BR102014027763A2 - Sistema óptico de monitoração de curtos em polos de rotor - Google Patents

Abstract

sistema óptico de monitoração de curtos em polos de rotor. são apresentados um sistema e um método que detectam falhas em bobinas dos polos de rotores de máquinas elétricas, a fim de prevenir futuras avarias nesses equipamentos. a invenção emprega sensores baseados em fibras ópticas capazes de detectar os campos magnéticos gerados por essas bobinas e também inclui um sistema de interrogação com técnicas de compensação de efeitos externos ao sistema, como atenuações ópticas causadas por efeitos mecânicos no enlace óptico e pela influência da temperatura no elemento sensor.

Description

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Relatório Descritivo

Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor

Campo de aplicação [OOO1JA presente invenção aplica-se à indústria de geração de energia elétrica, com a finalidade de monitoração on-line do campo magnético de polos de rotor de máquinas elétricas de grande porte como, por exemplo, hidrogeradores empregados em usinas hidrelétricas.

Descrição do Estado da Técnica [0002]Máquinas elétricas de grande porte são componentes de extrema importância no setor energético. Em usinas geradoras de energia elétrica, esses componentes são a peça principal envolvida no processo de conversão eletromecânica da energia. Tendo em vista a sua importância, é desejável que essas máquinas permaneçam em operação contínua, sendo que a interrupção do seu funcionamento deve ser evitada ao máximo possível, excluindo-se as interrupções de manutenção obrigatórias.

[0003]Contudo, como todo equipamento, as máquinas elétricas estão sujeitas aos desgastes mecânicos, térmicos e químicos de seus componentes. Desta forma, é importante que a monitoração dos parâmetros dessas máquinas seja realizada por meio de técnicas que, preferencialmente, não exijam que a máquina seja desligada e/ou desmontada para inspeção; esses métodos são conhecidos tecnicamente como monitorações online.

[0004]Um dos parâmetros usualmente monitorados é o estado em que os enrolamentos do rotor se encontram. Devido ao constante movimento do rotor e ao aquecimento da máquina, pode ocorrer desgaste no material isolante dos enrolamentos, causando curto-circuito entre as suas espiras. Esses curtos-circuito causam maior aquecimento, danificando ainda mais as espiras adjacentes.

2/16 [0005]Atualmente, existem várias técnicas para se detectar curtoscircuitos em espiras dos enrolamentos de rotor de máquinas elétricas. Um dos métodos mais conhecidos consiste na aplicação de uma tensão conhecida nos terminais dos polos, seguido da medição da queda de tensão em cada polo. Um curto-circuito é facilmente detectado quando a queda de tensão medida é menor do que o esperado. Contudo, esse método requer que a máquina seja desligada e, muitas vezes, que o rotor seja retirado, o que causa enormes transtornos, além de demandar muito tempo, uma vez que todos os polos devem ser testados individualmente. Por este motivo, vários métodos online vêm sendo desenvolvidos e empregados. Muitos destes métodos baseiam-se na monitoração do campo magnético gerado pela corrente elétrica que está circulando nos enrolamentos dos polos.

[0006]Diversos sensores de campo magnético têm sido empregados, como, por exemplo: bobinas de prova, conforme descrito no artigo Detecting Turn Shorts In Rotor Windings (M. Sasic, G. C. Stone, J. Stein, C. Stinson. IEEE Industry Applications Magazine, vol. 19, n. 2, pp. 63-69, Março/Abril de 2013); sensores semicondutores, como a sonda de efeito Hall, descrita no artigo Solid state magnetic field sensors and applications (J. Heremans, Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 26, n. 8, p. 1149, 1993); materiais magnetostritivos, como descrito no artigo Magnetic Field Sensors Using the Magnetoresistive Effect (U. Dibbern. Sensors and Actuators, vol. 10, pp. 127-140, 1986); fibras ópticas, conforme descrito em Optical Fiber Magnetic Field Sensors (A. Dandridge, A. B. Tveten, G. H. Sigel, E. J. West e T. G. Giallorenzi. Electronics Letters, vol. 16, n. 11, pp. 408-409, Maio de 1980).

[0007JO emprego de fibras ópticas como sensores de campo magnético oferece vantagens significativas como, por exemplo, tamanho reduzido do sensor, imunidade a interferências, isolamento elétrico e capacidade de monitoramento remoto devido à baixa atenuação sofrida pelos sinais transportados por meio da fibra.

3/16 [0008]Uma das técnicas utilizadas na construção de um sensor de campo magnético baseado em fibra óptica é o acoplamento de um material magnetostritivo - material que sofre deformações mecânicas quando a ele é aplicado um campo magnético - a uma Grade de Fibra de Bragg (FBG).

