Absolute und inkrementale Drehgeber für sichere Pitch-Control-Anwendungen

Nach dem verheerenden Erdbeben und der Nuklearkatastrophe in Japan im März 2011 haben die Pläne zur Erzeugung erneuerbarer Energien weltweit wieder an Fahrt aufgenommen. Die Erzeugung von Strom aus Windkraft ist derzeit die am weitesten verbreitete und häufigste Art der Energiegewinnung. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muss jede einzelne Komponente einer Windkraftanlage strenge Anforderungen erfüllen. Das gilt auch für die Drehgeber, die für die exakte Positionierung der drei Rotorblätter - die so genannte "Pitch-Regelung" - benötigt werden. Die dynamische Pitch-Regelung der Rotorblätter trägt maßgeblich zu einer höheren Effizienz bei. Gleichzeitig müssen die Geber unter extrem rauen Umgebungsbedingungen eine lange Lebensdauer aufweisen. In diesem Artikel wird erläutert, welche Sensortypen für die Pitchregelung eingesetzt werden.

Ein Aufwärtstrend

Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist die Nutzung der Windkraft eine bewährte Methode zur Erzeugung von elektrischem Strom. Weltweit ist die Zahl der Aufträge für Windkraftanlagen nach der schrecklichen Katastrophe in Japan gestiegen, und das Ziel ist, mehr Strom ins Netz einzuspeisen als jemals zuvor geplant.

Im höchsten Teil einer Windkraftanlage, nur etwa 100 Meter über dem Boden, befinden sich Komponenten, die im Vergleich zu der riesigen Gondel und den mächtigen Rotorblättern, dem Getriebe und dem Generator fast unsichtbar erscheinen. Ihre Rolle ist jedoch nicht zu unterschätzen und entscheidend für die maximale Energieausbeute aus dem leichtesten Windhauch: Die Rede ist von Drehgebern, die an der Gondel und den (meist drei) Rotorblättern zum Einsatz kommen.

Robuste Sensortechnik

Geber AR 62

Die robuste Sensortechnik in den Encodern macht es möglich, die maximale Leistung aus der Windkraft herauszuholen. Der Encoder "zeigt" der Steuereinheit die Winkelposition der Gondel in Bezug auf die Windrichtung und ermöglicht es, den Azimut der Gondel bei Bedarf neu auszurichten.

Ein Encoder für jedes Rotorblatt zeigt die Position jedes Rotorblatts im Verhältnis zur Rotorachse an. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird eine dynamische Pitchregelung eingesetzt, d.h. die Rotorblätter werden in Zeiten geringer Windgeschwindigkeiten vollständig gegen den Wind gedreht. Bei hohen Windgeschwindigkeiten werden die Rotorblätter vom Wind weggedreht, so dass die Anlage in einem sicheren Betriebszustand bleibt. Wie bei vielen anderen rotatorischen Anwendungen sind auch bei dieser speziellen Aufgabe in der Windindustrie verschiedene Drehgeberlösungen gefragt: von einfachen Ansätzen mit nur einem Inkrementalgeber bis hin zu zwei redundanten Absolutwertgebern.

An Drehgeber werden im Allgemeinen hohe Anforderungen gestellt. Die Modelle, die an einem Rotorblatt ihre Zuverlässigkeit unter Beweis stellen müssen, müssen Schock, Vibration, Fliehkräfte, große Temperaturunterschiede (von - 40 bis über + 100 °C), Magnetfelder in ihrer unmittelbaren Umgebung und sogar Blitzüberspannungen aushalten - und das über ihre gesamte Lebensdauer von 20 Jahren!

Die Wartungskosten für einen Drehgeber stehen in keinem Verhältnis zu den tatsächlichen Kosten eines Drehgebers. Dies gilt insbesondere für Offshore-Anwendungen. Zusätzlich zu den Arbeitskosten für die beiden Mechaniker, die den Geber austauschen müssen, fallen erhebliche Kosten für die Anmietung eines Bootes und die Besatzung an.

Anforderungen

Daher müssen Geber für Pitch-Regelungen in Windkraftanlagen möglichst robust sein. Es gibt verschiedene Varianten der Pitch-Regelung: Bei einer Variante ist der Geber auf einer Motor-Brems-Getriebe-Kombination platziert (Abb. 1). Bei einer anderen Variante ist der Geber direkt auf dem Drehkranz des Rotorblattes montiert (Abb. 2). In dieser Anwendung werden ganz andere Anforderungen an den Geber gestellt, da die mechanischen Belastungen des Gebers im Vergleich zum Pitch-Antrieb der Getriebe-Motor-Bremse-Kombination deutlich höher sind.

