Bestandteile und Anforderungen an ein modernes Condition Monitoring
System und deren Umsetzung in dieser Abschlussarbeit
Das sogenannte „Condition Monitoring“ bedeutet
übersetzt und auch sinngemäß eine Zustandsüberwachung. Überwacht wird dabei
eine Maschine oder Anlage, durch Erfassung und Analyse von physikalischen
Größen wie Schwingungen, Temperatur oder der Lage.
Allgemein ist Windenergie die kinetische Energie bewegter Luftmassen der Atmosphäre. Wind entsteht zum
einen durch die Sonneneinstrahlung und zum anderen durch die Rotation der Erde.
Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche ungleichmäßig und sorgt für Temperatur und
Druckunterschiede in der Atmosphäre. Diese werden durch Luftströmungen von den
Hoch- zu den Tiefdruckgebieten ausgeglichen.
Im Prinzip kann eine Windkraftanlage (WKA) in vier Hauptbestandteile gegliedert werden. Vom Boden
aus gesehen sind dies, das Fundament, der Turm, die Windrichtungsnachführung
und die Gondel.
Das Fundament ist das Bindeglied zwischen Turm und Baugrund und trägt
sämtliche Lasten der WKA. Wie groß das Fundament dabei ausfällt, entscheiden die
Anlagengröße, die meteorologischen und betrieblichen Belastungen und die
örtlichen Bodenverhältnisse.
Der Turm, auf dem die Gondel drehbar gelagert ist, dient in erster
Linie dem Gewinn an Höhe für eine effektivere Windausbeute. Er ist aus Beton
oder Stahl gefertigt. Hybridtürme sind im unteren Bereich betoniert und mit
Stahlrohrsegmenten errichtet. Die Segmente werden über Ringflanschverbindungen
vor Ort miteinander verschraubt.
Die Gondel, an der auch der Rotor mit den Rotorblättern befestigt ist,
beherbergt die Technik zur Stromerzeugung. Von besonderer Bedeutung sind dabei
das Getriebe und der Generator.
Die kinetische Energie des Windes setzt die Rotorblätter in Bewegung. Durch eine Windrichtungsnachführung mittels elektrischer Motoren und einer
Rotorblattverstellung in ihrer Längsachse, kann dabei ein breites Spektrum an
Windgeschwindigkeiten aufgenommen werden. Durch das Getriebe wird die aus dem
Rotor gewonnene Drehzahl auf eine zum Generator passende Drehzahl erhöht. Der
Generator erzeugt aus dieser Rotationsenergie elektrische Energie. Dabei
beträgt die Netzspannung 50 Hz.
DerVerlauf einer Zustandsänderung eines physikalischen Systems wird als Schwingung
bezeichnet. Dabei wirkt eine Störung auf das System, welche das Gleichgewicht
durcheinanderbringt und das System wieder in die Ausgangsstellung zurückzwingt.
T = 1/f
T (Periodendauer) gibt an, wie lange eine vollständige Schwingung dauert.
f = 1/T
Die Frequenz f wird in Hertz (Hz) angegeben und gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an.
Eigenfrequenzen ergeben sich, sobald ein schwingungsfähiges System einmalig in eine Richtung
angeregt, schwingt. Die Hauptbeanspruchung des Turms liegt in der Biegebeanspruchung.
Vereinfacht kann eine WKA deshalb auch als einseitig eingespannter
Biegeschwinger betrachtet werden.
Relevante Frequenzen für dynamisches Verhalten finden sich bei den meisten Bauteilen
einer Anlage bis ca. 10 Hz. Höherfrequente Erscheinungen treten vor allem
in den elektrischen Systemen, dem Triebstrang und dem Getriebe auf.
Fallen die Eigenfrequenzen mit den Erregerfrequenzen zusammen, können sich die
Amplituden addieren und somit die Schwingung verstärken. Wird dieser Prozess
nicht aufgehalten, beispielsweise durch Abschaltung, kann die Folge die
Zerstörung des Systems (WKA) sein.
