Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei Windkraftanlagen ist das Getriebe eine Hauptschallquelle. Unter ung\u00fcnstigen Umst\u00e4nden kommt es zur Ausbildung sogenannter tonaler Komponenten. Diese K\u00f6rperschallanteile, welche sich auch durch eine sorgf\u00e4ltige Auslegung des Gesamtsystems nicht sicher vermeiden lassen, sind unzureichend ge-d\u00e4mpft und pflanzen sich bis in den Turm fort. Die gro\u00dfe Turmoberfl\u00e4che strahlt den K\u00f6rperschall an die Umgebung ab. Grenzwerte insbesondere unter Beachtung der immissionsschutzrechtlich vorgeschriebenen sog. Tonzuschl\u00e4ge k\u00f6nnen dann nicht eingehalten werden. Mit dem Vorhaben soll ein aktiver Schwingungstilger entwickelt werden, welcher die St\u00f6rschall\u00fcbertragung vom Getriebe in den Turm verringert. Das System ist so angelegt, dass es in bestehende Anlagen nachger\u00fcstet werden kann. Die Ein-haltung der Immissionsschutzrichtlinien soll durch die Nachr\u00fcstung erm\u00f6glicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurde ein Funktionsmuster eines aktiven Tilger zur Unterdr\u00fcckung tonaler Komponenten auf Basis von Piezostapelaktoren entwickelt. Zur Spezifikation der Anforderungen an solch ein System wurde von der REpower Systems AG eine Anlage mit Tonhaltigkeit f\u00fcr Messungen zur Verf\u00fcgung gestellt. F\u00fcr diese Anlage wurde anhand von Schallemissionsmessungen der Ist-Zustand ermittelt. Erg\u00e4nzend dazu erfolgten zur Charakterisierung der \u00dcbertragungspfade Schwingungs- und K\u00f6rperschallmessungen am Maschinensatz (SBI). Anhand dieser Messungen und eines FE-Modelles erfolgte die Auslegung des aktiven Tilgers (IWU und ESM). Alternativ dazu wurde das Konzept eines adaptiven Tilgers gepr\u00fcft. Mit dem ersten Meilenstein am Ende des ersten Projektjahres wurden die Erfolgsaussichten eines aktiven Tilgeransatzes als erfolgversprechend bewertet. Die Ergebnisse sind in einem Zwischenbericht dargestellt. Im zweiten Projektjahr wurde ein Funktionsmuster des Tilgers mit einem ange-passten Regelungskonzept realisiert (IWU). Zus\u00e4tzlich wurde ein Laborversuchsstand zum Test des Funktionsmusters im Originalma\u00dfstab aufgebaut. Die Erprobung des Funktionsmusters im Laborversuch konnte erfolgreich abgeschlossen werden. (Meilenstein 2). Zus\u00e4tzlich wurde der aktive Ansatz im Labor-versuch mit passiven Schwingungstilgern der Firma ESM verglichen. F\u00fcr die Umsetzung der Regelalgorithmen wurde eine Mikrocontrollerbasierte Hardware geschaffen (IBZI).<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Bei der im Rahmen des Projektes vermessenen Anlage erfolgt die Schwingungs\u00fcbertragung dominierend \u00fcber die Momentst\u00fctzen des Getriebes auf den Maschinentr\u00e4ger. Sowohl auf den Klemmbl\u00f6cken als auch auf den Momentst\u00fctzen weisen die dynamischen Wechselkr\u00e4fte in allen drei Raumrichtungen in der Tonfrequenz \u00e4hnliche Gr\u00f6\u00dfenordnungen auf. Deshalb sind als Einsatzorte f\u00fcr die Funktionsmuster Punkte auf dem Maschinentr\u00e4ger bestimmt worden, wo maximale Schwingamplituden senkrecht zur Struktur auftreten.
\nErg\u00e4nzend wurden anhand von FE- Rechnungen relevante Schwingformen bestimmt, welche f\u00fcr die Auspr\u00e4gung der tonalen Komponenten im Emissionsspektrum in Frage kommen. Diese wurden mit den Messungen abgeglichen.
\nDas Funktionsmuster des aktiven Tilgers wurde so ausgelegt, dass es den gesamten Frequenzbereich, in welchem vom Getriebe verursachte tonale Komponenten auftreten k\u00f6nnen, abdecken kann. Dazu wurde die Tilgermasse modular ausgef\u00fchrt. Damit auch der untere Frequenzbereich trotz hoher Aktorsteifigkeit abgedeckt werden kann, wurde eine zus\u00e4tzliche, zu den Aktoren seriell angeordnete Steifigkeit im tragenden Rahmen des Tilger realisiert. \u00dcber diese M\u00f6glichkeiten erfolgt die grundlegende Frequenzabstimmung des Systems. Insgesamt wurde bei der Auslegung auf eine robuste Realisierung und einfache Montage geachtet. Zur Schwingungsmessung wurden sowohl Beschleunigungssensoren als auch Dehnmessstreifen auf den Piezoaktoren genutzt. Mit beiden Messprinzipien wurden vergleichbare Ergebnisse erzielt.
