Verstärkt, verbessert, getunt

Leistungsfähige Sensoren sorgen für die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Erneuerbare-Energien-Anlagen. Um den immer spezielleren Anforderungen aus stetig wachsenden Dimensionen und Leistungen sowie immer extremeren Standorten zu entsprechen, sind moderne Lösungen gefragt. Die Bandbreite der in solchen Anlagen verwendeten Sensoren reicht vom induktiven Sensor über Beschleunigungssensoren bis hin zu Drehgebern.

Induktive und analoge Sensoren überwachen zum Beispiel die Winkelverstellungen an Rotorbremsen, wo induktive Sensoren mit Mobil-Equipment-Klassifizierung die Stellung der Bremsklötze oder der Betätigungskolben erfassen. Analoge Sensoren erkennen hierbei den Verschleißgrad an den Reibflächen und vereinfachen damit den Wartungsplan. Weitere Möglichkeiten Winkelpositionen zu bestimmen, bieten die Positionscodier-Systeme PCI von Pepperl+Fuchs. Die Drehwinkelmesssysteme können über 360° eine absolute Position bestimmen. Das induktive Wirkprinzip ist dabei von Vorteil, weil es mit voll gekapselter Elektronik berührungslos arbeitet. Es arbeitet also ohne mechanischen Verschleiß und ist unempfindlich gegen Schmutz.

Drehgeber überwachen Drehwinkel

„In vielen Anlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energien gehört die Erkennung von Drehbewegungen oder Neigungen unterschiedlicher Anlagenteile zu den Hauptaufgaben der Sensorik“, erklärt Rudolf Franz Schlosser, Leiter Customer Solution Center bei Pepperl+Fuchs Drehgeber in Tuttlingen. Aus diesem Grund zählen Drehgeber in Form von Inkremental- sowie Absolutwert-Drehgebern zu den häufigsten Sensorarten in solchen Anlagen. Sie dienen zum Beispiel in Windenergieanlagen zum Ausrichten der Gondel in optimale Windrichtung (Azimut Control) oder der  zum Rotorblattverstellen (Pitch-Control). Bei Solaranlagen kommen Drehgeber ebenfalls zur Azimut-Regelung sowie zur Elevation-Regelung zum Einsatz, um etwa Heliostaten oder Parabolrinnen-Systeme der Sonne nachzuführen. Die bereits erwähnten Pitch-Systeme gibt es auch in Meeresströmungsanlagen. Außer zur Positionsüberwachung beim Verstellen von Anlagenteilen sind Drehgeber auch im Bereich der Drehzahlregelung (Speed Monitoring) von Generatoren im Einsatz.

Für die Erneuerbaren erweitern

Sensoren für die erneuerbaren Energien sind oft Weiterentwicklungen der Industriesensoren, die an die rauen Anforderungen des Außeneinsatzes angepasst sind – zum Beispiel die Offshore-Version der Hohlwellendrehgeber RHI90. Die von Haus aus für raue Umgebungsbedingungen konzipierten Drehgeber kommen zur Drehzahlregelung von Generatoren in Windenergieanlagen zum Einsatz und sind an die maritimen Klimabedingungen auf offener See angepasst. Sie haben ein Metallgehäuse, das der Schutzart IP65 entspricht und aus seewasserfest beschichtetem Material besteht. Die mechanischen Teile wie Welle und Flansch sind aus V4A-Edelstahl. Eine Besonderheit ist das optoelektronische Abtastsystem, das mit einer Metallscheibe, anstatt der sonst üblichen Glasscheibe, ausgestattet ist. Das macht die Drehgeber robust und widerstandsfähig, auch unter extremen Schock- und Vibrationsbelastungen. Eine zusammen mit Anlagenherstellern entstandene Entwicklung ist die spezielle Isolierhülse aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, die den Drehgeber elektrisch von der Welle isoliert.

In Bezug auf Robustheit und Langlebigkeit von Drehgebern gibt es auch Entwicklungen im Bereich magnetischer Inkremental- und Absolutwert-Drehgeber. Die auf magnetoresitiver Technologie basierenden Inkremental-Drehgeber sowie die Absolutwert-Drehgeber mit magnetischem Abtastsystem mittels zwei Achsen-Hall-Sensoren sind weitgehend unverwüstlich und verkraften mechanische Vibrationen, Schwingungen und Temperaturschocks. Damit erhöhen solche Drehgeber die Zuverlässigkeit und verringern die Wartungsarbeiten.

Schnelle Echtzeit-Datenübertragung und hohe Auflösung

Am Beispiel moderner Windkraftanlagen mit unsymmetrischer Blattver-stellung (Advanced Load Control) zeigen sich weitere Entwicklungen der Drehgebertechnologien. Die Advanced Load Control dient dem  feinen und schnellen Anpassen jedes einzelnen Rotorblatts an die jeweilig vorherrschende Windgeschwindigkeit. Damit soll eine gleichmäßige Last auf den Rotorblättern erreicht werden, was der Leistungsoptimierung sowie dem Rundlauf, sprich der Belastungsreduzierung auf Lager und Welle, dient. Hier kommen die Multiturn-Absolutwert-Drehgeber PVM58N von Pepperl+Fuchs mit Profinet-IO-Schnittstelle zum Einsatz. Sie vernetzen die andauernd komplexer werdenden Power-Control-Systeme und bieten die geforderte hohe Auflösung. Ihre Grundauflösung von 65.536 Schritten pro Umdrehung (16 Bit) wird bis zu 16.384 Umdrehungen (14 Bit) aufgelöst. Daraus ergibt sich eine Gesamtauflösung von maximal 1.073.741.824 Schritten (30 Bit). Die Echtzeit-Kommunikation (IRT, isocronous real time) und der rasche Austausch großer Datenmengen sind vor allem im Bereich des Condition Monitorings gefragt.

Neigungs- beziehungsweise Beschleunigungssensoren dienen im Rahmen des Condition Monitorings oft den gleichen Zwecken. Die berührungslos auf Basis eines mikromechanischen Feder-Masse-Systems messenden Sensoren erfassen Auslenkungen über die Änderung der elektrischen Kapazität einer festen Bezugselektrode in Bezug zum Gravitationsfeld der Erde. Je nach Genauigkeitsanforderung werden solche Neigungssensoren beispielsweise auch zur Ausrichtung von Photovoltaikanlagen genutzt. Zu den anspruchsvollen Aufgaben dieser Technologie in Form von Beschleunigungssensoren gehört beispielsweise die Schwingungsmessung in großen Windenergieanlagen. Dabei gilt es, die Art und Ursache der Einflussgrößen zu ergründen. Mit Beschleunigungssensoren lassen sich etwa am Rotor Blatteigenfrequenzen, Blattverdrillungen oder die Lage der Rotorblätter überwachen. Außerdem lassen sich aerodynamische Unwuchten oder Massen-Unwuchten erfassen. Auch im Bereich der Gondel gibt es einige Ansätze zur Schwingungsmessung. Das beginnt bei der Überwachung der maximalen Neigung sowie der Krafteinwirkung durch Windlasten und reicht bis zur Detektion von Resonanzschwingungen im Turm.

(mf)