Summary
Dieses Papier stellt ein Protokoll vor, das die Instrumentierung von zufälligen Wund-Elektrospulen mit Faser-Bragg-Gitter (FBG) thermische Sensoren zum Zweck der verteilten Zustandsüberwachung von internen thermischen Hot Spots ermöglicht.
Abstract
Zufällige Wundspulen sind ein Schlüsselelement der meisten elektrischen Geräte in modernen Industrieanlagen, einschließlich Niederspannungs-Elektromaschinen. Einer der größten Stromengpässe bei der verbesserten Nutzung elektrischer Geräte ist die hohe Empfindlichkeit ihrer Wundkomponenten gegenüber thermischer Belastung im Betrieb. Die Anwendung herkömmlicher thermischer Messmethoden (z. B. Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren) zur thermischen Zustandsüberwachung von Strom, der zufällige Wundspulen trägt, kann aufgrund der Sensorgröße erhebliche Betriebseinschränkungen auferlegen, EMI Empfindlichkeit und die Existenz von elektrisch leitfähigem Material in ihrer Konstruktion. Eine weitere wesentliche Einschränkung liegt in verteilten Sensoranwendungen vor und wird durch eine oft beträchtliche Länge und Volumen herkömmlicher Sensorverdrahtungsleitungen verursacht.
Dieses Papier berichtet über die Entwicklung eines faseroptischen FBG-Sensorsystems, das die in Echtzeit verteilte interne thermische Zustandsüberwachung in zufälligen Wundspulen ermöglichen soll. Das Verfahren der zufälligen Wundspuleninstrumentierung mit dem FBG-Sensorsystem wird in einer Fallstudie über eine IEEE-Standard-Wundspule berichtet, die für die in elektrischen Maschinen verwendeten spulen. Die gemeldete Arbeit stellt auch wichtige praktische und technische Aspekte der Implementierung und Anwendung des FBG-Sensorsystems vor und diskutiert sie, einschließlich des FBG-Array-Geometriedesigns, der Sensorkopf- und Faserverpackung, der Sensor-Array-Installation und Kalibrierungsverfahren und die Verwendung eines kommerziellen Verhörsystems zur Erlangung thermischer Messungen. Schließlich wird die thermische Überwachungsleistung des In-situ-Multiplexsystems FBG in repräsentativen statischen und dynamischen thermischen Bedingungen demonstriert.
Introduction
Zufällige Wundspulen sind ein schlüsselelementes Element der meisten elektrischen Geräte in modernen Industriesystemen und werden häufig in Niederspannungs-Elektromaschinen eingesetzt. Ein wesentliches Hindernis für eine verbesserte Nutzung von Wundspulen in diesen Anwendungen ist ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrothermischer Belastung im Betrieb. Thermische Überlastungen sind in dieser Hinsicht besonders relevant, da diese zu einem Ausfall des Isolierungsssystems führen können und letztlich zu seinem Gesamtausfall1; Dies kann durch übermäßige Spulenstrompegel oder andere Ursachen wie einen elektrischen Fehler der Spule oder eine Fehlfunktion des Kühlsystems entstehen, bei der lokalisierte Hot Spots in der Spulenstruktur induziert werden, was zu Isolierungsstörungen führt. Ermöglicht eine operative, in situ verteilte thermische Überwachung der internen Struktur einer in Betrieb genommenen Spule ermöglicht die Entwicklung verbesserter Auslastungs- und zustandsbasierter Wartungsroutinen; es würde ein fortgeschrittenes Verständnis und eine bessere Identifizierung des Betriebszustands der Spulen und etwaiger Abbauprozesse ermöglichen und somit auf Bedingungen beruhende Korrekturmaßnahmen ermöglichen, um den Betriebszustand aufrechtzuerhalten und weitere Schäden zu verhindern oder zu verlangsamen2,3.
