Wartung von Generatoren

Warum sich die Wartung von Windkraftanlagen von der üblichen industriellen Instandhaltung unterscheidet.

Windkraftanlagen stellen Wartungstechniker vor eine Reihe von Herausforderungen, die in einer herkömmlichen Industrieanlage keine Entsprechung finden. Der Zugang erfordert das Aufsteigen auf die Höhe der Gondel, typischerweise 60 bis 100 Meter, und der Arbeitsraum im Inneren der Gondel ist beengt. Jede Komponente, die zum Austausch hochgebracht wird, und jedes Werkzeug, das vor Ort verwendet wird, verursacht Kosten in Form von Technikerzeit und Turmzugang, die um Größenordnungen höher sind als bei vergleichbaren Arbeiten in der Werkstatt.

Dies verändert die Wirtschaftlichkeit von Wartungsentscheidungen grundlegend. Eine Kohlebürste, die am Boden mit nur wenigen Minuten Arbeitsaufwand ausgetauscht werden kann, erfordert bei einer Windkraftanlage einen vollständigen Einsatz auf dem Turm. Eine unerwartet ausfallende Schleifringbaugruppe nimmt die Anlage vom Netz und löst einen Notfalleinsatz zu hohen Kosten aus. Das Ergebnis ist, dass die beiden Ziele der Windkraftanlagenwartung nicht einfach darin bestehen, „zu reparieren, was kaputtgeht“, sondern vielmehr darin, die Wartungsintervalle so weit wie möglich zu verlängern und ungeplante Ausfälle vollständig zu vermeiden.

Eine weitere Komplikation ist die Einwirkung der Umgebungsbedingungen. Die Temperaturen in der Gondel reichen von Minusgraden an Standorten in kalten Klimazonen bis zu über 50 Grad Celsius im Sommer, die Luftfeuchtigkeit ist oft hoch, und es herrschen ständige Vibrationen durch den Antriebsstrang. An jeder elektrischen Kontaktfläche im Generator und in der Nabe sammeln sich Verunreinigungen, Oxidation und mechanische Belastungen an, die eine Komponente in einer kontrollierten Werksumgebung nicht beeinträchtigen würden.

Bei der Wartung von Windkraftanlagen geht es in erster Linie um drei rotierende elektrische Systeme, von denen jedes seine eigenen Verschleißmechanismen, Ausfallarten und Wartungsanforderungen aufweist.

1. Schleifring- und Kohlebürstensystem des Generators

Bei einem doppelt gespeisten Induktionsgenerator (DFIG) überträgt die Schleifringbaugruppe den Rotor-Erregungsstrom zwischen dem stationären Leistungsumrichter und der rotierenden Wicklung. Sie ist eine der am stärksten verschleißanfälligen Kontaktstellen der Maschine. Auf der Oberfläche des Schleifrings sammeln sich Kohlenstoffstaub und Oxidationsprodukte an, der Bürstendruck schwankt mit fortschreitendem Bürstenverschleiß, und es kommt zu einer Wärmeentwicklung, wenn sich die Kontaktqualität verschlechtert. Bleibt dies unbeachtet, führt dies zu einem fortschreitenden Anstieg des Widerstands, steigenden Betriebstemperaturen, thermischen Lagerschäden am NDE (Non-Drive End) und schließlich zu einem Überschlag oder einem vollständigen Ausfall der Bürsten.

Die Wartung dieses Systems umfasst die Inspektion und den Austausch der Bürsten, die Reinigung und Aufarbeitung der Schleifringoberfläche, die Inspektion der Bürstenhalter sowie die Überprüfung der Anschlussklemmen. Die Intervalle hängen stark von der Bürstenqualität und dem Ringmaterial ab: Bei Edelstahlringen mit Standardqualitäten kann alle 12 bis 18 Monate ein Eingriff erforderlich sein, während sich bei Bronzeringen in Kombination mit optimierten Bürstenqualitäten die Zeit zwischen den Bürstenwechseln auf über vier Jahre verlängern lässt. Einen vollständigen Vergleich der Ringmaterialien und ihrer Auswirkungen auf die Wartung finden Sie auf der speziellen Seite zu Schleifringen für Windkraftanlagen.

2. Schleifring-System zur Drehzahlregelung (Naben-Schleifring)

Das Pitch-Steuerungssystem basiert auf einem Signal- und Leistungsübertragungssystem (SPTS), auch als Naben-Schleifring oder Pitch-Steuerungs-Schleifring bezeichnet, das in der Nabe montiert ist, um sowohl Leistung als auch Steuersignale zwischen der stationären Gondel und der rotierenden Nabe zu übertragen. Dieses System treibt die Pitch-Motoren an, die den Blattwinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit anpassen, und überträgt sicherheitskritische Signale: Ein Ausfall an dieser Stelle kann das Ausfedern verhindern und einen Notstopp auslösen.

