Capítulo 1 - DBD PUC-Rio

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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.