DE102012012308B3

DE102012012308B3 - Drehwinkelgeber für eine rotierende Welle

Info

Publication number: DE102012012308B3
Application number: DE102012012308A
Authority: DE
Inventors: Fabio Bertolotti; Sebastian Sbonnik; Thomas Sumbeck
Original assignee: SSB Wind Systems GmbH and Co KG
Current assignee: SSB Wind Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN103512543B; US8831907B2; CN103512543A; US20140156221A1; CN203869684U

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber für eine rotierende Welle (7), insbesondere zur Anwendung bei einer Rotorwelle in Windkraftanlagen (1), mit eine entlang des Wellenumfanges angeordneten Maßverkörperung (22), mindestens einen als Sensor (20) ausgebildeten Abtastkopf (19) und eine Messwertauswerteeinheit (22), welche aufgenommene Messwerte zu Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten der Welle (6) verarbeitet, wobei der Abtastkopf (19) in einem Abstand zur Maßverkörperung (22) angeordnet ist, und die Sensorsignale die Oberfläche der Maßverkörperung (22) bei drehender Welle (7) abtasten. Die Maßverkörperung (22) umfasst eine Rollenkette (23) mit Kettenelementen (24), deren Innenrollen oder -bolzen (25) in axialer Richtung der Welle (7) ausgerichtet sind, wobei die Kette (23) kraft und formschlüssig auf dem Wellenumfang befestigt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl bzw. -position für eine rotierenden Welle (7) mittels eines Drehwinkelgebers (18), wobei zur Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl bzw. -position mindestens ein Referenzmuster (Map) der Kette (23) erstellt wird (Mapping), und ein Abgleich mindestens eines Musters mit einem aktuell gemessenen Wert erfolgt (Scanning).

