Name: Protocoles de conception, d’instrumentation et d’utilisation pour la surveillance des points chauds thermiques in situ distribués dans les bobines électriques à l’aide du multiplexe de capteur FBG (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: Découvrez le protocole d'instrumentation de bobines électriques avec capteurs FBG pour surveiller les points chauds thermiques. Cette méthode améliore la compréhension de la santé des appareils électriques.

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Ces travaux ont été soutenus par le UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy de Offshore Wind Farms Consortium dans le cadre de la subvention EP/P009743/1.

1. Conception de capteur thermique à fibres optiques
<ol><li>Identifiez d’abord la conception et les spécifications du capteur en fonction de la structure de bobine cible et des caractéristiques du système d’interrogatoire. La bobine d’essai utilisée dans ce travail a une géométrie ovale typique des bobines de machine électrique (comme illustré dans la figure 1A. Avant que les emplacements de détection individuels soient déterminés, prenez des décisions de conception pour s’assurer que la fibre de détection optique reste opérationnelle dans l’environnement mécanique et thermique typique de l’application de bobine de plaie intégrée.</li>
	<li>Utilisez une fibre à mode unique en polyimide hypersensible standard qui est généralement connue pour être en mesure de fonctionner à des températures allant jusqu’à environ 300 oC; cette fibre est donc adaptée à l’application dans les bobines de plaie utilisées dans les machines électriques conventionnelles. REMARQUE : La fibre optique choisie assure la fonctionnalité du capteur dans l’environnement thermique d’une bobine de plaie aléatoire typique fonctionnant dans des machines électriques telles qu’utilisées dans ce travail (classe F et H avec une température nominale de 155 et 180 oC10, respectivement. La fibre sensible à la plie est préférée pour cette application puisqu’elle est conçue pour permettre un petit rayon de flexion et pour avoir une perte de flexion plus faible. Cela permet au capteur d’être effectivement conforme à la structure de bobine désirée et l’emplacement de détection (s) avec un effet préjudiciable minimal à la détection de la fonctionnalité.</li>
	<li>Définir la longueur des fibres à 1,5 m. REMARQUE : La longueur de la fibre est réglée selon la géométrie de la bobine de plaie cible à instrumenter et la distance désirée à l’unité d’interrogatoire. La longueur circonstancielle de bobine d’essai (indiquée dans la figure 1A) est de 0,3 mètre et la longueur de fibre choisie à l’interrogateur de la bobine est de 1,2 mètre donnant une longueur totale de 1,5 m - ce qui permet de boucler suffisamment de longueur de fibre dans la bobine d’essai pour s’assurer que les emplacements de détection souhaités sont correctement établis et il ya une distance appropriée entre la bobine d’essai et l’interrogateur: Figure 3A illustre la longueur générale de la conception de la longueur. REMARQUE : Les FBGS peuvent être localisés à plusieurs kilomètres de l’unité d’interrogatoire. C’est parce qu’une fibre optique est un transporteur unique efficace.</li>
	<li>Concevoir le tableau FBG pour se composer de quatre têtes FBG (5 mm) pour permettre la détection distribuée dans la structure de bobine de sorte que deux emplacements de détection sont positionnés dans les côtés de bobine et deux sont dans les extrémités de bobine. REMARQUE : Les emplacements de détection thermique sont identifiés en fonction des normes de surveillance thermique pertinentes pour les machines électriques (c.-à-d. 2 FBGS pour les sections de fente et 2 pour les sections de vent final)10. La conception d’interrogateur commercial utilisée dans ce travail peut permettre l’interrogatoire simultané de jusqu’à 16 points de détection FBG vers le bas d’une seule fibre optique.</li>
	<li>Utilisez une longueur de tête de détection FBG de 5 mm; ceci est jugé suffisant pour permettre la surveillance localisée des points chauds dans le courant portant des bobines aléatoires de plaie. REMARQUE : Les valeurs commerciales alternatives de la longueur de la tête FBG (3 mm, 5 mm ou 10 mm) peuvent également être utilisées au cas où une dimension différente de point de détection serait requise par l’application de détection.</li>
	<li>Spécifiez les têtes individuelles de FBG à râpé avec différentes longueurs d’onde espacées dans une bande passante de 1529 à 60 nm pour correspondre à la cote d’interrogateur commercial utilisée; cela assure la prévention de l’interférence des longueurs d’onde décalées FBG. REMARQUE : Le FBG dirige la longueur d’onde, leur bande passante de décalage de longueur d’onde prévue et la variation de température d’application doivent être dans la bande passante à large bande à large bande de l’unité d’interrogatoire pour s’assurer que le système de détection peut fonctionner correctement.</li>
	<li>Utilisez un type de connecteur de sonde de fibre FC/APC, qui est compatible avec l’unité d’interrogateur. REMARQUE : FC/APC est généralement le choix préféré pour la détection FBG en raison de faibles pertes de rendement.</li>
	<li>Fournir la conception et les spécifications du capteur à un fabricant commercial FBG - Figure 3B montre une esquisse finale de la conception du tableau FBG utilisé dans ce travail.</li>
</ol>2. Configuration du système d’interrogatoire et du capteur
<ol><li>Vérifiez et configurez le capteur de tableau FBG conçu et fabriqué pour fonctionner avec le système d’interrogatoire commercial.</li>
	<li>Retirez le bouchon protecteur de la ferrule connecteur FC/APC.</li>
