基于原位布拉格光柵傳感技術的電機熱監控

姚靖維

（華中科技大學，武漢 430074）

0 引言

近年來，布拉格光柵（fibre Bragg grating，FBG）光纖傳感技術已逐漸成熟，其具有強大的魯棒性、靈活性和耐用性，尺寸極小且抗電磁干擾，在感應電機熱監控應用領域中潛力巨大[1]。隨著成本的降低，FBG傳感器的價格逐漸逼近了TC傳感器與RTD傳感器。雖然FBG傳感器配套的光信號讀寫器價格較高，但由于其對電力設備的熱監控可以提升多項性能，且可以大幅度縮小溫控系統的尺寸與運行成本，具有繼續開發應用的價值[2-3]。在航空航天領域與風電領域，FBG傳感器已經得到了廣泛應用，并且提升了相關監控系統的效率[4-5]。本文介紹的FBG傳感器電機原位測量方案可以解決傳統溫度測量方案的不足，且具備電機原位溫度測量的能力，讓熱監控系統可以測量電機內部最熱部位的溫度，FBG傳感器通過接受讀取來自溫度探頭的反射光信號來測量感應電機溫度，該光纖中的反射光波波長隨溫度變化，由此實現對溫度的測量工作。

光學相關的測量方法使FBG傳感器不受電磁干擾的影響，并且可以通過深入電機繞組的溫度測量來提高測溫結果可信度[6]；另一方面，嵌入定子線圈繞組內部的光纖可提供實時感應電機溫度測量，與傳統固定測溫方式相比，使用光纖傳感器直接在插槽部分熱點位置放置傳感器進行熱監控可大大提高電機故障的檢測效率。熱點指的是繞組內溫度最高的點，很難通過常規溫度測量方法直接測量[7]。FBG傳感器的使用解決了測量感應電機熱點溫度的難題，因此FBG測量是監控和保護運行中感應電機的極佳選擇。

1 系統構成

FBG光纖傳感電機熱監控系統主要包括感應電機和FBG光纖傳感器。

1.1 感應電機

使用的感應電機數據見表1。該電機是一個全封閉扇冷式（TEFC）感應電動機。基于該電機參數，介紹感應電機的標準、工作原理和控制方法。

表1 試驗TEFC電機參數

試驗所用感應電動機的制造遵循IEC 60034-1標準規定的額定參數和性能標準。該電機的絕緣等級為F，溫升等級為B，由此，該感應電機的最高工作溫度為125 ℃[8]。感應電機的軸承連接到一個永磁直流負載電機的軸承，在感應和負載電機上安放傳感器、電流表和電壓表等測量儀器進行輸入功率和輸出功率的測量。

使用Parker 890交流變頻器驅動試驗電機，通過DSE Lite配置工具軟件編程實現所需控制邏輯。該試驗中電機速度控制方法使用恒壓頻比（V/F）控制，驅動器輸入試驗電機的電壓和頻率成正比例相關，因此Parker 890驅動器可以通過更改其頻率設置的方式來控制電動機速度。感應電機的溫升變化主要源于電機轉速的增加和銅耗的增加，在V/F控制下，電機熱特性與其轉速密切相關。

感應電動機的速度控制采用頻率控制，電機速度方程式為：

當感應電機轉差率s變化不明顯時，可將轉子轉速n與頻率f設置成正比關系。由此，可以通過更改電機電源頻率來改變感應電動機的速度。當感應電機主磁通量大于其正常值時，磁過飽和會導致勵磁電流增加，并降低功率因數；當主磁通量小于其正常值時，轉矩減小。因此，在使用頻率控制時，電機的主磁通需保持不變。保持輸入電壓和頻率之比恒定，V/F控制方法保證了電機電流的恒定，可實現恒定轉矩的速度控制。

由于沒有詳細的相角控制或功率因數控制要求，V/F控制足以滿足試驗需求。由于V/F的恒轉矩控制特性，在速度控制期間保持恒定負載，足以達到速度變化試驗中控制變量的需求。設定的變量為感應電機電壓、電流、速度和頻率，其他參數被視為恒定值。

1.2 布拉格光柵光纖傳感器

FBG傳感器是一種特殊的光纖，通過在光纖內部一小段中使用強紫外光照射構造了具有固定折射率的分布式布拉格光柵，使其能夠滿足布拉格條件，從而反射特定波長的光并透射所有其他波長。反射光的波長可以根據制造者對于光纖環境溫度和/或傳感器的受力情況的測量需求進行線性設計，這使得FBG光纖傳感器和光信號讀寫器（釋放光信號并接受測量反射光）結合在一起成為測量溫度或者壓力問題的合適解決方案。FBG傳感器原理如圖1所示。

