Neste trabalho, são apresentados a discussão de conceitos fundamentais, a metodologia e os resultados de simulações numéricas baseadas no Método de Volumes Finitos do escoamento de ar sobre algumas opções de configurações de turbinas eólicas do tipo Savonius, com e sem estatores, em operação e, também, em condições estáticas, como as encontradas nas partidas das mesmas. Comparam-se os resultados para diferentes domínios computacionais, bem como alternativas de discretização espacial e temporal, visando apresentar a influência desses sobre os valores obtidos e estabelecer os parâmetros computacionais adequados para a análise das turbinas em estudo. Nas simulações numéricas, desenvolvidas empregando o programa comercial Star-CCM+, a equação da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds são resolvidas, juntamente com as equações de um modelo de turbulência adequado, que é escolhido, para a obtenção dos campos de pressão e de velocidade do escoamento. Emprega-se um domínio contendo uma região com malha móvel, na qual o rotor é inserido. A cada simulação, a velocidade angular da região de malha móvel é especificada de maneira a variar a razão de velocidade de ponta do rotor. Através da integração das forças ocasionadas devido aos gradientes de pressão e das forças originadas pelo atrito viscoso sobre as pás do rotor eólico, obtém-se o coeficiente de torque em cada simulação. O torque e as forças atuantes no rotor também são obtidos de forma semelhante. Com esses dados, outros parâmetros como a potência e o coeficiente de potência são obtidos. Análises dos principais parâmetros de desempenho do rotor Savonius são realizadas e indicam uma boa concordância com resultados experimentais e de simulações numéricas realizadas por outros autores. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram-se bastante representativos do fenômeno analisado. / This research work presents a discussion of basic concepts, the methodology and the results of numerical simulations based on Finite Volume Method for the air flow through some configuration options of the Savonius wind turbines, with and without stators, in operation, and also under static conditions, such as those found in the self starting. Results for different computational domains, as well as alternative spatial and temporal discretization are compared, in order to present the influence of these on the obtained values from the computational analysis of the turbines in study. In the numerical simulations, performed using the commercial software Star-CCM+, the equation of continuity and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations were solved, together with the equations of a turbulence model appropriate, which is chosen, so that the fields of pressure and velocity could be found. It was used, in the calculations, a domain containing a region with a moving mesh, in which the rotor was inserted. In each simulation, the rotational rate of the moving mesh region was specified so as to vary the tip speed ratio of rotor. Through the integration of the forces arising due to the pressure gradients and the forces originated from the viscous friction on the wind rotor blades, the moment coefficient could be obtained in each simulation. The moment and forces acting on the rotor were also obtained similarly. With these data, other parameters such as the power and the power coefficient of the wind rotor could be obtained. Analysis of the principals performance parameters of the Savonius wind rotor were performed and indicated a good agreement with experimental results and numerical simulations performed by other authors. The simulations results are quite representative of the phenomenon analyzed.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. A viabilização de uma instalação eólica de grande porte depende da avaliação correta do potencial eólico. A fim de avaliar a capacidade de conversão de energia cinética do vento em torque, é fundamental a modelagem da esteira aerodinâmica das turbinas eólicas. Este trabalho apresenta um estudo sobre a esteira aerodinâmica formada por uma turbina eólica dimensionada conforme a teoria de otimização de Betz. Para tanto, realiza-se inicialmente uma pesquisa sobre a evolução da transformação da energia contida no vento em energia mecânica e métodos de análise adotados. Para modelagem da esteira, realiza-se a simulação numérica do escoamento sobre uma turbina de eixo horizontal empregando o Método de Volumes Finitos. Através do uso da Dinâmica dos Fluidos Computacional são resolvidas as Equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS) e a utilização dos modelos de turbulência k-, k- RNG, k- e k- SST. Para a solução das equações é utilizado o programa ANSYS-CFX. Define-se o perfil NACA 4412 como perfil aerodinâmico para projeto das pás da turbina, e modela-se a turbina através da teoria de dimensionamento ótimo de Betz. O domínio, discretizado em um número finito de volumes de