Die vorgestellte Methode zielt darauf ab, die In-situ-Überwachung der elektrischen Spulenstruktur eingebettete thermische Bedingungen durch den Einsatz von flexiblen und elektromagnetischen Interferenz immun (EMI) Faser Bragg geriebene optische thermische Sensoren zu ermöglichen. Das Verfahren bietet eine Reihe von funktionellen Vorteilen gegenüber bestehenden thermischen Überwachungstechniken, die in elektrischen Spulen verwendet werden: Diese basieren fast ausnahmslos auf der Verwendung von Thermoelement (TCs) oder Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs), die nicht eMI immun sind; sie bestehen aus leitfähigen Materialien; und sie sind in der Regel einigermaßen sperrig daher nicht ideal für sensorieranwendungen innerhalb der Struktur von Wund-Elektrospulen geeignet. Der Einsatz robuster und flexibler FBG-Thermosensoren bietet in dieser Hinsicht eine Reihe erheblicher Verbesserungen, nicht nur aufgrund der EMI-Immunität des Sensors, sondern auch aufgrund seiner geringen Größe, Multiplex-Fähigkeit und Flexibilität, die es ermöglicht, sie in eine beliebige Wundspulenarchitektur einzubetten und entsprechend anzupassen, um eine thermische Erfassung mit punktgenauer Genauigkeit an den gewünschten strukturellen Positionen4zu erreichen. Diese Eigenschaften sind besonders attraktiv in Anwendungen elektrischer Maschinen (EM), bei denen die thermischen Grenzwerte der Geräte durch thermische Bedingungen elektrischer Spulen definiert werden und besonders relevant sind angesichts des erwarteten erheblichen Anstiegs der EM-Nutzung mit der Verbreitung des elektrischen Transports.
Dieser Beitrag stellt die Methodik der Instrumentierung einer typischen Niederspannungs-Zufallswicklungsstruktur mit thermischen FBG-Sensoren vor, um die Online-Überwachung interner Hotspots zu ermöglichen. Ein detailliertes Protokoll der FBG-Sensorauswahl, -Design, -Verpackung, -Instrumentierung, -Kalibrierung und -Nutzung wird gemeldet. Dies wird auf einem IEEE Standard-Zufallsspulen-Motorette-System vorgestellt. Das Papier berichtet auch über die erhaltenen In-situ-Thermomessungen unter statischem und ungleichmäßigem thermischen Betriebszustand der untersuchten Prüfspule.
FBGs werden durch den Prozess des "Gitters" des optischen Faserkerns gebildet, um periodische Längsabdrücke zu erzeugen (in der Regel als Sensorköpfe in FBG-Sensoranwendungen bezeichnet); Wenn die Faser, die FBGs enthält, ultraviolettem Licht ausgesetzt ist, wird jeder vorhandene FBG-Kopf dazu führen, dass sein Brechungsindex periodisch moduliert wird5. Die sensorisch reflektierten Wellenlängen werden durch die thermischen und mechanischen Bedingungen beeinflusst, denen die Faser ausgesetzt ist, und ermöglichen so, dass die geriebene Faser als thermischer oder mechanischer Sensor angewendet werden kann, vorausgesetzt, dass eine angemessene Konstruktion und Anwendung vornimmt.
Die FBG-Technologie ist besonders attraktiv für verteilte Sensoranwendungen: Sie ermöglicht es, eine einzelne optische Faser zu reiben, um mehrere FBG-Sensorköpfe zu enthalten, wobei jeder Kopf mit einer deutlichen Bragg-Wellenlänge kodiert ist und als deutlicher Sensorpunkt fungiert. Dieser Typ von FBG-basierten Sensorvorrichtung wird als FBG-Arraysensor6 bezeichnet und sein Bedienkonzept ist in Abbildung 1dargestellt. Breitbandlicht wird verwendet, um das Array zu erregen, was zu unterschiedlichen reflektierten Wellenlängen von jedem enthaltenen FBG-Kopf führt; hier spiegelt jeder Kopf eine definierte Wellenlänge (d.h. Bragg-Wellenlänge) wider, die seinem Gitterdesign entspricht und auch von den vorherrschenden thermischen und mechanischen Bedingungen am Kopf (d.h. Der Erfassung) abhängt. Eine Verhörvorrichtung wird benötigt, um die Anregung von Arrayfasern mit Licht und die Inspektion der reflektierten Spektren auf unterschiedliche Bragg-Wellenlängen zu ermöglichen, die Informationen über lokalisierte thermische und/oder mechanische Bedingungen enthalten.
Ein besonders wichtiger Aspekt der FBG-Thermosensor-Implementierung ist die Abschwächung thermomechanischer Kreuzempfindlichkeitseffekte, um möglichst nah an ausschließlich thermischen Messwerten zu erhalten7. Das FBG-Inhärentmerkmal der thermomechanischen Querempfindlichkeit erfordert eine sorgfältige Auslegung von FBG-Sensoren, die nur für thermische oder mechanische Sensoranwendungen ausgerichtet sind. Bei der thermischen Erfassung besteht eine wirksame Methode zur Minderung der mechanischen Anregungsempfindlichkeit von FBG darin, den Sensorkopf mit einer Verpackungskapillare aus Material zu isolieren, das für eine bestimmte Anwendung geeignet ist; in der in dieser Arbeit untersuchten Spulen-Embedded-Thermosensor-Anwendung reduziert dies nicht nur Kreuzempfindlichkeitsprobleme, sondern dient auch dem Schutz der fragilen Sensorfaserstruktur vor Unterseite und potenziell zerstörerischer mechanischer Beanspruchung8.
