Sichere Rotorverstellung bei eisigen Temperaturen

Simone DauerMayr Antriebstechnik, Mauerstetten

Die Volksrepublik China setzt intensiv auf den Ausbau erneuerbarer Energieerzeugung und ist heute neben der Herstellung von Solarmodulen auch der größte Windkraft-Produzent weltweit. Mittlerweile läuft jedes dritte Windkraftwerk der Erde in China. 2015 wurden laut Global Wind Energy Council (GWEC) weltweit neue Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von rund 63 GW errichtet. 30,5 GW – also fast die Hälfte der zugebauten Windenergie – entfallen dabei auf China.

Oftmals stehen die Windkraftanlagen auch in Regionen, in denen die Temperaturen im Winter weit unter 0 °C fallen können – etwa im Norden, wo China an Sibirien und die Mongolei grenzt. Die Anlagen samt ihrer Komponenten sind dabei extremen Umgebungs-bedingungen ausgesetzt. Und so halten nur robuste, widerstandsfähige und zuverlässig dimensionierte Produkte den enormen Belastungen stand. Mayr Antriebstechnik bietet daher mit den Roba-stop-M-Bremsen speziell für Pitch- und Azimutantriebe entwickelte und getestete Sicherheitsbremsen.

„Alle Bremsenbauteile sind sicher dimensioniert und nur aus hochwertigen, geprüften und bewährten Werkstoffen gefertigt“, erklärt Andreas Merz, Branchenmanager Windenergie bei Mayr in Mauerstetten. „Unsere Bremsen sind so ausgelegt, dass sie das spezifizierte Bremsmoment unter allen auftretenden Betriebsbedingungen, unabhängig etwa von Luftfeuchtigkeit oder je nach Region auch Umgebungstemperatur, zuverlässig erreichen.“ Das bestätigt auch der Germanische Lloyd, der die Cold Climate-Version der Roba-stop-M-Bremse für den Tieftemperatureinsatz bis -40 °C zertifiziert hat.

Bei Windkraftanlagen erfolgt die Regulierung der Leistung heute vorrangig über das Verdrehen der Rotorblätter (Pitch). Dafür ist jedes elektrisch angetriebene Rotorblatt mit einer eigenen Pitch-Einheit aus Getriebe, Motor und elektromagnetischer Bremse ausgestattet. Das Pitch-System sorgt zudem bei starkem Wind oder Sturm dafür, dass die Anlage durch das Drehen der Rotorblätter aus dem Wind – in die sogenannte Fahnenstellung – bis zum Stillstand abgebremst und so vor Überlastungen geschützt wird. Da der Pitch das Hauptbremssystem ist, spielen Qualität und Zuverlässigkeit der eingesetzten Schlüsselkomponenten eine entscheidende Rolle. Denn ein Ausfall der Antriebe oder Bremsen hätte fatale Folgen – im schlimmsten Fall die Zerstörung der kompletten Anlage.

Die Bremsen haben in den Pitch-Antrieben die wichtige Aufgabe, die Rotorblätter nach erfolgter Winkel-positionierung durch die Getriebemotoren gegen Verdrehen zu sichern. Diese Rotorverstellung muss immer funktionieren, auch wenn beispielsweise die Energieversorgung ausgefallen ist. Der Motor kann in solchen Notsituationen über eine Batterie oder einen Konden-sator versorgt werden. Ist für die Bremse keine solche Notversorgung vorhanden, wird der Motor häufig so ausgelegt, dass er die Rotorblätter auch bei geschlossenen Bremsen gegen die Bremskraft verdrehen und in Fahnenstellung bringen kann.

Gerade hier sind fundierte Kenntnisse über die Bremsmomenttoleranzen der eingesetzten Bremsen äußerst wichtig. Einerseits muss während des Betriebs stets ein ausreichendes Bremsmoment zum Halten der Rotoren bereitgestellt werden, andererseits darf jedoch bei manchen Anlagentypen das maximale Motormoment nicht überschritten werden, um gegen die geschlossenen Bremsen noch in Fahnenstellung drehen zu können. Dies muss bei allen im Normalbetrieb auftretenden Umgebungsbedingungen genauso sicher funktionieren, wie etwa bei einer relativen Luftfeuchtigkeit 90 % oder bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt.

Um auch bei schwierigen klimatischen Bedingungen zuverlässige Betriebssicherheit zu gewährleisten, hat Mayr Antriebstechnik daher die Cold Climate-Version der Bremse – wie alle seine Produkte – umfassenden Tests unterzogen. Sämtliche funktionsrelevante Eigenschaften wurden bei Umgebungstemperaturen von -40 °C in Zusammenarbeit mit dem Germanischen Lloyd als öffentlich anerkannte Prüfstelle entsprechend statisch und dynamisch abgeprüft. Heute ist die Roba-stop-M CCV als einzige elektromagnetische Sicherheitsbremse vom Germanischen Lloyd für Anwendungen bis -40 °C zertifiziert. Zusätzlich hat Mayr nun zusammen mit einem Automatisierungsspezialisten einen neuen Näherungsinitiator zur Zustandsüberwachung der CCV Pitch-Bremsen entwickelt. Dieser ist derzeit der einzige Initiator für elektromagnetische Pitch- und Yaw-Bremsen auf dem Markt, der vom Hersteller für Anwendungen bis -40 °C zugelassen ist.

Weitere vielseitige Möglichkeiten der Zustandsüberwachung bieten die in Mauerstetten entwickelten intelligenten Bremsenansteuermodule. Dazu zählt das Modul Roba-brake-checker, das Bremsen nicht nur bestromen, sondern auch sensorlos überwachen kann. Es erkennt den Schaltzustand des Aktors und Verschleiß der Bremsbeläge. Damit werden sicherheitskritische Zustände vor ihrem Eintritt detektiert. Das Bremsmoment-Steuermodul Roba-torqcontrol teilt diese Eigenschaften und kann darüber hinaus durch gezielte Beeinflussung von Strom und Spannung die Höhe des Bremsmoments im Betrieb verändern. „Die Module eröffnen eine Menge neuer Möglichkeiten beim Monitoring, das gerade in der Windkraft immer stärker gefordert wird“, resümiert Andreas Merz. Auf der Messe WindEnergy 2016 in Hamburg werden diese Neuheiten der Windbranche vorgestellt.

Während in den vergangenen Jahren nicht nur die Anzahl, sondern auch die Größe der Windkraftanlagen immer weiter zunehmen, geht der Trend bei den Komponenten wie etwa Motoren in Richtung kleinerer, kompakterer Bauteile mit hoher Leistungsdichte. Diese Entwicklung treibt auch Mayr als weltweiter Marktführer für elektromagnetische Pitch-Bremsen voran. Für die Windkraftbremsen hat das Familienunternehmen nun zudem einen neuen Bremsbelag entwickelt. „Mit dem neuen Belag erreichen die Bremsen höhere Brems-momente“, erläutert Andreas Merz. „Das bedeutet, die Bremsen bauen bei gleichen Eigenschaften kompakter. Für höhere Bremsmomente kann unter Umständen eine kleinere, leichtere Bremsengröße gewählt werden. Dies bietet zum Beispiel beim Anbau an immer kompakter werdenden Motoren oder der Montage in der Rotornabe entscheidende Vorteile.“