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Windkraftanlagen sollen so effizient wie möglich arbeiten. In den vergangenen Jahren ist es daher gelungen, die Auslegung noch einmal deutlich zu optimieren. Möglich wird dies durch verbesserte FEM-Berechnungen und ein erweitertes Angebot an Großprüfständen. Allerdings lassen sich damit gerade im aerodynamischen Bereich nicht alle im Feld auftretenden Szenarien erfassen.
Für die Prozessoptimierung kann es deshalb hilfreich sein, an auffälligen Standorten – etwa dort, wo tiefe Temperaturen und/oder starke Windböen auftreten – erweiterte Felddaten von Anlagen zu sammeln. Durch den Abgleich dieser Werte mit der Worst-Case-Simulation können Anlagen noch besser validiert werden.
Daten aus der Bremse
Prädestinierte Komponenten im Pitch, um die Daten zu sammeln, sind dabei die Pitchbremsen. Denn häufige Notabschaltungen und unerwartet hohe Böen etwa beeinflussen durch hohe Lastmomente direkt die geforderte Reibleistung der Bremsen und die Bremszeiten. Die Verläufe von Schaltzeit und Temperatur können folglich hilfreich sein für eine Analyse. Gleiches gilt für Stromverläufe, zum Beispiel bei der Speisung der Bremsen aus dem Backup-Speicher.
Möglich wird dies durch das Modul Roba-brake-checker, ein smartes elektrisches Bauteil, das in die Spannungsversorgung der Pitchbremse geklemmt wird und mit einer Schnittstelle zum erweiterten Datenaustausch ausgestattet ist. Gleichzeitig übernimmt das Modul die Funktion üblicher Sensoren wie Lüft- oder Verschleißüberwachung. „Diese Technologie kommt bereits bei Anlagenherstellern im Feld zum Tracking sämtlicher Daten bei jeder Schaltung der Bremsen zum Einsatz“, erklärt Andreas Merz, Produktmanager bei Mayr Antriebstechnik. „Den Abgleich dieser Daten mit den Daten der weiteren Komponenten im Antriebsstrang übernimmt dabei der Anlagenhersteller.“
Industrietechnik in der Windkraft
Ein weiterer Trend zeichnet sich derzeit ab, um die Effizienz der Windkraftanlagen zu steigern: Technologien aus der Industrie wandern auch in die Windkraftanlagen. Konkret zeigt sich das im asiatischen Raum, wo immer häufiger Servoantriebe für die Pitch-Verstellung zum Einsatz kommen und die geregelten AC-Antriebe ersetzen – teils ohne Anpassung der Komponenten an die speziellen Anforderungen von Windkraftanlagen. In Europa kommt der Trend langsam auch an. Hier ist allerdings bei der Zertifizierung von Anlagen zu bewerten, ob das Pitch-System als Hauptbremssystem den relevanten Normen und Richtlinien, wie etwa der Maschinenrichtlinie, gerecht wird.
Permanentmagnetbremsen: Gute Lösung, aber nicht für alles
Die marktgängigen Servoantriebe werden in vielen Fällen mit bereits integrierten Permanentmagnetbremsen als Sicherung geliefert. Dieses in der Industrie übliche System kommt aber bei der Windkraft schnell an seine Grenzen. Die Permanentmagnetbremsen sind nämlich nicht für hohe Reibarbeit ausgelegt. Sie bieten zwar hohe Haltemomente. Kommt es aber zu einem Not-Stopp oder ist aus anderen Gründen Reibarbeit zu leisten, dann sind diese Bremsen unter Umständen schnell überfordert. Die resultierende thermische Überlastung kann zum Ausfall des Pitch als primäres Bremssystem der Anlage führen. Daher sollten die real auftretenden Reibarbeiten immer ein wesentliches Auswahlkriterium für Bremsen in der Windkraft sein.
Robust und temperaturbeständig
Permanentmagnetbremsen sind für den Einbau im Servomotor konzipiert. In Pitch-Anwendungen herrschen im Betrieb bis zu 120° C, im Stillstand ist je nach Standort eine Abkühlung bis -40° C möglich. Da das Bremsmoment von der temperaturabhängigen Kraft des Permanentmagneten aufgebaut wird, können sie bei extremen Temperaturen an Bremskraft verlieren. Elektromagnetische Federdruckbremsen dagegen sind bei Verwendung entsprechender rostfreier Federn bezüglich der Bremskraft temperaturbeständig. Diese werden zum Beispiel in der elektromagnetischen Servobremse Roba-servostop von Mayr verwendet. Sie kann, ähnlich wie eine Permanentmagnetbremse, ebenfalls A- oder B-seitig im Motor verbaut werden und ist für Temperaturen bis 120° C ausgelegt.
