Vortrag Herr Dr. Berger, Bosch Rexroth - Wind Energy Network
Vortrag Herr Dr. Berger, Bosch Rexroth - Wind Energy Network Vortrag Herr Dr. Berger, Bosch Rexroth - Wind Energy Network
1 3. Windenergieabend in Baden-Württemberg Innovative Lösungen zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Senkung der Stromgestehungskosten bei Multi Megawatt Turbinen Dr.-Ing. Günter Berger Bosch Rexroth AG Dr.-Ing. Günter Berger| 23.02.2012| © Bosch Rexroth AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
- Seite 2 und 3: 2 3. Windenergieabend in Baden-Wür
- Seite 4 und 5: 4 Motivation für neue Antriebsstra
- Seite 6 und 7: 6 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Mi
- Seite 8 und 9: 8 Einfluss einer höheren Getriebe
- Seite 10 und 11: 10 Einsatz der Mehrkörpersimulatio
- Seite 12 und 13: 12 Inhalt � Motivation � Zukün
- Seite 14 und 15: 14 Innovationen mit neuen Produkten
- Seite 16 und 17: 16 3. Windenergieabend in Baden-Wü
1<br />
3. <strong>Wind</strong>energieabend in Baden-Württemberg<br />
Innovative Lösungen zur Steigerung<br />
der Zuverlässigkeit und Senkung der<br />
Stromgestehungskosten bei Multi<br />
Megawatt Turbinen<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong><br />
<strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.
2<br />
3. <strong>Wind</strong>energieabend in Baden-Württemberg<br />
4<br />
2<br />
<strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Produktportfolio für <strong>Wind</strong>turbinen<br />
Fokus auf<br />
Antriebsstranglösungen<br />
3<br />
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<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.<br />
5<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
Hauptgetriebe<br />
Pitchsysteme<br />
� elektrisch<br />
� hydraulisch<br />
Azimutgetriebe<br />
Rotorblatt - CMS<br />
5 Hydraulikaggregate<br />
6<br />
Kühl-/Filtersyst.
3<br />
Inhalt<br />
� Motivation<br />
� Zukünftige Antriebsstrang-Lösungen<br />
• Mittelschnelldrehende Konzepte<br />
• Vorteile des <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Differentialgetriebes<br />
für mittelschnelllaufende Lösungen<br />
� Ermittlung dynamischer Zusatzlasten<br />
• Modellstruktur + Modellvalidierung<br />
• Optimierter Designprozess<br />
� Lastreduzierungen im Antriebstrang<br />
• Einzelblattverstellung (Individual Pitch Control)<br />
• Antriebsstrangregelung<br />
� Zusammenfassung<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.
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Motivation für neue Antriebsstrangkonzepte von WEA<br />
Onshore<br />
2.5 MW 2.5 MW<br />
Serienprodukte<br />
Offshore<br />
3 MW<br />
Series<br />
5 MW<br />
Prototype<br />
7.5 MW<br />
4 MW<br />
Entwicklung<br />
Transportbeschränkungen<br />
>10 MW<br />
Development Future<br />
Antriebsstrangkonzepte<br />
Notwendige Maßnahmen zur Verringerung der Stromgestehungskosten:<br />
� Onshore: Größere Rotoren; Offshore: Leistungsstärkere Turbinen<br />
� höhere Turbulenzen resultieren in höheren Antriebsstranglasten<br />
� Niedrige Investitionskosten und Betriebskosten sowie hohe Zuverlässigkeit<br />
Welches Antriebskonzept ist die optimale Lösung für die Zukunft?<br />
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in the event of applications for industrial property rights.
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Inhalt<br />
� Motivation<br />
� Zukünftige Antriebsstrang-Lösungen<br />
• Mittelschnelldrehende Konzepte<br />
• Vorteile des <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Differentialgetriebes<br />
für mittelschnelllaufende Lösungen<br />
� Ermittlung dynamischer Zusatzlasten<br />
• Modellstruktur + Modellvalidierung<br />
• Optimierter Designprozess<br />
� Lastreduzierungen im Antriebstrang<br />
• Einzelblattverstellung (Individual Pitch Control)<br />
• Antriebsstrangregelung<br />
� Zusammenfassung<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.
