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

La supervisión de los puntos calientes térmicos dentro de las bobinas eléctricas es fundamental en el área de conducción de energía, ya que permite una mejor comprensión de la salud del dispositivo, la vida útil restante y la proximidad a los límites de diseño. La técnica del motor permite la monitorización instituida de puntos calientes térmicos dentro de la estructura enrollada eléctrica basada en la aplicación de la inmune electromagnética multiplexada y la potencia mediante la detección de fibra óptica. El rendimiento avanzado de detección de FPG descrito en este vídeo es único y no puede ser muy parecido a la aplicación de sensores convencionales como parejas térmicas activas ni la aplicación de técnicas de estimación térmica basadas en la resistencia.

Los sensores FBG responden intrínsecamente a la excitación térmica y mecánica y son frágiles. Por lo tanto, su aplicación para la detección térmica estrecha con una estructura de bobina eléctrica requiere un procedimiento especial que se explica en este protocolo. En primer lugar, identifique el diseño del sensor y las especificaciones en función de la estructura de la bobina objetivo y las características del sistema de interrogación.

La bobina de prueba que se muestra aquí es una motora IEEE Clase H estándar típica de las bobinas de máquina eléctrica. Al diseñar la pantalla de detección, asegúrese de que la fibra de detección óptica permanezca operativa en los entornos térmicos y mecánicos típicos de las aplicaciones de detección de bobinas enrollables. El uso de la fibra de modo único de poliamida insensible a la flexión estándar garantiza que el sensor sea capaz de operar a temperaturas superiores a 200 grados centígrados y que tenga las propiedades mecánicas que permiten doblarlo para ajustarse a la geometría deseada de la bobina.

En esta aplicación, se instalarán cuatro puntos de detección térmica en cuatro ubicaciones centrales transversales de bobina de prueba. Las ubicaciones de detección individuales se identifican en función de sus estándares de monitoreo térmico latente para máquinas eléctricas. La distancia entre los cabezales de detección se basa en la geometría de la bobina y en las ubicaciones de detección de elección.

A continuación, especifique que los cabezales FBG individuales sean de cinco milímetros de longitud y estén clasificados con diferentes longitudes de onda espaciadas en un ancho de banda de 1529 a 1560 nanómetros para que coincidan con la clasificación de interrogador comercial utilizada y para evitar interferencias de longitudes de onda desplazadas. Aquí la longitud total de la fibra se especifica a 1,5 metros. Los 1,2 metros iniciales están empaquetados en Teflón y permiten la conexión al dispositivo de interrogador externo.

La longitud adicional de 3 metros contiene los cuatro cabezales de detección sin empaquetar. En este vídeo se muestra el sensor de matriz especificado, que se fabricó comercialmente. En primer lugar, retire la tapa protectora del conector FC/APC feral.

A continuación, limpie la cara del extremo del conector limpiándola suavemente con un limpiador de conector óptico. A continuación, asegúrese de que el keyway está correctamente alineado y conecte el conector de sonda FBG limpia al conector de canal del interrogador. Encienda el interrogador y ejecute el software de configuración.

En la pestaña de configuración del instrumento, observe los espectros de longitud de onda reflejados de la sonda de matriz FBG. Se deben observar cuatro picos en el espectro de canales relacionados. En el software, establezca la frecuencia de muestreo en 10 Hertz y establezca los límites de espectro entre FBG para evitar interferencias de medición.

A continuación, en la configuración de medición, asigne a los cabezales FBG como FBG-1, FBG-2, FBG-3 y FBG-4. Elija las longitudes de onda como un tipo de cantidad que se presentará gráficamente en esta etapa. Empaquete adecuadamente el área de detección donde los cabezales FBG están impresos en la fibra de la matriz utilizando un capilar de peek.

Esto protegerá la fibra de vidrio y asegurará que el cabezal de detección esté aislado de la excitación mecánica y producirá un sensor de excitación exclusivamente térmica. Cortar una longitud adecuada de tubo de mirada comercial a la longitud de la estructura de la bobina de destino con unos pocos centímetros adicionales para permitir la inserción de fibra y para cubrir el teflón para mirar la articulación capilar. A continuación, tome medidas cuidadosas de la matriz FBG y el capilar del peek para identificar con precisión las ubicaciones de detección en la superficie externa del capilar del peek.

Esto permite el posicionamiento de los cabezales de detección FBG en ubicaciones de destino dentro de la bobina de prueba de la motorette. A continuación, prepare un tubo retráctil de tamaño adecuado para su uso posterior. Inserte el área de detección de fibra en el capilar de peek y mantenga la conexión de peek y Teflon usando cinta capton.

