Summary
В настоящем документе представлен протокол, позволяющий измерять приборы случайных раневых электрических катушек с помощью тепловых датчиков решетки брэгга (FBG) с целью мониторинга распределенных условий внутренних тепловых горячих точек.
Abstract
Случайные раневые катушки являются ключевым оперативным элементом большинства электрических аппаратов в современных промышленных системах, включая низковольтные электрические машины. Одним из основных проблем, связанных с улучшением эксплуатации электрических устройств, является высокая чувствительность их компонентов ран к тепловому стрессу, направив их в эксплуатацию. Применение обычных методов теплового зондирования (например, термопары, детекторы температуры сопротивления) для мониторинга теплового состояния тока, несущего случайные раны, может налагать значительные эксплуатационные ограничения из-за размера датчика, EMI чувствительность и наличие электрически проводящего материала в их конструкции. Еще одно существенное ограничение существует в распределенных приложениях зондирования и вызвано тем, что часто значительная длина и объем обычных проводов провода датчика.
В этой статье сообщается о разработке волоконно-оптической системы зондирования FBG, предназначенной для обеспечения в режиме реального времени распределенного внутреннего мониторинга тепловых состояний в случайных раневых катушких. Процедура приборов случайной катушки раны с системой зондирования FBG сообщена в изучении случая на iEEE стандартном представителе катушки раны тех используемых в электрических машинах. В отчетной работе также представлены и обсуждаются важные практические и технические аспекты внедрения и применения системы зондирования FBG, включая конструкцию геометрии массива FBG, зондирование головной и волоконной упаковки, установку массива датчиков и процедура калибровки и использование коммерческой системы допросов для получения тепловых измерений. Наконец, в репрезентативных статических и динамических тепловых условиях проявляется мультиплексная система зондирования FBG.
Introduction
Случайные раневые катушки являются ключевым элементом конструкции большинства электрических аппаратов в современных промышленных системах и широко используются в низковольтных электрических машин. Основным препятствием для улучшения использования раневых катушек в этих приложениях является их чувствительность к электротермовому стрессу. Тепловые перегрузки особенно уместно в этом отношении, поскольку они могут привести к поломке изоляционной системы изоляции изоляции изоляции изоляции и, в конечном счете, к ее полному отказу1; это может возникнуть из-за чрезмерного уровня катушки тока, или других причин, таких как неисправность катушки электрической или неисправности системы охлаждения, где локализованные горячие точки индуцируются в структуре катушки, что приводит к разбивке изоляции. Включение оперативного распределения на месте теплового мониторинга внутренней структуры катушки в эксплуатации позволяет разработать улучшенные процедуры использования и обслуживания на основе условий; это позволило бы для более глубокого понимания и идентификации операционного состояния катушек и любого процесса деградации, и, таким образом, условие основано корректирующие действия для поддержания операционного статуса и предотвращения или замедления дальнейшего повреждения2,3.
Представленный метод направлен на обеспечение на месте мониторинга электрической структуры катушки встроенных тепловых условий с помощью гибких и электромагнитных интерференций иммунного (EMI) волокна Bragg тертых оптических тепловых датчиков. Метод предлагает ряд функциональных преимуществ по сравнению с существующими методами теплового мониторинга, используемыми в электрических катушки: они почти всегда полагаются на использование термопары (ТС) или детекторов температуры сопротивления (RTDs), которые не являются EMI иммунной; они изготовлены из проводящих материалов; и они, как правило, достаточно громоздким, следовательно, не идеально подходит для зондирования приложений в структуре раны электрических катушек. Использование надежных и гибких волоконно-оптических тепловых датчиков FBG обеспечивает ряд значительных улучшений в этом отношении, не только из-за датчика EMI иммунитета, но и его небольшой размер, способность мультиплексирования и его гибкость, которая позволяет им быть встроены в и соответствовать произвольной архитектуры катушки раны для достижения теплового зондирования с точной точностью в желаемых структурных местах4. Эти функции особенно привлекательны в приложениях для электрических машин (EM), где тепловые пределы устройства определяются тепловыми условиями электрической катушки и особенно уместно в свете ожидаемого значительного роста использования ЭМ с распространением электрического транспорта.