\nF\u00fcr die Umsetzung der verwendeten Regelalgorithmen wurde st\u00f6rsichere Signalverarbeitungselektronik entwickelt. Diese besteht aus einem Eingangsmodul zur Erfassung von Messsignalen, der eigentlichen Signalverarbeitung in Form eines CPU – Moduls mit einem Mikrocontroller und einem Ausgangsmodul zur Ausgabe der Stellsignale an die Leistungsverst\u00e4rker der Piezoaktoren. Das System ist von einem PC aus programmierbar, so dass Anpassungen und Optimierungen in den Algorithmen vorgenommen werden k\u00f6nnen.
\nZum Funktionsnachweis im Labor wurde ein Versuchsstand realisiert. Dazu wurde ein Stahlfundament auf Federelemente aufgestellt und so abgestimmt, dass eine Eigenfrequenz mit der Frequenz der vermessenen Anlage \u00fcbereinstimmt. Da der Versuchsaufbau weitere deutliche Resonanzen aufweist, wie es bei technischen Systemen immer der Fall ist, war eine praxisnahe Erprobung m\u00f6glich. Durch die hohe Masse des Pr\u00fcfstandes konnte das aktive Tilgersystem im Originalma\u00dfstab untersucht werden.
\nF\u00fcr die Inbetriebnahme, f\u00fcr Experimente und den Funktionsnachweis wurde das Stahlfundament \u00fcber einen elektrodynamischen Schwingerreger zu Schwingungen angeregt. \u00dcber auf der Struktur verteilte Beschleunigungssensoren und Schwinggeschwindigkeitssensoren wurde die Wirkung des aktiven Systems vermessen. Eine deutliche D\u00e4mpfung der urspr\u00fcnglichen Resonanz konnte nachgewiesen werden.
\nEs wurden vergleichende Messungen mit passiven, ged\u00e4mpften Schwingungstilgern der Firma ESM durchgef\u00fchrt. Dabei wurde ein Tilger mit einer vergleichbaren Masse und ein weiterer mit der dreifachen Masse eingesetzt. Es konnte gezeigt werde, dass das aktive System eine vergleichbare Wirkung wie ein passives System mit deutlich h\u00f6herer Tilgermasse entfalten kann.
\nMit dem im Rahmen des Projektes entwickelten Funktionsmuster steht ein aktives System zur Unterdr\u00fc-ckung tonaler Komponenten in WEA zur Verf\u00fcgung. Um das System in die Anwendung zu \u00fcberf\u00fchren, sind Feldversuche erforderlich.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse aus dem Projekt wurden auf der Wind Turbine Noise 2007, dem Adaptronic Congress 2007 und dem International Symposium on Piezocomposite Applications 2007 vorgestellt. Eine Zeitschriften-ver\u00f6ffentlichung erfolgte im Umweltmagazin M\u00e4rz 2008. Der breiten \u00d6ffentlichkeit wurde das Projekt auf der Woche der Umwelt 2007 vorgestellt. Zus\u00e4tzlich wurde \u00fcber das Projekt im Jahresbericht 2007\/2008 des Fraunhofer IWU und im Newsletter der Fraunhofer Allianz Adaptronik berichtet.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurde ein Funktionsmuster zur Unterdr\u00fcckung tonaler Komponenten entwickelt. Dabei umfasst das System den mechanischen Aktor, die Sensorik sowie eine Elektronik zur Sig-nalverarbeitung, welche die Regelalgorithmen umsetzt. Das System wurde im Laborversuch erprobt und die Funktion nachgewiesen. Dank des aktiven Ansatzes k\u00f6nnen deutlich geringerer Tilgermassen als bei einem passiven Tilger verwendet werden.
\nHauptaufgabe f\u00fcr weiterf\u00fchrende Arbeiten wird der Funktionsnachweis auf einer Windenergieanlage sein. Im Erfolgsfall sollte das System auf weiteren Anlagen, getestet werden, damit das System f\u00fcr die verschiedenen Auspr\u00e4gungen von Tonalit\u00e4t angepasst werden kann. Die Entwicklung von der Problemstellung angepassten Leistungsverst\u00e4rkern sollte ebenfalls Inhalt weiterf\u00fchrender Arbeiten sein.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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