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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, insbesondere einer Gondel einer Windkraftanlage, sowie auf eine Windkraftanlage.
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Bei einer Windkraftanlage oder Windenergieanlage ist ein Rotor an einer Gondel befestigt. Die Gondel kann gedreht werden, um den Rotor entsprechend der Windrichtung auszurichten.
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In der
DE-1020100216423-A1 wird im Zusammenhang mit einer Windkraftanlage ein Verfahren zur Messung von Beschleunigungssignalen und einer Neigung gegenüber dem Erdschwerefeld beschrieben.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, insbesondere einer Gondel einer Windkraftanlage, sowie eine verbesserte Windkraftanlage zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, insbesondere einer Gondel einer Windkraftanlage, eine Vorrichtung zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, insbesondere einer Gondel einer Windkraftanlage, sowie durch eine Windkraftanlage gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich ein Drehratensignal zur hochgenauen Messung von Gondelschwingungen an Windenergieanlagen einsetzen lässt. Dieser Ansatz lässt sich für alle Windenergieanlagen und vergleichbare Großanlagen, wie beispielsweise Kräne oder Türme einsetzen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Ansatz im Zusammenhang mit einer Windenergieanlagen eingesetzt werden, die auf einen maximalen Ertrag aus der Windkraft gesteuert wird. Dabei werden die maximalen Belastungen der Komponenten teilweise überschritten, sodass es zu Verschleißschäden kommen kann. Solche Verschleißschäden können unter Verwendung des hier beschriebenen Ansatzes rechtzeitig erkannt werden, wodurch Totalausfällen vermieden werden können, die insbesondere bei Anlagen auf dem Meer zu extrem hohen Reparaturkosten führen. Das Gesamtsystem Windkraftanlage ist besonders schwingungsempfindlich. Der Bestimmung der Gondelschwingungen, kommt dabei eine große Bedeutung zu, da für den sicheren Betrieb der Anlage entsprechende Grenzwerte eingehalten werden müssen. Durch die Verwendung eines oder mehrere Drehratensignal kann auf üblicherweise genutzte Beschleunigungssensoren verzichtet werden, deren Messwerte entsprechend aufbereitet werden müssen, um ein erdbeschleunigungskompensiertes Signal zu erhalten. Eine Überwachung der Turmschwingung durch eine Sensorik wird durch den Germanischen Loyd vorgeschrieben und ist für eine entsprechende GL-Zertifizierung notwendig.
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Der beschriebene Ansatz ermöglicht ein Messsystem, mit dem gegenüber der Beschleunigungsmessung deutlich genauer gemessen werden kann, ohne dass aufwendige Korrekturen des Signals durchgeführt werden.
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Ein Verfahren zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, insbesondere einer Gondel einer Windkraftanlage (100), umfasst die folgenden Schritte:
Einlesen zumindest eines Drehratensignals, das eine Drehrate der Einrichtung repräsentiert; und
Bestimmen der Schwingung der Einrichtung unter Verwendung des zumindest einen Drehratensignals.
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Die Einrichtung kann an einem freien Ende des Turms angeordnet sein. Bei der Einrichtung kann es sich neben einer Gondel einer Windkraftanlage beispielsweise auch um ein Führerhaus eines Krans oder ein auf einem Turm angeordnetes Bauwerk handeln. Eine Schwingung des Turms kann zu einer Schwingung der Einrichtung führen.
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Beispielsweise kann das zumindest eine Drehratensignal eine von einem an der Einrichtung angeordneten Drehratensensor erfasste Drehrate der Einrichtung repräsentieren. Dabei kann auf bekannte Drehratensensoren zurückgegriffen werden. Vorteilhafterweise kann eine Position, an der der Drehratensensor an der Einrichtung befestigt ist, frei gewählt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens eine Torsion des Turms unter Verwendung des zumindest einen Drehratensignals bestimmt werden. Somit kann die Torsion ohne die Verwendung eines Beschleunigungssensors einfach bestimmt werden.
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Im Schritt des Einlesens können ein erstes Drehratensignal, das eine erste Drehrate der Einrichtung um eine erste Drehachse repräsentiert, ein zweites Drehratensignal, das eine zweite Drehrate der Einrichtung um eine zweite Drehachse repräsentiert und ein drittes Drehratensignal, das eine dritte Drehrate der Einrichtung um eine dritte Drehachse repräsentiert eingelesen werden. Im Schritt des Bestimmens kann die Schwingung unter Verwendung des ersten, des zweiten und des dritten Drehratensignals bestimmt werden. Alternativ können auch nur zwei Drehratensignale eingelesen und zur Bestimmung der Schwingung verwendet werden. Durch die Verwendung von drei Drehratensignale kann die Schwingung der Einrichtung sehr genau bestimmt werden.
