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공학

Protocolli di progettazione, strumentazione e utilizzo per il monitoraggio degli hot spot termici in situ in situ in bobine elettriche utilizzando il multiplexing dei sensori FBG

Published: March 08, 2020
doi:
10.3791/59923
,
1School of Electrical and Electronic Engineering,University of Manchester

Summary

Questo documento presenta un protocollo che consente la strumentazione di bobine elettriche a ferita casuali con sensori termici di fibra griglia Bragg (FBG) allo scopo di monitorare le condizioni distribuite dei punti caldi termici interni.

Abstract

Le bobine di ferita casuali sono un elemento operativo chiave della maggior parte degli apparati elettrici nei moderni sistemi industriali, comprese le macchine elettriche a bassa tensione. Uno dei principali colli di bottiglia di attualità nel miglioramento dello sfruttamento dei dispositivi elettrici è l’elevata sensibilità dei loro componenti della ferita allo stress termico in servizio. L’applicazione di metodi di rilevamento termico convenzionali (ad esempio, termocoppie, rilevatori di temperatura di resistenza) per il monitoraggio delle condizioni termiche delle bobine di ferita casuali di corrente può imporre notevoli limitazioni operative a causa delle dimensioni del sensore, EMI sensibilità e l’esistenza di materiale elettricamente conduttivo nella loro costruzione. Un’altra limitazione sostanziale esiste nelle applicazioni di rilevamento distribuito ed è causata da ciò che spesso è una notevole lunghezza e volume di cavi di cablaggio dei sensori convenzionali.

Questo documento riporta la progettazione di un sistema di rilevamento FBG in fibra ottica destinato a consentire il monitoraggio delle condizioni termiche interne distribuite in tempo reale all’interno di bobine di ferite casuali. La procedura di strumentazione della bobina di ferita casuale con il sistema di rilevamento FBG è riportata in un caso di studio su una bobina di ferita standard IEEE rappresentativa di quelle utilizzate nelle macchine elettriche. Il lavoro riportato presenta e discute anche importanti aspetti pratici e tecnici dell’implementazione e dell’applicazione del sistema di rilevamento FBG, tra cui la progettazione della geometria dell’array FBG, il packaging della testa e della fibra di rilevamento, l’installazione dell’array di sensori e procedura di calibrazione e l’uso di un sistema di interrogatorio commerciale per ottenere misurazioni termiche. Infine, le prestazioni di monitoraggio termico del sistema di rilevamento FBG multiplexed in situ sono dimostrate in condizioni termiche statiche e dinamiche rappresentative.

Introduction

Le bobine di ferita casuali sono un elemento di progettazione chiave della maggior parte degli apparati elettrici nei moderni sistemi industriali e sono comunemente utilizzate in macchinari elettrici a bassa tensione. Un ostacolo importante per migliorare l’uso delle bobine di ferita in queste applicazioni è la loro sensibilità allo stress elettrotermico in servizio. I sovraccarichi termici sono particolarmente pertinenti a questo proposito in quanto possono causare la rottura del sistema di isolamento della bobina isolante e, in ultima analisi, il suo guasto totale1; ciò può verificarsi a causa di livelli eccessivi di corrente della bobina, o di altre cause come un guasto elettrico della bobina o un malfunzionamento del sistema di raffreddamento, dove i punti caldi localizzati sono indotti nella struttura della bobina che porta alla rottura dell’isolamento. Consentire il monitoraggio termico distribuito in situ in situ della struttura interna di una bobina in servizio consente lo sviluppo di un migliore utilizzo e di routine di manutenzione basate sulle condizioni; consentirebbe una comprensione e un’identificazione avanzate dello stato operativo delle bobine e di qualsiasi processo di degradazione, e quindi un’azione correttiva basata sulle condizioni per mantenere lo stato operativo e prevenire o rallentare ulteriori danni2,3.

