Protocolos de Diseño, Instrumentación y Uso para la Monitorización de Puntos Calientes Térmicos Distribuidos In Situ en Bobinas Eléctricas utilizando Multiplexación de Sensor FBG

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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 daños^2,3.

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.

Protocolo

1. Diseño del sensor térmico de fibra óptica

1. Primero identifique el diseño del sensor y las especificaciones basadas en la estructura de la bobina de destino y las características del sistema de interrogación. La bobina de prueba utilizada en este trabajo tiene una geometría ovalada típica de las bobinas eléctricas de la máquina (como se ilustra en la Figura 1A. Antes de determinar las ubicaciones de sensibilidad individuales, tome decisiones de diseño para asegurarse de que la fibra de sensibilidad óptica permanece operativa en el entorno mecánico y térmico típico de la aplicación de bobina de herida sin cómbe integrada.
2. Utilice una fibra de modo único recubierta de poliimida insensible a la curvatura estándar que generalmente se sabe que puede funcionar a temperaturas de hasta aproximadamente 300 oC; por lo tanto, esta fibra es adecuada para su aplicación en bobinas enrolladas utilizadas en máquinas eléctricas convencionales.
   NOTA: La fibra óptica elegida garantiza la funcionalidad del sensor en el entorno térmico de una bobina de herida aleatoria típica que opera en máquinas eléctricas como las utilizadas en este trabajo (clase F y H con temperatura nominal de 155 y 180 oC¹⁰, respectivamente. La fibra insensible a la curvatura es preferida para esta aplicación, ya que está diseñada para permitir un radio de flexión pequeño y para tener una pérdida de flexión más baja. Esto permite que el sensor se ajuste eficazmente a la estructura de bobina deseada y a la ubicación de la sensibilidad con un efecto perjudicial mínimo para la funcionalidad de sensato.
3. Establezca la longitud de la fibra en 1,5 m.
   NOTA: La longitud de la fibra se establece de acuerdo con la geometría de la bobina de la herida de destino que se va a instrumentar y la distancia deseada a la unidad de interrogación. La longitud circunferencial de la bobina de prueba (mostrada en la Figura 1A)es de 0,3 metros y la longitud de fibra elegida para interrogar desde la bobina es de 1,2 metros dando una longitud total de 1,5 m – esto permite que la longitud de fibra suficiente se coloque en bucle dentro de la bobina de prueba para asegurar que las ubicaciones de detección deseadas están adecuadamente establecidas y hay una distancia adecuada entre la bobina de prueba y el interrogador: La Figura 3A ilustra el enfoque de longitud general.
   NOTA: Los FBGS se pueden ubicar a varios kilómetros de la unidad de interrogación. Esto se debe a que una fibra óptica es un solo portador eficiente.
4. Diseñe la matriz FBG para que consista en cuatro cabezales FBG (5 mm) para permitir la detección distribuida dentro de la estructura de la bobina de modo que dos ubicaciones de detección se coloquen en los lados de la bobina y dos estén en los extremos de la bobina.
   NOTA: Las ubicaciones de protección térmica se identifican en función de los estándares de supervisión térmica pertinentes para las máquinas eléctricas (es decir, 2 FBGS para secciones de ranuras y 2 para las secciones de bobinado final)¹⁰. El diseño del interrogador comercial utilizado en este trabajo puede permitir el interrogatorio simultáneo de hasta 16 puntos de detección FBG en una sola fibra óptica.
5. Utilice una longitud del cabezal de aplicación FBG de 5 mm; esto se considera suficiente para permitir la monitorización localizada de puntos calientes en la corriente que transporta bobinas de heridas aleatorias.
   NOTA: Los valores comerciales alternativos de longitud de cabeza FBG (3 mm, 5 mm o 10 mm) también se pueden utilizar en caso de que la aplicación de sensación requiera una dimensión de punto de desencelismo diferente.
6. Especifique los cabezales FBG individuales que se van a rallar con diferentes longitudes de onda espaciadas en un ancho de banda de 1529–60 nm para que coincida con la clasificación del interrogador comercial utilizado; esto garantiza la prevención de la interferencia de longitudes de onda desplazados FBG.
   NOTA: La longitud de onda de los cabezales FBG, su ancho de banda de desplazamiento de longitud de onda esperado y la variación de temperatura de la aplicación deben estar dentro del ancho de banda de la luz de banda ancha de la unidad de interrogación para garantizar que el sistema de sensibilidad pueda funcionar correctamente.
7. Utilice un tipo de conector de sonda de fibra FC/APC, que sea coherente con la unidad del interrogador.
   NOTA: FC/APC es generalmente la opción preferida para la sensación de FBG debido a bajas pérdidas de retorno.
8. Proporcione el diseño y las especificaciones del sensor a un fabricante comercial de FBG - La Figura 3B muestra un boceto final del diseño de la matriz FBG utilizado en este trabajo.

