Windenergieanlagen
Drehgebertechnologien im Vergleich: optisch vs. magnetisch
Windkraftanlagen stellen besondere Anforderungen an Drehgeber. Auch in den widrigen Offshore-Umgebungen müssen sie zuverlässig, wartungsarm und langlebig sein. Nachfolgend beleuchten wir die Vor- und Nachteile optischer und magnetischer Drehgeber und stellen Ihnen einige der neuesten Entwicklungen vor.
Drehgeber in Windkraftanlagen sind permanent im Einsatz und einem rauen Arbeitsumfeld ausgesetzt: Hohe Temperaturunterschiede und -schwankungen, salzhaltige Luft, hohe Feuchtigkeit, starke Vibrationen selbst bei Stillstand und massive mechanische Einflüsse machen den Sensoren das Leben schwer. An großen Anlagen mit Nabenhöhen bis zu 160 Metern und Rotordurchmessern mit bis zu 126 Metern entstehen durch den Winddruck enorme radiale Lasten auf die Rotorachse. Alle diese Bedingungen stellen wachsende Ansprüche an die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Sensoren.
»Von entscheidender Bedeutung ist die permanente Verfügbarkeit der Signale«, unterstreicht Thomas Brandenburger, Ressortleiter Technik des Gießener Sensorspezialisten Johannes Hübner GmbH. »Stillstandszeiten oder ein ungeplanter Geber-Austausch sind wegen ihrer erschwerten Erreichbarkeit an Windkraftanlagen wesentlich aufwändiger und damit auch teurer als in vielen anderen Bereichen der Automatisierungstechnik.«
Magnetgeber spielen ihre Vorteile in Windenergieanlagen aus
Der Technologievergleich
Zur Erfassung von Winkeländerungen an rotierenden Wellen kommen meist Drehgeber zum Einsatz. Dabei unterscheidet man zwischen Inkrementalgebern zur Ermittlung von Drehzahl bzw. -richtung und Absolutwertgebern zur Bestimmung der absoluten Position.
Das am häufigsten genutzte Messprinzip ist die optische (photoelektrische) Abtastung. Ein durch eine Lichtquelle (meist eine Infrarot-Leuchtdiode) erzeugter Lichtstrahl wird durch einen Kondensor (Optik), ein Strichgitter (Maßverkörperung) sowie eine Blende (Abtastplatte) auf ein photooptisches Bauelement (meist eine Photodiode) geleitet. Durch die Rotation der mit Schlitzen versehenen Scheibe wird der Lichtstrahl zwischen LED und Sensor periodisch moduliert, wobei der Sensor ein sinusförmiges elektrisches Signal erzeugt.
»Ergänzend zum photoelektrischen Messprinzip hat in den letzten Jahren die Magnetgeber-Technologie an Bedeutung gewonnen«, so Brandenburger. »Dabei besteht die Maßverkörperung aus einem hartmagnetischen Träger – dem Polrad - mit aufgeprägter magnetischer Teilung – Nord-Süd-Pole -, die durch eine spezielle Bandage vor Umwelteinflüssen geschützt werden kann. Der separate Abtastkopf beinhaltet die nötige Sensorik und Elektronik.«
Die Sensorik der Magnetdrehgeber
Je nach Messaufgabe und Geberausführung kommen unterschiedliche Sensoren zum Einsatz:
- AMR-Sensoren: Basierend auf dem Anisotrope Magnetoresistive Effect (AMR) reagieren sie auf Änderungen der Magnetfeld-Richtung, verursacht durch kleine Änderungen des elektrischen Widerstandes eines stromdurchflossenen Leiters unter dem Einfluss eines Magnetfeldes. Dieser Effekt kommt millionenfach in Schreib-Lese-Köpfen für Festplatten zum Einsatz.
- GMR-Sensoren: Sie basieren auf dem Giant Magnetoresistive Effect (GMR-Effekt) und reagieren ebenfalls auf die Änderung der Magnetfeld-Richtung, wobei die Widerstandsänderung des elektrischen Leiters bei über 50 Prozent liegt. Dadurch haben sie weitere Anwendungen in der Automobil- und Automatisierungstechnik erschlossen.
- Hall-Sensoren reagieren auf Änderungen der Magnetfeld-Stärke. Auch hier liegen die Anwendungen in der Automobil- und Automatisierungstechnik.
Drehgeber mit optischem Messprinzip werden seit Jahrzehnten in einer Vielzahl von Geräten und Automatisierungsanwendungen erfolgreich eingesetzt. Dabei zeichnen sie sich unter anderem durch die hohe Signalgenauigkeit und die erreichbaren Auflösungen aus. In Windkraftanlagen übernehmen sie besondere Messaufgaben: Sie kommen bei der Azimutregelung während der Positionsbestimmung der Gondel zum Einsatz, bei der Generator-Drehzahlmessung oder bei der Pitch-Kontrolle während der Verstellung des Blattwinkels in Anlagen mit Rotorblattverstellung.
»Das optische Messprinzip ist jedoch grundsätzlich empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Schock- und Vibrationsbelastungen, Schmutz, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit«, gibt Brandenburger zu bedenken. »Zwar können diese Nachteile durch spezielle Gehäusekonstruktionen kompensiert werden, allerdings führen die nötigen Gehäusekonstruktionen bei optischen Drehgebern zu gewissen Einschränkungen bei den Anbaumöglichkeiten.« Optimal sei es, wenn ein freies Wellenende zum Geberanbau zur Verfügung stünde: entweder zum Anbau mittels Kupplung (Vollwellengeräte) oder für den Einsatz eines Hohlwellengerätes, das direkt auf der Welle bzw. einer passenden Adapterwelle sitzt. »Mit der Größe der Wellendurchmesser steigen die Kosten für das Gebergehäuse und die erforderlichen Kugellager überproportional an, so dass ab Wellendurchmessern von 200 Millimetern und mehr wirtschaftlich sinnvolle Lösungen kaum mehr möglich sind«, so Brandenburger.
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- Magnetgeber: Mehr Freiheit in der Konstruktion
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