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Genaue Drehmomentmessung für die Windkraft

Riesen-Drehmomentsensor aus der PTB bringt Präzision vom Labor in den Prüfstand

24.11.2017

Der größte Drehmomentsensor, der je an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) kalibriert worden ist, wurde in einem Teststand in Aachen eingebaut. Mithilfe dieses neuen Transfernormals konnte ein neuer Kalibrierablauf getestet werden, der die Präzision aus der PTB in die Aachener Anlage übertragen soll. Das Ganze findet im Rahmen eines internationalen Projektes statt, an dem mehrere nationale Metrologieinstitute und mehrere Teststandbetreiber beteiligt sind. Mithilfe der Ergebnisse aus der großangelegten Messkampagne wollen die Wissenschaftler zum einen die Genauigkeit herkömmlicher Drehmomentmessungen bestimmen und zum anderen eine allgemeingültige Vorgehensweise empfehlen, damit alle Prüfstände von präzisen Messungen profitieren können. So kommt am Ende die Verbesserung bei den Windkraftanlagen und nicht zuletzt beim Stromkunden an.

Ein PTB-Kollege überprüft die Messtechnik, die an dem Drehmomentsensor befestigt ist, und wechselt die Akkus, die einen eigenständigen Betrieb ermöglichen. (Abb.: Physikalisch-Technische Bundesanstalt & Rheinisch-Westfälische Hochschule Aachen)

Der Aachener Prüfstand mit der Forschungsgondel der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. auf der rechten Seite und dem PTB Drehmomentsensor zwischen den beiden gelben Flanschen. (Abb.: Physikalisch-Technische Bundesanstalt & Rheinisch-Westfälische Hochschule Aachen)

Das neue Transfernormal wiegt 1,8 Tonnen. An seiner Entwicklung, der Kalibrierung und dem aufwendigen Einbau waren alleine in der PTB nicht nur Experten für Windkraftmessungen, sondern auch IT-Fachleute sowie der Wissenschaftliche Gerätebau beteiligt. Die Dimension des Projektes ist so groß wie der Einsatz der Windkraft: Immer mehr und immer komplexere Anlagen werden gebaut. Damit wachsen auch die Anforderungen an die nötigen Messungen.

Damit neuentwickelte Komponenten und Maschinen für Windkraftanlagen effizient und zuverlässig arbeiten, sind viele Tests notwendig. Bisher werden dazu Prototypen unter realen Bedingungen beobachtet. Diese Feldmessungen dauern meist sehr lange, da alle normalen Einsatzmöglichkeiten der Anlagen abgewartet werden müssen. Um sich vom Wind unabhängig zu machen, sind in den letzten Jahren weltweit mehrere große Gondelprüfstände errichtet worden. Hier ist es möglich, unter kontrollierten Bedingungen neue Entwicklungen zu testen. Dazu werden einzelne Komponenten wie Getriebe und Generator oder auch die gesamte Gondel (der obere Teil der Windkraftanlage ohne die Flügel) dem künstlichen Wind ausgesetzt: Ein Motor sorgt für die Rotation, hydraulische Systeme ahmen Winddruck einschließlich Böen nach. Durch die Nähe zum Boden sind viel detailliertere Messungen möglich als bei Feldmessungen.

Neben der Haltbarkeit wird auch die Effizienz der Anlagen bestimmt. Es wird also ermittelt, wie viel Strom wirklich aus dem Wind genutzt werden kann und welche Komponenten noch verändert werden müssen, um das Ergebnis zu verbessern. An dieser Stelle in der Entwicklung ist es häufig wichtig, die Prototypen bis ins letzte Detail zu durchleuchten. Dazu sind hochpräzise Messungen notwendig. Bei rotierenden Anlagen ist das Drehmoment meist der wichtigste Messwert, da es für die Bewegung sorgt. In den hochkomplexen Prüfständen sind solche Messungen derzeit noch nicht gut genug, um allen Anforderungen zu genügen. Hier setzt das EU-Forschungsprojekt „MN ∙ m Torque“ an.

Das Projekt wird vom EMPIR-Programm gefördert, das vom Rahmenprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union sowie von den teilnehmenden Staaten finanziert wird. Es wurde im Herbst 2015 gestartet, läuft über drei Jahre und ist direkt auf Gondelprüfstände zugeschnitten. Drei Betreiber von Testzentren – das Center for Wind Power Drives der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen, das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik und das nationale Zentrum für erneuerbare Energien in Spanien – haben sich mit vier nationalen Metrologieinstituten – aus Deutschland, Spanien, Tschechien und Finnland – zusammengetan. Die Kompetenz der Partner wird genutzt, um die in den nationalen Instituten vorhandene Präzision in die Prüfstände zu bringen. Auch wenn viele Schritte auf diesem Weg theorielastig sind, wird es durch die gemeinsam zur Verfügung stehenden Mittel auch möglich, das Erdachte praktisch zu testen.

Nach diesem ersten erfolgreichen Einsatz des neuen Transfernormals wird im weiteren Verlauf des internationalen Projektes jetzt detailliert untersucht, wie sich die Rotation und die zusätzlichen Windlasten auf die Drehmomentmessung auswirken; Ziel ist ein genauer Einblick in die Technik und die Messunsicherheit des Teststands. Außerdem wird ein „Best Practice Guide“ erstellt, in dem die Durchführung von Teststandkalibrierungen und der Einsatz von Transfernormalen im MN · m-Bereich beschrieben wird. Das entwickelte Transfernormal steht auch nach dem Projekt für Messungen zur Verfügung.
es/ptb

Ansprechpartnerin
Gisa Foyer, PTB-Arbeitsgruppe 1.22 „Darstellung Drehmoment“, Telefon: (0531) 592-1268, E-Mail: Opens window for sending emailgisa.foyer(at)ptb.de