[0009]Uma FBG é uma grade refrativa construída no núcleo de uma fibra óptica, formada por pequenas regiões com índices de refração diferentes do índice do núcleo, espaçadas periodicamente em uma região da fibra. Esse espaçamento faz com que determinados comprimentos de onda da luz aplicada à fibra sejam refletidos. Quando a fibra sofre uma deformação mecânica, a grade se desloca, a luz refletida compreende outro intervalo de comprimentos de onda, diferente do intervalo que seria refletido se não houvesse deformação. Dessa maneira, ao se realizar o acoplamento da FBG com o material magnetostritivo, o campo magnético gera uma deformação sobre esse material. Essa deformação é então transmitida para a fibra, que desloca a grade e passa a refletir um espectro de frequências deslocado do original.

[OOlOJAdicionalmente, sistemas de interrogação comerciais podem ser empregados para fazer a leitura desse desvio de frequência da luz refletida, ou ainda podem ser utilizadas técnicas para a conversão da informação em frequência para informação de intensidade luminosa.

[OOllJDiversos trabalhos e patentes tratam de métodos similares ao descrito acima ou, ainda, exploram outros efeitos intrínsecos de fibras ópticas dopadas com elementos especiais ou com revestimentos de propriedades magnetostritivas.

[0012JA patente CA2843140A1, FIBER OPTIC MAGNETIC FLUX SENSOR FOR APPLICATION IN HIGH VOLTAGE GENERATOR STATOR BARS, por exemplo, descreve um método de detecção de campo magnético usando recobrimento magnetostritivo em uma fibra com Grades de Bragg. O sistema de detecção proposto pela CA2843140A1 é composto de um sensor CCD que separa vários comprimentos de onda, o que permite o uso de uma cadeia de FBGs. Entretanto, a dita invenção é aplicada para detectar fluxo alterado no

4/16 estator originado de correntes circulantes no rotor (correntes de Foucault) que causam perdas nos enrolamentos do estator, não aplicado, portanto à detecção de curtos-circuitos dos enrolamentos dos polos do rotor. Além disso, o uso de CCD e de elemento dispersivo caracteriza uma detecção espectral conhecida como análise de espectro óptico de complexidade e custo elevados.

[0013]As patentes EP2306212A1 - TEMPERATURE COMPENSATED FIBER OPTIC CURRENT OR MAGNETIC FIELD SENSOR WITH INSENSmVITY TO VARIATIONS IN SENSOR PARAMETERS - e EP2363721B1 - OPTICAL FIBER ΊΎΡΕ MAGNETIC FIELD SENSOR AND SENSING METHOD -, exploram a variação do grau de polarização na fibra sensora devido ao campo magnético, detectando o sinal monitorado através de um polarizador. Ambas as patentes, entretanto, não são aplicadas a máquinas elétricas. A patente EP2306212A1, especificamente, requer que a fibra óptica seja enrolada em volta do condutor ou condutores para possibilitar a medição de corrente. Desse modo, no caso do rotor, a dita fibra deveria ser enrolada em volta dos enrolamentos dos polos do rotor, e isso só pode ser feito durante a construção da máquina, caraterizando um procedimento complexo, oneroso e invasivo. Além disso, como o rotor é girante, não é possível, dessa maneira, colocar o sistema de interrogação no exterior do rotor, já que isso inviabiliza a aplicação nesse contexto. A patente EP2363721B1 apresenta uma cabeça sensora que poderia, em principio, ser usada para detecção do campo magnético originado do rotor, mas as dimensões dessa cabeça sensora teriam que ser extremamente reduzidas para possibilitar a sua instalação nesse contexto; além disso, a dita cabeça sensora possui inúmeros componentes e materiais - polarizador, Faraday rotators, magnetos permanentes, espelho e lentes - que acrescem complexidade construtiva. Além disso, o uso de lentes para colimar o sinal de luz aos elementos e captar o seu retorno requerería ajustes delicados e levariam a dificuldades de confecção da dita cabeça óptica.

[OO14]Já a patente US4516021, FIBER OPTIC MAGNETIC FIELD SENSOR, associa um material magnetostritivo ao método de mudança de

5/16 polarização, de forma a deformar a fibra sensora, mudando seu índice de birrefringência e detectando variações de magnitude do sinal por meio de polarizador ou prisma.

[0015]As patentes US4376248 - FIBER OPTICAL MAGNETIC FIELD SENSOR USING MAGNETOSTRICTIVE MATERIAL - e US4600885 - FIBER OPTIC MAGNETOMETER FOR DETECTING DC MAGNETIC FIELDS usam o método interferométrico para a medição de campos magnéticos. Em um dos braços do interferômetro, a fibra óptica é aderida a um material magnetostritivo que, sob a ação de um campo magnético, sofre deformação que é transmitida para a fibra. No interferômetro, o deslocamento de fase é detectado, tendo relação com o campo magnético a ser medido. Entretanto, pequenas alterações de caminho óptico, devido à temperatura ou a outras causas externas, alteram o deslocamento de fase, ocasionando distorções na medida. No caso da patente US4600885, há ainda a necessidade de se utilizar um campo magnético AC de referência e um amplificador lock-in ajustado à frequência desse campo, adicionando complexidade e custo ao aparato.

