Summary
Bu kağıt, iç termal sıcak noktaların dağıtılmış durum izleme amacıyla fiber Bragg ızgara (FBG) termal sensörleri ile rasgele yara elektrik bobinleri enstrümantetasyon sağlayan bir protokol sunuyor.
Abstract
Rasgele yara bobinleri, düşük voltajlı elektrik makineleri de dahil olmak üzere modern endüstriyel sistemlerde çoğu elektrik aparatının önemli bir operasyonel unsurudur. Elektrikli cihazların daha iyi kullanılmasındaki en önemli darboğazlardan biri yara bileşenlerinin hizmet içi termal strese karşı yüksek hassasiyetidir. Konvansiyonel Termal algılama yöntemlerinin (örn. termopllar, direnç sıcaklık dedektörleri) mevcut rasgele yara bobinlerinin termal durum takibi için uygulanması, sensör boyutu, EMI nedeniyle önemli operasyonel sınırlamalar getirebilir duyarlılık ve yapımında elektriksel iletken malzemenin varlığı. Başka bir önemli sınırlama dağıtılmış algılama uygulamalarında var ve genellikle önemli bir uzunluk ve konvansiyonel sensör kablolama yol hacmi ne neden olur.
Bu kağıt rasgele yara bobinleri içinde gerçek zamanlı dağıtılmış iç termal durum izleme sağlamak için tasarlanmış bir fiber optik FBG algılama sisteminin tasarımı raporlar. FBG algılama sistemi ile rasgele yara bobini enstrümantasyon prosedürü elektrik makinelerinde kullanılan bir IEEE standart yara bobini temsilcisi bir vaka çalışması bildirilmiştir. Rapor edilen çalışma aynı zamanda FBG algılama sistemi uygulama ve uygulamasının önemli pratik ve teknik yönlerini sunar ve tartışır, FBG dizi geometri siliği tasarımı, algılama kafası ve fiber ambalajı, sensör dizi kurulumu ve kalibrasyon prosedürü ve termal ölçümlerelde etmek için ticari bir sorgulama sisteminin kullanımı. Son olarak, in situ multiplexed FBG algılama sistemi termal izleme performansı temsili statik ve dinamik termal koşullarda gösterilmiştir.
Introduction
Rastgele yara bobinleri modern endüstriyel sistemlerde en elektrik cihazlarının önemli bir tasarım elemanı dır ve genellikle düşük voltajlı elektrikli makinelerde kullanılır. Bu uygulamalarda yara bobinlerinin daha iyi kullanımının önündeki en önemli engel, hizmet içi elektro-termal strese karşı duyarlılıklarıdır. Isı fazla yükleri bu konuda özellikle ilgili bu yalıtım bobini yalıtım sistemi arıza ve sonuçta toplam arıza1neden olabilir; bu aşırı bobin akım düzeyleri nedeniyle ortaya çıkabilir, ya da bir bobin elektrik arızası veya bir soğutma sistemi arızası gibi diğer nedenler, lokalize sıcak noktalar yalıtım arıza yol açan bobin yapısında indüklenen nerede. Hizmet içi bobinin iç yapısının yerinde dağıtılmış termal izlenmesini sağlamak, gelişmiş kullanım ve duruma dayalı bakım rutinlerinin geliştirilmesine olanak sağlar; bobinlerin çalışma durumunun ve herhangi bir bozulma sürecinin ileri anlaşılması ve tanımlanmasına olanak sağlayacak ve böylece çalışma durumunu korumak ve daha fazla hasarı önlemek veya yavaşlatmak için durum bazlı düzeltici eylem2,3.