Il metodo presentato è volto a consentire il monitoraggio in situ della struttura della bobina elettrica condizioni termiche incorporate attraverso l’uso di fibre flessibili ed elettromagnetiche immunitarie (EMI) sensori termici ottici grattugiati. Il metodo offre una serie di vantaggi funzionali rispetto alle tecniche di monitoraggio termico esistenti utilizzate nelle bobine elettriche: queste si basano quasi invariabilmente sull’uso di termoaccoppiati (TC) o rilevatori di temperatura di resistenza (RTD) che non sono immuni EMI; sono fatti di materiali conduttivi; e sono generalmente ragionevolmente ingombranti, quindi non sono ideali per applicazioni di rilevamento all’interno della struttura delle bobine elettriche delle ferite. L’utilizzo di robusti e flessibili sensori termici FBG in fibra ottica fornisce una serie di notevoli miglioramenti in questo senso, non solo grazie all’immunità EMI del sensore, ma anche alle sue piccole dimensioni, alla sua capacità multiplexante e alla sua flessibilità, che consente loro di essere incorporati e conformarsi a un’architettura arbitraria della bobina di ferite per ottenere il rilevamento termico con precisione precisa nelle posizioni strutturali desiderate4. Queste caratteristiche sono particolarmente interessanti nelle applicazioni delle macchine elettriche (EM) in cui i limiti termici dei dispositivi sono definiti dalle condizioni termiche della bobina elettrica e sono particolarmente pertinenti alla luce della notevole crescita prevista nell’utilizzo dei mercati elettrici con la proliferazione del trasporto elettrico.

Questo documento presenta la metodologia di strumentazione di una tipica struttura a bobina casuale a bassa tensione con sensori FBG termici per consentire il monitoraggio on-line degli hotspot interni. Viene segnalato un protocollo dettagliato della scelta del sensore FBG, progettazione, imballaggio, strumentazione, calibrazione e utilizzo. Questo è presentato su un sistema iEEE standard random wound coiltte. Il documento riporta anche le misurazioni termiche in situ ottenute in condizioni di funzionamento termiche statiche e non uniformi della bobina di prova esaminata.

Gli FBG sono formati dal processo di “grattugiare” il nucleo in fibra ottica per creare impronte longitudinali periodiche (di solito chiamate teste di rilevamento nelle applicazioni di rilevamento FBG); quando la fibra contenente FBG è esposta alla luce ultravioletta ogni testa FBG esistente causerà il suo indice di rifrazione da periodicamente5. Le lunghezze d’onda riflesse della testa di rilevamento saranno influenzate dalle condizioni termiche e meccaniche a cui la fibra è esposta, e quindi consentiranno di applicare la fibra grattugiata come sensore termico o meccanico assumendo un’adeguata progettazione e applicazione.

La tecnologia FBG è particolarmente interessante per le applicazioni di rilevamento distribuito: consente di grattugiare una singola fibra ottica per contenere più teste di rilevamento FBG, dove ogni testa è codificata con una lunghezza d’onda Bragg distinta e agisce come un punto di rilevamento distinto. Questo tipo di dispositivo di rilevamento basato su FBG è noto come sensore di array FBG6 e il suo concetto operativo è illustrato nella Figura 1. La luce a banda larga viene utilizzata per eccitare l’array producendo lunghezze d’onda riflesse distinte da ogni testa FBG contenuta; qui, ogni testa riflette una lunghezza d’onda definita (cioè la lunghezza d’onda di Bragg) che corrisponde al suo disegno a griglia e dipende anche dalle condizioni termiche e meccaniche prevalenti nella posizione della testa (cioè il rilevamento). È necessario un dispositivo interrogante per consentire l’eccitazione della fibra di matrice con la luce e l’ispezione degli spettri riflessi per lunghezze d’onda Di Bragg distinte contenenti informazioni sulle condizioni termiche e/o meccaniche localizzate.

Un aspetto particolarmente importante dell’implementazione del sensore termico FBG è la mitigazione degli effetti di sensibilità incrociata termomeccanica per ottenere il più vicino possibile alle letture esclusivamente termiche7. La caratteristica intrinseca di FBG della sensibilità incrociata termomeccanica richiede un’attenta progettazione di sensori FBG mirati ad applicazioni di rilevamento solo termico o meccanico. Per quanto riguarda il rilevamento termico, un metodo efficace di mitigazione della sensibilità all’eccitazione meccanica FBG consiste nell’isolare la testa di rilevamento con un imballaggi capillare di materiale adatto ad una determinata applicazione; nell’applicazione di rilevamento termico incorporato bobina esaminata in questo lavoro questo non solo riduce i problemi di sensibilità incrociata, ma serve anche a proteggere la fragile struttura della fibra di rilevamento dalla parte inferiore e dalla sollecitazione meccanica potenzialmente distruttiva8.

