Anlagenausfälle vermeiden: Schwingungsmessungen an Windenergieanlagen

Die Windkraft deckt heute bereits einen Anteil von etwa 7% des deutschen Bruttostromverbrauchs. Bis 2020 soll dieser Anteil auf 25% steigen. 55.000 Windenergieanlagen werden dann in Deutschland stehen. Die Stromgewinnung in einer Windenergieanlage ist zwangsläufig mit Bewegung und dadurch mit einer physikalischen Belastung der Anlage verbunden. Neben der Rotation kommen unstete Belastungen durch das Windfeld hinzu. Die Gondeln befinden sich in über 100m Höhe. Hier verstärken sich Schwingungsprobleme, die bei Maschinen bereits auf festem Untergrund auftreten. Diese besonderen dynamischen Belastungen führen zu einem zweistelligen prozentualen Anteil der mechanischen Komponenten in der Ursachenstatistik für Anlagenstillstände. Ein defektes Getriebe verursacht dazu statistisch die längste Ausfallzeit der Windenergieanlage. Derartige Probleme können vor allem durch turnusmäßige Schwingungsmessung an den Komponenten einer Windenergieanlage vermindert oder sogar verhindert werden. Das führt jedoch nur dann zum Erfolg, wenn die Messbedingungen und -einstellungen sinnvoll festgelegt sind. Wo soll gemessen werden? Welche Messgrößen sollen verwendet werden, welche Frequenzbereiche? Welche Kennwerte spiegeln den Anlagenzustand wider? Mit welchen Grenzwerten kann verglichen werden? Einen solchen Standard hat eine Expertengruppe des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) mit der VDI3834 im Jahr 2009 vorgelegt. Nicht nur die Messmethodik wird hier definiert, sondern auch Grenzwerte für die Beurteilung des Anlagenzustandes empfohlen. Wenn auch noch ein Hersteller exakt passende Messtechnik anbietet, vereinfacht dies die zuverlässige und vereinheitlichte Bewertung des Anlagenzustands für den Anwender. Richtlinie zur Schwingungsmessung an Windenergieanlagen: VDI3834 Im 2009 erschienenen Teil 1 der VDI3834 werden detailliert Onshore-Anlagen behandelt, deren Generatoren über ein Getriebe an den Rotor gekoppelt sind. Weitere Teile der Richtlinie werden getriebelose Windenergieanlagen und Offshore-Anlagen beinhalten. Die Richtlinie unterscheidet vier einzeln zu betrachtende Komponenten: – Gondel und Turm – Rotorlager – Getriebe – Generator In diesen Komponenten treten jeweils unterschiedliche Schwingungsphänomene auf. Daher wird für jede Komponente eine eigene Messmethodik festgelegt. So unterscheiden sich z.B. die betrachteten Frequenzbereiche und die Messdauer. Bei allen Unterschieden gibt es jedoch auch Gemeinsamkeiten: – Die Messung erfolgt in alle drei Raumrichtungen gleichzeitig. – Als Beurteilungsgrößen dienen Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung. Probleme bisheriger Schwingungsmesstechnik Eine Herausforderung für Schwingungsmesstechnik, welche die VDI3834 erfüllen soll, stellt die niedrige Einstiegsfrequenz von 0,1Hz dar. Eine verständliche Forderung, wenn man Eigenfrequenzen typischer Windenergieanlagen kennt, die weit unterhalb von 1Hz liegen. Betrachtet man die bekannten industriellen Haupteinsatzgebiete für Schwingungsmesstechnik, dann war bisher die Technik zur Erfassung von Bauwerkserschütterungen mit 1 bis 80Hz jene mit dem niedrigsten Frequenzbereich. Aber auch dieser Einstieg bei 1Hz liegt noch um den Faktor 10 von der Forderung der VDI3834 entfernt. Daneben schreibt die VDI3834 weitere Frequenzbereiche vor, die sich oft nicht mit den Forderungen bekannter Normen decken. Herkömmliche Messtechnik für Normen wie DIN4150 oder DIN10816 wird daher – wenn überhaupt – nur für einen geringen Teil der VDI3834 Messmethoden einsetzbar sein. Exakt passende Messtechnik zur Ermittlung der Schwingung Eine Schwingungsmesstechnik für die VDI3834 muss