Sunulan yöntem esnek ve elektromanyetik girişim immün (EMI) fiber Bragg rendelenmiş optik termal sensörler kullanımı ile elektrik bobin yapısı gömülü termal koşulların yerinde izlenmesini sağlamayı amaçlamaktadır. Bu yöntem, elektrik bobinlerinde kullanılan mevcut termal izleme tekniklerine göre bir takım işlevsel avantajlar sunar: bunlar neredeyse her zaman EMI immün olmayan termokupl (TC) veya direnç sıcaklık dedektörlerinin (RTD) kullanımına dayanır; iletken malzemelerden yapılır; ve genellikle makul hantal dolayısıyla ideal yara elektrik bobinleri yapısı içinde uygulamaları algılamak için uygun değildir. Sağlam ve esnek fiber optik FBG termal sensörlerin kullanımı bu konuda önemli iyileştirmeler bir dizi sağlar, sadece sensör EMI bağışıklık nedeniyle değil, aynı zamanda küçük boyutu nedeniyle, çoklama yeteneği ve esneklik, onları gömülü ve istenilen yapısalyerlerdekesin doğruluk ile termal algılama elde etmek için keyfi bir yara bobin mimarisine uygun 4 . Bu özellikler özellikle cihaz ısıl sınırlarının elektrikli bobin termal koşulları ile tanımlandığı elektrikli makine (EM) uygulamalarında çekicidir ve özellikle elektrik taşımasının çoğalması ile EM kullanımında beklenen önemli büyüme ışığında ilgilidir.
Bu makale, iç sıcak noktaların on-line izlenmesini sağlamak için termal FBG sensörleri ile tipik bir düşük voltaj rastgele yara bobini yapısı enstrümaning metodolojisi sunar. FBG sensör seçimi, tasarımı, ambalajlanması, enstrümantasyonu, kalibrasyonu ve kullanımı ile ilgili ayrıntılı bir protokol rapor edilebilir. Bu bir IEEE standart rasgele yara bobini motorette sistemi sunulmaktadır. Kağıt ayrıca incelenen test bobininin statik ve tekdüze olmayan termal çalışma koşulları altında yerinde termal ölçümlerde elde edilen raporları.
FBG'ler periyodik uzunlamasına künyeler oluşturmak için optik fiber çekirdeği 'ızgara' işlemi yle oluşur (genellikle FBG algılama uygulamalarında algılama kafaları olarak adlandırılır); FBG'ler içeren lif ultraviyole ışığa maruz kaldığında mevcut her FBG kafası, kırılma indeksi periyodik olarak modüle edilmesine neden olur5. Algılama kafası yansıyan dalga boyları, lifin maruz kaçtığı termal ve mekanik koşullardan etkilenerek rendelenmiş elyafın yeterli tasarım ve uygulama dan sonra termal veya mekanik sensör olarak uygulanmasını sağlayacaktır.
FBG teknolojisi özellikle dağıtılmış algılama uygulamaları için caziptir: her kafanın farklı bir Bragg dalga boyu ile kodlandığı ve farklı bir algılama noktası olarak hareket ettiği birden fazla FBG algılama kafası içerecek şekilde rendelenecek tek bir optik fibere izin verir. FBG tabanlı algılama cihazı bu tür bir FBG dizi sensörü6 olarak bilinir ve işletim konsepti Şekil 1gösterilmiştir. Geniş bant ışığı, içerdiği her FBG kafası ndan farklı yansıyan dalga boyları ile sonuçlanan diziyi heyecanlandırmak için kullanılır; burada, her kafa, ızgara tasarımına uyan ve aynı zamanda kafadaki (yani algılama) hakim termal ve mekanik koşullara bağlı olan tanımlanmış bir dalga boyunu (yani Bragg dalga boyu) yansıtır. Bir sorgulayıcı cihaz ışık ve lokalize termal ve / veya mekanik koşullar hakkında bilgi içeren farklı Bragg dalga boyları için yansıyan spektrumların incelenmesi ile dizi fiber uyarma sağlamak için gereklidir.
FBG termal sensör uygulamasının özellikle önemli bir yönü sadece termal okumalariçinmümkün olduğunca yakın elde etmek için termo-mekanik çapraz hassasiyet etkilerinin azaltılması 7 . Termo-mekanik çapraz hassasiyetin FBG doğal özelliği, yalnızca termal veya mekanik algılama uygulamalarını hedefleyen FBG sensörlerinin dikkatli bir şekilde tasarlanması gerektirir. Termal algılama söz konusu olduğunda azaltma FBG mekanik uyarma hassasiyeti etkili bir yöntem belirli bir uygulama için uygun malzemeden yapılmış bir ambalaj kılcal ile algılama kafası izole etmektir; Bu çalışmada incelenen bobin gömülü termal algılama uygulamasında bu sadece çapraz hassasiyet sorunlarını azaltır değil, aynı zamanda kırılgan algılama lif yapısını alt ve potansiyel olarak yıkıcı mekanik stresten korumaya hizmet vermektedir8.