	<li>Nettoyez le revêtement fin du connecteur en l’essuyant doucement avec un nettoyant pour connecteur optique. REMARQUE : Il est fortement recommandé d’effectuer cette étape chaque fois que le capteur est connecté à l’interrogateur. Un nettoyant optique de série commerciale de Cletop-s a été employé dans ce travail.</li>
	<li>Branchez le connecteur de sonde FBG nettoyé au connecteur du canal interrogateur. REMARQUE : Assurez-vous que l’entrée est correctement alignée lors de l’accouplement des connecteurs.</li>
	<li>Allumez l’interrogateur. REMARQUE : L’interrogateur est connecté au PC via un connecteur RJ45 et un câble Internet.</li>
	<li>Exécutez le logiciel de configuration. REMARQUE : Le logiciel interrogateur est un logiciel exclusif basé sur LabVIEW fourni par le fabricant d’interrogateurs conçu pour permettre l’opération de l’unité matérielle interrogateur.</li>
	<li>Sur l’onglet de configuration de l’instrument, observez les spectres de longueur d’onde réfléchis de la sonde FBG (pour la conception du tableau FBG utilisée dans ce travail, quatre pics doivent être observés dans le spectre des canaux connexes). REMARQUE : L’intensité de la lumière réfléchie dépend des caractéristiques du FBG (au-dessus de 50 % est acceptée).</li>
	<li>Réglez la fréquence d’échantillonnage à 10 Hz. Cela détermine directement le nombre de relevés de température fournis au cours d’une période donnée de 1 s. REMARQUE : Le système d’interrogatoire utilisé peut fonctionner à des fréquences d’échantillonnage allant jusqu’à 2,5 kHz; toutefois, pour la dynamique thermique des bobines de transport actuelles surveillées dans ce travail, 10 Hz est considéré comme un taux d’acquisition suffisant.</li>
	<li>Dans le cadre des mesures, nommez les têtes FBG comme FBG1, FBG2, FBG3 et FBG4. Choisissez la longueur d’onde comme type de quantité à présenter graphiquement à ce stade. Le tableau FBG est configuré et prêt pour l’étape d’étalonnage.</li>
</ol>3. Préparation de l’emballage
<ol><li>Emballez convenablement les zones où les têtes de FBG sont imprimées (c.-à-d. râpées) dans la fibre de tableau pour assurer la détection de l’isolement de la tête de l’excitation mécanique et donnent ainsi le capteur exclusivement thermique de sensibilité d’excitation. En outre, la structure de fibre est fragile et il n’est pas souhaitable de l’intégrer directement dans les conducteurs de bobines: il nécessite une protection mécanique adéquate pour conserver l’intégrité. Dans ce travail, la zone de détection contenant les quatre têtes FBG qui est encastrée dans la structure de bobine est emballée avec du polyetherketone (PEEK) et le reste de la fibre est protégée par le téflon - cela est illustré dans la figure 3C.</li>
	<li>Concevoir l’emballage sous la forme d’un tube capillaire rond étroit afin que la fibre de détection puisse être acheminée à travers et ainsi protégée par le capillaire. REMARQUE : Les dimensions capillaires et les propriétés thermiques sont particulièrement importantes en ce qui concerne l’emballage de la zone contenant des têtes de détection FBG. Il est généralement souhaitable d’assurer une épaisseur de mur relativement étroite et d’utiliser des matériaux qui ne sont pas conducteurs électriquement, mais qui fournissent un degré raisonnable de conductivité thermique. Le diamètre extérieur du capillaire PEEK utilisé dans ce travail était de 0,8 mm et son épaisseur murale est de 0,1 mm.</li>
	<li>Préparer le capillaire PEEK en coupant la longueur suffisante des tubes commerciaux PEEK (longueur de la structure de bobine cible avec quelques centimètres supplémentaires pour permettre l’insertion de fibres et le téflon à peek préparation articulaire capillaire). REMARQUE : L’instrumentation in situ du tableau FBG nécessite d’abord l’installation de l’emballage qui est ensuite inséré avec la fibre de détection. Il faut veiller à assurer des ouvertures capillaires lisses et nettoyées.</li>
	<li>Prenez des mesures minutieuses du tableau FBG et du capillaire PEEK pour identifier avec précision les emplacements de détection sur la surface extérieure du capillaire PEEK. Cela permet le positionnement des têtes de détection FBG dans les emplacements cibles dans la bobine d’essai de motorette.</li>
	<li>Préparer le capillaire du téflon en coupant une longueur suffisante de tubes commerciaux en téflon pour s’assurer que la section fibre à l’extérieur de la géométrie de la bobine d’essai est protégée et contenue. REMARQUE : Le matériau d’emballage externe de la section de tableau de non-détection doit avoir une rigidité suffisante pour fournir une protection mécanique adéquate mais aussi être flexible pour permettre un lien pratique avec l’interrogateur; il est également souhaitable que ce matériau soit immunisé EMI dans cette application. Le téflon est trouvé pour fournir des performances satisfaisantes dans cette étude mais les matériaux alternatifs peuvent être appliqués.</li>
	<li>Préparer la longueur appropriée du tube de rétrécissement pour faire l’articulation entre le PEEK et les capillaires de téflon.</li>
</ol>4. Étalonnage thermique gratuit
<ol><li>Calibrer le capteur de tableau FBG emballé en l’insérant dans la chambre thermique pour extraire sa température discrète par rapport aux points de longueur d’onde. REMARQUE : De préférence, la zone de détection est formée pour correspondre à celle de la structure de bobine cible pour fournir l’étalonnage sous des niveaux de contrainte semblables à ceux lorsque le paquet est intégré dans la bobine d’essai.</li>
	<li>Connectez la fibre optique râpée à l’interrogateur et lancez la routine logicielle d’interrogateur préconfigurée.</li>