Abbildung 2A zeigt die zufällige Wunde elektrische Spulen Probe als Demonstrationsfahrzeug in diesem Papier verwendet. Die Spule ist nach den IEEE-Normen9 für thermische Bewertungsverfahren des Isolierungssystems für zufällige Wundspulen ausgelegt; das in Abbildung 2B dargestellte Prüfsystem wird als Motorkastensystem bezeichnet und ist repräsentativ für eine Wicklung und ihr Isolationssystem in einer elektrischen Niederspannungsmaschine. In der vorgestellten Fallstudie wird das Motorunternehmen mit einem FBG-Array-Thermosensor ausgestattet, der aus vier thermischen Messpunkten besteht, um typische thermische Erfassungs-Hotspots zu emulieren, die für praktische Maschinenanwendungen von Interesse sind und in Coil-Endwicklungs- und Schlitzabschnitten lokalisiert werden. Zur Kalibrierung und Leistungsbewertung wird das FBG Embedded Motorette mit einer kommerziellen Wärmekammer und einem Gleichstromnetzteil thermisch angeregt.
Protocol
1. Glasfaser-Thermosensor-Design
- Identifizieren Sie zunächst das Sensordesign und die Spezifikationen anhand der Zielspulenstruktur und der Verhörsystemmerkmale. Die in dieser Arbeit verwendete Prüfspule hat eine ovale Geometrie, die typisch für elektrische Maschinenspulen ist (siehe Abbildung 1A). Bevor einzelne Sensorstellen bestimmt werden, treffen Sie Konstruktionsentscheidungen, um sicherzustellen, dass die optische Sensorfaser in der für eingebettete Wundspulenanwendung typischen mechanischen und thermischen Umgebung funktionsfähig bleibt.
- Verwenden Sie eine standardbiegungsunempfindliche polyimidbeschichtete Ein-Modus-Faser, von der allgemein bekannt ist, dass sie bei Temperaturen bis ca. 300 °C betrieben werden kann; Diese Faser eignet sich somit für den Einsatz in Wundspulen, die in herkömmlichen elektrischen Maschinen verwendet werden.
HINWEIS: Die gewählte Optische Faser gewährleistet die Sensorfunktionalität in der thermischen Umgebung einer typischen zufälligen Wundspule, die in elektrischen Maschinen wie bei dieser Arbeit eingesetzt wird (Klasse F und H mit einer Nenntemperatur von 155 bzw. 180 °C10). Biege-unempfindliche Faser wird für diese Anwendung bevorzugt, da sie so konzipiert ist, dass sie einen kleinen Biegeradius zulässt und einen geringeren Biegeverlust aufweist. Dadurch kann der Sensor effektiv an die gewünschte Spulenstruktur und Sensorposition(n) angepasst werden, ohne dass dies die Sensorfunktionalität beeinträchtigt. - Faserlänge auf 1,5 m einstellen.
HINWEIS: Die Faserlänge wird entsprechend der Geometrie der zu instrumentierenden Zielspule und dem gewünschten Abstand zur Verhöreinheit eingestellt. Die Umfangslänge der Prüfspule (siehe Abbildung 1A)beträgt 0,3 Meter und die gewählte Faserlänge zum Verhörvon Spule beträgt 1,2 Meter mit einer Gesamtlänge von 1,5 m – dies ermöglicht eine ausreichende Faserlänge innerhalb der Prüfspule, um sicherzustellen, dass die gewünschten Erfassungsstellen entsprechend festgelegt werden und zwischen der Prüfspule und dem Verhörer ein geeigneter Abstand besteht: Abbildung 3A veranschaulicht den allgemeinen Längenansatz.
HINWEIS: FBGSs können mehrere Kilometer von der Verhöreinheit entfernt sein. Denn eine Glasfaser ist ein effizienter Einzelträger. - Entwerfen Sie das FBG-Array so, dass es aus vier FBG-Köpfen (5 mm) besteht, um eine verteilte Erfassung innerhalb der Spulenstruktur zu ermöglichen, sodass zwei Sensorpositionen in den Spulenseiten und zwei in den Spulenenden positioniert sind.
HINWEIS: Thermische Erfassungsstandorte werden anhand relevanter thermischer Überwachungsstandards für elektrische Maschinen (d. h. 2 FBGS für Schlitzabschnitte und 2 für Endwicklungsabschnitte)10identifiziert. Das in dieser Arbeit verwendete kommerzielle Verhörrohrdesign kann die gleichzeitige Abfrage von bis zu 16 FBG-Messpunkten nach unten mit einer einzigen Glasfaser ermöglichen. - Verwenden Sie eine FBG-Sensorkopflänge von 5 mm; dies wird als ausreichend erachtet, um eine lokalisierte Hot-Spot-Überwachung in Strom zu ermöglichen, der zufällige Wundspulen trägt.
