Glasfaser Schleifringe für die Datenübertragung moderner Windkraftanlagen
Anstellwinkel der Rotorblätter, Azimut-Position und Drehzahlen oder Stillstand von Rotor und Generator müssen exakt erfasst und übertragen werden. Aber nicht nur innerhalb der Windkraftanlage an die übergeordneten Steuerungssysteme, sondern auch über das Internet, um die Fernsteuerung und Überwachung der Windkraftanlage lückenlos und rund um die Uhr zu ermöglichen. Die primär von Anemometern, Inkrementaldrehgebern in Antriebsstrang oder Rotornabe und Absolutwert-Drehgebern der Pitch-Motoren generierten Daten sollten deshalb am besten über Glasfaser Schleifringe übertragen werden. Sie ermöglichen eine kontaktlose, verschleißarme und zuverlässige Übertragung all dieser Informationen in Echtzeit (Datenraten von bis zu 10 Gigabyte).
Und zwar unabhängig von der Mediendurchführung und Leistungsübertragung durch hybride Drehdurchführungen. Diese unterliegen dem Verschleiß, zum Beispiel durch die Reibung der Bürste auf dem Schleifring. Auch die Zuverlässigkeit der Datenübertragung kann somit über die Zeit abnehmen. Ebenso kann die Stromübertragung die kombinierte Übertragung von Daten stören. Bei kontaktlasen faseroptischen Schleifringen mit Lichtwellenleitern ist dieses Risiko sehr viel geringer.
Technische Daten
Schutzart
IP51 (höher auf Anfrage)
Nennstrom
5-10A pro Ring
Gehäusematerial
Aluminium
Anzahl der Ringe
2-80
Umdrehungsgeschwindigkeit
0-1000 U/min
Zusatzleistungen
FC-, ST-, SC-, LC-Connector
Elektrische Spezifikationen
- Anzahl der Ringe: 2-80
- Nennstrom: 5-10A pro Ring
- Max. Arbeitsspannung: 440VAC/DC
- Spannungsfestigkeit: ≥500V @50Hz
- elektrisches Rauschen: max 10mΩ
- Isolationswiderstand:
≥1000 MΩ @ 500 VDC
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Advanced Load Control für besseren Wirkungsgrad und weniger Verschleiß
Die – im wahrsten Sinne des Wortes – reibungslose Übertragung der Positionsdaten, Anstellwinkel und Drehzahlen über das Internet ist speziell für die Advanced Load Control, Pitch-Steuerung und YAW-Control entscheidend, also die die dynamische Steuerung und Positionierung der Rotorblattstellung. Die Advanced Load Control hat zum Ziel, die Belastung des Antriebsstranges nicht nur möglichst gleichmäßig zu verteilen, sondern eventuelle Störungszuständen schon frühzeitig zu erkennen, um so Verschleiß zu reduzieren, den Wirkungsgrad zu verbessern und Schäden vorzubeugen. Das funktioniert nur dann, wenn die Sensoren (vor allem Anemometer und Drehgeber) als Basis der intelligenten Steuerung korrekte Werte liefert und die Aktoren auf Basis dieser Werte ihre Funktion ebenso zuverlässig ausführen. Nur so können Effizienz und Sicherheit moderner Windkraftanlagen dauerhaft gesteigert werden. Der Safety Integrity Level regelt deshalb auch Anforderungen an einzelne Komponenten, vor allem an den Schutz vor Korrosion, Verschleiß und Fehlern. Sensoren sollten deshalb auch eine unabhängige Eigendiagnose durchführen, Fehlerpotenzial im Vorfeld erkennen und unverzögert an Steuerung und Überwachungszentralen weiterleiten können. Und da sowohl die Übertragung von Strom als auch von Signalen und Daten in Windkraftanlagen fast immer zwischen rotierenden (Rotor) und statischen Bauteilen (Stator) erfolgen muss (zwischen Anemometer, Generator, Antriebswelle, Turmdrehkranz, Rotornabe und Pitch-Motor), sind Schleifringe hier für die Leistungs-, Daten- und Signalübertragung unabdingbar.