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelgeber für eine rotierende Welle entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1, des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl bzw. -position für eine rotierende Welle mittels eines Drehwinkelgebers, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 15. Die Erfindung betrifft ferner, jedoch nicht ausschließlich, die Verwendung eines Drehwinkelgebers in einer Windkraftanlage.
Drehwinkelgeber sind Messsysteme für eine rotierende Welle und finden z. B. Anwendungen bei Rotoren einer Windkraftanlage. Sie dienen zur Bestimmung der Rotorposition und/oder -drehzahl einer solchen Anlage, wobei der Rotor einer Windkraftanlagen eine Rotornabe mit senkrecht abstehenden Rotorblättern und eine Rotorwelle umfasst, die mechanisch mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt ist.
Ein Winkelgeber weist einen über der rotierenden Welle angeordneten Abtastkopf auf und erfasst oder misst mittels einer im Abtastkopf angeordneten Sensoranordnung, die auf optischen, elektrischen oder magnetische Basis arbeitet, die Position der Welle. Aus den ermittelten Sensorsignalen werden mittels einer Messwertauswertung aktuelle Positionswerte der Welle generiert. Über eine Zeitmessung kann aus den Positionsmessungen aktuelle Rotordrehzahlen ermittelt werden. Die so ermittelten Positions- und Geschwindigkeitswerte werden einer Anlagensteuerung zugeführt, die daraus Steuer- und/oder Regelsignale für die Windkraftanlage generiert. Für die ermittelten Positionsdaten wird eine sehr hohe Messgenauigkeit gefordert, da Messfehler zu fehlerhaften Steuer- und Regelwerten für die Anlage führen.
Ein als Winkelmesssystem bezeichneter Anordnung eines Drehwinkelgebers ist beispielsweise in der DE 298 15 905 U1 offenbart. Die bekannte Anordnung weist eine Maßverkörperung in Form einer Scheibe am Außenumfang einer Welle auf, auf deren Umfang ein Maßstab als Maßverkörperung abgebildet ist, der je nach Abtastprinzip die Anforderungen für übliche optoelektronische, magnetisch, induktiven oder kapazitiven Abtastköpfe erfüllt.
Der Prospekt der Fa. Baumer Group „Baumer, Sensorama, Innovation and Technology”, Edition 01/2011, zeigt ein als „Spannband-Drehgeber” bezeichneter Anordnung, welche eine als Spannband ausgeführte Maßverkörperung offenbart, die von einem Abtastkopf abgetastet wird. Das magnetische Eigenschaften aufweisende Spannband wird mittels eines Spannschlosses wie ein Gürtel auf eine Welle aufgeschnallt. Zwei in dem Abtastkopf integrierte Sensoren erfassen das Magnetfeld des Bandes und generieren in einer Auswerteeinheit ein Messsignal, aus dem über eine Arc-tang-Funktion Positionswerte für die Welle ermittelt werden. Die Abtastung erfolgt unterbrechungsfrei über das Spannschloss und über mögliche Unterbrechungen der Maßverkörperung hinweg, ohne dass Signale oder Impulse verloren gehen. Der bekannte Spannband Encoder ermöglicht einen nachträglichen Einbau insbesondere bei größeren Wellendurchmessern, wie sie beispielsweise bei einer Rotorwelle in Windkraftanlagen üblich sind.
Speziell für den Einsatz auf einer Rotorwelle einer Windkraftanlage weisen die bekannten Drehwinkelgeber jedoch erhebliche Nachteile auf. Sie müssen einerseits sehr vibrationsbeständig sein und bei extremen Umwelteinflüsse, wie sie beispielsweise auf hoher See im Offshore Einsatz auftreten, zuverlässig arbeiten. Zusätzlich ist aber auch eine hohe Messgenauigkeit für die Positionsbestimmung erforderlich, um den bereits eingangserwähnten Messgenauigkeitswerten zu entsprechen. Bei der magnetischen Maßverkörperung besteht zu dem die Gefahr, dass durch metallischen Fremdkörper oder starke Magnetfelder das Maßkörperband beschädigt und die Messergebnisse verfälscht werden.
Die herkömmlichen Drehwinkelgeber entsprechen diesen Anforderungen nur bedingt, da insbesondere die Messwertaufnahme von den magnetisierten Maßkörperbändern im rauen Windkraftbetrieb sehr aufwendig erfolgen muss, womit solche Drehwinkelgeber sehr teuer werden.
Darüber hinaus weist die Messwertaufnahme große Fehlerquellen durch eine ungenügende Rekalibrierung, Synchronisation und Messwertauflösung auf. Für die Steuerung von Windkraftanlage im Offshore Bereich sind beispielsweise Abtastraten von Drehwinkelgeber von ca. 10 bis 12 Bit üblich. Dies entspricht einer Messgenauigkeit von ca. 0, 1 bis 0,2 Grad bezogen auf den Wellendurchmesser.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen gattungsgemäßen Drehwinkelgeber, speziell für den Einsatz in Windkraftanlagen, so weiter zu entwickeln, dass er ein robustes kostengünstiges und gleichzeitig sehr präzises Messsystem bildet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt vorrichtungsmäßig durch die Merkmale des Anspruches 1 und verfahrensmäßig durch den Anspruch 15.
Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber mit einem als Sensor ausgebildeten Abtastkopf verwendet als Maßverkörperung eine Rollenkette mit Kettenelementen, deren Innenrollen oder -bolzen in axialer Richtung einer rotierenden Welle ausgerichtet sind. „Abtasten” im Rahmen der Erfindung bedeutet hier, den Abstand zwischen der Kettenoberfläche und dem Sensor zu messen.
Rollenketten sind robust und Massenware, deren Abmessungen und Aufbau national und international genormt sind (z. B. DIN 8187, DIN ISO 81889 o. ä.). Sie sind dementsprechend bedeutend kostengünstiger als eine speziell aufwendig hergestellte Maßverkörperung. Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber ist leicht jedem Wellenumfang anpassbar, er weist nahezu keinen mechanischen Verschleiß auf und benötigt für die Maßverkörperung auf dem Messband oder -flansch keine aufwendig herzustellende codierte Teilung. Versuchsmessungen der Patentanmelderin haben ergeben, dass die mit dem erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber ermittelten Positions- und Geschwindigkeitswerte eine Messgenauigkeit von 0,15 Grad bezogen auf den Rotorumfang ergeben. Er entspricht somit den Anforderungen an die Messgenauigkeit für den Einsatz in Windkraftanlagen.
Die Innenrollen oder -bolzen der Kette sind axial in Richtung der Welle und radial in Richtung des als Sensor ausgebildeten Abtastkopfes ausgerichtet, wobei die Kette kraft und formschlüssig zum Schutze der Rotorwelle und gegen Vibrationen auf dem Rotorumfang befestigt ist. Die auf dem Umfang angeordneten immer gleichen Kettenelemente garantieren eine einfache verschleißfreie Messwertaufnahme. Die Messwerte können von einem Controller ausgelesen und über ein geeignetes Bus- oder Kommunikationssystem anderen Systemen zur Verfügung gestellt werden. Bei drehender Welle erfasst der Sensor den Abstand zu jedem Kettenelement mit seinen Innenrollen oder -bolzen und ermittelt daraus, über eine entsprechende Messwertauswertung, Positions- und Geschwindigkeitsdaten der Welle. Die Kettenelemente als Maßverkörperung weisen bereits eine inkrementale Teilung der Rotoroberfläche auf, die somit im Prinzip von allen handelsüblichen Sensoren registriert werden kann. Dies betrifft sowohl analog als auch digital arbeitende Sensoren. Die detektierten Sensorsignale werden einer entsprechenden digitalen oder analogen Messwertauswerteeinheit zugeführt und dort mittels des, weiter unter beschriebenen, erfindungsgemäßen Messverfahrens zu aktuellen Positions- und Winkeldaten für eine rotierende Welle, insbesondere für eine Rotorwelle einer Windkraftanlage, verarbeitet.
