A análise de vibrações nos sistemas estruturais e rotativos permite detectar problemas indesejáveis, como a fadiga estrutural e o desgaste excessivo, que contribuem para a redução da vida útil do sistema e seus componentes. Tradicionalmente, a medição das vibrações é realizada por sensores de contato (acelerômetros e extensômetros), que possuem como inconveniente a adição de sua massa no sistema. Como alternativa, existem os sensores de não contato (LVD e ESPI), que são equipamentos de custo elevado. Este trabalho visa o desenvolvimento de um equipamento de baixo custo que realize medições multi-pontos sem contato do comportamento vibratório de estruturas e eixos rotativos. O método proposto utiliza como base os princípios da fotogrametria em conjunto com técnicas de subamostragem, que são utilizadas em estruturas ou máquinas com frequências de vibração conhecidas (e.g máquinas rotativas). A metodologia foi inicialmente aplicada em uma viga engastada-livre, excitada periodicamente por um shaker eletrodinâmico e posteriormente em um sistema rotativo montado em um bancada de testes. A viabilidade em se utilizar o método foi verificada comparando os resultados obtidos com as medições realizadas por um vibrômetro laser Doppler, no caso do sistema estrutural, e por sensores de proximidade indutivo nas vibrações do eixo rotativo. Com base nos comparativos, conclui-se que este método, mesmo apresentando limitações de resolução, pode ser perfeitamente empregado em medições de sistemas estruturais e rotativos assim como na análise modal operacional de estruturas. / The analysis of vibrations in structural and rotating systems allows the detection of undesirable problems, such as the structural fatigue and excessive wear, which contribute to the reduction of the useful life of the systems and their components. Traditionally, the measurement of vibrations is carried out by contacting sensors (accelerometers and strain gauges), which have the inconvenience of adding mass into the system. Alternativelly, there are the non-contacting sensors (LVD and ESPI), which are high cost equipments. This work aims at developing a low cost equipment that carry out multi-point non-contact measurements of the vibratory behavior of structures and rotating shafts. The proposed method uses as a basis the principles of photogrammetry together with sub-sampling techniques, which are used in structure or machines with known vibration frequencies (e.g rotating machines). The methodology was initially applied on a cantilever beam, periodically excited by an electrodynamic shaker and later in a rotating system mounted on a test bench. The feasibility of using the method was verified comparing the results obtained with measurements from a laser Doppler vibrometer, in the case of the structural system, and with inductive proximity sensors in the rotating shaft vibration. Based on the comparison analysis, one observes that this method can be perfectly used in vibration measurements in structural and rotating systems even with limitations in resolution as well as in operational modal analysis of structures.

Máquinas rotativas são sempre sujeitas à vibrações mecânicas, em menor ou maior grau, e para garantir um correto funcionamento destas máquinas, evitando falhas de operação, é necessário realizar o controle destas vibrações. Uma das frentes que vem se destacando nesta área é o controle ativo de vibrações. Neste tipo de abordagem as vibrações são controladas ativamente através de um sistema de atuação e de uma técnica de controle a ser empregada de forma satisfatória. Neste contexto, existem inúmeras abordagens da teoria de controle que podem ser aplicadas, e aqui é avaliada a aplicação da metodologia proposta por Udwadia e Kalaba para o controle de trajetória de sistemas não lineares, uma técnica de controle ainda não utilizada no controle ativo de vibrações em sistemas rotativos. Em um primeiro momento a avaliação do desempenho e potencial de aplicação desta metodologia é realizada em sistemas com quatro graus de liberdade através de comparação com controladores do tipo proporcional-integral-derivativo e regulador linear-quadrático. Os resultados obtidos pelo controlador avaliado são similares aos resultados obtidos pelo controlador proporcional-integral-derivativo com melhorias em termos de erro de posicionamento. A metodologia também é avaliada em um sistema rotativo com um maior número de graus de liberdade, no qual é possível compreender o comportamento do controlador em um sistema flexível. Por fim realiza-se um exemplo de aplicação da técnica em um sistema com um eixo rígido e mancal hidrodinâmico ativo de atuação eletromagnética. Os resultados de simulação obtidos mostram que a metodologia possui potencial de aplicação para sistemas que apresentam eixo rígido, no qual uma drástica redução na amplitude de vibração do sistema foi observada por toda faixa de operação avaliada, enquanto que a sua aplicação em sistemas com eixo flexível se tornou restrita aos dois primeiros modos de vibrar do sistema flexível utilizado, modelado através do método dos elementos finitos. / Rotating machinery are always subject to mechanical vibration to a lesser or greater degree, and to ensure proper operation of these machines, avoiding faulty operation, it is necessary to carry out the control of these vibrations. One of the fronts that stood out in this area is the active vibration control. In this type of approach, vibrations are actively managed through an actuation system and a control technique to be used satisfactorily. In this context, there are numerous approaches to control theory that can be applied, and here the application of the methodology proposed by Udwadia and Kalaba for trajectory control of nonlinear systems is evaluated, a control technique not yet used in active vibration control in rotating systems. At first the evaluation of the performance and potential application of this methodology is performed on systems with four degrees of freedom by comparison with controllers of the proportional-integral-derivative and linear-quadratic regulator type. The results of the evaluated controller are similar to results obtained by proportional-integral-derivative controller with improvements in positioning error. The methodology is also evaluated in a rotating system with a larger number of degrees of freedom, wherein we can understand the controllers behavior in a flexible system. Finally, an application example of the technique on a system with a rigid shaft and hydrodynamic bearing with electromagnetic actuators is presented. The obtained simulation results show that the method has application potential to systems having rigid shaft, in which a dramatic reduction in the amplitude of vibration of the system was observed at all the operating range evaluated, whereas their application in systems with flexible shaft became restricted to the first two vibration modes of the flexible system used, modeled by the finite element method.