2. Sistema de interrogación y configuración del sensor

1. Compruebe y configure el sensor de matriz FBG diseñado y fabricado para que funcione con el sistema de interrogación comercial.
2. Retire la tapa protectora de la férula del conector FC/APC.
3. Limpie la cara final del conector limpiándola suavemente con un limpiador de conector óptico.
   NOTA: Se recomienda realizar este paso cada vez que el sensor esté conectado al interrogador. En este trabajo se utilizó un limpiador óptico de la serie comercial Cletop-s.
4. Conecte el conector de sonda FBG limpiado al conector del canal del interrogador.
   NOTA: Asegúrese de que la llave esté correctamente alineada al acoplar los conectores.
5. Encienda el interrogador.
   NOTA: El interrogador está conectado al PC a través de un conector RJ45 y un cable de Internet.
6. Ejecute el software de configuración.
   NOTA: El software del interrogador es un paquete de software basado en LabVIEW patentado proporcionado por el fabricante del interrogador diseñado para permitir el funcionamiento de la unidad de hardware del interrogador.
7. En la pestaña de configuración del instrumento, observe los espectros de longitud de onda reflejados de la sonda de matriz FBG (para el diseño de matriz FBG utilizado en este trabajo se deben observar cuatro picos en el espectro de canales relacionado).
   NOTA: La intensidad de la luz reflejada depende de las características del FBG (se acepta por encima del 50%).
8. Ajuste la frecuencia de muestreo a 10 Hz. Esto determina directamente el número de lecturas de temperatura proporcionadas en un período de 1 s dado.
   NOTA: El sistema de interrogación utilizado puede funcionar a frecuencias de muestreo de hasta 2,5 kHz; sin embargo, para la dinámica térmica de las bobinas de transporte de corriente monitoreadas en este trabajo 10 Hz se considera una tasa de adquisición suficiente.
9. En la configuración de medidas, asigne a los cabezales FBG el nombre FBG1, FBG2, FBG3 y FBG4. Elija la longitud de onda como tipo de cantidad que se presentará gráficamente en esta etapa. La matriz FBG está configurada y lista para el paso de calibración.