La figura 2A mostra l’esemplare di prova della bobina elettrica a ferita casuale utilizzato come veicolo dimostrativo in questo documento. La bobina è progettata secondo gli standard IEEE9 per le procedure di valutazione termica del sistema di isolamento delle bobine delle ferite casuali; il sistema di prova risultante illustrato nella Figura 2B è noto come sistema motorette ed è rappresentativo di un avvolgimento e del suo sistema di isolamento in una macchina elettrica a bassa tensione. Nel caso di studio presentato, la motorette sarà instrumentata con un sensore termico di array FBG composto da quattro punti di rilevamento termico, per emulare i tipici punti caldi di rilevamento termico di interesse in applicazioni pratiche della macchina che tendono ad essere localizzati in avvolgimento della chiusura della bobina e sezioni di slot. Per la calibrazione e la valutazione delle prestazioni, la motortte integrata FBG sarà termicamente eccitata utilizzando una camera termica commerciale e un alimentatore DC.

Protocol

1. Progettazione del sensore termico in fibra ottica Identificare innanzitutto il design e le specifiche del sensore in base alla struttura della bobina di destinazione e alle caratteristiche del sistema di interrogatorio. La bobina di prova utilizzata in questo lavoro ha una geometria ovale tipica delle bobine elettriche della macchina (come illustrato nella Figura 1A. Prima di determinare le singole posizioni di rilevamento, prendere decisioni di progettazione per garantire che la fibra di rilevamento ottico rimanga operativa nell’ambiente meccanico e termico tipico dell’applicazione della bobina di ferita incorporata. Utilizzare una fibra monomodalita in poliimide insensibile alla curva standard, che è generalmente nota per essere in grado di operare a temperature fino a circa 300 gradi centigradi; questa fibra è quindi adatta per l’applicazione nelle bobine di ferita utilizzate nelle macchine elettriche convenzionali.NOTA: La fibra ottica scelta garantisce la funzionalità del sensore nell’ambiente termico di una tipica bobina di ferita casuale che opera in macchine elettriche come utilizzata in questo lavoro (classe F e H con temperatura nominale rispettivamente di 155 e 180 C10. La fibra insensibile alla piegatura è preferita per questa applicazione in quanto è progettata per consentire un piccolo raggio di piegatura e avere una perdita di flessione inferiore. Ciò consente al sensore di essere efficacemente conforme alla struttura della bobina desiderata e alla posizione di rilevamento con un effetto dannoso minimo per la funzionalità di rilevamento. Impostare la lunghezza della fibra a 1,5 m.NOTA: La lunghezza della fibra viene impostata in base alla geometria della bobina della ferita bersaglio da instrumentare e alla distanza desiderata per l’unità di interrogatorio. La lunghezza circonferenziale della bobina di prova (illustrata nella figura 1A)è di 0,3 metri e la lunghezza della fibra scelta per l’interrogare dalla bobina è di 1,2 metri, per un peso di 1,5 m– ciò consente di eseguire un loop di lunghezza della fibra sufficiente all’interno della bobina di prova per garantire che le posizioni di rilevamento desiderate siano stabilite in modo appropriato e vi sia una distanza adeguata tra la bobina di prova e l’interrogante: La figura 3A illustra l’approccio generale di progettazione della lunghezza.NOTA: gli FBGS possono essere localizzati a diversi chilometri dall’unità di interrogatorio. Questo perché una fibra ottica è un singolo vettore efficiente. Progettare l’array FBG in modo che sia costituito da quattro teste FBG (5 mm) per consentire il rilevamento distribuito all’interno della struttura della bobina in modo che due posizioni di rilevamento siano posizionate sui lati della bobina e due alle estremità della bobina.NOTA: Le posizioni di rilevamento termico sono identificate in base agli standard di monitoraggio termico pertinenti per le macchine elettriche (ad esempio, 2 FBGS per le sezioni di slot e 2 per le sezioni di avvolgimento finale)10. Il design degli interrogatori commerciali utilizzato in questo lavoro può consentire l’interrogatorio simultaneo di fino a 16 punti di rilevamento FBG lungo una singola fibra ottica. Utilizzare una lunghezza della testina di rilevamento FBG di 5 mm; questo è ritenuto sufficiente per consentire il monitoraggio