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MODELAMENTO DE UM SENSOR FBG PARA
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA EM ROTORES DE
HIDROGERADORES
Reinaldo Corrêa Leite¹; Victor Dmitriev²
C. Hudon³; S.Gingras³; J. Picard³
L. Mydlarsky4
Eletrobras Eletronorte¹ - Universidade Federal do Pará²
Institut de Recherche d’Hydro Québec³ - McGill University4
HYDROVISION INT'L 2012
A.
B.
C.
D.
E.
F.
Introdução
Teoria de Fiber Bragg Grating
A maquete estática
Modelagem multi-física do Sensor FBG
Resultados
Conclusões
22/05/2016
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Por que monitorar a temperatura do
rotor?
• Estresse Mecânico
– Força centrífuga de grande intensidade e radial sobre os
condutores das bobinas que tendem a comprimir e distorcer
a isolação.
– Quando o enrolamento do rotor é excitado, a corrente
através dos condutores causa uma elevação da temperatura
nestes fazendo com que dilatem axialmente causando um
movimento diferencial entre o condutor e a isolação que
pode ocasionar abrasão da isolação.
• Estresse Térmico
– As perdas por efeito Joule aquecem os condutores que por
sua vez aquecem a isolação entre espiras e para a terra.
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Por que monitorar a temperatura do
rotor?
• Faltas entre espiras podem reduzir a intensidade do
campo magnético do polo afetado. Isto cria um
campo magnético assimétrico ao redor da periferia
do rotor, que tende a aumentar a vibração do rotor.
• O aquecimento não uniforme da superfície do rotor
devido à diferença de temperatura entre as
ranhuras com espiras em curto e as que contem
espiras sãs, pode também causar vibração do rotor
devido a dilatação térmica desigual da periferia de
rotor
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Por que monitorar a temperatura do
rotor?
• Os uma rede de
sensores FBG pode
ser instalada ao
longo dos polos do
rotor para detectar
pontos
quentes
locais.
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B. Teoria de Redes de Bragg
Redes de Bragg são estruturas periódicas que apresentam modulação no
índice de refração formada pela exposição do núcleo da fibra a um padrão de
interferência ópticade alta intensidade.
fiber
Cada lB corresponde a uma Rede de Bragg diferente ao longo da fibra.
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B. Teoria de Redes de Bragg
B  2  neff  
onde
B  Comprimento de Onda de Bragg
neff  Índice de refração efetivo
  Passo da rede
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B. Teoria de Redes de Bragg
• Sensibilidade à Temperatura
B
Expansão térmica
devida ao material da
fibra
B
B
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Efeito termo-óptico
n   1 d 1 dn 

 
 
  T
n
  dT n dT 
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B. Teoria de Redes de Bragg
> Sensibilidade à deformação
O sensor a rede de Bragg é submetido a uma deformação axial
Efeito Elasto-óptico
Expansão elástica
devida ao material da
fibra
B  neff


B
 neff
 x   y   xy   yz   xz  0
z  0
> Um dos desafios é o desacoplamento da temperatura da deformação.
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B  B  BT
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C. Maquete Estática
Objetivo do Teste
> Confirmar que os sensores medem temperatura e
não deformação;
Lagging Side
of Rotor Pole
Sempre mais
quente
Maquete
Estática
Simula
2 espiras
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C. Maquete Estática
Elementos
Témicos
20 termistores encapsulados
Isolação
Térmica
1
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3
4
2
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FBG
C. Maquete Estática
Seção transversal da Maquete
Estática
Silicone
+Adesivo
Témico
Polo Instrumentado
Isolação
Térmica
Sensor
FBG
Maquete Estática com FBG
Barra
De Cobre
Fluxo de
Calor
Elemento de
Aquecimento
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C. Maquete Estática
Medições na Maquete Estática
~4,5°C
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D. Modelamento multifísico do sensor FBG
Interação entre modelos físicos
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D. Modelamento multifísico do sensor FBG
Modelo Térmico
Geometria do Modelo
 n  q  q0
Modelo Mecânico
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D. Modelamento multifísico do sensor FBG
Modelo Óptico
lB = 2.neff.L
DlB = 2.n.L{[1-(n²/2)[P12-n(P11-P12)]ε+[α+(dn/dt)/n]DT
DlB = DlBs + DlBT
DlBS = 2.n.L{[1-(n²/2)[P12-n(P11-P12)]ε
DlBT=[α+(dn/dt)/n]DT
lB1 = lB +DlB
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E. Resultados
Temperatura medida ao longo do diâmetro do
conjunto de instalação na maquete estática.
-
Deformação calculada
ao longo do eixo do
sensor
ε
T (°C)
40
60
80
100
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1,65E-05
3,31E-05
4,99E-05
6,50E-05
E. Resultados
Comparação entre temperatura
com e sem deformação
Temperatura medida
pelo FBG
Temperatura modelo
óptico com ε
Temperatura modelo
óptico sem ε
Temperatura modelo
termomecânico
(°C)
(°C)
(°C)
(°C)
40,6
40,56
38,5
39,8
61,0
61,78
57,9
59,6
81,5
82,13
76,5
79,3
102,3
103,15
96,7
98,9
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E. Resultados
Maquete Estática
no forno.
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Comparação feita entre a leitura do
sensor FBG e a média dos termistores Forno
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F. Conclusão
1. Desenvolveu-se um modelo multifísico englobando variáveis térmicas,
mecânicas e ópticas capaz de reproduzir temperaturas medidas por
um sensor FBG.
2. O gradiente de temperatura que surge entre as partes superior e
inferior do conjunto de instalação (adesivo térmico+sensor+silicone) foi
calculado.
3. Verificou-se que este gradiente foi suficiente para causar uma
deformação no silicone a qual impôs um esforço axial ao longo do eixo
do sensor que fez com que surgisse uma leitura de aproximadamente
4,5°C acima da temperatura real do local onde o sensor estava
instalado.
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Obrigado !
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