	<li>Réglez le four de chambre thermique pour fonctionner dans une séquence de points thermiques à l’état stable - ceux-ci sont dans une gamme de ambiant à 170 oC et dans les étapes de tous les 10 degrés dans ce travail. Créez un tableau à partir des longueurs d’onde réfléchies mesurées de chaque FBG individuel dans le tableau pour chaque température constante imitée dans la chambre. REMARQUE : Il faut laisser suffisamment de temps pendant les essais d’étalonnage pour atteindre l’équilibre thermique à chaque point thermique d’état stable examiné.</li>
	<li>Utilisez la longueur d’onde décalée enregistrée par rapport aux mesures de température en étapes de 10 oC pour déterminer les courbes optimales de changement de longueur d’onde et leurs coefficients pour chaque FBG. La figure 4 et le tableau 1 montrent les mesures enregistrées des données d’étalonnage et la courbe d’ajustement calculée, respectivement. REMARQUE : La relation entre le décalage de longueur d’onde et la variation de température des têtes de FBG dans le tableau est analysée par la régression quadratique polynomiale dans ce travail car ceci s’est avéré pour fournir la caractérisation optimale. À partir de cette analyse, les coefficients de courbe de régression quadratique polynomial sont calculés11.</li>
	<li>Entrez les coefficients calculés dans le réglage pertinent du logiciel interrogateur pour permettre des mesures de température en ligne à partir du tableau FBG.</li>
</ol>5. La construction de bobines d’essai et l’instrumentation FBG
<ol><li>Construisez et instrumentez d’abord la bobine de plaie aléatoire de motorette.<ol>
<li>Concevoir un bobbin sinueuse pour s’adapter sur l’appareil d’enroulement. REMARQUE : La géométrie du bobbin est conçue pour correspondre à la géométrie de virage désirée de la bobine et s’assurer que les dimensions de bobine de plaie désirées. Le bobbin est conçu pour être facilement démonté afin de faciliter l’enlèvement direct de la bobine de plaie sans endommager son isolation.</li>
		<li>Placez la bobine de fil de cuivre émaillé sélectionnée dans le dispositif d’enroulement et tirez le fil de cuivre à travers les rouleaux d’enroulement et le contrôleur de tension. REMARQUE : Le fil de cuivre émaillé de classe F est utilisé dans ce travail.</li>
		<li>Réglez le compteur de tour de l’appareil d’enroulement à zéro.</li>
		<li>Réglez l’éolienne pour fonctionner à basse vitesse et contrôlez la tension de fil désirée.</li>
		<li>Vent la moitié de la bobine tourne.</li>
		<li>S’adapter au capillaire PEEK préparé au centre de la bobine à l’aide de ruban adhésif Kapton. REMARQUE : Il faut veiller à ce que les index du capillaire PEEK soient positionnés dans les lieux cibles.</li>
		<li>Enroulez le reste de la bobine tourne.</li>
		<li>Retirer le bobbin de la machine à vent et démonter pour libérer la bobine de plaie encastrée avec un capillaire PEEK.</li>
		<li>Placer la bobine dans le cadre de la motorette. REMARQUE : Le système d’isolation de bobine de motorette (isolation des fentes et coins de fente) doit être installé de façon appropriée avec la bobine.</li>
		<li>Préparer les bornes de bobine et les relier aux terminaux de motorette.</li>
		<li>Vernis la motorette à l’aide d’un vernis sinueuse et placez-la dans un four à température appropriée (150 oC) pour guérir.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Instrumentation de tableau FBG :<ol>
<li>Connectez d’abord le tableau FBG à l’interrogateur; lancer le logiciel interrogateur pour surveiller la longueur d’onde réfléchie FBG lors de l’installation.</li>
		<li>Tirez la fibre à travers le tube de rétrécissement préparé.</li>
		<li>Insérez soigneusement la fibre (zone de détection) dans le capillaire PEEK jusqu’à ce que les ouvertures fin des capillaires de téflon et PEEK soient en contact.</li>
		<li>Déplacez le tube de rétrécissement pour couvrir les extrémités des capillaires et chauffez-le convenablement jusqu’à ce que l’ajustement désiré soit atteint.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Calibrage et évaluation in situ
<ol><li>Valider l’étalonnage thermique obtenu à l’étape 4 après l’intégration et corriger si nécessaire. Le test permet également d’évaluer les performances du tableau FBG en état thermique statique contrôlé.</li>
	<li>Placer la motorette intégrée avec le tableau thermique FBG dans le four thermique. REMARQUE : Le capteur thermique conventionnel peut être utilisé à des fins de comparaison de performances. Ici, des thermocouples installées sur la surface de la bobine de motorette sont utilisées.</li>
	<li>Répétez les étapes 4.3 et 4.4.</li>
	<li>Répétez l’étape 4.5, y compris la température mesurée par les têtes FBG en fonction de l’ajustement calibré dans l’étape 4.</li>
	<li>Évaluer et comparer les mesures de température du tableau FBG avec la température de référence. Si l’erreur de mesure est élevée, la mesure enregistrée dans l’étape 6.4 peut être utilisée pour mettre à jour l’étalonnage.</li>
	<li>Sortez la motorette du four thermique; il est prêt pour les tests.</li>
</ol>7. Test
<ol><li>Effectuez un test d’état thermique statique.<ol>
<li>Connectez la motorette à l’alimentation DC.</li>
		<li>Connectez le tableau FBG à l’interrogateur; surveiller et enregistrer ses mesures de température FBG.</li>
		<li>Contrôlez l’alimentation DC pour injecter la motorette avec un courant DC. REMARQUE : Le niveau de courant DC choisi doit s’assurer que la hausse en T des points chauds thermiques internes en bobine est inférieure à la température d’isolation permise; cela permet des tests non-destructeurs sur la bobine prototype.</li>
		<li>Arrêtez d’enregistrer les mesures lorsque l’équilibre thermique de la bobine de motorette est atteint.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Effectuez un test d’état thermique non uniforme.<ol>
<li>Enrouler la bobine externe contenant 20 tours autour d’une section de bobine d’essai sélectionnée.</li>
		<li>Connectez la bobine externe à une alimentation DC distincte.</li>
		<li>Dynamiser la motorette avec le courant DC appliqué en 7.1.3.</li>