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Dabei kann die erste Drehrate eine Bewegung der Einrichtung auf einem Kreissegment quer zu einer Längsachse der Einrichtung, die zweite Drehrate eine Bewegung der Einrichtung auf einem Kreissegment längs mit der Längsachse der Einrichtung und die dritte Drehrate eine Torsion des Turms repräsentieren.
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Beispielsweise kann die erste Drehachse eine Triebstrangachse eines in der Einrichtung angeordneten Triebstrangs einer Windkraftanlage und die dritte Drehachse eine Längsachse des Turms repräsentieren. Die zweite Drehachse kann quer zu der ersten Drehachse und quer zu der dritten Drehachse ausgerichtet sein. Somit können die Drehungen der Einrichtung um die wesentlichen Achsen, beispielsweise einer Windkraftanlage abgebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens eine Schwingweite der Schwingung der Einrichtung unter Verwendung des zumindest einen Drehratensignals bestimmt werden. Eine solche Schwingweite kann beispielsweise für eine Entscheidung zur Abschaltung einer Windkraftanlage herangezogen werden.
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Eine Vorrichtung zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, insbesondere einer Gondel einer Windkraftanlage, umfasst Mittel zum Ausführen eines genannten Verfahrens zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung.
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Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Eine Windkraftanlage mit einem Turm und einer als Gondel ausgeführten Einrichtung weist gemäß einer Ausführungsform eine genannte Vorrichtung zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung und einen Drehratensensor zum Bereitstellen des zumindest eines Drehratensignals auf. Vorteilhafterweise lässt sich der beschriebene Ansatz somit im Zusammenhang mit einer bekannten Windkraftanlage einsetzen.
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Bei einer solchen Windkraftanlage kann der Drehratensensor außerhalb eines Schwerpunkts der Einrichtung, hier der Gondel, angeordnet sein. Dies erleichtert das Finden einer geeigneten Position zur Unterbringung des Sensors.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische, vereinfachte Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Abstandsmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
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1 zeigt eine schematische, vereinfachte Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auch wenn hier und im Folgenden von einer Windkraftanlage gesprochen wird, so kann der beschriebene Ansatz in entsprechender Weise auch für andere Anlagen eingesetzt werden.
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Die Windkraftanlage weist einen Turm 102 auf, auf dem eine Gondel 104 angeordnet ist. In der Gondel 104 ist ein Triebstrang 106 angeordnet, der nicht dargestellt zumindest einen Generator und gegebenenfalls ein Getriebe umfasst. Über eine Nabe ist der Triebstrang 106 mit einem Rotor der Windkraftanlage verbunden. Beispielsweise kann der Rotor drei Rotorblätter umfassen.
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Eine Längsachse des Turms 102 ist längs oder parallel zu einer z-Achse ausgerichtet und eine Längsachse des Triebstrangs 106 ist parallel zu einer x-Achse angeordnet.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in der Gondel 104 ein Drehratensensor 108 angeordnet, der ausgebildet ist, um zumindest ein Drehratensignal an eine Vorrichtung 110 zur Erfassung einer Schwingung der Gondel 104 bereitzustellen. Das zumindest eine Drehratensignal bildet zumindest eine Drehrate der Gondel 104 um zumindest eine Drehachse ab. Die Vorrichtung 110 weist eine Einrichtung zum Einlesen des zumindest einen Drehratensignals und eine Einrichtung zum Bestimmen der Schwingung der Gondel 104 unter Verwendung des zumindest einen Drehratensignals auf. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um eine Information über die Schwingung weiterzuverarbeiten oder beispielsweise an eine Steuereinheit auszugeben.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Nutzung des Drehratesignals in drei Achsen. Der Turm 102 der Windenergieanlage ist am Boden eingespannt. Streng genommen kann die Gondelmasse der Gondel 104 als zweite Einspannstelle verstanden werden. Als typische Bewegungen der Gondel 104 sind damit „Rotations”-Bewegungen der Gondel 104 auf einem kleinen Kreissegment und eine Torsion des Turmes 102 möglich. Die Gondel 104 bewegt sich auf einem kleinen Segment einer Kugeloberfläche.