В настоящем документе представлена методология инструментирования типичной структуры случайных рановых катушек низкого напряжения с тепловыми датчиками FBG для обеспечения он-лайн мониторинга внутренних горячих точек. Сообщается о подробном протоколе выбора датчика FBG, дизайна, упаковки, приборов, калибровки и использования. Это представлено на стандартной стандартной системе автодрома случайных ран. В документе также сообщается о полученных на месте тепловых измерениях при статичном и неравномерном тепловом рабочем состоянии исследуемой испытательной катушки.
FBGs формируются в процессе "решетки" оптического волокна ядра для создания периодических продольных отпечатков (обычно называют зондирования головы в FBG зондирования приложений); когда волокно, содержащее FBGs подвергается воздействию ультрафиолетового света каждой существующей головке FBG приведет к тому, что его рефракционный индекс будет периодически модулироваться5. Чувствительность головы отражает длины волн будет зависеть от тепловых и механических условий, что волокно подвергается, и, таким образом, позволяют тертое волокно, которое будет применяться в качестве теплового или механического датчика предполагая, адекватной конструкции и применения.
Технология FBG особенно привлекательна для распределенных приложений зондирования: она позволяет натертому одному оптическому волокну содержать несколько головок зондирования FBG, где каждая голова кодируется с отдельной длиной волны Брэгга и действует как отдельная точка зондирования. Этот тип устройства зондирования на основе FBG известен как датчик массива FBG6, и его операционная концепция проиллюстрирована на рисунке 1. Широкополосный свет используется для возбуждения массива, что приводит к четкому отражению длин волн от каждой содержащейся главы FBG; здесь каждая голова отражает определенную длину волны (т.е. длину волны Брэгга), которая соответствует ее конструкции решетки, а также зависит от преобладающих тепловых и механических условий в голове (т.е. зондирования) местоположения. Дознаватель устройство необходимо для включения массива волокна возбуждение со светом и инспекции отраженных спектров для различных длин волн Брэгга, содержащих информацию о локализованных тепловых и / или механических условиях.
Особенно важным аспектом реализации теплового датчика FBG является смягчение термомеханических эффектов поперечной чувствительности, чтобы получить как можно ближе к исключительно тепловым показаниям7. Присущая FBG особенность термомеханической кроссчувствительности требует тщательной конструкции датчиков FBG, предназначенных только для тепловых или механических только чувствительных приложений. В тех случаях, когда речь идет о тепловом зондировании, эффективным методом снижения чувствительности FBG является изоляция сенсорной головки с помощью упаковочного капилляра из материала, пригодного для данного применения; в катушке встроенных теплового зондирования применения рассмотрены в этой работе это не только уменьшает кросс-чувствительность проблемы, но и служит для защиты хрупкой структуры волокна зондирования от нижней и потенциально разрушительного механического стресса8.
На рисунке 2A показан случайный образец испытания электрической катушки, используемый в качестве демонстрационного транспортного средства в этой статье. Катушка разработана в соответствии со стандартами IEEE9 для тепловых процедур оценки изоляционной системы случайных раневых катушек; полученная испытательная система, показанная на рисунке 2B, известна как моторная система и является репрезентативной для обмотки и ее изоляционной системы в низковольтной электрической машине. В представленном примере, motorette будет прибороров с датчиком теплового массива FBG, состоящим из четырех точек теплового зондирования, для эмулирования типичных тепловых зондирующих горячих точек интереса в практических применениях машины, которые, как правило, локализованы в катушке конца обмотки и слот разделов. Для калибровки и оценки производительности, FBG встроенный мотор будет теплововсего возбужденных с помощью коммерческой тепловой камеры и блок питания ПОСТОЯННОГО тока.
Protocol
1. Конструкция волоконно-оптического теплового датчика
- Сначала определите конструкцию датчиков и спецификации, основанные на структуре целевой катушки и особенностях системы допроса. Испытательная катушка, используемая в этой работе, имеет овальную геометрию, характерную для электрических машин (как показано на рисунке 1A. Прежде чем отдельные места зондирования определены, принимать проектные решения для обеспечения того, чтобы оптическое зондирование волокна остается оперативной в механической и тепловой среде, типичной для встроенного применения раны катушки.