HINWEIS: Alternative Handelswerte der FBG-Kopflänge (3 mm, 5 mm oder 10 mm) können auch verwendet werden, wenn die Sensorioneine eine andere Erfassungspunktabmessung benötigt. - Geben Sie einzelne FBG-Köpfe an, die mit unterschiedlichen Wellenlängen in einer Bandbreite von 1529–60 nm gerieben werden sollen, um der verwendeten kommerziellen Verhörbewertung zu entsprechen; Dies gewährleistet die Vermeidung von FBG-Verschiebungen Wellenlängenstörungen.
HINWEIS: Die FBG-Köpfe Wellenlänge, ihre erwartete Wellenlängenverschiebung Senkbandbreite und die Anwendungstemperaturvariation müssen innerhalb der Abfrageeinheit Breitband-Lichtbandbreite sein, um sicherzustellen, dass das Sensorsystem ordnungsgemäß funktionieren kann. - Verwenden Sie einen FC/APC-Fasersondensteckertyp, der mit der Verhöreinheit konsistent ist.
HINWEIS: FC/APC ist in der Regel die bevorzugte Wahl für FBG-Sensing aufgrund geringer Renditeverluste. - Geben Sie das Design und die Spezifikationen des Sensors einem kommerziellen FBG-Hersteller zur Verfügung - Abbildung 3B zeigt eine endgültige Skizze des FBG-Array-Designs, das in dieser Arbeit verwendet wird.
2. Abfragesystem und Sensorkonfiguration
- Überprüfen und konfigurieren Sie den entworfenen und hergestellten FBG-Array-Sensor für den Betrieb mit dem kommerziellen Abfragesystem.
- Entfernen Sie die Schutzkappe aus der FC/APC-Steckerferrule.
- Reinigen Sie die Endfläche des Steckverbinders, indem Sie ihn vorsichtig mit einem optischen Steckerreiniger abwischen.
HINWEIS: Es wird dringend empfohlen, diesen Schritt jedes Mal auszuführen, wenn der Sensor mit dem Verhörer verbunden ist. Bei dieser Arbeit wurde ein optischer Reinigungsmittel der Cletop-Serie verwendet. - Schließen Sie den gereinigten FBG-Sondenstecker an den Interrogatorkanalstecker an.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass der Schlüsselweg beim Ankleben der Anschlüsse richtig ausgerichtet ist. - Schalten Sie den Vernehmungsbeamten ein.
HINWEIS: Der Verhörer ist über einen RJ45-Anschluss und ein Internetkabel mit dem PC verbunden. - Führen Sie die Konfigurationssoftware aus.
HINWEIS: Die Verhörsoftware ist ein proprietäres LabVIEW-basiertes Softwarepaket, das vom Verhördiensthersteller bereitgestellt wird, um den Betrieb der Verhördienst-Hardwareeinheit zu ermöglichen. - Beobachten Sie auf der Registerkarte Instrument-Setup die reflektierten Wellenlängenspektren der FBG-Arraysonde (für das bei dieser Arbeit verwendete FBG-Array-Design sollten vier Peaks im zugehörigen Kanalspektrum beobachtet werden).
HINWEIS: Die reflektierte Lichtintensität hängt von den FBG-Eigenschaften ab (über 50% werden akzeptiert). - Stellen Sie die Abtastfrequenz auf 10 Hz ein. Dadurch wird direkt die Anzahl der Instand- und Temperaturmessungen in einem bestimmten Zeitraum von 1 s bestimmt.
HINWEIS: Das verwendete Abfragesystem kann mit Abtastfrequenzen bis zu 2,5 kHz betrieben werden; Für die thermische Dynamik der in dieser Arbeit überwachten Stromtragspulen wird jedoch 10 Hz als ausreichende Erfassungsrate angesehen. - Benennen Sie in der Messeinstellung die FBG-Köpfe als FBG1, FBG2, FBG3 und FBG4. Wählen Sie Wellenlänge als Art der Menge, die in diesem Stadium grafisch dargestellt werden soll. Das FBG-Array ist konfiguriert und bereit für den Kalibrierungsschritt.
