Applikationsbeispiele in einer Windkraftanlage

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1 Applikationsbeispiele in einer Windkraftanlage Autor: Martin Kluge Peter Knaack Weltweiter Branchenvertrieb update: page 1

2 Allgemeiner Aufbau einer Windkraftanlage Rotorblatt Rotor Gondel Turm update: page 2

3 Aufbau einer Gondel (Nacelle) 1 Rotorblatt 2 Blattlager 3 Rotorkopf 5 4 Hauptlager Rotorwelle Lüftungsanlage 6 Getriebe 7 Generator 8 Transformator Steuerschrank 10 Hydraulikanlage 11 Schmierölanlage 1 12 Windnachführung Quelle. ifm electronic update: page 3

4 Übersicht der Applikationen in Windkraftanlagen (WKA) 1/2 Drehzahlüberwachung des Generators über induktive Sensoren 6 Drehzahlüberwachung der Antriebswelle über Drehzahlwächter 7 Endlagenüberwachung der Rotorblätter 8 Sichere Endlagenüberwachung der Rotorblätter 9 Positionsüberwachung der Gondel über absolute Winkelcodierer 10 Windnachführung der Gondel 11 Drucküberwachung am Druckspeicherder Hydraulikanlage 12 Drucküberwachung der Hydraulikanlage 13 Temperaturüberwachung des Hydrauliköls 14 Füllstandsüberwachung an der Hydraulikanlage 15 update: page 4

5 Übersicht der Applikationen in Windkraftanlagen (WKA) 2/2 Füllstandskontrolle der Schmiermittelanlage 16 Drucküberwachung der Schmierölanlage sowie der Kühlkreisläufe 17 Temperaturüberwachung des Schmieröls sowie des Kühlmittels 18 Geregelte Schaltnetzteile zur 24 V DC Spannungsversorgung 19 Zuverlässige Verbindungstechnik für schwierige Applikationen 20 Steuerungssystem ecomatmobile 21 Einsatzmöglichkeiten von Condition Monitoring Systemen 22 Grundsätzlicher Aufbau eines ifm Condition Monitoring Systems 23 Zustandsüberwachung des Getriebestranges 24 Rotorblattüberwachung über Schwingungsdiagnose 25 Diagnose von Pumpen und Motoren 26 update: page 5

6 Drehzahlüberwachung des Generators über induktive Sensoren Induktive Sensoren IFM & IGM: z.b. IFM204 oder IGM204 Außergewöhnlich hohe EMV-Festigkeit (Hohe Störfestigkeit gegen Blitzschlag) Temperaturbereich von -40 o C bis +85 o C Hohe Schutzart IP67 / IP 69K Schwingfestigkeit gemäß EN Fc Dauerschockfestigkeit gemäß EN Eb Zur Vermeidung von Überspannungen darf die Drehzahl des Generators nur innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Zur zuverlässigen Drehzahlerfassung werden induktive ifm Sensoren der Baureihen IFM und IGM eingesetzt. update: page 6

7 Drehzahlüberwachung der Antriebswelle über Drehzahlwächter Schwingungssensor induktive Sensoren Monitor DD20xx: Anschluß induktiver Sensoren Einstellbereich (0, Hz) Klemmschienengehäuse 2 Relaisausgänge, 2 Transistorausgänge Analogausgang ( ma, ma) Programmierbar Die Überwachung der Hauptantriebswelle auf Überdrehzahl ist wichtig für einen sicheren Betrieb der Windkraftanlage. Mit ifm Drehzahlwächtern der DD-Serie und entsprechend angeschlossenen induktive Sensoren, ist eine zuverlässige und kostengünstige Drehzahlüberwachung garantiert. Dies ermöglicht eine sichere Abbremsung der Turbine bei hohen Windgeschwindigkeiten. update: page 7

8 Endlagenüberwachung der Rotorblätter Induktive Sensoren IGM: z.b. IGM204 Außergewöhnlich hohe EMV-Festigkeit (Hohe Störfestigkeit gegen Blitzschlag) Temperaturbereich von -40 o C bis +85 o C Hohe Schutzart IP67 / IP 69K Schwingfestigkeit gemäß EN Fc Dauerschockfestigkeit gemäß EN Eb Die Drehzahl der Windkraftanlage kann über die Stellung der Rotorblätter bis zum Stillstand reguliert werden. Für die zuverlässige Abfrage der Endposition werden induktive ifm Sensoren der Baureihe IGM anstelle mechanischer Schalter eingesetzt. update: page 8