[0016]Por fim, a patente US5087810 - FIBER OPTIC MAGNETIC FIELD SENSOR - utiliza material magnetostritivo como uma alavanca cantilever para causar desvio na fibra sensora que transmite via espaço livre um sinal para outra fibra óptica. O desalinhamento das extremidades das fibras faz com que a potência recebida diminua em proporção à deformação sofrida pelo cantilever, consequência direta da amplitude do campo magnético medido.

[0017]Como pode ser notado, muitos desses métodos apresentam a necessidade de fabricação de fibras específicas, com revestimentos ou dopagens com elementos especiais. Algumas destas invenções ainda requerem o uso de estruturas mecânicas com tamanho considerável, o que as tornam inconvenientes em aplicações de monitoramento online de máquinas elétricas, tendo em vista o pequeno espaço disponível para o alojamento do sensor no entreferro. Além disso, em alguns desses métodos há a dependência do sinal medido com a polarização da luz, parâmetro que é altamente sensível à mera

6/16 movimentação da fibra óptica, tornando necessário o emprego de fibras insensíveis à polarização. Outras invenções ainda fazem uso de interferômetros sensíveis a desbalanceamento de caminho óptico ocasionado por variações de temperatura e condições externas.

Objetivos da Invenção [0018]Considerando o que acima foi discorrido, é objetivo desta invenção prover um sistema de monitoramento óptico, que emprega um método preferencial e vários métodos alternativos, com as seguintes finalidades:

• [0019]Monitorar instantaneamente o campo magnético dos enrolamentos dos polos de rotores de máquinas elétricas de grande porte, sem necessidade de desligamento dessas máquinas e sem a necessidade de instalação de sensores ou dispositivos sobre os rotores.

• [0020]0bter uma resposta em amplitude de tensão proporcional ao campo magnético detectado, com insensibilidade à atenuação no enlace óptico devido a efeitos mecânicos e de temperatura.

• [0021]Empregar componentes ópticos de baixo custo e de fácil acesso no mercado, sem a necessidade de se utilizar analisadores de espectro óptico ou análogos (elementos dispersivos, CCDs, arrays de fotodetectores etc) para seu funcionamento.

• [0022]Utilizar como elemento sensor básico uma Fibra de Grade de Bragg (FBG), aderida a um material magnetostritivo, de baixa complexidade de montagem.

• [0023]Utilizar fibra óptica padrão para a monitoração.

• [0024]Utilizar apenas um elemento sensor para monitorar todos os polos do rotor da máquina elétrica, reduzindo a complexidade e o custo de instalação e de operação.

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Descrição Simplificada da Invenção [0025]0s objetivos propostos e outros mais são alcançados através do Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, que permite a monitoração óptica do campo magnético gerado pelos enrolamentos dos polos de rotor de máquinas elétricas de grande porte, a fim de detectar eventuais curtos-circuitos entre as espiras desses enrolamentos, utilizando um material magnetostritivo associado a uma Grade de Fibra de Bragg (FBG). O sistema proposto ainda inclui métodos para a compensação de possíveis atenuações ópticas decorrentes de efeitos mecânicos (curvatura, por exemplo) e térmicos que estejam atuando sobre o enlace óptico.

[0026]Como ilustrado na Figura 1, o Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor compreende:

• [0027]uma Unidade de Interrogação (1), composta por uma Unidade de Transmissão (10) compreendendo dois lasers sintonizáveis - Laser de Sensoriamento (100) e Laser de Referência (101), um Acoplador (102) e um Circulador Óptico (103), e uma Unidade de Recepção (15) compreendendo um Filtro Óptico Seletor de Banda (151), um Fotodetector RX1 (152), um Fotodetector RX2 (153) e um equipamento de tratamento de sinais que gera um Sinal de Saída (154);

• [0028]um Enlace Óptico (2);

• [0029]uma Unidade de Sensoriamento-1 (3), preferencialmente remota, compreendendo uma Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo, um Filtro Óptico Seletor de Banda (32) e um Espelho Óptico (33).

[0030]0 método preferencial empregado para atingir os objetivos da invenção é sintetizado a seguir, conforme ilustrado na Figura 1.

[0031]Os sinais de um Laser de Sensoriamento (100) e de um Laser de Referência (101), com comprimentos de onda distintos, são combinados por um Acoplador (102), que transmite os dois comprimentos de