3. Verpackungszubereitung
- Verpacken Sie die Bereiche, in denen FBG-Köpfe in der Arrayfaser bedruckt (d.h. gerieben) sind, entsprechend, um eine Sensorkopfisolierung vor mechanischer Anregung zu gewährleisten und somit ausschließlich einen thermischen Anregungs-Responsive-Sensor zu erzielen. Darüber hinaus ist die Faserstruktur zerbrechlich und es ist nicht wünschenswert, sie direkt in die Spulenleiter zu betten: Sie erfordert einen angemessenen mechanischen Schutz, um die Integrität zu erhalten. In dieser Arbeit wird der Erfassungsbereich mit den vier FBG-Köpfen, die in die Spulenstruktur eingebettet sind, mit Polyetheretherketon (PEEK) verpackt und der Rest der Faser durch Teflon geschützt – dies ist in Abbildung 3Cdargestellt.
- Gestalten Sie die Verpackung in Form eines schmalen runden Kapillarrohres, so dass die Sensorfaser durch die Kapillare geleitet und somit geschützt werden kann.
HINWEIS: Die Kapillarabmessungen und thermischen Eigenschaften sind besonders wichtig, wenn es um die Verpackung des Bereichs mit FBG-Sensorköpfen geht. Generell ist es wünschenswert, eine relativ schmale Wanddicke zu gewährleisten und Material zu verwenden, das nicht elektrisch leitfähig ist, aber ein angemessenes Maß an Wärmeleitfähigkeit bietet. Der Außendurchmesser der PEEK-Kapillare, die bei dieser Arbeit verwendet wurde, betrug 0,8 mm und seine Wandstärke 0,1 mm. - Bereiten Sie die PEEK-Kapillare vor, indem Sie die angemessene Länge der kommerziellen PEEK-Schläuche schneiden (Länge der Zielspulenstruktur mit ein paar zusätzlichen Zentimetern, um das Einsetzen von Fasern und die Vorbereitung von Teflon zu PEEK-Kapillargelenken zu ermöglichen).
HINWEIS: Die In-situ-Instrumentierung des FBG-Arrays erfordert die Installation der Verpackung zuerst, die dann mit der Sensorfaser eingelegt wird. Es ist darauf zu achten, dass glatte und gereinigte Kapillaröffnungen gewährleistet sind. - Nehmen Sie sorgfältige Messungen des FBG-Arrays und der PEEK-Kapillare vor, um die Erfassungsstellen auf der Außenfläche der PEEK-Kapillare genau zu identifizieren. Dies ermöglicht die Positionierung von FBG-Messköpfen an Zielpositionen innerhalb der Motorette-Prüfspule.
- Bereiten Sie die Teflonkapillare vor, indem Sie eine ausreichende Länge kommerzieller Teflonschläuche schneiden, um sicherzustellen, dass der Faserabschnitt außerhalb der Prüfspulengeometrie geschützt und enthalten ist.
ANMERKUNG: Das externe Verpackungsmaterial des nicht sensibilisierenden Array-Abschnitts muss über eine ausreichende Steifigkeit verfügen, um einen angemessenen mechanischen Schutz zu gewährleisten, ist aber auch flexibel, um eine praktische Verbindung zum Verhörer zu ermöglichen; Es ist auch wünschenswert, dass dieses Material in dieser Anwendung eMI immun ist. Teflon liefert in dieser Studie eine zufriedenstellende Leistung, jedoch können alternative Materialien verwendet werden. - Bereiten Sie die entsprechende Schrumpfrohrlänge vor, um die Verbindung zwischen dem PEEK und den Teflonkapillaren herzustellen.
4. Kostenlose thermische Kalibrierung
- Kalibrieren Sie den mitgelieferten FBG-Array-Sensor, indem Sie ihn in die Wärmekammer einsetzen, um seine diskrete Temperatur im Vergleich zu Wellenlängenpunkten zu extrahieren.
HINWEIS: Vorzugsweise ist der Erfassungsbereich so geformt, dass er mit der der Zielspulenstruktur übereinstimmt, um eine Kalibrierung unter Dehnungsstufen zu ermöglichen, die denen ähnlich sind, wenn das Paket in die Testspule eingebettet ist. - Schließen Sie die geriebene Glasfaser an den Verhörer an und starten Sie die vorkonfigurierte Interrogator-Softwareroutine.
- Stellen Sie den Thermischen Kammerofen so ein, dass er in einer Abfolge von thermischen Steady-State-Punkten betrieben wird – diese liegen in einem Bereich von Umgebungstemperatur bis 170 °C und in Schritten von jeweils 10 Grad in dieser Arbeit. Erstellen Sie eine Tabelle aus den gemessenen reflektierten Wellenlängen jeder einzelnen FBG im Array für jede konstante Temperatur, die in der Kammer emuliert wird.