9 Sichere Endlagenüberwachung der Rotorblätter Induktiver Sicherheitssensor GI: z.b. GI701S Geeignet für Personen- und Maschinensicherheit Sichere Endlagenüberwachung an bewegten Maschinenteilen Anschluss der Sensoren an Sicherheits-SPS, -Bussysteme und Logik möglich Zertifiziert nach IEC SILcl3 Um Schäden an der Hydraulik der Rotorblattverstellung zu vermeiden wird die maximale Endlage der Rotorblätter mit induktiven Sicherheitssensoren der ifm überwacht. Die Sicherheitssensoren sind selbstüberwachend und manipulationsssicher. Der Einsatz ist ohne spezielle Gegenstücke, z.b. Magnet oder mechanischer Betätiger, durch die angewendete Fenstertechnik einfach realisierbar. update: page 9

10 Positionsüberwachung der Gondel über absolute Winkelcodierer Drehgeber RMxxxx: Kabelausgang axial und radial verwendbar Vibrationsfestigkeit bis 30 g Gehäuse Schutzart IP 67 Schnittstelle TTL oder HTL Die genaue Position und Ausrichtung der Gondel muss jederzeit verfügbar sein, auch nach einem Spannungsausfall. Die ifm electronic bietet für diese wichtige Aufgabe z.b. absolute Winkelcodierer der Baureihe RM an. update: page 10

11 Windnachführung der Gondel (Azimuth) Induktive Sensoren IGW & IGM: Erhöhte Störfestigkeit Hohe Schaltabstände Kontakte vergoldet Umfangreiches Montagezubehör Die Gondel darf sich bis zu ca. 3 mal um die eigene Achse drehen. Danach muss sie wieder in ihre Ausgangslage zurückgefahren werden. Die Anzahl der Umdrehungen wird über Impulse von induktiven ifm Sensoren der Baureihen IGW o. IGM zuverlässig erfasst. update: page 11

12 Drucküberwachung am Druckspeicher der Hydraulikanlage Drucksensor PP75xx: Extrem robust und betriebssicher Ausgezeichnete EMV-Beständigkeit Schockfest bis 1000 g Wiederholgenauigkeit [%] < ± 0,1 Zwei Schaltausgänge Weitere einsetzbare Produktreihen: PK, PA, PN Quelle: "ewiger-fuhrmann.de" Bei fehlendem oder zu niedrigem Öldruck kann z.b. die Rotorblattverstellung nicht mehr fehlerfrei arbeiten. Die Drucksensoren geben in diesem Fall ein Alarmsignal an die Steuerung. update: page 12

13 Drucküberwachung der Hydraulikanlage Drucksensoren PNxxxx: Z.B. PN5 o. PN7: 1 Schaltausgang (PN5) oder 1 Schalt- und 1 Funktionskontrollausgang (PN7) Driftfreier Betrieb für mehr als 100 Millionen Druckzyklen Anzeige der Einstell- und Meßwerte durch 4-stellige 10-Segment Anzeige Weitere einsetzbare Produktreihen: PK, PP, PA Die Hydraulikanlage in einer Windkraftanlage ist in vielen Anlagentypen ein wichtiges zentrales System. Daher kommen hier nur ausgewählte Drucksensoren zum Einsatz, wie z.b. ifm Drucksensoren der Baureihe PN mit vielfältigen Ausgangsfunktionalitäten. update: page 13

14 Temperaturüberwachung des Hydrauliköls Temperatursensor TR2432 mit Stabfühler TTxxxx: Verschiedene Längen ermöglichen variable Eintauchtiefen Kombiausgang Analog-/Binär- oder Schaltausgang Frei programmierbare Hysterese- oder Fensterfunktion Robuste Mechanik mit hoher Vibrationsund Schockfestigkeit Für eine optimale Hydrauliköl-Versorgung darf die Öl-Temperatur bestimmte Grenzwerte nicht unter- und überschreiten. Die ifm Temperatursensoren geben in diesen Fällen Signale an die Steuerung weiter. update: page 14

15 Füllstandsüberwachung an der Hydraulikanlage Füllstandssensoren LK10xx: Frei programmierbarer Arbeitsschaltausgang und zusätzlicher Schaltausgang als Überfüllsicherung Einfache Medienauswahl über das Benutzermenü und direkte Anzeige des aktuellen Füllstands mittels LED-Display LT80xx-Baureihe mit integrierter Temperaturüberwachung Unterschiedliche Stablängen verfügbar Eine kontinuierliche Füllstandsüberwachung der Hydraulikaggregate ist sehr wichtig. Hierfür können ifm-sensoren der Baureihe LK10xx eingesetzt werden. Geräte der LL80xx-Baureihe bieten den besonderen Vorteil der zusätzlichen Überwachung auf Leckage. update: page 15