8/16 onda (LI e L2) através da mesma fibra óptica, alcançando um Circulador Óptico (103). O Circulador transmite os ditos sinais por meio de um Enlace Óptico (2) até uma Unidade de Sensoriamento-1 (3), em que a Grade de Fibra de Bragg FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo, cuja deformação mecânica causada pela aplicação de um campo magnético sobre esse material é transmitida para a Grade de Fibra de Bragg (31), sendo que sua resposta em frequência é deslocada para a direita (Gl), aumentando a porção do sinal refletido de volta para a Unidade de Interrogação (1), podendo, no caso do maior campo magnético aplicável englobar totalmente o espectro do laser de sensoriamento. Neste último caso, o sinal do Laser de Sensoriamento (100) é totalmente refletido pela Grade de Fibra de Bragg (31), retornando ao Circulador Óptico (103). Complementarmente, quando não é aplicado um campo magnético sobre o dito material magnetostritivo, uma parcela do sinal do laser de sensoriamento trespassa a dita grade de fibra de Bragg, atingindo o Filtro Óptico Seletor de Banda (32). Esse filtro é escolhido de tal maneira que somente comprimentos de onda próximos do comprimento de onda do Laser de Referência (101) possam atravessá-lo. Assim, o sinal do Laser de Referência (101) é refletido pelo Espelho Óptico (33), retornando ao Circulador Óptico (103), enquanto que o sinal do dito Laser de Sensoriamento (100) é descartado.

[0032JO sinal proveniente da Unidade de Sensoriamento-1 (3) é encaminhado para a Unidade de Interrogação (1) pelo Circulador Óptico (103), passando por um segundo Filtro Óptico Seletor de Banda (151), que separa o sinal de sensoriamento, proveniente do Laser de Sensoriamento (100), do sinal de referência proveniente do dito Laser de Referência (101). Esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente, pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que convertem esses sinais do domínio óptico para o domínio elétrico. Os sinais são divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais e o Sinal de Saída (154) é gerado.

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Descrição das Figuras [0033]A invenção será mais bem compreendida a partir da descrição detalhada e das figuras que a ela se referem, em que:

[0034]A Figura 1 apresenta uma forma preferencial de realização da invenção.

[0035]A Figura 2 apresenta uma primeira forma alternativa de realização da invenção.

[0036JA Figura 3 apresenta uma segunda forma alternativa de realização da invenção, com compensação de temperatura.

[0037]A Figura 4 ilustra uma forma empregada para a colagem de Grades de Fibra de Bragg a barras de material magnetostritivo.

[0038JA Figura 5 apresenta a dependência das amplitudes dos sinais de sensoriamento e de referência, bem como do sinal resultante da divisão dos mesmos, em relação à atenuação no enlace óptico.

Descrição Detalhada da Invenção [0039JO Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor baseia-se na utilização conjunta de material magnetostritivo e grades de fibras de Bragg (Fiber Bragg Grating - FBG).

[OO4OJA deformação mecânica do material magnetostritivo ocorre devido ao alinhamento dos dipolos magnéticos desse material com o campo externo, que forçam o material a sofrer um alongamento na direção do dito campo. A deformação mecânica sofrida pelo material magnetostritivo pode ser aproximada por uma função linear, conforme a equação:

[0041]£ = ^σ+/7 d [1] [0042]sendo que:

• [0043]£é a deformação mecânica relativa ocorrida em uma determinada direção;

• [0044J/7// é a compliância do material sob campo magnético constante;

10/16 • [0045]σέ a tensão mecânica agindo sobre o material;

• [0046]//é a intensidade do campo magnético aplicado;

• [0047]í/é a constante de deformação piezomagnética do material.

[0048]A equação [l]adiciona à deformação resultante de uma tensão mecânica aplicada ao material um termo dependente do campo magnético. Acoplando-se uma FBG ao material magnetostritivo, obtém-se um sensor óptico de campos magnéticos, uma vez que o deslocamento relativo do comprimento de onda central da resposta espectral da grade depende diretamente da deformação mecânica sofrida pela mesma, segundo a seguinte equação:

[0049] = C_se + C₇.AT ^[2] [0050]0nde:

• [0051]J/?é o comprimento de onda do centro do espectro da resposta da FBG;

• [0052]ΔΛ/? é a variação do comprimento de onda em relação ao centro do espectro da resposta da FBG;

• [0053]£é a deformação mecânica sofrida pela grade;

• [0054]ATé a variação da temperatura sobre a grade;

• [0055]Cs e C_T são, respectivamente, coeficientes de deformação e temperatura da fibra.

[0056]Assim, pelas equações [l]e [2], é possível observar um deslocamento na resposta da grade, proporcional ao campo magnético aplicado sobre a grade.

[0057]0 sistema aqui proposto apresenta uma técnica para converter essa resposta da grade em frequência para informação de amplitude de um laser de sensoriamento aplicado ao elemento sensor (FBG).

11/16 [0058]Três formas distintas de realização da invenção são propostas, sendo que a terceira forma incorpora uma técnica para compensação de temperatura.

