Diese Woche: Vibrationssensoren in Windkraftanlagen

Auf diese Weise können in vielen Fällen größere Beschädigungen vermieden und der Wert der Anlage erhalten werden.
Eine wichtige physikalische Messgröße, die zum Schutz der Anlage erfasst werden muss, sind die während des Betriebs entstehenden Vibrationen, vornehmlich in der Gondel oder im Mast. Sind diese zu stark, wird die Anlage in Mitleidenschaft gezogen. Beim Mast kann es zu Rissbildungen oder sogar zum Bruch kommen.
Ursachen können Getriebe- oder Lagerschäden sein, die typischerweise Vibrationen von 10 bis 50 Hz erzeugen können. Oder der Rotor hat eine Unwucht (z.B. durch Vereisungen). Hier liegen die Frequenzen etwa bei 0,1 Hz bis 15 Hz, die die Anlage zum Schwingen bringen.
Diese Vibrationen und Schwingungen müssen im Rahmen des Schwingungs-Monitorings einer Windkraftanlage ermittelt werden, um bei Überschreiten von zugehörigen Grenzwerten die Steuerung zu veranlassen, die Anlage herunterzufahren oder anzuhalten.
Für diesen Einsatzfall hat die TWK-Elektronik den Vibrationssensor NVA65 entwickelt. Der eingesetzte MEMS Beschleunigungssensor erfasst die Vibrationen in einem Frequenzbereich von 0,1 Hz bis ca. 60 Hz. Mit einem leistungsstarken 32 Bit Controller wird dieser Frequenzbereich über digitale Bandpassfilter hoher Ordnung in mehrere Bänder aufgeteilt, um die unterschiedlichen Schwingungsursachen zu trennen. Uninteressante Störfrequenzen werden herausgefiltert. Der Sensor misst zweiachsig, d.h. in jeder Richtung in der x–y–Ebene werden die auftretenden Beschleunigungen kontinuierlich erfasst und via Analog-Signal (4 … 20 mA) oder CANopen ausgegeben, entweder x und y getrennt oder die geometrische Summe (s=sqrt(x²+y²)).
Integrierte Grenzwertrelais dienen als Warn- oder Stopprelais. Überschreiten in den definierten Frequenzbereichen die Beschleunigungen bestimmte Werte, schalten diese und generieren einen Alarm oder ein Herunterfahren der Anlage.
Die jeweils zugehörigen Grenzwerte können kundenseitig über die CANopen Schnittstelle parametriert werden.
Stellt die interne Überwachung diverser Funktionen und Bauteile des NVA65 einen Fehler fest, wird über das eingesetzte Fehlerrelais ein Signal an die Anlagensteuerung ausgegeben. Die Relais-Ausgänge sind voneinander galvanisch getrennt.
Alle diese Funktionen sind in einem kompakten Gehäuse aus Aluminium oder Edelstahl 1.4404 untergebracht. Es misst 100 mm x 65 mm x 42 mm und hat die Schutzart IP 67.
Das Gerät ist aufgrund der speziellen Ausrichtung an die Erfordernisse der Windkraftanlagen eine preisgünstige Alternative zu den meist überdimensionierten und damit teuren Geräten am Markt, und schließlich durch den elektronischen und sehr kompakten Aufbau den klobigen mechanischen Geräten überlegen.