O presente estudo apresenta a análise numérica do escoamento do fluido de trabalho em uma turbina Tesla com rotor estacionário. O estudo de independência de malha prevê o uso de aproximadamente 2 milhões de volumes, com desempenho semelhante ao das malhas mais refinadas, apresentando uma economia significativa de esforço computacional. Três modelos de turbulência da abordagem RANS são aplicados com o objetivo de estabelecer uma metodologia para estudos futuros com dados experimentais. Os diferentes modelos de turbulência fornecem resultados para a predição do torque na turbina, com uma variação abaixo de 1 % entre si. Ar é usado como fluido de trabalho a pressão manométrica de 2,5 bar, alcançando velocidades no entorno de 310 m.s-1 na região da garganta do bocal e na região de jato livre, logo após a descarga do bocal. Essa condição permite afirmar que a turbina funciona na sua condição de máxima vazão, com o número de Mach próximo ao valor unitário, com escoamento compressível A velocidade na região interna entre discos chega a um valor máximo de 100 m.s-1. Na ausência de dados experimentais e de literatura, um estudo paramétrico com diferentes condições de operação da turbina é realizado a fim de verificar a qualidade dos resultados simulados. A vazão mássica é estimada com base na temperatura e pressão do fluido de trabalho, modelado como gás ideal. Os resultados preditos pelo modelo numérico para o torque no rotor é de 2,09 N.m com pressão manométrica de 1,5 bar e vazão mássica de 33,58 g/s, 2,22 N.m com pressão manométrica de 2,0 bar e vazão mássica de 40,29 g/s, e 2,38 N.m com pressão manométrica de 2,5 bar e vazão mássica de 53,73 g/s. A temperatura foi de 300 K mantida constante para as três análises. Para os casos analisados, o número de Mach na garganta do bocal convergente apresentou uma tendência ao valor unitário, variando entre 0,7 a 1, o que sugere que o bocal está trabalhando na sua condição máxima de vazão do fluido de trabalho. / The present study presents the numerical analysis of the working fluid flow in a Tesla turbine with stationary rotor. The mesh independence study predicts the use of approximately 2 million volumes, with similar performance to those most refined meshes, presenting a significant saving of computational effort. Several turbulence models of the RANS approach are applied with the aim of establishing a methodology for future studies with experimental data. The different turbulence models provide very close results for turbine torque prediction, with a variation below 1% between them. Air is used as working fluid at a pressure of 2.5 bar gauge, reaching velocities around 310 m.s-1 in the throat region of the nozzle and in the free jet region, just after the discharge of the nozzle. This condition allows to state that the turbine works in its maximum flow condition, with the Mach number close to unitary value, with a compressible flow The velocity in the inner region between disks reaches 100 m.s-1. In the absence of experimental data and literature, a parametric study with different operating conditions of the turbine is performed in order to verify the quality of the simulated results. The mass flow rate is estimated based on the temperature and pressure of the working fluid, modeled as the ideal gas. The results predicted by the numerical model for the torque in the rotor is 2.09 N.m with gauge pressure of 1.5 bar and a mass flow rate of 33.58 g/s, 2.22 N.m with gauge pressure of 2.0 bar and a mass flow rate of 40.29 g/s, and 2.38 N.m with gauge pressure of 2.5 bar and flow mass of 53.73 g/s. The temperature was 300 K kept constant for all three cases. For the analyzed cases, the Mach number in the throat of the convergent nozzle showed a tendency to the unit value, ranging from 0,7 to 1,0 which suggests that the nozzle is working in its maximum flow condition of the working fluid.

