Applikationsspezifische Drehgeber zur Drehzahlregelung in Windenergieanlagen

Lean heißt auch Leistung

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Regenerative Energien haben Hochkonjunktur. Dieser Satz galt in den vergangenen Jahren, und er hat auch heute noch seine Berechtigung. Allerdings gehört die Phase des ungebremsten Wachstums, bei dem die Frage nach den Kosten weitgehend ausgeklammert wurde, der Vergangenheit an. Gerade bei Windkraftanlagen wirkt sich dieser Preisdruck aus, der mittlerweile von vielen Experten schon als Preisverfall tituliert wird.

Autor: Markus Brunner, Branchen- manager bei der Fritz Kübler GmbH, Villingen-Schwenningen

Die Kübler Gruppe hat darauf reagiert und zeigt, dass Kostendruck bei Windkraftanlagen und höchste Ansprüche kein Widerspruch sein müssen. Das Unternehmen entwickelt und stellt Drehgeber für alle Drehzahl- und Positionierungsaufgaben einer Windenergieanlage her. Die Positionierungsaufgaben erfüllt der neue Sendix Multiturn Drehgeber im 58er Gehäuse. Diese vielseitige und robuste Geberfamilie wird in Pitch-Systemen eingesetzt, direkt am Motor oder als alleinstehender Blattgeber inklusive Messritzel und Montagewinkel. Dabei sind auch Sonderlösungen möglich, wie beispielsweise der Drehgeber Sendix 58 mit integriertem Resolver. Der Sendix F36 wiederum wird dank seiner kompakten Bauform häufig in die Getriebeendschalter für Pitch- oder Azimut-Systeme integriert.
Drehgeber von Kübler zur Drehzahlregelung leisten in Windenergieanlagen an mehreren Stellen im Antriebsstrang ihren Dienst. Lagerlose Magnetsysteme können die Drehzahl direkt an der Nabe messen. Die Messung der Rotordrehzahl- und Lage wird durch Sendix Drehgeber im Schleifring erledigt. Für die schnell drehende Generatorwelle bietet Kübler eine komplette Produktpalette an Hohlwellendrehgebern mit isolierter Welle an.
China hat stark aufgeholt
Ein weites Feld für einen großen Markt: Allein 2011 kamen weltweit annähernd 37 Gigawatt Energie aus neuen Windkraftanlagen dazu. Bei der durchschnittlichen Leistung von 1,8 Megawatt wurden in dieser Zeit also rund 20 000 neue Windräder in Betrieb genommen. Neben den ursprünglichen Märkten wie Deutschland hat die Windkraft gerade in China rasant an Bedeutung gewonnen. Planmäßig wurde in Fernost die neue Branche gefördert, mit dem Ergebnis, dass heute vier chinesische Hersteller unter den Top 10 rangieren. Sie belegen die Plätze 2, 3, 8 und 10. Einzig der dänische Hersteller Vestas konnte seine Spitzenposition verteidigen. Zwar beliefern die chinesischen Hersteller bislang vor allem den heimischen Markt, doch ihre verstärkten Exportbestrebungen erzeugen einen extrem starken Preisdruck rund um den Globus.
Kein Wunder, wenn man sich die absoluten Zahlen ansieht. 2011 forderten Hersteller aus Europa und den USA noch eine Million Euro pro Anlage; die Chinesen dagegen verlangten nur 330 000 Euro. Die Preise befinden sich im Sinkflug; seit dem Höchststand im Jahr 2009 gingen sie bis heute um 23 % zurück. Tendenz fallend.
Kosten sparen-Anforderungen gerecht werden
Kein Wunder also, dass neben der Steigerung der Effizienz die Senkung der Kosten im Mittelpunkt der Strategie eines jeden Herstellers steht. 20 bis 30 % sind als Ziel ausgegeben. Jedes Teil kommt auf den Prüfstand, das gilt natürlich auch für die Sensorik. Und das, obwohl der Kostenanteil von Drehgebern in einer Windenergieanlage unter einem Prozent liegt. Doch sie bilden ein Steinchen im Mosaik, um am Ende die angepeilte Ersparnis zu erreichen.
Kosten sparen und gleichzeitig höchsten Ansprüchen gerecht zu werden – geht das zusammen? Für die Positions- und Bewegungssensorik antwortet Kübler mit einem eindeutigen Ja. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wendet das Unternehmen die nachfolgend dargestellten Lösungsansätze an.
