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WID-WHITEPAPER Erträge Steigern, Lasten reduzieren

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Mit Hilfe einer berührungslosen und damit verschleißfreien Messung der Drehmomente im Antriebsstang von Windenergieanlagen ist eine Ertragssteigerung von bis zu 70.000 kWh bei einer 3 MW Anlage durch den Einsatz von Active Torque Control bei gleichzeitiger Reduzierung der dynamischen Lasten möglich. WID-Whitepaper 4/2015

WiD

WiD WHITEPAPER | Erträge steigern, Lasten reduzieren 4 Momentmessung dient Verbesserung der Anlagen Aus den kompletten Messdaten werden die kritischsten Ereignisse, wie Überdrehzahl, extrem hohe Drehmomente, kritische Notstops und andere herausgefiltert und abgespeichert. Mit Hilfe der gewonnen Informationen über die kritischen Zustände der Anlage kann der Anlagenhersteller oder Betreiber die Steuerung der Windenergieanlage so optimieren, dass die Belastung der Komponenten auch bei kritischen Ereignissen zukünftig geringer ist als in der Vergangenheit. In einem weiteren Softwaremodul werden die gemessenen Lasten kollektiviert und können so mit den Auslegungslasten für die Komponenten im Antriebstrang verglichen werden. Zusätzlich können die gemessenen Drehzahl- und Drehmomentinformationen vom Condition Monitoring System für eine präventive und zustandsorientiere Wartung genutzt werden, wie es aktuell für das Advanced Condition Monitoring System ACoS® von Rexroth geplant ist. Das hier dargestellte Messsystem für die Dynamikerfassung im Antriebsstrang läuft aktuell in ca. 10 verschiedenen Windenergieanlagen sehr erfolgreich. Die Ausrüstung der Windenergieanlagen kann ab August 2015 in Serie beginnen und der Verkaufspreis für die benötigte Hardware des Messsystem wird unter 6.000 € liegen. Beispielhaft ist in Bild 2 der gemessene Drehmomentverlauf auf der Rotorhauptwelle einer Windenergieanlage im Megawattbereich skaliert dargestellt. Hier lässt sich gut erkennen, dass das mittlere Moment um das eigentliche Nennmoment mit unterschiedlichen Frequenzen schwingt, wie die Frequenzanalyse in Bild 2 zeigt. Die Hauptamplitude ist in dieser Messung die erste Torsionseigenfrequenz, die durch eine vielfache der Rotordrehfrequenz angeregt wird. Diese Anregung entsteht aufgrund von Windscherung, dem Turmvorstau und Turbulenzen in der Rotorebene. Höhere Drehmomente führen zu verminderter Lebensdauer Wie in dem Zeitbereich von 345 Sekunden bis 350 Sekunden zu erkennen ist, entstehen hier um bis zu 20 % höhere Momente als das Nennmoment der Anlage. Diese hohen dynamischen Lastüberhöhungen entstehen durch die Überlagerung von Anregung und Eigenfrequenzen bei verschiedenen Frequenzen und sind in den Drehmomentzeitsignalen immer wieder zu finden und führen zu deutlichen Mehrbelastungen der Komponenten im Antriebsstrang. Diese teilweise unzulässigen Lasten können die Lebensdauer bestimmter Bauteile deutlich reduzieren, so dass die Auslegungslebensdauer nicht erreicht wird.

WiD WHITEPAPER | Erträge steigern, Lasten reduzieren 5 Bild 2: Gemessenes Drehmoment der Hauptwelle im Zeit- und Frequenzbereich Höhere dynamische Lasten als in der Auslegung berücksichtigt Die Auslegungslasten für die Komponenten einer Windenergieanlage werden anhand von standardisierten Windbedingungen für eine Lebensdauer von 20 Jahren berechnet. In der Realität besitzt jede Windenergieanlage ein unterschiedliches Lastspektrum, was nicht exakt mit den Auslegungslasten übereinstimmt wie Bild 3 sehr deutlich zeigt. Hier sind in den gemessenen Lasten höhere Amplituden im Frequenzbereich von 1,5 Hz bis 1,8Hz und im Bereich 3 Hz zu finden. Im Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 0,9Hz sind die Amplituden in den Messungen kleiner als in den Auslegungslasten. In Summe ergibt sich aus den Messungen für diesen Betriebspunkt der Anlage eine höhere Belastung für einzelne Komponenten als in der Auslegung berücksichtigt. Dennoch können mit einer Optimierung der Antriebsstrangregelung auf Basis der gemessenen dynamischen Drehmomente und Drehzahlen die Belastung der Komponenten im Betrieb mit Active Torque Control reduziert werden, was im folgenden erläutert wird.

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