圖1 FB G光纖傳感器原理圖[9]

如圖1所示：當含有一定范圍帶寬的入射光通過光纖時，中心布拉格波長為λB的1束窄帶光無法通過光纖布拉格光柵段并被反射。

FBG傳感器反射光的中心波長被稱作布拉格波長，可通過式（2）進行[10]：

式中：Λ為光柵周期（連續光柵之間的間距）；neff為有效光纖纖芯折射率。neff通過計算光纖內部傳播的光速與真空中光速的比值量化光纖內部傳播的光速，該值取決于波長和光傳播模型。

當光纖環境溫度和受力情況變化時，Λ和neff的值都會受到影響。因此，當應力和或溫度變化時，反射布拉格波長的變量計算[11]如下：

式中：ε為FBG光纖所受應力；T為光纖溫度。

光柵周期以光波長為單位進行測量，該距離的任何變化都將導致布拉格波長的變化。等式的第一部分和第二部分分別表示光纖應力變化和溫度變化對布拉格波長偏移的影響。

僅考慮FBG光纖熱效應的情況下，由于光熱效應和熱膨脹效應，當溫度升高時，布拉格波長增加。不同材料的熱膨脹和收縮特性不同，本文選用了具有較高熱敏性和較小楊氏模量的光纖材料，適合對感應電機繞組進行熱監測。考慮到光纖本身的熱特性[12]，反射光的波長變化為

式中：α為纖維熱膨脹效應系數；ξ為纖維光熱效應系數。

對于本文使用的FBG傳感器，α≈0.55×10-6，ξ≈6.67×10-6，FBG光纖傳感頭暴露在環境溫度下的標準布拉格波長為1 550 nm。該光纖的熱敏度為11.2 pm/℃，其反射波長與溫度呈正相關。

光纖封裝是通過使用聚醚醚酮（PEEK）毛細管實現的。PEEK是一種半結晶熱塑性塑料，具有出色的機械耐性和化學耐性，可以在高溫下穩定維持其物理特性。通過使用PEEK來包裹FBG傳感頭，實現對光纖的保護，并將傳感器安全傳遞到線圈繞組的中心位置。PEEK將在143℃左右轉變為玻璃，并在343℃左右熔化。該材料的工作溫度最高可以達250℃[13]，遠高出電機F級絕緣溫度標準，因此可以被用于感應電機的監視試驗。圖2顯示了FBG傳感探頭的整體保護設計。FBG傳感探頭被包裹在PEEK毛細管內，PEEK毛細管在對試驗電機進行繞線時，放置在感應電機線圈繞組中心位置。在感應電機外部，1節可收縮細管和1節特氟龍細管被一一連接，以保護光纖整體的完整性，并通過光纖連接器將光信號發送到FBG讀寫器。

圖2 FBG 光纖傳感器探針設計

為了與插槽長度相匹配，整個探頭的總長度為1.5 m，1個5 mm FBG光柵部分“刻”在了聚酰亞胺涂層的光纖中。該FBG光柵探頭的反射帶寬約為0.374 nm，反射率約為88%[14]。將包含探測功能的部分用PEEK材料包裝，使其尺寸接近感應電機繞組銅導體0.56 mm直徑的尺寸，并選擇外徑為0.8 mm的PEEK毛細管用于試驗。因此，PEEK毛細管在電機上的安裝更容易，并且使得傳感器封裝在定子繞組結構內的熱傳感效率更高，最小化測量誤差[15-16]。PEEK材料的導熱系數不高，為保證測量精度、改善PEEK毛細管導熱特性并降低其熱阻，須選擇相對較薄的PEEK毛細管包裝FBG光纖。PEEK毛細管包層的厚度選擇為0.1 mm，保證FBG傳感器對溫度變化的快速熱響應[16]。

2 試驗測試臺設計

2.1 FBG傳感器位置的確定

構建用于感應電機的FBG熱監控系統，系統應測量和監控感應電機三相繞組的熱狀態。在電機的定子繞組內部安裝3個FBG光纖傳感器，分別對應3個不同相位的熱監測。圖3展示了FBG位置的選擇方式。在每個FBG傳感器放置位置之間間隔7個插槽，將感應電機進行幾何上的3等分，使感應電機的熱分布得到平衡，電機內的熱監測也可減小誤差。