6<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
Mittelschnelldrehende Antriebskonzepte<br />
Schnelldrehende Antriebskonzepte<br />
Dy Oxide Nd Oxide<br />
Q1/´11 Q2/´11 Q3/´11 Q4/´11<br />
Direktantriebe<br />
+ geringe Rohmaterialkosten<br />
(Kupfer, Stahl, Seltene<br />
Erden)<br />
+ hoher Wirkungsgrad bei<br />
Volllast<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
Dysprosium Neodynium<br />
23<br />
2<br />
HighGen Med.Gen LowGen<br />
Vorteile<br />
+ hoher Wirkungsgrad im<br />
Teillastbereich<br />
+ keine schnelldrehenden Teile<br />
� hohe Zuverlässigkeit erwartet Vorteile<br />
Mittelschnelldrehende Lösungen kombinieren die Vorteile beider Konzepte<br />
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4<br />
219<br />
16<br />
Mittelschnelldrehende<br />
Konzepte
7<br />
Wirkungsgradvergleich von verschiedenen Konzepten<br />
Direktantrieb Schnelldrehend Mittelschnell<br />
Wirkungsgrad<br />
Wirkungsgrad Antriebsstrang<br />
Direktantrieb<br />
mittelschnelldrehend<br />
schnelldrehendes Konzept<br />
<strong>Wind</strong>geschwindigkeit in m/s<br />
Mittelschnelldrehende Konzepte:<br />
- hoher Teillastwirkungsgrad<br />
- hoher Volllastwirkungsgrad von 94%<br />
(Getriebe >98.0%; Generator 98.3%;<br />
Frequenzumrichter 97.5%)<br />
� Hoher Energieertrag und damit<br />
geringere Stromgestehungskosten<br />
Mittelschnelldrehende Konzepte: Hoher Wirkungsgrad � Hoher Energieertrag<br />
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mittelschnelldrehend<br />
schnelldrehend<br />
Direktantrieb
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Einfluss einer höheren Getriebeübersetzung auf die Kosten<br />
eines mittelschnelldrehenden Antriebsstranges<br />
Investmentkosten<br />
100 %<br />
65 %<br />
Generator<br />
Getriebe<br />
i=40<br />
Konventionelle<br />
Lösung<br />
10% reduzierte<br />
Gesamtkosten<br />
Generator<br />
Getriebe<br />
i=50<br />
<strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong><br />
Design<br />
� Höhere Generatordrehzahl<br />
reduziert bei gleicher Leistung das<br />
Generatordrehmoment<br />
� Generatorkosten sind proportional<br />
dem Generatordrehmoment<br />
� Kostenreduzierung um bis<br />
25% bei Ausnutzung der<br />
maximal möglichen Getriebeübersetzung<br />
� Reduzierte Antriebsstrangkosten durch<br />
<strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Differentialgetriebe<br />
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in the event of applications for industrial property rights.
9<br />
Inhalt<br />
� Motivation<br />
� Zukünftige Antriebsstrang-Lösungen<br />
• Mittelschnelldrehende Konzepte<br />
• Vorteile des <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Differentialgetriebes<br />
für mittelschnelllaufende Lösungen<br />
� Ermittlung dynamischer Zusatzlasten<br />
• Modellstruktur + Modellvalidierung<br />
• Optimierter Designprozess<br />
� Lastreduzierungen im Antriebstrang<br />
• Einzelblattverstellung (Individual Pitch Control)<br />
• Antriebsstrangregelung<br />
� Zusammenfassung<br />
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in the event of applications for industrial property rights.
10<br />
Einsatz der Mehrkörpersimulation im Entwicklungsprozess<br />
Gemeinsame Entwicklung<br />
von Modellen<br />
OEM + Getriebelieferant<br />
CAD + FEA<br />
Getriebe A<br />
MKS<br />
Modellvarianten<br />
WEA A Getriebe B WEA B Getriebe C WEA C<br />
Optimales Design Dynamik + Lasten<br />
Optimierte Getriebelösungen<br />
Zuverlässigkeitstest<br />
Modellvalidierung<br />
Zuverlässiges Design und<br />
validierte Modellbibliotheken<br />
OEM + Getriebelieferant<br />
Ableitung Modellvarianten<br />
Qualitätssteigerung durch Mehrkörpersimulation im Entwicklungsprozess<br />
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in the event of applications for industrial property rights.<br />
…<br />
Qualitätssicherung bei der<br />
Modellentwicklung durch<br />
Prototypen + Serienmessungen
1) Dynamikoptimierung<br />
2) Lastsimulation<br />
11<br />
Schritte im Entwicklungsprozess<br />
Eigenfrequenzanalyse<br />
<strong>Dr</strong>ehmoment [kNm]<br />
f<br />
[Hz]<br />
Detaillierte Berechnungen der<br />
dynamischen Betriebslasten<br />
Messung<br />
2-Mssenschwinger<br />
Detailliertes Modell<br />
Zeit [s]<br />
Verschiebung von Resonanzen im<br />
frühen Entwicklungsstadium<br />
Eigenfrequenz<br />
Betriebsbereich<br />
MKS für Zeitreihen<br />
auf Komponenten<br />
n [U/min]<br />
Zahnfrequenz<br />
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in the event of applications for industrial property rights.<br />
3p<br />
1p<br />
Anregung<br />
Detaillierte MKS und FEM Berechnungen<br />
FEM-<br />
Berechnungen<br />
Lebensdauer<br />
Zuverlässigkeit<br />
Verfügbarkeit<br />
25 Jahre
12<br />
Inhalt<br />
� Motivation<br />
� Zukünftige Antriebsstrang-Lösungen<br />
• Mittelschnelldrehende Konzepte<br />
• Vorteile des <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Differentialgetriebes<br />
für mittelschnelllaufende Lösungen<br />
� Ermittlung dynamischer Zusatzlasten<br />
• Modellstruktur + Modellvalidierung<br />
• Optimierter Designprozess<br />
� Lastreduzierungen im Antriebstrang<br />
• Einzelblattverstellung (Individual Pitch Control)<br />
• Antriebsstrangregelung<br />
� Zusammenfassung<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.