Ein möglicher zu weiter Abstand der einzelnen Kettenelemente, der die Messgenauigkeit ggf. negativ beeinträchtigen würde, wird vorteilhaft mittels des Verfahrens des „Mapping” ausgeglichen. In diesem Verfahrensschritt wird eine Art „Karte” (Map) der Maßverkörperung, d. h. der Kette erstellt, um diese als Referenzmuster zur Positionsbestimmung der Welle verwenden zu können. Er umfasst die Registrierung und Speicherung eines Signalminimums und -maximums, die Ermittlung der Verschiebung (Offset) eines Kettenelementes aus den Min- und Maxwerten des Signals und die Ermittlung der Amplitude. Anschließend erfolgt ein Abgleich mindestens eines Musters mit einem aktuell gemessenen Wert („Scanning”).
Auf Grund des immer gleichen Abstandes der Innenrollen oder -bolzen der Kette oder eines einzelnen Kettenelementes bietet es sich vorteilhaft an, ein Messsystem für die Abtastung vorzusehen, dass den tatsächlichen Abstand wiedergibt. Damit können handelsübliche Nährungssensoren mit einem analoge/digitale Ausgang verwendet werden, welche die gesamte Kettenbreite abtasten können Die schon erwähnten Versuchsmessungen der Anmelderin haben gezeigt, dass analoge Nährungssensoren mit dem entsprechendem Design des Verschlusses und eines entsprechenden Messalgorithmus die geforderten Messgenauigkeit erfüllen. Auf Grund der Bauart der Kettenelemente wird mit der regelmäßigen Folge von Innenrollen oder -bolzen bei der Abtastung bereits ein quasi sinusförmiges analoges Sensorsignal generiert, welches mit einer ausreichenden Messgenauigkeit den Abstand der abgetasteten Oberfläche der Innenrollen und -bolzen wiedergibt. Das sinusförmige Signal kann direkt zur Positions- oder Winkelbestimmung der Welle weiterverarbeitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, mindestens zwei induktive Analogsensoren mit einem fest vorgegebenen Abstand zu verwenden, wodurch die Messgenauigkeit zusätzlich erhöht werden kann. Der zweite Sensor dient zum einen der Redundanz, falls der erste Sensor auffallen sollte, so dass der Drehwinkelgeber noch bis zum nächsten regelmäßigen Wartungstermin funktionsfähig bleibt. Zudem können durch die Verwendung mindestens zweier Sensoren Messwerte auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn sich gerade der Kettenverschluss unter einem der beiden Sensoren befindet. Darüber hinaus bietet die Zwei oder Mehrsensorenausführung die Möglichkeit an, eine zusätzliche Plausiblitätsprüfung der Sensorsignale durchzuführen. Zudem können durch die Verwendung zweier Sensoren Messwerte auch dann zur Verfügung gestellt werden, wenn sich gerade ein Kettenverschluss bzw. ein Kettenverbindungsglied unter einem der beiden Sensoren befindet.
Für die Positionsbestimmung der Welle ist vor einem Messvorgang die exakte Bestimmung eines sogenannten Synchronisations- oder Nullpunktes auf der Maßverkörperung des Drehwinkelgebers erforderlich. Ein zweiter Sensor führt zu einer genaueren Bestimmung dieses Punktes.
Unabhängig von der Anzahl der Sensoren können vorteilhaft in einem Speicher der Messauswerteeinheit die aktuell ermittelten Messwerte mittels des „Mappings” abgeglichen werden. Die Messwertauswertung eines Sensorsignals, das bei induktiver Abtastung zweckmäßig als Spannungssignal vorliegt, erfolgt vorteilhaft in einem Ablaufprogramm mit einem Algorithmus, der aus den Sensorsignalen die Position und Geschwindigkeit der Rotorwelle bestimmt.
Um die Daten des Sensors verarbeiten zu können, kann vorteilhaft ein herkömmlicher Analog/Digital Wandler (A/D Converter) eingesetzt werden, mittels welchem die analogen Messwerte des Sensors in digitale Signale umwandelt werden, die dann einem Computer in der Messwertauswerteeinheit zugeführt werden, dort verarbeitet und mit früher abgelegten Messwerten verglichen und ausgewertet werden können. Alternativ zum Computer und dem A/D Converters kann dies auch mittels eines Microcontrollers realisiert werden.
Zum Schutz der Welle und für einen rutschfesten Halt muss die als Maßverkörperung verwendete Kette kraft- und formschlüssig mittels eines spannbaren Kettenverbindungsgliedes auf dem Wellenumfang befestigt sein. Hierzu ist zwischen Kette und Wellenoberfläche ein rutschfestes Band als Wellen-, Rutsch- und Vibrationsschutz angeordnet. Das Band kann z. B. auf der Wellenoberfläche aufgeklebt werden. Das Band weist vorteilhaft gummielastische Eigenschaften mit einer stumpfen Oberfläche auf. Das Material sollte darüber hinaus witterungsbeständig sein und eine lange Lebensdauer aufweisen.
Die Verbindung der beiden Kettenenden auf der Welle erfolgt mittels eines spannbaren Kettenverbindungsgliedes. Der Spannbereich des Verbindungsgliedes sollte möglichst klein sein, um die Abtastwerte nicht zu verfälschen. Eine herkömmliche Kettenverbindung oder ein Kettenschloss scheidet dabei aus, da die Anzahl von Kettenelementen bezogen auf den Wellenumfang nicht immer eine gerade Zahl ergibt. Vorteilhaft umfasst das Spannelement zwei in axialer Richtung sich erstreckende baugleiche Elemente, die jeweils an einer Seite mittels eines Bolzens mit dem Kettenende verbunden werden. Die beiden Enden können vorteilhaft mit Hilfe von Schrauben gespannt werden. Das Kettenverbindungsglied dient weiterhin vorteilhaft als Synchronisationspunkt für die Positionsbestimmung, da dieses Glied durch den Sensor von den anderen Kettengliedern unterschieden werden kann.
Die Kette benötigt auf dem Wellenumfang eine oder ggf. mehrerer Führungseinrichtungen, damit sie sich nicht seitlich verschieben kann. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Führungseinrichtung auf ihrer Abtastfläche eine Nut aufweist, in der die Kette geführt ist, wobei die Abtastfläche eine Krümmung in Anpassung an den Krümmungsradius der Welle besitzt, um einen möglichst geringen Abstand zur Kette zu gewährleisten.
Es bietet sich vorteilhaft an, den Abtastkopf mit dem mindestens einem Sensor und der Messwertaufnahme in eine der mindestens einen Führungseinrichtung zu integrieren. Der mindestens eine Sensor, der Abtastkopf und eine der Führungseinrichtungen sind somit in einem einzigen Gehäuse integriert. Damit wird vorteilhaft eine optimale Abtastung der Kette sichergestellt. Das so gebildete Gehäuse sollte darüberhinaus so robust und so klein wie möglich ausgeführt werden, damit das Messergebnis nicht zusätzlich beeinträchtigt wird.