圖3 安置傳感器的電機三相插槽示意圖

FBG傳感器位置的確定需要考慮電機內的2個方向坐標[14]，即需要確定傳感器的軸向和徑向位置。對于FBG傳感器的徑向位置，基于熱力學分布理論，此類均質物體的熱點位于其橫截面幾何中心點，因此，FBG光纖應放在縫隙截面的中心，如圖4所示。應選擇合適尺寸的PEEK毛細管，使其容易放置在纏繞的導體中間，從而被安置在插槽中央。對于軸向感應位置，感應電機在理論上沒有特定的熱點位置。本溫度測量方案的計劃是使FBG傳感器能夠在任何位置測量感應電機熱狀況。為此，試驗選擇內徑為0.6 mm的PEEK毛細管[14]，從而使直徑以微米計的FBG光纖可以很靈活方便在PEEK包裝內移動。由于PEEK毛細管的長度設計與被檢查機器的軸向長度相近，FBG傳感探頭可在PEEK管內移動到感應電機在槽截面空間中的任何軸向位置，從而能夠測量任何位置的溫度。為了獲取代表性數據，在本次熱監控試驗中，將三相定子繞組處的FBG傳感探頭置于電機鐵芯軸向長度的中心位置。

圖4 傳感器在單個插槽中的安裝位置

2.2 試驗測試臺設計

圖5[17]展示了用于校準測試的試驗臺設計，圖6展示了FBG熱監控測試的試驗臺設計[17-18]。

對于校準測試，選擇使用熱室為傳感器提供穩定且可控的熱環境，以確保校準測試中傳感器在設計溫度下記錄正確的波長。熱室中設定的參考溫度通過使用室內溫度計測量進行雙重檢查；此外，在校準過程中，將在熱室內FBG傳感器頭附近放置K型熱電偶（TC）傳感器，進一步確保熱室溫度調節與校準數據的精度。設定的熱室溫度將被錄入電腦，并匹配對應的FBG傳感器反射光波長。本文使用了3個FBG傳感器，通過對其進行同步測試，將校準誤差最小化。

圖5 校準測試試驗臺示意圖

圖6 FBG熱監控試驗測試臺示意圖

校準測試設計在20～160℃溫度范圍內完成，以符合試驗感應電機F級絕緣溫度的標準。熱室溫度將以20℃的間隔逐級提升，并且在每一級溫度校準中保持足夠的測試時間，以確保熱室內部達到熱平衡。由此，可記錄FBG傳感器在每個熱平衡狀態下的布拉格波長和設置的腔室溫度，并繪制所得校準數據計算出的3個傳感器的溫度-波長擬合曲線。

本文設計了2個熱監控測試：

1）其中1項測試將在保持標稱額定負載運行的情況下改變驅動器頻率來驅動電機，測試結果可以得出與頻率相關的TEFC感應電機工作性能，且通過此測試找出電機的性能極限。NIDAQ數據采集設備還將采集負載電機的信息，以便實時監控負載情況。

2）第2項測試是研究與負載變化有關的感應電機性能。將負載狀態調整到其滿載狀態的不同百分比，并使用熱監控系統對電機熱狀態進行測量，為保證負載調整精確，通過DAQ測量結果對調整結果進行驗證。負載電機由TEFC感應電機轉軸傳遞的機械動力驅動，這種動力傳遞結構在整個試驗過程中保持不變。

對于試驗TEFC的電機，需要嵌入FBG傳感器。讀寫器負責發射穿過FBG光纖的激光，并使用其檢測電路處理FBG光柵反射光信息。讀寫器計算反射光的布拉格波長，將其處理為數字信號，而后通過以太網端口以2.5 kHz的采集速度傳送至筆記本電腦。

通過使用光纖設備商開發的配套的數據采集軟件SmartSoft軟件收集布拉格波長數據。布拉格波長數據有3種顯示模式，光譜模式、傳感器模式和圖表模式。為收集布拉格波長數據，本文使用傳感器模式，該模式將在表格中匯總不同時刻的布拉格波長，方便結合DAQ設備收集的數據對試驗流程進行驗證。

3 試驗結果與分析

3.1 傳感器校準試驗

將熱室溫度分別設置為25.5℃、40.0 ℃、60.0℃、80.0℃和100.0℃，收集不同溫度下FBG光纖的布拉格波長以建立波長-溫度關系，如圖7所示。基于試驗數據記錄，計算出相應擬合曲線來確定試驗裝置中3個FBG傳感器的具體測溫特性。