16 Füllstandskontrolle der Schmiermittelanlage Induktive Sensoren IFMxxx: z.b. IFM213 Außergewöhnlich hohe EMV-Festigkeit (Hohe Störfestigkeit gegen Blitzschlag) Temperaturbereich von -40 o C bis +85 o C Hohe Schutzart IP67 / IP 69K Schwingfestigkeit gemäß EN Fc Dauerschockfestigkeit gemäß EN Eb Windkraftanlagen müssen absolut zuverlässig funktionieren und dürfen keinesfalls wegen eines vermeidbaren Defektes, z.b. durch Mangelschmierung, ausfallen. Zur Abfrage des Mindestfüllstandes am Metallring der Membrane werden daher bevorzugt induktive Sensoren der Baureihe IFM eingesetzt. Sie arbeiten zuverlässig auch unter härtesten Umgebungsbedingungen. update: page 16

17 Drucküberwachung der Schmierölanlage sowie der Kühlkreisläufe Drucksensoren PK75 o. PK65: Antivalente oder zwei separate Schaltausgänge Schaltpunkte, Rückschaltpunkt und Schaltzustände auf einer Achse im Blick Einfachste Schaltpunkteinstellung mit dem Easy-turn-Bedienkonzept über zwei Stellringe Hoher Berstdruck garantiert ein Maximum an Sicherheit Um einen sicheren Betrieb der mechanischen Antriebskomponenten zu gewährleisten, ist eine zuverlässige Schmierung und Kühlung unerlässlich. Die ifm-drucksensoren der PK-Reihe bieten zur Drucküberwachung eine echte Alternative zu mechanischen Druckschaltern in einem ausgezeichneten Preis-/Leistungsverhältnis. update: page 17

18 Temperaturüberwachung des Schmieröls sowie des Kühlmittels Temperatursensoren TK61o.TK71: Einfachste Schaltpunkteinstellung über zwei optimal ablesbare Stellringe Exzellente Ansprechzeit: T05 = 1 s und T09 = 3 s Mechanische Verriegelung verhindert ungewolltes Verstellen Schaltpunkte zwischen -25 C und 140 C frei einstellbar Zur optimalen Überwachung der Schmieröl sowie der Kühlmitteltemperatur sind Temperaturschalter mit präziser Schaltpunkteinstellung erforderlich. Bei der ifm TK-Reihe kann der gewünschte Schaltpunkt ohne anstehende Systemtemperatur über die Stellräder eingestellt und dort abgelesen werden. Das spart Zeit und Geld. update: page 18

19 Geregelte Schaltnetzteile zur 24 V DC Spannungsversorgung Schaltnetzteile DNxxxx: Alle Netzteile erfüllen die EMV-Normen in der jeweils höchsten Anforderung Die Weitbereichseingänge von V AC bei einphasigen- und V bei dreiphasigen Netzteilen gestatten einen weltweiten Einsatz Alle Geräte sind kurzschlußfest, überlastfest, leerlauffest Zur Versorgung aller angeschlossener Sensoren und Steuerungskomponenten werden 24V DC-Schaltnetzteile eingesetzt. Die ifm - Schaltnetzteile sind mit ihren Weitbereichseingängen für den weltweiten Einsatz verfügbar. update: page 19

20 Zuverlässige Verbindungstechnik für schwierige Applikationen M12 Kabeldosen EVCxxx: Rüttelsicherung mit Sägezahnkontur sichert Mutter gegen Schock und Vibration Mechanischer Festanschlag schützt den O-Ring vor Zerstörung Optimale Abdichtung auch bei werkzeugloser Montage LEDs bei starker Lichteinstrahlung gut sichtbar Die in den Windkraftanlagen eingesetzten Sensoren werden zum Teil extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Die ecolink Kabeldosen stellen eine zuverlässige, dichte und rüttelsichere Verbindung her. Geschirmte Varianten sind ebenfalls erhältlich: z.b. E11855: Kabeldose M12, gerade, 8x0,25 mm², PUR, 10 m update: page 20