		<li>Commencez à enregistrer les mesures thermiques une fois l’équilibre thermique atteint.</li>
		<li>Dynamiser la bobine externe avec un courant DC pour fournir des conditions thermiques non uniformes en offrant une excitation thermique localisée sur la bobine d’essai.</li>
		<li>Arrêtez d’enregistrer les mesures une fois l’équilibre thermique atteint.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+insulation+for+rotating+machines-design%2C+evaluation%2C+aging%2C+testing%2C+and+repair-Book+Review%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electrical+Insulation+Magazine%22%5BJournal%5D)">Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review.</a> IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).</li>
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<li>Mohammed, A., Djurović, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+Thermal+Sensing+Features+for+Hot+Spot+Monitoring+in+Random+Wound+Electric+Machine+Coils%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">FBG Thermal Sensing Features for Hot Spot Monitoring in Random Wound Electric Machine Coils.</a> IEEE Sensors Journal. 17 (10), 3058-3067 (2017).</li>
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<li>IEC. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotating+electrical+machines+-+Part+1%3A+Rating+and+performance%5BTitle%5D)+AND+%22IEC%22%5BJournal%5D)">Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance.</a> IEC. , IEC 60034-1 (2010).</li>
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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Le document a démontré la procédure nécessaire pour concevoir, calibrer et tester des capteurs thermiques FBG in situ dans des bobines de plaies basse tension. Ces capteurs offrent un certain nombre d’avantages pour les applications de détection in situ dans les structures actuelles de bobine de plaie de transport : ils sont entièrement immunisés EMI, sont flexibles et peuvent se conformer à une géométrie arbitraire désirée pour fournir des emplacements arbitraires de point de détection désirés avec une grande précision, et peut fournir un grand nombre de points de détection sur un seul capteur. Bien que la détection thermique dans les bobines de plaie puisse être réalisée avec des techniques de surveillance thermique conventionnelles utilisant des détecteurs de thermocouple ou de température de résistance, l’application de FGT est montrée pour fournir un certain nombre d’avantages fonctionnels attrayants.
L’emballage approprié du capteur de réseau FBG est la clé de son utilisation efficace. Il est important que les têtes de détection individuelles ou toute la zone de détection de la fibre soient correctement emballées pour assurer l’isolement des têtes de FBG de l’excitation mécanique dans un capillaire thermiquement conducteur rigide mais flexible. Il est souhaitable que le capillaire soit conçu à partir de matériaus non conducteurs électriques, car cela assure des performances optimales dans l’environnement riche en EMI caractéristique des bobines de transport actuelles.
Il faut faire attention au cours du processus d’installation capillaire d’emballage dans la bobine pour positionner avec précision les segments d’emballage dans leurs emplacements de détection correspondants. Il est également essentiel d’optimiser la géométrie capillaire au cas où des conditions thermiques très dynamiques seraient observées.
Il est essentiel d’assurer une caractérisation précise du capteur intégré à bobine. Ceci est mieux fait en effectuant l’étalonnage gratuit du capteur emballé avant son installation dans la géométrie de la bobine de plaie. Bien qu’un degré élevé de protection contre l’excitation mécanique soit fourni par l’emballage in situ, le processus d’installation peut entraîner un changement de longueur d’onde en raison de la sensibilité aux souches. Si elle est effectuée avec soin, cela peut être négligeable; cependant, il est bon pour cela d’être vérifié dans les tests d’étalonnage in situ si possible.
Cette application de FGG dans les bobines de plaie est relativement nouvelle et ouvre un certain nombre de possibilités pour une meilleure conception, utilisation, surveillance et diagnostic de santé des machines électriques. D’autres travaux sont nécessaires pour réduire le coût de ces derniers et en faire une option crédiblement viable pour l’application à grande échelle dans les machines électriques.

Les bobines aléatoires de plaie sont un élément de conception clé de la plupart des appareils électriques dans les systèmes industriels modernes et sont couramment employées dans les machines électriques basse tension. Une barrière majeure à l’utilisation améliorée des bobines de plaie dans ces applications est leur sensibilité au stress électro-thermique en service. Les surcharges thermiques sont particulièrement pertinentes à cet égard, car celles-ci peuvent provoquer la panne du système d’isolation du système d’isolation et, en fin de compte, sa défaillance totale1; cela peut survenir en raison de niveaux de courant de bobine excessive, ou d’autres causes telles qu’une panne électrique de bobine ou un dysfonctionnement de système de refroidissement, où les points chauds localisés sont induits dans la structure de bobine menant à la panne d’isolation. Permettre la surveillance thermique distribuée in situ opérationnelle de la structure interne d’une bobine en service permet de développer des routines d’utilisation et d’entretien basées sur l’état améliorées; elle permettrait une compréhension et une identification avancées de l’état de fonctionnement des bobines et de tout processus de dégradation, et donc conditionner des mesures correctives fondées pour maintenir l’état d’exploitation et prévenir ou ralentir d’autres dommages2,3.