Şekil 2A bu yazıda gösteri aracı olarak kullanılan rastgele yara lı elektrikli bobin test örneğini göstermektedir. Bobin, rastgele yara bobinlerinin yalıtım sisteminin ısıl değerlendirme prosedürleri için IEEEstandartlarına göre 9 standardına göre tasarlanmıştır; Şekil 2B'de gösterilen test sistemi motorlu sistem olarak bilinir ve alçak gerilim elektrik makinesinde sargı ve yalıtım sistemini temsil eder. Sunulan vaka çalışmasında, motorette dört termal algılama noktalarından oluşan bir FBG dizi termal sensör ile enstrümante olacak, bobin ucu sargı ve yuva bölümlerinde lokalize olma eğilimindedir pratik makine uygulamalarında ilgi tipik termal algılama sıcak noktalar taklit etmek. Kalibrasyon ve performans değerlendirmesi için, FBG gömülü motorette termal bir ticari termal oda ve DC güç kaynağı kullanarak heyecanlı olacak.
Protocol
1. Fiber optik termal sensör tasarımı
- Öncelikle sensör tasarımını ve teknik özelliklerini hedef bobin yapısına ve sorgulama sistemi özelliklerine göre tanımlayın. Bu çalışmada kullanılan test bobini, elektrikli makine bobinlerine özgü oval bir geometriye sahiptir (Şekil 1A'dagösterildiği gibi. Bireysel algılama konumları belirlenmeden önce, optik algılama fiberinin gömülü yara bobini uygulamasına özgü mekanik ve termal ortamda etkin kalmasını sağlamak için tasarım kararları alın.
- Genellikle yaklaşık 300 °C'ye kadar sıcaklıklarda çalışabildiği bilinen standart büküm-duyarsız poliimid kaplı tek modlu fiber kullanın; bu lif böylece konvansiyonel elektrikli makinelerde kullanılan yara bobinleri uygulama için uygundur.
NOT: Seçilen optik fiber, bu çalışmada kullanılan elektrikli makinelerde çalışan tipik bir rastgele yara bobininin termal ortamında sensör işlevselliği sağlar (sırasıyla 155 ve 180°Cnominal sıcaklıkta F ve H sınıfı). Bükmeyen elyaf, küçük bir bükme yarıçapına izin vermek ve daha düşük bükme kaybına sahip olmak üzere tasarladığı için bu uygulama için tercih edilir. Bu, sensörün istenilen bobin yapısına etkin bir şekilde uyum sağlamasını ve konum(lar)ı algılama işlevini en az zararlı etkiyle algılamasını sağlar. - Lif uzunluğunu 1,5 m'ye ayarlayın.
NOT: Fiber uzunluğu, hedef yara bobininin geometrisine ve sorgulama birimine istenilen mesafeye göre ayarlanır. Test bobini çevre uzunluğu (Şekil 1A'dagösterilmiştir) 0,3 metre dir ve bobinden sorgulayıcıya seçilen lif uzunluğu toplam uzunluğu 1,5 m'dir – bu, istenilen algılama konumlarının uygun şekilde oluşturulmasını ve test bobini ile sorgulayıcı arasında uygun bir mesafe olduğundan emin olmak için test bobini içinde döngüye alınmasıiçin yeterli lif uzunluğunun oluşturulmasını sağlar: Şekil 3A genel uzunluk tasarım yaklaşımını göstermektedir.
NOT: FBGSs sorgulama birimine birkaç kilometre bulunabilir. Optik fiber verimli bir tek taşıyıcı olmasıdır. - FBG dizisini, bobin yapısı içinde dağıtılmış algılamayı sağlayacak şekilde dört FBG kafası (5 mm) olacak şekilde tasarlayın, böylece bobin kenarlarında iki algılama noktası konumlandırılır ve iki tane bobin uçlarındadır.
NOT: Termal algılama yerleri, elektrikli makineler için ilgili termal izleme standartlarına göre tanımlanır (örneğin, yuva bölümleri için 2 FBGs ve son sarma bölümleri için 2 FBGS)10. Bu çalışmada kullanılan ticari sorgulayıcı tasarımı, tek bir optik fiberden 16 FBG algılama noktasının aynı anda sorgulanmasını sağlayabilir. - 5 mm'lik FBG algılama kafası uzunluğu kullanın; bu rasgele yara bobinleri taşıyan akım lokalize sıcak nokta izleme sağlamak için yeterli kabul edilir.