- Используйте стандартный изгиб-нечувствительный полиимид покрытием одного режима волокна, которые, как известно, быть в состоянии работать при температурах до примерно 300 градусов по Цельсию; это волокно, таким образом, подходит для применения в раневых катушки, используемые в обычных электрических машин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранное оптическое волокно обеспечивает функциональность датчика в тепловой среде типичной случайной раневой катушки, работающей в электрических машинах, таких как используемые в этой работе (класс F и H с номинальной температурой 155 и 180 градусов по Цельсию10, соответственно. Изгиб нечувствительных волокна является предпочтительным для этого приложения, поскольку он предназначен, чтобы позволить небольшой радиус изгиба и иметь более низкую потерю изгиба. Это позволяет датчику эффективно соответствовать желаемой структуре катушки и расположению зондирования (ы) с минимальным пагубным эффектом для функциональности зондирования. - Установите длину волокна до 1,5 м.
ПРИМЕЧАНИЕ: Длина волокна устанавливается в соответствии с геометрией катушки раны цели, которая будет инструментальной, и желаемого расстояния до единицы допроса. Длина испытательной катушки окружной (показано на рисунке 1A)составляет 0,3 метра, а выбранная длина волокна для дознавателя из катушки составляет 1,2 метра, что дает общую длину 1,5 м - это позволяет зацикливаться на достаточной длине волокна в тестовой катушке, чтобы обеспечить правильное зондирование мест, и есть подходящее расстояние между испытательной катушкой и допрашивающим: Рисунок 3A иллюстрирует общую длину.
ПРИМЕЧАНИЕ: FBGSs могут быть расположены в нескольких километрах от следственного изолятора. Это потому, что оптическое волокно является эффективным одного носителя. - Дизайн массива FBG состоит из четырех головок FBG (5 мм), чтобы позволить распределенное зондирование в структуре катушки, так что два места зондирования расположены в катушки сторон и два находятся в концах катушки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Места теплового зондирования определены на основе соответствующих стандартов теплового мониторинга для электрических машин (т.е. 2 FBGS для слот-секций и 2 для секций с конечным извином)10. Коммерческая конструкция дознавателя, используемая в этой работе, может позволить одновременное допрос до 16 точек зондирования FBG вниз по одному оптическому волокну. - Используйте зондирующую голову FBG длиной 5 мм; это считается достаточным для того, чтобы локализованный мониторинг горячих точек в токе, перевозящих случайные раневые катушки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Альтернативные коммерческие значения длины головы FBG (3 мм, 5 мм или 10 мм) также могут быть использованы в случае, если приложение зондирования требует сярвидевого измерения. - Укажите отдельные головы FBG, которые будут натерты с различными длинами волн, расположенными в пропускной способности 1529-60 нм, чтобы соответствовать используемому коммерческому рейтингу дознавателя; это обеспечивает предотвращение FBG смещенных волнорезов вмешательства.
ПРИМЕЧАНИЕ: FBG главы длины волны, их ожидаемой ширины волны сдвиг пропускной способности, и изменение температуры приложения должны быть в пределах допроса единицы широкополосной легкой пропускной способности, чтобы гарантировать, что система зондирования может нормально работать. - Используйте тип разъема волокнистого зонда FC/APC, который согласуется с дознавателем.
ПРИМЕЧАНИЕ: FC/APC, как правило, является предпочтительным выбором для зондирования FBG из-за низких потерь возврата. - Предоставьте дизайн и спецификации датчика коммерческому производителю FBG - На рисунке 3B показан окончательный эскиз конструкции массива FBG, используемой в этой работе.
2. Система допроса и конфигурация датчиков
- Проверьте и настроили разработанный и изготовленный датчик массива FBG для работы с коммерческой системой допросов.
- Снимите защитную крышку с разъема FC/APC ferrule.
- Очистите конец лица разъема, аккуратно вытирая его оптическим очистителем разъема.
ПРИМЕЧАНИЕ: Настоятельно рекомендуется выполнять этот шаг каждый раз, когда датчик подключен к дознавательу. В этой работе использовался коммерческий очиститель серии Cletop. - Подключаемый разъем зонда FBG к разъему канала дознавателя.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что ключ правильно выровнены при спаривании разъемов. - Включите следователя.
ПРИМЕЧАНИЕ: Дознаватель подключен к компьютеру через разъем RJ45 и интернет-кабель. - Запустите программное обеспечение конфигурации.
ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение для допрашивателя представляет собой запатентованный пакет программного обеспечения на основе LabVIEW, предоставленный производителем дознавателя, предназначенным для обеспечения работы аппаратного подразделения дознавателя. - На вкладке настройки прибора наблюдают отраженные спектры длин волн от зонда массива FBG (для конструкции массива FBG, используемой в этой работе, четыре пика должны наблюдаться в соответствующем спектре каналов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Интенсивность отраженного света зависит от характеристик FBG (принимается выше 50%). - Установите частоту выборки до 10 Гц. Это непосредственно определяет количество температурных показаний, предусмотренных в данном периоде 1 с.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используемая система допросов может работать на частотах выборки до 2,5 кГц; однако для тепловой динамики текущих несущих катушек, контролируемых в этой работе, 10 Гц считаются достаточным коэффициентом приобретения. - В настройках измерений назовите глав FBG: FBG1, FBG2, FBG3 и FBG4. Выберите длину волны в качестве типа количества, которое будет представлено графически на данном этапе. Массив FBG настроен и готов к этапу калибровки.
3. Подготовка упаковки
- Соответствующим образом упакуем области, где головы FBG отпечатаны (т.е. тертые) в волокно массива, чтобы обеспечить зондирование изоляции головы от механического возбуждения и, таким образом, дать исключительно тепловое возбуждение отзывчивый датчик. Кроме того, структура волокна является хрупкой и не желательно непосредственно встраивать его в проводники катушки: она требует адекватной механической защиты для сохранения целостности. В этой работе область зондирования, содержащая четыре головки FBG, встроенная в структуру катушки, упакована с политереторкетоном (PEEK), а остальная часть волокна защищена тефлоном – это иллюстрируется на рисунке 3C.
- Дизайн упаковки в виде узкой круглой капиллярной трубки, чтобы зондирующее волокно может быть направлено через и, таким образом, защищены капилляром.
ПРИМЕЧАНИЕ: Капиллярные размеры и тепловые свойства особенно важны в тех случаях, когда речь идет об упаковке участка, содержащего зондирующие головы FBG. Как правило, желательно обеспечить относительно узкую толщину стени и использовать материал, который не является электрически проводящий, но обеспечивает разумную степень теплопроводности. Внешний диаметр капилляра PEEK, используемого в этой работе, составлял 0,8 мм, а толщина стены - 0,1 мм. - Подготовка CApillary PEEK путем сокращения адекватной длины коммерческих труб PEEK (длина целевой катушки структуры с несколькими дополнительными сантиметрами, чтобы для волокна вставки и тефлона для ПИЕК капиллярного совместного приготовления).
ПРИМЕЧАНИЕ: Приборирование in situ массива FBG требует установки упаковки, которая затем вставляется с зондирующей волокней. Необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить гладкие и очищенные конечные отверстия капилляров. - Тщательно измеряйте массив FBG и капилляр PEEK, чтобы точно определить местопроведения зондирования на внешней поверхности капилляра PEEK. Это позволяет позиционировать головки зондирования FBG в целевых местах в испытательной катушке Motorette.
- Подготовьте тефлоновый капилляр, разрезав адекватную длину коммерческих тефлоновых труб, чтобы гарантировать, что оптоволоконная секция вне геометрии испытательной катушки защищена и содержится.
ПРИМЕЧАНИЕ: Внешний упаковочный материал секции, не ощущающей зондирования, должен иметь достаточную жесткость для обеспечения надлежащей механической защиты, но также и быть гибким, позволяющим обеспечить практическую связь с дознавателем; также желательно, чтобы этот материал был иммунным EMI в этом приложении. Тефлон установлен, чтобы обеспечить удовлетворительные показатели в этом исследовании, однако альтернативные материалы могут быть применены. - Подготовьте соответствующую длину термопрокладки, чтобы сделать соединение между PEEK и тефлоновыми капиллярами.
4. Бесплатная термическая калибровка
- Откалибровать упакованный датчик массива FBG, вставив его в тепловую камеру, чтобы извлечь его дискретную температуру по сравнению с точками длины волны.
ПРИМЕЧАНИЕ: Предпочтительно, что область зондирования формируется в соответствии с структурой целевой катушки, чтобы обеспечить калибровку под уровней напряжения, аналогичные тем, когда пакет встроен в тестовую катушки. - Подключите тертое оптическое волокно к следователю и запустите предварительно настроенное программное обеспечение для следователя.
- Установите тепловую камеру печи для работы в последовательности тепловых устойчивых точек состояния - они находятся в диапазоне окружающей среды до 170 градусов по Цельсию и в шагах каждые 10 градусов в этой работе. Создайте таблицу из измеренных отраженных длин волн каждого отдельного FBG в массиве для каждой постоянной температуры, эмулированной в камере.