Le travail de cette thèse s’inscrit dans la commande non linéaire des structures éoliennes. Le premier objectif de cette thèse est la commande d’une éolienne standard fonctionnant à vitesse et angle de calage variables. Les stratégies de commande proposées permettant de commander l’éolienne dans des zones de fonctionnement différentes (optimisation et limitation de la puissance produite). Le deuxième objectif consiste en la conception de commande d’une nouvelle structure d’éolienne à double rotor. L’originalité de cette structure réside dans le fait qu’elle peut pivoter face au vent sans actionneur dédié, et ce grâce à la rotation libre du bras portant les deux éoliennes. Deux architectures de commande sont proposées afin d’orienter la structure face au vent : l’une crée un différentiel des angles de calage des pales des deux éoliennes, l’autre agissant via la différence de puissance produite par les deux génératrices. Étant donné que l’environnement est incertain et fortement perturbé (variations du vent, erreurs de modélisation, bruits de mesure), des lois de commande non linéaires robustes sont proposées. L’efficacité des stratégies de commande a été vérifiée selon différents scénarios. / This work deals the nonlinear control of wind turbine structures. The first objective is the design of control laws of a standard wind turbine with variable speed-variable pitch angle. The proposed control strategies allow controlling the wind turbine indifferent operating areas (optimization and powerlimitation).The second objective consists in controlling a new structure of twin wind turbines. The originality of this structure lies in the fact that it can rotate face the wind without using a dedicated actuator, thanks to the free rotation of the arm carrying the wind turbines. Two control architectures are proposed in order to ensure the structure face the wind : pitch angles differential and the produced power difference. Given that the environment is uncertain (windvariations, modeling errors, noise), robust nonlinear control laws are proposed for a multiple objectives. The efficiency of the control strategies have been carried out according to several scenarios.

<p>The discovery and utilization of novel starches with unique superb properties are highly demanded for modern industrial uses. Small-granule starch (SGS) is a category of unconventional starches with the granular size smaller than 10 μm. The potential use of SGS includes many conventional and novel high-value applications, such as texturizing, fat replacement, encapsulation, controlled delivery and nano-engineering. In the present work, we focused on three SGS isolated from amaranth (<i>Amaranth cruentus</i>), cow cockle (<i>Saponaria vaccaria</i>) and sweet corn (<i>sugary-1</i> maize mutant). The basic structural and unique physical properties of SGS were characterized and compared to common large-granule food starches. It was found that (1) the highly branched amylopectin contributed to low crystallinity and pasting viscosities of sweet corn starch, (2) cow cockle starch exhibited high shear-resistance and low retrogradation in prolonged storage, and (3) the amylopectin for amaranth starch was less branched with small clusters, which was associated with the high crystallinity, medium shear-resistance and low pasting viscosity of amaranth starch. Despite the small size of starch granules, SGS in both native and swelling states showed the capacity of retaining small molecules. Compared to large-granule starch, native SGS are more difficult for small molecules to reach an equilibrium permeation. This work provides insights to the fine structure and physicochemical behaviors of selected high-potent SGS, which is believed to support the industrial production and application of SGS in the future.</p> <p>The characteristics of local polymeric structure dominate many critical properties of glucan particles, such as starch retrogradation and the loading and stabilizing of active substance. Molecular rotor (MR), a fluorescent probe, was proposed to fulfill the simple, high-sensitive, and quantitative-based characterization of local glucan architecture (LGA). In the present work, two innovative studies relevant to this novel method were conducted: (1) MR was able to characterize glucans based on its unique fluorescent response to characteristic LGA, (2) MR was able to sensitively probe and visually demonstrate the transition of LGA induced by starch retrogradation. This novel MR-based approach is expected to advance carbohydrate-related researches in the future.</p>

