تصميم وأجهزة واستخدام بروتوكولات لتوزيعها في الموقع الساخن ة الساخنة رصد في لفائف الكهربائية باستخدام استشعار FBG Multixing
Summary
تقدم هذه الورقة بروتوكولًا يمكّن أجهزة اللف الكهربائية العشوائية ذات الألياف براج (FBG) من أجهزة الاستشعار الحرارية بغرض مراقبة حالة النقاط الساخنة الحرارية الداخلية.
Abstract
لفائف الجروح العشوائية هي عنصر تشغيلي رئيسي لمعظم الأجهزة الكهربائية في الأنظمة الصناعية الحديثة ، بما في ذلك الآلات الكهربائية ذات الجهد المنخفض. واحدة من الاختناقات الحالية الرئيسية في تحسين استغلال الأجهزة الكهربائية هو الحساسية العالية لمكونات الجروح الخاصة بهم للإجهاد الحراري أثناء الخدمة. تطبيق أساليب الاستشعار الحراري التقليدية (على سبيل المثال، الحرارية، وأجهزة الكشف عن درجة حرارة المقاومة) لرصد الحالة الحرارية للتيار يحمل لفائف الجروح العشوائية يمكن أن تفرض قيودا تشغيلية كبيرة بسبب حجم الاستشعار، EMI الحساسية ووجود مواد موصلة كهربائيا في بنائها. ويوجد قيد كبير آخر في تطبيقات الاستشعار الموزعة وينجم عن ما هو في كثير من الأحيان طول وحجم كبيران من خيوط أسلاك الاستشعار التقليدية.
هذه الورقة تقارير تصميم نظام استشعار الألياف البصرية FBG تهدف إلى تمكين في الوقت الحقيقي وزعت رصد حالة الحرارية الداخلية داخل لفائف الجروح العشوائية. يتم الإبلاغ عن إجراء أجهزة لفائف الجروح العشوائية مع نظام استشعار FBG في دراسة حالة على ممثل لفائف الجرح القياسية IEEE من تلك المستخدمة في الآلات الكهربائية. كما يعرض العمل المبلغ عنه ويناقش الجوانب العملية والتقنية الهامة لتنفيذ وتطبيق نظام استشعار FBG ، بما في ذلك تصميم هندسة مجموعة FBG ، واستشعار الرأس والألياف التعبئة والتغليف ، وتركيب مجموعة الاستشعار و إجراء المعايرة واستخدام نظام الاستجواب التجاري للحصول على القياسات الحرارية. وأخيراً، يتم إظهار أداء الرصد الحراري لنظام استشعار FBG متعدد المضاعف في الموقع في الظروف الحرارية الثابتة والديناميكية التمثيلية.
Introduction
لفائف الجروح العشوائية هي عنصر التصميم الرئيسي لمعظم الأجهزة الكهربائية في النظم الصناعية الحديثة وتستخدم عادة في الآلات الكهربائية ذات الجهد المنخفض. عائق رئيسي أمام تحسين استخدام لفائف الجروح في هذه التطبيقات هو حساسيتها للإجهاد الكهربائي الحراري أثناء الخدمة. الأحمال الحرارية ذات الصلة بشكل خاص في هذا الصدد لأن هذه يمكن أن تسبب انهيار نظام العزل لفائف العزل وفي نهاية المطاف فشلها الكلي1; هذا يمكن أن تنشأ بسبب المستويات الحالية لفائف المفرطة، أو أسباب أخرى مثل خلل كهربائي لفائف أو خلل في نظام التبريد، حيث يتم حث النقاط الساخنة المترجمة في هيكل لفائف مما يؤدي إلى انهيار العزل. تمكين المنطوق في الموقع توزيع الرصد الحراري للهيكل الداخلي لفائف في الخدمة يسمح لتطوير تحسين الاستخدام والظروف على أساس إجراءات الصيانة؛ فإنه يسمح لفهم متقدمة وتحديد حالة التشغيل لفائف ‘وأي عملية تدهور، وبالتالي شرط الإجراءات التصحيحية القائمة للحفاظ على حالة التشغيل ومنع أو إبطاء المزيد من الضرر2،3.