Das Verfahren zur Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl bzw. -position für eine rotierenden Welle mittels des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers wird vorteilhaft durch Ermittlung von für die Messung relevanten Parametern eingeleitet. Dieser Vorgang wird im Folgenden „Konfiguration” genannt. In diesem Messvorgang wird überprüft, ob der A/D Umrichter oder der Mikrocontroller mit Busanbindung korrekt angeschlossen ist. Ist dies der Fall, wird automatisch eine Konfigurationsdatei geladen, die im Wesentlichen eine Kalibrierung des Maßsystems umfasst. Diese Datei beinhaltet die Länge des Synchronisationsspaltes bei der Kettenspannvorrichtung und die Länge eines Kettenelements. Sind keine Fehler aufgetreten, startet das Suchen des Synchronisationspunktes der Kette. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass dieser „Suchvorgang” noch keine endgültige Bestimmung des Synchronisationspunktes (Sync-Punkt) beinhaltet.
Nachdem alle für die Messung relevanten Daten im Konfigurationsteil des Programms aufgezeichnet und berechnet worden sind, wird erfinderisch das „Mapping”, die Erstellung des Referenzmusters der Kette, gestartet. Dies erfolgt mittels eines Ersten, und falls vorhanden, anschließend mittels des zweiten Sensors.
Beim Erstellen der „Map” wird nach dem Überfahren des Sync-Punktes jedes Minimum und jedes Maximum der Signalspannung registriert und gespeichert. Die Ausgangsspannung des Sensors ist abhängig von der Entfernung zwischen Material und Sensor. Ein Maximum entsteht folglich in der Mitte zwischen jeweils zwei benachbarten Innenrollen oder -bolzen eines Kettenelementes, da in diesem Bereich der Abstand zwischen dem Sensor und Kette groß ist. Ein Spannungsminimum entsteht an den Enden des Kettenelements, wenn jeweils eine Innenrolle oder -bolzen der Kette von einem Sensor abgetastet wird, da hier der Abstand zwischen Sensor und Kette klein ist.
Im Sync-Punkt tritt der maximal auftretende Messwert auf. Er wird ermittelt, indem die Kette über mehrere Umdrehungen der Welle abgetastet, der maximale Spannungswert gesucht und gespeichert wird. Anschließend wird ein Mittelwert aus den gemessenen Spannungswerten gebildet und der Mittelwert als Synchronisationsspannung (Sync-Spannung) verwendet.
Über die Hälfte aus der Differenz Maximum – Minimum erhält man die Verschiebung (Offset) eines Kettenelements. Aus der Differenz Maximum – Offset errechnet sich die Amplitude eines Kettenelements und damit der Referenzwert (Map). Die Amplitude und die Verschiebung (Offset) jedes einzelnen Kettenelements können in einer speziellen Datenstruktur oder Feld (Array) gespeichert werden, so dass die Map regelmäßig aktualisiert werden kann. Es verhindert Messfehler und erhöht die Genauigkeit des Messsystems, da die Ausgangsspannung der Sensoren beispielsweise stark temperaturabhängig ist. So kann z. B. in festgelegten Intervallen (nach z. B. alle 100 Umdrehungen) ein neuer Mapping Vorgang gestartet werden. Vorteilhaft wird die Map auf Grund der Daten der letzten Umdrehungen automatisch und permanent aktualisiert, so dass immer eine Positionsberechnung möglich ist.
Der „Scanning” Verfahrensschritt umfasst zunächst die exakte Ermittlung des Synchronisationspunktes in jeder Umdrehung. Die Bestimmung des exakten Sync-Punktes ist sehr wichtig. Verschiebt sich dieser Punkt um einen bestimmten Betrag, verschiebt sich auch die gesamte Messung um denselben Betrag. Somit kann das ganze Messergebnis verfälscht werden. Für die Ermittlung des Sync-Punktes bieten sich vorteilhaft insgesamt vier mögliche Messverfahren an.
Als erste Möglichkeit kann als Sync-Punkt eine steigende/oder fallende Flanke der maximal auftretenden Spannung inkl. einer kleinen Sicherheit getriggert werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Sync-Spannung sich durch Temperaturänderungen verringern könnte, sodass der Sync-Punkt nicht mehr gefunden wird. Außerdem könnte eine Flanke der Sync-Spannung durch Messfehler bzw. durch zu große Fertigungstoleranzen der Welle an falschen Stellen getriggert werden.
Als weitere Möglichkeit bietet sich an, den Sync-Punkt mittels Spannungsdifferenz zweier Messwerte zu ermitteln. Da die Geschwindigkeit der Welle jedoch nicht konstant ist, ändert sich auch die Größe dieser Differenz abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit. Bei schneller Rotation der Rotorwelle ist das Delta sehr groß, da die einzelnen Messwerte weiter auseinander liegen. Bei langsamer Umdrehung ist das Delta sehr klein. Diesen Nachteil kann vorteilhaft umgangen werden, in dem immer dieselben Messpunkte miteinander verglichen werden (z. B. alle ¼ Kettenelemente). Hierzu werden frühere Messwerte gespeichert, und der Sync-Punkt wird über die aktuelle Geschwindigkeit ermittelt, mit welchem der alten Messwerte das Delta gebildet hat. Die aus den Positionsdaten ermittelte Geschwindigkeitsmessung setzt jedoch eine exakte Zeitmessung voraus.
Als dritte Möglichkeit bietet sich an, den Sync-Punkt mittels Integration zu ermitteln. Integriert man in einem x, y Koordinatensystem die Fläche einer Sinuskurve über ein ganze Periode (sin(x) von 0 bis 2π), ist das Ergebnis = 0. Dies gilt auch für die Integration des Signals eines Kettenelements. Da das Messsignal in dem x, y Koordinatensystem jedoch in positive Y-Richtung verschoben ist, muss das Offset aus der Map noch subtrahiert werden. Fährt der Sensor über den Spalt beim Kettenverbindungsglied oder beim Sync-Punkt, ist das Integral des Kettenelements ungleich 0. Dieser Effekt kann somit als Trigger dienen. Jedoch funktioniert diese Variante nur bei konstanter Umdrehung zuverlässig. Bei Geschwindigkeitsänderung oder gar Stillstand der Welle ist es erforderlich, diese Geschwindigkeitsänderung im Integral zu berücksichtigen.
Als vierte und bevorzugte Möglichkeit zur Sync-Punkt Detektion bietet sich eine Messwert-Addition zweier in einem bestimmten Abstand versetzter Sensoren an. Die durch Addition neu entstandene, überlagerte Funktion verläuft periodisch. Fährt einer der Sensoren über den Sync-Spalt, gibt es einen deutlichen Peak, der ungefähr doppelt so groß ist, wie die größte auftretende Amplitude. Die positive Flanke dieses Peaks lässt sich zuverlässig als Trigger Punkt verwenden. Bei zwei Sensoren fahren auch beide Sensoren nacheinander über den Sync-Spalt. So entstehen zwei Peaks kurz hintereinander. Beide Peaks können benutzt werden, um die Position des Sync-Punktes zu berechnen.
Nach der Ermittlung des Sync-Punktes erfolgt die Positionsbestimmung der Welle aus einem Abgleich des Referenzmusters (Map) mit den aktuell gemessenen Wert. Dies erfolgt vorteilhaft zunächst über eine sogenannte „globale” und anschließend über eine „lokale” Positionsbestimmung.
Die globale Positionsbestimmung erfolgt über das Registrieren der Anzahl der Kettenelemente multipliziert mit einer Kettenelementlänge bezogen auf den Wellenumfang. Der Wellenumfang und die Länge eines Kettenelements sind bekannt. Beim Drehen der Welle werden die Anzahl der Kettenelemente gezählt. Anhand der Anzahl der Kettenelemente kann die Software die „grobe” globale Position der Sensoren berechnen. Die globale Positionsberechnung erfüllt jedoch noch nicht die geforderte Messgenauigkeit, wie sie beispielsweise für einen Drehwinkelgeber bei einer Windkraftanlage erforderlich ist. Um beispielsweise auf die 0,15 Grad Messgenauigkeit zu kommen, muss daher noch eine lokale Positionsbestimmung durchgeführt werden.
Die lokale Positionsbestimmung erfolgt entsprechend der Gleichung X = sin^–1( Y – D / A), Wobei