3. Preparación del embalaje

1. Empaquete adecuadamente las áreas donde los cabezales FBG están impresos (es decir, rallados) en la fibra de la matriz para asegurar el aislamiento del cabezal de identificación de la excitación mecánica y así producir un sensor sensible a la excitación térmica exclusivamente térmico. Además, la estructura de fibra es frágil y no es deseable incrustarla directamente dentro de los conductores de la bobina: requiere una protección mecánica adecuada para conservar la integridad. En este trabajo, el área de inspección que contiene los cuatro cabezales FBG que está incrustado dentro de la estructura de la bobina se empaqueta con polietheretherketone (PEEK) y el resto de la fibra está protegida por teflón – esto se ilustra en la Figura 3C.
2. Diseñar el embalaje en forma de un tubo capilar redondo estrecho para que la fibra de la sensación pueda ser enrutada a través y así protegida por el capilar.
   NOTA: Las dimensiones capilares y las propiedades térmicas son particularmente importantes cuando se trata de envases de la zona que contienen cabezales de sensibilidad FBG. Por lo general, es deseable garantizar un espesor de pared relativamente estrecho y utilizar material que no sea conductor eléctrico pero que proporcione un grado razonable de conductividad térmica. El diámetro exterior del capilar PEEK utilizado en este trabajo fue de 0,8 mm y su espesor de pared es de 0,1 mm.
3. Preparar el capilar PEEK cortando la longitud adecuada de la tubería PEEK comercial (longitud de la estructura de la bobina objetivo con unos pocos centímetros adicionales para permitir la inserción de fibra y teflón a la preparación de la junta capilar PEEK).
   NOTA: La instrumentación in situ de la matriz FBG requiere la instalación del embalaje primero que luego se inserta con la fibra de sensación. Se debe tener cuidado para asegurar las aberturas finales capilares lisas y limpias.
4. Tome mediciones cuidadosas de la matriz FBG y el capilar PEEK para identificar con precisión las ubicaciones de la observación en la superficie exterior del capilar PEEK. Esto permite el posicionamiento de los cabezales de sensor FBG en las ubicaciones objetivo dentro de la bobina de prueba de la motorette.
5. Preparar el capilar de teflón cortando una longitud adecuada de tubo de teflón comercial para asegurarse de que la sección de fibra fuera de la geometría de la bobina de prueba está protegida y contenida.
   NOTA: El material de embalaje externo de la sección de matriz no sensible debe tener suficiente rigidez para proporcionar una protección mecánica adecuada, pero también ser flexible para permitir una conexión práctica con el interrogador; también es deseable que este material sea inmune a EMI en esta aplicación. El teflón se encuentra para proporcionar un rendimiento satisfactorio en este estudio sin embargo se pueden aplicar materiales alternativos.
6. Prepare la longitud adecuada del tubo de encogimiento para hacer la articulación entre el PEEK y los capilares de teflón.

4. Calibración térmica gratuita

1. Calibre el sensor de matriz FBG empaquetado insertándolo en la cámara térmica para extraer su temperatura discreta frente a los puntos de longitud de onda.
   NOTA: Preferiblemente el área de sensibilidad está formada para que coincida con la de la estructura de la bobina de destino para proporcionar calibración bajo niveles de tensión similares a los que el paquete está incrustado dentro de la bobina de prueba.
2. Conecte la fibra óptica rallada al interrogador e inicie la rutina de software del interrogador preconfigurado.
3. Ajuste el horno de cámara térmica para que funcione en una secuencia de puntos de estado estacionario térmicos – estos están en un rango de ambiente a 170 oC y en pasos de cada 10 grados en este trabajo. Cree una tabla a partir de las longitudes de onda reflejadas medidas de cada FBG individual en la matriz para cada temperatura constante emulada en la cámara.
   NOTA: Se debe permitir tiempo suficiente durante las pruebas de calibración para que se alcance el equilibrio térmico en cada punto térmico de estado estacionario examinado.
4. Utilice las mediciones de longitud de onda desplazados registrados frente a las mediciones de temperatura en pasos de 10 oC para determinar las curvas óptimas de ajuste de cambio de temperatura y longitud de onda y sus coeficientes para cada FBG. La Figura 4 y la Tabla 1 muestran las mediciones de datos de calibración registradas y la curva de ajuste calculada, respectivamente.
   NOTA: La relación entre el desplazamiento de la longitud de onda y la variación de temperatura de los cabezales FBG en la matriz se analiza mediante la regresión cuadrática polinómica en este trabajo, ya que esto se encontró para ofrecer una caracterización óptima. A partir de este análisis se calculan los coeficientes de curva de ajuste de regresión cuadrática polonómica¹¹.
5. Introduzca los coeficientes calculados en el ajuste correspondiente del software del interrogador para permitir las mediciones de temperatura en línea desde la matriz FBG.

