Predictive Maintenance: So überwachen Sensoren Windkraftanlagen in Echtzeit

| Autor / Redakteur: Michael Kuran* / Sariana Kunze

Reibungslos: Damit Windkraftanlagen zuverlässig Strom produzieren können, ist eine zuverlässige Überwachung rund um die Uhr wichtig. Präzise Sensorik stellt die Überprüfung in Echtzeit sicher.
Reibungslos: Damit Windkraftanlagen zuverlässig Strom produzieren können, ist eine zuverlässige Überwachung rund um die Uhr wichtig. Präzise Sensorik stellt die Überprüfung in Echtzeit sicher. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Blitzschläge, defekte Rotorblätter oder Turmbewegungen: Windkraftanlagen müssen permanent in Echtzeit überwacht werden. Predictive Maintenance auf Basis präziser Sensorik spielt dabei eine wichtige Rolle. Sie gewährleistet nicht nur ein rechtzeitiges Abschalten, sondern kann auch die Kosten für Wartung und Instandhaltung reduzieren.

Die Kraft des Windes macht sich der Mensch seit jeher zunutze – z.B. mit Windmühlen oder Segelschiffen. In der heutigen Zeit hat der Wind eine weitere, wichtige Aufgabe: Die Stromerzeugung. Windturbinen werden onshore, an Land, und offshore, im Wasser, zur Energiegewinnung eingesetzt. Die Rotortürme dieser Großanlagen sind dutzende Tonnen schwer und ragen gigantisch in die Höhe, wobei der durchschnittliche Rotordurchmesser bei rund 110 m liegt, die durchschnittliche Nabenhöhe bei etwa 130 m. Fällt eine solche Anlage ungeplant aus, zieht das einen extremen finanziellen Aufwand nach sich. Kräne und andere Maschinen stehen den Technikern in der Regel nicht zeitnah zur Verfügung. Besonders Offshore-Windparks können nicht zu jeder Tages- und Nachtzeit erreicht werden.

Bedingt durch Abnutzung und Komplexität der Anlagen besteht neben den umweltbedingten Einflüssen auch noch eine Vielzahl an Fehlermöglichkeiten, ob Wellenprobleme, Getriebefehler, Zahnradabnutzung, Materialermüdung, Unwucht, Temperaturdifferenzen, Schmierungsfehler, Lagerspiel, die nicht nur den reibungslosen Betrieb stören, sondern auch weitere Schäden nach sich ziehen können. Predictive Maintenance spielt in diesem Zusammenhang eine wesentliche Rolle.

Predictive Maintenance: Schäden auf Minimum reduzieren

Eine vorausschauende Überwachung durch präzise Sensorik beginnt bereits bei der Fertigung der Windkraftanlagen und geht über in Prüfstand und Echtzeitüberwachung im laufenden Betrieb. Die Abnutzung von Teilen oder Abweichungen in der Produktion sollen schon vor Eintreten größerer Schadensfälle erkannt werden. So ist ein Eingreifen möglich, noch lange bevor einzelne Teile ihren Dienst versagen oder ein Werkzeug verschleißt.

Dokumentiert werden längst nicht nur Ist-Zustände, auch die Beobachtung von Trends aus der Veränderung von Messgrößen lässt sich analysieren und auswerten. Wartungen sind somit planbar und plötzliche Ausfälle sowie Standzeiten der Großanlagen werden auf ein Minimum reduziert.

Micro-Epsilon bietet hierfür Sensorlösungen, mit denen zahlreiche kritische Daten gemessen und gezielt ausgewertet werden können. Bei einer Windkraftanlage sind unter anderem der Versatz des Kupplungsrings, Spaltmessungen am Gleitlager, Temperaturüberwachungen des Generators oder Luftspaltüberwachungen im Generator wichtige Faktoren.

Wirbelstromsensor misst Versatz des Kupplungsrings

In über 100 m Höhe wirken die enormen Kräfte des Windes auf Rotorblätter, Gehäuse und Turm ein. Getriebe und Generator sind daher elastisch gelagert. Die Kupplungen in Windkraftanlagen müssen die Relativbewegungen von Getriebe und Generator ausgleichen. 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.