وتهدف الطريقة المقدمة إلى تمكين الرصد في الموقع من بنية لفائف الكهربائية جزءا لا يتجزأ من الظروف الحرارية من خلال استخدام مرنة والكهرومغناطيسية التدخل المناعي (EMI) الألياف براغ المبشور أجهزة الاستشعار الحرارية البصرية. وتوفر هذه الطريقة عدداً من المزايا الوظيفية على تقنيات الرصد الحراري القائمة المستخدمة في اللفائف الكهربائية: فهذه المزايا تعتمد دائماً تقريباً على استخدام البُرَب الحرارية أو أجهزة الكشف عن درجة حرارة المقاومة (RTDs) التي لا تكون محصنة من EMI؛ وهي مصنوعة من مواد موصلة؛ وهي عموما ضخمة بشكل معقول وبالتالي لا تناسب بشكل مثالي لتطبيقات الاستشعار داخل هيكل لفائف كهربائية الجرح. يوفر استخدام أجهزة الاستشعار الحرارية FBG القوية والمرنة من الألياف البصرية عددًا من التحسينات الكبيرة في هذا الصدد ، ليس فقط بسبب مناعة جهاز الاستشعار EMI ولكن أيضًا حجمه الصغير وقدرته المتعددة الشينغ ومرونته ، مما يمكنهم من الدمج في بنية لفائف الجروح التعسفية ومطابقتها لتحقيق الاستشعار الحراري بدقة دقيقة في المواقع الهيكلية المطلوبة4. هذه الميزات جذابة بشكل خاص في تطبيقات الماكينة الكهربائية (EM) حيث يتم تحديد الحدود الحرارية للجهاز من خلال الظروف الحرارية للملف الكهربائي وهي ذات صلة خاصة في ضوء النمو الكبير المتوقع في استخدام EM مع انتشار النقل الكهربائي.
تقدم هذه الورقة منهجية وضع هيكل لفائف الجروح العشوائية النموذجية ذات الجهد المنخفض مع مستشعرات FBG الحرارية لتمكين المراقبة على الإنترنت للنقاط الساخنة الداخلية. تم الإبلاغ عن بروتوكول مفصل لاختيار جهاز استشعار FBG والتصميم والتعبئة والتغليف والأجهزة والمعايرة والاستخدام. يتم تقديم هذا على معيار IEEE نظام لفائف لفائف الجرح العشوائي. كما تشير الورقة إلى القياسات الحرارية التي تم الحصول عليها في الموقع في ظل حالة التشغيل الحرارية الثابتة وغير الموحدة للفائف الاختبار التي تم فحصها.
يتم تشكيل FBGs من خلال عملية “صريف” قلب الألياف البصرية لإنشاء بصمات طولية دورية (يشار إليها عادة باسم رؤساء الاستشعار في تطبيقات استشعار FBG)؛ عندما تتعرض الألياف التي تحتوي على FBGs للضوء فوق البنفسجي كل رئيس FBG القائمة سوف يسبب مؤشر الانكسار الخاص به أن تعدل دوريا5. سوف تتأثر الأطوال الموجية المنعكسة رأس الاستشعار بالظروف الحرارية والميكانيكية التي تتعرض لها الألياف ، وبالتالي تمكن من تطبيق الألياف المبشورة كمستشعر حراري أو ميكانيكي على افتراض التصميم والتطبيق المناسبين.
تكنولوجيا FBG جذابة بشكل خاص لتطبيقات الاستشعار الموزعة: فهي تسمح برش ألياف بصرية واحدة لتحتوي على رؤوس استشعار FBG متعددة ، حيث يتم ترميز كل رأس بطول موجي متميز براج ويعمل كنقطة استشعار متميزة. ويعرف هذا النوع من جهاز الاستشعار القائم على FBG كمستشعر صفيف FBG6 ويتضح مفهوم التشغيل في الشكل 1. يستخدم ضوء النطاق العريض لإثارة الصفيف مما يؤدي إلى أطوال موجية منعكسة متميزة من كل رأس FBG الواردة؛ هنا، يعكس كل رأس طول موجة محدد (أي الطول الموجي براج) الذي يطابق تصميمه الصريف ويعتمد أيضًا على الظروف الحرارية والميكانيكية السائدة في موقع الرأس (أي الاستشعار). هناك حاجة إلى جهاز محقق لتمكين إثارة ألياف الصفيف مع الضوء وفحص الأطياف المنعكسة للأطوال الموجية المتميزة براج التي تحتوي على معلومات عن الظروف الحرارية و/ أو الميكانيكية المترجمة.
