FBG Sensör Lüplama kullanılarak Elektrikli Bobinlerde Situ Termal Sıcak Noktalar İzlemesi Için Tasarım, Enstrümantasyon ve Kullanım Protokolleri
Summary
Bu kağıt, iç termal sıcak noktaların dağıtılmış durum izleme amacıyla fiber Bragg ızgara (FBG) termal sensörleri ile rasgele yara elektrik bobinleri enstrümantetasyon sağlayan bir protokol sunuyor.
Abstract
Rasgele yara bobinleri, düşük voltajlı elektrik makineleri de dahil olmak üzere modern endüstriyel sistemlerde çoğu elektrik aparatının önemli bir operasyonel unsurudur. Elektrikli cihazların daha iyi kullanılmasındaki en önemli darboğazlardan biri yara bileşenlerinin hizmet içi termal strese karşı yüksek hassasiyetidir. Konvansiyonel Termal algılama yöntemlerinin (örn. termopllar, direnç sıcaklık dedektörleri) mevcut rasgele yara bobinlerinin termal durum takibi için uygulanması, sensör boyutu, EMI nedeniyle önemli operasyonel sınırlamalar getirebilir duyarlılık ve yapımında elektriksel iletken malzemenin varlığı. Başka bir önemli sınırlama dağıtılmış algılama uygulamalarında var ve genellikle önemli bir uzunluk ve konvansiyonel sensör kablolama yol hacmi ne neden olur.
Bu kağıt rasgele yara bobinleri içinde gerçek zamanlı dağıtılmış iç termal durum izleme sağlamak için tasarlanmış bir fiber optik FBG algılama sisteminin tasarımı raporlar. FBG algılama sistemi ile rasgele yara bobini enstrümantasyon prosedürü elektrik makinelerinde kullanılan bir IEEE standart yara bobini temsilcisi bir vaka çalışması bildirilmiştir. Rapor edilen çalışma aynı zamanda FBG algılama sistemi uygulama ve uygulamasının önemli pratik ve teknik yönlerini sunar ve tartışır, FBG dizi geometri siliği tasarımı, algılama kafası ve fiber ambalajı, sensör dizi kurulumu ve kalibrasyon prosedürü ve termal ölçümlerelde etmek için ticari bir sorgulama sisteminin kullanımı. Son olarak, in situ multiplexed FBG algılama sistemi termal izleme performansı temsili statik ve dinamik termal koşullarda gösterilmiştir.
Introduction
Rastgele yara bobinleri modern endüstriyel sistemlerde en elektrik cihazlarının önemli bir tasarım elemanı dır ve genellikle düşük voltajlı elektrikli makinelerde kullanılır. Bu uygulamalarda yara bobinlerinin daha iyi kullanımının önündeki en önemli engel, hizmet içi elektro-termal strese karşı duyarlılıklarıdır. Isı fazla yükleri bu konuda özellikle ilgili bu yalıtım bobini yalıtım sistemi arıza ve sonuçta toplam arıza1neden olabilir; bu aşırı bobin akım düzeyleri nedeniyle ortaya çıkabilir, ya da bir bobin elektrik arızası veya bir soğutma sistemi arızası gibi diğer nedenler, lokalize sıcak noktalar yalıtım arıza yol açan bobin yapısında indüklenen nerede. Hizmet içi bobinin iç yapısının yerinde dağıtılmış termal izlenmesini sağlamak, gelişmiş kullanım ve duruma dayalı bakım rutinlerinin geliştirilmesine olanak sağlar; bobinlerin çalışma durumunun ve herhangi bir bozulma sürecinin ileri anlaşılması ve tanımlanmasına olanak sağlayacak ve böylece çalışma durumunu korumak ve daha fazla hasarı önlemek veya yavaşlatmak için durum bazlı düzeltici eylem2,3.