Lean Design: Material- und Kosteneinsatz optimieren
Unter dem Begriff Lean Design werden bei Kübler alle Maßnahmen zusammengefasst, die zu einer Verschlankung der Funktionalitäten des Sendix 58 Multiturn-Drehgebers mit optischem Getriebe führen. Verschlankung bedeutet hier keinesfalls Minderung, vielmehr handelt es sich dabei um Individualisierung. Alle Komponenten des Drehgebers wurden nach Funktionalitäten aufgelistet. In einem zweiten Schritt wurde analysiert, welche der Funktionalitäten für Windanlagen erforderlich sind. All jene, die es nicht braucht, wurden weggelassen, der Drehgeber entsprechend umkonstruiert. Daraus entstand ein nachhaltiger Prozess, bei dem permanent auf gleichbleibende Qualitätsmerkmale geachtet wird. Das Resultat ist ein Portfolio an absoluten Multiturn-Drehgebern mit individuellem Zuschnitt: Dazu gehören der kompakte Sendix F36, ein voll-optischer Drehgeber mit elektronischem Multiturn im 36er-Gehäuse, der effiziente Sendix F58, ebenfalls ein voll-optischer Drehgeber mit elektronischem Multiturn im robusten 58er-Gehäuse sowie der variable Sendix 58, der voll-optische Getriebe-Multiturndrehgeber.
Design To Cost: Konstruieren nach Kostengesichtspunkten
Auch hier geht es um die passgenaue Entwicklung eines Drehgebers, damit Streuverluste und höhere Kosten vermieden werden können. Die Kosten werden neben technischen Leistungen und Terminen zu einem wichtigen Entwurfsparameter.
Auch diese Strategie hat sich die Kübler Gruppe auf ihre Fahnen geschrieben und die bestehende Produktreihe an Hohlwellen-Inkrementalgebern um einen Geber erweitert, der genau auf die Anforderungen der Generatordrehzahl in Windanlagen zielt. Dabei wurden – nach eingehenden Marktrecherchen – die geforderten Funktionalitäten nicht nur übernommen, sondern sogar verbessert. Dazu gehört der Drehgeber Sendix 5020, kompakt und daher für Anwendungen bei eingeschränktem Platz prädestiniert, wobei die Wellenisolation über Isoliereinsätze erfolgt. Ebenso der A02H mit großer Hohlwelle. Bei diesem handelt es sich um einen schlanken Geber mit großen Kugellagern für erhöhte Lagerlast und großem Wellen-Durchmesser. Die Wellenisolation vollzieht sich über Isolierhülse mit Stahlinsert. Das Trio komplettiert der Sendix Heavy Duty H120 für Anwendungen mit großen Lagerlasten und starken Lagerausgleichsströmen. Die Wellenisolation mit voll isoliertem Lageraufbau reicht bis 2,5 kV.
Lösungen zur Erfüllung neuer Richtlinien-MRL 2006/42/EG
Die neue Gesetzgebung erfordert eine sicherheitstechnische Betrachtung und gegebenenfalls die Aufrüstung von neuen Windenergieanlagen. Windanlagenbauer können auf bestehende Sicherheitsprodukte zurückgreifen und von Erfahrungen aus anderen Branchen profitieren. Hierfür bietet Kübler ein Portfolio aus sicheren Inkremental- und Absolut-Drehgebern, die passenden Sicherheitskompaktsteuerungen zur Überwachung von Drehzahl und Position wie auch aller anderen Sicherheitsmessgrößen einer Windanlage und die zugehörigen Erweiterungen wie BUS-Kommunikationsmodule.
Lange bevor die Maschinenrichtlinie (MRL 2006/42/EG) eine sicherheitstechnische Betrachtung von WEA gesetzlich bindende erforderte, wurde die Nabendrehzahl als die wichtigste Sicherheitskenngröße betrachtet. Demnach wurde die Drehzahl neben der Betriebssteuerung durch ein getrenntes Drehzahlmodul und über Initiatoren überwacht, die eine Lochscheibe oder Schraubenköpfe an der Nabe abtasten. Weitere Kenngrößen wie Kabelverdrillung, Turmschwingung, Windrichtung, Not-Halt-Taster oder Rotorverblockung wurden von der Betriebssteuerung teilweise redundant ausgewertet und führten zum Herunterfahren der Windanlage.
Halle 7A, Stand 508
Kübler,
Tel.: 07720 3903-70,
E-Mail:
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