21 Steuerungssystem ecomatmobile Steuerungssystem: Analoge und digitale Ein- und Ausgänge mit Diagnosefunktion Temperaturbereich von -40 o C bis +85 o C (lastabhängig) Hohe Schutzart IP67 CAN-Schnittstellen mit CANopen- und SAE J1939 Protokoll Frei programmierbar mit CoDeSys 2.3 nach IEC Vom Controller mit hoher Schutzart, über Sicherheitssteuerungen der Kategorie 3, bis zum CabinetController für den direkten Einsatz in der Gondel. ecomatmobile Controller bieten für jeden Einsatzfall die universelle und kostenoptimierte Lösung. update: page 21

22 Einsatzmöglichkeiten von Condition Monitoring Systemen Rotor Ermüdung, Rissbildung Fehler der Blattverstellung Beschädigungen (z.b. durch Blitzschlag) Getriebe Abnutzung, Bruch von Zähnen Versatz, Exzentrizität von Zahnrädern Generator/Netzkopplung Wicklungsschäden Läuferunsymmetrien, Stabbruch Überhitzung Lager, Wellen Abnutzung, Defekt von Lagerschalen und Wälzkörpern Ermüdung, Rissbildung in Wellen Turmschwingungen Anlagenverhalten Umwelteinflüsse Rissbildung, Ermüdung Gondelverstellung Fehler der Windrichtungsnachführung Überwachung der Gleitlager update: page 22

23 Grundsätzlicher Aufbau eines ifm Condition Monitoring Systems Leitsystem u. weitere Anbindungen über Ethernet: Betriebsdatenerfassung Langzeit-Trend-Aufzeichnungen Teleservice WKA- Steuerung Maximale Länge der Sensorleitung: 30 m Maximale Länge Punkt zu Punkt: ca. 100 m Binäre Signale: Voralarm Hauptalarm Ethernetschnittstelle: OPC Server octavis Software update: page 23

24 Zustandsüberwachung des Getriebestranges efector octavis Diagnoseelektronik VSE0xx & Schwingungssensor VSA0xx: bis zu 4 Schwingungssensoren an eine Auswerteeinheit anschliessbar 2 Diagnoseelektroniken und bis zu 8 Schwingungssensoren können einen kompletten Antriebsstrang überwachen Integrierte Ethernet TCP Verbindung Interner Speicher für Grenzalarme Zur Zustandsüberwachung der Lager und Wellen der Aggregate (Generator, Getriebe, etc.) ist ein Condition Monitoring System erforderlich. Das CM-System der ifm electronic, bestehend aus der Diagnoseeinheit VSE0xx und den Schwingungssensoren VSA0xx, ist aufgrund seiner modularen Bauweise universell einsetzbar. update: page 24

25 Rotorblattüberwachung über Schwingungsdiagnose efector octavis Diagnoseelektronik VSE002 & Schwingungssensor VSA001 : 1 Schwingungssensor je Rotorblatt Zentrale Auswertung über Diagnoseelektronik mit Ethernetschnittstelle im Rotor-Schaltschrank Zusätzliche Auswertung externer Sensoren (VSE100, binär u. analog) Änderungen der Rotorblattschwingung durch Risse und Eisbildung werden durch die Schwingungsänderungen erfasst und können direkt über die Diagnoseelektronik ausgewertet werden. update: page 25

26 Diagnose von Pumpen und Motoren in der Peripherie efector octavis VE1xxx: z.b. VE1001 oder VE1002 Erkennung von Wälzlagerschäden durch Frequenzanalyse bis zu 20 Frequenzen im Spektrum, frei wählbar, Diagnoselevel einstellbar Kompakte Bauform: Sensorik, Auswertung und Diagnose in einem Gerät In einer Windkraftanlage existieren vielfach Motoren und Pumpen in der Peripherie die bzgl. Wälzlagerschäden, Unwucht und Kavitation überwacht werden müssen. Der efector octavis bietet dem Anwender eine optimale Verfügbarkeit der Anlage durch permanente Überwachung dieser Aggregate. Weiterhin können Ausrichtefehler erkannt und Zahneingriffe kontrolliert werden. update: page 26

27 Produktübersicht der ifm electronic Positionssensorik und Objekterkennung Induktive Sensoren, Kapazitive Sensoren, Magnetsensoren, Zylindersensoren, Ventilsensorik, Sicherheitstechnik, Optische Sensoren, Objekterkennung, Drehgeber Fluidsensorik und Diagnosesysteme Füllstandsensoren, Strömungssensoren, Drucksensoren, Temperatursensoren, Diagnosesysteme Auswertesysteme, Netzteile und Schaltverstärker Bussystem AS-Interface Identifikationssysteme RF-Identifikationssysteme (RFID), Optische Identifizierungssysteme Steuerungssysteme Verbindungstechnik update: page 27