ANMERKUNG: Bei Kalibrierungstests muss ausreichend Zeit eingeräumt werden, damit das thermische Gleichgewicht an jedem untersuchten stationären Wärmepunkt erreicht werden kann. - Verwenden Sie die aufgezeichnete verschobene Wellenlänge im Vergleich zu Temperaturmessungen in 10 °C-Schritten, um die optimalen Temperatur-Wellenlängen-Shift-Fit-Kurven und deren Koeffizienten für jede FBG zu bestimmen. Abbildung 4 und Tabelle 1 zeigen die aufgezeichneten Kalibrierdatenmessungen bzw. die berechnete Anpassungskurve.
ANMERKUNG: Die Beziehung zwischen der Wellenlängenverschiebung und der Temperaturvariation der FBG-Köpfe im Array wird in dieser Arbeit durch polynomiaale quadratische Regression analysiert, da dies eine optimale Charakterisierung liefern würde. Aus dieser Analyse werden die polynomiakalen quadratischen Regressionsanpassungs-Anpassungskoeffizienten berechnet11. - Geben Sie die berechneten Koeffizienten in die entsprechende Einstellung der Verhörsoftware ein, um Online-Temperaturmessungen aus dem FBG-Array zu ermöglichen.
5. Testspulenbau und FBG-Instrumentierung
- Zuerst bauen und instrumentieren Sie die Motorette zufällige Wundspule.
- Entwerfen Sie eine Wicklungsspule, um auf das Wicklungsgerät zu passen.
HINWEIS: Die Spulengeometrie ist so konzipiert, dass sie der gewünschten Drehgeometrie der Spule entspricht und die gewünschten Spulenabmessungen gewährleistet. Die Spule ist so konzipiert, dass sie leicht demontiert werden kann, um eine einfache Entfernung der Wundspule zu ermöglichen, ohne ihre Isolierung zu beschädigen. - Legen Sie die ausgewählte emaillierte Kupferdrahtrolle in die Wicklervorrichtung und ziehen Sie den Kupferdraht durch die Wicklerwalzen und den Spannregler.
HINWEIS: Bei dieser Arbeit wird emaillierter Kupferdraht der Klasse F verwendet. - Stellen Sie den Drehzahlzähler des Wickrgeräts auf Null ein.
- Stellen Sie den Wickler so ein, dass er mit niedriger Geschwindigkeit arbeitet und die gewünschte Drahtspannung steuert.
- Windhälfte der Spule dreht sich.
- Mit Kaptonband die vorbereitete PEEK-Kapillare in der Mitte der Spule montieren.
HINWEIS: Es muss darauf geachtet werden, dass die Indizes auf der PEEK-Kapillare an den Zielstellen positioniert sind. - Winden Sie den Rest der Spule dreht.
- Entfernen Sie die Spule aus der Wicklungsmaschine und zerlegen Sie, um die mit einer PEEK-Kapillare eingebettete Wundspule zu befreien.
- Legen Sie die Spule in den Motorette-Rahmen.
HINWEIS: Das Motorette-Spulen-Isoliersystem (Schlitzisolierung und Schlitzkeile) muss entsprechend mit der Spule installiert werden. - Bereiten Sie Spulenklemmen vor und schließen Sie sie an Motorette-Klemmen an.
- Das Motorett mit einem Wickellack lackieren und bei entsprechender Temperatur (150 °C) in einen Ofen stellen, um es auszuhärten.
- Entwerfen Sie eine Wicklungsspule, um auf das Wicklungsgerät zu passen.
- FBG-Array-Instrumentierung:
- Verbinden Sie zuerst das FBG-Array mit dem Verhörer; starten Sie die Verhör-Software, um die fBG reflektierte Wellenlänge während der Installation zu überwachen.
- Ziehen Sie die Faser durch das vorbereitete Schrumpfrohr.
- Setzen Sie die Faser (Sensorbereich) vorsichtig in die PEEK-Kapillare ein, bis die Endöffnungen von Teflon- und PEEK-Kapillaren in Kontakt sind.
- Bewegen Sie das Schrumpfrohr, um die Kapillarenenenzuden zu bedecken, und erhitzen Sie es entsprechend, bis die gewünschte Passform erreicht ist.
6. In-situ-Kalibrierung und -Evaluierung
- Überprüfen Sie die erhaltene thermische Kalibrierung in Schritt 4 nach der Einbettung und korrigieren Sie sie bei Bedarf. Der Test ermöglicht auch die Bewertung der FBG-Arrayleistung in kontrollierten statischen thermischen Bedingungen.
- Legen Sie das mit dem FBG-Thermo-Array eingebettete Motorette in den Thermalofen.
