Pitch Control: Stark im Wind

Auf die Windenergieanlagen wirken bei Bauhöhen bis zu 100 m riesige, aerodynamische Kräfte, wobei sich Windgeschwindigkeit und -richtung ständig ändern. Da die Anlagen nur optimal arbeiten, wenn die Rotorendrehzahl und Generatorendrehzahl auf die aktuell herrschende Windgeschwindigkeit abgestimmt sind, gleichen verschiedene Regelungskonzepte die Differenzen aus: Zur Drehzahlregulierung geht neben dem Verfahren der Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriss an den Rotorblättern (Stall) mit zunehmender Größe und Leistung der Windenergieanlagen der Trend zur sogenannten Pitch Control, der Veränderung des Rotorblattanstellwinkels. Moderne Antriebssysteme richten hier nicht nur die Rotorenrichtung selbst, sondern auch jedes einzelne Rotorblatt jeweils nach der Windstärke aus. Veränderung des Rotorblattanstellwinkels Das Funktionsprinzip der Pitch Control ist simpel: Bei der Nenngeschwindigkeit erreicht die Windenergieanlage den maximalen Gegenmoment am Generator, die Nennleistung. Sie setzt die Grenze für die Leistungsabgabe der Anlage an der Antriebswelle. Steigt die Windgeschwindigkeit über die zulässige Generatorenhöchstleistung hinaus oder erfassen starke Böen den Rotor, wird die Drehzahl über den Anstellwinkel der Blätter gesteuert. Indem die Rotorenblätter um ihre Längsachse aus dem optimalen Winkel herausfahren, verschlechtert sich ihr aerodynamischer Wirkungsgrad und die Rotationsgeschwindigkeit bleibt konstant bzw. sinkt. So lässt sich die Leistungsabgabe exakt von der Höchstleistung auf die Nennleistung begrenzen. Anpassung an die Windverhältnisse Auch bei geringen und wechselnden Windgeschwindigkeiten passen sich die Blätter in ihrer Winkelstellung kontinuierlich an die Windverhältnisse an, sodass eine konstante Drehzahl gefahren werden kann. Mit der Winkelneigung im optimalen Drehzahlbereich erzielt die Anlage immer ein Maximum an Energie. Doch die aktive Steuerung der Leistungsaufnahme bewirkt nicht nur die Abgabe einer konstanten elektrischen Leistung, sondern reduziert auch die gesamte Schubbelastung auf Rotor, Turm und Fundament. Durch Feinjustierung der einzelnen Blätter wird eine gleichmäßige Belastung der Lagerung erreicht. Eine erhöhte Betriebssicherheit sowie ein leiser, effektiver und belastungsarmer Betrieb sind das Ergebnis. Magnetostriktive Positionssensoren Die Steuerung nutzt drei voneinander unabhängige, hydraulische Blattverstellmechanismen, die jeden Flügel einzeln in einem Winkel von 0 bis 90° drehen können. Drei separat angetriebene Hydraulikzylinder in der Maschinengondel bewegen die Blätter. Da bereits Änderungen um ein Grad die aerodynamische Stellung der Blätter entscheidend verändern, nehmen Sensoren die exakte Position der Blätter auf. Aufgrund der erschwerten Wartungsbedingungen in luftiger Höhe müssen diese Sensoren nicht nur präzise, sondern auch über Jahre hinweg zuverlässig arbeiten. Ideal für die Positionsmessung im Verstellmechanismus der Rotorblätter eignen sich magnetostriktive Wegaufnehmer. Ihre magnetostriktive Technologie steht für eine präzise, reproduzierbare Positionsmessung. Mit platzsparenden Gehäuseformen, breitem Schnittstellenspektrum und modularem Aufbau sind sie flexibel in der Anwendung. Reduzierter Wartungsaufwand Für die direkte Hubmessung im Hydraulikzylinder hat MTS Sensor Technologie die Stabform entwickelt: Dabei taucht das Messrohr des Sensors, ein druckfester Stab aus Edelstahl, in die aufgebohrte Kolbenstange. Es soll das Messelement, in dem das Nutzsignal entsteht, schützen. Mechanisch entkoppelt fährt ein passiver Positionsgeber, ein ringförmiger Dauermagnet, über das Sensorrohr und markiert durch dessen Wand hindurch exakt den Messpunkt. Das magnetostriktive Messprinzip besitzt für Windenergieanlagen mit schwierigen Wartungsbedingungen einen weiteren, entscheidenden Vorteil: Da die Wegerfassung auf magneto-mechanischen Effekten beruht, ist zur Positionsmessung kein direkter Kontakt zwischen dem positionsgebenden Magnet und dem Messelement notwendig. Deshalb nehmen diese Sensoren Verfahrwege berührungslos und verschleißfrei auf – und das über Jahre hinweg. Für den Anlagenbetreiber sollte dies einen reduzierten Wartungsaufwand bedeuten. Mit der bediener- und wartungsfreundlichen Technologie der Magnetostriktion kann der Anwender die Sensorik zudem einfach einbauen. Stabbauform in verschiedenen Baureihen Das Produktprogramm von MTS verwendet die Stabbauform in verschiedenen Baureihen, die sich durch ihr Leistungsspektrum sowie preislich unterscheiden. So umfasst die Temposonics E-Serie die Basissensoren des Produktprogramms, während die Sensoren der R-Serie eine maximale Leistungsfähigkeit bieten. Die leistungsstarke, integrierte Elektronik der R-Serie-Sensoren liefert in Kombination mit Störfestigkeit, Schutzart IP67 und EMV-Schutz genaue Messergebnisse – ideal für den Dauereinsatz im Fluidzylinder. Mit einer möglichen Linearitätsabweichung von von < +/- 0,01% F.S., einer Wiederholgenauigkeit von +/- 2,5µm und einer Auflösung bis herab zu 0,5µm können auch kleinste Winkeländerungen der Rotorblätter präzise gesteuert werden. Messraten bis zu 10kHz und Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 100Mbit/s garantieren eine schnelle Reaktion auf geänderte Windgeschwindigkeiten. Auch von den hohen Temperaturschwankungen an Windenergieanlagen bleiben die Sensoren im Bereich von -40 bis +75°C unbeeindruckt. Serviceeinsätze besser vorhersagen In den hydraulischen Blattverstellsystemen von Windenergieanlagen kommen Sensoren mit Busschnittstelle (z.B. CAN) oder analogem und Start/Stopp-Ausgang zum Einsatz. Letztere finden ihren Einsatz oft in preiswerten Windenergieanlagen mit einfacher Technik. Für Anwender, die Bustechnologien einsetzen, sollte der magnetostriktive Ethercat-Sensor eine Möglichkeit sein, die Wartung an der Windenergieanlage zu vereinfachen. Durch die Ethercat-Technologie kann der Wegaufnehmer die Positionswerten nämlich dokumentieren und frühzeitig Veränderungen diagnostizieren. Mit Hilfe der einfacheren Diagnose lassen sich Serviceeinsätze dann besser vorhergesagen und planen - auch aus der Ferne. Halle 3, Stand F 09