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Título: Estudo e desenvolvimento de sensores a fibra óptica para a análise e controle de vibrações em máquinas elétricas e estruturas
Título(s) alternativo(s): Study and development of optical fiber sensors for the analysis and control of vibrations in electrical machines and structures
Autor(es): Linessio, Rafael Pomorski
Orientador(es): Silva, Jean Carlos Cardozo da
Palavras-chave: Fibras ópticas
Detectores ópticos
Vibração - Análises
Vibração - Controle
Máquinas elétricas
Acelerômetros
Optical fibers
Optical detectors
Vibration - Analysis
Vibration - Control
Electric machinery
Accelerometers
Data do documento: 9-Dez-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: LINESSIO, Rafael Pomorski. Estudo e desenvolvimento de sensores a fibra óptica para a análise e controle de vibrações em máquinas elétricas e estruturas. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2020.
Resumo: A análise de vibrações é uma das principais técnicas utilizadas para a identificação do comportamento de estruturas e máquinas elétricas. Em ambas as áreas há a necessidade de monitorar e identificar as componentes em frequência. Em estruturas, a alteração das frequências pode estar relacionada à variação da rigidez e, consequentemente, a uma possível presença de defeito. Em máquinas elétricas, através do espectro de vibração, é possível identificar falhas no rotor, estator e rolamentos. Os fatores como influência do campo eletromagnético em máquinas elétricas, longas distâncias e descargas atmosféricas ao analisar edificações de grande porte, sugere o desenvolvimento de novos sensores, propiciando um campo promissor para a aplicação dos sensores ópticos. Assim, neste trabalho é desenvolvido um acelerômetro óptico biaxial empregando redes de Bragg em fibra óptica (FBG) com elevada abertura numérica (UHNA). As etapas para o desenvolvimento do acelerômetro são definidas em: projeto, caracterização, calibração e teste. A frequência de ressonância e sensibilidade do transdutor é de 1250,00 Hz e 100 pm.g−1, respectivamente. Para validar a resposta do acelerômetro óptico biaxial para o monitoramento das frequências de vibrações em máquinas elétricas, são realizados ensaios a vazio e com carga no eixo do motor analisado. Além disso, neste trabalho é proposto a técnica de controle de vibrações, empregando os neutralizadores, aliado ao sensoriamento óptico. Para a análise dos neutralizadores de vibrações é implementado um modelo passivo massa-mola (MK), massa-mola-amortecedor (MKC), semi-ativo e híbrido do tipo pendular para o controle da vibração em um prédio em escala. O neutralizador MK é sintonizado na primeira frequência natural do prédio, impondo elevada impedância nessa componente. Para o neutralizador MKC é empregado o material viscoelástico C-1002, devido ao seu elevado amortecimento permite o controle na faixa de 1,45 Hz a 1,71 Hz. O neutralizador semi-ativo é implementado baseado na topologia feedback, tendo a FBG como sensor. Para validação desse sensor na análise do controle de vibração, a resposta é comparada com o sensor piezoelétrico. A faixa de controle desse sistema está limitada entre 1,10 Hz e 1,55 Hz e a atenuação obtida da excitação próximo da frequência natural do prédio é de 14 dB. O neutralizador pendular híbrido alia as características do elemento passivo e semi-ativo, permitindo a banda larga de atuação definida entre 1,10 Hz e 1,65 Hz. Em suma, o desenvolvimento do acelerômetro óptico baseado na fibra óptica UHNA e dos neutralizadores de vibrações, permitiram validar esses projetos e assim implementar futuras aplicações na análise e no controle de vibrações.
Abstract: Vibration analysis is one of the main techniques used to identify the behavior of structures and electrical machines. In both areas, there is a need to monitor and identify the components in frequency. In structure monitoring, the alteration of frequencies can be related to the stiffness variation and, consequently, the defect identification. In electrical machines, based on the vibration spectrum, it is possible to identify failures in the rotor, stator, and bearings. The influence of the electromagnetic field in electrical machines, long distances, and atmospheric discharges when analyzing large buildings suggests developing new sensors, providing a promising area for applying optical sensors. Thus, in this work, a biaxial optical accelerometer is developed using fiber Bragg gratings (FBGs) with a high numerical aperture (UHNA). The steps development of the accelerometer is defined as project, characterization, calibration, and testing. The resonance frequency and sensitivity of the transducer is 1250.00 Hz and 100 pm.g−1, respectively. The tests are carried out with and without the load on the analyzed motor axis. This allows for validation of the biaxial optical accelerometer response for monitoring the frequencies of vibrations in electrical machines. In addition, the vibration control technique is proposed in this work, based on the neutralizers, coupled with optical sensing. For the analysis of vibration neutralizers, a passive spring-mass (MK), spring-mass-damping (MKC), the semi-active and hybrid pendulum-type model is implemented to control vibration in a building in scale. The MK neutralizer is tuned to the building’s first natural frequency. For the MKC neutralizer, the viscoelastic material C-1002 is used, which sets a control in the range of 1.45 Hz to 1.71 Hz. The semi-active neutralizer is implemented based on the feedback topology, having the FBG as sensor. For validation of this sensor in vibration control analysis, the response is compared with the piezoelectric sensor. The control range of this system is limited between 1.10 Hz and 1.55 Hz, and the attenuation obtained from the excitation near the natural frequency of the building is 14 dB. The hybrid pendular neutralizer combines the passive and semi-active element’s characteristics, allowing the actuation broadband between 1.10 Hz and 1.65 Hz. Thus, the optical accelerometer development based on UHNA fiber optics and the vibration neutralizers allowed validating these projects and implementing future vibration analysis and control applications.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/24495
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