Eine der wichtigsten physikalischen Messgrößen, die zum Schutz von Windkraftanlagen erfasst werden müssen, sind die während des Betriebs auftretenden Vibrationen. Sie entstehen vornehmlich in der Gondel selbst oder kurz unterhalb im Mast. Zu starke Vib­rationen ziehen die gesamte Anlage in Mitleidenschaft, insofern als es beim Mast aufgrund der entstehenden Beschleunigungskräfte zu Rissbildungen oder sogar zum Bruch kommen kann. Ergo muss die Anlage herunterge­fahren werden, sobald Gefahr im Verzug ist.

Ursachen von Vibrationen können zum einen in der Anlage selbst begründet sein: Sollten beispielsweise das Getriebe oder die Lager einen Schaden aufweisen, kann es zu starken Schwingungen der Hauptwelle kommen. Diese Schwingungen liegen in einem Frequenzfenster von zirka 10 bis 50 Hz. Zum anderen spielen äußere Einflüsse, die ein Aufschwingen der Anlage verursachen können, eine wichtige Rolle. Hier kommen beispielsweise Vereisungen der Rotorblätter in Betracht. Diese treten nicht gleichmäßig auf und verursachen eine Unwucht des Rotors, die die ganze Anlage in Schwingung versetzen kann. Auch ungünstige Windverhältnisse führen zu starken Bewegungen der Gondel und damit des Mastes. Die Frequenzen liegen typischerweise bei 0,1 bis 15 Hz.

Im Rahmen des Schwingungs-Monitorings einer Windkraftanlage müssen solche Vibrationen und Schwingungen kontinuierlich ermittelt werden. Beim Überschreiten zugehöriger Grenzwerte wird dann die Steuerung veranlasst, die Anlage herunterzufahren oder anzuhalten.

Der Vibrationssensor NVA65 erfasst die relevanten Vibrationen einer Windkraftanalage im Rahmen des Condition Monitoring.

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Ein Sensor, der diese Aufgabe erfüllen kann, ist der speziell für die Bedürfnisse und Erfordernisse von Windkraftanlagen konzipierte Vibrationssensor „NVA65“ von TWK-Elektronik. Der eingesetzte MEMS-Beschleunigungssensor erfasst Vibrationen in einem Frequenzbereich von 0,1 bis zirka 60 Hz. Ein 32-Bit-Controller teilt diesen Frequenzbereich über digitale Bandpass­filter hoher Ordnung in bis zu sechs Bänder auf, um die unterschiedlichen Schwingungsursachen zu trennen. Uninteressante Störfrequenzen werden herausgefiltert.

Der Sensor misst zweiachsig – in jeder Richtung in der x-y-Ebene werden die auftretenden Beschleunigungen kontinuierlich erfasst und via Analog-Signal (4 bis 20 mA) ausgegeben, entweder x und y getrennt oder die geometrische Summe daraus.Im Rahmen des Anlagen-Monitorings lässt sich der Schwingungs- und Vibrationszustand so jederzeit beobachten.

Eine weitere Eigenschaft des Sensors sind die integrierten Grenzwert-Relais, die beim Überschreiten bestimmter Beschleunigungs-Grenzwerte schalten. Damit können Peripheriegeräte, die zum Beispiel eine Abschaltung der Anlage vornehmen oder andere Maßnahmen initiieren, geschaltet werden. Bei wachsender Vibrationsbeschleunigung wird zunächst über ein Relais eine Warnmeldung ausgegeben, dann, bei weiterem Ansteigen, über ein weiteres Relais ein Alarm initiiert. Für die verschiedenen Frequenzbereiche sind eigene Relais vorgesehen, um Warnung und Alarm je nach Ursache getrennt ausgeben zu können. Die jeweils zugehörigen zwei Grenzwerte für Warnung und Alarm sind anwenderseitig parametrierbar. Dies geschieht über eine CANopen-Schnittstelle, die der Parametrierung dient und auch von allen Frequenzbändern die Beschleunigungsmesswerte ausgibt. Stellt die interne Überwachung der Funktionen und Bauteile des Vibrationssensors einen Fehler fest, wird über das eingesetzte Fehlerrelais ein Signal an die Anlagensteuerung ausgegeben. Die Relais-Ausgänge sind galvanisch voneinander getrennt.

Autor: Achim Albertini ist Produktmanager bei TWK-Elektronik in Düsseldorf.