NOT: Algılama uygulaması tarafından farklı bir algılama noktası boyutu gerektirmesi durumunda FBG kafa uzunluğunun (3 mm, 5 mm veya 10 mm) alternatif ticari değerleri de kullanılabilir. - Kullanılan ticari sorgulayıcı derecesine uyacak şekilde 1529-60 nm bant genişliğinde farklı dalga boylarında rendelenecek fbg kafalarını belirtin; bu FBG kaymış dalga boyları girişim önlenmesi sağlar.
NOT: FBG kafaları dalga boyu, beklenen dalga boyu kaydırma bant genişliği, ve uygulama sıcaklığı varyasyon algılama sistemi düzgün çalışabilir sağlamak için sorgulama birimi geniş bant ışık bant genişliği içinde olması gerekir. - Sorgulayıcı birimiyle tutarlı bir FC/APC fiber prob konektörü türü kullanın.
NOT: FC/APC genellikle düşük getiri kayıpları nedeniyle FBG algılamaiçin tercih edilen seçimdir. - Sensörün tasarımını ve teknik özelliklerini ticari bir FBG üreticisine sağlayın - Şekil 3B, bu çalışmada kullanılan FBG dizi tasarımının son çizimini gösterir.
2. Sorgulama sistemi ve sensör yapılandırması
- Ticari sorgulama sistemi ile çalışacak şekilde tasarlanmış ve üretilmiş FBG dizi sensörünü kontrol edin ve yapılandırın.
- KORUYUCU kapağı FC/APC konektör ferrulesinden çıkarın.
- Konektörün uç yüzünü optik konektör temizleyicisiyle hafifçe silerek temizleyin.
NOT: Sensör sorgulayıcıya her bağlanında bu adımı gerçekleştirmesi önerilir. Cletop-s ticari serisi optik temizleyici bu çalışmada kullanılmıştır. - Temizlenmiş FBG prob konektörünü sorgulayıcı kanal konektörüne bağlayın.
NOT: Konektörleri eşlerken anahtar yolunun doğru şekilde hizalandığından emin olun. - Sorgulayıcıyı aç.
NOT: Sorgulayıcı pc'ye RJ45 konektörü ve internet kablosu ile bağlanır. - Yapılandırma yazılımını çalıştırın.
NOT: Sorgulayıcı yazılımı, sorgulayıcı donanım biriminin çalışmasını sağlamak üzere tasarlanmış, sorgulayıcı üreticisi tarafından sağlanan özel bir LabVIEW tabanlı yazılım paketidir. - Alet kurulum sekmesinde FBG dizi probundan yansıyan dalga boyu spektrumlarını gözlemleyin (bu çalışmada kullanılan FBG dizi tasarımı için ilgili kanal spektrumunda dört tepe gözlemlenmelidir).
NOT: Yansıyan ışık yoğunluğu FBG özelliklerine bağlıdır (%50'nin üzerinde kabul edilir). - Örnekleme frekansını 10 Hz olarak ayarlayın. Bu, belirli bir 1 s döneminde sağlanan sıcaklık okumalarının sayısını doğrudan belirler.
NOT: Kullanılan sorgulama sistemi örnekleme frekanslarında 2,5 kHz'e kadar çalışabilir; ancak bu çalışmada izlenen akım taşıma bobinlerinin termal dinamiği için 10 Hz yeterli alım oranı olarak kabul edilir. - Ölçüm ayarında FBG1, FBG2, FBG3 ve FBG4 olarak FBG1 kafalarını adlandırın. Bu aşamada grafik olarak sunulacak miktar türü olarak dalga boyu seçin. FBG dizisi yapılandırılmış ve kalibrasyon adımı için hazır.
3. Ambalaj hazırlama
- FBG kafalarının dizi fiberine baskılı olduğu alanları uygun bir şekilde paketleyerek mekanik uyarma dan kafa yalıtımı algılayın ve böylece sadece termal uyarma duyarlı sensörü verim sağlayın. Buna ek olarak, fiber yapısı kırılgan ve doğrudan bobin iletkenler içine gömülü arzu edilmez: bütünlüğünü korumak için yeterli mekanik koruma gerektirir. Bu çalışmada, bobin yapısı içinde gömülü dört FBG kafaları içeren algılama alanı polyetheretherketone (PEEK) ile paketlenmiş ve lif geri kalanı Teflon tarafından korunmaktadır – Bu Şekil 3Cgösterilmiştir .