ПРИМЕЧАНИЕ: Достаточное время должно быть разрешено во время калибровочных испытаний для теплового равновесия, которые будут достигнуты в каждом исследованном устойчивом состоянии тепловой точки. - Используйте зарегистрированную сдвинутую длину волны по сравнению с измерениями температуры в 10 шагах по Цельсию, чтобы определить оптимальные кривые соответствия температурно-волновой длины и их коэффициенты для каждого FBG. На рисунке 4 и таблице 1 показаны записанные измерения данных калибровки и расчетная кривая соответствия, соответственно.
ПРИМЕЧАНИЕ: Связь между сдвигом длины волны и изменением температуры головок FBG в массиве анализируется по полиномальной квадратной регрессии в этой работе, поскольку это было установлено для обеспечения оптимальной характеристики. Из этого анализа вычисляются11коэффициентов по полиномиальной квадратной регрессии кривой. - Ввод рассчитанных коэффициентов в соответствующем настройке программного обеспечения для опроса, позволяющих проводить он-лайн измерения температуры из массива FBG.
5. Сборка испытательной катушки и приборы FBG
- Сначала построить и инструмент motorette случайных раны катушки.
- Дизайн извилистый бобин, чтобы поместиться на обмотки устройства.
ПРИМЕЧАНИЕ: Геометрия бобины разработана, чтобы соответствовать желаемой геометрии поворота катушки и гарантировать, что желаемые размеры раны катушки. Бобина предназначена для легкого демонтажа, чтобы облегчить прямое удаление раневой катушки, не повреждая ее изоляцию. - Поместите выбранную эмалированную медную проволоку катушки в обмотки устройства и потяните медную проволоку через катки обмотки и контроллер напряжения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Класс F эмалированной медной проволоки используется в этой работе. - Установите ветровое устройство поверните номер счетчика к нулю.
- Установите обмотки работать на низкой скорости и контролировать желаемое напряжение провода.
- Ветер половина катушки оказывается.
- Fit подготовленный CApillary PEEK в центре катушки с помощью ленты Kapton.
ПРИМЕЧАНИЕ: Необходимо проявлять осторожность, чтобы обеспечить размещение индексов на капилляре PEEK в целевых местах. - Ветер остальной катушки оказывается.
- Снимите бобин с машины для обмотки и разберите, чтобы освободить рану катушки, встроенную с капилляром PEEK.
- Поместите катушки в рамку Motorette.
ПРИМЕЧАНИЕ: Система изоляции катушки мотора (изоляция слотов и клинья слотов) должна быть надлежащим образом установлена с катушки. - Подготовьте катушки терминалов и подключить их к мотоциклетных терминалов.
- Заварите мотористку с помощью извилистого лака и поместите в духовку при соответствующей температуре (150 градусов по Цельсию) для лечения.
- Дизайн извилистый бобин, чтобы поместиться на обмотки устройства.
- Приборы массива FBG:
- Сначала подключите массив FBG к следователю; запуск программного обеспечения для дознавателя для мониторинга FBG отраженной длины волны во время установки.
- Вытяните волокно через подготовленную сжимающую трубку.
- Тщательно вставьте волокно (область зондирования) в капилляр PEEK до конца отверстий тефлоновых и пиекка капилляров находятся в контакте.
- Переместите термоусадочной трубки, чтобы покрыть концы капилляров и соответствующим образом нагрейте ее до достижения желаемой формы.
6. На месте калибровки и оценки
- Проверить полученную термическую калибровку в шаге 4 после встраивания и исправить, если это необходимо. Тест также позволяет оценить производительность массива FBG в контролируемом статичном тепловом состоянии.
- Поместите моторет, встроенный в тепловой массив FBG, в термальную печь.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обычный тепловой датчик может быть использован для целей сравнения производительности. Здесь используются термопары, установленные на поверхности катушки мотора. - Повторите шаги 4.3 и 4.4.
- Повторите шаг 4.5, включая температуру, измеренную главами FBG на основе откалиброванной подгонки в шаге 4.
- Оцените и сравните измерения температуры массива FBG с эталонной температурой. Если ошибка измерения высока, то для обновления калибровки можно использовать зарегистрированное измерение в шаге 6.4.
