Weniger Schwingungen

Management

Forschung - Windkraftanlagen sind hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Das kann die Lebensdauer der Komponenten reduzieren. Das Fraunhofer LBF forscht an Methoden zur aktiven Schwingungs- und Schallreduktion.

23. September 2015
Instrumentierung der Kleinwindkraftanlage am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.
Bild 1: Weniger Schwingungen (Instrumentierung der Kleinwindkraftanlage am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.)

In einem Forschungsprojekt konnten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF die Möglichkeiten aktiver Maßnahmen zur Schwingungsreduktion in Windkraftanlagen demonstrieren. Dazu entwickelten sie ein aktives Schwingungssystem und testeten dieses unter realen Betriebsbedingungen auf einer kleinen Windkraftanlage am Institut in Darmstadt.

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 Windkraftanlagen in Betracht ziehen. Aber auch bei bereits aufgestellten Anlagen, deren Schallemissionen die zulässigen Grenzwerte überschreiten, können aktive Zusatzsysteme eine Lösung bieten.

Dynamisches Verhalten

Als Technologiedemonstrator verwendeten die Forscher eine Anlage vom Typ Aerocraft 752 von Gödecke Energie- und Antriebstechnik. Im ersten Schritt lieferte eine experimentelle Untersuchung die strukturdynamischen Eigenschaften der Windkraftanlage, die zur Abbildung des dynamischen Verhaltens mit Hilfe der Software Mat-lab/Simulink genutzt wurden. Aus Betriebsmessungen synthetisierte Anregungssignale dienten anschließend für Simulationen an diesem numerischen Modell und zur Modell-basierten 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 Forscher einen speziellen Algorithmus wählen. Dieser leitet zusätzliche Phasen-versetze Schwingungen in das System ein, die zu einer Auslöschung der unerwünschten Vibrationen führen.

Schwingungsminderung

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. Das gewährleistet eine effektive Schwingungsminderung.

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 bauten die Forscher des Fraunhofer LBF das System auf und testeten dieses an der Windkraftanlage. Die Gegenüberstellung der Messergebnisse des ungeregelten und geregelten Betriebs zeigte eine deutliche Reduktion bei den untersuchten Drehzahlordnungen 36 und 72.

Das an einer Kleinwindkraftanlage umgesetzte Projekt verdeutlicht das Potenzial aktiver Systeme zur Schwingungsreduktion. Eine Übertragung des Regelungskonzeptes auf große Windkraftanlagen zur Reduktion getriebeverursachter Schwingungen und Schallabstrahlung ist denkbar.

Erschienen in Ausgabe: 02/2015