X: die lokale Position des jeweiligen Kettenelements,
Y: den Messwert des Sensors,
A: die Amplitude des jeweiligen Kettenelements und
D: das Offset des jeweiligen Kettenelements umfasst.

Für den Fall, dass in der oben erwähnten Gleichung (Y – D)/A ≥ 1, wird ein Betrag ≥ gleich +1 oder –1 gesetzt.
Für die Ermittlung der exakten Wellenposition wird vorteilhaft ein zusätzlicher Algorithmus verwendet, der erkennt, ob ein Rechts- und/oder Linkslauf der Rotorwelle vorliegt, d. h. in welchem Teil der Sinuskurve sich der Sensor gerade befindet.
Für den Rechtslauf wird das Sensorsignal (Sinuskurve) in 4 Bereiche unterteilt, wobei detektiert wird, ob sich der Sensor gerade in der positiven oder negativen Halbwelle befindet und ob die Steigung positiv oder negativ ist. Die Bereiche unterscheiden sich durch mindestens ein unterschiedliches Merkmal (Steigung, Halbwelle).
Für eine Positionsbestimmung, die sowohl die rechte als auch zusätzlich die linke Drehrichtung der Welle berücksichtigt, ist ebenfalls ein zweiter Sensor erforderlich, da mit einem Sensor allein die beiden Drehrichtungen nicht detektiert werden können.
Anstelle der vier Fallunterscheidungen, wie beim Rechtslauf, sind insgesamt jetzt acht Fälle (vier Merkmale mit je zwei Möglichkeiten) zu unterscheiden. Mit zwei Sensoren erfolgt die Ermittlung von zwei Steigungen. Ferner kann zwei Mal das Vorzeichen des Messwertes (positive bzw. negative Halbwelle) detektiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Windkraftanlage mit einem durch Wind um eine Rotorachse drehbaren Rotor, der eine Rotornabe, eine Rotorwelle und wenigstens ein an der Rotornabe befestigtes und sich von dieser in Richtung einer im Wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufenden Rotorblatt umfasst und wenigstens eine elektrischen Generator aufweist, der mit der Rotorwelle mechanisch gekoppelt ist und von diesem antreibbar ist. Der erfindungsgemäße Drehwinkelgeber ist in einer solchen Anlage integriert und ermittelt die Rotorposition und die -Rotordrehzahl.
Die erfinderische Windkraftanlage kann gemäß allen im Zusammenhang mit dem erfinderischen Drehwinkelgeber und dem Verfahren in den erläuterten Ausgestaltungen weitergebildet sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und aus dem im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Windkraftanlage.
2 zeigt in eine schematische Darstellung eine Schnittdarstellung eines Drehwinkelgebers für eine Rotorwelle einer Windkraftanlage.
3a und 3b zeigen jeweils ein Detail einer Maßverkörperung des Drehwinkelgebers.
4 zeigt einen Programmablaufplan (main) für eine Messwertauswertung des Drehwinkelgebers.
5 zeigt den Programmablauf für einen ersten Programmabschnitt des Programmablaufes nach 4.
6a bis 6c zeigen den Programmablauf für einen zweiten Programmabschnitt nach 4.
7 zeigt ein summiertes Aufnahmesignal zweier Sensoren des Drehwinkelgebers.
8 zeigt ein schematisches Aufnahmesignal eines Sensors zur Positionsbestimmung der Welle.
9 zeigt eine Matrix Fallunterscheidung für die Positionsbestimmung.
Aus 1 ist eine Windenergieanlage 1 ersichtlich, wobei ein auf einem Fundament 2 aufstehender Turm 3 an seinem dem Fundament 2 abgewandten Ende mit einem Maschinenhaus 4 verbunden ist. In dem Maschinenhaus 4 ist ein Maschinenträger 5 angeordnet, an dem ein Rotor 6 drehbar gelagert ist, der eine Rotorwelle 7 und einer Rotornabe 8 und damit verbundene Rotorblätter 9 und 10 aufweist, die jeweils um ihre Blattachse 11, 12 relativ zur Rotornabe 8 drehbar sind. Die Windkraftanlage 1 weist üblicherweise drei Rotorblätter auf, wobei jedoch in 1 nur die beiden Blätter 9 und 10 dargestellt sind.
Jedes Rotorblatt 9, 10 ist mit einem Verstellantrieb 13, 14 mechanisch gekoppelt, mittels welchem das jeweilige Rotorblatt 9, 10 um die zugehörige Blattachse 11 und 12 gedreht wird und über die Rotorwelle 7 mechanisch mit einem elektrischen Generator 16 gekoppelt ist, der in dem Maschinenhaus 4 angeordnet, an dem Maschinenträger 5 befestigt ist und die auf die einzelnen Rotorblätter wirkende Windkraft 15 zum größten Teil in elektrische Energie umwandelt. Für den kontrollierten Betrieb der Windenergieanlage 1 ist eine Windkraftanlagensteuerung 17 vorgesehen, mittels welcher unter anderem die Verstellantriebe 13, und 14 gesteuert werden.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Rotorwelle 7 der Windkraftanlage 1. Die Drehzahl des Rotors 6 ist variabel und wird entsprechend den jeweiligen aktuellen Wind- und Wetterverhältnissen angepasst. Hierzu ist eine Positions- und Drehzahlüberwachung des Rotors 6 erforderlich, welche direkt im Antriebstrang auf der Rotorwelle 7 positioniert ist und die jeweils aktuelle Drehzahl über eine Positionsermittlung erfasst und diese Information an die Anlagensteuerung 17 weiterleitet.
Hierzu weist die Rotorwelle 7 ein als Drehwinkelgeber, Messwertgeber, Drehgeber, Winkelcodierer oder Rotor Encoder bezeichnete Messvorrichtung auf. Der Drehwinkelgeber 18 weist einen über der Rotorwelle angeordneten Abtastkopf 19 auf und erfasst oder misst mittels einer im Abtastkopf 19 angeordnete Sensoranordnung die Position des als Rotorwelle 7 ausgestaltetet Teil des Rotors 6. Aus den ermittelten Sensorsignalen werden mittels einer Messwertauswertung 21 aktuelle Positionswerte des Rotors 6 generiert.
Die Sensoreinheit weist zwei analogen Näherungssensoren auf, die in dem Abtastkopf 19 integriert sind. Die beiden Sensoren A und B, sind mit dem Bezugszeichen 20 (3) versehen und weisen eine Abtastrate von ca. 1600 Hz, einen Schaltabstand von 0–4 mm und eine analoge Ausgangsspannung im Bereich von 0–10 V auf. Damit liegen die Sensorsignale als analogen Spannungswertes vor.
Aus den ermittelten Sensorsignalen werden mittels der Messwertauswerteeinheit 21 aktuelle Positionswerte des Rotors oder der Rotorwelle generiert. In der Messwertauswerteeinheit 21 ist hierfür ein Softwareprogramm integriert mit einem Algorithmus, der aus den Sensorsignalen beim Abtasten Position und Geschwindigkeit der Rotorwelle ermittelt. Über eine Zeitmessung können aus den Positionsmessungen aktuelle Rotordrehzahlen oder Drehgeschwindigkeitswerte ermittelt werden, welche dann der Windenergieanlagensteuerung 17 (1) zugeführt werden und dort zu Steuer- und Regelgrößen für die Windkraftanlage 1 verarbeitet werden, u. a. auch für die die beiden in 1 dargestellten Blattwinkelverstellantriebe 13 und 14. Entlang des Rotorwellenumfanges ist eine Maßverkörperung 22 angeordnet, die bei drehender Welle 7 von den beiden Sensoren 20 (3) des Abtastkopfes 19 berührungslos abgetastet werden.
3a und 3b zeigen Details der Maßverkörperung 22. Diese ist erfindungsgemäß als Rollenkette 23 mit Kettenelemente 24 ausgebildet, deren Innenrollen oder -bolzen axial in Richtung der Wellenachse 36 ausgerichtet sind, wie dies insbesondere 3b zeigt. Als Kette 23 wurde in dem Ausführungsbespiel eine handelsübliche Fahrradkette mit einer Kettenbreite von ca. 8 mm verwendet. Der Tastkopf 19 ist der Kette 23 angepasst.
Die Kette 23 ist mittels eines spannbaren Kettenverbindungsgliedes 26 auf der Rotorwellenoberfläche 27 fest gespannt, wie dies insbesondere aus 3a ersichtlich ist. Zum Schutze der Welle 7 und für einen rutschfesten Halt ist die Kette 23 auf einem rutschfestem Band 28 aus einem gummiähnlichem, aber witterungsfähigem Material gespannt, das auf der Rotorwellenoberfläche 27 aufgeklebt ist. Das Kettenverbindungsglied 26 weist zwei baugleiche Halterungen 29 auf, die jeweils an einer Seite mit einem Bolzen 30 mit der Kette 23 verbunden sind. Die beiden Halterungen 29 sind mittels zweier einstellbarer Schrauben verbunden, mit denen die Kette 23 gespannt ist.