ومن الجوانب الهامة بشكل خاص لتنفيذ أجهزة الاستشعار الحرارية FBG هو التخفيف من آثار الحساسية الحرارية والميكانيكية عبر للحصول على أقرب وقت ممكن إلى القراءات الحرارية حصرا7. تتطلب الميزة المتأصلة في FBG للحساسية الحرارية الميكانيكية المتقاطعة تصميمًا دقيقًا لمستشعرات FBG التي تهدف إلى تطبيقات الاستشعار الحرارية فقط أو الميكانيكية فقط. عندما يتعلق الأمر الاستشعار الحراري طريقة فعالة للتخفيف FBG حساسية الإثارة الميكانيكية هو عزل رئيس الاستشعار مع التعبئة والتغليف الشعيرات الشعيرات المصنوعة من مواد مناسبة لتطبيق معين؛ في تطبيق الاستشعار الحراري جزءا لا يتجزأ من لفائف درست في هذا العمل هذا ليس فقط يقلل من مشاكل الحساسية المتقاطعة ولكن أيضا يعمل على حماية بنية الألياف الاستشعار الهشة من الجانب السفلي والإجهاد الميكانيكي المدمر المحتمل8.
يوضح الشكل 2A عينة اختبار اللفائف الكهربائية للجرح العشوائي المستخدمة كمركبة عرض في هذه الورقة. تم تصميم لفائف وفقا لمعايير IEEE9 لإجراءات التقييم الحراري لنظام العزل لفائف الجروح العشوائية؛ ومن المعروف أن نظام الاختبار الناتج المبين في الشكل 2B هو نظام المحرك وهو ممثل لنظام اللف والعزل الخاص به في آلة كهربائية ذات جهد منخفض. في دراسة الحالة المقدمة ، سيتم توصيل المحرك بمستشعر حراري صفيف FBG يتكون من أربع نقاط استشعار حرارية ، لمحاكاة النقاط الساخنة النموذجية للاستشعار الحراري ذات الاهتمام في تطبيقات الماكينة العملية التي تميل إلى أن تكون مترجمة في لف نهاية الملف وأقسام الفتحة. للمعايرة وتقييم الأداء، سيكون المحرك المضمن FBG متحمسًا حراريًا باستخدام غرفة حرارية تجارية وإمدادات طاقة DC.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أظهرت الورقة الإجراء المطلوب لتصميم ومعايرة واختبار في الموقع أجهزة الاستشعار الحرارية FBG في لفائف الجروح ذات الجهد المنخفض. توفر هذه المجسات عدداً من المزايا لتطبيقات الاستشعار في الموقع داخل هياكل لفائف الجروح الحاملة الحالية: فهي محصنة بالكامل من EMI، ومرنة ويمكن أن تتوافق مع الهندسة التعسفية المطلوبة لتقديم مواقع نقاط الاستشعار التعسفي المطلوبة مع دقة عالية، ويمكن أن توفر عددا كبيرا من نقاط الاستشعار على جهاز استشعار واحد. في حين يمكن تحقيق الاستشعار الحراري داخل لفائف الجروح مع تقنيات المراقبة الحرارية التقليدية التي تستخدم أجهزة الكشف عن درجة الحرارة أو المقاومة ، يظهر تطبيق FBGs لتوفير عدد من المزايا الوظيفية الجذابة.
التعبئة والتغليف المناسب لاستشعار صفيف FBG هو المفتاح لاستخدامها الفعال. من المهم أن يتم حزم رؤساء الاستشعار الفردية أو منطقة الاستشعار بأكملها من الألياف بشكل مناسب لضمان عزل رؤساء FBG من الإثارة الميكانيكية في الشعيرات الدموية موصل ة جامدة ومرنة وموصلة حراريا. من المستحسن أن يتم تصميم الشعيرات الدموية من المواد غير الموصلة كهربائيًا لأن هذا يضمن الأداء الأمثل في بيئة EMI الغنية المميزة للفائف الحمل الحالية.
