antriebstechnik 1-2/2018

Örtlich verteilte

Örtlich verteilte Temperaturmessung in elektrischen Maschinen mit Lichtwellenleiter 01 Versuchsaufbau mit Stator-Geometrie und Sensoren Es wird die Eignung von Lichtwellenleitern zur Temperaturmessung in elektrischen Maschinen untersucht, mit dem Ziel eine bessere thermische Vermessung zu ermöglichen. Die Messergebnisse sind durch den zusätzlichen Einsatz von zahlreichen diskreten Temperatursensoren verifiziert. Für den Bemessungspunkt einer elektrischen Maschine ist eine messtechnische Bestimmung der Wicklungstemperatur notwendig. Die geltende Norm DIN EN 60034-1 empfiehlt die Messung über den Wicklungswiderstand oder alternativ durch ausreichend viele diskrete Sensoren [1]. Insbesondere bei umrichtergespeisten Prof. Dr. Dirk Stehlik ist Dozent für elektrische Maschinen und M. Eng. Richard Heinzen ist Mitarbeiter im Labor Faseroptik; beide an der Rheinischen Fachhochschule Köln gGmbH Maschinen ist die erste Methode schwer anwendbar. Die Messung der Temperatur mittels faseroptischen Sensoren kann eine alternative Messmethode darstellen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden an der RFH Köln Untersuchungen und Versuche zur Anwendbarkeit durchgeführt. Die Glasfaser wird als ein eindimensionales Sensorelement eingesetzt, welches im Vergleich zu konventionellen punktförmigen Temperatursensoren, auf seiner gesamten Länge die Temperatur messen kann. Die Länge der Glasfaser ist messtechnisch in diskrete Messabschnitte unterteilt, für welche jeweils eine über den Abschnitt gemittelte Temperatur bestimmt werden kann. Die faseroptische Messung der Temperatur hat den Vorteil, direkt eine örtlich verteilte und über die Länge der Glasfaser in Segmenten gemittelte Temperatur zu erfassen. Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber EM- Störungen, wie sie z. B. durch Umrichter erzeugt werden, und die potenzialfreie Messung. Die Glasfaser wird neben der Wicklung in die Nuten eingelegt. Es werden verschiedene Verlegetechniken für die Glasfaser erprobt, mit dem Ziel, die Ortsauflösung der Temperaturmessung zu verbessern. Hierzu wird die Glasfaser auf speziellen Trägerstreifen aus Isolationspapier verbaut. 48 antriebstechnik 1-2/2018

Temperatur in [°C] Temperatur in [°C] SENSORIK UND MESSTECHNIK 02 Messergebnisse: Querebenen 03 Messergebnisse: Mäander 160 Temperaturverteilung in der Querebene der Nut Oben Mitte Unten 80 Temperaturverteilung Längsebene der Nut Meander Stahl Oben Stahl Unten 140 70 120 60 100 50 80 40 60 30 40 20 20 10 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Position Quer zur Nut [cm] 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Position in der Nut [cm] Messaufbau Das faseroptische Temperaturmesssystem (DTS) arbeitet nach dem Puls-Echo-Verfahren. Die Position des Messpunktes wird durch die Laufzeit des Lichtimpulses bestimmt. Die Temperaturinformation kann aus dem rückgestreuten optischen Spektrum berechnet werden. Das Verhältnis zwischen Stokes und Anti-Stokes Signal ist von der Temperatur abhängig und wird durch die Signalverarbeitung im Messgerät ausgewertet [2]. Es kommen zusätzliche diskrete Temperatursensoren zum Einsatz, damit die gewonnenen Messdaten der optischen Sensoren verifiziert werden können. Zur Vereinfachung der Messung und zur Reduzierung des Aufwandes beim Bau des Prüfstandes, wird die Messanordnung als lineare Stator Geometrie ausgeführt. Diese Anordnung bietet ausreichend Platz, um die diskreten und faseroptischen Sensoren auch innerhalb der Wicklungen einbauen zu können. Ergebnisse Für den Messaufbau werden die nachfolgenden Ergebnisse ermittelt: Der Aufbau wird mit einer konstanten Leistung von 1 500 W in Form von Kupferverlusten aufgeheizt. Die Unterseite der Anordnung wird mit einem konstanten Luftstrom von zwölf 120 mm Lüftern gekühlt. Durch diesen Luftstrom wird der Gradient im Inneren des Aufbaus verstärkt und es entsteht eine Asymmetrie im Temperaturprofil entlang der Nut. Die Anlage wird bis zur thermischen Beharrung aufgewärmt. Es wird die Temperaturverteilung längs und quer in der mittleren Nut gemessen. Die Querrichtung ist die kurze Seite und die Längsrichtung entspricht der Paketlänge des Linearstators. Es haben sich nun folgende Temperaturverhältnisse eingestellt: Auf der Querebene der Nut liegt die Zone der höchsten Temperatur im oberen Drittel der Spule. In Längsrichtung der Anordnung hat sich die Zone der höchsten Temperatur von der Mitte der Spule in Richtung des Luftstroms zum Ende hin verschoben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der vordere Teil stärker durch den anfangs noch kalten Luftstrom abgekühlt wird. Es gibt einen Temperaturgradienten von der Mitte aus zum Rand der Anordnung mit Symmetrie in Querrichtung. Der Anfang der Anordnung ist kühler als das Ende, welches in Richtung des Luftstromes liegt. Der Temperaturverlauf in Längsrichtung der Nut (im eingeschwungenen Zustand) lässt sich mit den faseroptischen und diskreten Sensoren nachweisen. Die Ortsauflösung des faseroptischen Systems kann von 1 m auf 10 cm reduziert werden. Dazu wird die Glasfaser auf eine bestimmte Weise in der Nut verlegt. Die diskreten Sensoren untermauern die gewonnenen optischen Messergebnisse. Die Querrichtung der Nut wird durch sechs Glasfaserbündel und neun diskrete Sensoren, welche gemeinsam in einer Ebene angeordnet sind, abgedeckt. Eine Lokalisierung von Hotspots ist somit auch quer zur Nut möglich. Das System ermöglicht es somit – sowohl quer, als auch längs zur Nut – den Temperaturgradienten zu erfassen. Die Ortsauflösung der Messung ist so fein, dass auch die Kühlwirkung der Montageträger im Temperaturverlauf, in Form von lokalen Minima, sichtbar wird. Fazit Die Vorarbeiten der RFH Köln im Bereich der örtlich verteilten Temperaturmessung innerhalb elektrischer Maschinen wurden getätigt, damit künftige F&E-Aktivitäten in Kooperation mit Anwendern besser positioniert werden können. Es ist möglich eine mittlere Temperatur im Inneren der elektrischen Maschine unter Verwendung von Glasfasertechnik zu messen. Die Messmethode kann auf die Größe einer elektrischen Maschine angepasst werden. Erreicht wird dies durch eine geschickte Verlegetechnik, welche die Ortsauflösung des optischen Temperaturmessgerätes besser ausnutzt. www.rfh-koeln.de Literaturverzeichnis: [1] DIN EN 60034, Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten, 2011 [2] R. Engelbrecht, Nichtlineare Faseroptik, Springer Vieweg 2014 antriebstechnik 1-2/2018 49