localizzato hot spot in corrente che trasportano bobine di ferita casuali.NOTA: i valori commerciali alternativi della lunghezza della testa FBG (3 mm, 5 mm o 10 mm) possono essere utilizzati anche nel caso in cui l’applicazione di rilevamento risse lo richiede una dimensione diversa del punto di rilevamento. Specificare le singole teste FBG da grattugiare con lunghezze d’onda diverse distanziate in una larghezza di banda di 1529-60 nm in modo che corrispondano alla valutazione degli interrogatori commerciali utilizzati; ciò garantisce la prevenzione dell’interferenza delle lunghezze d’onda spostate da FBG.NOTA: la lunghezza d’onda delle teste FBG, la larghezza di banda prevista per lo spostamento della lunghezza d’onda e la variazione della temperatura dell’applicazione devono essere all’interno della larghezza di banda della luce a banda larga dell’unità di interrogatorio per garantire che il sistema di rilevamento funzioni correttamente. Utilizzare un tipo di connettore a sonda in fibra FC/APC, che è coerente con l’unità interrogatrice.NOTA: FC/APC è generalmente la scelta preferita per il rilevamento FBG a causa di basse perdite di rendimento. Fornire la progettazione e le specifiche del sensore a un produttore commerciale FBG – La figura 3B mostra uno schizzo finale del progetto dell’array FBG utilizzato in questo lavoro. 2. Sistema di interrogazione e configurazione del sensore Controllare e configurare il sensore di array FBG progettato e prodotto per funzionare con il sistema di interrogatorio commerciale. Rimuovere il tappo protettivo dal ferrule del connettore FC/APC. Pulire l’estremità del connettore asciugandolo con un detergente connettore ottico.NOTA: si consiglia vivamente di eseguire questo passaggio ogni volta che il sensore è collegato all’interrogante. In questo lavoro è stato utilizzato un detergente ottico della serie commerciale Cletop-s. Plug-in del connettore sonda FBG pulito al connettore del canale dell’interrogante.NOTA: verificare che la chiave sia allineata correttamente durante l’accoppiamento dei connettori. Accendi l’interrogante.NOTA: l’interrogante è collegato al PC tramite un connettore RJ45 e un cavo internet. Eseguire il software di configurazione.NOTA: il software dell’interrogante è un pacchetto software proprietario basato su LabVIEW fornito dal produttore dell’interrogante progettato per consentire il funzionamento dell’unità hardware dell’interrogante. Nella scheda di impostazione dello strumento osservare gli spettri di lunghezza d’onda riflessi dalla sonda di array FBG (per il design dell’array FBG utilizzato in questo lavoro, quattro picchi devono essere osservati nello spettro del canale correlato).NOTA: l’intensità della luce riflessa dipende dalle caratteristiche FBG (è accettato sopra il 50%). Impostare la frequenza di campionamento su 10 Hz. Questo determina direttamente il numero di letture di temperatura fornite in un dato periodo di 1 s.NOTA: il sistema di interrogatorio utilizzato può funzionare a frequenze di campionamento fino a 2,5 kHz; tuttavia, per la dinamica termica delle bobine di trasporto correnti monitorate in questo lavoro 10 Hz è considerato un tasso di acquisizione sufficiente. Nell’impostazione delle misure, denominare le teste FBG come FBG1, FBG2, FBG3 e FBG4. Scegliere la lunghezza d’onda come tipo di quantità da presentare graficamente in questa fase. L’array FBG è configurato e pronto per la fase di calibrazione. 3. Preparazione dell’imballaggio Confezionare in modo appropriato le aree in cui le teste FBG sono impresse (cioè grattugiate) nella fibra dell’array per garantire il rilevamento dell’isolamento della testa dall’eccitazione meccanica e quindi produrre esclusivamente un sensore reattivo di eccitazione termica. Inoltre, la struttura in fibra è fragile e non è auspicabile incorporarla direttamente all’interno dei conduttori della bobina: richiede un’adeguata protezione meccanica per mantenere l’integrità. In questo lavoro, l’area di rilevamento contenente le quattro teste FBG che è incorporato all’interno della struttura della bobina è confezionato con polietheretherketone (PEEK) e il resto della fibra è protetto da Teflon – questo è illustrato nella figura 3C. Progettare l’imballaggio sotto forma di un tubo capillare rotondo stretto in modo che la fibra di rilevamento possa essere instradata