- Algılama lifi üzerinden yönlendirilebilir ve böylece kılcal tarafından korunan böylece dar bir yuvarlak kılcal tüp şeklinde ambalaj tasarlayın.
NOT: FBG algılama kafaları içeren alanın ambalajlanması söz konusu olduğunda kılcal boyutları ve termal özellikleri özellikle önemlidir. Genellikle nispeten dar bir duvar kalınlığı ve elektriksel iletken olmayan ancak ısı iletkenliği makul bir derece sağlar malzeme kullanımı sağlamak için arzu edilir. Bu çalışmada kullanılan PEEK kılcal damarının dış çapı 0.8 mm, duvar kalınlığı ise 0.1 mm'dir. - Ticari PEEK boru (lif ekleme ve TEflon PEEK kılcal eklem hazırlanması için izin vermek için birkaç ekstra santimetre ile hedef bobin yapısının uzunluğu) yeterli uzunlukta keserek PEEK kapiller hazırlayın.
NOT: FBG dizisinin in situ enstrümantasyonu, önce ambalajın kurulumunu gerektirir ve bu da daha sonra algılama lifi ile yerleştirilir. Pürüzsüz ve temizlenmiş kılcal uç açıklıkları sağlamak için dikkatli olunmalıdır. - PEEK kılcal damarının dış yüzeyindeki algılama konumlarını doğru bir şekilde belirlemek için FBG dizisinin ve PEEK kılcal damarının dikkatli ölçümlerini alın. Bu motorette test bobini içinde hedef yerlerde FBG algılama kafaları konumlandırma sağlar.
- Test bobini geometrisi dışındaki lif bölümünün korunduğundan ve içerdiğinden emin olmak için yeterli uzunlukta ticari Teflon boruyu keserek Teflon kılcal damarını hazırlayın.
NOT: Algılamayan dizi bölümünün dış ambalaj malzemesinin yeterli mekanik koruma sağlamak için yeterli sertliğe sahip olması ve aynı zamanda sorgulayıcıya pratik bir bağlantı sağlayacak esnek olması gerekir; ayrıca bu uygulamada emi bağışıklık olması için bu malzeme için arzu edilir. Teflon bu çalışmada tatmin edici performans sağlamak için ancak alternatif malzemeler uygulanabilir bulunmuştur. - PEEK ve Teflon kılcal arasında ortak yapmak için uygun shrink tüp uzunluğu hazırlayın.
4. Ücretsiz termal kalibrasyon
- Paketlenmiş FBG dizi sensörünü termal hazneye yerleştirerek kalibre edin ve ayrık sıcaklığını dalga boyu noktalarına göre ayıklayın.
NOT: Tercihen algılama alanı, paket test bobininin içine gömülü olduğunda kine benzer gerinim seviyeleri altında kalibrasyon sağlamak için hedef bobin yapısına uyacak şekilde şekillendirilir. - Rendelenmiş optik fiberi sorgulayıcıya bağlayın ve önceden yapılandırılmış sorgulayıcı yazılım rutinini başlatın.
- Termal hazne fırınını termal sabit durum noktaları sırasına göre çalışacak şekilde ayarlayın – bunlar 170 °C'ye kadar bir ortam aralığında ve bu çalışmada her 10 derecenin basamaklarındadır. Haznede taklit edilen her sabit sıcaklık için dizideki her FBG'nin ölçülen yansıyan dalga boylarından bir tablo oluşturun.
NOT: Her muayene edilmiş sabit hal termal noktasında ulaşılabilmek için kalibrasyon testleri sırasında yeterli zaman verebilmelidir. - Her FBG için en uygun sıcaklık-dalga boyu kayması eğrilerini ve katsayılarını belirlemek için 10 °C adımlarında kaydedilen kaydırılmış dalga boyu ve sıcaklık ölçümlerini kullanın. Şekil 4 ve Tablo 1, sırasıyla kaydedilen kalibrasyon veri ölçümlerini ve hesaplanan uygun eğriyi gösterir.
