Berührungslose Drehzahlmessung: Optische Sensoren für Windkraftanlagen

Windkraftanlagen werden heute im normalen Betrieb anhand festgelegter Drehzahlregelkonzepte betrieben, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Dies wird häufig durch Verstellen des Anstellwinkels der Rotorblätter erwirkt. Bei hohen Windstärken und dementsprechend überhöhten Drehzahlen drohen zusätzlich mechanische Überbelastungen und daraus resultierende Schäden bis hin zur kompletten Zerstörung der WKA. Dies wird abgewendet, indem die Anlage je nach Typ aus dem Wind gedreht und durch Bremsen festgesetzt bzw. in Segelstellung gedreht und in den Trudelbetrieb versetzt wird. In neueren Anlagen ermöglicht alternativ eine so genannte Sturmregelung den sicheren Betrieb bei nahezu jeder Windstärke. Für einen reibungslosen und effizienten Betrieb ist demzufolge eine hochgenaue, zuverlässige Drehzahlmessung erforderlich.

Die Anforderungen an das Sensorsystem sind anspruchsvoll: Es muss aufgrund seiner sicherheitsrelevanten Funktion redundant ausgelegt sein und den rauen Umgebungsbedingungen sowie mechanischen Belastungen an der Nabe der WKA problemlos widerstehen. Da die Drehzahl als Eingangsgröße für die Drehzahlregelung möglichst genau erfasst werden muss, um einen optimalen Wirkungsgrad der WKA zu erreichen, dürfen keine Messfehler auftreten. Auf Drehgebern oder Näherungsschaltern basierende Lösungen, wie sie bisher üblicherweise für diese Aufgabe eingesetzt werden, haben sich im Betrieb allerdings als anfällig und wartungsintensiv erwiesen – zudem gestaltet sich die mechanische Integration sehr aufwändig.

Optische Alternative
Mit dem OPTIPACT-Sensor bietet die INTACTON GmbH eine Alternative für die Drehzahlmessung in Windkraftanlagen. Die Sensoren, die bewegte Oberflächen analysieren und die daraus gewonnenen Daten der Steuerung zur Verfügung stellen, messen eigenständig Bewegungen in einer Ebene. Ihr Funktionsprinzip basiert auf dem Korrelationsverfahren, mit dem sich die markanten Strukturen einer Oberfläche im Sichtbereich detektieren und verfolgen lassen.

In Windkraftanlagen werden OPTIPACT-Sensoren so installiert, dass ihre Flächenkamera auf die sich drehende Nabe blickt. Das dadurch errechnete Signal entspricht dem eines Inkrementalencoders. Wird zusätzlich ein Referenzpunkt auf dem Umfang festgelegt, kann OPTIPACT neben der Drehzahl auch die Drehposition der Nabe erfassen – dieser Wert kann zusätzlich zur Überwachung der Umdrehung und zur Positionierung des Rotors genutzt werden. Die leicht zu installierenden, kostengünstigen Systeme verringern den Montage- und Wartungsaufwand, sodass selbst eine redundante Installation von zwei Modellen wirtschaftlich sinnvoll ist. OPTIPACT-Sensoren bewähren sich bereits seit über einem Jahr im harten Einsatz in Windkraftanlagen. Hierbei zeigt sich, dass sich die von OPTIPACT gelieferten Signale sehr gut für die Drehzahlregelung verwenden lassen und gegenüber herkömmlichen Systemen Effizienzsteigerungen erzielt werden können. Zum Erfolg dieser Anwendung trugen dabei nicht nur das Know-how der auf optische Sensoren spezialisierten INTACTON GmbH bei, sondern auch Schwesterunternehmen der FRABA-Gruppe – so kann die POSITAL GmbH beispielsweise auf weitreichende Erfahrungen mit zahlreichen Busanbindungsoptionen sowie Drehgebern für Windkraftanlagen und andere sicherheitsgerichtete Applikationen verweisen.

Klein, flexibel, kostengünstig
OPTIPACT-Sensoren bestehen aus einer Dioden-Beleuchtungseinheit, Flächenkamera, Sende- und Empfangsoptik im Miniaturformat sowie einer integrierten Auswerte- und Schnittstellenelektronik. Mit einer Größe von 98 x 42 x 47 mm und einem Gewicht von lediglich 250 g lassen sie sich einfach in nahezu jede Applikation integrieren. Durch Ausgabe der X- und Y-Achse ist es möglich, jede beliebige Bewegungsrichtung zu erfassen – der sonst erforderliche Aufwand für Justage und Kalibrierung entfällt somit. Die Sensoren sind in einem IP65-Aluminiumgehäuse untergebracht. Die Versorgungsspannung liegt wahlweise bei +5 oder 10...30 V. Für die Kommunikation mit übergeordneten Steuerungen stehen Inkremental- und RS232-Schnittstellen zur Auswahl, auf Anfrage sind auch Feldbussysteme oder SSI möglich. Aufgrund des durchgehend modularen Designs lassen sich die Sensoren leicht an spezielle Anforderungen anpassen. Die lichteffiziente Dioden-Beleuchtung hat zudem den Vorteil, dass der bei herkömmlichen optischen Systemen nötige Lampenwechsel entfällt, sodass der Sensor komplett wartungsfrei arbeitet.

Robuste, wartungsfreie Lösung
Der Sichtbereich der Kamera auf der Oberfläche ist 8 x 8 mm groß; benötigt wird aber nur ein kleinerer sichtbarer Bereich dieser Fläche, sodass sich Schmutzpartikel kaum störend auswirken. Wird der Sensor senkrecht montiert, kann sich Schmutz außerdem nur schwer auf der Linse ansammeln. Aufgrund der relativ großen Kamerapixel und der ausreichend lichtstarken Beleuchtungs-Dioden haben Beeinträchtigungen durch sehr feinen Staub keinen direkten Einfluss auf die Messung. Eine im Sensor integrierte Regelschleife passt zudem die Belichtungszeit den Umgebungsbedingungen an.

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