Für eine eindeutige Messauswertung der ermittelten Sensorsignale ist die Festlegung eines Nullpunktes auf der Rotoroberfläche 26 erforderlich, mittels dessen die ermittelten Sensorsignale synchronisiert werden können. Dieser Synchronisationspunkt 33 (Sync-Punktes) wird zweckmäßig in dem Spalt 34 gelegt, der im Bereich des Kettenverbindungsgliedes 26 auftritt. Die beiden Sensoren A und B sind in Umfangsrichtung der Welle 7 in einem bestimmten, fest definierten Abstand zueinander angeordnet. Der Sensorabstand ist erforderlich, um die Drehrichtung der Welle 7 zu detektieren, um auf diese Art eine genauere Bestimmung des Sync-Punktes 33 zu ermöglichen.
Der Abtastkopf 19 mit den beiden Sensoren 20 dient gleichzeitig als Führungseinrichtung 31 für die Kette 23 und weist eine Nut 32 auf, in der die Kette geführt wird. Die Abtastfläche entspricht dem Krümmungsradius der Welle 7. Der Abtastkopf 19 ist aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt, um Messfehler der beiden induktiven Sensoren 20 auszuschließen. Die beiden Sensoren 20 sind in dem Abtastkopf 19 stufenlos höhenverstellbar.
4 zeigt einen Programmablaufplan für die Software in der Messwertauswerteinheit 21 (main), mittels dessen aus den beiden Sensorsignalen die Position und Geschwindigkeit der Rotorwelle bestimmt wird. Das Ablaufprogramm bietet die Auswahl zwischen einer Einzelmessung „single” (5) oder einer kontinuierlichen „scan” (6a bis 6c) Messung, wobei letzteres als Hauptprogramm (main) gilt.
Der „single” Ablauf in 5 umfasst im Wesentlichen eine Überprüfung der Hardware der Messwertauswerteeinheit 21 Sie besteht bei dem Ausführungsbeispiel aus einem Analog/Digital Umrichter (A/D Converter Check). Geprüft wird, ob die Parameter in Ordnung sind (Input Channel 1 or 2). Anschließend wird die Aufzeichnung der Spannungswertes (Output: Voltage) eine gewählten Analogeingang gestartet. Alternativ zu dem A/D Converter kann auch ein Mikrocontroller mit einer entsprechenden Busanbindung eingesetzt werden.
Die kontinuierliche „scan” Messung bildet das Hauptprogramm (main) für die Messwertauswertung des Sensorsignals. Nach dem Einlesen der beiden Sensoren 20 läuft ein Algorithmus, der drei Bereiche oder Programmabschnitte umfasst, die als Programmablaufpläne in den 6a bis 6c dargestellt sind.
6a zeigt den ersten Programmabschnitt des „scan” Programmabschnittes, der mit „Configuration” bezeichnet wird und im Wesentlichen die Kalibrierung des Messsystems umfasst. Im Configuration Programmablauf wird der Messvorgang eingeleitet und alle für die Messung relevanten Parameter ermittelt.
Zunächst erfolgt ein „Check” der Hardware des im Ausführungsbeispiel verwendeten A/D Konverters (A/D Converter Hardware Check). Anschließend erfolgt die Eingabe der Länge des Sync- Spaltes 34 (File Imput: Sync length) am Synchronisationspunkt 33 (3) und die Länge eines Kettenelementes 24 (3a). Nach der Eingabe der Messparameter wird die eigentliche Scan Datei geladen. Ist diese Datei nicht vorhanden oder fehlerhaft, erfolgt eine Fehlermessung (Setup Scan with Default Settings).
Das eigentliche Scan Programm beginnt mit der Suche nach dem Sync-punktes 33 (3a). Da In diesem Punkt die maximale Spannung auftritt, wird nach dieser gesucht (Search Max (Sync) Voltage for Sensor A & B). Um eine korrekte Messung der Sync-Spannung zu garantieren, werden zusätzlich die Kettenelemente gezählt. Erst wenn die Anzahl der gezählten Kettenelemente für beide Sensoren A und B gleich ist, läuft das Programm weiter. Anschließend erfolgen die Berechnung des Wellenumfanges und die Winkelposition eines Kettenelementes bezogen auf den Sync-Punkt 33 (3a). Die Kette 23 (3a) wird auf der Suche nach der maximalen Spannung abgetastet (searching Maximum Voltage (= Sync)) und die Kette 23 als Referenz gespeichert. Dies erfolgt für die beiden Sensoren 20 über zwei Umdrehungen (Counting elements fort two rotations).
6b zeigt den weiteren Ablauf des „scan” Programmabschnitts, der mit „Mapping” bezeichnet wird. In diesem Programabschnitt wird eine Art „Karte” (Map) der Kette 23 erstellt, um diese als Referenzmuster zur Positionsbestimmung des Rotors 6 benutzen zu können. Das Mapping startet sowohl für den ersten Sensor A als auch für den zweiten Sensor B (Start Mapping for Sensor A & B with next Sync). Mit jeder Umdrehung wird beim Überfahren des Sync-Punktes der „Sync-Zähler” um eines inkrementiert (If data = Sync_Coltage -> Sync++). Dargestellt im Programmablauf sind drei Synchronpunkte (If Sync = 1, 2; 3). Beim Erstellen der Map wird nach dem Überfahren des Sync-punktes 33 (3) jedes Minimum und Maximum der Signalspannung registriert und gespeichert (-Get Minimum & Maximum). Da die Ausgangsspannung des Sensors 20 antiproportional zur Entfernung zwischen dem Abtastmaterial (Kette) und dem Sensor 20 ist, entsteht ein Maximum dort an den Enden des Kettenelementes 24, wo der Abstand zwischen Sensor 20 und Kette 28 klein ist. Die Erstellung eines einzelnen Map erfolgt aus der Amplitude und dem Offset (Verschiebung) entsprechend der Beziehung Offset = 1 / 2(Maximum-Minimum) Amplitude = Maximum – Offset
Im Ablaufdiagram nach 6b entspricht dies dem Programmschritt „– Calculate & Store Amplitude and Displacement”. Dieser Vorgang wiederholt sich beim nächsten Durchlauf über den Sync-Punkt (If Sync = 2,). Wie aus 6b weiter hervorgeht, wird die Amplitude und der Offset in einer speziellen Datenstruktur oder in einem Feld (Array) gespeichert (-Backup Map in a file) und wird regelmäßig aktualisiert. Die regelmäßige Aktualisierung ist erforderlich, um Messfehler zu vermeiden und die Genauigkeit des Messsystems zu erhöhen, da die Ausgangsspannung der beiden Sensoren A und B stark temperaturabhängig ist. Mit den Daten der letzten Umdrehung wird die Map automatisch und permanent aktualisiert.
Nach erfolgtem Map Vorgang und dem erneuten Passieren des Sync-Punktes erfolgt die exakte Lokalisierung dieses Punktes. Der Ablauf hierzu ist in 6c dargestellt. Dies erfolgt mit einer Messwertaddition der beiden versetzten Sensoren A und B. Dadurch entsteht eine durch Addition neu entstandene, überlagerte Sinusfunktion, wie dies aus 7 ersichtlich ist.
In 7 ist die summierte Sensorausgangsspannung der beiden Sensoren A und B über eine Messperiode dargestellt. Fährt einer der Sensoren über den Sync-Spalt 34 (3a), gibt es einen deutlichen Peak 35, der ungefähr doppelt so groß ist, wie die größte auftretende Amplitude. Die positive Flanke des Peaks 35 lässt sich somit zuverlässig als Triggerpunkt verwenden. Da zwei Sensoren benutzt werden, fahren auch beide Sensoren nacheinander über den Sync-Spalt 34. So entstehen zwei Peaks (siehe 7). Während sich Sensor A im Sync-Spalt befindet, wird mit Sensor B die Position bestimmt, ist Sensor B im Sync-Spalt 34 berechnet Sensor A die Position.
Nach erfolgter Bestimmung des Sync-Punkt 34 (3a) und Abgleich mit dem Referenzmuster erfolgt die Positionsbestimmung der Rotorwelle 7 der Windkraftanlage 1. Hierzu wird zunächst eine sog. „globale” Positionsbestimmung mit Hilfe der Software in der Messwertauswerteeinheit 21 ermittelt, bei der die Position (In Winkelgrade) nur „grob” mit einer bestimmten Messungenauigkeit ermittelt wird und zunächst bestimmte Gegebenheiten der detektierten Sinuskurve nicht berücksichtig werden.
Der Wellenumfang und die Länge eines Kettenelementes 23 sind bekannt. Durch Drehen der Welle 7 werden die Anzahl der Kostenelemente 24 gezählt, aus denen sich dann nach der Formel Globale Position / 360° = gezählte Elemente × Kettenelementlänge / Wellenumfang die globale Positionsbestimmung ermitteln lässt. Diese Positionsbestimmung berücksichtigt jedoch noch nicht in welchem Teilbereich eines Kettenelementes 24 ein oder beide Sensoren 20 sich gerade befindet. Darüber hinaus wird zusätzlich die passende Amplitude und der Offset (Verschiebung) aus dem Map benötigt.
Um die erforderliche 0,15 Grad Genauigkeit zu erzielen, reicht die globale Positionsangabe nicht aus. Die Lokalisierung des Sensors 20 in einem Teilbereiches eines Kettenelemente erfolgt mittels einer Arcus-Sinus Funktion. Diese „lokale” Positionsberechnung erfolgt anhand folgender Funktion. Y(x) = Asin(x) + D mit