NOT: Dalga boyu kayması ile dizideki FBG kafalarının sıcaklık değişimi arasındaki ilişki, en iyi karakterizasyonu sağladığı tespit edildiğinden, bu çalışmada polinom kuadratik regresyon ile analiz edilir. Bu analizden polinom kuratik regresyon eğrisi katsayıları11hesaplanır. - FBG dizisinden çevrimiçi sıcaklık ölçümlerini etkinleştirmek için hesaplanan katsayıları sorgulayıcı yazılımının ilgili ayarına girin.
5. Test bobini inşa ve FBG enstrümantasyon
- İlk inşa ve enstrüman motorette rasgele yara bobini.
- Sargı cihazına sığacak şekilde sargılı bir bobin tasarlayın.
NOT: Bobin geometrisi bobinin istenilen dönüş geometrisine uyacak ve istenilen yara bobini boyutlarının olmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bobin, yalıtımına zarar vermeden yara bobininin kolayca çıkarılmasını kolaylaştıracak şekilde kolayca sökülecek şekilde tasarlanmıştır. - Seçilen emaye bakır tel makarayı sarmalayıcı cihazına yerleştirin ve bakır teli sarmalayıcı silindirleri ve gerilim kontrolöründen çekin.
NOT: Bu çalışmada F sınıfı emaye bakır tel kullanılmıştır. - Sarmalayıcı cihazını dönüş numarası sayacını sıfıra ayarlayın.
- Sargıyı düşük hızda çalışacak şekilde ayarlayın ve istenilen tel gerilimini kontrol edin.
- Bobinin rüzgar yarısı döner.
- Hazırlanan PEEK kılcal damarını Kapton bandı kullanarak bobinin ortasına sığdırın.
NOT: PEEK kılcal damardaki indekslerin hedef yerlerde konumlandırılmak üzere dikkatli olunmalıdır. - Bobinin geri kalanını rüzgar döner.
- Bobini sarma makinesinden çıkarın ve PEEK kılcal damarı ile gömülü yara bobinini serbest kaldırmak için sökün.
- Bobini motor çerçevesine yerleştirin.
NOT: Motorette bobin yalıtım sistemi (yuva yalıtımı ve yuva takozları) bobin ile uygun şekilde monte edilmelidir. - Bobin terminallerini hazırlayın ve motorlu terminallere bağlayın.
- Motoretini sargılı vernik kullanarak verniklayın ve tedavi etmek için uygun sıcaklıkta (150 °C) bir fırına yerleştirin.
- Sargı cihazına sığacak şekilde sargılı bir bobin tasarlayın.
- FBG dizi enstrümantasyonu:
- Önce FBG dizisini sorgulayıcıya bağlayın; yükleme sırasında FBG yansıyan dalga boyu izlemek için sorgulayıcı yazılımı başlatın.
- Hazırlanan küçülme tüpü nden fiber çekin.
- Teflon ve PEEK kılcal damarlarının uç açıklıkları temas edene kadar lif (algılama alanı) peek kılcal içine dikkatlice yerleştirin.
- Kılcal damarları n kapsayacak şekilde küçültme tüpünü hareket ettirin ve istenilen uyum elde edilene kadar uygun şekilde ısıtın.
6. Yerinde kalibrasyon ve değerlendirme
- Katıştırma işleminden sonra elde edilen termal kalibrasyonu adım 4'te doğrulayın ve gerekirse düzeltin. Test aynı zamanda fbg dizi performansının kontrollü statik termal durumda değerlendirilmesini de sağlar.
- FBG termal diziile gömülü motoretini termal fırına yerleştirin.
NOT: Konvansiyonel termal sensör performans karşılaştırma amacıyla kullanılabilir. Burada motorette bobin yüzeyine monte edilmiş termokupllar kullanılır. - 4.3 ve 4.4 adımlarını tekrarlayın.
- Kademe 4.5 adımda kalibre uyum dayalı FBG kafaları tarafından ölçülen sıcaklık dahil tekrarlayın.
- FBG dizi sıcaklık ölçümlerini referans sıcaklıkla değerlendirin ve karşılaştırın. Ölçüm hatası yüksekse, kalibrasyonu güncelleştirmek için adım 6.4'te kaydedilen ölçüm kullanılabilir.
- Motorgeyi termal fırından çıkar; test için hazırdır.