5. Construcción de bobina de prueba e instrumentación FBG

1. Primero construya e instrumente la bobina de la herida aleatoria de la motorette.
   1. Diseñe una bobinas para que quepa en el dispositivo de bobinado.
      NOTA: La geometría de la bobina está diseñada para que coincida con la geometría de giro deseada de la bobina y garantizar que las dimensiones deseadas de la bobina de la herida. La bobina está diseñada para ser fácilmente desmontada para facilitar la eliminación directa de la bobina de la herida sin dañar su aislamiento.
   2. Coloque el carrete de alambre de cobre esmaltado seleccionado en el dispositivo de bobinado y tire del cable de cobre a través de los rodillos de la bobinay el controlador de tensión.
      NOTA: En este trabajo se utiliza alambre de cobre esmaltado de clase F.
   3. Establezca el contador de números de giro del dispositivo bobinador en cero.
   4. Ajuste la bobinadora para que funcione a baja velocidad y controle la tensión de cable deseada.
   5. Viento la mitad de la bobina gira.
   6. Coloque el capilar PEEK preparado en el centro de la bobina con cinta Kapton.
      NOTA: Se debe tener cuidado de que los índices en el capilar PEEK estén colocados en los lugares de destino.
   7. Enrollar el resto de la bobina gira.
   8. Retire la bobina de la máquina de bobinadora y desmonte para liberar la bobina enrollada incrustada con un capilar PEEK.
   9. Coloque la bobina en el bastidor de la máquina.
      NOTA: El sistema de aislamiento de la bobina de la motorette (aislamiento de ranura y cuñas de ranura) debe instalarse adecuadamente con la bobina.
   10. Prepare los terminales de bobina y conéctelos a los terminales de la máquina.
   11. Barnizar la moto usando un barniz de bobinado y colocar en un horno a la temperatura adecuada (150 oC) para curar.
2. Instrumentación de matriz FBG:
   1. Primero conecte la matriz FBG con el interrogador; iniciar el software del interrogador para monitorear la longitud de onda reflejada FBG durante la instalación.
   2. Tire de la fibra a través del tubo de encogimiento preparado.
   3. Inserte cuidadosamente la fibra (área de observación) en el capilar PEEK hasta que las aberturas finales de los capilares de teflón y PEEK estén en contacto.
   4. Mueva el tubo de encogimiento para cubrir los extremos de los capilares y caliente adecuadamente hasta que se logre el ajuste deseado.

6. Calibración y evaluación in situ

1. Validar la calibración térmica obtenida en el paso 4 después de la inserción y corregir si es necesario. La prueba también permite evaluar el rendimiento de la matriz FBG en condiciones térmicas estáticas controladas.
2. Coloque la motointegrada con la matriz térmica FBG en el horno térmico.
   NOTA: El sensor térmico convencional se puede utilizar para fines de comparación de rendimiento. Aquí se utilizan termopares instalados en la superficie de la bobina de la motorette.
3. Repita los pasos 4.3 y 4.4.
4. Repita el paso 4.5 incluyendo la temperatura medida por los cabezales FBG basados en el ajuste calibrado en el paso 4.
5. Evalúe y compare las mediciones de temperatura de la matriz FBG con la temperatura de referencia. Si el error de medición es alto, la medición registrada en el paso 6.4 se puede utilizar para actualizar la calibración.
6. Saque la motoeta del horno térmico; está listo para las pruebas.

7. Pruebas

1. Realice una prueba de condición térmica estática.
   1. Conecte la motomotora a la fuente de alimentación de CC.
   2. Conecte la matriz FBG al interrogador; monitorear y registrar sus mediciones de temperatura FBG.
   3. Controle la fuente de alimentación de CC para inyectar la motocon una corriente de CC.
      NOTA: El nivel de corriente de CC elegido debe garantizar que el aumento en T en los puntos críticos térmicos internos de la bobina sea inferior a la temperatura de aislamiento admisible; esto permite pruebas no destructivas en la bobina prototipo.
   4. Detenga el registro de las mediciones cuando se alcance el equilibrio térmico de la bobina de la motorette.
2. Realice una prueba de condición térmica no uniforme.
   1. Enrolle la bobina externa que contiene 20 vueltas alrededor de una sección de bobina de prueba seleccionada.
   2. Conecte la bobina externa a una fuente de alimentación de CC independiente.
   3. Energizar la motoconla con la corriente de CC aplicada en 7.1.3.
   4. Comience a registrar las mediciones térmicas una vez alcanzado el equilibrio térmico.
   5. Energizar la bobina externa con una corriente de CC para proporcionar condiciones térmicas no uniformes mediante la entrega de excitación térmica localizada en la bobina de prueba.
   6. Deje de registrar las mediciones una vez que se alcance el equilibrio térmico.

Resultados

La Figura 5 presenta las temperaturas medidas por el sensor de matriz en la prueba térmica estática. Se observa que las cuatro lecturas de temperatura internas, tomadas por los respectivos cabezales FBG de matriz en las ubicaciones correspondientes de la bobina, son muy similares, como se espera generalmente para las condiciones de prueba examinadas; hay una ligera variación entre la medición individual notificada de menos de 1,5 oC entre las temperaturas medias observadas de 75,5 oC.