圖7 校準試驗結果

本文選擇使用二階多項式擬合曲線來表示校準試驗中FBG傳感器的熱特性。結果表明：嵌入到被測電機的A相線圈繞組中，FBG傳感探頭的布拉格波長最長；B相繞組中FBG傳感探頭的布拉格波長僅次于A相線圈繞組；而C相線圈繞組的FBG探頭在相同溫度條件下，布拉格波長最小。

通過校準試驗可知：3個FBG傳感器均可正常工作，并且非常適合在試驗電機運行溫度范圍內進行溫度測量。每個FBG傳感探頭與其布拉格波長有關的周圍溫度可以通過式（5）～式（7）計算：

當通過讀寫器測量出初始布拉格波長時，即能通過這些方程式計算出FBG傳感探頭的環境溫度。TA0、TB0和TC0為傳感器的初始溫度；式（5）～式（7）中所有初始溫度均為0℃，ΔWA、ΔWB和ΔWC是FBG光纖布拉格波長的變化量，為實時布拉格波長和初始布拉格波長之差。該系數對FBG溫度計算的影響小于0.01℃，可忽略不計。

3.2 電機熱監控試驗

3.2.1不同負載情況下的熱監控試驗

熱監控試驗是針對工作頻率變化和負載變化對感應電機性能進行的研究。第一個試驗是研究PMDC負載電動機以25%的增量將其負載水平從空載增加至滿載時，額定50 Hz頻率工況下的感應電動機FBG傳感器熱監測的結果。

圖8和圖9顯示了在FBG光纖傳感器測量的空載和滿載情況下，以S1占空比工作模式運行的感應電動機溫度的變化。整個試驗全程都是在每種負載水平或頻率條件下對感應電機進行測量。通過連接到PMDC負載電機的DAQ設備，驗證負載是否已按照測試設計要求進行調整。

圖8 定子繞組滿載運行溫度情況

圖9 定子繞組空載運行溫度情況

如圖8～圖11所示：實驗感應電動機溫度從其環境溫度開始升高，直至熱平衡時的溫度情況。空載熱監控試驗時的環境溫度為23℃，滿載測試期間的環境溫度為26℃。在S1占空比模式下驅動負載并達到熱平衡的電機溫度在空載時為67.27℃，在滿載條件下為100.73℃。試驗所選的穩態溫度是感應電機達到熱平衡后1 000 s內測得的三相插槽繞組溫度的平均值。以0.25 s為時間間隔設置讀寫器來測量電機從初始環境溫度升至穩態溫度時的溫度變化。在空載條件下，感應電機從初始值到穩態的溫升為44.27℃，當負載從空載增加到滿載時，其溫升提高至74.73℃。

圖10 定子繞組滿載運行熱平衡溫度（穩定）

圖11 定子繞組空載運行熱平衡溫度（穩定）

測量結果表明：三相繞組存在細微溫差，這是由三相繞組中的FBG傳感器放置位置和PEEK毛細管安裝位置等方面的不同或埋線式安裝產生的應力變化導致的。電機溫度上升趨勢符合電機發熱的熱力學理論模型，電機溫升在初始階段十分迅速，當溫度逐漸接近穩態時，溫升速度越來越慢，直至感應電機達到熱平衡。

在25%、50%和75%負載水平下測得的感應電機繞組穩態溫度的計算平均值為69.62℃、74.18℃和83.52℃，這3次試驗的環境溫度分別為24.5℃、26.26℃和20.84℃。計算出不同負載水平下感應電動機的溫升程度（圖10）。圖10表明從無負載到滿負載的不同負載水平下以額定頻率運行時感應電機的溫升特性。

由圖12可知：在負載增加的前半部分，溫升程度并未增加太多；從半負載開始持續提高負載水平，感應電機溫升水平從半負載狀態下的約48℃升高到全負載狀態下的75℃。這種非線性的負載增加導致的感應電機溫升提高現象，符合試驗所用感應電機能效等級（IE1）標準。當感應電動機驅動的負載增加時，定子繞組損耗增加，總損耗隨之增加[19]。

圖12 感應電機在不同負載水平下的工作溫升特性

3.2.2不同頻率情況下的熱監控試驗

與不同負載熱監控測試的試驗步驟相同，其第2部分著重于探索不同頻率下感應電機的運行性能。其中，分別在20 Hz、30 Hz、40 Hz和50 Hz（額定頻率）的工作頻率下，對感應電機進行熱狀態測量。與頻率相關的感應電機穩態溫度測量結果如圖11所示。圖13中曲線為試驗所得三相FBG光纖傳感器測量數據的二階多項式擬合曲線，展現了由工作頻率變化引起的感應電機三相溫度變化。

