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    nanoscribe0117 Forschungsbericht

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hengstler00212Fachartikel

In einer Windenergieanlage werden Drehgeber für eine genaue Positionserfassung der drei Rotorwindblätter (Flügel), der sogenannten Pitch-Control eingesetzt. Die dynamische Regelung des Rotorblattanstellwinkels trägt wesentlich zur Effizienzsteigerung bei. Die eingesetzten Drehgeber sollen dabei eine lange Lebensdauer bei äußerst harten Umgebungsbedingungen erfüllen. Hengstler zeigt, welche Sensorbauart für diese Pitch-Control Funktion eingesetzt wird.


hengstler10212Im obersten Bereich einer Windenergieanlage, in gut 100 m Höhe, kommen auch Komponenten zum Einsatz, die bei der Größe und Mächtigkeit des Gondelgehäuses, der Rotorblättern sowie Getriebe oder Generator fast verschwinden und unscheinbar wirken. Sie spielen aber eine nicht zu unterschätzende wichtige Rolle, um aus jedem Windhauch die bestmögliche Energieausnutzung hervorbringen zu können. Gemeint ist hier der Einsatz von Drehgebern an der Gondel und an den meist drei vorhandenen Rotorblättern.

Robuste Sensorik sorgt für Effizienz

Erst mit Hilfe einer robusten Sensorik in den Drehgebern ist es möglich, eine hohe Effizienz an Leistung aus den Winden schöpfen zu können. Ein Drehgeber zeigt der Kontrolleinheit, wie die Gondel zum Wind steht. Dementsprechend wird der Azimut der Gondel zum Wind nachgeregelt. Je ein Drehgeber gibt die Position der drei Rotorblätter zur Rotorachse an. Zur Effizienzsteigerung dient hierbei die dynamische Regelung des Rotorblattanstellwinkels (Pitch Control). Bei geringen Windgeschwindigkeiten werden die Rotorblätter voll in den Wind gestellt. Bei zunehmender Windstärke werden sie dagegen aus dem Wind gedreht, damit die Anlage auch bei hohen Windgeschwindigkeiten sicher am Netz bleiben kann. Wie in vielen rotativen Anwendungen gibt es auch für diese Aufgabe in der Windindustrie unterschiedliche Lösungen für den Einsatz von Drehgebern: vom einfachen Ansatz mit nur einem Inkrementalgeber bis hin zu zwei redundanten Absolutgebern.

Insgesamt sind die Anforderungen an die Drehgeber sehr hoch: Soll er an einem Rotorblatt seine Zuverlässigkeit beweisen, muss er Stöße, Vibrationen, Fliehkräfte, große Temperaturunterschiede von -40° bis über +100 °C, magnetische Felder, die in seiner unmittelbar Nähe entstehen und auch Überspannungen durch Blitzeinschläge in einem Nutzungszeitraum von 20 Jahren standhalten können. Der Kosteneinsatz, der für eine Wartung eines Drehgebers berechnet wird, steht besonders im Offshore-Bereich in keinem Verhältnis zu den Drehgeberkosten selbst. Hier kommen neben dem Arbeitsaufwand von einem halben Tag, den 2 Monteure brauchen, um einen Drehgeber auszutauschen, noch erhebliche Kosten für die Heuer eines Bootes samt Crew hinzu.

