Warum in Windkraftanlagen magnetische Drehgeber die bessere Wahl sind

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Anforderungen an Drehgeber in Windenergieanlagen

Wichtig neben der rein funktionalen Sicht auf die Technik sind etliche Zertifizierungsanforderungen, die für den allgemeinen Einsatz in Industrieanlagen und speziell zum Betrieb in Windenergieanlagen zu erfüllen sind. Diese reichen von generellen Anforderungen wie Schock (EN 60068-2-31), Vibration (EN 60068-2-6, EN 60068-2-64), der EMC Directive 2004/108/EC und Berücksichtigung von Blitzschutzklassen (IEC 61400-24) über die Einhaltung der EMC-Standards (EN 61000) bis zur Berücksichtigung der Störfestigkeit (EN 61000-4-x und speziell EN 61000-6-2) sowie den zulässigen Emissionen der Komponenten (EN 6100-6-4). Pepperl+Fuchs Drehgeber nimmt die erforderlichen Tests bei seinen Sensoren entweder intern im eigenen Prüflabor vor oder greift in speziellen Fällen auf externe zugelassene Prüfeinrichtungen zurück.

Damit sich Drehgeber für die eingangs genannten Aufgaben in Windenergieanlagen eignen, müssen sie bei Temperaturen von -40 bis +85°C (besser -40 bis +100°C) arbeiten, eine Schock- und Permanent-Schock-Festigkeit bis 100 g bzw. 10 g aufweisen und Vibrationen bis 50 g verkraften. Die Luftfeuchte kann 98 Prozent ohne Betauung erreichen (so die Anforderung bei Verwendung des optischen Abtastverfahrens). Ansonsten legt man eine elektrische Lebensdauer von 200.000 Betriebsstunden (≥20 Jahre) sowie eine mechanische Lebensdauer von 50.000 Betriebsstunden (≥6 Jahre) zu Grunde, welche nur durch die Lebensdauer von Kugellagern begrenzt wird. Soweit die Anforderungen aus der Praxis.

Genauigkeitsbetrachtungen und Einflussfaktoren

Ein wesentliches Kriterium für den Einsatz magnetischer Drehgeber in Windkraftanlagen ist die erreichbare Genauigkeit. Dazu hat der Tuttlinger Sensorspezialist einige Berechnungen und Tests durchgeführt. Auf Basis der kleinstmöglichen Messschritte (LSB), für die sich bei 1024 Impulsen und zwei Spuren durch Flankenauswertung eine Zahl von 4096 pro Umdrehung ergibt, wurde die integrale Nichtlinearität (INL) sowie die differenzielle Nichtlinearität (DNL) ermittelt. Während es sich bei der INL um die absolute Genauigkeit innerhalb einer Umdrehung von 360° handelt, beschreibt die DNL die Abweichung des gemessenen einzelnen Messschrittes zum idealen Messschritt. Als negative Einflussfaktoren auf die INL sind mechanische Gegebenheiten wie die Exzentrizität des Polrades zu nennen, die sich aufgrund ungenauer Montage, Radialschlag der Generatorwelle, mangelnde Rundheit des Polrades selbst oder die Genauigkeit der Magnetisierung ergeben. Die DNL wird unter anderem durch Abstandsänderungen zwischen Polrad und Sensor bestimmt, z.B. durch Exzentrizität oder andere oben genannte Faktoren. Als Haupteinfluss hat sich die Genauigkeit der Magnetisierung herauskristallisiert. Daneben spielen der Interpolationsfaktor des Sensors sowie die Art und Weise der Frequenzmessung des Anwenders eine Rolle. Das Ergebnis zeigt, dass die erreichte Genauigkeit etwa um den Faktor drei besser ist als die geforderte Genauigkeit in dieser Branche.

Mit dieser Genauigkeit, hoher mechanischer Robustheit durch Verzicht auf ein Kugellager sowie Unempfindlichkeit gegenüber Staub, Schmutz, Öl und Fett sowie Feuchtigkeit im Outdoor-Bereich und in aggressiver Salzwasseratmosphäre bei Off-shore-Anlagen bilden magnetische Drehgeber eine hervorragende Wahl. Bei Windenergieanlagen und ähnlichen Anwendungen profitieren Anwender besonders von höherer Lebensdauer und Kostenreduzierungen bei Wartungs- und Serviceaufwendungen.

HMI Halle 9, Stand F18

Rudolf Franz Schlosser, Leiter Custom Solution Center, Pepperl+Fuchs Drehgeber

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