圖13 感應電機在額定負載情況下不同頻率溫度情況

表示感應電機溫度-頻率關系的三相曲線關系式為

通過連接在Parker驅動器和檢查感應電動機的DAQ設備得到了電機實時頻率時，可計算出感應電機驅動額定負載時三相定子繞組的穩態溫度。

圖11中標出了所測感應電機的B級最高工作溫度和F級最高允許溫度（絕緣溫度）。擬合曲線的趨勢表明：電動機工作頻率越低，電機穩態溫度越高。試驗結果表明：當溫度接近熱極限時，B相定子繞組的溫度逐漸在三相繞組中達到最高。因此，應基于感應電機B相繞組的熱特性來計算其運行極限。對于最高工作溫度極值，所檢查的感應電動機最低工作頻率fclassB為19 Hz；在極端情況下，根據最大允許溫度極值，可知感應電動機最低工作頻率fclassF為6 Hz。機器部件損耗是無法定量預測的，因此，計算出的擬合曲線僅在電動機頻率低于額定50 Hz頻率時保證電機熱特性分析的可靠性，并未考慮在頻率超過50 Hz的高速情況下電機機械誤差和損耗帶來的影響。

3.3 試驗分析

由試驗的TEFC感應電動機可知：當輸出頻率要求大于19 Hz時，方可將電動機應用于相應工作；即使在某些緊急情況下，感應電動機在一段時間內需要保持低于19 Hz的輸出頻率；機器頻率也不能低于6 Hz，否則試驗的感應電動機將會因過熱而直接損壞。

在FBG光纖傳感器方面，負載測試和頻率測試中熱監控系統性能已通過對電機各項制造標準的對比得以驗證。將溫度測量時間間隔設為0.25 s，確保了監測感應電機溫度變化時擁有足夠的靈敏度。與傳統電機內部測溫方法中精度最高的熱電偶測溫方案相比，熱電偶僅能保證1 ℃的測量精度[20]，而FBG溫度測量可以以0.05 ℃的精度測量實時溫度[21]，精度遠高于熱電偶；另一方面，發生故障時，無法修復或替換嵌入在電機中的傳感器是傳統電機熱測量方法的弊病[22]。采用PEEK毛細管封裝的FBG光纖設計解決了該問題。通過從毛細管中移動光纖，輕松實現對傳感器的維護、校準、調整和更換；最后，FBG傳感器不受電磁干擾的影響，且傳感器的尺寸使其成為唯一可以測量感應電機插槽繞組中心溫度的傳感器，此方式比其他所有方案都更接近電機的真實熱點。

因此，基于FBG光纖傳感器的電機熱監控系統顯著提高了電機檢測方面的性能，解決了傳統解決方案的現有缺點，減小了監測系統的尺寸并降低其制造成本，有望成為性能最高的最佳商業化電機溫度監測解決方案[23-25]。

4 結論

本文介紹了一種功能強大的光纖布拉格光柵（FBG）溫度測量方案在感應電機定子繞組原位熱監控中的應用。所提出的熱監控系統是在全封閉風扇冷卻（TEFC）鼠籠式感應電動機上進行實現與試驗，并從被檢查電機的測試結果中評估了熱監控方案的可行性。該解決方案使用了抗電磁干擾的、絕緣的、尺寸細小、適合嵌入到不同感應電機的定子繞組線圈內部的光纖傳感器。通過使用固定在繞組線圈內部的PEEK毛細管實現光纖的保護與位置變更的設計，使光纖易于更換，重新校準或重新放置，簡化了傳感安裝的工藝流程，遠強于感應電機的常規溫度傳感器。而且，由于所有基于光纖感測信號的感應電機操作控制都可以在電機外部實現，與電機內部電路無關，因此該方案可以進一步結合自動控制開發其熱監控功能。

FBG在電機方面的熱監控有極大的開發潛力，可以以故障保護與操作輔助為方向進行進一步研究。當系統檢測到電機熱點溫度異常升高時，應識別出該熱點位置附近存在故障，并停止電機工作并應檢查組件。對于常規方法，熱保護是通過電機內部安裝的熱敏開關，通過繼電器或斷路器實現，它們無法檢測到故障的位置。如果將FBG監控用于故障檢測和機器保護，則可以將此類故障的具體信息反饋給機器操作員，幫助提高檢修效率。此外，利用實時的FBG機器熱監控系統，電機控制可以基于實時電機狀態監控的反饋數據，從而可以不依照操作準則，反而根據其實際安全熱限額進行操作，在某些需要電機進行最大輸出的情況，例如電車加速時，這種功能會非常有用。