X: = lokale Position des jeweiligen Kettenelements
Y: = Spannungswert des Sensors
A: = Amplitude des jeweiligen Kettenelements
D: = Offset des jeweiligen Kettenelements

Die lokale Position der Rotorwelle ergibt sich somit zu X = sin^–1( Y – D / A)
Mit Hilfe der globalen und lokalen Position kann nun die exakte Wellenposition berechnet werden. Hierfür muss die Software jedoch detektieren, in welchem Teil der Sinuskurve sich der Sensor gerade befindet. Hierzu ist jedoch vorab eine Dektierung eines Rechts und/oder Linkslauf der Rotorwelle 7 erforderlich.
8 zeigt eine auf einen Einheitswert bezogene Sinuskurve über eine volle Periode in Abhängigkeit von mehreren Messungen. Die Sinuskurve wird in 4 Bereiche unterteilt. Von der Software wird detektiert, ob sich der Sensor 20 gerade in der positiven oder negativen Halbwelle befindet und ob die Steigung positiv oder negativ ist. Die Bereiche unterscheiden sich somit durch mindestens ein unterschiedliches Merkmal (Steigung, Halbwelle).
Für die Berechnung der genauen Position eines Rechtslaufes ergeben sich folgende vier Fälle:

(1) Positive Halbwelle, Steigung positiv
(2) Positive Halbwelle, Steigung negativ
(3) Messwert negativ, Steigung negativ
(4) Messwert negativ, Steigung positiv

Für die Berechnung der genauen Position des Rechtslaufes ergeben sich folgende vier Fälle:
Fall 1: Global Position = Elemente·Faktor + Local Position × 1 / 2 Faktor
Fall 2: Global Position = Elemente·Faktor – Local Position × 1 / 2 Faktor
Fall 3: Global Position = Elemente·Faktor + |Local Position| × 1 / 2 Faktor
Fall 4: Global Position = Elemente·Faktor – |Local Position| × 1 / 2 Faktor

mit folgender Bedeutung:

Elemente:: Anzahl der gezählten Elemente. Dies entspricht einer halben Sinuswelle.
Faktor:: Faktor für ein halbes Element in Grad (ca. 1,43 Grad, abhängig vom Wellendurchmesser),
Local Position:: Anteil des Sinus,
Global Position:: Position der Rotorwelle in Grad.

Für eine Detektierung eines zusätzlichen Linkslaufes der Rotorwelle 7 sind zusätzliche Informationen erforderlich, für die ebenfalls beide Sensoren A und B benötigt werden.
Da der Sinus periodisch verläuft, darf der zweite Sensor nicht um x·2π Rad oder x·2π + π Rad vom ersten Sensor versetzt sein. Wird die Position des Sensors jedoch nach x·2π + 1 / 2 πRad oder x·2π + 3 / 2 πRad berechnet, erhält man für jeden Punkt der Sinuskurve genügend Informationen, um die Position bzw. Drehrichtung detektieren zu können.
Anstelle der vier Fallunterscheidungen beim Rechtslauf sind jetzt acht Fälle (vier Merkmale mit je zwei Möglichkeiten) zu unterscheiden. Mit den beiden Sensoren können zwei Steigungen ermittelt und zwei Mal das Vorzeichen der gemessenen Spannungen (positive bzw. negative Halbwelle) detektiert werden.
9 zeigt in einer Matrix-Fallunterscheidung den Zusammenhang zwischen Steigung (Slope) und Vorzeichen der gemessenen Spannung (X). Die Zahlen 1 und 2 stehen für den jeweiligen Sensor A und B mit folgender Bedeutung:

X:: = Position des Messwert im Sinus (0 = negative Halbwelle, 1 = positive Halbwelle).
Slope:: = Steigung des Messsignals (0 = negative Steigung 1 = positive Steigung).
Fall 1–4:: = Rechtslauf.
Fall 5–8:: = Linkslauf.

