Induktive und kapazitive Abstandssensoren überwachen Windkraftanlagen

Windräder sind in den vergangenen zwei Jahrzehnten deutlich größer geworden: Die durchschnittlichen Rotordurchmesser haben sich auf rund 110 m mehr als verdoppelt und so liegt die mittlere Nabenhöhe jetzt bei etwa 130 m. Die durchschnittliche Nennleistung hat sich auf etwa 2 MW mehr als verzehnfacht. In Windparks, wo früher viele kleine Windräder standen, braucht man jetzt nur noch wenige große Anlagen einzusetzen.

Mit dem schnellen Wachstum der Windräder haben sich auch die Wirkkräfte und Materialbelastungen erhöht – umso wichtiger ist die zuverlässige Überwachung der kritischen Bauteile geworden. Zumal ungeplante Betriebsausfälle von Windturbinen einen hohen finanziellen Schaden und Aufwand nach sich ziehen, weil Kräne und andere Maschinen in der Regel nicht zeitnah zur Verfügung stehen. Das gilt besonders für Offshore-Windparks. In Windkraftanlagen können Probleme an den Antriebswellen, Getriebefehler, Zahnradabnutzung, Materialermüdung, Unwuchten, Temperaturdifferenzen, Schmierungsfehler oder Lagerspiel den Betrieb stören und sehr schwere Folgeschäden nach sich ziehen. Die Überwachung von Wellenlagern und Getrieben in Windkraftanlagen ist daher äußerst wichtig. Dazu sind Sensormesswerte in Echtzeit erforderlich, die den aktuellen Anlagenzustand anzeigen.

Zur vorausschauenden Wartung werden aber vor allem die allmählichen zeitlichen Veränderungen der Messwerte analysiert und ausgewertet. Wartungsarbeiten werden somit planbar. Unvorhergesehene Ausfälle und Standzeiten der Anlagen werden so auf ein Minimum reduziert.
Mit Wegsensoren beziehungsweise Abstandssensoren von Micro-Epsilon werden in Windkraftanlagen mehrere kritische Anlagenbauteile überwacht: der Versatz des Kupplungsrings, der Spaltabstand am Gleitlager, der Luftspalt im Generator (Abstand Läufer/Stator) sowie die Temperatur im Generator.

Versatz-Messung beim Kupplungsring

In über 100 m Höhe wirken enorme Windkräfte auf Rotorblätter, Gehäuse und Turm ein. Getriebe und Generator sind deshalb elastisch gelagert; eine entsprechende Kupplung gleicht die Relativbewegungen von Getriebe und Generator aus. Bei der Messung des Kupplungsringversatzes erfolgt die Abstandsmessung mit Wirbelstromsensoren auf den metallischen Kupplungsring. Dadurch wird das Lastprofil ermittelt. Die Überwachung der Messwerte ist notwendig, um unnötigen Verschleiß von Kupplungen, Lagern oder Wellendichtungen oder im Extremfall gravierende Schäden an der Windturbine zu vermeiden.

Bei einer Windkraftanlage ist es wichtig, den Versatz des Kupplungsrings, den Spaltabstand am Gleitlager, den Luftspalt im Generator sowie die Generatortemperatur ständig zu messen beziehungsweise zu überwachen. Micro-Epsilon Messtechnik

Gemessen wird dabei in verschiedene Richtungen – axial, radial und tangential. Die Wirbelstromsensoren der Reihe eddyNCDT 3001 und 3005 sind temperaturkompensiert und bieten daher eine hohe Stabilität auch bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen. Sie sind werkseitig auf ferromagnetische beziehungsweise nicht ferromagnetische Materialien abgestimmt; dadurch entfällt eine Linearisierung vor Ort. Durch ihre werksseitige Kalibrierung messen diese Wirbelstromsensoren äußerst genau. Zudem sind sie sehr temperaturstabil; das ist besonders für den Dauereinsatz in industriellen Umgebungen wichtig. Falls erforderlich, lassen sich die Sensoren mit ihrem M12-Gewinde schnell austauschen. Sie sind nach IP67 robust gebaut und können durch ihre kompakte Bauweise mit integrierter Elektronik in kleinste Bauräume eingebunden werden. Daher werden diese Wirbelstromsensoren vor allem zur vorausschauenden Verschleiß- und Zustandsüberwachung eingesetzt. Im Vergleich zu induktiven Schaltern und Sensoren liefern diese Wirbelstromsensoren eine höhere Bandbreite und sind deshalb sehr gut zur Überwachung und genauen Erfassung schneller Bewegungen geeignet.

