Distante Vibrationsmessung von Windenergieanlagen im Betrieb (WEALyR)

Ein Laser auf einem Schwenk-Neigekopf strahlt in Richtung eines Windraftrad-Rotors
© Fraunhofer IOSB, indigo
Der Messaufbau mit Laser auf einem Schwenk-Neige-Kopf ermöglicht die distante Vibrationsmessung an Rotoren von Windenergieanlagen.
Schematische Darstellung der Messanordnung

Ausgangssituation

Anhand der Geräusche, die unser Auto, die Waschmaschine oder der PC-Lüfter von sich geben, zeigt uns bereits die Alltagserfahrung, wie viel Information im Vibrationsverhalten von Geräten über deren Funktionsstatus enthalten ist. Daher nutzen Condition-Monitoring-Systeme zur Überwachung technischer Anlagen u. a. häufig Vibrationssensoren, deren Detektionsvermögen meist einen deutlich breiteren Frequenzbereich abdeckt als das menschliche Ohr. Auch Sensoren in modernen Windenergieanlagen (WEA) liefern anhand des Schwingungsverhaltens wertvolle Daten zum Zustand und zu den Eigenschaften einer Anlage. So können im Betrieb mögliche Schäden erkannt oder beim Anlagendesign gefährliche Resonanzen oder störende Geräuschentwicklung eliminiert werden.

Aufwand und Kosten limitieren jedoch die Anzahl der Sensoren, mit der eine WEA sinnvollerweise bestückt werden kann. Messdaten sind somit auf eine begrenzte Menge ausgewählter Positionen beschränkt. Daneben lassen sich für den Dauerbetrieb fest integrierte Vibrationssensoren besonders in den Rotorblättern im späteren Betrieb bei einem Ausfall oft nicht ersetzen.

Projektidee und Anforderungen

Das Fraunhofer IOSB entwickelt ein Messsystem, das die Schwingungen aus einer Entfernung von 200 m bis 500 m völlig unabhängig von der WEA erfassen kann. Es benötigt weder Kontakt zur Anlage, noch sind daran Änderungen für die Messung notwendig. Die Basis des Verfahrens bildet die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Hiermit kann prinzipiell an jedem beliebigen Punkt der Außenoberfläche der WEA ein Vibrationssignal abgegriffen werden. So ermöglicht die LDV bei Bedarf auch eine Vibrationserfassung mit sehr hoher räumlicher Auflösung.

Das besondere Augenmerk des Projektes liegt auf der Vermessung der Vibrationen der drehenden Rotorblätter im laufenden Betrieb. Dafür muss der Laserfleck des LDV jeweils für einige Sekunden der Drehbewegung der gewünschten Messposition nachgeführt und dort auf wenige Zentimeter genau stabilisiert werden. Das Laser-Doppler-Vibrometer ist zu diesem Zweck auf einen Schwenk-Neige-Kopf (SNK) montiert, eine um Horizontal- und Vertikalachse mit hoher Winkelpräzision drehbare Trägerplattform.

Die Herausforderungen im Projekt bestehen in der Entwicklung einerseits eines Vibrometers, das zur Vermessung eines bewegten Objektes geeignet ist, und andererseits eines Trackingverfahrens für die Erfassung der Rotorbewegung und Ansteuerung des SNK.

Das Video veranschaulicht das Funktionsprinzip der Vibrationsmessung aus der Ferne.

 

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Hintergrundinfos und Details

Das Trackingsystem basiert auf einer stationären Kamera, die den Rotor formatfüllend erfasst. Als erster Schritt muss im Bild dieser Kamera das Windrad vom Hintergrund getrennt werden. Dies erfolgt im Wesentlichen durch die Differenzbildung aufeinanderfolgender Bilder im Videostrom. Stationäre und somit in zwei Bildern identische Elemente löschen sich aus, übrig bleiben bewegte Objekte wie die Rotorblätter.

Im zweiten Schritt werden die Rotorblattspitzen detektiert und daraus der Bewegungsablauf des Rotors im Raum ermittelt. Die gesamte Bildverarbeitung muss in Echtzeit ablaufen. Aufgrund der unvermeidbaren Latenzzeiten der Datenverarbeitung und des Regelungssystems für die SNK-Steuerung, muss die Rotorblattposition für ein kleines Zeitintervall in die Zukunft vorausgesagt werden. Dazu wird anhand der detektierten Rotorblattbewegungen im Rechner ein dynamisches 3D-Modell des Windrads aufgebaut und kontinuierlich aktualisiert. Die Projektion des 3D-Modells auf die Detektorebene ergibt die benötigten Azimut- und Elevationswinkel zur Ansteuerung des SNK.

Zusätzlich wird im Kamerabild der Laserfleck des Vibrometers detektiert und seine Ist-Position mit der gewünschten Soll-Position verglichen. Die Abweichung fließt als Korrektur in die Regelung des SNK ein und kompensiert u. a. leichte Verzerrungen durch die Kameraoptik, Parallaxenfehler und schwer auszugleichende Trägheits- und Drehmomente des Aufbaus.

Um die Detektion des Messlaserflecks des Vibrometers zu ermöglichen, kommt für das Trackingverfahren eine SWIR-Kamera zum Einsatz (SWIR = Short Wave Infra Red, kurzwelliges Infrarot). Passende optische Filter (Bandpass) sorgen für ein ausgeglichenes Kontrastverhältnis zwischen Laser- und Umgebungshelligkeit im Bild, sodass Laserfleck und Rotorblätter gleichermaßen detektiert werden können.