Varianten für die Pitch-Verstellung der Flügel

hengstler20212Ein Drehgeber für das Pitch-Control im WEA soll folglich äußerst robust sein. Es werden verschieden Varianten für die Pitch-Verstellung der Flügel verbaut. Zu einem wird der Drehgeber auf einer Motor-Bremse-Getriebe-Kombination aufgesetzt. Zum anderen geschieht der Sensoranbau durch die direkte Montage am Drehkranz des Rotorblattes. Die Ankopplung des Gebers erfolgt über ein auf der Geberwelle montiertes Zahnrad. Bei dieser Anwendung werden ganz andere Anforderungen an den Drehgeber gestellt. Die mechanischen Belastungen am Sensor sind hier wesentlich höher als bei der Montage am Pitch-Antrieb mittels einer Getriebe-Motor-Bremse-Kombination.
Hengstler bietet ein umfassendes Produktprogramm von verschiedenen Varianten von Inkremental- und Absolutdrehgeber (Single- und Multiturn) an. Um die unterschiedlichsten Anforderungen zu erfüllen, sind folgende Optionen verfügbar: Optische und magnetische Drehgeber, mit bis zu sehr hohen Auflösungen, Außendurchmessern von 30 bis zu 80 mm sowie in Hohl- als auch in Vollwellenausführungen. Die Drehgeber sind mit den marktüblichen mechanischen und elektrischen Schnittstellen ausgestattet. Ferner gibt es Geber für explosionsgefährdete Bereiche und mit hohem Korrosionsschutz.

Die Drehgeber für Pitch- und Azimut-Positionierung als auch für die Geschwindigkeitsrückführung von Generatoren zeichnen sich zudem durch den zuverlässigen Betrieb in „Cold Climate Areas“, Seewasser resistentes Gehäusematerial für den Offshore-Einsatz und ein integriertes Diagnosesystem aus.

Rein optische Abtastung für Pitch-Control

hengstler30212 engSpeziell für den direkten Anbau an der Motor-Bremse-Getriebe-Kombination wurde der Absolut und Inkrementalgeber AC 58-I-SSI entwickelt. Wegen seinen extrem robusten und kompakten Aufbaues eignet sich der AC 58-I-SSI (SSI=Synchron-serielle-Übertragung) für den Motoranbau im Pitch-Antriebsbereich.
Seine komplett optische Sensorik-Technologie des AC-58 hat Vorteile in Bezug auf Robustheit (Störungsarmut) und Langlebigkeit. Weder große Bauteile noch die Verwendung einer Batterie tragen zur Missweisung oder Totalausfalles des Gebers bei. Sowohl die Singelturn- als auch die Multiturn-Abtastung erfolgt mittels optischer Komponenten. Für das Multiturn-Segment verwendet Hengsler ein robust aufgebautes Getriebe. Dieser komplett optische Aufbau des AC 58 ist somit magnetisch nicht störbar. Denn in einem Pitch-Antrieb entstehen nicht unerheblich große Magnetfelder, die vom Motor oder von der Bremsenkonstruktion erzeugt werden. Diese Magnetfelder üben trotz guter Abschirmung durch das Drehgebergehäuse über Jahre einen Einfluss auf den Drehgeber aus.

Anforderungen für Windkraftanlagen übertroffen

Ferner ist der AC 58 sowohl für Temperaturen, die im Antriebsbereich bis zu 120 °C auftreten dürfen, als auch für Drehzahlen von bis 12.000 min-1 ausgelegt. Er übertrifft somit die Anforderungen, die für Windkraftanlagen gelten. Weil eine Hochleistungs- und Longlife-Betriebsbatterie nicht benötigt wird, ist der AC 58 äußerst robust und wartungsarm. Im Gegensatz zu den vielen anderen eingesetzten Drehgeber-Bauarten. Hier kommen zwar auch Getriebe für die Multiturnabtastung zum Einsatz, jedoch werden die Stufen magnetisch abgetastet. Diese Technologie führt ebenfalls durch die Einwirkungen der magnetischen Felder von Motor bzw. Bremse langfristig zu Problemen. Eine falsche Signalinformation an die Regeleinheit für die Rotorblattverstellung ist die Folge. Sie führt unweigerlich zum Stillstand einer WEA.

Es ist ferner ein Trugschluss, die Herstellungskosten einer WEA niedrig halten zu können, wenn preiswertere magnetische Multiturn-Drehgeber eingesetzt werden. Das oben beschriebene Ausfallrisiko durch Einflüsse von Temperatur und/oder Magnetfeld sowie die Alterung der Batterie ist auch nach vielen Betriebsjahren zu hoch. Es ist kosteneffizienter auf die bewährte Drehgebertechnologie eines AC 58 von Hengstler zu setzen.


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