La Figura 6 informa de las mediciones del sensor de matriz obtenidas en la prueba de condición térmica no uniforme. Estos se muestran en primer lugar para el período en el que no hay excitación en la bobina externa (primeros 75 s) que indican niveles térmicos medidos muy uniformes, como sería de esperar. La bobina externa se excita entonces dando como resultado una excitación térmica localizada adicional: esto da como resultado un cambio claro en las mediciones observadas, con el punto de detección en la proximidad más cercana a la bobina externa (es decir, FBG4) que mide el nivel térmico más alto (128,6 oC) y que más lejos el más bajo (117,6 oC); los sensores de temperatura FBG situados entre estos niveles de temperatura intermedios y muy similares (122,7 y 121,6 oC). Las lecturas observadas se relacionan claramente con la distribución individual del cabezal de búsqueda en la geometría de la bobina de prueba examinada. Además, los resultados demuestran claramente la capacidad funcional del sensor de matriz integrado de bobina para la supervisión e identificación de la distribución interna de puntos críticos térmicos distribuidos en bobinas de heridas aleatorias.

Figura 1. El concepto de funcionamiento del sensor de matriz FBG. Esta cifra ha sido modificada de una publicación anterior⁴. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Conjunto de bobina de motorette estándar IEEE. (A) Bobina eléctrica de herida aleatoria; ver las normas IEEE⁹. (B) Máquina estándar IEEE montada y barnizada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Diseño de matriz de sensores térmicos FBG. (A) Longitud de fibra de matriz FBG, (B) Ubicaciones de cabezales FBG en la estructura de la matriz, (C) diseño de empaquetado de matriz FBG. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. El sensor de matriz empaquetado FBG dirige las características de calibración. Las características se derivan de los datos obtenidos en las pruebas de calibración térmica libres de matriz. Esta cifra ha sido modificada de una publicación anterior⁴. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Mediciones térmicas de matriz FBG obtenidas en prueba de condición térmica en estado estacionario. Las mediciones térmicas de cabezal individuales notificadas por el sensor de matriz FBG se muestran con una vista de medición de estado estacionario de detalle de inserción. Esta cifra ha sido modificada de una publicación anterior⁴. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. Mediciones térmicas en la prueba de condición térmica no uniforme. Esta cifra ha sido modificada de una publicación anterior⁴. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

	Interceptar		B1		B2		Estadísticas
	Valor	Error estándar	Valor	Error estándar	Valor	Error estándar	Adj. R-Square
FBG1	1555.771	0.0137	0.00855	2.85E-04	1.50E-05	1.34E-06	0.99978
FBG2	1547.669	0.0112	0.00851	2.34E-04	1.41E-05	1.10E-06	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	0.9998

Tabla 1: Parámetros de curva de ajuste qudratic polinómicos calculados. Se incluyen los parámetros calculados de error estándar y coeficientes de corrección de cabeza individuales; se observó una buena linealidad y un coeficiente de factor de coorección superior a 0,999 para los cuatro cabezales FBG probados. Esta tabla se ha modificado de una publicación anterior⁴.

Discusión

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.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Cletop-S	Fujikura	14110601	Limpiador de conectores ópticos comerciales
Alambre de cobre AWG24	RS	357-744 Fuente de alimentación de	CC de alambre de cobre aislado comercial
	TTi	CPX400SP	Fuente de alimentación de CC comercial de 420 W
Sensores FBG	ATGratings	NA	Matriz FBG fabricada comercialmente según las especificaciones de diseño
Tubo termorretráctil	RS	700-4532	Tubo termorretráctil de 3 mm de diámetro x 10 m
Cinta de enmascarar Kapton	RS	436-2762	Cinta de enmascarar naranja Tesa 51408
Tubo de PEEK	Polyflon	4901000060	Comercial Tubo de PEEK
SmartScan04 Smartfibres	UK	S-Scan-04-F-60-U-UK	Sistema de interrogador comercial
Horno térmico	Lenton	WHT6/30	Máquina bobinadora de horno térmico profesional
	RS	244-2636	Máquina bobinadora profesional