يجب توخي الحذر أثناء عملية تركيب الشعيرات الدموية في اللفافة لوضع شرائح الحزمة بدقة في مواقع الاستشعار المقابلة لها. ومن الضروري أيضا لتحسين هندسة الشعيرات الدموية في حالة الظروف الحرارية عالية الديناميكية التي يتعين مراعاتها.
من الضروري ضمان التوصيف الدقيق للمستشعر المضمن في الملف. ويتم ذلك على أفضل وجه من خلال إجراء معايرة استشعار تعبئتها مجانا قبل تركيبه داخل هندسة لفائف الجرح. في حين يتم توفير درجة عالية من الحماية من الإثارة الميكانيكية من خلال التعبئة والتغليف في الموقع ، يمكن أن تؤدي عملية التثبيت إلى تحول الطول الموجي بسبب حساسية السلالة. إذا أجريت بعناية هذا يمكن أن يكون لا يكاد يذكر; ومع ذلك، فمن الممارسات الجيدة أن يتم التأكد من ذلك في اختبارات المعايرة في الموقع حيثما أمكن.
هذا التطبيق من FBGs داخل لفائف الجرح هو جديد نسبيا ويفتح عددا من الفرص لتحسين تصميم واستخدام ورصد والتشخيص الصحي للآلات الكهربائية. هناك حاجة إلى مزيد من العمل لخفض تكلفة هذه وجعلها خيارا قابلا للتطبيق مصداقية لتطبيق على نطاق واسع في الآلات الكهربائية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل مجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية في المملكة المتحدة (EPSRC) HOME-Offshore: التشغيل الشامل والصيانة للطاقة من اتحاد مزارع الرياح البحرية في إطار المنحة EP/P009743/1.
Materials
| Cletop-S | Fujikura | 14110601 | Commercial optic connector cleaner |
| Copper wire AWG24 | RS | 357-744 | Commercial insulated copper wire |
| DC power supply | TTi | CPX400SP | Commercial 420W DC power supply |
| FBG sensors | ATGratings | NA | Commerically manufactured FBG array to design spec |
| Heat Shrink Tubing | RS | 700-4532 | Heat Shrink Tubing 3mm Sleeve Dia. x 10m |
| Kapton masking tape | RS | 436-2762 | Orange Masking Tape Tesa 51408 |
| PEEK tubing | Polyflon | 4901000060 | Commercial PEEK tubing |
| SmartScan04 | Smartfibres UK | S-Scan-04-F-60-U-UK | Commercial interrogator system |
| Thermal Oven | Lenton | WHT6/30 | Commercial thermal oven |
| Winder machine | RS | 244-2636 | Commercial winder machine |
References
- Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review. IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).
- Mohammed, A., Djurović, S. Stator Winding Internal Thermal Monitoring and Analysis Using In Situ FBG Sensing Technology. IEEE Transactions on Energy Conversion. 33 (3), 1508-1518 (2018).
- Zhang, H. Online thermal monitoring models for induction machines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 30 (4), 1279-1287 (2015).
- Mohammed, A., Djurović, S. FBG array sensor use for distributed internal thermal monitoring in low voltage random wound coils. 2017 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). , 1-4 (2017).
- Rao, Y. J. In-fibre Bragg grating sensors. Measurement Science and Technology. 8 (4), 355 (1997).
- Mohammed, A., Djurović, S. A study of distributed embedded thermal monitoring in electric coils based on FBG sensor multiplexing. Microprocessors and Microsystems. 62, 102-109 (2018).
- Lu, P., Men, L., Chen, Q. Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings. Applied Physics Letters. 92 (17), 171112 (2008).
- Mohammed, A., Djurović, S. FBG Thermal Sensing Features for Hot Spot Monitoring in Random Wound Electric Machine Coils. IEEE Sensors Journal. 17 (10), 3058-3067 (2017).
- IEEE. IEEE standard test procedure for thermal evaluation of systems of insulating materials for random-wound AC electric machinery. IEEE Std 117-2015. , 1-34 (2016).
- IEC. Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. IEC. , (2010).
- Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components. 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , 2266-2272 (2016).