De manière générale, les turbomachines sont des machines tournantes permettant la conversion des différents types d’énergie. Ces dernières sont composées d’une partie mécanique en rotation, appelée rotor, interagissant avec un fluide. La rotation a donc un rôle clé pour ces machines et la liaison entre les parties fixes et les parties tournantes, appelée palier, est primordiale pour un fonctionnement fiable et optimal. Les turbomachines supportées par des paliers magnétiques actifs (PMAs) sont de plus en plus utilisées par les industriels notamment grâce à l’absence de contact direct entre parties fixes et parties tournantes, permettant un gain d’énergie et une réduction des émissions de CO2. La plupart du temps, ces machines sont « embarquées » et reposent sur des supports mobiles. Les mouvements générés par ces supports doivent être considérés dans la prévision du comportement dynamique des turbomachines afin d’améliorer les designs en conséquence. Cette thèse est une contribution à l’étude des turbomachines supportées par des PMAs sujettes à de fortes sollicitations extérieures. L’approche est numérique et expérimentale. L’utilisation d’un banc d’essais académique composé d’un système rotor-PMA, aux propriétés d’une turbomachine industrielle, a permis de tester les modèles développés pour des cas de sollicitations extérieures de type séisme et choc, générées grâce à l'excitateur 6-axes de l'equipex PHARE. Il est montré que le modèle permet la bonne prévision du comportement réel de la machine. Cet outil pourra donc être utilisé pour des designs de type industriel. / Turbomachines are rotating machines enabling the conversion of the different types of energy. The latter are composed of a rotating mechanical part, called rotor, interacting with a fluid. Therefore, rotation play a key role in these machines and the mechanical link between the fixed and the rotating parts, called bearing, is essential for reliable and optimal operations. Turbomachines supported by active magnetic bearings (AMBs) are increasingly used by industrial companies, especially thanks to the absence of direct contact between fixed and rotating parts, enabling energy savings and reduction of CO2 emissions. Most of the time, these machines are "on-board" and are fixed on mobile supports. The motions generated by these supports must be considered in the prediction of the dynamic behaviour of turbomachinery in order to improve the designs accordingly. This PhD is a contribution to the study of turbomachines supported by AMBs subjected to strong external base motions. The approach is numerical and experimental. The use of an academic scale test rig comprising a rotor-AMB system, with the properties of an industrial turbomachine, allowed to test the developed models for cases of external solicitations such as earthquake and shock, thanks to the 6-axis shaker of the equipex PHARE. It is shown that the model provides good predictions of the behaviour of the machine for the tested cases. This tool can therefore be used for industrial designs.

Orientador: Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2013

Orientador: Prof. Dr. Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2015. / This research project presents the active and reactive power control of the Doubly Fed Induction Generator (DFIG) employing fuzzy logic for a wind power generation system, the proposed controller is a Fuzzy Logic Controller Takagi Sugeno type (TS FLC) which determines the rotor voltage by the rules base dened by a linear combination of the membership sets of the rotor current error, that reduces the complexity of the structure and consequently a lower computational cost and its easy to implement on a experimental set compared to other controllers such as Fuzzy Mamdani type. System control is accomplished using Stator Flux Field Oriented Control with Space Vector Modulation and computer simulation using mathematical models implemented in Matlab/Simulink. The results indicates that the FLC TS could be an interesting alternative to conventional controllers in the power control of the DFIG during normal operation conditions and under balanced voltage sags conditions.