7. Test
- Statik termal durum testi gerçekleştirin.
- Motoru DC güç kaynağına bağlayın.
- FBG dizisini sorgulayıcıya bağlayın; FBG sıcaklık ölçümlerini izlemek ve kaydetmek.
- Motore DC akımı enjekte etmek için DC güç kaynağını kontrol edin.
NOT: Seçilen DC akım seviyesi, bobin iç termal sıcak noktalarındaki T-yükselişinin izin verilen yalıtım sıcaklığından daha düşük olmasını sağlamalıdır; bu prototip bobin üzerinde tahribatsız test sağlar. - Motorette bobin termal dengeye ulaşıldığında ölçümleri kaydetmeyi durdurun.
- Tek tip olmayan bir termal durum testi gerçekleştirin.
- Seçili bir test bobini bölümünün etrafında 20 dönüş içeren harici bobini rüzgar.
- Harici bobini ayrı bir DC güç kaynağına bağlayın.
- 7.1.3'te uygulanan DC akımı ile motore enerji verir.
- Termal dengeye ulaşıldıktan sonra termal ölçümleri kaydetmeye başlayın.
- Test bobininde lokalize termal uyarma sağlayarak tekdüze olmayan termal koşullar sağlamak için harici bobine DC akımı ile enerji ver.
- Termal dengeye ulaşıldıktan sonra ölçümleri kaydetmeyi durdurun.
Representative Results
Şekil 5 statik termal testte dizi sensörü tarafından ölçülen sıcaklıkları sunar. İlgili bobin konumlarında ilgili fbg kafaları tarafından alınan dört iç sıcaklık okumasının, incelenen test koşullarında genel olarak beklendiği gibi birbirine çok benzeildiği gözlenmiştir; rapor edilen bireysel ölçüm arasında 1,5 °C'nin altında, 75,5 °C'lik ortalama sıcak nokta sıcaklıkları arasında hafif bir fark vardır.
Şekil 6, tekdüze olmayan termal durum testinde elde edilen dizi sensör ölçümlerini rapor eder. Bunlar ilk olarak, beklendiği gibi, dış bobinde (ilk 75'lerde) yakından ölçülü termal seviyeleri gösteren uyarma olmadığı dönemde gösterilir. Dış bobin daha sonra ek lokalize termal uyarma ile sonuçlanır: bu, gözlemlenen ölçümlerde net bir değişiklik ile sonuçlanır, dış bobin yakın algılama noktası ile (yani, FBG4) en yüksek termal seviyesi ölçme (128.6 °C) ve en uzak uzak (117.6 °C); bu rapor ara ve yakından benzer sıcaklık seviyeleri arasında yer alan FBG sıcaklık sensörleri (122.7 ve %121.6 °C). Gözlenen okumalar, incelenen test bobini geometrisinde bireysel algılama kafası dağılımı ile açıkça ilişkilidir. Ayrıca, sonuçlar açıkça bobin gömülü dizi sensörü izleme ve rasgele yara bobinleri iç dağıtılmış termal hotspot dağılımının belirlenmesi için fonksiyonel yeteneğini göstermektedir.
