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CPGEI (Doutorado): Kleiton de Morais Sousa-02/12/16

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 02/12/2016
das 09h00 até 13h00
Onde Sede Central: Sala C-301
Nome do Contato Prof. Jean Carlos Cardoso da Silva
Participantes Prof. Jean Carlos Cardoso da Silva, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Cicero Martelli, Dr. Co-orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Jean Carlos Cardoso da Silva, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Aleksander Sade Paterno, Dr. - UDESC
Prof. César Augusto Dartora, Dr. - UFPR
Prof. Roger Gules, Dr. - UTFPR
Prof. Ricardo Canute Kamikawachi, Dr. - UTFPR
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Redes de Bragg em fibra óptica para medição de parâmetros relacionados à máquinas elétricas

Resumo: As redes de Bragg em fibra óptica (FBG) apresentam potencial para aplicações industriais como, por exemplo, medição de temperatura em geradores elétricos, motores de indução e transformados. Estas aplicações fazem uso das características das FBGs, como tamanho reduzido, imunidade eletromagnética e multiplexação em comprimento de onda. Esta tese apresenta a aplicação de redes de FBG para instrumentação de máquinas elétricas. Para isso, são desenvolvidas aplicações para um sensor de campo magnético, medição de temperatura e determinação de um modelo térmico de uma ponte retificadora utilizada para ajustar a corrente de campo do rotor de um gerador, medição da deformação dinâmica do estator de motores de indução e caracterização de um acelerômetro óptico biaxial. Os resultados para medição de temperatura nos tiristores utilizados na ponte retificadora mostram a dependência entre temperatura e corrente de excitação, onde oscilações de corrente levam a oscilações de temperatura. O ajuste a partir do modelo térmico desenvolvido para o sistema apresenta um erro de 1,5oC em comparação com as medidas pelas FBGs. O sensor de campo é baseado na magnetostricção, propriedade onde os materiais magnéticos sofrem deformação na presença de um campo magnético. Para esse sensor são utilizadas duas FBGs para medição de temperatura e deformação do Terfenol-D, material com propriedades magnetostrictivas. No sensor de campo é apresentada a variação da resposta em função da temperatura, onde a magnetoestricção Terfenol-D aumenta com o aumento da temperatura, fazendo com que a saturação do material ocorra para valores de campo menores. Em valores de temperatura próximos a magnetoestricção tem um comportamento similar como nas temperaturas de 75,5oC e 78,7oC. A medida de deformação do estator empregando as FBGs apresenta uma boa relação sinal ruído, com 80 dB para a harmônica fundamental, e as frequências observadas na vibração são as esperadas teoricamente. Além disso, com a utilização de duas FBGs pode-se observar a natureza girante da força magnética do entreferro.A medição de deformação do estator tratar-se de uma técnica de análise inovadora, sendo a principal contribuição desta tese. Por fim, o acelerômetro óptico biaxial não apresenta é insensível à variação de temperatura, podendo ser aplicado para medição de vibração em máquinas elétricas. A caracterização com um martelo de impacto permitiu estimar as frequências naturais de sensores, para o eixo x foi 747,5 Hz e para o eixo y foi 757,5 Hz e uma sensibilidade de 100 pm/g. Os resultados obtidos com a medida de deformação do estator são utilizados para validar as medidas de vibração do acelerômetro óptico biaxial quando usado em motores de indução.
Palavras-chave: Modelo térmico de semicondutores, máquinas elétricas, redes de Bragg em fibra óptica, sensores a fibra óptica, sensor de campo magnético, vibrações em máquinas elétricas

Fiber Bragg grating for electrical machines parameters measurement

Abstract: Fiber Bragg grating (FBG) have an enormous potential for industrial applications in temperature measurement on electrical generators, induction motors and power transformers. These applications benefit from important FBG characteristics, such as small size, electromagnetic immunity and wavelength multiplexing. In this paper, the application of FBG sensor for instrumentation in electrical machines are presented. The FBG applications describe in this thesis are a magnetic field sensor, the temperature measurement and determination of the thermal model of a bridge rectifier used to adjust the rotor field current of a generator, dynamic strain measurement of an induction motor stator as well characterization of an optical biaxial accelerometer. The results for temperature measurement in the thyristors used in the rectifier bridge show the temperature variation as a function of the rotor current, where oscillations in the rotor current lead to temperature fluctuations. The numerical modeling of the thermal behavior presents a 1,5C error when compared to the temperature measured by the FBGs. The magnetic field sensor is based on magnetostriction, a property where the magnetic material undergoes deformation in the presence of a magnetic field. For this sensor, two FBGs are used for temperature compensation and strain measurement of the Terfenol-D, material wich has magnetostrictive properties. The stress states and temperature can change significantly the magnetic behavior of materials. The Terfenol-D magnetostriction increases when the temperature increases and the saturation of the material behavior occurs for smaller field values. At similar temperatures magnetostriction has a similar behavior, such as 75.5oC and 78.7oC. In addition, Terfenol-D presents a hysteresis as any ferromagnetic material. The stator deformation measurement using the FBGs has a good SNR, 80 dB for the fundamental harmonic and the observed frequencies in the vibration are theoretically expected. Moreover, using two FBGs the rotating magnetic force of the stator deformation can measured. The stator strain measurement is an innovative analysis technique the main contribution of this thesis. Finally, the biaxial optical accelerometer does not have is insensitive to temperature variations and can be applied for measuring vibration in electrical machines. The characterization with an impact hammer allowed to estimate the natural frequencies of the sensor, x-axis of 747.5 Hz and the y-axis of 757.5 Hz and a sensitivity of 100 pm/g. The results obtained with the stator deformation measurement are used to validate the vibration measurements of the optical biaxial accelerometer when used in induction motors.
Keywords: Semicondutors thermal model, electrical machines, fiber Bragg gratings, optical fiber sensors, magnetic field sensor, vibrations in electrical machines.

Lista de publicações:

SOUSA, K. M.; PROBST, W.; BORTOLOTTI, F.; MARTELLI, C.; SILVA, J.C. C. Fiber Bragg Grating Temperature Sensors in a 6.5-MW Generator Exciter Bridge and the Development and Simulation of Its Thermal Model. \textbf{Sensors} 2014, v. 14, p. 16651-16663, ISSN 1424, doi10.3390/s140916651.

SOUSA, K. M. ; ZANDONAY, R. ; SILVA, E. V. ; MARTELI, Cícero. ; SILVA, J. C. C. . Application of Fiber Bragg Grating to Determine the Terfenol-D Magnetostriction Characteristics for Sensor Development. \textbf{Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications}, v. 13, p. 1-9, 2014, ISSN:1516-7399.

K. M. Sousa, U. J. Dreyer, C. Martelli and J. C. Cardozo da Silva, Dynamic Eccentricity Induced in Induction Motor Detected by Optical Fiber Bragg Grating Strain Sensors. \textbf{IEEE Sensors Journal}, vol. 16, no. 12, pp. 4786-4792, Junho, 2016. doi: 10.1109/JSEN.2016.2554885

R. Pomorski Linessio; K. Sousa; T. Silva; C. Bavastri; P. Antunes; J. C. Cardozo da Silva. Induction Motors Vibration Monitoring using a Biaxial Optical Fiber Accelerometer. \textbf{IEEE Sensors Journal} , vol.PP, no.99, pp.1-1 doi: 10.1109/JSEN.2016.2604850

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