attraverso e quindi protetta dal capillare.NOTA: Le dimensioni capillari e le proprietà termiche sono particolarmente importanti per quanto riguarda l’imballaggio dell’area contenente teste di rilevamento FBG. È generalmente auspicabile garantire uno spessore della parete relativamente stretto e utilizzare materiale che non sia elettricamente conduttivo, ma fornisca un ragionevole grado di conduttività termica. Il diametro esterno del capillare PEEK utilizzato in questo lavoro era di 0,8 mm e il suo spessore della parete è di 0,1 mm. Preparare il capillare PEEK tagliando l’adeguata lunghezza del tubo PEEK commerciale (lunghezza della struttura della bobina bersaglio con pochi centimetri in più per consentire l’inserimento di fibre e Teflon alla preparazione articolare capillare PEEK).NOTA: La strumentazione in situ dell’array FBG richiede l’installazione prima dell’imballaggio che viene poi inserita con la fibra di rilevamento. Occorre prestare attenzione per garantire aperture estreme capillari lisce e pulite. Eseguire misure accurate dell’array FBG e del capillare PEEK per identificare con precisione i punti di rilevamento sulla superficie esterna del capillare PEEK. Ciò consente il posizionamento delle testine di rilevamento FBG in posizioni di destinazione all’interno della bobina di prova motorette. Preparare il capillare Teflon tagliando una lunghezza adeguata di tubi in Teflon commerciali per garantire che la sezione in fibra al di fuori della geometria della bobina di prova sia protetta e contenuta.NOTA: il materiale di imballaggio esterno della sezione dell’array non di rilevamento deve avere una rigidità sufficiente a fornire un’adeguata protezione meccanica, ma anche flessibile per consentire un collegamento pratico con l’interrogante; è anche auspicabile che questo materiale sia immune da EMI in questa applicazione. Teflon si trova a fornire prestazioni soddisfacenti in questo studio tuttavia materiali alternativi possono essere applicati. Preparare la lunghezza appropriata del tubo di strizzacervelli per fare l’articolazione tra peek e i capillari di Teflon. 4. Calibrazione termica gratuita Calibrare il sensore di array FBG confezionato inserendolo nella camera termica per estrarre la sua temperatura discreta rispetto ai punti di lunghezza d’onda.NOTA: Preferibilmente l’area di rilevamento è sagomata in modo che corrisponda a quella della struttura della bobina bersaglio per fornire la calibrazione in livelli di deformazione simili a quelli in cui il pacco è incorporato all’interno della bobina di prova. Collegare la fibra ottica grattugiata all’interrogante e lanciare la routine software dell’interrogante preconfigurata. Impostare il forno a camera termica per operare in una sequenza di punti termici a stato stabile – questi sono in una gamma di ambiente a 170 gradi centigradi e in gradini di ogni 10 gradi in questo lavoro. Creare una tabella dalle lunghezze d’onda misurate di ogni singolo FBG nell’array per ogni temperatura costante emulata nella camera.NOTA: durante i test di calibrazione è necessario riservare tempo sufficiente per raggiungere l’equilibrio termico in ogni punto termico a stato stazionario esaminato. Utilizzare la lunghezza d’onda spostata registrata rispetto alle misurazioni della temperatura in 10 gradi centigradi per determinare le curve di adattamento ottimali della lunghezza d’onda della temperatura e i loro coefficienti per ogni FBG. La figura 4 e la tabella 1 mostrano rispettivamente le misurazioni dei dati di calibrazione registrati e la curva di adattamento calcolata.NOTA: La relazione tra lo spostamento della lunghezza d’onda e la variazione di temperatura delle testine FBG nell’array viene analizzata dalla regressione quadratica polinomiale in questo lavoro in quanto questo è stato trovato per fornire una caratterizzazione ottimale. Da questa analisi vengono calcolati i coefficienti della curva di adattamento della regressione quadratica polinomiale11. Immettere i coefficienti calcolati nell’impostazione corrispondente del software interrogante per consentire le misurazioni della temperatura on-line dall’array FBG. 5. Collaudati la costruzione della bobina e la strumentazione FBG In primo luogo costruire e instrumentare la bobina di ferita a caso motortte. Progettare una bobina avvolgimento per adattarsi al dispositivo di avvolgimento.NOTA: La geometria della bobina è progettata per adattarsi alla geometria di turno desiderata della bobina e garantire che le dimensioni della bobina della ferita desiderate. La bobina è progettata per essere facilmente smontata in modo da facilitare la rimozione diretta della bobina della ferita senza danneggiare il suo isolamento. Posizionare la bobina di filo di rame smaltato selezionato nel dispositivo di avvolgimento e tirare il filo di rame attraverso i rulli di avvolgitore e il controller di tensione.NOTA: in questo lavoro viene utilizzato il filo di rame smaltato di classe F. Impostare il contatore dei numeri di svolta del dispositivo di avvolgitore su zero. Impostare l’avvolgitore per operare a bassa velocità e controllare la tensione del filo desiderato. Metà del vento della bobina gira. Montare il capillare PEEK preparato al centro della bobina utilizzando nastro Kapton.NOTA: è necessario prestare attenzione affine che gli indici sul capillare PEEK siano posizionati nei luoghi di destinazione. Avvolgere il resto della bobina gira. Togliere la bobina dalla macchina avvolgitrice e smontare per liberare la bobina della ferita incastonata con un capillare PEEK. Posizionare la bobina nel telaio della motortte.NOTA: Il sistema di isolamento della bobina motorette (isolamento a fessura e cunei di fessura) deve essere installato in modo appropriato con la bobina. Preparare i terminali della bobina e collegarli ai terminali motortte. Verniciare la motortte utilizzando una vernice tortuosa e metterla in forno a temperatura appropriata (150 gradi centigradi) per curare. Strumentazione array FBG: In primo luogo collegare l’array FBG all’interrogante; lanciare il software dell’interrogante per monitorare la lunghezza d’onda riflessa dell’FBG durante l’installazione. Tirare la fibra attraverso il tubo di restringimento preparato. Inserire con attenzione la fibra (area di rilevamento) nel capillare PEEK fino alle aperture finali di Teflon e peek capillari sono in contatto. Spostare il tubo di strizzacervelli per coprire le estremità capillari e riscaldarlo adeguatamente fino a raggiungere la vestibilità desiderata. 6. Calibrazione e valutazione in situ Convalidare la calibrazione termica ottenuta al punto 4 dopo l’incorporamento e correggere se necessario. Il test consente inoltre di valutare le prestazioni dell’array FBG in condizioni termiche statiche controllate. Posizionare la motortte infilata con l’array termico FBG nel forno termico.NOTA: Il sensore termico convenzionale può essere utilizzato per il confronto delle prestazioni. Qui vengono utilizzate termocoppie installate sulla superficie della bobina motorette. Ripetere i passaggi 4.3 e 4.4. Ripetere il passaggio 4.5 includendo la temperatura misurata dalle testine FBG in base all’adattamento calibrato nel passaggio 4. Valutare e confrontare le misurazioni della temperatura dell’array FBG con la temperatura di riferimento. Se l’errore di misurazione è alto, la misura registrata nel passaggio 6.4 può essere utilizzata per aggiornare la calibrazione. Togliere la motortte dal forno termale; è pronto per il test. 7. Test Eseguire un test di condizione termica statica. Collegare la motortte all’alimentatore DC. Collegare l’array FBG all’interrogante; monitorare e registrare le misurazioni della temperatura FBG. Controllare l’alimentatore DC per iniettare la motorette con una corrente DC.NOTA: il livello di corrente DC scelto deve garantire che l’aumento a T nei punti termici interni della bobina sia inferiore alla temperatura di isolamento ammissibile; questo permette test non distruttivi sulla bobina prototipo. Interrompere la registrazione delle misurazioni quando viene raggiunto l’equilibrio termico della bobina motorette. Eseguire un test di condizione termica non uniforme. Avvolgere la bobina esterna contenente 20 giri intorno a una sezione di bobina di prova selezionata. Collegare la bobina esterna a un alimentatore DC separato. Energizzare la motorette con la corrente DC applicata in 7.1.3. Iniziare a registrare le misurazioni termiche una volta raggiunto l’equilibrio termico. Energizzare la bobina esterna con una corrente DC per fornire condizioni termiche non uniformi fornendo eccitazione termica localizzata sulla bobina di prova. Interrompere la registrazione delle misurazioni una volta raggiunto l’equilibrio termico.

