Protocolos de Diseño, Instrumentación y Uso para la Monitorización de Puntos Calientes Térmicos Distribuidos In Situ en Bobinas Eléctricas utilizando Multiplexación de Sensor FBG
Summary
Este documento presenta un protocolo que permite la instrumentación de bobinas eléctricas de heridas aleatorias con sensores térmicos de rejilla Bragg de fibra (FBG) con el propósito de monitorear las condiciones distribuidas de los puntos calientes térmicos internos.
Abstract
Las bobinas de heridas aleatorias son un elemento operativo clave de la mayoría de los aparatos eléctricos en los sistemas industriales modernos, incluidas las máquinas eléctricas de baja tensión. Uno de los principales cuellos de botella actuales en la mejora de la explotación de los dispositivos eléctricos es la alta sensibilidad de sus componentes de la herida al estrés térmico en servicio. La aplicación de métodos convencionales de sensibilidad térmica (por ejemplo, termopares, detectores de temperatura de resistencia) para el monitoreo de condiciones térmicas de bobinas de heridas aleatorias portadoras de corriente puede imponer limitaciones operativas considerables debido al tamaño del sensor, EMI sensibilidad y la existencia de material conductor eléctrico en su construcción. Existe otra limitación sustancial en las aplicaciones de sensor esdistribuida y es causada por lo que a menudo es una longitud y volumen considerables de cables de cableado de sensores convencionales.
Este artículo informa del diseño de un sistema de sensor FBG de fibra óptica destinado a permitir la monitorización de condiciones térmicas internas distribuidas en tiempo real dentro de bobinas de heridas aleatorias. El procedimiento de instrumentación aleatoria de bobinas de heridas con el sistema de sensato FBG se informa en un estudio de caso sobre una bobina de herida estándar IEEE representativa de las utilizadas en máquinas eléctricas. El trabajo reportado también presenta y analiza importantes aspectos prácticos y técnicos de la implementación y aplicación del sistema de sensores FBG, incluyendo el diseño de geometría de la matriz FBG, cabezal de sensor y embalaje de fibra, la instalación de la matriz de sensores y procedimiento de calibración y el uso de un sistema de interrogación comercial para la obtención de mediciones térmicas. Por último, el rendimiento de monitoreo térmico del sistema de detección FBG multiplexado in situ se demuestra en condiciones térmicas estáticas y dinámicas representativas.
Introduction
Las bobinas de heridas aleatorias son un elemento de diseño clave de la mayoría de los aparatos eléctricos en los sistemas industriales modernos y se utilizan comúnmente en maquinaria eléctrica de baja tensión. Una barrera importante para el mejor uso de las bobinas de heridas en estas aplicaciones es su sensibilidad al estrés electrotérmico en servicio. Las sobrecargas térmicas son particularmente pertinentes en este sentido, ya que pueden causar una avería del sistema de aislamiento de la bobina de aislamiento y, en última instancia, su fallo total1; esto puede surgir debido a los niveles excesivos de corriente de la bobina, u otras causas tales como una falla eléctrica de la bobina o un mal funcionamiento del sistema de refrigeración, donde los puntos calientes localizados se inducen en la estructura de la bobina que conduce a la avería del aislamiento. La habilitación de la monitorización térmica distribuida in situ de la estructura interna de una bobina en servicio permite el desarrollo de una mejor utilización y rutinas de mantenimiento basadas en condiciones; permitiría una comprensión e identificación avanzada del estado de funcionamiento de las bobinas y de cualquier proceso de degradación, y por lo tanto condicionaría la acción correctiva basada en el mantenimiento del estado de funcionamiento y evitar o ralentizar más daños2,3.