- Вынизуйте моторет из тепловой печи; он готов к тестированию.
7. Тестирование
- Выполните тест статического теплосостояния.
- Подключите моторку к блоку питания постоянного тока.
- Подключите массив FBG к следователю; контролировать и записывать свои измерения температуры FBG.
- Управление блок питания постоянного тока, чтобы впрыснуть motorette с током постоянного тока.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выбранный текущий уровень ПОСТОЯННОГО ТОКа должен гарантировать, что T-подъем во внутренних тепловых горячих точках катушки меньше допустимой температуры изоляции; это позволяет неразрушать испытания на прототипе катушки. - Остановить запись измерений, когда моторная катушка теплового равновесия достигается.
- Выполните неоднородный тест на термическое состояние.
- Ветер внешней катушки, содержащей 20 поворотов вокруг выбранной секции катушки испытания.
- Подключите внешнюю катушку к отдельному блоку питания постоянного тока.
- Энергия моторетки с током DC применяется в 7.1.3.
- Начните запись тепловых измерений после достижения теплового равновесия.
- Заряжай внешнюю катушки током постоянного тока, чтобы обеспечить неравномерные тепловые условия, обеспечивая локализованное тепловое возбуждение на испытательной катушке.
- Прекратите запись измерений после достижения теплового равновесия.
Representative Results
На рисунке 5 представлены температуры, измеренные датчиком массива в статичном тепловом тесте. Четыре внутренних показания температуры, взятые соответствующими главами FBG в соответствующих местах катушки, наблюдаются, чтобы быть тесно похожими, как это обычно ожидается для исследуемых условий испытаний; существует небольшое различие между зарегистрированным индивидуальным измерением менее 1,5 градусов по Цельсию между наблюдаемыми средними температурами горячих точек в 75,5 градусов по Цельсию.
На рисунке 6 сообщается об измерениях датчика массива, полученных в ходе теста на неравномерное тепловое состояние. Они показаны в первую очередь в период, когда нет возбуждения во внешней катушке (первый й 75s) с указанием тесно равномерной измеренных тепловых уровней, как и ожидалось. Внешняя катушка затем возбуждается в результате дополнительного локализованного теплового возбуждения: это приводит к четкому изменению наблюдаемых измерений, с точкой зондирования в непосредственной близости от внешней катушки (т.е. FBG4), измерения наивысшего теплового уровня (No 128,6 градусов по Цельсию) и что дальше от самого низкого (117,6 градусов по Цельсию); датчики температуры FBG, расположенные между этими данными, сообщают о промежуточных и точно схожих температурах (122,7 и 121,6 градуса по Цельсию). Наблюдаемые показания четко относятся к индивидуальному сенсированию головки в исследуемой геометрии испытательной катушки. Кроме того, результаты наглядно демонстрируют функциональные возможности датчика встроенного массива катушки для мониторинга и идентификации внутреннего распределенного распределения тепловых точек доступа в случайных раневых катушких.
Рисунок 1. Концепция работы датчиков датчика датчика FBG. Эта цифра была изменена по сравнению с предыдущей публикацией4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2. IEEE стандартная сборка катушки мотора. (A) Случайная раная электрическая катушка; см. стандарты IEEE9. (B) Собранный и лакированный iEEE стандартный моторет. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3. Конструкция тепловых датчиков FBG. (A) FBG массив волокна длина, (B) FBG голову местах в структуре массива, (C) FBG массив акабрирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4. Упакованный датчик массива FBG возглавляет характеристики калибровки. Характеристики получены на основе данных, полученных в тестах свободной термической калибровки массива. Эта цифра была изменена по сравнению с предыдущей публикацией4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5. Тепловые измерения массива FBG, полученные в стабильном тесте на теплосостояние. Индивидуальные тепловые измерения головной части, о которых сообщает датчик массива FBG, показаны с детальным обзором измерения стабильного состояния. Эта цифра была изменена по сравнению с предыдущей публикацией4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6. Тепловые измерения в неравномерном тесте на теплосостояние. Эта цифра была изменена по сравнению с предыдущей публикацией4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Перехватить | B1 | B2 | Статистика | ||||
| Значение | Стандартная ошибка | Значение | Стандартная ошибка | Значение | Стандартная ошибка | Adj. R-Квадрат | |
| 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 |
Таблица 1: Рассчитанные параметры кривой кривой квадратной формы полиномиальной формы. Рассчитанные параметры стандартная ошибка и индивидуальные коэффициенты коррекции головы включены; хорошая линейность и коэффициент коэффициента кооркции свыше 0,999 наблюдались для четырех проверенных глав FBG. Эта таблица была изменена из предыдущей публикации4.