Representative Results

La figura 5 presenta le temperature misurate dal sensore di array nel test termico statico. Le quattro letture di temperatura interne, effettuate dalle rispettive teste FBG di matrice nelle posizioni corrispondenti della bobina, sono osservate come generalmente previsto per le condizioni di prova esaminate; c’è una leggera variazione tra la misura individuale riportata di meno di 1,5 gradi centigradi tra le temperature medie osservate dell’hotspot di 75,5 gradi centigradi. La figura 6 riporta le misurazioni del sensore di array ottenute nel test delle condizioni termiche non uniformi. Questi sono mostrati per primi per il periodo in cui non c’è eccitazione nella bobina esterna (primi 75 s) che indica livelli termici misurati strettamente uniformi, come ci si aspetterebbe. La bobina esterna viene quindi eccitata con conseguente ulteriore eccitazione termica localizzata: questo si traduce in un netto cambiamento nelle misurazioni osservate, con il punto di rilevamento nelle immediate vicinanze della bobina esterna (cioè l’FBG4) che misura il livello termico più alto (128,6 gradi centigradi) e che più lontano il più basso (117,6 gradi centigradi); i sensori di temperatura FBG situati tra questi livelli di temperatura intermedi e simili di questi rapporti (122,7 e 121,6 gradi centigradi). Le letture osservate si riferiscono chiaramente alla distribuzione della testa di rilevamento individuale nella geometria della bobina di prova esaminata. Inoltre, i risultati dimostrano chiaramente la capacità funzionale del sensore di array incorporato della bobina per il monitoraggio e l’identificazione della distribuzione interna distribuita dell’hotspot termico in bobine di ferita casuali. come illustrato nella Figura 1. Il concetto operativo del sensore di array FBG. Questa cifra è stata modificata da una precedente pubblicazione4. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. come illustrato nella Figura 2. Assemblaggio della bobina motorette standard IEEE. (A) Bobina elettrica ferita casuale; vedere gli standard IEEE9. (B) Standardtte IEEE assemblato e verniciato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. come illustrato nella figura 3. Progettazione dell’array di sensori termici FBG. (A) Lunghezza della fibra di matrice FBG, (B) Posizioni della testina FBG nella struttura dell’array, (C) FBG array packaging design. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. come illustrato nella Figura 4. Il sensore a matrice confezionato FBG testa caratteristiche di calibrazione. Le caratteristiche sono derivate dai dati ottenuti nei test di calibrazione termica senza matrice. Questa cifra è stata modificata da una precedente pubblicazione4. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. come illustrato nella Figura 5. Misurazioni termiche dell’array FBG ottenute nel test delle condizioni termiche a stato costante. Le singole misurazioni termiche della testa riportate dal sensore dell’array FBG sono mostrate con una vista di misurazione dello stato stazionario di dettaglio. Questa cifra è stata modificata da una precedente pubblicazione4. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. come illustrato nella Figura 6. Misure termiche nel test delle condizioni termiche non uniformi. Questa cifra è stata modificata da una precedente pubblicazione4. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Intercettare B1 B2 Statistiche Valore Errore standard Valore Errore standard Valore Errore standard Adj. R-Square FBG1 1555.771 0.0137 0.00855 2.85E-04 1.50E-05 1.34E-06 (in inglese) 0.99978 FBG2 1547.669 0.0112 0.00851 2.34E-04 1.41E-05 1.10E-06 (in inglese) 0.99985 FBG3 1539.852 0.0101 0.00871 2.11E-04 1.30E-05 9.90E-07 0.99988 FBG4 1531.768 0.0131 0.00808 2.72E-04 1.67E-05 1.28E-06 (in inglese) 0.9998 Tabella 1: Parametri di curva di adattamento qudratico polinomiale calcolati. I coefficienti di correzione della testa standard dei parametri calcolati e dei singoli coefficienti di correzione della testa sono inclusi; è stata osservata una buona linearità e un coefficiente del fattore di coorezione superiore a 0,999 per le quattro teste FBG testate. Questa tabella è stata modificata da una precedente pubblicazione4.