La méthode présentée vise à permettre la surveillance in situ de la structure de bobine électrique intégrée conditions thermiques par l’utilisation de flexibles et électromagnétiques interférence immunitaire (EMI) fibre Bragg capteurs thermiques optiques râpés. La méthode offre un certain nombre d’avantages fonctionnels par rapport aux techniques de surveillance thermique existantes utilisées dans les bobines électriques : celles-ci reposent presque invariablement sur l’utilisation de thermocouple (CTC) ou de détecteurs de température de résistance (TLD) qui ne sont pas immunisés EMI ; ils sont faits de matériaux conducteur; et ils sont généralement raisonnablement encombrants donc pas idéalement adapté pour les applications de détection dans la structure des bobines électriques de blessure. L’utilisation de capteurs thermiques FBG à fibre optique robuste et flexible fournit un certain nombre d’améliorations considérables à cet égard, non seulement en raison de l’immunité capteur EMI, mais aussi de sa petite taille, la capacité de multiplexage et sa flexibilité, ce qui leur permet d’être intégrés et conformes à une architecture arbitraire de bobine de plaie pour atteindre la détection thermique avec une précision précise dans les emplacements structurels souhaités4. Ces caractéristiques sont particulièrement attrayantes dans les applications de machines électriques (EM) où les limites thermiques des dispositifs sont définies par des conditions thermiques de bobine électrique et sont particulièrement pertinentes à la lumière de la croissance considérable attendue de l’utilisation des EM avec la prolifération du transport électrique.
Cet article présente la méthodologie de l’instrumentation d’une structure aléatoire typique de bobine de plaie à basse tension avec des capteurs thermiques FBG pour permettre la surveillance en ligne des points chauds internes. Un protocole détaillé du choix, de la conception, de l’emballage, de l’instrumentation, de l’étalonnage et de l’utilisation du capteur FBG est signalé. Ceci est présenté sur un système de motorette aléatoire de bobine de plaie de l’IEEE. Le document rapporte également les mesures thermiques in situ obtenues en vertu de l’état de fonctionnement thermique statique et non uniforme de la bobine d’essai examinée.
Les FG sont formés par le processus de « râper » le noyau de fibre optique pour créer des empreintes longitudinales périodiques (généralement appelées têtes de détection dans les applications de détection FBG); lorsque la fibre contenant des GF est exposée à la lumière ultraviolette, chaque tête FBG existante fera en sorte que son indice réfrtif sera périodiquement modulé5. La tête de détection réfléchie longueurs d’onde sera affectée par les conditions thermiques et mécaniques auxquelles la fibre est exposée, et ainsi permettre à la fibre râpée d’être appliquée comme un capteur thermique ou mécanique en supposant une conception et une application adéquates.
La technologie FBG est particulièrement attrayante pour les applications de détection distribuées : elle permet de griller une seule fibre optique pour contenir plusieurs têtes de détection FBG, où chaque tête est codée avec une longueur d’onde Bragg distincte et agit comme un point de détection distinct. Ce type de dispositif de détection basé sur le FBG est connu sous le nom de capteur de tableauFBG 6 et son concept d’exploitation est illustré dans la figure 1. La lumière à large bande est utilisée pour exciter le tableau résultant en des longueurs d’onde réfléchies distinctes de chaque tête FBG contenue; ici, chaque tête reflète une longueur d’onde définie (c.-à-d. longueur d’onde Bragg) qui correspond à sa conception de grille et dépend également des conditions thermiques et mécaniques en vigueur à la tête (c.-à-d., la détection) emplacement. Un dispositif interrogateur est nécessaire pour permettre l’excitation de fibre de tableau avec la lumière et l’inspection des spectres réfléchis pour les longueurs d’onde distinctes de Bragg contenant des informations sur les conditions thermiques et/ou mécaniques localisées.
Un aspect particulièrement important de la mise en œuvre du capteur thermique FBG est l’atténuation des effets thermomécaniques de sensibilité croisée pour obtenir le plus près possible des lectures exclusivement thermiques7. La caractéristique inhérente au FBG de la sensibilité croisée thermomécanique nécessite une conception minutieuse des capteurs FBG destinés aux applications thermiques seulement ou mécaniques seulement de détection. En ce qui concerne la détection thermique, une méthode efficace d’atténuation de la sensibilité à l’excitation mécanique FBG consiste à isoler la tête de détection avec un capillaire d’emballage fait de matériau adapté à une application donnée; dans l’application de détection thermique intégrée en bobine examinée dans ce travail cela réduit non seulement les problèmes de sensibilité croisée, mais sert également à protéger la structure fragile de fibre de détection contre le dessous et potentiellement destructeur stress mécanique8.
La figure 2A montre le spécimen d’essai de bobine électrique de blessure aléatoire utilisé comme véhicule de démonstration dans ce document. La bobine est conçue selon les normes9 de l’IEEE pour les procédures d’évaluation thermique du système d’isolation aléatoire des bobines de plaie; le système d’essai qui en résulte dans la figure 2B est connu sous le nom de système de motorette et est représentatif d’un système de sinument et de son système d’isolation dans une machine électrique basse tension. Dans l’étude de cas présentée, la motorette sera instrumentée avec un capteur thermique de tableau FBG composé de quatre points de détection thermique, pour émuler les points chauds de détection thermique typiques d’intérêt dans les applications pratiques de machine qui ont tendance à être localisées dans les sections de liquidation de bout en bobine et de fente. Pour l’étalonnage et l’évaluation des performances, la motorette embarquée FBG sera thermiquement excitée à l’aide d’une chambre thermique commerciale et d’une alimentation DC.