Discussion
В документе продемонстрирована процедура, необходимая для проектирования, калибровки и тестирования на месте FBG тепловых датчиков в низковольтных рановых катушки. Эти датчики предлагают ряд преимуществ для initu зондирования приложений в текущих структурах проведения раны катушки: они полностью EMI иммунной, являются гибкими и могут соответствовать произвольной желаемой геометрии для доставки произвольных желаемых местоположений точки зондирования с высокой точностью, и может обеспечить большое количество точек зондирования на одном датчике. В то время как тепловое зондирование в раневых катушки может быть достигнуто с помощью обычных методов теплового мониторинга с использованием термодетекторов или детекторов температуры сопротивления, применение FBGs, как показано, обеспечивает ряд привлекательных функциональных преимуществ.
Надлежащая упаковка датчика массива FBG является ключом к его эффективному использованию. Важно, чтобы отдельные зондирования головы или всей области зондирования волокна должным образом упакованы для обеспечения изоляции глав FBG от механического возбуждения в жесткой, но гибкой термически проводящей капилляр. Целесообразно, чтобы капилляр был разработан из неэлектрически проводящего материала, так как это обеспечивает оптимальную производительность в богатой среде EMI, характерной для текущих несущих катушек.
Необходимо позаботиться о том, чтобы в процессе установки капилляра в катушки точно позиционировать сегменты упаковки в соответствующих местах зондирования. Также необходимо оптимизировать геометрию капилляров в случае наблюдавшихся высокодинамических тепловых условий.
Очень важно обеспечить точную характеристику встроенного датчика катушки. Это лучше всего сделать, выполняя бесплатную калибровку упакованных датчиков перед его установкой в геометрии раневой катушки. В то время как высокая степень защиты от механического возбуждения обеспечивается упаковкой in situ, процесс установки может привести к сдвигу длины волны из-за чувствительности напряжения. При выполнении тщательно это может быть незначительным; однако, это хорошая практика для этого, чтобы быть установлены в на месте калибровки испытаний, где это возможно.
Это применение FBGs в раневых катушек является относительно новым и открывает ряд возможностей для улучшения дизайна, использования, мониторинга и диагностики здоровья электрических машин. Необходима дальнейшая работа по снижению их стоимости и сделать их достаточно жизнеспособным вариантом для крупномасштабного применения в электротехнике.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Великобритании инженерных и физических наук научно-исследовательский совет (EPSRC) HOME-Offshore: целостная эксплуатация и техническое обслуживание энергии от оффшорных ветропарков консорциума в рамках гранта EP / P009743/1.
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
- Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review. IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).
- Mohammed, A., Djurović, S. Stator Winding Internal Thermal Monitoring and Analysis Using In Situ FBG Sensing Technology. IEEE Transactions on Energy Conversion. 33 (3), 1508-1518 (2018).
- Zhang, H. Online thermal monitoring models for induction machines. IEEE Transactions on Energy Conversion. 30 (4), 1279-1287 (2015).
- Mohammed, A., Djurović, S. FBG array sensor use for distributed internal thermal monitoring in low voltage random wound coils. 2017 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). , Bar, Montenegro. 1-4 (2017).
- Rao, Y. J.
- Mohammed, A., Djurović, S. A study of distributed embedded thermal monitoring in electric coils based on FBG sensor multiplexing. Microprocessors and Microsystems. 62, 102-109 (2018).
- Lu, P., Men, L., Chen, Q. Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings. Applied Physics Letters. 92 (17), 171112 (2008).
- Mohammed, A., Djurović, S. FBG Thermal Sensing Features for Hot Spot Monitoring in Random Wound Electric Machine Coils. IEEE Sensors Journal. 17 (10), 3058-3067 (2017).
- IEEE. IEEE standard test procedure for thermal evaluation of systems of insulating materials for random-wound AC electric machinery. IEEE Std 117-2015. , Revision of IEEE Std 117-1974 1-34 (2016).
- IEC. Rotating electrical machines - Part 1: Rating and performance. IEC. , IEC 60034-1 (2010).
- Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components. 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , Lausanne. 2266-2272 (2016).