Sunulan yöntem esnek ve elektromanyetik girişim immün (EMI) fiber Bragg rendelenmiş optik termal sensörler kullanımı ile elektrik bobin yapısı gömülü termal koşulların yerinde izlenmesini sağlamayı amaçlamaktadır. Bu yöntem, elektrik bobinlerinde kullanılan mevcut termal izleme tekniklerine göre bir takım işlevsel avantajlar sunar: bunlar neredeyse her zaman EMI immün olmayan termokupl (TC) veya direnç sıcaklık dedektörlerinin (RTD) kullanımına dayanır; iletken malzemelerden yapılır; ve genellikle makul hantal dolayısıyla ideal yara elektrik bobinleri yapısı içinde uygulamaları algılamak için uygun değildir. Sağlam ve esnek fiber optik FBG termal sensörlerin kullanımı bu konuda önemli iyileştirmeler bir dizi sağlar, sadece sensör EMI bağışıklık nedeniyle değil, aynı zamanda küçük boyutu nedeniyle, çoklama yeteneği ve esneklik, onları gömülü ve istenilen yapısalyerlerdekesin doğruluk ile termal algılama elde etmek için keyfi bir yara bobin mimarisine uygun 4 . Bu özellikler özellikle cihaz ısıl sınırlarının elektrikli bobin termal koşulları ile tanımlandığı elektrikli makine (EM) uygulamalarında çekicidir ve özellikle elektrik taşımasının çoğalması ile EM kullanımında beklenen önemli büyüme ışığında ilgilidir.
Bu makale, iç sıcak noktaların on-line izlenmesini sağlamak için termal FBG sensörleri ile tipik bir düşük voltaj rastgele yara bobini yapısı enstrümaning metodolojisi sunar. FBG sensör seçimi, tasarımı, ambalajlanması, enstrümantasyonu, kalibrasyonu ve kullanımı ile ilgili ayrıntılı bir protokol rapor edilebilir. Bu bir IEEE standart rasgele yara bobini motorette sistemi sunulmaktadır. Kağıt ayrıca incelenen test bobininin statik ve tekdüze olmayan termal çalışma koşulları altında yerinde termal ölçümlerde elde edilen raporları.
FBG’ler periyodik uzunlamasına künyeler oluşturmak için optik fiber çekirdeği ‘ızgara’ işlemi yle oluşur (genellikle FBG algılama uygulamalarında algılama kafaları olarak adlandırılır); FBG’ler içeren lif ultraviyole ışığa maruz kaldığında mevcut her FBG kafası, kırılma indeksi periyodik olarak modüle edilmesine neden olur5. Algılama kafası yansıyan dalga boyları, lifin maruz kaçtığı termal ve mekanik koşullardan etkilenerek rendelenmiş elyafın yeterli tasarım ve uygulama dan sonra termal veya mekanik sensör olarak uygulanmasını sağlayacaktır.
FBG teknolojisi özellikle dağıtılmış algılama uygulamaları için caziptir: her kafanın farklı bir Bragg dalga boyu ile kodlandığı ve farklı bir algılama noktası olarak hareket ettiği birden fazla FBG algılama kafası içerecek şekilde rendelenecek tek bir optik fibere izin verir. FBG tabanlı algılama cihazı bu tür bir FBG dizi sensörü6 olarak bilinir ve işletim konsepti Şekil 1gösterilmiştir. Geniş bant ışığı, içerdiği her FBG kafası ndan farklı yansıyan dalga boyları ile sonuçlanan diziyi heyecanlandırmak için kullanılır; burada, her kafa, ızgara tasarımına uyan ve aynı zamanda kafadaki (yani algılama) hakim termal ve mekanik koşullara bağlı olan tanımlanmış bir dalga boyunu (yani Bragg dalga boyu) yansıtır. Bir sorgulayıcı cihaz ışık ve lokalize termal ve / veya mekanik koşullar hakkında bilgi içeren farklı Bragg dalga boyları için yansıyan spektrumların incelenmesi ile dizi fiber uyarma sağlamak için gereklidir.
FBG termal sensör uygulamasının özellikle önemli bir yönü sadece termal okumalariçinmümkün olduğunca yakın elde etmek için termo-mekanik çapraz hassasiyet etkilerinin azaltılması 7 . Termo-mekanik çapraz hassasiyetin FBG doğal özelliği, yalnızca termal veya mekanik algılama uygulamalarını hedefleyen FBG sensörlerinin dikkatli bir şekilde tasarlanması gerektirir. Termal algılama söz konusu olduğunda azaltma FBG mekanik uyarma hassasiyeti etkili bir yöntem belirli bir uygulama için uygun malzemeden yapılmış bir ambalaj kılcal ile algılama kafası izole etmektir; Bu çalışmada incelenen bobin gömülü termal algılama uygulamasında bu sadece çapraz hassasiyet sorunlarını azaltır değil, aynı zamanda kırılgan algılama lif yapısını alt ve potansiyel olarak yıkıcı mekanik stresten korumaya hizmet vermektedir8.