HINWEIS: Herkömmlicher Wärmesensor kann für Leistungsvergleichszwecke verwendet werden. Hierkommen werden Thermoelemente verwendet, die auf der Motorettespulenoberfläche installiert sind. - Wiederholen Sie die Schritte 4.3 und 4.4.
- Wiederholen Sie Schritt 4.5 einschließlich der von FBG-Köpfen gemessenen Temperatur basierend auf der kalibrierten Passung in Schritt 4.
- Bewerten und vergleichen Sie die FBG-Arraytemperaturmessungen mit der Referenztemperatur. Wenn der Messfehler hoch ist, kann die aufgezeichnete Messung in Schritt 6.4 verwendet werden, um die Kalibrierung zu aktualisieren.
- Nehmen Sie das Motorett aus dem Thermalofen; es ist zum Testen bereit.
7. Testen
- Führen Sie einen statischen thermischen Zustandstest durch.
- Schließen Sie das Motorette an das GLEICHstromnetzteil an.
- Verbinden Sie das FBG-Array mit dem Verhörer; FBG-Temperaturmessungen überwachen und aufzeichnen.
- Steuern Sie das Gleichstromnetzteil, um das Motorett mit einem Gleichstrom zu injizieren.
HINWEIS: Der gewählte Gleichstrompegel muss sicherstellen, dass der T-Anstieg in den internen thermischen Hotspots der Spule kleiner als die zulässige Isolationstemperatur ist; Dies ermöglicht zerstörungsfreie Tests an der Prototypspule. - Beenden Sie die Aufzeichnung von Messungen, wenn das thermische Gleichgewicht der Motorette-Spule erreicht ist.
- Führen Sie einen ungleichmäßigen thermischen Zustandstest durch.
- Winden Sie die externe Spule mit 20 Umdrehungen um einen ausgewählten Prüfspulenabschnitt.
- Schließen Sie die externe Spule an ein separates DC-Netzteil an.
- Beleben Sie das Motorette mit dem in 7.1.3 aufgebrachten Gleichstrom.
- Beginnen Sie mit der Aufzeichnung thermischer Messungen, sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist.
- Beleben Sie die externe Spule mit einem Gleichstrom, um ungleichmäßige thermische Bedingungen zu bieten, indem Sie lokalisierte thermische Anregung auf der Prüfspule liefern.
- Beenden Sie die Aufzeichnung von Messungen, sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist.
Representative Results
Abbildung 5 zeigt die vom Arraysensor gemessenen Temperaturen im statischen thermischen Test. Die vier internen Temperaturmessungen, die von den jeweiligen Array-FBG-Köpfen an den entsprechenden Spulenpositionen durchgeführt werden, sind genau ähnlich, wie allgemein für die untersuchten Prüfbedingungen erwartet wird; Es gibt eine leichte Abweichung zwischen der gemeldeten Einzelmessung von weniger als 1,5 °C zwischen den beobachteten durchschnittlichen Hotspot-Temperaturen von 75,5 °C.
Abbildung 6 gibt die Arraysensormessungen an, die im ungleichmäßigen thermischen Zustandstest ermittelt wurden. Diese werden zuerst für den Zeitraum angezeigt, in dem es keine Anregung in der externen Spule (erste 75s) gibt, die, wie zu erwarten, eng einheitliche gemessene thermische Werte anzeigt. Die externe Spule wird dann angeregt, was zu einer zusätzlichen lokalisierten thermischen Anregung führt: Dies führt zu einer deutlichen Änderung der beobachteten Messungen, wobei der Messpunkt in unmittelbarer Nähe zur externen Spule (d. h. FBG4) den höchsten thermischen Pegel (-128,6 °C) misst und am weitesten von der niedrigsten (117,6 °C) entfernt ist. die FBG-Temperatursensoren zwischen diesen melden zwischen diesen und ähnlich engem Temperaturniveau (122,7 und 121,6 °C). Die beobachteten Messwerte beziehen sich eindeutig auf die individuelle Sensorkopfverteilung in der untersuchten Prüfspulengeometrie. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse deutlich die Funktionsfähigkeit des eingebetteten Arraysensors für die Überwachung und Identifizierung der internen verteilten thermischen Hotspot-Verteilung in zufälligen Wundspulen.
