahl des Rotors und der Gondel und stellen eine günstige und dennoch robuste Alternative zu Drehgebern dar.

Vibrationsbeständige, Analogsensoren messen die Durchbiegung an Rotorwelle und Rotorblättern. Werden Rotorwelle oder -blätter durch Windbelastung zu stark durchgebogen, kann mittels Pitchverstellung die Belastung reduziert werden, um Schäden an der Anlage vorzubeugen. Dank ihrer langen Lebensdauer reduzieren die Sensoren die Wartungskosten von Windenergieanlagen. Ihr hoher Schaltabstand von bis zu zwölf Millimeter sorgt zudem für eine einfache, schnelle und flexible Montage in der Anlage.

Auch kapazitive Sensoren sind für Windkraftanlagen unersetzlich. Mit ihrer Hilfe lassen sich zum Beispiel Getriebeölstände einfach und zuverlässig messen. Dank 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 nichtleitende Stoffe zu detektieren, sind kapazitive Sensoren äußerst vielseitig einsetzbar.

Integrierte Funktionskontrolle

Fast schon unverzichtbar werden im Zusammenhang mit der Planbarkeit von Wartungsintervallen direkt in die Sensoren integrierte Diagnose-Systeme, mit denen sich zum Beispiel die Funktion eines Drehgebers jederzeit überwachen lässt. Eventuelle Funktionsstörungen können zum einen direkt am Gerät angezeigt, zum anderen aber auch an die übergeordnete Steuerung weitergeleitet werden.

Baumer hat deshalb in die Drehgeber der Baureihe HOG 9.2 und HOG 10.2 das »Enhanced Monitoring System« (EMS) integriert. Es basiert auf einem schnellen Mikroprozessor, der kontinuierlich sämtliche Drehgeberfunktionen über den kompletten Drehzahlbereich überwacht. Eventuelle Funktionsstörungen sind somit schnell und einfach zu ermitteln.

Die Drehgeber für den Heavy-Duty-Einsatz haben noch mehr zu bieten: Weil herkömmliche Geber bei langen Kabeln und hohen Drehzahlen, also Ausgabefrequenzen, meist Schwierigkeiten haben, ein brauchbares HTL-Signal zu übermitteln oder dann sogar abschalten, wurden bei diesen Inkremental-Drehgebern die Ausgangstreiber optimiert.

Dadurch lassen sich die Inkremental-Signale mit HTL-Pegel auch über weite Strecken selbst bei hoher Frequenz sicher übermitteln. Geber-Temperaturen von 100 °C und Entfernungen von mehr als 300 Metern bei 100 kHz sind kein Problem mehr. Der Umrichter muss jetzt nicht mehr in Geber- beziehungsweise Generatornähe auf dem Turm montiert sein, sondern kann sich auch am Boden befinden.

Bei Windkraftanlagen, die aufgrund fehlender Last oder einer defekten Pitch-Control vor zu hohen Leerlaufdrehzahlen geschützt werden müssen, kann man die robusten Inkremental-Drehgeber außerdem mit einem zusätzlichen Gerät kombinieren; zum Beispiel mit einem Fliehkraftschalter (FSL), der direkt auf dem zweiten Wellenende montiert wird.

Dieser rein mechanisch nach dem Fliehkraftprinzip arbeitende Schalter löst bei Erreichen einer eingestellten Grenzdrehzahl einen Schaltvorgang und damit eine Sicherheitsfunktion aus, wie etwa das Einfallen einer Bremse.

Auch andere Kombinationen sind möglich, zum Beispiel ein Doppelsystem mit zwei gleichen auf einer Welle gelagerten Drehgebern für Redundanz oder eine Kombination aus Tacho und Drehgeber.

Kombilösungen und redundante Systeme

Für raue Einsatzbedingungen ausgelegt ist auch der komplett optisch arbeitende Drehgeber HOG 86. Durch seinen hohen Korrossionsschutz gemäß C4 ist er auch für den Einsatz in Offshore-Anlagen bestens gerüstet. Der redundante Drehgeber erfasst zweikanalig die Relativposition oder die Drehzahl eine häufig geforderte Eigenschaft für die Fehleraufdeckung in Anlagen. Mehr Sicherheit bringt auch bei diesem Sensor das – in diesem Fall dann ebenfalls redundant ausgelegte – EMS für die Funktionskontrolle.

An Windkraftanlagen haben aber auch Drehgeber ein breites Einsatzspektrum. Sind doch in einer Anlage bis zu einem Dutzend von ihnen installiert, angefangen 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.

Drehgeber für große Wellen

Unterschiedliche Bauformen sorgen dafür, dass sich für jeden Einsatzbereich eine »maßgeschneiderte« Lösung finden lässt. Ein Beispiel dafür liefern lagerlose magnetische Drehgeber, die für den Einsatz an großen Wellen verwendet werden, zum Beispiel am Generator: Die Geber bestehen aus einem direkt auf der Antriebswelle zu montierenden Geberrad und einem separaten Abtastkopf.

Mit Hohlwellendurchmessern bis 740 Millimeter lassen sich Drehgeber direkt auf der Nabe montieren und können pro Umdrehung bis zu 500.000 Impulsen liefern. Dank des lagerlosen Aufbaus arbeitet die Mechanik über Jahre verschleißfrei.

Die kontaktlose Abtastung der Drehgeber erlaubt radiale und axiale Abstandstoleranzen von bis zu drei Millimeter zwischen Geberrad und Abtasteinheit. So lassen sich thermische und mechanische Toleranzen ausgleichen, während gleichzeitig der Einbau erleichtert und die Sicherheit im Betrieb erhöht wird.

Oft sind auch starke Magnetfelder zu beachten, wenn Geber nahe an Generatoren oder Magnetbremsen arbeiten.

Magnetfeldfeste Multiturngeber

Die neuen langlebigen Absolutdrehgeber GXL2W kommen damit problemlos zurecht. Die berührungslose optische Abtastung ist verschleißfrei und unempfindlich gegen schnelle Drehzahlwechsel, Vibrationen und starke Magnetfelder. Die getriebelose Bauweise der Multiturns mit ihrer geringen Bauteilezahl erhöht die Langlebigkeit. Zusätzlich zur SSI-Schnittstelle können sie auch inkrementale Signale liefern. Das erlaubt die Positionserfassung und höchst wirtschaftliche Motorregelung mit nur einem Geber, beispielsweise für die Pitch- und Yaw-Verstellung und ermöglicht kompakte Schleifringe.

Eigendiagnose und Stetigkeitsüberprüfung der Position decken Fehler schon im Vorfeld auf. Die dadurch mögliche vorbeugende Wartung verhindert Anlagenstillstände. Für Windenergieanlagen in Offshore- und Kältezonen-Gebieten sind optional auch Edelstahl- und Tieftemperaturversionen bis –40 °C erhältlich. Die stabile Konstruktion widersteht auch hohen Wellenkräften.

Der GXL2W ist eine Weiterentwicklung der bewährten Touchless Encoder-Serie GM400, die seit 15 Jahren in der Windkraft in großen Stückzahlen eingesetzt wird. Die Entwicklung geht also kontinuierlich weiter. Hersteller und Betreiber von Windkraftanlagen werden sicher auch in Zukunft von innovativen Sensorik-Lösungen profitieren.