© Fraunhofer IOSB

Der so genannte Doppler-Effekt beschreibt die geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung einer Lichtwelle, wenn sie von einem relativ zum Beobachter bewegten Objekt ausgesandt oder reflektiert wird. Ein Laser-Doppler-Vibrometer nutzt diesen Effekt, indem es die Frequenz seines ausgesandten Laserstrahls mit dem Licht vergleicht, das ein zu vermessendes Objekt zurückstreut. Aus der Frequenzverschiebung lässt sich die Relativbewegung zwischen Messgerät und Objekt berechnen.

Eine Vibration ist eine periodische Bewegung und bewirkt somit eine zeitliche Modulation der gemessenen Frequenzverschiebung. Ähnlich wie die Musik beim UKW-Empfang des Radios erhält man die Vibrationsinformation durch eine Demodulation des gemessenen Signalverlaufs.

Kommerzielle Laser-Doppler-Vibrometer besitzen zugunsten der Augensicherheit keine ausreichende Laserleistung für die hier notwendige Messdistanz von mehreren hundert Metern. Daneben können mit solchen Vibrometern keine drehenden Rotorblätter abgescannt werden, denn die Eigenbewegung der Blätter führt zu einer zusätzlichen makroskopischen Doppler-Verschiebung. Nicht nur deren Betrag ist um ein Vielfaches größer als bei den zu messenden Vibrationen, zudem ändern sich ihr Wert und Vorzeichen beständig mit der Drehung des Rotors in hohem Tempo. Damit überschreitet das Signal einerseits die Bandbreite üblicher Empfänger und lässt sich andererseits aufgrund des schnell veränderlichen Frequenzoffsets nicht einfach demodulieren.

Das im Projekt aufgebaute Laser-Doppler-Vibrometer arbeitet bei einer Laserwellenlänge von 1,5 µm. So ist auch eine höhere Ausgangsleistung noch augensicher, die größere Messentfernungen ermöglicht. Zur Behandlung der makroskopischen Doppler-Verschiebung aufgrund der Rotoreigenbewegung werden verschiedene Konzepte genutzt. Bei der ursprünglichen Entwicklung am Laborsystem führte eine elektronische Regelschleife den Frequenzoffset des Empfängers kontinuierlich der Frequenzverschiebung nach, die durch die Messobjektbewegung entsteht. In Feldmessungen an großen WEA kamen A/D-Wandler mit ausreichender Bandbreite für die Aufnahme auch der makroskopischen Frequenzverschiebung zum Einsatz. Eine digitale Signalauswertung ermöglicht anschließend die Trennung und Analyse von Eigenbewegung und Vibrationsinformationen.

 

  • Vibrationsmessungen im laufenden Betrieb, unter realen Umweltbedingungen.
  • Berührungsfreie Vermessung aller sichtbaren Anlagenkomponenten
  • Keine Vorkehrungen oder Veränderungen an der Windenergieanlage notwendig
  • Abtastung von Schwingungsmoden mit hoher räumlicher Auflösung
  • Erfassung von Spektren im Bereich der Größenordnung 10 Hz bis 1 kHz
  • Empfindlich auch für sehr kleine Amplituden bis wenige 10 µm

 

  • Hochaufgelöste Vibrationsdaten zur Validierung von Simulationsmodellen
  • Strukturelle und aerodynamische Optimierung von Rotorblättern
  • Bewertung des strukturellen Anlagezustandes - Laufzeitverlängerung oder Repowering?
  • Erkennung neuer, noch verdeckter Schäden durch regelmäßige Kontrollmessungen
  • Lokalisation und Analyse von Quellen veränderten Vibrationsverhaltens/Schäden
  • Identifikation und Quantifizierung von Schallemissionen und ihren Quellen im Betrieb

 

Beteiligte Abteilungen / Forschungsgruppen des Fraunhofer IOSB

Die Abteilung Optronik (OPT) ist mit zwei Gruppen an der distanten Vibrationsmessung beteiligt: Die Gruppe Lasersensoren  entwickelt das Laser-Vibrometer, die Gruppe Optronische Sensorsysteme ist für die Projektkoordination und das Zusammenspiel der Komponenten zuständig.

In der Abteilung Objekterkennung (OBJ) entwickelt die Gruppe Tracker und Trackerbewertung die Bildverarbeitungsmethoden und die Echtzeitsteuerung des Schwenk-Neige-Kopfes.

In beiden Abteilungen werden Methoden zur Analyse verschiedener Aspekte der gewonnenen Vibrationsdaten untersucht.

 

Publikationen

Hier finden Sie eine Übersicht und Links zu Publikationen in Fachjournalen, Konferenzbeiträgen und weiteren Veröffentlichungen aus dem Fraunhofer IOSB zum Thema distante Laser-Vibrationsmessung an Windenergieanlagen.

Abteilung Objekterkennung (OBJ)

Die Abteilung entwickelt und evaluiert Algorithmen zur automatischen Objekterkennung und Objektverfolgung in Sensornetzen.

 

Weitere Informationen

Projektlaufzeit: 2019-2022 (Vorgängerprojekte seit 2011)

Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

 

Projekthistorie und Zukunftspläne

Das Fraunhofer IOSB erforscht die distante Vibrationsmessung an Windenergieanlagen seit 2010. Unter dem folgenden Link finden Sie einen kurzen Abriss der Entwicklung und einen Ausblick auf ungelöste Fragen.

Abteilung Optronik (OPT)

Die Kompetenzen dieser Abteilung liegen in den Bereichen Entwicklung, Optimierung und Evaluierung aktiver und passiver optonischer Systeme.