Condition Monitoring Fitness-Check für die Windenergieanlage

Hinter Condition Monitoring verbirgt sich nichts anderes, als dass der technische Zustand - der Gesundheitszustand - der Windenergieanlage überwacht wird. Frühzeitig soll erkannt werden, ob durch Verschleiß oder Defekte die Funktionsfähigkeit der Anlage gefährdet ist

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Wenn ein Defekt ein Ausfallen der Windenergieanlage (WEA) zur Folge hat, bedeutet das einen nicht unerheblichen finanziellen Verlust für den Betreiber. Es liegt also im Interesse der Hersteller, die sogenannte Verfügbarkeit möglichst hoch zu halten und teure, langwierige Reparaturen zu vermeiden. Doch wie kann das erreicht werden?

Dazu muss man sich vor Augen führen, dass eine Windkraftanlage in erster Linie ein komplexes mechanisches Konstrukt ist. Damit ist nicht nur der reine Aufbau mit Mast, Gondel und Rotor gemeint, sondern auch das Innenleben, bestehend aus Hauptantriebsstrang, Getriebe und Generator. Bekanntermaßen sind diese Komponenten teuer und müssen vor Schäden geschützt werden. Da enorme Kräfte bei der Umsetzung der mechanischen Energie des Windes in Strom zugange sind, können sich kleine Fehler mehr oder weniger schnell zu erheblichen Schäden entwickeln.

Diese Schäden betreffen nicht nur die Komponenten selbst. Es können durch die defekten Komponenten auch Kollateralschäden, beispielsweise an Mast oder Gondel, hervorgerufen werden. Eine teure Kettenreaktion. Schon wegen der Begrifflichkeit ist bei der alternativen Energieerzeugung eine Kettenreaktion zu vermeiden. Hier gilt es also, diese Entwicklung frühzeitig zu erkennen und Maßnahmen zu ergreifen. Diese Früherkennung ist die Aufgabe des Condition Monitorings. Hersteller, die es schaffen, Anlagen anzubieten, die eine hohe Verfügbarkeit aufweisen, haben einen klaren Wettbewerbsvorteil.

Teure Kettenreaktion frühzeitig vermeiden

TWK Elektronik ist schon lange – seit Aufstellung der ersten WEA, der Growain – ein Zulieferer von Messsystemen für Winkel und Wege für die Windindustrie. Neu im Portfolio ist der Vibrationssensor NVA65. Wie der Name schon sagt, geht es um die Messung von Schwingungen und Vibrationen bis zum Körperschall. Die Ursachen sind unterschiedlich: Eine Unwucht des Rotors, z.B. durch ungleichmäßige Vereisung, führt zu niederfrequenten Schwingungen im Sub-Hertz-Bereich. Wenn das Getriebe oder die Lager Defekte aufweisen oder einen bestimmten Verschleißgrad erreichen, kommt es zu verstärkten Vibrationen von ca. 15 Hz bis 50 Hz, auch Körperschall genannt. Der Vibrationssensor erfasst alle Schwingungsbeschleunigungen in einem Bereich von 0,1 Hz bis 60 Hz. Konstante Beschleunigungen (Gleichanteil, z.B. Erdbeschleunigung) werden eliminiert. Der Sensor muss also nicht exakt horizontal eingebaut werden. Der Messbereich beträgt 2 g.

Der Frequenzbereich ist einteilbar in bis zu sechs Teilbereiche. Dieses wird durch digitale Filter (Tschebyscheff-Filter) erreicht. Man kann also die unterschiedlichen Ursachen der Vibrationen unterscheiden. Der NVA wird durch eine Reihe von Grenzwertrelais ergänzt. Diese sind den verschiedenen Frequenzfenstern zugeordnet und werden aktiviert, wenn bestimmte Beschleunigungsgrenzwerte überschritten werden. Es können also Warnungen oder Alarme per Relais an die Steuerung oder andere Periferiegeräte übermittelt werden. Gegenmaßnahmen können initiiert werden. Durch eine weitgehende Parametrierbarkeit kann der Kunde, wenn er nicht schon ab Werk eine Programmierung haben will, den Sensor mit allen Werten selbst parametrieren – beispielsweise die Grenzwerte für die Relaisschaltung oder die Frequenzfenster. Die integrierte CANopen Schnittstelle macht es möglich. Über entsprechende CANopen Objekte können relevante Daten übermittelt werden.