<table><tbody><tr><td>Cletop-S</td><td>Fujikura</td><td>14110601</td><td>Nettoyeur de connecteur optique commercial</td></tr><tr><td>Fil de cuivre AWG24</td><td>RS</td><td>357-744</td><td>Alimentation DC en fil de cuivre isolé commercial</td></tr><tr><td></td><td>TTi</td><td>CPX400SP</td><td>Alimentation commerciale 420W</td></tr><tr><td>DC Capteurs FBG</td><td>ATGratings</td><td>NA</td><td>Matrice FBG de fabrication commerciale selon les spécifications de conception</td></tr><tr><td>Gaine thermorétractable</td><td>RS</td><td>700-4532</td><td>Gaine thermorétractable 3mm Manchon Dia. x 10m</td></tr><tr><td>Ruban de masquage Kapton</td><td>RS</td><td>436-2762</td><td>Orange Ruban de masquage Tesa 51408</td></tr><tr><td>Tube PEEK</td><td>Polyflon</td><td>4901000060</td><td>Tube PEEK professionnel</td></tr><tr><td>SmartScan04 Smartfibres</td><td>UK</td><td>S-Scan-04-F-60-U-UK</td><td>Système d’interrogation commercial</td></tr><tr><td>Four thermique</td><td>Lenton</td><td>WHT6/30</td><td>Enrouleur de four thermique professionnel</td></tr><tr><td></td><td>RS</td><td>244-2636</td><td>Enrouleur professionnel</td></tr></tbody></table>

protocoles de conception, d’instrumentation et d’utilisation pour la surveillance des points chauds thermiques in situ distribués dans les bobines électriques à l’aide du multiplexe de capteur fbg

Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing

Les bobines de plaie aléatoires sont un élément opérationnel clé de la plupart des appareils électriques dans les systèmes industriels modernes, y compris les machines électriques à basse tension. L’un des principaux goulots d’étranglement actuels dans l’amélioration de l’exploitation des appareils électriques est la forte sensibilité de leurs composants de plaie au stress thermique en service. L’application de méthodes conventionnelles de détection thermique (p. ex., thermocouples, détecteurs de température de résistance) pour la surveillance thermique de l’état thermique des bobines de plaie aléatoires de transport actuel peut imposer des limitations opérationnelles considérables en raison de la taille du capteur, EMI sensibilité et l’existence de matériaux électriques de conductrice dans leur construction. Une autre limitation importante existe dans les applications de détection distribuée et est causée par ce qui est souvent une longueur et un volume considérables de fils de câblage de capteurs conventionnels.
Cet article rapporte la conception d’un système de détection FBG à fibre optique destiné à permettre une surveillance interne de l’état thermique distribuée en temps réel dans des bobines de plaie aléatoires. La procédure de l’instrumentation aléatoire de bobine de plaie avec le système de détection de FBG est rapportée dans une étude de cas sur une bobine standard de blessure d’IEEE représentant de ceux employées dans des machines électriques. Les travaux rapportés présentent et discutent également d’importants aspects pratiques et techniques de la mise en œuvre et de l’application du système de détection FBG, y compris la conception de la géométrie du réseau FBG, l’emballage de la tête et de la fibre de détection, l’installation du réseau de capteurs et procédure d’étalonnage et l’utilisation d’un système d’interrogatoire commercial pour obtenir des mesures thermiques. Enfin, les performances de surveillance thermique du système de détection thermique FBG multiplexed in situ sont démontrées dans des conditions thermiques statiques et dynamiques représentatives.

La figure 5 présente les températures mesurées par le capteur de réseau dans l’essai thermique statique. Les quatre relevés internes de température, effectués par des têtes FBG de tableau respectives dans des emplacements de bobine correspondants, sont observés comme étant étroitement semblables comme on s’y attend généralement pour les conditions d’essai examinées; il y a une légère variation entre la mesure individuelle déclarée de moins de 1,5 oC entre les températures moyennes observées de 75,5 oC.
La figure 6 indique les mesures du capteur de réseau obtenues dans le test d’état thermique non uniforme. Ceux-ci sont montrés en premier pour la période où il n’y a pas d’excitation dans la bobine externe (premier 75s) indiquant des niveaux thermiques mesurés étroitement uniformes, comme on pouvait s’y attendre. La bobine externe est ensuite excitée, ce qui donne lieu à une excitation thermique localisée supplémentaire : cela se traduit par un changement clair des mesures observées, avec le point de détection de proximité la plus proche de la bobine externe (c’est-à-dire FBG4) mesurant le niveau thermique le plus élevé (128,6 oC) et le plus éloigné le plus bas (117,6 oC); les capteurs de température FBG situés entre ces niveaux de température intermédiaires et étroitement similaires (122,7 et 121,6 oC). Les lectures observées se rapportent clairement à la distribution de la tête de détection individuelle dans la géométrie examinée de la bobine d’essai. En outre, les résultats démontrent clairement la capacité fonctionnelle du capteur de tableau intégré de bobine pour la surveillance et l’identification de la distribution interne de points chauds thermiques distribués dans les bobines aléatoires de plaie.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig1.jpg"> Figure 1. Le concept de fonctionnement du capteur de réseau FBG. Ce chiffre a été modifié à partir d’une publication précédente4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig2.jpg"> Figure 2. Assemblage standard de bobine de motorette de l’IEEE. (A) Bobine électrique de blessure aléatoire ; voir les normes IEEE9. (B) A assemblé et verni IEEE motorette standard. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig3.jpg"> Figure 3. Conception de capteurs thermiques FBG. (A) FBG array fibre length, (B) FBG head locations in the array structure, (C) FBG array packaging design. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig4.jpg"> Figure 4. Le capteur de tableau emballé FBG dirige les caractéristiques d’étalonnage. Les caractéristiques sont dérivées des données obtenues dans les essais d’étalonnage thermique gratuit. Ce chiffre a été modifié à partir d’une publication précédente4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig5.jpg"> Figure 5. Mesures thermiques de tableau de FBG obtenues dans l’essai d’état thermique régulier. Les mesures thermiques de tête individuelles rapportées par le capteur de tableau de FBG sont montrées avec une vue de mesure de l’état stable de détail d’encart. Ce chiffre a été modifié à partir d’une publication précédente4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig5large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig6.jpg"> Figure 6. Mesures thermiques dans l’essai d’état thermique non uniforme. Ce chiffre a été modifié à partir d’une publication précédente4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td colspan="2">Intercepter</td>
			<td colspan="2">B1 (B1)</td>
			<td colspan="2">B2</td>
			<td>Statistiques</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Valeur</td>
			<td>Erreur standard</td>
			<td>Valeur</td>
			<td>Erreur standard</td>
			<td>Valeur</td>
			<td>Erreur standard</td>
			<td>Adj. R-Square</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG1 (en)</td>
			<td>1555.771</td>
			<td>0.0137</td>
			<td>0.00855</td>
			<td>2.85E-04</td>
			<td>1.50E-05</td>
			<td>1.34E-06</td>
			<td>0.99978</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG2</td>
			<td>1547.669</td>
			<td>0.0112</td>
			<td>0.00851</td>
			<td>2.34E-04</td>
			<td>1.41E-05</td>
			<td>1.10E-06</td>
			<td>0.99985</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG3 (en)</td>
			<td>1539.852</td>
			<td>0.0101</td>
			<td>0.00871</td>
			<td>2.11E-04</td>
			<td>1.30E-05</td>
			<td>9.90E-07</td>
			<td>0.99988</td>
		</tr>
<tr>
<td>FBG4</td>
			<td>1531.768</td>
			<td>0.0131</td>
			<td>0.00808</td>
			<td>2.72E-04</td>
			<td>1.67E-05</td>
			<td>1.28E-06</td>
			<td>0.9998</td>
		</tr>
</tbody></table>Tableau 1 : Paramètres de courbe d’ajustement qudratique polynomial calculés. Les paramètres calculés erreur standard et coefficients de correction de la tête individuelle sont inclus; une bonne linéarité et un coefficient de facteur de coorection au-delà de 0,999 ont été observés pour les quatre têtes FBG testées. Ce tableau a été modifié à partir d’une publication précédente4.