Discussion

La carta ha dimostrato la procedura necessaria per progettare, calibrare e testare sensori termici FBG in situ in bobine di ferita a bassa tensione. Questi sensori offrono una serie di vantaggi per le applicazioni di rilevamento in situ all’interno delle attuali strutture di bobina di ferita: sono completamente immuni EMI, sono flessibili e possono conformarsi a una geometria arbitraria desiderata per fornire posizioni arbitrarie del punto di rilevamento desiderato con alta precisione e può fornire un gran numero di punti di rilevamento su un singolo sensore. Mentre il rilevamento termico all’interno delle bobine di ferita può essere ottenuto con tecniche di monitoraggio termico convenzionali che impiegano termocoppia o rilevatori di temperatura di resistenza, l’applicazione di FBG è dimostrata per fornire una serie di interessanti vantaggi funzionali.

L’imballo appropriato del sensore di array FBG è fondamentale per il suo utilizzo efficace. È importante che le singole teste di rilevamento o l’intera area di rilevamento della fibra siano adeguatamente imballate per garantire l’isolamento delle teste FBG dall’eccitazione meccanica in un capillare termoconico rigido ma flessibile. È auspicabile che il capillare sia progettato su materiale non conduttivo elettricamente in quanto ciò garantisce prestazioni ottimali nell’ambiente ricco di EMI caratteristico delle bobine di trasporto attuali.

È necessario prestare attenzione durante il processo di imballaggio dell’installazione capillare nella bobina per posizionare con precisione i segmenti del pacco nelle posizioni di rilevamento corrispondenti. È inoltre essenziale ottimizzare la geometria capillare nel caso in cui si osservino condizioni termiche altamente dinamiche.

È fondamentale garantire una caratterizzazione accurata del sensore integrato della bobina. Questo è meglio farlo eseguendo la calibrazione del sensore confezionato gratuito prima della sua installazione all’interno della geometria della bobina ferita. Mentre un alto grado di protezione dall’eccitazione meccanica è fornito dall’imballaggio in situ, il processo di installazione può provocare uno spostamento della lunghezza d’onda a causa della sensibilità alla deformazione. Se eseguito con attenzione questo può essere trascurabile; tuttavia, è buona norma che ciò venga accertato, ove possibile, nei test di calibrazione in situ.

Questa applicazione di FBG all’interno di bobine di ferita è relativamente nuova e apre una serie di opportunità per migliorare la progettazione, l’utilizzo, il monitoraggio e la diagnosi della salute delle macchine elettriche. Sono necessari ulteriori lavori per ridurre i costi e renderli un’opzione credibile per l’applicazione su larga scala in macchinari elettrici.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato sostenuto dal UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy del Consorzio Offshore Wind Farms sotto la concessione 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
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References

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Fiber Bragg Grating (FBG)Thermal Hot Spot MonitoringElectric CoilsDistributed SensingMultiplexingSensor DesignInstrumentationUsage Protocols

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Mohammed, A., Durović, S. Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing. J. Vis. Exp. (157), e59923, doi:10.3791/59923 (2020).
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