[0059]A Figura 1 apresenta uma forma preferencial de realização da invenção. Um Laser de Sensoriamento (100) é usado juntamente com um Laser de Referência (101), com comprimentos de onda distintos. Os sinais desses lasers são combinados por um Acoplador (102), que transmite os dois comprimentos de onda (LI e L2) através da mesma fibra óptica, alcançando um Circulador Óptico (103). O Circulador transmite os ditos sinais por meio de um Enlace Óptico (2) até uma Unidade de Sensoriamento-1 (3), composta por uma Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo como, por exemplo, o Terfenol-D, seguida de um Filtro Óptico Seletor de Banda (32) e um Espelho Óptico (33). A dita grade de fibra de Bragg possui uma resposta em frequência que engloba perifericamente o espectro do Laser de Sensoriamento (100). Quando um campo magnético é aplicado sobre a Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo, esse material sofre uma deformação mecânica proporcional ao campo magnético aplicado. Tal deformação mecânica é transmitida para a grade de fibra de Bragg (31), cuja resposta em frequência é deslocada para a direita (Gl), aumentando a porção do sinal refletido de volta para a Unidade de Interrogação (1), podendo, Unidade de Interrogação (1), podendo, no caso do maior campo magnético aplicável englobar totalmente o espectro do laser de sensoriamento. Neste último caso, o sinal do Laser de Sensoriamento (100) é totalmente refletido pela Grade de Fibra de Bragg (31), retornando ao Circulador Óptico (103). Complementarmente, quando não é aplicado um campo magnético sobre o dito material magnetostritivo, uma parcela do sinal do laser de sensoriamento trespassa a dita grade de fibra de Bragg, atingindo o Filtro Óptico Seletor de Banda (32). Esse filtro é escolhido de tal maneira que somente comprimentos de onda próximos do comprimento de onda do Laser de Referência (101) possam atravessá-lo. Assim, o sinal do Laser de Referência

12/16 (101) é refletido pelo Espelho Óptico (33), retornando ao Circulador Óptico (103), enquanto que o sinal do dito Laser de Sensoriamento (100) é descartado.

[0060]0 sinal proveniente da Unidade de Sensoriamento-1 (3) é encaminhado para a Unidade de Interrogação (1) pelo Circulador Óptico (103), passando por um segundo Filtro Óptico Seletor de Banda (151), que tem a função de separar o sinal de sensoriamento proveniente do Laser de Sensoriamento (100) do sinal de referência proveniente do dito Laser de Referência (101). Esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente, pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que convertem esses sinais do domínio óptico para o domínio elétrico. Os sinais são divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais, por exemplo, um osciloscópio comum, e o Sinal de Saída (154) é gerado. Essa forma de separar os sinais na recepção pode ser realizada de outra maneira conforme é de conhecimento pelos especialistas na área como, por exemplo, por meio de acopladores e Fibras de Grade de Bragg como elementos filtrantes.

[0061]A Figura 2 apresenta uma primeira forma alternativa de realização da presente invenção. Um Laser de Sensoriamento (100) é usado juntamente com um Laser de Referência (101), com comprimentos de onda distintos. Os sinais desses lasers são combinados por um Acoplador (102), que transmite os dois comprimentos de onda (LI e L2) através da mesma fibra óptica, alcançando um Circulador Óptico (103). O Circulador transmite os ditos sinais por meio de um Enlace Óptico (2) até uma Unidade de Sensoriamento-2 (4), composta por uma primeira Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo como, por exemplo, o Terfenol-D, seguida de uma segunda Grade de Fibra de Bragg (34) não acoplada a nenhum material magnetostritivo. A primeira grade possui uma resposta em frequência que engloba perifericamente o espectro do Laser de Sensoriamento (100), enquanto que a segunda grade possui uma resposta em frequência que engloba totalmente o espectro do Laser de Referência (101). Quando um

13/16 campo magnético é aplicado ao material magnetostritivo, onde a dita primeira grade de fibra de Bragg está acoplada, o material magnetostritivo sofre uma deformação mecânica proporcional à intensidade do campo magnético aplicado. Essa deformação mecânica é transmitida para a dita grade de fibra de Bragg acoplada (31), causando um deslocamento para a direita da dita resposta em frequência dessa grade, aumentando a porção do sinal refletido de volta para o a Unidade de Interrogação (1). No caso do maior campo magnético aplicável, a dita resposta em frequência passa a englobar totalmente o espectro do dito sinal de sensoriamento, que é totalmente refletido de volta ao Circulador Óptico (103). O mesmo campo magnético aplicado sobre o material magnetostritivo não afeta a resposta em frequência da dita segunda Grade de Fibra de Bragg FBG - (34), porque essa segunda grade não é acoplada a nenhum material magnetostritivo. Dessa forma, o dito sinal de referência sempre é totalmente refletido de volta ao Circulador Óptico (103). No caso em que não há campo magnético aplicado sobre o material magnetostritivo, uma parcela do dito sinal de sensoriamento trespassa a primeira Grade de Fibra de Bragg (31), bem como a segunda Grade de Fibra de Bragg - FBG - (34) e é descartada.