Insbesondere (aber nicht nur) bei Offshore-Anlagen ist eine zuverlässige und datenbasierte Überwachung des Betriebs aus der Ferne entscheidend, da Wartungsarbeiten noch aufwendiger sind und länger geplant werden müssen. Kommt es also zu einem Ausfall oder einer Störung zu Wasser, leiden Wirkungsgrad oder die komplette Stromerzeugung der Anlage mitunter deutlich länger als bei Windkraftanlagen an Land.
Und nicht nur die Diskussion um die 10H-Regelung in Bayern macht deutlich, wie wichtig Offshore-Energiegewinnung auch in Zukunft sein wird, um die Energiewende mithilfe von Windkraft zu meistern. Mittlerweile produziert eine einzige Offshore-Turbine so viel Energie, wie früher ganze Windparks. Doch auch an Land sind Windräder heutzutage wahre Datenschleudern, die in – teils kilometerweit entfernten – Überwachungs- und Schaltzentralen ausgewertet werden müssen. Deshalb werden heutzutage nicht mehr nur Schleifringe für die Leistungsübertragung oder hybride Hydraulik-Pneumatik-Elektrik Drehdurchführungen benötigt, sondern Schleifringe in Windkraftanlagen müssen auch immer mehr Daten übertragen können und das immer schneller. Modernen Glasfaser Schleifringen (Fibre optic rotary joints) mit Lichtwellenleitern kommt hier eine besondere Bedeutung zu.
Offshore bietet mehr Leistung, aber auch mehr Herausforderungen
Der erste Offshore-Windpark der Welt, der 1991 vor Vindeby in Dänemark ans Netz ging, produzierte ca. 0,45 Megawatt Leistung. Deutschlands erster Offshore-Windpark (Alpha Ventus) ging erst 2009 ans Netz und war damals mit 5 Megawatt Turbinen bestückt. 2022 soll die ein erster Prototyp der leistungsstärksten Windturbine der Welt – MySE 16.0-242 aus China – gebaut werden, der bereits 16 Megawatt Leistung erzeugt. Eine Turbine erzeugt somit ca. 35 mal mehr Energie, als der gesamte erste Windpark der Welt. Auch diese Windturbine des chinesischen Unternehmens MingYang Smart Energy ist speziell für den Offshore-Einsatz konzipiert.
Denn zu Wasser steht nicht nur wesentlich mehr Platz zur Verfügung, auch die Windgeschwindigkeiten sind höher und der Wind kommt stetiger als an Land. Neben dem Korrosionsschutz vor Salzwasser müssen Offshore-Anlagen aber aufgrund genau dieser Vorteile auch spezielle Herausforderungen meistern. Vor allem muss die Steuerung und Überwachung der Drehzahlen, Windnachführung und Pitch-Winkel aus der Ferne zuverlässig funktionieren, um auf die dynamischeren Windverhältnisse reagieren zu können. Denn Zeit und Kosten für Wartungsarbeiten – die schon zu Land nicht gerade einfach sind – steigen für Offshore-Anlagen nochmal drastisch an.
Eine zuverlässige und verschleißarme Datenübertragung über Glasfaser ist entscheidend. Und ein Großteil dieser wichtigen Daten wird zwischen stationären und rotierenden Teilen übertragen, zum Beispiel vom Anemometer an die Pitch-Motoren zur Leistungsbegrenzung, oder an den Turmdrehkranz (YAW-Control) zur Windnachführung der Gondel. Auch die Überwachung von Antriebsstrang und Generatoren ist wichtig, insbesondere bei sehr hohen und niedrigen Windgeschwindigkeiten, um Schäden an der Anlage und das Herabsinken der Stromerzeugung auf null zu verhindern. Und immer dann, wenn Signale, Energie und Daten zwischen Rotor und Stator übertragen werden müssen, sind Schleifringe erforderlich.