Das Vibrationsszenario immer im Blick behalten

Zusätzlich bietet sie die Möglichkeit, alle Momentan-Beschleunigungswerte der einzelnen Frequenzbänder kontinuierlich auszulesen. Damit kann das aktuelle Vibrationsszenario beobachtet werden. Zusätzlich werden zwei wählbare Frequenzbänder auf zwei Analogausgänge (4 … 20 mA) ausgegeben. Dies ist eine nach wie vor gewünschte Schnittstelle, die ebenfalls das Vibrationsszenario nachvollziehbar macht. Der Sensor bietet eine Reihe von Möglichkeiten, die auf einer Anlage entstehenden Vibrationen zu erfassen, zu bewerten und weiterzuverarbeiten und auch kontinuierlich zu übermitteln. Wenn also Verschleiß oder ein Defekt auftritt und die Schwingungsamplituden nehmen zu und vielleicht sogar ein bedrohliches Maß an, kann rechtzeitig reagiert werden. Der Vibrationssensor basiert auf dem etablierten Neigungssensor NBA/NBN, der mit MEMS Sensoren ausgestattet ist. Ein leistungsstarker 32 Bit Controller verarbeitet alle Daten und nimmt die digitale Filterung vor. Das Gehäuse ist robust und kann in Aluminium oder Edelstahl 1.4404, das auch aggressiven Offshore-Bedingungen standhält, geliefert werden. Die Schutzklasse ist maximal IP68/IP69K. Der Sensor ist so ausgelegt, dass er eine preisgünstige Alternative zu den hochgerüsteten aber dadurch auch teuren Geräten am Markt darstellt. Gerade im Bezug auf den Serieneinsatz in der Windindustrie bietet die preisgünstige MEMS Technologie des NVAs eine interessante Möglichkeit.

Gesundheitsreform für Windenergieanlage wird kommen

Das Thema Sicherheit spielt auch in der Windbranche in Zukunft eine immer größere Rolle. Mensch und Umwelt sollen durch Fehlfunktionen in der Windenergieanlagen nicht zu Schaden kommen. Wenn in einigen Jahren die neuen Richtlinien des GL – gewissermaßen eine Gesundheitsreform – in Kraft treten, sind die Anlagenhersteller in der Pflicht. Für uns als Hersteller von Messsensoren bedeutet das auch eine neue Herausforderung, die gestemmt werden muss. Die Komponenten, die wir liefern, müssen diesem Safety Gedanken entsprechen. Ebenso wird sich der Vibrationssensor anpassen. Das bedeutet einen redundanten Aufbau, Sicherheitssoft- und -firmware, sowie sichere Schaltrelais mit Kontaktüberwachung und eine sichere Datenübertragung zum Beispiel über CANopen Safety. Mit einem solchen Gerät wird TWK der Safety Thematik in Zukunft Rechnung tragen. Damit stellt der Vibartionssensor im Vergleich zu den mechanischen Geräten eine echte Ausweichlösung dar und ist durch den weiten Frequenzbereich sogar überlegen. Die 'Wackeldackel' reagieren nur bei einer bestimmten Resonanzfrequenz oder bei einem schlagartigen Ruck.

Eine Perspektive für die Windparkbetreiber

Die Stromgewinnung aus Wind spielt jetzt und noch lange Zeit eine wichtige Rolle, um ökologisch unseren Energiebedarf zu decken. Doch nur, wenn die Windkraftanlagen intakt sind, erzeugen sie Strom. Ihre Verfügbarkeit muss hoch sein, damit sie für die Windparkbetreiber eine gute Perspektive bieten. Sie müssen überwacht und geschützt werden, um sich ankündigende größere Schäden abzuwenden. Das Condition Monitoring ist ein unverzichtbarer Bestandteil der Konstruktion einer Windenergieanlage, um dieses Ziel zu erreichen. Der Vibrationssensor ist ein kleiner aber wichtiger Bestandteil auf dem Weg zu diesem Ziel.

Hannover Messe 2013: Halle 9, Stand D58

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