Bei der Messung des Kupplungsringversatzes erfolgt die Abstandsmessung mit Wirbelstromsensoren auf den metallischen Kupplungsring. Micro-Epsilon Messtechnik

Ölspaltmessung am Gleitlager

Hydrostatische Lager werden an vielen Großanlagen wie Steinmühlen, Teleskopanlagen oder auch Windkraftanlagen verwendet. Die Messaufgabe der Abstandssensoren ist die Überwachung des Spaltmaßes zwischen Lagerfläche und Welle. Im Schmierspalt befindet sich ein Ölfilm, der einen direkten Kontakt von Lagerfläche und Welle verhindert. Bei einer Störung in der Hydraulik kann der Öldruck sinken und der Spalt würde im Extremfall geschlossen. Die Folge wäre die Beschädigung des Lagers, was wiederum zu einem Ausfall der Anlage führen kann. Der Sensor wird dazu seitlich am Lagerschuh montiert. Er misst durch den Ölfilm und die Gleitlagerschicht hindurch direkt auf die Welle.

Spaltmessung am Gleitlager: Bei einer Störung in der Hydraulik kann der Öldruck sinken und der Spalt würde im Extremfall geschlossen. Der Sensor misst durch den Ölfilm und die Gleitlagerschicht hindurch direkt auf die Welle. Micro-Epsilon Messtechnik

Zum Einsatz kommen dazu wiederum berührungslos messende Wirbelstrom-Wegsensoren der Serie eddyNCDT 3001 und 3005. Sie sind robust und kompakt in der Bauform; der Controller ist integriert. Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon werden häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen hohe Präzision bei schwierigen Umweltbedingungen gefordert wird. Besonders ausgeprägt ist die Resistenz der Wirbelstromsensoren gegenüber Druck, Schmierstoffen und extremen Temperaturen. Eine weitere Anforderung an die Sensoren ist eine schnelle Inbetriebnahme und die Möglichkeit, bestehende Anlagen nachrüsten zu können. Weil die Windkraftanlagen weltweit eingesetzt werden, müssen die Sensoren im Falle eines Falles zudem einfach austauschbar sein.

Überwachung des Luftspalts im Generator

Bei sehr großen Generatoren oder Elektromotoren ist es wichtig, den Rundlauf des Läufers im Inneren des Generators beziehungsweise Motors gegenüber dem des Stators zu bestimmen. Durch eine Unwucht im Betrieb, die bei Windkraftanlagen unter anderem durch Verschleiß aufgrund von extremen Wind- und Wetterbedingungen auftritt, kann der Läufer den Stator berühren – die mögliche Folge wären große Schäden. Deshalb wird während des Betriebes der Abstand zwischen Stator und Läufer, der sogenannte Läuferspalt, mit optischen oder mit kapazitiven Sensoren überwacht. Bei den kapazitiven Sensoren kommen Sensoren mit einem Messbereich von 0 bis 8 mm zum Einsatz.

Kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon sind für berührungslose Weg-, Abstands- und Positionsmessungen konzipiert. Diese Sensoren sind aufgrund ihres Messprinzips besonders langzeitstabil und zuverlässig auch bei wechselnden Temperaturen. Micro-Epsilon Messtechnik

Die kapazitiven Sensoren von Micro-Epsilon sind für berührungslose Weg-, Abstands- und Positionsmessungen konzipiert. Sie sind ausgesprochen langzeitstabil, zuverlässig und temperaturstabil. Bei der Luftspaltüberwachung im Generator beträgt die durchschnittliche Temperatur etwa 120 °C. Der Hersteller hat die dafür eingesetzten Abstandssensoren speziell für Messungen im Generator optimiert, so-dass auch unter diesen schwierigen Bedingungen die Messwerte sehr genau sind. Die Sensoren sind besonders vibrationsfest und durch ein spezielles Gehäuse ge-schützt. Ihr triaxialer Aufbau erlaubt einen Einbau auch in leitfähige Materialien, denn an der vorderen Sensorkante befinden sich neben der Messelektrode auch die Schutzringelektrode und die Erdung.

Kapazitive Sensoren von Micro-Epsilon zeigen zudem eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit. Ein weiterer Vorzug dieser Abstandssensoren ist, dass ein Sensoraustausch ohne eine neue Kalibrierung möglich ist; herkömmliche Systeme müssen im Unterschied dazu aufwendig kalibriert und linearisiert werden.

(dw)