6c zeigt den Programmabschnitt des „scanning” unter Berücksichtigung der „globalen” und „lokalen” Positionsbestimmung, des Rechts(turn RIGHT) und Linkslaufes der Rotorwelle 7 und der Steigung des Messsignals (Slope). Der Programmablauf umfasst ferner noch die Ermittlung der Rotordrehzahl aus einer Zeitmessung. (Calculate Rotation Speed rpm(count time & element).
Die vorliegende Erfindung wurde am Beispiel einer Rotorwelle einer Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie beschrieben. Der Einsatz und die Verwendung des erfindungsgemäßen Drehwinkelgebers ist natürlich nicht nur auf diese Anrwendung beschränkt. Es bietet sich an, ihn auch in anderen Anordnungen mit Wellen oder Rotoren zu verwenden, bei denen Drehzahl- und Positionsbestimmungen erforderlich sind, wie z. B. elektrische Generatoren oder Antriebe mit einem Durchmesser des Rotors, der sehr viel größer ist als der Gliederabstand der Rollenkette.
Bezugszeichenliste

1: Windkraftanlage
2: Fundament
3: Turm
4: Maschinenhaus
5: Maschinenträger
6: Rotor
7: Rotorwelle
8: Rotornabe
9: Rotorblatt
10: Rotorblatt
11: Blattachse
12: Blattachse
13: Blattwinkelverstellantrieb
14: Blattwinkelverstellantrieb
15: Windkraft
16: Generator
17: Windkraftanlagensteuerung
18: Drehwinkelgeber
19: Abtastkopf
20: Sensor A, B
21: Messwertauswerteeinheit
22: Maßverkörperung
23: Rollenkette
24: Kettenelement
25: Innenrolle, -bolzen
26: Kettenverbindungsglied
27: Rotorwellenoberfläche
28: Band
29: Halterung
30: Bolzen
31: Führungseinrichtung
32: Nut
33: Synchronisationspunkt
34: Synchronisationspalt
35: Peak
36: Rotorwellenachse

Claims

Drehwinkelgeber für eine rotierende Welle (7), umfassend: – eine entlang des Wellenumfangs angeordnete Maßverkörperung (22), – mindestens einen als Sensor (20) ausgebildeten Abtastkopf (19) und – eine Messwertauswerteeinheit (21), welche aufgenommene Messwerte so verarbeitet, dass sie ausgewertet und zu Positions- und/oder Geschwindigkeitsdaten der Welle (6) verarbeitet werden können, wobei der Abtastkopf (19) in einem Abstand zur Maßverkörperung (22) angeordnet ist, und die Sensorsignale die Oberfläche der Maßverkörperung (22) bei drehender Welle (7) abtasten, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (22) eine Rollenkette (23) mit Kettenelementen (24) umfasst, deren Innenrollen oder -bolzen (25) in axialer Richtung der Welle (7) ausgerichtet sind, wobei die Kette (23) kraft und formschlüssig auf dem Wellenumfang befestigt ist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten Oberflächen der Innenrollen und -bolzen (25) beim Abtastvorgang einen sinusförmigen analogen Verlauf aufweisen dass der Sensor (20) einen induktiven analogen Nährungssensor umfasst.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) einen induktiven analogen Nährungssensor umfasst.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) mindestens zwei in einem festgelegten Abstand zu einander angeordnete Analogsensoren umfasst.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertauswerteeinheit (21) ein Ablaufprogramm mit einem Algorithmus umfasst, der aus dem mindestens einen Sensorsignal die Position und/oder Geschwindigkeit der Welle (7) bestimmt.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertauswerteeinheit (21) einen Speicher umfasst, in dem gespeicherte Messwerte abgelegt sind, die mit einem aktuell gemessenen Wert verglichen werden können, wobei der aktuelle Wert dem gespeichertem Wert angepasst werden kann.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Kette (23) mittels eines spannbaren Kettenverbindungsgliedes (26) miteinander verbunden sind.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kette (23) und Wellenoberfläche (27) ein rutschfestes Band (28) als Wellen-, Rutsch- und Vibrationsschutz angeordnet ist.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kette (23) auf dem Wellenumfang mindestens eine Führungseinrichtung (31) aufweist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Führungseinrichtung (31) auf ihrer Abtastfläche eine Nut (32) aufweist, in der die Kette (23) geführt ist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfläche eine Krümmung in Anpassung an den Krümmungsradius des Wellenumfanges aufweist.
Drehwinkelgeber nach den Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (31) den Abtastkopf (19) und den mindestens einen Sensor (20) umfasst.
Drehwinkelgeber nach einem oder mehreren der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kette (23) einen festgelegten Synchronisationspunkt (33) für die Positionserkennung auf der Wellenoberfläche (27) aufweist.
Drehwinkelgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisationspunkt (33) im Kettenverbindungsglied (26) angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl und -position für eine rotierenden Weile (7) mittels eines Drehwinkelgebers (18) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl und -position mindestens ein Referenzmuster der Kette (23) erstellt wird, und ein Abgleich mindestens eines Musters mit einem aktuell gemessenen Wert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Messvorganges durch Ermittlung von für die Messung relevanten Parametern erfolgt und eine Kalibrierung der Maßverkörperung (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration das Suchen des Synchronisationspunktes (33) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mapping eine Registrierung und Speicherung eines Signalminimums und -maximums, die Ermittlung der Verschiebung eines Kettenelementes aus den Min- und Maxwerten des Signals und die Ermittlung der Amplitude umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mapping in einem festen Intervall erfolgt und regelmäßig aktualisiert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Scanning die Ermittlung des Synchronisationspunktes (33) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Synchronisationspunktes (33) über die Ermittlung einer steigenden Flanke des Maximalwertes des Signals erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Synchronisationspunktes über die Differenz zweier Messpunkte ermittelt wird, wobei immer dieselben Messpunkte miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Synchronisationspunktes über eine Messwertaddition zweier versetzter Sensoren (20) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und Positionsbestimmung das Registrieren der Anzahl der Kettenelemente (24) multipliziert mit einer Kettenelementlänge bezogen auf den Wellenumfang umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Drehzahl- und Positionsbestimmung eine zusätzliche Registrierung durchgeführt wird, in welchem Teilbereich eines Kettenelementes (24) der Sensor (20) sich befindet.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Positionsbestimmung entsprechend der Gleichung X = sin^–1( Y – D / A) erfolgt, wobei X die lokale Position des jeweiligen Kettenelements, Y den Messwert des Sensors, A die Amplitude des jeweiligen Kettenelements und D das Offset des jeweiligen Kettenelementes (24) umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsbestimmung die Dektierung eines Rechts-/Linkslaufes der Welle (7) umfasst.
Windkraftanlage mit einem durch Wind um eine Rotorachse drehbaren Rotor (6), der eine Rotornabe (8), eine Rotorwelle (7) und wenigstens ein an der Rotornabe (8) befestigtes und von dieser in Richtung einer im Wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufendes Rotorblatt (9, 10) umfasst und wenigstens einen elektrischen Generator (16) aufweist, der mit der Rotorwelle (7) mechanisch gekoppelt ist und von diesem antreibbar ist, gekennzeichnet durch einen Drehwinkelgeber (18) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 zur Bestimmung der Rotordrehzahl und -position.
Windkraftanlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung und Messung der Rotordrehzahl und -position gemäß einem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 27 erfolgt.