[0062]0 sinal proveniente da Laser de Sensoriamento (100) é enviado para a Unidade de Interrogação (1) por meio do Circulador Óptico (103). Esse sinal passa por um Filtro Óptico Seletor de Banda (151) que tem a função de separar o sinal de sensoriamento proveniente do Laser de Sensoriamento (100) do sinal de referência proveniente do Laser de Referência (101). Esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que convertem esses sinais do domínio óptico para o domínio elétrico. Os sinais são divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais, por exemplo, um osciloscópio comum, e o Sinal de Saída (154) é gerado. Novamente, dita forma de separar os sinais na recepção pode ser realizada de outra maneira conforme é de conhecimento pelos especialistas na área como, por exemplo, por meio de acopladores e Fibras de Grade de Bragg como elementos filtrantes.

14/16 [0063JA Figura 3 apresenta uma segunda forma alternativa de realização da presente invenção, com compensação de temperatura.

[0064]0 Laser de Sensoriamento (100) e o Laser de Referência (101) , com comprimentos de onda distintos, são combinados por um Acoplador (102) . O sinal composto pelos dois comprimentos de onda (LI e L2) é transmitido pela mesma fibra óptica, alcançando o Circulador Óptico (103). O Circulador transmite o dito sinal por meio de um Enlace Óptico (2) até a Unidade de Sensoriamento-3 (5), composta por uma primeira Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo como, por exemplo, o Terfenol-D, seguida de uma segunda Grade de Fibra de Bragg (34), aderida a uma barra de material magnetostritivo, inserida uma blindagem metálica (35), imune a interferências de campos magnéticos. A primeira grade (31) possui uma resposta em frequência que engloba perifericamente o espectro do Laser de Sensoriamento (100), da mesma forma que a segunda grade (34) possui uma resposta em frequência que engloba perifericamente o espectro do Laser de Referência (101). Quando um campo magnético é aplicado é aplicado ao material magnetostritivo, onde a primeira Grade de Fibra de Bragg (31) está acoplada, o dito material sofre uma deformação mecânica proporcional à intensidade do campo magnético aplicado. Essa deformação mecânica é transmitida para a dita Grade de Fibra de Bragg acoplada, causando um deslocamento para a direita da resposta em frequência dessa grade. O mesmo campo magnético aplicado sobre o material magnetostritivo não afeta a resposta em frequência da segunda Grade de Fibra de Bragg (34), porque a blindagem metálica (35) não permite a passagem de campo magnético. Por outro lado, uma variação de temperatura do ambiente causa a dilatação ou contração dos ditos materiais magnetostritivos, independentemente de estarem dentro ou fora da blindagem metálica (35). A deformação mecânica causada pela variação da temperatura é transmitida para as ditas Grades de Fibra de Bragg, deslocando ambas as respostas em frequência e, por conseguinte, afetando os espectros dos ditos sinais de sensoriamento e de referência. Assim,

15/16 o dito sinal de referência é refletido de volta para o Circulador Óptico (103) com intensidade dependente da temperatura, enquanto que o dito sinal de sensoriamento é refletido de volta para o Circulador Óptico (103) com intensidade dependente da temperatura e também do campo magnético aplicado. Alternativamente, a segunda FBG é acoplada a um material de coeficiente de expansão térmica similar ao dito material magnetostritivo, mas não sensível ao campo magnético, como, por exemplo, a liga MONEL 400. Dessa forma, ambas as grades se deslocam no espectro do mesmo valor em função da temperatura e apenas a primeira FBG (31) responde ao campo magnético. Esse arranjo resulta, portanto, em um sistema de detecção insensível à temperatura, no ponto de sensoriamento, e à atenuação que ocorre no Enlace Óptico (2). Caso de não haja campo magnético aplicado, uma parcela do dito sinal de sensoriamento trespassa as ditas primeira e segunda Grades de Fibra de Bragg, sendo descartada.

[0065JO sinal proveniente da Unidade de Sensoriamento-3 (5) é enviado para a Unidade de Interrogação (1) por meio do Circulador Óptico (103). Esse sinal passa por um Filtro Óptico Seletor de Banda (151) que tem a função de separar o sinal de sensoriamento proveniente do Laser de Sensoriamento (100) do sinal de referência proveniente do Laser de Referência (101). Esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que convertem esses sinais do domínio óptico para o domínio elétrico. Os sinais são divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais, por exemplo, um osciloscópio comum, e o Sinal de Saída (154) é gerado.

[0066JA Figura 4 ilustra uma maneira de como aderir uma fibra óptica (40), com uma Grade de Fibra de Bragg (41) a uma barra de material magnetostritivo (43). Como pode ser observado, as extremidades da fibra óptica (40) são fixadas com uma resina fixadora (42) nas extremidades da barra do material magnetostritivo (43). Alternativamente, a resina fixadora pode

16/16 ser aplicada sobre toda a região da fibra que está em contato com a barra de material magnetostritivo.

[0067]A Figura 5 apresenta a amplitude dos sinais (50), em volts, em função da atenuação óptica do enlace óptico (51), em decibel, que conecta as Unidades de Sensoriamento (3), (4) e (5) com a Unidade de Interrogação (1). Tanto o sinal de sensoriamento (52) quanto o sinal de referência (53) sofrem a mesma atenuação, enquanto que o sinal de saída (54), proveniente da divisão dos ditos sinais de sensoriamento e de referência, permanece com amplitude constante, ou seja, insensível à atenuação.

