1 Introdução Esta tese trata do desenvolvimento de sensores para a monitoração do fluxo de campo magnético utilizando fibras ópticas. A principal motivação reside no emprego destes sensores no monitoramento da condição de hidrogeradores. A tecnologia de sensoriamento com fibras ópticas permite a utilização dos sensores aqui apresentados em conjunto com outros já disponíveis no mercado para medidas de grandezas tais como vibração, temperatura, deslocamento e deformação, entre outras, disponibilizando para o setor industrial de geração de energia um sistema integrado para monitoramento PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA de diferentes parâmetros relevantes para a operação de hidrogeradores. As máquinas síncronas são as mais utilizadas na geração da energia hidroelétrica. De uma maneira bem simplificada, podemos entender uma máquina síncrona como composta por um estator, que aloja o enrolamento, e um rotor que contém um enrolamento, este alimentado por uma corrente contínua que serve para criar o campo magnético principal na máquina. O espaçamento entre o rotor e o estator é denominado de entreferro. O princípio básico da operação de uma máquina síncrona baseia-se no fato de que sempre que houver um movimento relativo entre um condutor e um campo magnético haverá uma corrente elétrica induzida no condutor. No caso da máquina síncrona, os condutores são fixos e o campo magnético é forçado pela máquina primária a se mover. Por sua vez, a máquina primária é acoplada mecanicamente ao rotor, onde estão alojados os pólos, exercendo sobre eles uma força e fazendo-os girar. O movimento relativo entre o fluxo magnético e o condutor faz com que surja uma corrente entre os terminais do gerador. Um problema que afeta significativamente o funcionamento de máquinas rotativas é a presença de excentricidades, que podem ser classificadas em dois tipos: a excentricidade estática, o que significa que o rotor gira em torno de um centro em equilíbrio que não 15 coincide com o do estator, e a excentricidade dinâmica, na qual o centro do rotor segue uma orbita arbitrária. Em uma máquina elétrica, o fluxo magnético no entreferro induz forças eletromagnéticas radiais e tangenciais entre o rotor e o estator do gerador. No entanto, se o rotor é perfeitamente centrado e simétrico com o centro do estator, as forças radiais eletromagnéticas se anulam e as forças tangencias produzem o torque para a rotação do rotor. Na prática, porém, devido à existência de pequenas imperfeições na geometria, que podem inclusive estar dentro das tolerâncias de fabricação, ao desgaste dos rolamentos, à flexão do eixo do rotor e outros fatores, os eixos do rotor e o estator quase nunca coincidem perfeitamente. Consequentemente, a maioria das máquinas elétricas funciona com certo grau excentricidade. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA Quando o eixo do rotor não coincide com o eixo do orifício do estator, gera-se um desequilíbrio das forças eletromagnéticas agindo entre o rotor e o estator. Dependendo da magnitude da excentricidade, a força eletromagnética resultante pode ser significativa. Agindo aproximadamente na direção do menor entreferro, essa força, é chamada de "empuxo magnético desbalanceado" (UMP – Unbalance Magnetic Pull, em inglês). Esta força tenta aumentar ainda mais a magnitude da excentricidade e pode causar sérios danos à máquina elétrica. Esta força pode ser calculada a partir da componente radial do fluxo magnético no entreferro (Pennacchi et al., 2005) Forças associadas com o empuxo magnético desbalanceado provocam o aumento dos níveis de vibração da máquina, resultando em um mau funcionamento das mesmas podendo ainda levá-las a falhar por fadiga. Por este motivo, o monitoramento do campo magnético no entreferro é de grande relevância na avaliação do desempenho de hidrogeradores. Se empregado de forma integrada com medidas contínuas de outros parâmetros, tais como níveis de vibração e variações de temperatura, torna-se uma ferramenta de grande valia que leva ao conhecimento em tempo real da condição do equipamento, permitindo ao seu operador antecipar falhas e otimizar o intervalo entre intervenções e paradas para manutenção. O uso de sensores a fibra óptica para o monitoramento de equipamentos industriais oferece uma série de vantagens sobre outras tecnologias de