Häufige Fehlerquelle: Falsche Datenübertragung für die Pitch-Steuerung
Moderne Windkraftanlagen müssen immer höheren Anforderungen bezüglich Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit gerecht werden. Das erfordert auch die Übertragung zunehmend größerer Datenmengen in immer kürzerer Zeit. Zu den wichtigsten Daten für die schonende und zugleich effiziente Steuerung und Energiegewinnung einer Windkraftanlage gehören jene des Anemometers, auf denen die Pitch-Steuerung der einzelnen Rotorblätter basiert (Strömungsgeschwindigkeit, Windrichtung, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Taupunkt etc.). Die angesteuerten Pitch-Motoren richtigen die einzelnen sog. „Klingen“ unabhängig voneinander so aus, dass der Wind die Rotornabe am besten drehen kann.
Über die Pitch-Regelung werden die Vorderkanten der Rotorblätter in die Anströmung gedreht. Dies wird auch als Fahnenstellung bezeichnet. So werden die Auftriebskräfte verringert und die Drehzahl bzw. Leistung reduziert, was bei hohen Windgeschwindigkeiten vor Schäden am Antriebsstrang schützt und den Rotor entlastet. Ebenso kommt der Pitchwinkel von 90° aber auch zum Einsatz, wenn sehr schwacher Wind weht und die Anlage nicht in Betrieb ist, da die Rotorwelle nicht angetrieben werden kann. Bei der optimalen Windgeschwindigkeit (man spricht hier von einer Geschwindigkeit zwischen 2,5 Metern und 12 Metern pro Sekunde) beträgt der Pitchwinkel 0°. Dies entspricht somit der besten Arbeitsposition zur optimalen Leistungsentnahme der Windenergie durch die Rotorblätter. Wird der Pitchwinkel erhöht, verringert sich die Leistung, was bei hoher Windgeschwindigkeit notwendig sein kann. Ab hohen Windgeschwindigkeiten von 25 Metern pro Sekunde hilft aber auch die Pitch-Steuerung nicht mehr. Hier muss die Anlage zuverlässig abschalten, damit die Rotorwelle sich nicht zu schnell dreht.
Auch die sog. YAW-Control (Gierregelung / Giersteuerung) des Turmdrehkranzes basiert auf Daten des Anemometers. Sie ermöglicht die Windnachführung der gesamten Gondel einer Windkraftanlage, um auch bei wechselnder Windrichtung weiterhin Energie erzeugen zu können.
All diese Daten werden häufig von hybriden Drehdurchführungen für Leistung, Daten, Signalen Hydraulik und/oder Pneumatik in nur einem Bauteil übertragen. Innerhalb einer Windkraftanlage selbst kann das auch ausreichend sein. So kann ein Bauteil zum Beispiel die Übertragung von erzeugter Energie, die Durchrührung von Hydraulikflüssigkeit für die Pitch-Motoren, sowie die Leckölrückführung und die Übertragung von Feldbussen, Video- und Steuerungssignalen oder Ethernet vereinen.
Datenübertragung durch Schleifringe mit Lichtwellenleitern
Das Problem dabei: Die Bauteile unterliegen dem Verschleiß und so kann mit der Zeit die Datenübertragung unzuverlässig werden, was zu fehlerhafter Pitch-Regelung oder YAW-Control führen kann. Denn bei normalen Schleifringen reibt die Bürste auf dem Ring, was zu Verschleiß führt. Zudem müssen die Daten in Echtzeit und nicht nur innerhalb der Anlage selbst, sondern auch von der Windkraftanlage zur Schaltzentrale übertragen werden. Konstant, in immer größerer Menge, exakt und verzögerungsfrei. Die Datenübertragung über Kupfer kann das nicht leisten. Deshalb macht es Sinn, die Datenübertragung moderner Windkraftanlagen unabhängig von der Mediendurchführung und der übrigen Leistungs- und Signalübertragung zu realisieren. Auch die Tatsache, dass die Nachfrage bezüglich der SIL 4 Kategorie gegenüber der SIL 3 Kategorie (IEC 61508 oder PL e nach EN ISO 13849-1 / Maschinenrichtlinie 2006/42/EG) bei Windkraftanlagen zunimmt, erhöht die Relevanz von Glasfaser Schleifringen im Bereich Windenergie.
