Turmschwingungssensor von Lenord + Bauer arbeitet mit Miniatursensoren

Oberhausen, 19.04.2012. Trotz sorgfältiger Konstruktion und Verarbeitung treten im Betrieb von Windkraftanlagen Schwingungen auf, die die Struktur und Materialien kontinuierlich einem mechanischen Stress aussetzen. Sie müssen frühzeitig erkannt und überwacht werden, damit die Anlagensteuerung den Sicherheitsbetrieb einleiten und Schäden verhindern kann. Lenord + Bauer hat dafür einen speziellen Turmschwingungssensor entwickelt, der mit mikromechanischen Sensoren arbeitet.

Aus dem Hochbau kennt man das Beispiel der Brücke, die der Belastung von 100 Panzern standhält, aber durch 1.000 im Gleichschritt marschierende Soldaten zum Einsturz gebracht wird. Der Gleichschritt der Soldaten kann die Brücke in einen kritischen Schwingungsbereich versetzen und sie am Ende zerstören.

Vergleichbares ist bei einer Windkraftanlage möglich: Der Turm kann extreme Schwingweiten von bis zu zwei Metern erreichen. Treten dann zusätzliche Schwingungen zum Beispiel durch Unwucht der Rotorblätter, Winde oder Wellenbrandung auf, drohen schwere Schäden beispielsweise in Folge von Materialermüdung oder der Lockerung von Verbindungen. Das frühzeitige Erkennen gefährlicher Schwingungen und Vibrationen durch geeignete Wächter-Apparaturen ist daher unerlässlich.

Häufig kommen mechanische Grenzwertschalter zum Einsatz, deren Messwerte die Anlagensteuerung mit den zulässigen Grenzwerten vergleicht. Werden sie überschritten, wird die Anlage abgeschaltet oder in den Sicherheitsbetrieb heruntergefahren. Erst wenn die gefährlichen Schwingungen abgeklungen sind, wird der Normalbetrieb wieder aufgenommen. Ein Problem bleibt jedoch bestehen: Konventionelle Beschleunigungssensoren messen zwar im hohen Frequenzbereich zuverlässig, haben aber Probleme mit tiefen Frequenzen, wie sie bei der Schwingung von Türmen entstehen. Hier bieten Miniatursensoren, so genannte mikro-elektrisch-mechanische Systeme (MEMS), wie man sie zum Beispiel bei Tablett-PCs, Autosicherheitssystemen, Spielekonsolen und digitalen Fotoapparaten einsetzt, eine verlässliche Lösung. Lenord + Bauer hat mit Hilfe der MEMS-Technik einen sehr kompakten und präzisen Turmschwingungssensor entwickelt. Die Sensoren sind effizienter, platzsparender und preiswerter als mechanische Schwingungsaufnehmer.

Der Turmschwingungssensor erfasst die Beschleunigungen in zwei Achsen mit MEMS-Beschleunigungssensoren, die wie Feder-Masse-Systeme arbeiten. Diese Systeme sind so klein, dass ihre Struktur nur unter extremer Vergrößerung sichtbar gemacht werden kann. Im MEMS-Sensor ist im Prinzip eine Masse frei beweglich aufgehängt. Sie wird im Ruhezustand durch Federn in einer mittleren Position zwischen zwei festen Bezugselektroden gehalten. Durch Schwingungen oder Vibrationen wird die Masse beschleunigt, sie bewegt sich und dehnt oder staucht die Federn. Sobald die Beschleunigung sinkt, drücken die Federn die Masse wieder in die Ausgangsposition zurück. Die im Turmschwingungssensor integrierte Elektronik misst die Änderungen und vergleicht sie mit den eingestellten Grenzwerten. Wahlweise werden die Messwerte über eine CANopen- oder EtherCAT- chnittstelle an die Anlagensteuerung übertragen. Bei Erreichen der Grenzwerte wird das integrierte Sicherheitsrelais geöffnet und die Sicherheitskette der Windkraftanlage unterbrochen. So werden gefährliche Resonanzerscheinungen zuverlässig erkannt und Maßnahmen zur Gefahrenabwehr eingeleitet.