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Die Drehratemessung beschreibt die Bewegung der Gondel 104 auf dieser Fläche deutlich besser als eine Beschleunigungsmessung. Die „Einspannung” durch die Gondelmasse bewirkt, dass höhere Moden der Turmeigenfrequenz mit Knoten im Turm 102 auftreten, z. B. Lambda/2. Diese sind aber immer den Lambda/4-Schwingungen überlagert.
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Durch die Verwendung eines Drehratesensors 108, der in drei Achsen die Drehrate misst, kann unabhängig vom Einbauort – dies stellt einen großen Vorteil gegenüber der Beschleunigungsmessung dar – die Gondelschwingung und die Torsion des Turmes 102 erfasst werden. Die Drehrate ist als Geschwindigkeitssignal in Grad/Sekunde auch deshalb gut geeignet, da durch einmalige Integration – bei Beschleunigungs-Signalen sind zwei Integrationen mit entsprechenden Driften und Fehlern nötig – auf die Auslenkung des Turmes 102 zurückgerechnet werden kann. Durch Differenzierung der Drehrate kann die Drehbeschleunigung und deren Dynamik ermittelt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Drehratesensor 108 mit mindestens einer oder zwei, vorzugsweise drei Messachsen eingesetzt. Zur Veranschaulichung liegt die x\y-Ebene parallel zur Erdoberfläche und x zeigt in Richtung des Triebstrangs 106. Die z-Achse zeigt nach oben in Verlängerung des Turmes 102. Eine Drehrate ωz misst damit die Torsion, während die Drehraten ωx und ωy die Bewegung auf den kurzen Kreissegmenten quer und längs mit dem Triebstrang 106 abbilden.
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Durch Superposition und Übersprechen der Kanäle kann jede Bewegung der Gondel 104 genau erfasst werden. Während Beschleunigungssensoren typisch einige mg auflösen können, kann mit dem Drehratesignal etwa 0,1°/s und besser aufgelöst werden. Dies entspricht der Geschwindigkeit eines Minutenzeigers einer Uhr. Die Erdbeschleunigung ist von vornherein eliminiert. Damit sind Drehratesensoren 108 deutlich genauer als Beschleunigungssensoren. Durch die Eigenschaft der Drehratesensoren 108, dass im Gegensatz zur Beschleunigungsmessung die Drehratemessung nicht im Schwerpunkt der Gondel 104 stattfinden muss um die Bewegung des Masseschwerpunktes der Gondel 104 zu bestimmen – die Gondel bewegt sich ohnehin auf einer durch die Turmmechanik vorgegebenen Fläche – ergeben sich neue Freiheitsgrade für den Verbau des Sensors 108.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel verfügt der Sensor 108 über einen Mikrocontroller μC, mit dem einfache Berechnungen wie FFT zur Frequenzanalyse oder Integrationen zur Schwingweitenbestimmung umgesetzt werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel verfügt der Sensor 108 vorzugsweise über ein, zwei, besonders bevorzugt drei Beschleunigungsmesselemente, mit deren Hilfe der Sensor 108 beim Einbau bezüglich seiner Einbaurichtung kalibriert werden kann. Die Kalibrierdaten werden in einer Steuerung, vorzugsweise natürlich im Sensor 108 selbst hinterlegt und über den Mikrocontroller μC bei der Berechnung der Bewegung der Gondel 104 in einem gewählten Koordinatensystem berücksichtigt.
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Vorteilhaft werden Überschreitungen von kritischen Grenzwerten der Schwingung erkannt, bewertet und entsprechend vom Signalausgang des Sensors 108 oder der Vorrichtung 110 an eine Elektronik oder Steuerung oder an eine Aktorik übergeben, beispielsweise um ein Abschalten der Anlage zu veranlassen.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erfassung einer Schwingung einer auf einem Turm angeordneten Einrichtung, beispielsweise der in 1 gezeigten einer Gondel einer Windkraftanlage. In einem Schritt des Einlesens 202 wird zumindest ein Drehratensignal eingelesen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele können ein, zwei oder beispielsweise drei Drehratensignale eingelesen werden, die je eine Drehrate repräsentieren. In einem Schritt des Bestimmens 202 wird unter Verwendung des zumindest einen Drehratensignals die Schwingung der Einrichtung bestimmt.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Der beschriebene Ansatz ist für alle Windenergieanlagen sowie Großanlagen, wie Kräne oder Türme einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- Turm
- 104
- Einrichtung (Gondel)
- 106
- Triebstrang
- 108
- Drehratensensor
- 110
- Vorrichtung zum Erfassen einer Schwingung
- 202
- Schritt des Einlesens
- 204
- Schritt des Bestimmens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1020100216423 A1 [0003]