13<br />
Innovationen mit neuen Produkten von <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong><br />
für die <strong>Wind</strong>industrie<br />
Lastreduzierung: Individual Pitch Control<br />
Aktive Dämpfung dynamischer<br />
Zusatzlasten<br />
X<br />
2<br />
X<br />
Individual pitch<br />
control<br />
Antriebsstrangregelung<br />
Vermeidung und Reduzierung<br />
von unerwünschten Lasten<br />
durch innovative Lösungen<br />
2<br />
1<br />
Individual Pitch Control<br />
� Messung der<br />
Blattwurzelbiegemomente<br />
� Regelagorithmus zur<br />
Reduzierung der Biegemomente<br />
im Rotor<br />
� Kontinuierliche<br />
Einzelblattverstellung<br />
Biegemomentreduzierung<br />
in %<br />
Blatt Turm<br />
Rotorwelle<br />
Reduzierung der Biegemomente im Antriebsstrang/Turm um bis zu 25%<br />
durch Individual pitch control<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.<br />
Zukünftige <strong>Wind</strong>turbine:<br />
Lastreduzierter Betrieb<br />
Einfluss auf <strong>Wind</strong>turbine:<br />
Reduzierte Gesamtmasse und<br />
Investkosten bei gesteigertem<br />
Energieertrag
14<br />
Innovationen mit neuen Produkten von <strong>Bosch</strong><br />
<strong>Rexroth</strong> für die <strong>Wind</strong>industrie<br />
Lastreduzierung durch ATS-Regelung<br />
Aktive Dämpfung dynamischer<br />
Lasten<br />
1<br />
X<br />
1<br />
Individual pitch<br />
control<br />
Antriebsstrangregelung<br />
X<br />
Vermeidung und Reduzierung<br />
von unerwünschten Lasten<br />
durch innovative Lösungen<br />
2<br />
<strong>Dr</strong>ive train control<br />
� Dynamische Regelung des<br />
Generatordrehmomentes zur<br />
Reduzierung von Lastspitzen<br />
und Wechselmomenten<br />
� geringere Belastung der<br />
ATS-Komponenten;<br />
Steigerung der Zuverlässigkeit<br />
torque [kNm]<br />
8.5<br />
8.0<br />
7.5<br />
drive train torque<br />
with control<br />
without control<br />
0 2 4 6 8<br />
time [s]<br />
Lastreduzierung im Antriebsstrang um bis zu 10%<br />
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in the event of applications for industrial property rights.<br />
Zukünftige <strong>Wind</strong>turbine:<br />
Lastreduzierter Betrieb<br />
Einfluss auf <strong>Wind</strong>turbine:<br />
Reduzierte Gesamtmasse und<br />
Investkosten bei gesteigertem<br />
Energieertrag
15<br />
Inhalt<br />
� Motivation<br />
� Zukünftige Antriebsstrang-Lösungen<br />
• Mittelschnelldrehende Konzepte<br />
• Vorteile des <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Differentialgetriebes<br />
für mittelschnelllaufende Lösungen<br />
� Ermittlung dynamischer Zusatzlasten<br />
• Modellstruktur + Modellvalidierung<br />
• Optimierter Designprozess<br />
� Lastreduzierungen im Antriebstrang<br />
• Einzelblattverstellung (Individual Pitch Control)<br />
• Antriebsstrangregelung<br />
� Zusammenfassung<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
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3. <strong>Wind</strong>energieabend in Baden-Württemberg<br />
Zusammenfassung<br />
� Mittelschnelldrehende Antriebsstrangkonzepte vereinigen sowohl die Vorteile der<br />
schnelllaufenden Standardlösungen als auch die der Direktantriebe<br />
� Gute Wirkungsgrade im Teillast und höchste Wirkungsgrade im Volllastbereich<br />
� Nur geringe Abhängigkeit der Investmentkosten von evtl. auch weiterhin<br />
sprunghafter Seltenerden-Preisentwicklung<br />
� Hohe Zuverlässigkeit durch Entfall schnelllaufender Verzahnungsteile und<br />
Wälzlager<br />
� Hohes Einsparpotential im Antriebsstrang bei Einsatz eines hochübersetzenden<br />
Differentialgetriebes nach <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> Bauart<br />
� Reduzierung Cost of <strong>Energy</strong><br />
� Qualitätssteigerung durch Einsatz der Mehrkörpersimulation und umfangreiche<br />
Inhouse-Tests<br />
� Lastreduzierungssysteme verringern unerwünschte dynamische Zusatzbelastungen<br />
� Hohe Zuverlässigkeit and Robustheit<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.
17<br />
<strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong>. The <strong>Dr</strong>ive & Control Company<br />
Danke für Ihre<br />
Aufmerksamkeit<br />
<strong>Dr</strong>.-Ing. Günter <strong>Berger</strong>| 23.02.2012| © <strong>Bosch</strong> <strong>Rexroth</strong> AG 2012. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, distribution, as well as<br />
in the event of applications for industrial property rights.
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