Máquinas rotativas são sempre sujeitas à vibrações mecânicas, em menor ou maior grau, e para garantir um correto funcionamento destas máquinas, evitando falhas de operação, é necessário realizar o controle destas vibrações. Uma das frentes que vem se destacando nesta área é o controle ativo de vibrações. Neste tipo de abordagem as vibrações são controladas ativamente através de um sistema de atuação e de uma técnica de controle a ser empregada de forma satisfatória. Neste contexto, existem inúmeras abordagens da teoria de controle que podem ser aplicadas, e aqui é avaliada a aplicação da metodologia proposta por Udwadia e Kalaba para o controle de trajetória de sistemas não lineares, uma técnica de controle ainda não utilizada no controle ativo de vibrações em sistemas rotativos. Em um primeiro momento a avaliação do desempenho e potencial de aplicação desta metodologia é realizada em sistemas com quatro graus de liberdade através de comparação com controladores do tipo proporcional-integral-derivativo e regulador linear-quadrático. Os resultados obtidos pelo controlador avaliado são similares aos resultados obtidos pelo controlador proporcional-integral-derivativo com melhorias em termos de erro de posicionamento. A metodologia também é avaliada em um sistema rotativo com um maior número de graus de liberdade, no qual é possível compreender o comportamento do controlador em um sistema flexível. Por fim realiza-se um exemplo de aplicação da técnica em um sistema com um eixo rígido e mancal hidrodinâmico ativo de atuação eletromagnética. Os resultados de simulação obtidos mostram que a metodologia possui potencial de aplicação para sistemas que apresentam eixo rígido, no qual uma drástica redução na amplitude de vibração do sistema foi observada por toda faixa de operação avaliada, enquanto que a sua aplicação em sistemas com eixo flexível se tornou restrita aos dois primeiros modos de vibrar do sistema flexível utilizado, modelado através do método dos elementos finitos. / Rotating machinery are always subject to mechanical vibration to a lesser or greater degree, and to ensure proper operation of these machines, avoiding faulty operation, it is necessary to carry out the control of these vibrations. One of the fronts that stood out in this area is the active vibration control. In this type of approach, vibrations are actively managed through an actuation system and a control technique to be used satisfactorily. In this context, there are numerous approaches to control theory that can be applied, and here the application of the methodology proposed by Udwadia and Kalaba for trajectory control of nonlinear systems is evaluated, a control technique not yet used in active vibration control in rotating systems. At first the evaluation of the performance and potential application of this methodology is performed on systems with four degrees of freedom by comparison with controllers of the proportional-integral-derivative and linear-quadratic regulator type. The results of the evaluated controller are similar to results obtained by proportional-integral-derivative controller with improvements in positioning error. The methodology is also evaluated in a rotating system with a larger number of degrees of freedom, wherein we can understand the controllers behavior in a flexible system. Finally, an application example of the technique on a system with a rigid shaft and hydrodynamic bearing with electromagnetic actuators is presented. The obtained simulation results show that the method has application potential to systems having rigid shaft, in which a dramatic reduction in the amplitude of vibration of the system was observed at all the operating range evaluated, whereas their application in systems with flexible shaft became restricted to the first two vibration modes of the flexible system used, modeled by the finite element method.

Nesta tese de doutorado é proposta uma abordagem para estimar a velocidade angular de geradores síncronos conectados em um sistema elétrico de potência, a partir de sinais que podem ser facilmente mensurados, tais como a corrente e a tensão na barra do lado de alta tensão do transformador que conecta o gerador em análise ao restante do sistema. Uma vez que informações precisas sobre o comportamento dinâmico do sistema são de elevada importância para um controle efetivo do SEP, especialmente com o aumento da complexidade da rede, a abordagem proposta nesta tese fornece uma estimativa do sinal de velocidade que pode ser aplicada no estudo da estabilidade a pequenas perturbações para mitigar os problemas inerentes a presença das oscilações eletromecânicas mal amortecidas nos SEPs. A abordagem desenvolvida é composta por dois métodos sendo cada um deles aplicável dependendo das características do problema a ser resolvido e das informações disponíveis para tanto. No primeiro método, uma técnica de sensibilidade da trajetória é aplicada ao sinal de diferença entre a resposta obtida pelo modelo simulado e aquela fornecida por dados amostrados no sistema real emulado. A partir desse sinal de erro e das curvas de sensibilidade, a técnica possibilita calibrar os coeficientes de um modelo linear do SEP e, consequentemente, descrever de forma precisa a resposta da velocidade do gerador em análise. No segundo método, uma técnica de filtragem é utilizada (filtro de Kalman Unscented) a qual fornece uma estimativa adequada para a velocidade angular do rotor mesmo quando elevadas discrepâncias são observadas entre a saída do modelo simulado e a resposta amostrada no sistema real. Os resultados obtidos sobre diferentes sistemas testes evidenciam a eficiência da abordagem proposta. / In this thesis, an approach is proposed to estimate the rotor speed of synchronous generators connected to an electric power system (EPS), from signals that can be easily sampled by measuring equipment, such as current and voltage in high voltage side of the step-up transformer of the power plant. Accurate information about the dynamic behavior of system is essential for effective control and reliable operation of EPS, especially with the increasing complexity of the grid. Hence, the main aim of this work is to provide an estimate of the rotor speed signal that can be applied in the area of small-signal stability, in order to mitigate the detrimental effects of poorly damped electromechanical oscillations in EPSs. The developed approach is composed of two methods, where each of them is applicable depending on the characteristics of the problem to be solved and the available information. In the first method, a trajectory sensitivity technique is applied on the mismatch between the simulated output in the system linear model and the response of the real system. Using this error signal and the sensitivity curves, this method allows to identify and to calibrate some coefficients of the linear model and, consequently, to adequately describe the speed response of the generator under analysis. In this second method, a filtering technique is used, the Unscented Kalman Filter, which provides an adequate estimate for rotor speed even when high discrepancies are observed between the linear model and the sampled response of real system. The results obtained on test systems with different characteristics show the efficiency of the proposed approach.