Drehzahlwächter vereint Anlagenschutz und Wirtschaftlichkeit in Windenergieanlagen

Mehr Automatisierung und mehr Dynamisierung - wie im traditionellen Maschinenbau steigen auch bei Windenergieanlagen (WEA)
die Anforderungen an Mechanik und Steuerungstechnik. Die ­Herausforderung besteht darin, ­einen möglichst großen Ertrag aus der Windkraft zu ziehen und gleichzeitig die Anlagen sicher und effizient zu betreiben. Sichere Drehzahlwächter können dazu wesentlich beitragen: Sie ­verbinden die An­forderungen an die Sicherheit mit wirtschaft­lichem Betrieb.

Wie sich Sicherheit und Effizienz verbinden lassen, zeigen die drehzahlrelevanten Sicherheitsfunktionen einer Windenergieanlage, wie etwa Überwachung von Wellenbruch, Rotordrehzahl und Generatordrehzahl. Bei Windenergieanlagen, die mit einem Getriebe ausgerüstet sind, wird die kinetische Energie des Windes über die langsam drehende Rotorwelle und ein Getriebe auf die schnelldrehende Generatorwelle übertragen. Nach den Richtlinien des Germanischen Lloyd (GL) zur Zertifizierung von Windenergieanlagen stellt der Schutz vor Drehzahlüberschreitung des Rotors eine sicherheitsrelevante Funktion gemäß PL d dar.

Standard-Komponenten können diese Sicherheitsfunktionen bei einer Störung nicht gewährleisten. Bei einem Ausfall der Systeme für Drehzahlüberwachung erhält der Anwender unter Umständen keine Rückmeldung über den tatsächlichen Anlagenzustand; eine Gefahrensituation für Mensch und Anlage ist dann nicht auszuschließen. Neben Personenschäden kann es zu Anlagenschäden oder im schlimmsten Falle zum Totalausfall der Anlage kommen.

Gefahren erkennen und frühzeitig ­reagieren
In vielen Anlagen ist deshalb der sichere Drehzahlwächter PNOZ s30 von Pilz im Einsatz. PNOZ s30 überwacht die Drehzahl der Rotor- und der Generatorwelle sowie deren Verhältnis zueinander. Durch die Kombination eines Standard-Encoders mit einem Näherungsschalter kann das PNOZ s30 die Wellenbruchüberwachung übernehmen und PL e erreichen.

Um die hohen technischen Anforderungen der Sicherheitsfunktionen zu erfüllen, besitzt der Drehzahlwächter PNOZ s30 eine durchgängige zweikanalige Steuerungsarchitektur. Somit stellt der Standardencoder in Verbindung mit dem Näherungsschalter ein zweikanalig redundantes und diversitäres System dar. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Generator wird durch das Getriebe vorgegeben und bildet den dritten zu überwachenden Parameter. PNOZ s30 überwacht so die Maximaldrehzahlen der Rotor- und der Generatorwelle sowie deren Verhältnis zueinander. Überdrehzahlen sowie nicht plausible Gebersignale werden zuverlässig erkannt und bei Bedarf die entsprechende sichere Reaktion eingeleitet. Störungen oder Fehler können auf diese Weise erkannt werden, bevor es zu Schäden an der Anlage, genauer am Getriebe kommt.
Der Drehzahlwächter PNOZ s30 kann als Stand-alone-Modul für die sichere Überwachung von Stillstand, Drehzahl, Position, Drehzahlbereich sowie Drehrichtung nach EN ISO 13849-1 bis PL e und nach EN IEC 62061 bis SIL CL 3 eingesetzt werden. PNOZ s30 verfügt zudem über eine für den internationalen Einsatz wichtige UL/cUL-Zulassung und ist vom TÜV zertifiziert.

Sicher im Wind bleiben
Da der Drehzahlwächter nicht nur in der Lage ist Drehzahlbereiche, sondern auch die Drehrichtung sicher zu überwachen, ist das Gerät auch für die sichere Überwachung der Windnachführung der Gondel einsetzbar.

Um Windenergieanlagen optimal nach Richtung und Stärke des Winds auszurichten, ist die Gondel mit dem Maschinenhaus um die vertikale Achse drehbar. Die Windnachführung erfolgt über einen Drehkranz zwischen Gondel und Turm. Gefahr droht, wenn sich die Gondel zu schnell bewegt oder durch zu viele Drehungen in eine Richtung der Kabelstrang im Innern des Turms durch Torsion beschädigt werden kann.

Um die Sicherheit der Gondelbewegung zu gewährleisten, müssen drei Parameter im Auge behalten werden: In welche Richtung dreht sich die Gondel? Wie schnell dreht sich die Gondel und wie oft hat sich die Gondel bereits gedreht? In der Praxis war diese Überwachung bislang nur sehr aufwändig möglich. Mit dem Drehzahlwächter PNOZ s30 bleiben alle Parameter stets im Blick. Hilfreich ist insbesondere, dass sich verschiedene Warnschwellenwerte definieren lassen. Hat die Gondel eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen in eine Richtung überschritten,so übermittelt dies der Drehzahlwächter und über die Steuerung der Anlagen werden vordefinierte Maßnahmen ausgelöst, wie zum Beispiel die Rückführung der Gondel in die Ausgangsposition. So lassen sich Schäden an der Gondel oder an den Leitungssträngen frühzeitig vermeiden. Die Windnachführung ist eine sicherheitsrelevante Funktion und auch die entsprechende Leitungsverbindung muss dem in der Risikoanalyse ermittelten Performance Level genügen.

Sichere Automatisierungslösungen bieten in Windenergieanlagen großes Potenzial für einen wirtschaftlichen Betrieb. Bei der Planung der Anlagen muss zwar in erster Linie sichergestellt werden, dass die gewählte Sicherheitslösung auch den geltenden Sicherheitsanforderungen genügt. Sichere Automatisierungstechnik, die auf mehrere Faktoren im Betrieb der Windenergieanlage entsprechend schnell reagiert, kann jedoch zudem Fehler- oder Störungsquellen frühzeitig identifizieren. Dadurch lassen sich Stillstandzeiten reduzieren, was letztlich einen deutlich effizienteren Betrieb bedeutet.