Ce document présente un protocole qui permet l’instrumentation de bobines électriques de plaie aléatoire avec des capteurs thermiques de grille de fibre Bragg (FBG) dans le but de surveiller l’état distribué des points chauds thermiques internes.

Protocoles de conception, d’instrumentation et d’utilisation pour la surveillance des points chauds thermiques in situ distribués dans les bobines électriques à l’aide du multiplexe de capteur FBG

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of ...

La surveillance des points chauds thermiques dans les bobines électriques est essentielle dans la zone de conduction de puissance car elle permet une bien meilleure compréhension de la santé de l’appareil, de la durée de vie restante et de la proximité des limites de conception. La technique motrice permet une surveillance instituée des points chauds thermiques dans la structure électrique en bobine basée sur l’application de multiplexés électromagnétiques immunitaires et de puissance par détection par fibre optique. Les performances avancées de détection FPG décrites dans cette vidéo sont uniques et ne peuvent pas ressembler beaucoup à l’application de capteurs conventionnels tels que les couples thermiques actifs ou à l’application de techniques d’estimation thermique basées sur la résistance.Les capteurs FBG sont intrinsèquement sensibles à l’excitation thermique et mécanique et sont fragiles. Par conséquent, leur application pour la détection thermique étroite avec une structure électrique de bobine exige une procédure spéciale qui est expliquée dans ce protocole. Identifiez d’abord la conception et les spécifications du capteur en fonction de la structure de votre bobine cible et des caractéristiques du système d’interrogatoire.La bobine d’essai montrée ici est une motorette standard de classe H d’IEEE typique des bobines électriques de machine. Lorsque vous concevez l’écran de détection assurez-vous que la fibre optique de détection reste opérationnelle dans les environnements thermiques et mécaniques typiques des applications de détection de bobine de plaie. L’utilisation de la fibre standard de polyamide insensible au coude à effet unique garantit que le capteur est capable de fonctionner à des températures supérieures à 200 degrés Celsius et qu’il a les propriétés mécaniques qui lui permettent d’être plié pour se conformer à une géométrie de bobine souhaitée.Dans cette application, quatre points de détection thermique doivent être installés dans quatre emplacements de centre transseau de bobine d’essai. Les emplacements de détection individuels sont identifiés en fonction de leurs normes de surveillance thermique latente pour les machines électriques. La distance entre les têtes de détection est basée sur la géométrie de bobine et les emplacements de détection de choix.Ensuite, spécifiez les têtes individuelles de FBG de cinq millimètres de longueur et classées avec différentes longueurs d’onde espacées dans une bande passante de 1529 à 1560 nanomètres pour correspondre à la cote d’interrogateur commercial utilisée et pour empêcher les interférences des longueurs d’onde décalées. Ici, la longueur globale de fibre est spécifiée à 1,5 mètres. Les 1,2 mètre initiaux sont emballés en téflon et permettent une connexion à l’appareil d’interrogatoire externe.La longueur supplémentaire de 3 mètres contient les quatre têtes de détection déballées. Montré dans cette vidéo est le capteur de tableau spécifié, qui a été fabriqué commercialement. Tout d’abord, retirez le bouchon de protection du connecteur FC/APC sauvage.Nettoyez ensuite la face de l’extrémité du connecteur en l’essuyant doucement à l’aide d’un nettoyeur de connecteur optique. Assurez-vous ensuite que le porte-clés est correctement aligné et branchez le connecteur de sonde FBG nettoyé au connecteur du canal interrogateur. Allumez l’interrogateur et exécutez le logiciel de configuration.Sur l’onglet configuration de l’instrument, observez les spectres de longueur d’onde réfléchies de la sonde de tableau FBG. Quatre pics devraient être observés dans le spectre des canaux connexes. Dans le logiciel, réglez la fréquence d’échantillonnage à 10 Hertz et définissez des limites de spectre entre FBG pour empêcher les interférences de mesure.Ensuite, dans le cadre de mesure, nommez les têtes FBG comme FBG-1, FBG-2, FBG-3 et FBG-4. Choisissez les longueurs d’onde comme type de quantité à présenter graphiquement à ce stade. Emballez correctement la zone de détection où les têtes FBG sont imprimées dans la fibre du tableau à l’aide d’un capillaire coup d’œil.Ceci protégera la fibre de verre et s’assurera que la tête de détection est isolée de l’excitation mécanique et donnera un capteur exclusivement sensible à l’excitation thermique. Coupez une longueur suffisante de tuyaux commerciaux à l’aide de la longueur de la structure de bobine cible de quelques centimètres supplémentaires pour permettre l’insertion de fibres et pour couvrir le téflon pour jeter un coup d’œil à l’articulation capillaire. Ensuite, prenez des mesures minutieuses du tableau FBG et du capillaire d’aperçu pour identifier avec précision les emplacements de détection sur la surface extérieure du capillaire d’aperçu.Cela