Faseroptische Schleifringe mit Lichtwellenleitern (also Glasfaser) haben ihre Stärke im Durchleiten von wichtigen Signalen in Bereichen, in denen stromdurchflossene Leiter eine potenzielle Gefahr darstellen. Deshalb ist der Lichtwellenleiter Schleifring vor allem in der Avionik und der Nautik sehr beliebt. Doch auch dort, wo eine zuverlässige und verschleißarme Übertragung wichtig ist, kommen sie zum Einsatz. Denn die Datenübertragung erfolgt kontaktlos, ohne Bürste. Somit sind Glasfaser Schleifringe weitaus weniger Verschleißteil als elektrische oder hybride Drehdurchführungen. Außerdem sind sie deutlich leichter und kleiner als Schleifringe aus Kupfer. Und jeder Ingenieur und Betreiber von Windparks weiß, wie entscheidend Gewicht- und Platzersparnis für Windkraftanlagen ist.
Sie übertragen zuverlässig Daten Signale, ohne dabei Störgrößen aufzunehmen oder durch Überalterung selbst zur Gefahr zu werden. Dennoch ist jeder Lichtwellenleiter Schleifring von rotarX nachhaltig gekapselt. Das Gehäuse genügt der Schutzklasse IP51. Höhere Schutzklassen (bis IP69) sind auf Anfrage verfügbar. Das robuste Aluminiumgehäuse macht die faseroptischen Übertrager hinreichend unempfindlich gegen leichte Stöße, Korrosion oder aggressive Umgebungen. Damit ist der Schleifring für viele Jahre unter extremen Bedingungen bedenkenlos einsetzbar.
Speziell für den Einsatz im Offshore-Bereich bieten wir auch Schleifringe der Korrosionsschutzklasse C4H, damit die Schleifringe auch gegenüber Salzwasser unempfindlich sind. Bauteile der Kategorie C4H werden im Salzsprühnebeltest 720 Stunden durchgehend salzhaltigem Sprühnebel ausgesetzt. Statt Aluminium werden dann außerdem Kunststoff oder Edelmetall für das Gehäuse der Schleifringe verwendet. Sie können also speziell auf raue und nasse Umgebung zugeschnitten werden, was vor allem für FORJs (Fibre optic rotary joints) im Rahmen der Pitch-Regelung wichtig ist.
Sie sind auf eine Lebensdauer von mindestens 200.000.000 Millionen Umdrehungen und bis zu 5 Milliarden ausgerichtet (bei bis zu 1.000 U/min) und für Temperaturbereiche von -30°C bis +80°C geeignet. Die optischen Fasern sind geschützt, und sowohl ihre Länge als auch die Stecker können flexibel nach Kundenwunsch variiert werden. Sie wählen außerdem zwischen Singlemode- oder Multimode-Fasern für die Ein- oder Mehrkanalübertragung. Kundenspezifische und kombinierte analoge und digitale Leistungs- und Signalversionen sind selbstverständlich möglich.
Produktübersicht für alle Schleifringe
Informieren Sie sich über die verschiedenen Schleifringe in unserer aktuellen Übersicht. Übertragungstechnik für komplexe industrielle und sicherheitsrelevante Anwendungen bilden den Kern unseres Lieferprogrammes. Alle Produkte lassen sich individuell an die Applikationen anpassen um Ihnen so einen Mehrwert zu bieten. Kompakte Schleifring-Lösungen – Hochwertige Übertragung vom Daten, Leistung & Medien. Davon möchten wir Sie gern überzeugen.
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