Gemessen wird dabei in verschiedene Richtungen – axial, radial und tangential. Die Wirbelstromsensoren der Reihe EddyNCDT 3001 und 3005 von Micro-Epsilon sind temperaturkompensiert und bieten eine hohe Stabilität auch bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen. Sie sind werkseitig auf ferromagnetische bzw. nicht ferromagnetische Materialien abgestimmt, wodurch eine Linearisierung vor Ort entfällt.

Dank der werkseitigen Kalibrierung bieten die Sensoren eine hohe Genauigkeit und Temperaturstabilität. Unter anderem durch das M12 Gewinde lassen sich die Sensoren schnell austauschen. Sie sind nach IP67 robust aufgebaut und können durch ihre kompakte Bauweise mit integrierter Elektronik in kleinste Bauräume eingebunden werden.

Daher werden die Sensoren vor allem zur vorausschauenden Verschleiß- und Zustandsüberwachung eingesetzt. Im Vergleich zu induktiven Schaltern und Sensoren liefern diese Modelle laut dem Hersteller eine höhere Bandbreite und sind deshalb ideal zur Überwachung und genauen Erfassung schneller Bewegungen geeignet.

Spaltmaß am Gleitlager für Windkraftanlagen überwachen

Hydrostatische Lager werden an vielen Großanlagen wie Steinmühlen, Teleskopanlagen oder auch Windkraftanlagen verwendet. Messaufgabe 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. Zum Einsatz kommen berührungslose Wirbelstrom-Wegsensoren. Sie zeichnen sich durch ihre robuste und kompakte Bauform mit integriertem Controller aus. Besonders ausgeprägt ist die Resistenz der Wirbelstromsensoren gegenüber Druck, Schmierstoffen und extremen Temperaturen.

Eine weitere Anforderung an die Sensorik ist eine schnelle Inbetriebnahme und die Möglichkeit bestehende Anlagen nachzurüsten. Aufgrund des weltweiten Einsatzes der Anlagen muss ein einfacher Austausch des Sensors gewährleistet sein.

Mit optischen oder kapazitiven Sensoren Unwucht bestimmen

Bei sehr großen Generatoren oder Elektromotoren ist es wichtig, den Rundlauf des Läufers im Innern des Motors gegenüber dem des Stators zu bestimmen. Durch Unwucht im Betrieb, die bei Windkraftanlagen unter anderem durch Verschleiß aufgrund extremer Wind- und Wetterbedingungen auftritt, kann der Läufer den Stator berühren – die mögliche Folge wären große Schäden. Daher 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. Sie zeichnen sich durch ihre Langzeitstabilität, Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität aus. Bei der Luftspaltüberwachung im Generator beträgt die durchschnittliche Temperatur etwa 120 °C. Die eingesetzten Sensoren wurden speziell für Messungen im Generator optimiert. Sie sind besonders vibrationsfest und durch ein spezielles Gehäuse geschützt.

Ihr triaxialer Aufbau macht einen bündigen Einbau auch in leitfähige Materialien möglich, denn den an der vorderen Sensorkante befinden sich neben der Messelektrode auch die Schutzringelektrode und die Erdung. Diese kapazitiven Sensoren verfügen laut dem Hersteller über eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit. Zudem ist ein Tausch der Sensoren ohne neue Kalibrierung möglich.

Predictive Maintenance nicht nur für Windturbinen

Durch den Einsatz von Sensorik lassen sich nicht nur an Windturbinen, sondern generell in nahezu allen Anwendungen verschiedenster Branchen Reparaturen vermeiden, Ausfälle reduzieren, Wartungszyklen planen und Kosten senken.

Der Artikel stammt von unserem Partnerportal elektrotechnik.de.

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* Michael Kuran, Beratung & Vertrieb Sensorik, Micro-Epsilon

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