Die Wartung des SPTS umfasst die Reinigung der Kontaktflächen, die Überprüfung der Kohlebürsten oder Drahtkontakte, die Überprüfung der Dichtungsintegrität sowie die Überprüfung der Anschlüsse. Je nach System kann die Wartungshäufigkeit der SPTS-Einheiten von Mersen zwischen einmal pro Jahr und alle zwei Jahre variieren. Systeme, die mit kapazitiven oder faseroptischen Signalkanälen für die Datenübertragung ausgestattet sind, sind in Bezug auf diese Kanäle wartungsfrei, doch die Leistungskontakte, die die Blattbeheizung und die Ströme der Pitch-Motoren versorgen, erfordern weiterhin eine regelmäßige Überprüfung. Modelle wie das USDK656 für GE 1,5 MW (ohne ESS), das USDK686 für GE 1,5 MW (mit ESS), das USDK704 für GE 2,X und das USDK729 für Suzlon S-64/S-88 sind alle mit abnehmbaren Abdeckungen und gut zugänglichen internen Anschlüssen ausgestattet, um die Eingriffszeit vor Ort zu minimieren.

3. Erdungs- und Überspannungsschutzsystem

Das Erdungsbürstensystem schützt Lager vor Streuströmen an der Welle und leitet durch Blitzschlag verursachte Überspannungen ab. Diese Bürsten werden in Wartungsplänen oft übersehen, da sie bei allmählichem Verschleiß keine direkten Auswirkungen auf die Produktion haben; Lagerschäden durch Wellenströme sind jedoch eine gut dokumentierte und kostspielige Ausfallursache. Bei Erdungssystemen für Rotorwellen sollte die Kontaktfläche regelmäßig überprüft und gereinigt werden. Es stehen mehrere Wartungsoptionen zur Verfügung, und einige Wartungsmaßnahmen sind unkompliziert: Sichtprüfung, Verschleißmessung und Austausch, bevor die Bürste ihre Mindestlänge erreicht. 

Die Vor-Ort-Wartungsdienste von Mersen für Windkraftanlagen werden im Rahmen des Windtracker®-Programms erbracht, einem speziell für Onshore-Windparks entwickelten Serviceangebot. Die Windtracker®-Teams bestehen aus Fachexperten für Signal- und Energieübertragungssysteme und verfügen über fundierte Kenntnisse in den Bereichen Tribologie von Kohlebürsten, Wartung von Wechselstromgeneratoren, Gleichstrom-Pitchmotorsystemen und Blitzschutz.

Der Windtracker®-Service folgt einer 8-stufigen Methodik: umfassende Diagnose vor Ort, Berichterstattung an das F&E-Team, Entwicklung von Lösungen, Einbau und Inbetriebnahme modernisierter Komponenten sowie Nachüberwachung. Der Ansatz zielt darauf ab, die technische Ursache eines Wartungsproblems zu beheben, anstatt lediglich verschlissene Teile planmäßig auszutauschen. Er ist zudem auf Effizienz bei Arbeiten auf dem Turm ausgelegt: Jeder Einsatz wird mit den richtigen Ersatzteilen, Werkzeugen und Unterlagen vorbereitet, um die Ausfallzeiten der Windkraftanlage zu minimieren.

Zu den im Rahmen des Windtracker®-Programms angebotenen Dienstleistungen gehören:

• Austausch der Kohlebürsten an den Schleifringbaugruppen des Generators
• Reinigung der Schleifringbaugruppe und Aufarbeitung der Generatorschleifringe
• Inspektion und Reinigung des Naben-Schleifrings sowie Austausch von Bürsten oder Kontakten
• Inspektion und Austausch der Bürstenhalter
• Inspektion und Austausch der Erdungsbürsten
• Nachrüstung mit verbesserten Komponenten, darunter Schleifringe aus Bronze und optimierte Bürstensorten
• Technische Diagnose und Ursachenanalyse bei wiederkehrenden Fehlermustern

Für Wartungsteams, die ihre internen Kompetenzen ausbauen möchten, bietet Mersen zudem Schulungen für Windkraftanlagen-Generatoren an, die die Wartung von Bürsten und Bürstenhaltern, die Pflege von Schleifringen, die Wartung des Pitch-Regelsystems sowie die Fehlerdiagnose umfassen. Das Programm wird sowohl vor Ort als auch in den Einrichtungen von Mersen angeboten.