Wartung einer Offshore-WEA (www.shutterstock.com)

Drehgeber von Aldingen für Windkraftanlagen in aller Welt

Hengstler, einer der führenden Drehgeberhersteller, bietet eine umfangreiche Produktpalette mit verschiedenen Versionen von Inkremental- und Absolutdrehgebern (Singleturn und Multiturn). Um den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden, stehen folgende Optionen zur Verfügung: optische und magnetische Drehgeber mit sehr hohen Auflösungen, Außendurchmesser von 30 bis 80 mm sowie Hohlwellen- oder Vollwellenausführungen. Die Geber sind mit den gängigen mechanischen und elektrischen Schnittstellen ausgestattet. Darüber hinaus liefert Hengstler Aldingen hochkorrosionsbeständige Drehgeber für explosionsgefährdete Bereiche.

Als Spezialist für Sensor- und Zähler-/Zeitgebertechnik bietet Hengstler langjährige Erfahrung im Bereich der Windenergie und damit optimierte Lösungen. Drehgeber für die Pitch- und Azimut-Positionierung und die Regelung von Generatoren zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Temperaturbereich von -40°C ... +100° C
• Zuverlässiger Betrieb in "Cold Climate Areas"
• Seewasserbeständiges Gehäuse für Offshore-Anwendungen
• Inkrementale oder absolute Singleturn- und Multistory-Varianten
• Integriertes Diagnosesystem

Streng optische Abtastung für die Tonhöhenkontrolle

Der Absolut- und Inkremental-Drehgeber Typ AC 58-I-SSI wurde speziell für den direkten Anbau an Motor-Brems-Getriebe-Kombinationen entwickelt. Durch seine äußerst robuste und kompakte Bauweise ist der AC 58-I-SSI (SSI=SYNCHRONOUS-SERIAL INTERFACE) das Gerät der Wahl für die Pitch-Control-Motormontage.

Hengstler Drehgeber AC58 auf Pitch-Drive

Die rein optische Sensortechnologie des AC-58 bietet Vorteile in Bezug auf Robustheit (Störfestigkeit) und Langlebigkeit. Weder große Bauteile noch Batterien können zu Abweichungen oder gar zum Totalausfall des Drehgebers führen. Die Abtastung - sowohl Singleturn als auch Multiturn - erfolgt mittels optischer Komponenten (Abb. 3).

Das von Hengstler eingesetzte Multiturn-Segment verfügt über ein robustes Getriebe; der rein optische Aufbau des AC 58 ist daher unempfindlich gegenüber magnetischen Störungen. Durch die Motor- bzw. Bremsenkonstruktion eines Pitch-Antriebs werden erhebliche Magnetfelder erzeugt. Obwohl eine gute Abschirmung durch das Drehgebergehäuse gewährleistet ist, wirken sich diese Magnetfelder nach einigen Jahren auf den Drehgeber aus.

AC 58 ist für Temperaturen bis zu 120 °C (innerhalb des Antriebsbereichs) und Drehzahlen bis zu 12.000 U/min ausgelegt. Damit übertrifft er die Anforderungen, die an Windkraftanlagen gestellt werden. Er kommt ohne leistungsstarke und langlebige Batterien aus und erweist sich damit als äußerst robustes und wartungsarmes Gerät. Im Gegensatz zu vielen anderen Gebertypen, die zwar auch Getriebe für die Multiturn-Abtastung verwenden, aber auf magnetische Abtastung setzen, die anfällig für magnetische Störungen durch Motor und/oder Bremse sind und auf Dauer zu Problemen führen, indem sie falsche Signale an die Steuereinheit für die Rotorblattverstellung weitergeben. Dies wiederum führt unweigerlich zu Stillstandszeiten und den daraus resultierenden hohen (und unnötigen) Wartungskosten einer Windkraftanlage.

Es wäre auch ein Trugschluss zu glauben, dass die Herstellungskosten einer Windkraftanlage durch den Einsatz preiswerter magnetischer Multiturn-Drehgeber niedrig gehalten werden können. Das oben beschriebene Ausfallrisiko durch Temperatur- und/oder Magnetfeldeinflüsse sowie die Alterung der Batterie ist auch nach vielen Betriebsjahren noch zu hoch. Es erweist sich als kostengünstiger, auf die bewährte Technik eines AC 58 Drehgebers von Hengstler zu setzen.

Schlussfolgerung

In Windkraftanlagen haben sich Anwendungen mit optischen, getriebebasierten Multiturn-Drehgebern des Typs AC 58 von Hengstler durchgesetzt. Die Positionsbestimmung erfolgt im optischen Durchlichtverfahren. Das mechanische Getriebe für Multiturn wird optisch abgetastet, so dass eine Überprüfung auf Magnetfelder, die vor allem durch die Bremseinrichtung des Pitchantriebs erzeugt werden können, nicht erforderlich ist. Das optische Abtastprinzip ist unempfindlich gegen magnetische Störungen, daher kann der AC 58 an alle Motoren mit Bremsen angebaut werden. Darüber hinaus bietet der Geber eine hohe Signalauflösung und ermöglicht die Abtastung des Absolutwertes und eines zusätzlichen Inkrementalsignals, das zur Drehzahlregelung oder als Referenzwert verwendet werden kann. Optional können Inkrementalsignale zur Drehzahlregelung in Echtzeit aufgezeichnet werden.