Şekil 2A bu yazıda gösteri aracı olarak kullanılan rastgele yara lı elektrikli bobin test örneğini göstermektedir. Bobin, rastgele yara bobinlerinin yalıtım sisteminin ısıl değerlendirme prosedürleri için IEEEstandartlarına göre 9 standardına göre tasarlanmıştır; Şekil 2B’de gösterilen test sistemi motorlu sistem olarak bilinir ve alçak gerilim elektrik makinesinde sargı ve yalıtım sistemini temsil eder. Sunulan vaka çalışmasında, motorette dört termal algılama noktalarından oluşan bir FBG dizi termal sensör ile enstrümante olacak, bobin ucu sargı ve yuva bölümlerinde lokalize olma eğilimindedir pratik makine uygulamalarında ilgi tipik termal algılama sıcak noktalar taklit etmek. Kalibrasyon ve performans değerlendirmesi için, FBG gömülü motorette termal bir ticari termal oda ve DC güç kaynağı kullanarak heyecanlı olacak.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kağıt, alçak gerilim yara bobinlerinde yerinde FBG termal sensörlerinin tasarlanması, kalibresi ve testini yapmak için gereken prosedürü göstermiştir. Bu sensörler, mevcut taşıma yara bobini yapıları içinde yerinde algılama uygulamaları için bir dizi avantaj sunar: tamamen EMI bağışıklık, esnek ve rasgele istenen algılama noktası yerleri sunmak için rasgele istenen geometri uygun olabilir yüksek doğruluk la ve tek bir sensör üzerinde algılama noktaları çok sayıda sağlayabilir. Termokupl veya direnç sıcaklık dedektörleri kullanan konvansiyonel Termal izleme teknikleri ile yara bobinleri içinde Termal algılama elde edilebilirken, FBG uygulamasının bir dizi çekici fonksiyonel avantaj sağladığı gösterilmiştir.
FBG dizi sensörünün uygun şekilde ambalajlanması, etkin kullanımının anahtarıdır. FbG kafalarının mekanik uyarmadan sert ama esnek termal iletken kılcal damarlarda izolasyonuna neden olmak için tek tek algılama kafaları nın veya lifin tüm algılama alanının uygun şekilde paketlemesi önemlidir. Mevcut taşıma bobinlerinin EMI açısından zengin ortamında optimum performans sağladığından, kılcal damarın elektriksel olmayan iletken malzemelerden tasarlanabilmesi arzu edilir.
Paket segmentlerini ilgili algılama konumlarında doğru bir şekilde konumlandırmak için kapiller tesisatın bobine paketlenmesi sırasında dikkatli olunmalıdır. Ayrıca, son derece dinamik termal koşullara uyulması durumunda kılcal geometrinin optimize edilmesi de gereklidir.
Bobin gömülü sensörün doğru karakterizasyonunu sağlamak çok önemlidir. Bu en iyi yara bobini geometrisi içinde kurulumdan önce ücretsiz paketlenmiş sensör kalibrasyonu gerçekleştirerek yapılır. In situ ambalajı tarafından mekanik uyarmaya karşı yüksek derecede koruma sağlanırken, montaj işlemi gerilme hassasiyeti nedeniyle dalga boyu kaymasına neden olabilir. Dikkatle yapılırsa bu ihmal edilebilir; ancak, mümkün situ kalibrasyon testlerinde tespit edilmesi iyi bir uygulamadır.
Yara bobinleri içinde FBGs Bu uygulama nispeten yeni ve geliştirilmiş tasarım, kullanım, izleme ve elektrikli makinelerin sağlık tanısı için fırsatlar bir dizi açılır. Daha fazla çalışma bu maliyetini azaltmak ve onları elektrikli makine büyük ölçekli uygulama için güvenilir bir seçenek yapmak için gereklidir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Birleşik Krallık Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC) HOME-Offshore: Tümselsel Operasyon ve Enerji Bakım Offshore Rüzgar Çiftlikleri Konsorsiyumu hibe EP/ P009743/1 altında desteklenmiştir.
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).