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. El área de detección de matriz FBG se forma en función de la geometría de la bobina. A continuación, conecte la fibra óptica calificada al interrogador e inicie la rutina de software del interrogador preconfigurada.

Operar el horno en una secuencia de puntos térmicos de estado estacionario, crear una tabla a partir de las longitudes de onda reflectantes medidas de cada FBG individual en la matriz. Para cada temperatura constante, emule en la cámara. A continuación, utilice la longitud de onda desplazada registrada frente a las mediciones de temperatura para determinar las curvas de ajuste de desplazamiento de longitud de onda de temperatura óptimas y sus coeficientes para cada FBG.

Introduzca los coeficientes calculados en los ajustes pertinentes del software del interrogador para habilitar las mediciones de temperatura en línea desde la matriz FBG. Primero, construya e instrumente la bobina de la herida aleatoria de la motora. Para lograr esto, ajuste el carrete de alambre de cobre esmaltado clase H seleccionado en el dispositivo de bobinado y enrolle la mitad de los giros de la bobina a baja velocidad.

A continuación, coloque el capilar de peek preparado en el centro de la bobina con cinta capton. Una vez colocado correctamente, enrolle el resto de la bobina gira. Coloque la bobina terminada en el bastidor de la motorette.

A continuación, ate la bobina de la motora y los bobinados. Con la matriz FBG conectada al interrogador, inserte cuidadosamente la fibra del área de detección en el capilar del peek hasta que las aberturas finales del teflón y los capilares de peek estén en contacto. Mueva el tubo de encogimiento para cubrir los extremos capilares y diríjalo adecuadamente hasta que se logre el ajuste deseado.

Para comenzar la prueba estática, conecte la motora a una fuente de alimentación de CC y conecte la fuente de alimentación de CC para inyectar la motora con una corriente de CC. Registre las mediciones hasta que se alcance el equilibrio térmico de la bobina de la motorette. A continuación, realice una prueba de condición térmica no uniforme.

Para esta prueba, primero enrolle la bobina externa que contiene 20 vueltas alrededor de una sección de bobina de prueba seleccionada. Con la bobina externa conectada a una fuente de alimentación de CC separada, energice la motora con la misma corriente de CC utilizada en la prueba estática. Una vez alcanzado el equilibrio térmico, comience a registrar las mediciones térmicas.

Por último, energice la bobina externa con una corriente de CC para proporcionar una condición térmica no uniforme mediante la entrega de excitación térmica localizada en la bobina de prueba. Detenga las mediciones de grabación una vez que se alcance el equilibrio térmico. Durante esta prueba térmica estática representativa, las cuatro lecturas internas de temperatura fueron tomadas por los respectivos cabezales FBG de matriz en sus ubicaciones de bobina correspondientes.

Las lecturas son muy similares con una ligera variación entre las mediciones individuales registradas de menos de 1,5 grados centígrados. Una vez que la bobina externa de 20 vueltas se emocionó, para emular una condición de bobina no uniforme dentro de la estructura de la bobina, se observó un cambio claro en las mediciones térmicas con la redistribución de la temperatura interna de la bobina. El punto de detección y la proximidad más cercana a la bobina externa, FBG4, midió el nivel térmico más alto y el punto de detección más lejano, FBG 2, midió el más bajo.

Las lecturas observadas se relacionan claramente con las variaciones en la distribución individual del cabezal de detección, la geometría de la bobina de prueba examinada. Esto demuestra la capacidad funcional del sensor de matriz integrado en bobinas desde la supervisión e identificación de distribuciones térmicas de puntos calientes en bobinas de heridas aleatorias. En este video, hemos demostrado cómo una sola fibra óptica utilizando tecnología FBG puede permitir mediciones distribuidas de puntos calientes térmicos dentro de la estructura de una bobina eléctrica.

Lograr esto será extremadamente difícil usando sensores convencionales. Para garantizar mediciones precisas, tenga especial cuidado con los procedimientos de embalaje, instalación y calibración. Estos son necesarios para mitigar la sensibilidad cruzada FBG mecánica térmica, proteger la fibra y permitir que se tomen lecturas térmicas confiables.

La técnica reportada ofrece nuevas oportunidades para el desarrollo de aplicaciones de monitoreo térmico in situ dedicadas en dispositivos de conversión de energía donde los sensores convencionales son desafiados.