El método presentado está dirigido a permitir la monitorización in situ de las condiciones térmicas integradas de la estructura de la bobina eléctrica mediante el uso de sensores térmicos ópticos de fibra braralBra (flexibles e ineléctricos) de fibra Bragg. El método ofrece una serie de ventajas funcionales sobre las técnicas de monitoreo térmico existentes utilizadas en bobinas eléctricas: estos dependen casi invariablemente del uso de termopar (TCs) o detectores de temperatura de resistencia (RTD) que no son EMI inmune; están hechos de materiales conductores; y generalmente son razonablemente voluminosos, por lo tanto, no son ideales para aplicaciones de sensación dentro de la estructura de bobinas eléctricas de heridas. El uso de sensores térmicos FBG de fibra óptica robusta y flexible proporciona una serie de mejoras considerables en este sentido, no sólo debido a la inmunidad al sensor EMI, sino también a su pequeño tamaño, capacidad de multiplexación y su flexibilidad, lo que les permite ser incrustados y conformes a una arquitectura de bobina de herida arbitraria para lograr la detección térmica con precisión precisa en las ubicaciones estructurales deseadas4. Estas características son especialmente atractivas en aplicaciones de máquinas eléctricas (EM) donde los límites térmicos del dispositivo están definidos por las condiciones térmicas de la bobina eléctrica y son particularmente pertinentes a la luz del crecimiento considerable esperado en el uso de EM con la proliferación del transporte eléctrico.
Este documento presenta la metodología de instrumentación de una estructura típica de bobina de herida aleatoria de bajo voltaje con sensores fbG térmicos para permitir la supervisión en línea de puntos críticos internos. Se informa de un protocolo detallado de la elección, diseño, embalaje, instrumentación, calibración y uso del sensor FBG. Esto se presenta en un sistema de motordelar de bobina de herida aleatoria estándar IEEE. El documento también informa de las mediciones térmicas in situ obtenidas bajo condición de funcionamiento térmico estático y no uniforme de la bobina de prueba examinada.
Los FBG están formados por el proceso de ‘grating’ del núcleo de fibra óptica para crear huellas longitudinales periódicas (generalmente conocidas como cabezales de sensor en aplicaciones de sensor de FBG); cuando la fibra que contiene FBG sin luz ultravioleta, cada cabezal FBG existente hará que su índice de refracción se modula periódicamente5. Las longitudes de onda reflejadas del cabezal de detección se verán afectadas por las condiciones térmicas y mecánicas a las que está expuesta la fibra, y así permitir que la fibra rallada se aplique como un sensor térmico o mecánico asumiendo un diseño y aplicación adecuados.
La tecnología FBG es especialmente atractiva para aplicaciones de sensibilidad distribuida: permite rallar una sola fibra óptica para contener múltiples cabezales de sensibilidad FBG, donde cada cabeza está codificada con una longitud de onda Bragg distinta y actúa como un punto de sensibilidad distinto. Este tipo de dispositivo de sensación basado en FBG se conoce como sensor de matriz FBG6 y su concepto de funcionamiento se ilustra en la Figura 1. La luz de banda ancha se utiliza para excitar la matriz dando como resultado longitudes de onda reflejadas distintas de cada cabeza FBG contenida; aquí, cada cabeza refleja una longitud de onda definida (es decir, longitud de onda Bragg) que coincide con su diseño de rejilla y también depende de las condiciones térmicas y mecánicas prevalecientes en la ubicación de la cabeza (es decir, la sensación). Se necesita un dispositivo de interrogador para permitir la excitación de fibra de matriz con luz y la inspección de los espectros reflejados para longitudes de onda Bragg distintas que contienen información sobre condiciones térmicas y/o mecánicas localizadas.
Un aspecto particularmente importante de la implementación del sensor térmico FBG es la mitigación de los efectos de sensibilidad cruzada termomecánica para obtener lo más cerca posible de las lecturas exclusivamente térmicas7. La característica inherente FBG de la sensibilidad cruzada termomecánica requiere un diseño cuidadoso de los sensores FBG dirigidos a aplicaciones de sensibilidad sólo térmicas o mecánicas. Cuando se trate de la detección térmica, un método eficaz de mitigación de la sensibilidad a la excitación mecánica FBG consiste en aislar el cabezal de detección con un capilar de embalaje fabricado con material adecuado para una aplicación determinada; en la aplicación de sensibilidad térmica integrada bobina examinada en este trabajo esto no sólo reduce los problemas de sensibilidad cruzada, sino que también sirve para proteger la frágil estructura de fibra de sensibilidad de la parte inferior y la tensión mecánica potencialmente destructiva8.
