Sensorik beherrscht den Wind

Die Stromerzeugung durch Windkraftanlagen ist in den vergangenen Jahren weltweit stark gestiegen. Laut Statistik des Bundesverbandes Windenergie e.V. lag die installierte Leistung 1997 noch bei unter 10.000MW. Zehn Jahre später hat sich diese Leistung nahezu verzehnfacht. Mit weit über 50% nimmt Europa mit den Spitzenreitern Spanien und Deutschland eine Vorreiterrolle ein. Ein Branchenumsatz von 11,8Mrd.E und eine deutsche Exportquote von 78% bei Herstellern und Zulieferern sowie 90.000 Arbeitsplätze demonstrieren die Bedeutung dieser Technologie für die deutsche Gesamtwirtschaft. Die Bundesregierung geht davon aus, dass die Windenergie bis 2030 einen Anteil von 25% an der Stromversorgung haben kann. Elektronik unbedingt dabei Zwar wird die Windkraft physikalisch gesehen mechanisch gewonnen, dennoch ist die effektive Nutzung von Windkraft heutzutage nur durch hochentwickelte Sensorik möglich. Zahlreiche Sensoren sind in einer einzigen Anlage \’verbaut\‘. Um eine optimale Nutzung der Windenergie zu sichern, muss der Wind rechtwinklig auf den Rotor treffen. Die Sensorik sorgt für die entsprechende Ausrichtung des Rotors, in dem sie Richtungsänderungen des Windes an eine Steuerung meldet, die dann über die Frequenzumrichter mehrere Getriebemotoren aktiviert und damit die Rotorbewegung ausführt. Für eine hohe Effizienz spielt die Einstellung der einzelnen Rotorblätter eine wichtige Rolle, denn durch die Neigung der Blätter gegen den Wind wird die Aerodynamik beeinflusst. Hier werden Absolutwert geber eingesetzt, die je nach Windstärke und -richtung die Position der Blätter justieren. Auch aus Sicherheitsaspekten kommt hier der Sensorik eine bedeutende Rolle zu, denn bei Starkwind kann die Verstellung der Blätter bis zum Stillstand erfolgen. Die Geschwindigkeit der Rotordrehzahl wird ebenfalls durch Drehgeber überwacht. Diese erfassen die Drehzahl der Windkraftanlage und leiten diese Informationen in übergeordnete Steuerungssysteme weiter. Anforderungen an Drehgeber An die in den Windkraftanlagen verbauten Drehgeber bestehen außergewöhnlich hohe Anforderungen. Die Bauteile sind hoher Feuchtigkeit, hohen Temperaturschwankungen, salzhaltiger Luft und starker mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Der Betreiber ist auf einen möglichst wartungsfreien Betrieb angewiesen, da die Anlage nur schwer und aufwendig gewartet werden kann. In der Regel läuft eine Windkraftanlage mehr als 20 Jahre – das sind mehr als 120.000 Betriebsstunden in rauer Umgebung. Daher hat die funktionale Sicherheit der Anlage hohe Priorität. Position über Nonius-Verfahren Lenord + Bauer hat für Windkraftanlagen eine neue Generation von Sensorik entwickelt. Im Fokus steht ein Drehgeber, der Robustheit und innovative magnetische Abtastung miteinander verbindet. Eine widerstandsfähige Codescheibe (Noniusscheibe) aus ferromagnetischem Stahl verlängert die Betriebszeiten der Windkraftanlagen. Die Scheibe hat drei Inkrementalspuren mit einer abgestuften Stegzahl, die mit Giant-Magneto-Resistance-(GMR)-Ele­men­ten abgetastet werden. Die Anzahl und Geometrie der Stege ist dabei so ausgelegt, dass die Position der Stege zueinander eindeutig und somit die Noniusbedingung erfüllt ist. Die magnetische Abtastung der drei Spuren mit den GMR-Sensoren bildet die Stegposition auf drei korrespondierende Sinussignale mit entsprechend eindeutiger Phasenbeziehung ab. Aus der Phasenbeziehung der drei Spursignale wird über einen Nonius-Algorithmus die Absolutposition bestimmt. Gemeinsam entwickelt Die Entwicklung dieses Drehgebers zeigt, dass eine gemeinsame Entwicklung die Wertschöpfung steigern kann. Die Firma Sensitec entwickelte die Sensorik. Ein weiterer Partner im Entwicklungsprozess war das Unternehmen iC-Haus. Das Unternehmen übernahm die Entwicklung und Fertigung der Asics, die die Auswertung der Sensorsignale steuern. Aufgrund dieser Zusammenarbeit konnte eine Singleturn-Auflösung bis zu 19Bit und Genauigkeiten bis zu 0,04° erreicht werden. Alle drei Unternehmen präsentieren ihre Lösungen auf der MicroTechnology in Halle 6 im Rahmen der Hannover Messe 2009 unter dem Dach des Innomag-Gemeinschaftsstandes.