permet de positionner les têtes de détection FBG dans les emplacements cibles dans la bobine d’essai motorette. Ensuite, préparez un tube de rétrécissement de taille appropriée pour une utilisation ultérieure. Insérez la zone de détection de fibre dans le capillaire de coup d’oeil et maintenez le coup d’oeil et la connexion de téflon utilisant le ruban de capton.Calibrez le capteur de tableau FBG emballé en l’insérant dans la chambre thermique pour extraire sa température discrète par rapport aux points de longueur d’onde. La zone de détection du tableau FBG est formée en fonction de la géométrie de la bobine. Ensuite, connectez la fibre optique classée à l’interrogateur et lancez la routine logicielle d’interrogateur préconfigurée.Faire fonctionner le four dans une séquence de points thermiques à l’état stable, créer une table à partir des longueurs d’onde réfléchissantes mesurées de chaque FBG individuel dans le tableau. Pour chaque température constante, émulez-la dans la chambre. Ensuite, utilisez la longueur d’onde décalée enregistrée par rapport aux mesures de température pour déterminer les courbes optimales d’ajustement du décalage de longueur d’onde de température et leurs coefficients pour chaque FBG.Entrez les coefficients calculés dans les paramètres pertinents du logiciel d’interrogateur pour activer les mesures de température en ligne à partir du tableau FBG. Tout d’abord, construire et instrumenter la bobine de blessure aléatoire motorette. Pour ce faire, réglez la bobine de fil de cuivre émémentée de classe H sélectionnée dans l’appareil winder et coupez la moitié des virages en bobine à basse vitesse.Ensuite, adaptez le capillaire coup d’oeil préparé au centre de la bobine à l’aide de ruban capton. Une fois bien positionné, vent le reste de la bobine tourne. Placez la bobine finie dans le cadre de motorette.Ensuite, lier la bobine de motorette et les enrouements. Avec le tableau FBG connecté à l’interrogateur, insérez soigneusement la fibre de zone de détection dans le capillaire coup d’oeil jusqu’à ce que les ouvertures d’extrémité de Téflon et capillaires coup d’oeil sont en contact. Déplacez le tube de rétrécissement pour couvrir les extrémités capillaires et dirigez-le de façon appropriée jusqu’à ce que l’ajustement désiré soit atteint.Pour commencer le test statique, connectez la motorette à une alimentation DC et connectez l’alimentation DC pour injecter la motorette avec un courant DC. Enregistrez les mesures jusqu’à ce que l’équilibre thermique de bobine de motorette soit atteint. Ensuite, effectuez un test d’état thermique non uniforme.Pour ce test, vent d’abord la bobine externe contenant 20 tours autour d’une section de bobine d’essai sélectionnée. Avec la bobine externe reliée à une alimentation dc séparée, dynamiser la motorette avec le même courant DC utilisé dans le test statique. Une fois l’équilibre thermique atteint, commencez à enregistrer des mesures thermiques.Enfin, dynamisez la bobine externe avec un courant DC pour fournir une condition thermique non uniforme en offrant une excitation thermique localisée sur la bobine d’essai. Arrêtez d’enregistrer les mesures une fois l’équilibre thermique atteint. Au cours de cet essai thermique statique représentatif, les quatre lectures de température interne ont été prises par des têtes de FBG de tableau respectives dans leurs emplacements de bobine correspondants.Les lectures sont étroitement similaires avec une légère variation entre les mesures individuelles enregistrées de moins de 1,5 degré Celsius. Une fois que la bobine externe de 20 virages a été excitée, pour imiter une condition de bobine non uniforme dans la structure de bobine, un changement clair a été observé dans les mesures thermiques avec redistribution de la température interne de bobine. Le point de détection et la proximité la plus proche de la bobine externe, FBG4, mesuraient le niveau thermique le plus élevé et le point de détection le plus éloigné, FBG 2, mesurait le plus bas.Les lectures observées se rapportent clairement aux variations de la répartition individuelle de la tête de détection, la géométrie de bobine d’essai examinée. Ceci démontre la capacité fonctionnelle du capteur de réseau enroulé-incorporé de la surveillance et de l’identification des distributions thermiques de point chaud dans les bobines aléatoires de blessure. Dans cette vidéo, nous avons démontré comment une seule fibre optique utilisant la techologie FBG peut permettre des mesures distribuées des points chauds thermiques dans la structure d’une bobine électrique.Pour ce faire, il sera extrêmement difficile d’utiliser des capteurs conventionnels. Pour assurer des mesures précises, prenez un soin particulier avec les procédures d’emballage, d’installation et d’étalonnage. Ceux-ci sont nécessaires pour atténuer la sensibilité croisée thermique mécanique FBG, protéger la fibre, et permet de prendre des lectures thermiques fiables.La technique signalée offre de nouvelles possibilités de développement d’applications de surveillance thermique in situ dédiées dans les dispositifs de conversion d’énergie où les capteurs conventionnels sont remis en question.

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