Abbildung 1. Das FBG-Arraysensor-Bedienkonzept. Diese Zahl wurde gegenüber einer früheren Veröffentlichunggeändert 4. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2. IEEE Standard-Motorette-Spule-Baugruppe. (A) Zufällige Wunde elektrische Spule; siehe IEEE-Normen9. (B) Montierte und lackierte IEEE Standardmotorette. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3. FBG Thermosensor-Array-Design. (A) FBG-Array-Faserlänge, (B) FBG-Kopfpositionen in der Arraystruktur, (C) FBG-Array-Verpackungsdesign. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4. Der mitgelieferte Arraysensor FBG steuert die Kalibrierungseigenschaften. Die Eigenschaften werden aus den Daten abgeleitet, die in den Array-freien thermischen Kalibrierungstests gewonnen wurden. Diese Zahl wurde gegenüber einer früheren Veröffentlichunggeändert 4. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5. FBG-Array-Thermomessungen, die im stationären thermischen Zustandstest ermittelt werden. Die einzelnen vom FBG-Arraysensor gemeldeten Kopf-Thermomessungen werden mit einer insetzierungsdetaillierten Stationären Messansicht dargestellt. Diese Zahl wurde gegenüber einer früheren Veröffentlichunggeändert 4. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6. Thermische Messungen im ungleichmäßigen thermischen Zustandstest. Diese Zahl wurde gegenüber einer früheren Veröffentlichunggeändert 4. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Abfangen | B1 | B2 | Statistiken | ||||
| Wert | Standardfehler | Wert | Standardfehler | Wert | Standardfehler | Adj. R-Quadrat | |
| 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 |
Tabelle 1: Berechnete Parameter für polynomiaale qudratische Anpassungskurven. Die berechneten Parameter Standardfehler und einzelne Kopfkorrekturkoeffizienten sind enthalten; für die vier getesteten FBG-Köpfe wurde eine gute Linearität und ein Koorektionsfaktorkoeffizient von mehr als 0,999 beobachtet. Diese Tabelle wurde aus einer früheren Publikation4geändert.
Discussion
Das Papier hat das Verfahren demonstriert, das erforderlich ist, um FBG-Thermosensoren in situ in Niederspannungs-Wundspulen zu entwerfen, zu kalibrieren und zu testen. Diese Sensoren bieten eine Reihe von Vorteilen für In-situ-Sensoranwendungen in stromführenden Wundspulenstrukturen: Sie sind vollständig eMI-immun, flexibel und können einer beliebigen gewünschten Geometrie entsprechen, um beliebige gewünschte Erfassungspunktpositionen zu liefern. mit hoher Genauigkeit und kann eine große Anzahl von Erfassungspunkten auf einem einzigen Sensor liefern. Während die thermische Erfassung in Wundspulen mit herkömmlichen thermischen Überwachungstechniken mit Thermoelement- oder Widerstandstemperaturdetektoren erreicht werden kann, bietet die Anwendung von FBGs eine Reihe attraktiver funktioneller Vorteile.
Eine angemessene Verpackung des FBG-Array-Sensors ist der Schlüssel zu seiner effektiven Nutzung. Es ist wichtig, dass einzelne Sensorköpfe oder der gesamte Sensorbereich der Faser entsprechend verpackt werden, um die Isolierung von FBG-Köpfen vor mechanischer Anregung in einer starren, aber flexiblen thermisch leitfähigen Kapillare zu gewährleisten. Es ist wünschenswert, dass die Kapillare aus nicht elektrisch leitfähigem Material ausgelegt wird, da dies eine optimale Leistung in der EMI-reichen Umgebung gewährleistet, die für Stromtransportspulen charakteristisch ist.
Bei der Verpackung der Kapillarinstallation in die Spule ist Vorsicht geboten, um die Verpackungssegmente an den entsprechenden Erfassungsstellen genau zu positionieren. Es ist auch wichtig, die Kapillargeometrie zu optimieren, falls hochdynamische thermische Bedingungen zu beachten sind.
Es ist wichtig, eine genaue Charakterisierung des eingebetteten Sensors der Spule zu gewährleisten. Dies geschieht am besten durch die Durchführung einer kostenlosen sensorischen Kalibrierung vor der Installation innerhalb der Wundspulengeometrie. Während die In-situ-Verpackung einen hohen Schutz vor mechanischer Anregung bietet, kann der Installationsprozess aufgrund der Dehnungsempfindlichkeit zu einer Wellenlängenverschiebung führen. Wenn sorgfältig durchgeführt, kann dies vernachlässigbar sein; Es ist jedoch eine gute Praxis, dies nach Möglichkeit bei In-situ-Kalibrierungstests festzustellen.
Diese Anwendung von FBGs in Wundspulen ist relativ neu und eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten für eine verbesserte Konstruktion, Nutzung, Überwachung und Gesundheitsdiagnose von elektrischen Maschinen. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Kosten dafür zu senken und sie zu einer glaubwürdigen Option für großflächige Anwendungen in elektroelektrischen Maschinen zu machen.
Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde vom UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy from Offshore Wind Farms Consortium im Rahmen des Zuschusses EP/P009743/1 unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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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