sensoriamento. No cenário 16 apresentado pelas aplicações no setor de geração de energia, em particular, duas características inerentes aos sensores ópticos trazem um diferencial significativo. O fato destes sensores não produzirem centelhamento faz com que eles sejam dispositivos seguros para a operação em ambientes explosivos. Ao mesmo tempo, a baixa susceptibilidade à interferência eletromagnética também contribui para que sensores baseados em fibras ópticas adequem-se a aplicações industrias em ambientes agressivos e na presença de campos eletomagnéticos intensos, que são fatores limitantes a utilização de outros sensores convencionais no monitoramento de hidrogeradores. Com foco nesta aplicação, duas tecnologias de sensoriamento com fibras ópticas são exploradas no presente trabalho. A primeira baseia-se no uso de redes de Bragg e a segunda no emprego de interferômetros modais em fibras ópticas microestruturadas que apresentam alta birrefringência. Em ambos os casos as fibras são recobertas por uma PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA camada de material compósito magnetostritivo, que responde ao campo magnético deformando-se. Esta deformação é transferida para a rede de Bragg ou para a fibra microestruturada, produzindo uma resposta dependente do campo magnético. Na sequência do trabalho, no Capítulo 2, são revistos conceitos fundamentais relacionados com o funcionamento de sensores a fibra óptica, com ênfase para as duas tecnologias focalizadas nesta tese. O Capítulo 2 trata, também, de forma sucinta, do fenômeno de magnetostrição, explorado na concepção dos sensores desenvolvidos. Este tema é retomado no Capítulo 3, que descreve e apresenta resultados dos testes que levaram à escolha da formulação do compósito magnetostritivo empregado, em ambos os sensores, para, a partir de variações no campo magnético, transferir esforços mecânicos e deformações para a fibra óptica. Os dois tipos de sensores de campo magnético desenvolvidos são descritos e caracterizados nos Capítulos 4 e 5. O primeiro destes capítulos trata do sensor baseado em redes de Bragg. Discute-se a montagem do sensor e o seu princípio de funcionamento. O protótipo desenvolvido é leve e compacto, apresentando um formato cilíndrico com 1,5 mm de diâmetro e 7 mm de comprimento. São apresentados resultados de testes estáticos realizados submetendo-se o sensor a campos magnéticos de até 750 mT. O sensor apresenta uma resolução de 0,3 mT. Testes dinâmicos foram também executados em um rotor de bancada com quatro pólos, apresentando um 17 desbalanceamento de aproximadamente 7% em um deles. Estes resultados são comparados com os obtidos por um sensor magnético de efeito Hall apresentando uma excelente concordância. Discute-se também o tratamento utilizado para compensação de temperatura e a faixa de temperatura de operação do sensor. O Capítulo 5 apresenta o segundo sensor de campo magnético, o qual emprega um interferômetro modal intrínseco baseado na interferência entre as duas componentes ortogonalmente polarizadas, que se propagam numa fibra óptica microestruturada de alta birrefringência. Apresenta-se o princípio de funcionamento do sensor, sua montagem e a técnica empregada para interrogação. Os resultados de testes estáticos são comparados com os obtidos no Capítulo 4 para o sensor baseado em redes de Bragg. O sensor de campo magnético interferométrico apresentou uma sensibilidade duas vezes PUC-Rio - Certificação Digital Nº 0611806/CA maior que a do sensor a base de redes de Bragg. No Capítulo 6, o tema central da tese é temporariamente abandonado para que seja apresentada uma discussão sobre a modelagem de um sensor de pressão hidrostática baseado no mesmo interferômetro modal utilizado no Capítulo 5. Esta discussão ilustra o emprego de análise numérica, via o método dos elementos finitos, para, através da modelagem do acoplamento elasto-óptico, obter-se os parâmetros associados à propagação dos modos guiados na fibra óptica microestruturada. A comparação dos resultados numéricos com experimentos reportados em (Fávero et al., 2010.) mostram excelente concordância, indicando que a modelagem numérica descrita no Capítulo 6 é uma poderosa ferramenta para o projeto de sensores baseados em fibras óptica microestruturadas. Finalmente, o Capítulo 7 apresenta conclusões e sugestões para trabalhos futuros.