Bewährte Industriebremsen
Das Temperaturproblem ist aber auch mit der Anbauposition in den Griff zu bekommen, wo das möglich ist. Sind die Bremsen nämlich außen an den Motor angebaut, statt ins Servosystem integriert, sind sie von der Motorwärme getrennt und besser gekühlt. Zudem steigt der Wirkungsgrad des Motors, da keine zusätzliche Energie durch die Bremse eingebracht wird. Aber auch dort ist es zu empfehlen, bewährte und leistungsfähige Industriebremsen zu verbauen. Etwa die Roba-stop-M von Mayr, die sich schon seit Jahrzehnten als B-seitig angebaute Motorbremse in geregelten AC-Pitch Systemen bewährt hat. Diese Bremsen sind auch in einer Cold-Climate-Version erhältlich, die der Germanische Lloyd (GL) für den Tieftemperatureinsatz bis -40° C zertifiziert hat.
Sollte der Anbau von Encoder oder Resolver nur eine A-seitige Lösung zulassen, ist der Einsatz einer Roba-alphastop möglich. Zu beachten ist dabei, dass der Motor über eine verlängerte Welle verfügen muss, oder aber, dass das Bremssystem mit integrierter Welle konstruiert ist. Eine wichtige Eigenschaft dieser Lösungen: Wird der Motor abmontiert, etwa für Wartungsarbeiten, fehlt auch die Sicherheitsbremse. Dann sind aufwendige Sicherungsmaßnahmen nötig, um unerwünschte Bewegungen von Rotorblättern oder Gondel zu vermeiden. Die Lösung: Sicherheitsbremsen, die auch bei abgebautem Motor an der Anlage verbleiben und den Antrieb im energielosen Zustand sicher halten. Modulare Systeme, wie etwa Roba-topstop, sind mit passgenauen Montageflanschen erhältlich und lassen sich damit flexibel in vorhandene Antriebe integrieren.
Sicherheit für Yaw-Antriebe
Das Problem mangelnder Bremsleistung bei Not-Stopp stellt sich übrigens bei Yaw-Antrieben in noch viel höherem Maß. Dort sind wesentlich größere Brems- und Haltekräfte nötig, um die Gondel zum Stillstand zu bringen. Außerdem sind die Sicherheitsbremsen oft das einzige Sicherungssystem, Backup-Systeme sind kaum vorhanden. Zwar sind Servoantriebe in diesem Bereich noch deutlich seltener als die herkömmlichen AC-Motoren. Dennoch tauchen Servomotoren auch in Yaw-Antrieben bereits auf. Spätestens dort sind die gängigen Industrielösungen mit Permanentmagnetbremsen überfordert.
Intelligente Sicherheit
Wie schon erwähnt, wird das Monitoring der Sicherheitsbremsen in der Windkraft immer wichtiger. „Die Überwachung unserer Sicherheitsbremsen erfolgt sensorlos mit dem nachrüstbaren Modul Roba-brake-checker,“ erläutert Andreas Merz. „Das Modul ist nicht nur für den erweiterten Datenaustausch interessant, sondern auch als klassische Monitoring-Lösung“. Denn es erkennt durch eine erweiterte Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe und weiß, in welchem Zustand sich die Bremse befindet.
Der Roba-brake-checker leistet neben der Überwachung von Schaltzustand und kritischer Spulentemperatur auch eine präventive Funktionsüberwachung auf Verschleiß, Funktionsreserve und Fehler. „Bei Erreichen der Zugkraftreserve sendet der Roba-brake-checker so frühzeitig ein Warnsignal, dass noch eine bestimmte Betriebszeit der Bremse möglich ist,“ beschreibt Andreas Merz die Vorteile. In dieser Zeit könne der Windkraftanlagenbetreiber oder -hersteller die Wartung gezielt – abgestimmt auf seinen Arbeitsprozess – vornehmen.
Zustandsüberwachung ohne Schalter
Dadurch, dass der Roba-brake-checker sensorlos arbeitet, also kein Mikroschalter oder Näherungsinitiator zur Schaltzustandsüberwachung außen an der Bremse angebracht werden muss, können Sicherheitsbremsen in Grundbauform eingesetzt werden. Zudem entfallen die zusätzliche Verkabelung und die – je nach Schutzart – eventuell nötige Abdichtung der Schalter und Initiatoren.
Anders als bei der Lösung mit Schaltern und Initiatoren, die aufgrund ihrer Einbausituation an der Bremse Stößen und Vibrationen ausgesetzt sind, erfolgt die Überwachung mit dem Roba-brake-checker vom Schaltschrank aus, also in geschützter Umgebung. Ausfälle durch Vereisen und Fehlsignale durch Schmutz am Schalter sind damit ausgeschlossen. Durch das elektrische Schalten des Roa-brake-checkers kann zudem die Anlagenverfügbarkeit erhöht werden. Denn es entsteht keine kritische Funkenbildung mehr am Schaltschütz, die bei üblicher Beschaltung zum Verkleben der Kontakte führen kann.
Kontakt:
Chr. Mayr GmbH + Co. KG
Eichenstr. 1
87665 Mauerstetten
Tel. +49 8341 8040
www.mayr.com
Feste Größein der Windkraft
Die Lösungen von Mayr Antriebstechnik
(in der Grafik blau gezeichnet) finden in Windkraftanlagen vielfältige Einsatzfelder. Bild: Mayr/Michael Paetow
