Kleiner Wächter Vibrationssensor für Windkraftanlagen

Eine wichtige physikalische Messgröße, die zum Schutz der Anlage erfasst werden muss, sind die während des Betriebs entstehenden Vibrationen, vornehmlich in oder kurz unterhalb der Gondel im Mast. Sind die Vibrationen zu stark, wird die gesamte Anlage in Mitleidenschaft gezogen. Beim Mast kann es aufgrund der entstehenden Beschleunigungskräfte zu Rissbildungen oder zum Bruch kommen. Egal, aus welchem Grund zu große Vibrationen auftreten: Die Anlage muss heruntergefahren werden, wenn Gefahr im Verzug ist. Was sind aber die Ursachen für Vibrationen? Zum einen können es interne Ereignisse sein. Sollten z.B. das Getriebe oder die Lager einen Schaden aufweisen, kann es zu starken Schwingungen der Hauptwelle kommen. Diese liegen in einem Frequenzfenster von ca. 10Hz bis 50Hz. Zum anderen können äußere Einflüsse ein Aufschwingen der Anlage verursachen. Hier sind u.a. Vereisungen der Rotorblätter zu nennen. Diese treten nicht gleichmäßig auf und verursachen eine Unwucht des Rotors, die die ganze Anlage in Schwingung versetzen kann. Auch ungünstige Windverhältnisse führen zu starken Bewegungen der Gondel und damit des Mastes. Hier liegen die Frequenzen typischerweise bei 0,1Hz bis 15Hz. Die 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. Hier kommt der Vibrationssensor NVA65 zum Einsatz. Der eingesetzte MEMS-Beschleunigungssensor erfasst die Vibrationen in einem Frequenzbereich von 0,1Hz bis ca. 60Hz. Mit einem 32Bit Controller wird der Frequenzbereich über digitale Bandpassfilter hoher Ordnung in mehrere Bänder aufgeteilt, um die unterschiedlichen Schwingungsursachen zu trennen. Uninteressante Störfrequenzen werden dabei 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…20mA) ausgegeben, entweder x und y getrennt oder die geometrische Summe s=vx²+y². Eine weitere interessante Eigenschaft der Sensoren sind die integrierten Grenzwert-Relais. Sie haben die Aufgabe, bei Überschreiten von bestimmten Beschleunigungs-Grenzwerten zu schalten. Damit können Peripheriegeräte, die z.B. eine Abschaltung der Anlage vornehmen oder andere Maßnahmen initiieren, geschaltet werden. Für das Schalten der Relais wird die geometrische Summe S herangezogen. Bei wachsendem S wird zunächst über ein Relais eine Warnmeldung ausgegeben, dann, bei weiterem Ansteigen, über ein weiteres Relais ein Alarm. Für die verschiedenen Frequenzbereiche sind eigene Relais vorgesehen, um – je nach Ursache getrennt – Warnung und Alarm ausgeben zu können. Die jeweiligen Grenzwerte für Warnung und Alarm können kundenseitig parametriert werden. Stellt die interne Überwachung diverser Funktionen und Bauteile des Sensors einen Fehler fest, wird über das eingesetzte Fehlerrelais ein Signal an die Anlagensteuerung ausgegeben.