Şekil 1. FBG dizi sensörü işletim konsepti. Bu rakam önceki bir yayından değiştirilmiştir4. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2. IEEE standart motorette bobin montajı. (A) Rastgele yara elektrik bobini; Bkz. IEEE standartları9. (B) Monte edilmiş ve vernikli IEEE standart motorette. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. FBG termal sensör dizi tasarımı. (A) FBG dizi lif uzunluğu, (B) fbg dizi yapısında kafa konumları, (C) FBG dizi ambalaj tasarımı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4. Paketlenmiş dizi sensörü FBG kalibrasyon özelliklerine yönelir. Özellikler, dizi siz termal kalibrasyon testlerinde elde edilen verilerden türetilmiştir. Bu rakam önceki bir yayından değiştirilmiştir4. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. FBG dizi termal ölçümler ilerler sabit durum termal durum testi elde edilir. FBG dizi sensörü tarafından bildirilen tek tek kafa termal ölçümleri, bir inset detay sabit durum ölçüm görünümü ile gösterilir. Bu rakam önceki bir yayından değiştirilmiştir4. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6. Tektip olmayan termal durum testinde termal ölçümler. Bu rakam önceki bir yayından değiştirilmiştir4. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Kesişme | B1 | B2 | Istatistik | ||||
| Değer | Standart Hata | Değer | Standart Hata | Değer | Standart Hata | Adj. R-Meydanı | |
| FBG1 | 1555.771 | 0.0137 | 0.00855 | 2.85E-04 arası | 1.50E-05 arası | 1.34E-06 arası | 0.99978 |
| FBG2 | 1547.669 | 0.0112 | 0.00851 | 2.34E-04 arası | 1.41E-05 arası | 1.10E-06 arası | 0.99985 |
| FBG3 | 1539.852 | 0.0101 | 0.00871 | 2.11E-04 arası | 1.30E-05 arası | 9.90E-07 arası | 0.99988 |
| FBG4 | 1531.768 | 0.0131 | 0.00808 | 2.72E-04 arası | 1.67E-05 arası | 1.28E-06 arası | 0.9998 |
Tablo 1: Hesaplanan polinom qudratik fit eğrisi parametreleri. Hesaplanan parametreler standart hata ve bireysel kafa düzeltme katsayıları dahildir; test edilen dört FBG kafası için iyi doğrusallık ve 0.999'u aşan bir coorection faktör katsayısı gözlendi. Bu tablo önceki biryayındandeğiştirildi 4 .
Discussion
Kağıt, alçak gerilim yara bobinlerinde yerinde FBG termal sensörlerinin tasarlanması, kalibresi ve testini yapmak için gereken prosedürü göstermiştir. Bu sensörler, mevcut taşıma yara bobini yapıları içinde yerinde algılama uygulamaları için bir dizi avantaj sunar: tamamen EMI bağışıklık, esnek ve rasgele istenen algılama noktası yerleri sunmak için rasgele istenen geometri uygun olabilir yüksek doğruluk la ve tek bir sensör üzerinde algılama noktaları çok sayıda sağlayabilir. Termokupl veya direnç sıcaklık dedektörleri kullanan konvansiyonel Termal izleme teknikleri ile yara bobinleri içinde Termal algılama elde edilebilirken, FBG uygulamasının bir dizi çekici fonksiyonel avantaj sağladığı gösterilmiştir.
FBG dizi sensörünün uygun şekilde ambalajlanması, etkin kullanımının anahtarıdır. FbG kafalarının mekanik uyarmadan sert ama esnek termal iletken kılcal damarlarda izolasyonuna neden olmak için tek tek algılama kafaları nın veya lifin tüm algılama alanının uygun şekilde paketlemesi önemlidir. Mevcut taşıma bobinlerinin EMI açısından zengin ortamında optimum performans sağladığından, kılcal damarın elektriksel olmayan iletken malzemelerden tasarlanabilmesi arzu edilir.
Paket segmentlerini ilgili algılama konumlarında doğru bir şekilde konumlandırmak için kapiller tesisatın bobine paketlenmesi sırasında dikkatli olunmalıdır. Ayrıca, son derece dinamik termal koşullara uyulması durumunda kılcal geometrinin optimize edilmesi de gereklidir.
Bobin gömülü sensörün doğru karakterizasyonunu sağlamak çok önemlidir. Bu en iyi yara bobini geometrisi içinde kurulumdan önce ücretsiz paketlenmiş sensör kalibrasyonu gerçekleştirerek yapılır. In situ ambalajı tarafından mekanik uyarmaya karşı yüksek derecede koruma sağlanırken, montaj işlemi gerilme hassasiyeti nedeniyle dalga boyu kaymasına neden olabilir. Dikkatle yapılırsa bu ihmal edilebilir; ancak, mümkün situ kalibrasyon testlerinde tespit edilmesi iyi bir uygulamadır.
Yara bobinleri içinde FBGs Bu uygulama nispeten yeni ve geliştirilmiş tasarım, kullanım, izleme ve elektrikli makinelerin sağlık tanısı için fırsatlar bir dizi açılır. Daha fazla çalışma bu maliyetini azaltmak ve onları elektrikli makine büyük ölçekli uygulama için güvenilir bir seçenek yapmak için gereklidir.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Birleşik Krallık Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC) HOME-Offshore: Tümselsel Operasyon ve Enerji Bakım Offshore Rüzgar Çiftlikleri Konsorsiyumu hibe EP/ P009743/1 altında desteklenmiştir.
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).
