VIB2SE: Entwicklung eines intelligenten Werkzeugs für die Schwingungsanalyse und -vorhersage von großen elektrischen Synchronmaschinen

Auf einen Blick

• Bei der Leistungssteigerung von Windenergieanlagen ist der Generator ein begrenzender Faktor. Eine zentrale technische Herausforderung ist dabei die Strukturdynamik, die von elektromagnetisch angeregten Schwingungen hervorgerufen wird.
• Im Forschungsprojekt VIB2SE wird ein experimentell validiertes Berechnungsmodell entwickelt, um das durch elektromagnetische Kräfte induzierte Schwingungsverhalten großer elektrischer Maschinen bereits in der Entwurfsphase mit geringen Unsicherheiten vorherzusagen.
• Die Projektpartner entwickeln ein physik-informiertes Zustandsüberwachungssystems für Generatoren, das auf den dynamischen Merkmalen basiert, die aus den Messungen im Feld abgeleitet werden, um kontinuierlich den Generatorzustand zu beobachten und folglich die Zuverlässigkeit der Maschine zu erhöhen.
• Das Fraunhofer IWES ist neben der Projektkoordination unter anderem für die Simulation des Antriebsstrangs, die Schwingungsuntersuchungen am Prüfstand und das KI-basierte Zustandsmonitoring verantwortlich.

Herausforderung

Leistung, Zuverlässigkeit und technische Verfügbarkeit einer Windenergieanlage sind wesentliche Einflussfaktoren für die Stromgestehungskosten. Aber während die wachsende Leistung der Generatoren grundsätzlich für eine höhere Stromproduktion der Anlagen sorgt, steigen mit der Größe auch die technischen Anfälligkeiten.

Einer der herausforderndsten Aspekte bei der Leistungssteigerung von Niedrig- und Mitteldrehzahl-Windgeneratoren ist die Strukturdynamik, insbesondere infolge der elektromagnetisch angeregten Schwingungen. Die Vorhersage dieses komplexen multiphysikalischen Problems ist derzeit in der Entwurfsphase des Generators nur begrenzt möglich, sodass dieser Aspekt im Design kaum berücksichtigt werden kann.

In einer Windenergielage treten zudem im Betrieb noch weitere schwingungsrelevante Phänomene auf, etwa Wechselwirkungen des Generators mit anderen Antriebskomponenten oder Netzereignisse, die die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen können. Jeder Ausfall eines Generators im Betrieb führt jedoch zu hohen Kosten durch Reparatur und Ertragsausfällen.

Lösung

Hier setzt das Forschungsprojekt VIB2SE an. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen entwickeln ein experimentell validiertes Tool zur Schwingungsvorhersage großer elektrischer Maschinen bereits in der Entwurfsphase sowie ein intelligentes, physik-informiertes Zustandsüberwachungssystems, basierend auf den dynamischen Merkmalen abgeleitet aus Messungen im Feld.

Dazu wird eine Simulationskette entwickelt, die strukturelle und elektromagnetische Modelle integriert, um Schwingungsvorhersagen für Generatoren im Antriebsstrang von Windenergieanlagen zu ermöglichen. Experimentelle Tests und Messungen am 30-MW-Prüfstand des Fraunhofer IWES tragen dazu bei, eine Methode zur Betriebsmodalanalyse zu entwickeln, die auf Hochleistungsmaschinen zugeschnitten ist. Am Ende steht ein KI-gestütztes Zustandsüberwachungssystem, das die Zuverlässigkeit des Antriebsstrangs deutlich erhöht.

Mehrwert

VIB2SE zielt darauf ab, Vibrationen bereits während der Konstruktion zu reduzieren und während des Betriebs zu überwachen. So verbessern die Ergebnisse nicht nur die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Windenergieanlagen, sondern sie leisten auch einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von Hochleistungs-Generatoren der 15-MW-Klasse.