[0068]Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com certas modalidades preferenciais de realização, deve ser entendido que não se pretende limitar a invenção essas modalidades particulares. Ao contrário, pretende-se cobrir todas as alternativas, modificações e equivalentes possíveis dentro do espírito e do escopo da presente invenção.

Claims (6)

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REIVINDICAÇÕES

1. Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, caracterizado por realizar a monitoração óptica do campo magnético gerado pelos enrolamentos dos polos de rotor de máquinas elétricas de grande porte, a fim de detectar eventuais curtos-circuitos entre as espiras desses enrolamentos, compreendendo:

• uma Unidade de Interrogação (1), composta por uma Unidade de Transmissão (10) que compreende dois lasers sintonizáveis - Laser de Sensoriamento (100) e Laser de Referência (101) -, um Acoplador (102), um Circulador Óptico (103); e uma Unidade de Recepção (15) compreendendo um Filtro Óptico Seletor de Banda (151), um Fotodetector RX1 (152), um Fotodetector RX2 (153) e um equipamento de tratamento de sinais que gera um Sinal de Saída (154);

• um Enlace Óptico (2);

• uma Unidade de Sensoriamento-1 (3), preferencialmente remota, compreendendo uma Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo, um Filtro Óptico Seletor de Banda (32) e um Espelho Óptico (33).

2. Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, conforme reivindicação 1, caracterizado por a Unidade de Sensoriamento-1 (3) ser substituída por uma Unidade de Sensoriamento-2 (4), preferencialmente remota, compreendendo uma primeira Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo, seguida de uma segunda Grade de Fibra de Bragg (34) não acoplada a nenhum material magnetostritivo, sendo que a primeira grade (31) possui uma resposta em frequência que engloba perifericamente o espectro do Laser de Sensoriamento (100), enquanto que a segunda grade (34) possui uma resposta em frequência

2/6 que engloba totalmente o espectro do Laser de Referência (101).

3. Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, conforme reivindicação 1, caracterizado por a Unidade de Sensoriamento-1 (3) ser substituída por uma Unidade de Sensoriamento-3 (5), preferencialmente remota, compreendendo uma Grade de Fibra de Bragg - FBG - (31) aderida a uma barra de material magnetostritivo, seguida de uma segunda Grade de Fibra de Bragg (34), aderida a uma barra de material magnetostritivo, inserida uma blindagem metálica (35), imune a interferências de campos magnéticos.

4. Método empregado pelo Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, conforme reivindicação 1, caracterizado por:

• os sinais de um Laser de Sensoriamento (100) e de um Laser de Referência (101), com comprimentos de onda distintos, serem combinados por um Acoplador (102), que transmite os dois comprimentos de onda (LI e L2) através da mesma fibra óptica, alcançando um Circulador Óptico (103);

• o Circulador Óptico (103) transmitir os ditos sinais por meio de um Enlace Óptico (2) até uma Unidade de Sensoriamento-1 (3), sendo que a deformação mecânica causada pela aplicação de um campo magnético sobre o material magnetostritivo é transmitida para a Grade de Fibra de Bragg (31), sendo a sua resposta em frequência deslocada para a direita (Gl), aumentando a porção do sinal refletido de volta para a Unidade de Interrogação (1), podendo, no caso do maior campo magnético aplicável, englobar totalmente o espectro do Laser de Sensoriamento (100), fazendo com que o sinal desse Laser (100) seja totalmente refletido pela Grade de Fibra de Bragg (31), retornando ao Circulador Óptico (103);

• quando não for aplicado um campo magnético sobre o dito material magnetostritivo, uma parcela do sinal do laser de sensoriamento trespassar a dita grade de fibra de Bragg, atingindo o Filtro Óptico Seletor de Banda (32), de maneira que somente comprimentos de onda próximos do

3/6 comprimento de onda do Laser de Referência (101) possam atravessá-lo e o sinal do Laser de Referência (101) ser refletido pelo Espelho Óptico (33), retornando ao Circulador Óptico (103), enquanto que o sinal do Laser de Sensoriamento (100) é descartado;

• o sinal proveniente da Unidade de Sensoriamento-1 (3) ser encaminhado para a Unidade de Interrogação (1) pelo Circulador Óptico (103), passando por um segundo Filtro Óptico Seletor de Banda (151), que separa o sinal de sensoriamento proveniente do Laser de Sensoriamento (100), do sinal de referência proveniente do Laser de Referência (101), sendo que esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente, pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que os convertem do domínio óptico para o domínio elétrico;

• os ditos sinais convertidos serem divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais, sendo gerado o Sinal de Saída (154).