La Figura 2A muestra la muestra de prueba de bobina eléctrica de herida aleatoria utilizada como vehículo de demostración en este papel. La bobina está diseñada de acuerdo con los estándares IEEE9 para los procedimientos de evaluación térmica del sistema de aislamiento de bobinas de heridas aleatorias; el sistema de prueba resultante que se muestra en la Figura 2B se conoce como sistema de máquinas y es representativo de un bobinado y su sistema de aislamiento en una máquina eléctrica de baja tensión. En el caso práctico presentado, la motomotora se instrumentará con un sensor térmico de matriz FBG que consta de cuatro puntos de sensibilidad térmica, para emular los puntos calientes de sensibilidad térmica típicos de interés en aplicaciones prácticas de máquinas que tienden a ser localizadas en las secciones de bobinado y ranura. Para la calibración y evaluación del rendimiento, la máquina embebido FBG se excitará térmicamente utilizando una cámara térmica comercial y una fuente de alimentación de CC.
Protocol
Representative Results
Discussion
El papel ha demostrado el procedimiento necesario para diseñar, calibrar y probar sensores térmicos FBG in situ en bobinas enrolladas de baja tensión. Estos sensores ofrecen una serie de ventajas para aplicaciones de sensor in situ dentro de las estructuras actuales de la bobina de la herida de transporte: son completamente inmunes EMI, son flexibles y pueden ajustarse a una geometría deseada arbitraria para entregar ubicaciones de puntos de sensibilidad deseados arbitrarios con alta precisión, y puede proporcionar un gran número de puntos de sensibilidad en un solo sensor. Mientras que la sensibilidad térmica dentro de las bobinas de la herida se puede lograr con técnicas convencionales de monitoreo térmico que emplean termopar o detectores de temperatura de resistencia, la aplicación de FBGs se muestra para proporcionar una serie de ventajas funcionales atractivas.
El embalaje adecuado del sensor de matriz FBG es clave para su utilización efectiva. Es importante que los cabezales de sensibilidad individuales o toda el área de sensibilidad de la fibra se embalen adecuadamente para garantizar el aislamiento de los cabezales FBG de la excitación mecánica en un capilar rígido pero flexible térmicamente conductivo. Es deseable que el capilar esté diseñado de material conductor no eléctrico, ya que esto garantiza un rendimiento óptimo en el entorno rico en EMI característico de las bobinas de transporte de corriente.
Se debe tener cuidado durante el proceso de instalación capilar de embalaje en la bobina para posicionar con precisión los segmentos del paquete en sus ubicaciones de sensación correspondientes. También es esencial optimizar la geometría capilar en caso de que se observen condiciones térmicas altamente dinámicas.
Es vital asegurar una caracterización precisa del sensor integrado de la bobina. Esto se hace mejor mediante la realización de calibración gratuita del sensor empaquetado antes de su instalación dentro de la geometría de la bobina de la herida. Mientras que un alto grado de protección contra la excitación mecánica es proporcionado por el embalaje in situ, el proceso de instalación puede resultar en el cambio de longitud de onda debido a la sensibilidad de tensión. Si se realiza cuidadosamente esto puede ser insignificante; sin embargo, es una buena práctica que esto se determine en las pruebas de calibración in situ siempre que sea posible.
Esta aplicación de FBG dentro de las bobinas de la herida es relativamente nueva y abre una serie de oportunidades para mejorar el diseño, la utilización, el monitoreo y el diagnóstico de salud de las máquinas eléctricas. Se necesitan más trabajos para reducir el costo de estos y convertirlos en una opción creíblemente viable para la aplicación a gran escala en maquinaria eléctrica.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por el UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy from Offshore Wind Farms Consortium under grant 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
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