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SIMU-Wind
Combination of multi body system simulation, electrical simulation and
Condition monitoring a powerful research development
Research Project of “Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA)“
in scope of the support program “InnoNet“
2
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Motivation
• increasing risk of damage/defects in combination with increasing performance
• knowledge loss of the actual operating conditions
• increasing performance requirements for all drive train components
• class of insurance claims for determined revision cycle in Germany
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Project objective is the …
…development of a combined multi sensor, multi body condition monitoring system for wind turbine drive trains
• optimized dimensioning of drive train elements
• reduction of down times
• integrated consideration of the drive train of wind turbines
• analysis of abnormal drive train operating conditions
• increasing life cycle of drive train elements
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Project partners
Research institutes
IMM, TU Dresden IBH, RWTH Aachen
ACIDA GmbH
Centa Antriebe Kirschey GmbHEickhoff Maschinenfabrik GmbH
ITI GmbH
REpower Systems AG
SEG GmbH & Co.KG
Svendborg Brakes A/S
VEM Sachsenwerk
Industrial partners
5
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Measurement system (1) 86 sensors at the nacelle
• drive train
• base frame
(data storage on industrial PC)
16 sensors in tower base
• electrical signals of generator and converter
• parallel data storage with signals of drive train
• remote control
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64 sensors at the drive train
• torsion and bending at the rotor shaft and generator shaft• movement of the rotor shaft belonging to bearing- and gearbox
housing • movement inside gearbox• gearbox and generator temperature• vibration at gearbox and generator• …
Measurement system (2)
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Getriebe (GT) Generator (GEN)Hauptlager (HL)
WSS (Wirbelstromsensoren)
LVDT (Wegmesssystem)
WSS/HL1
WSS/HL2
B/RW1
T/RW1
B/RW2
LVDT/GT5
LVDT/GT4
LVDT/GT1
LVDT/GT2
LVDT/GT3
LVDT/GT6
WSS/GT1
WSS/GT2
WSS/GTi1-3
DMS/GT1DMS/GT2
DMS/GT3DMS/GT4
T/GENW1
PT100/Gen1
PT100/GT1
LVDT/GEN1
LVDT/GEN5
LVDT/GEN3LVDT/GEN6
LVDT/GEN4
LVDT/GEN2
DRZ/GENW1
RW
GenW Generatorwelle
Rotorwelle
KSS/HL1
WSS/RW1,2
HALL/RW1
KSS (Körperschallsensoren, Beschl.)DMSHallsensor (Positionsgeber)
Temperatursensor
Measurement system (3)
8
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• 22 strain gauges at the base frame
Measurement system (4)
9
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mechanical system consists of rotor and blades, main shaft gear unit coupling, brake disk generator baseframe
controller consists of pitch controller output power
controller speed controller brake controller
electrical system consists of generator converter grid
MBS-Model (modular design)
windaerodyn.
model
mechanical
system
electrical
system
wave
controller
network
Wind TurbineWind Turbine
relevantrelevantonly for offshore only for offshore systemssystems
Field of InterestField of Interest
10
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simulation model included rotor model single blade and complete rotor
(bending in flap- and edge-wise direction) drive train torsional vibration model
(with rigid and flexible rotor)MBS model (with rigid and flexible rotor)
nacelle flexible base frame model electrical system asynchronous generator model
with converter and grid model aerodyn. model wind to moment converter model
with cp equation
MBS-Model (components)
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P,Q
pitch
rotor
wind
drivetrain
T
rotor
stator
MSC LSC
model of generator and converter IU
grid-model
Electrical simulation model (1)
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calculation of the electro-mechanical system
Co-Simulation (time domain)
T
rotor
stator
MSC LSC
model of generator and converter
IU
grid-model
13
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torsional frequencies
axial mode shape
bending rotor (edgewise)
bending rotor (flapwise)
Tor
sion
al M
odel
Tor
sion
al M
odel
(F
lexi
ble
Rot
or)
Tor
sion
al /
Axi
al M
odel
Tor
sion
al /
Axi
al M
odel
(F
lexi
ble
Rot
or)
natural frequencies
Results (frequency domain)
60 Hz
170 Hz
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(I) torsional mode shape gearbox [approx. 60 Hz]
(II) axial mode shape low speed shaft LSS [approx. 170 Hz]
(I) torsional mode shape gearbox [approx. 60 Hz]
(II) axial mode shape low speed shaft LSS [approx. 170 Hz]
Results (mode shapes) mode shapes of the rigid drive train model
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(I) torsional and bending mode shape of base frame and drive train [approx. 2 Hz]
(II) bending mode shape of base frame [approx. 4 Hz]
(I) torsional and bending mode shape of base frame and drive train [approx. 2 Hz]
(II) bending mode shape of base frame [approx. 4 Hz]
Results (mode shapes) mode shapes of the flexible drive train model
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voltage drop at the net meeting point uPCC
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-400
0
400
800
UP
CC
[V
]
[s]
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
-20000
-10000
0
10000
[s]
Air
gap
mom
ent
[N
m]
Results (electrical signals)
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- power loss dependent of temperature
23.04.2005 24.04.2005 25.04.2005
0
600
1200
1800
2400
Pow
er [
kW]
0
40
80
120
Tem
p.
Gen
. [°
C]
• non linear property: power dependency of generator temperature
- verification of temperature dependency by measuring data analysis
Results (electrical signals)
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Integrated system
Drehzahl
Schwing.
DMS
Weg
A/D
Wa
nd
ler
Em
be
dd
ed
PC
(On
bo
ard
)
Ad m inistra to r PC(Da tenha ltung ,
Ke nnwe rtb ild ung ,Trend üb erwa c hung ,
Ko nfig ura tio n)
TC P/IPM o d e m
ISDN
Zentrale
Condition-Monitoring-System Multi body simulation model
Electrical simulationmodel
Integratedsystem
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