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Wenn die Gondeln Aktoren tragen: Schwingungen von Windkraftanlagen signifikant reduziert

16.06.2015

Auch Windkraftanlagen (WKA) haben Stress. Sie sind hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt, was starke Vibrationen auslöst. Das kann die Lebensdauer der Komponenten reduzieren und zu unerwünschten Schallemissionen führen. Dementsprechend ist die Konstruktion schwingungsarmer WKA eine große Herausforderung. Bekannt ist, dass passive Lösungsansätze zur Schwingungsminderung das Problem häufig nur unzureichend lösen können.

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF forscht seit vielen Jahren an Methoden zur aktiven Schwingungs- und Schallreduktion, deren Einsatz auch an Windkraftanlagen bisher wenig verbreitet ist. In einem Forschungsprojekt konnten die Darmstädter Forscher die Möglichkeiten aktiver Maßnahmen zur Schwingungsreduktion in Windkraftanlagen demonstrieren.


Instrumentierung der Kleinwindanlage (li.).


Versuchsanlage mit aktivem Zusatzsystem im CAD (re.).

Dazu entwickelten sie ein aktives Schwingungssystem und testeten dieses unter realen Betriebsbedingungen auf einer kleinen am Fraunhofer LBF installierten Windkraftanlage. Die Messergebnisse zeigen, dass sich die unerwünschten Vibrationen an der Nabe auf diese Weise signifikant um bis zu 80 Prozent reduzieren lassen.

Mit den Erkenntnissen aus dem Forschungsprojekt können Hersteller von Windkraftanlagen den Einsatz aktiver Systeme bereits im Entwicklungsstadium von WKA in Betracht ziehen. Aber auch bei bereits aufgestellten Anlagen, deren Schallemissionen die zulässigen Grenzwerte überschreiten, können aktive Zusatzsysteme eine Lösung bieten.

Als Technologiedemonstrator verwendete das Fraunhofer LBF eine Anlage vom Typ AeroCraft 752 der Firma Gödecke Energie- und Antriebstechnik. Im ersten Schritt lieferte eine experimentelle Untersuchung die strukturdynamischen Eigenschaften der WKA, die zur Abbildung des dynamischen Verhaltens mit Hilfe der Software Matlab/Simulink genutzt wurden.

Aus Betriebsmessungen synthetisierte Anregungssignale dienten anschließend für Simulationen an diesem numerischen Modell und zur modellbasierten Auslegung des schwingungsmindernden Zusatzsystems.

Wie eine Analyse der Daten aus der Betriebsmessung zeigte, weist der überwiegende Anteil der Störungen eine Korrelation zur Drehzahl auf. Diese resultieren vorrangig aus Rückwirkungen vom Generator, die zu periodischen Anregungen führen.

Darüber hinaus wird das System sowohl durch Unwuchten als auch durch die Wechselwirkungen zwischen den Rotorblättern und dem ungleichförmigen Windfeld zum Schwingen angeregt. Die unmittelbare Anfachung durch den Wind und Strömungsablösungen spielt insgesamt nur eine untergeordnete Rolle.

Da es sich um drehzahlkorrelierte Schwingungen handelt, konnten die Darmstädter Wissenschaftler einen speziellen Algorithmus wählen. Dieser leitet zusätzliche phasenversetze Schwingungen in das System ein, die zu einer Auslöschung der unerwünschten Vibrationen führen. Der Algorithmus konnte sich bereits bei ähnlichen Aufgabenstellungen, z.B. zur Schallreduktion im Innenraum von Autos, bewähren.

Anhand des um diesen Regler erweiterten Gesamtsystemmodells wurden die Anforderungen an das aktive Zusatzsystem bestimmt und ein geeigneter elektrodynamischer Aktor zur Einleitung der schwingungsmindernden Gegenkräfte ausgewählt. Der Aktor ist in unmittelbarer Nähe zum Generator platziert, was eine effektive Schwingungsminderung gewährleistet.

Das zur Schwingungskompensation erforderliche Steuersignal für den Aktor berechnet der Algorithmus aus der Anlagendrehzahl und dem zu minimierenden Fehlersignal, das von einem Beschleunigungssensor auf Höhe der Nabe erfasst wird.

Im Anschluss an die Simulationen baute das LBF das System auf und testete dieses an der WKA. Die Gegenüberstellung der Messergebnisse des ungeregelten und geregelten Betriebs zeigte eine deutliche Reduktion bei den untersuchten Drehzahlordnungen. Abhängig von der Anlagendrehzahl werden dabei Reduktionen von bis zu 80 Prozent erreicht.

Das beispielhaft am Fraunhofer LBF an einer Klein-WKA umgesetzte Projekt verdeutlicht das hohe Potential aktiver Systeme zur Schwingungsreduktion an WKA. Bei Klein-WKA ist der Einsatz solcher Systeme zur Reduktion des Körperschalleintrags in die Gebäude denkbar. Aber auch eine Übertragung des Regelungskonzeptes auf große WKA zur Reduktion getriebeverursachter Schwingungen und Schallabstrahlung ist vorstellbar. Hierzu sind weitere Detailuntersuchungen an einer großen WKA erforderlich.

Das Fraunhofer LBF entwickelt, bewertet und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Der Leichtbau steht dabei im Zentrum der Überlegungen. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und prototypisch umgesetzt. Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt. Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen. Sie profitieren von ausgewiesener Expertise der rund 500 Mitarbeiter und modernster Technologie auf mehr als 11 560 Quadratmetern Labor- und Versuchsfläche an den Standorten Bartningstraße und Schlossgartenstraße.

Redaktion:
Anke Zeidler-Finsel
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Institutsleiter (komm.): Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz
Bartningstraße 47
64289 Darmstadt
Telefon +49 6151 705-268
www.lbf.fraunhofer.de 
anke.zeidler-finsel@lbf.fraunhofer.de

Weiterer Ansprechpartner Presseservice:
Peter Steinchen
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Wissenschaftlicher Kontakt:
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Fraunhofer LBF

Anke Zeidler-Finsel | Solar Consulting GmbH

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