5. Método empregado pelo Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, conforme reivindicação 2, caracterizado por:

• os sinais de um Laser de Sensoriamento (100) e de um Laser de Referência (101), com comprimentos de onda distintos, serem combinados por um Acoplador (102), que transmite os dois comprimentos de onda (LI e L2) através da mesma fibra óptica, alcançando um Circulador Óptico (103);

• o Circulador Óptico (103) transmitir os ditos sinais por meio de um Enlace Óptico (2) até uma Unidade de Sensoriamento-2 (4), sendo que a deformação mecânica causada pela aplicação de um campo magnético sobre o material magnetostritivo é transmitida para a Grade de Fibra de Bragg (31), causando um deslocamento para a direita da resposta em frequência dessa grade, aumentando a porção do sinal refletido de volta para o a Unidade de Interrogação (1), podendo, no caso do maior campo magnético aplicável, englobar totalmente o espectro do Laser de Sensoriamento (100), fazendo com

4/6 que o sinal o desse Laser (100) seja totalmente refletido de volta ao Circulador Óptico (103);

• o dito campo magnético não afetar a resposta em frequência da segunda Grade de Fibra de Bragg - FBG - (34), já que essa segunda grade não é acoplada a nenhum material magnetostritivo, sendo que, o dito sinal de referência sempre é totalmente refletido de volta ao Circulador Óptico (103);

• quando não for aplicado um campo magnético sobre o dito material magnetostritivo, uma parcela do dito sinal do laser de sensoriamento trespassar a primeira Grade de Fibra de Bragg (31), bem como a segunda Grade de Fibra de Bragg - FBG - (34) e ser descartada;

• o sinal proveniente da Unidade de Unidade de Sensoriamento-2 (4) ser encaminhado para a Unidade de Interrogação (1) pelo Circulador Óptico (103), passando por um segundo Filtro Óptico Seletor de Banda (151), que separa o sinal de sensoriamento proveniente do Laser de Sensoriamento (100), do sinal de referência proveniente do Laser de Referência (101), sendo que esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente, pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que os convertem do domínio óptico para o domínio elétrico;

• os ditos sinais convertidos serem divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais, sendo gerado o Sinal de Saída (154).

6. Método empregado pelo Sistema Óptico de Monitoração de Curtos em Polos de Rotor, conforme reivindicação 3, caracterizado por:

• os sinais de um Laser de Sensoriamento (100) e de um Laser de Referência (101), com comprimentos de onda distintos, serem combinados por um Acoplador (102), que transmite os dois comprimentos de onda (LI e L2) através da mesma fibra óptica, alcançando um Circulador Óptico (103);

• o Circulador Óptico (103) transmitir os ditos sinais por meio de um Enlace Óptico (2) até uma Unidade de Sensoriamento-3 (5), sendo que a

5/6 deformação mecânica causada pela aplicação de um campo magnético sobre o material magnetostritivo é transmitida para a Grade de Fibra de Bragg (31), causando um deslocamento para a direita da resposta em frequência dessa grade (31);

• o dito campo magnético não afetar a resposta em frequência da segunda Grade de Fibra de Bragg - FBG - (34), já que a blindagem metálica (35) não permite a passagem desse campo, sendo que o sinal de referência proveniente do Laser de Referência (101) sempre é totalmente refletido de volta ao Circulador Óptico (103);

• a deformação mecânica causada pela variação da temperatura ser transmitida para as Grades de Fibra de Bragg 31 e 34, deslocando ambas as respostas em frequência e, por conseguinte, afetando os espectros dos ditos sinais de sensoriamento e de referência;

• o dito sinal de referência ser refletido de volta para o Circulador Óptico (103) com intensidade dependente da temperatura, enquanto que o dito sinal de sensoriamento é refletido de volta para o Circulador Óptico (103) com intensidade dependente da temperatura e também do campo magnético aplicado;

• alternativamente, segunda Grade de Fibra de Bragg - FBG - (34) ser acoplada a um material de coeficiente de expansão térmica similar ao dito material magnetostritivo, mas não sensível ao campo magnético, de maneira que grades 31 e 34 se desloquem no espectro do mesmo valor em função da temperatura e apenas a grade (31) responder ao campo magnético, resultando em um sistema de detecção insensível à temperatura, no ponto de sensoriamento, e à atenuação que ocorre no Enlace Óptico (2);

• quando não for aplicado um campo magnético, uma parcela do dito sinal de sensoriamento trespassar as grades 31 e 34, sendo descartada;

• o sinal proveniente da Unidade de Sensoriamento-3 (5) ser

6/6 encaminhado para a Unidade de Interrogação (1) pelo Circulador Óptico (103), passando por 'segundo Filtro Óptico Seletor de Banda (151), que separa o sinal de sensoriamento proveniente do Laser de Sensoriamento (100), do sinal de referência proveniente do Laser de Referência (101), sendo que esses sinais de sensoriamento e de referência passam, respectivamente, pelo Fotodetector RX1 (152) e pelo Fotodetector RX2 (153), que os convertem do domínio óptico para o domínio elétrico;

• os ditos sinais convertidos serem divididos por meio de um equipamento de tratamento de sinais, sendo gerado o Sinal de Saída (154).