folgende Mindestforderungen erfüllen: – Dreiachsig messender Schwingungssensor für Frequenzen von 0,1 bis 5.000Hz – Messelektronik mit mindestens drei Kanälen und einem Frequenzbereich von 0,1 bis 5.000Hz – Signalverarbeitung zur Bildung von Schwinggeschwindigkeit und -beschleunigung Eine exakt abgestimmte Messlösung bietet die Althen GmbH mit dem Vibromatrix-System an, das durch seinen baukastenartigen Aufbau für unterschiedliche Aufgaben in den Bereichen Bauwerks-, Human-, und Maschinenschwingungsmessung eingesetzt wird. Für die Messung nach VDI3834 wurde das Messprogramm Innometer 3834 entwickelt, das ein Baustein des Vibromatrix-Systems ist und auf PC, Notebook und Netbook läuft. Die Übertragung der Daten erfolgt über die USB-Schnittstelle, über die auch die angeschlossene Messtechnik mit Strom versorgt wird. Als Sensor kommt ein rauscharmer, piezoelektrischer Triaxialsensor zum Einsatz, der einen linearen Frequenzbereich in allen von der VDI3834 geforderten Frequenzbereichen aufweist. Die 24Bit-Digitalisierung der Schwingungssignale in Studioqualität nimmt die kleine USB-Box Innobeamer X2 vor, die von der Althen GmbH angeboten wird. Sein Frequenzbereich erfüllt die VDI3834 und hält noch Reserven für höherfrequente Analysen vor. Auch die USB-Box folgt dem Baukastensystem von Vibromatrix. Mehrere Geräte können verbunden werden und arbeiten dann als synchrones Mehrkanalsystem. So können drei Innobeamer X2 zu einem Sechskanalsystem zusammengefasst werden, das mit drei Triaxialsensoren gleichzeitig arbeitet. Das Messprogramm vereinfacht die Anlagenbewertung nach VDI3834. Übersichtlich angeordnet findet der Anwender im Innometer 3834 die zu messenden Anlagenteile vor und erhält bei Bedarf weitere Informationen zum Messvorgang. Dazu gehört der passende Richtwert für eine Bewertung des Anlagenzustandes sowie eine Grafik, die den Messort in der Windenergieanlage verdeutlicht. Bereits während der Messung werden die einlaufenden Messdaten für alle drei Raumrichtungen sowie die Gesamtbewertung auf dem PC-Bildschirm angezeigt. Die Pro-Version zeigt zusätzlich das Schwingungssignal im Zeitbereich und in der Frequenzanalyse grafisch an. Jede Messung landet automatisch in einem Messwertspeicher. Hier lassen sich zu jeder Messung Detailwerte einsehen, aber auch eigene Bemerkungen hinzufügen. Jeder Messwertspeicher kann später wieder geladen werden, um z.B. Berichte zu drucken. Berichtsvorlagen lassen sich völlig frei mit eigenem Firmenlogo und Design ausstatten. Der Berichtsdruck selbst reduziert sich auf einen Mausklick. Effektivität steigern mit Kombimessung Am selben Messort sind oft verschiedene Messverfahren erforderlich, um z.B. Schwinggeschwindigkeit und Schwingbeschleunigung festzustellen. Die Kombimessung erledigt das in einem Zug durch Parallelverarbeitung. Damit wird die Messzeit halbiert, aber die Genauigkeit beibehalten, und es können entsprechend mehr Anlagen pro Tag vermessen werden. Stabile Messbedingungen automatisch überwacht Die VDI3834 weist auf die Notwendigkeit von Messungen unter stabilen Betriebsbedingungen hin. Jedoch verzichtet sie auf eine quantifizierbare Definition der Stabilität. Das Innometer 3834 definiert und überwacht daher ein Stabilitätskriterium. Der Anwender erhält so die Sicherheit, eine Messung zu stabilen Betriebsbedingungen durchgeführt zu haben. Offenes System für Ergänzung mit weiteren Messmethoden VibroMatrix bietet mit dem Messmodul Innometer 3834 eine Messlösung für Hersteller, Anlagenbetreiber und Servicetechniker zur Messung und Beurteilung von Schwingungen in Windenergieanlagen. Das System ist offen für die Ergänzung mit weiteren Messmethoden von Maschinenschwingungen, wie z.B. der Hüllkurvenanalyse.