5 Motoren Allradprüfstand für Antriebsstranguntersuchungen
Final Report Abstract
Verbesserung des Betriebsverhaltens von On-Shore Windenergieanlagen mit Hilfe eines neuartigen Systemprüfstandes: In der ersten Phase des Projektes stehen die Entwicklung und die Nutzung des 1 MW Systemprüfstandes für Windenergieanlagen (WEA) im Fokus. Der neuartige Ansatz zur Untersuchung der WEA als Gesamtsystem ergibt sich aus der interdisziplinären Betrachtung des Antriebsstranges einer Windenergieanlage, bestehend aus mechanischem Antriebsstrang, Generator mit Umrichter, Gondelrahmen sowie Leistungsregelung und Anlagensteuerung unter reproduzierbaren und flexibel einstellbaren Windlasten an der Rotornabe und Netzlasten am Generator. Eine WEA (Nennleistung 850 kW) mit aufgelöstem Triebstrangkonzept wurde als Hardware in the Loop (HIL) Komponente in die Prüfstandsumgebung eingebracht und mit der herstellereigenen, nicht modifizierten Betriebsstrategie in allen Betriebspunkten betrieben und vermessen. Hierzu wurde der Allradprüfstand um einen Windlastsimulator für zusätzlich 4 nichtdrehende Freiheitsgrade erweitert. Unter Aufprägung von mechanischen Lasten in fünf Freiheitsgraden und realitätsnahen Netzlasten wurde es erstmals möglich, die dynamisch wirkenden Lasten im Antriebsstrang von Windenergieanlagen systematisch zu analysieren. Die Ergebnisse können zur Verbesserung der Verfügbarkeit der Gesamtanlage verwendet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die Einbindung einer WEA in eine Systemprüfstand, der Echtzeit-Berechnung der Windlasten im HIL-Betrieb und der erforderlichen Dynamik der servohydraulischen Belastung sowie der Leistungselektronik fließen in die Projektierung und den Bau eines Systemprüfstandes mit einer Leistung von 4 MW ein. Gefördert durch das Ziel-2-Programm NRW 2007-2013 (EFRE): „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung“. Grüner Radlader: Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Erprobung neuer Antriebs- und Steuerungstechnologien für mobile Arbeitsmaschinen zur Steigerung der Energieeffizienz bei mindestens gleichbleibender Funktionalität und Bedienerfreundlichkeit. Unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen der Industrie erfolgt eine Bewertung energieeffizienter Antriebslösungen für die einzelnen Funktionsbereiche (Arbeitshydraulik, Fahrantrieb, Energiespeicher und Verbrennungsmotor). Die Vorzugslösungen werden zu einem Antriebssystem mit einer übergeordneten Maschinensteuerung zusammengeführt und in einen Demonstrator integriert. Das Demonstratorfahrzeug ist hierbei ein Radlader mit 200 kW Antriebsleistung. Im Antriebssystem dieser Maschine stehen die genannten Subsysteme in enger Wechselwirkung zueinander, weshalb ein besonderes Augenmerk auf der Analyse dieser Wechselwirkungen und deren gezielter Beeinflussung zur Steigerung der Energieeffizienz liegt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird der Prüfstand für Versuche mit dem Antriebsstrang in aufgelöster Bauweise genutzt, um das Leistungsmanagement mit Leistungsverzweigungsgetriebe und Hybridmodul zu analysieren. Abschließend kommt der Prüfstand zur Ermittlung des Kraftstoffverbrauches des gesamten Radladers mit dem neu entwickelten Antriebskonzept zum Einsatz, um die Vorteilhaftigkeit im Vergleich zur heutigen Antriebstechnik nachzuweisen. 4WD-Antriebstranguntersuchung: Die Inbetriebnahme des Prüfstandes erfolgte anhand eines 4WD-Antriebsstrangs eines Radladers. Der Aufbau des Antriebsstrangs bestand hierbei aus einem Schaltgetriebe mit Drehmomentwandler und den beiden Achsen. Der Antrieb erfolgte über den 1 MW-Motor der den Verbrennungsmotor des Radladers ersetzte. Die Lasteinheiten wurden in diesem Aufbau im Betriebsmodus der Straßenlastsimulation betrieben. In diesem Modus werden die im praktischen Einsatz auftretenden Fahrwiderstände in einem in der Prüfstandssteuerung hinterlegten Simulationsmodell berechnet und dem Antriebsstrang aufgeprägt. Eine überlagerte Drehmomentregelung stellt dabei sicher, dass keine unerwünschten Verspannungen im Antriebsstrang auftreten können. Es wurden sowohl Zug- und Schubbetrieb als auch Kurvenfahrten realisiert.
Publications
- „Drum prüfe wer sich bindet - Untersuchung der Energieeffizienz von mobilen Arbeitsmaschinen an der RWTH Aachen“. Mobile Maschinen 4/2011
G. Jacobs, Markus Bach, Dominik Radner
- Advances in wind turbine and component testing. 2/2012 - Intenationale Energieargentur,Topical Expert Meeting #68 Aachen
G. Jacobs, R. Schelenz
- Center for Wind Power Drives: Interdisziplinäre Forschung zum Betriebsverhalten von Onshore Windkraftanlagen auf einem neuartigen Systemprüfstand. 4/2012 - Hannover Messe, VDMA, Spitzentechnologie aus NRW
D. Bosse
- Demands on dynamics of load application systems for full scale ground testing of 1 MW wind turbines. 10/2012 - Deutsche Windenergiekonferenz (DEWEK), Bremen
R Schelenz, D. Radner, D. Bosse
- Drivetrain Test Rig for Wind Turbines. 9/2012 - 8th PhD Seminar on Wind Energy in Europe (EAWE)
Jassmann, Reiter, Abel
- F&E Werkzeuge für WEA-Antriebsträng. 9/2012 - Fachkongress des Landes NRW, Husum Wind 2012, Windenergie aus Nordrhein-Westfalen
R. Schelenz, F. Barenhorst, D. Bosse
- Innovative Lösungen für den Windmarkt der Zukunft. F&E-Modelle für WEA-Antriebsstränge. 2/2012 - 16. Fachkongress Zukunftsenergien Windenergie, E-World, Essen
R Schelenz, F. Barenhorst, J. Berroth
- Interdisziplinäre Forschung zum Thema On-Shore WEA Antriebsstrang mit Hilfe von Systemprüfständen. 5/2012 - Forum Vision Instandhaltung (FVI) Aachen
D. Bosse
- Projektierung der WEA-Gondelprüfstände in Aachen. 3/2012 - VDMA Arbeitskreis Antriebstechnik in Windenergieanlagen
D. Bosse, R. Schelenz, G. Jacobs
- Systematic breakover of drive technologies - comparison of concepts. VDI Konferenz Getriebe in mobilen Arbeitsmaschinen 2012
G.Jacobs, M. Ramm, F. Straßburger
- Systemtests im Entwicklungsprozess von Windenergieanlagen. 6/2012 - 4. Branchentag Windenergie, Köln
R. Schelenz
- Energieeffiziente Antriebe für Bau- und Landmaschinen. ATZoffhighway April 2013
G.Jacobs
