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Bewertung von Netz- und Umrichterfehlern bei der Auslegung von Getrieben für Windenergieanlagen = Evaluation of grid and converter faults in the design of gearboxes for wind turbines
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10530
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023164/files/1023164.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der weitere Ausbau der Windenergie wird vorrangig von der Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlagen bestimmt. Ein Faktor, der die Wirtschaftlichkeit der Anlagen signifikant negativ beeinflusst, sind die hohen Kosten für Wartung und Instandsetzung des Triebstrangs. Insbesondere das Getriebe von WEA ist häufig von Schäden an der Verzahnung oder Wälzlagerung betroffen. Neben den Instandsetzungskosten verursachen Getriebeschäden zudem lange Stillstandszeiten und demnach Ertragsausfall. Diese Kosten können reduziert werden, indem die Robustheit der Getriebe gesteigert wird. Eine Robustheitssteigerung ist möglich, wenn bei der Auslegung alle über die Lebensdauer auftretenden Lasten bekannt sind und berücksichtigt werden, da die Unsicherheit in der Lastannahme auf ein Minimum reduziert wird. In den aktuellen Auslegungsrichtlinien von Getrieben für Windenergieanlagen werden Netz- und Umrichterfehler nur unzureichend berücksichtigt. Netz- und Umrichterfehler führen zu Stößen des Generatormoments und stellen demnach ein dynamisches Sonderlastereignis mit Lastüberhöhung dar. Aus der Lastüberhöhung in Kombination mit der schwankenden Drehzahl ergibt sich ein erhöhtes Schadensrisiko für die Verzahnungen und Wälzlager des Getriebes. In dieser Arbeit wird deshalb eine modellbasierte Methode zur Berücksichtigung von Netz- und Umrichterfehlern bei der Auslegung von Getrieben für Windenergieanlagen vorgestellt. Die Methode soll in den aktuellen Auslegungsprozess integriert werden, der vorrangig auf den Teillast- und Nennbetrieb sowie Sonderlastereignisse des Windes (z. B. Extremböen) ausgerichtet ist. Die Auslegung bzgl. Teillast- bzw. Nennbetrieb und dementsprechend der maximalen Leistungsausbeute ist dominant und legt die Makrogeometrie (z. B. Zähnezahl) des Getriebes fest. Die Auslegungsoptimierung bzgl. Netz- und Umrichterfehler beschränkt sich auf eine Anpassung des Designs der Mikrogeometrie (z. B. Zahnflankenkorrekturen), um die maximale Leistungsausbeute möglichst wenig zu beeinflussen. Im Rahmen der Methode dieser Arbeit müssen zunächst geeignete Modelle definiert werden, die eine Berechnung des Risikos für Schäden an den Verzahnungen und Wälzlagern des Getriebes, aufgrund von Netz- und Umrichterfehlern, ermöglichen. Auf Basis dieser Modelle erfolgt die Berechnung des Risikos für Schäden und die Ableitung von recheneffizienten Ersatzmodellen. Mit Hilfe der Ersatzmodelle erfolgt die Designoptimierung. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit der Designoptimierung bewertet. Nur, wenn die Designoptimierung weniger Investitionen verursacht, als aufgrund der Instandhaltung notwendig wäre, ist die Designoptimierung wirtschaftlich.Increasing the set-up of more wind turbines is primarily determined by the economic efficiency of wind turbines. One negative impact factor regarding the economics of wind turbines is the high cost for maintenance of the drivetrain. Especially the gearbox of wind turbines is prone to damage of the gear wheels and the rolling element bearings. Besides the high maintenance cost, gearbox damage also leads to long downtimes of the wind turbine and thus to loss of revenue. Increasing the robustness of the gearbox decreases these costs. A robustness increase is possible via knowing and considering all loads occurring during the lifetime of the wind turbine during the gearbox design phase since the uncertainty in the load assumption is reduced to a minimum. In the current gearbox design guidelines, grid and converter faults are insufficiently considered. Grid and converter faults lead to surges in the generator torque and therefore represent a dynamic special load event with overload. The load increase in combination with the fluctuating speed results in an increased risk of damage to the gear wheels and rolling element bearings of the gearbox. This work therefore presents a model-based method for considering grid and converter faults when designing gearboxes for wind turbines. The method should be integrated into the current design process, which primarily focuses the partial and rated operation as well as special wind load events (e.g. extreme gusts). The design regarding partial and rated operation and, accordingly, the maximum power yield is dominant and determines the macro geometry (e.g. number of teeth) of the gearbox. The design optimization regarding grid and converter faults is limited to adapting the design of the microgeometry (e.g. tooth flank corrections) to influence the power yield as little as possible. The first step of the method of this work comprises the definition of suitable models for the calculation of the risk of damage to the gear wheels and rolling element bearings of the gearbox due to grid and converter faults. These models are used for the damage risk calculation and the derivation of computationally efficient surrogate models. The design optimization is performed using the surrogate models. Finally, the cost-effectiveness of the design optimization is evaluated. The design optimization is only economical if it causes less investment than would be necessary for potential maintenance.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT031337224
Interne Identnummern
RWTH-2025-10530
Datensatz-ID: 1023164
Beteiligte Länder
Germany
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