controle, possui duas regiões distintas, uma estática e outra rotacional, representado o rotor da turbina. Inicialmente são apresentadas simulações com os diferentes modelos de turbulência e definido o modelo que apresenta os melhores resultados, o k- SST. Para o modelo escolhido são realizadas simulações incluindo estudos com a turbina inclinada em relação à direção de incidência do vento, para verificar a alteração no perfil da esteira gerada e na capacidade da turbina em transformar a energia do vento em Torque. Os resultados obtidos para os campos de velocidade e pressão são comparados com os de outros autores e mostraram-se coerentes, indicando que a simulação feita é capaz de representar o fenômeno analisado. / The evolution of the use of the wind energy in recent decades is directly related to the technology in the facilities conversion and design. The feasibility of a large wind farm depends on the correct assessment of wind potential. To evaluate the capacity of converting wind kinetic energy in torque, it is essential to model the wake aerodynamics of wind turbines. This paper presents a study on the aerodynamic wake formed by a wind turbine sized according to the Betz optimization theory. For this, initially it is performed a research on the evolution of the energy contained in wind into mechanical energy and the adopted analysis methods. For wake modeling, a horizontal axis wind turbine flow numerical simulation is done using the Finite Volume Method. Using the Computational Fluid Dynamics, the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are solved with the use of the k-, k- RNG, k- e k- SST turbulence models and using the software ANSYS-CFX. It is defined the NACA 4412 profile as aerodynamic profile for turbine blades and the turbine is modeled using the Betz optimization theory. The domain, discretized into a finite number of control volumes, has two distinct regions, one static and one rotational, represented the turbine rotor. Initially the simulations with different turbulence models are presented and the model k- SST is defined as the model that gives best results. For the chosen model, simulations are performed, including studies on the turbine yawed with respect to the wind incidence direction, to verify the profile change in the generated wake and turbine capacity to convert wind energy into torque. The obtained results for the velocity and pressure fields are compared to other authors are very consistent, indicating that the proposed simulation is capable of representing the analyzed phenomenon.

Este trabalho apresenta a avaliação experimental em túnel aerodinâmico de características de dois aerogeradores de pequeno porte com cinco pás. Para isso, utilizando-se prototipagem 3D, construíram-se dois modelos em escala reduzida, os quais foram avaliados primeiramente utilizando-se Pás Ótimas de Betz e depois Pás Ótimas de Betz Modificadas. Antes de se avaliar o equipamento determinou-se a distribuição de velocidades na seção transversal do túnel com o auxílio de um tubo de Pitot. Com o perfil de velocidades do túnel conhecido, determina-se o torque estático do protótipo com o uso de um torquímetro digital acoplado ao eixo do equipamento, que registrou todas as leituras para as faixas de velocidade de 1 m/s até 9,88 m/s. Também com o torquímetro avalia-se a influência da posição angular das pás no torque medido. Para tanto, elas são projetadas móveis no hub, o que possibilitou variar sua angulação em relação ao escoamento, mudando assim o ângulo de ataque e, por conseguinte o torque produzido. Empregou-se um foto tacômetro para medir a rotação do modelo em giro livre. Com os dados obtidos, determina-se a curva de torque estático e a curva de RPM em função da velocidade incidente. Através da determinação experimental do perfil de velocidade incidente e do perfil de velocidade na esteira aerodinâmica de cada turbina é avaliada a variação da quantidade de movimento do escoamento e determinada a potência extraída pelos rotores em rotação livre. Este estudo visa contribuir com o projeto de um aerogerador real, prevendo as características aerodinâmicas que o equipamento apresentará se construído com o presente layout. Com os dados analisados se faz uma previsão para as curvas de potência dos protótipos. Os resultados experimentais de torque e potência demonstram boa aproximação com os resultados obtidos por avaliação analítica pelo método do elemento de pá. A prototipagem 3D administrada se mostrou eficaz traduzindo realismo e excelente custo-benefício. A turbina construída com Pás Ótimas de Betz apresentou torque estático 17,8% superior à construída com as Pás Modificadas e extraiu 22% a mais de potência do escoamento de ar. / This paper presents the experimental evaluation in wind tunnel of two small wind turbines features five blades. Therefore, using 3D prototyping, two models were built on a reduced scale, which were first evaluated using Optimal Blade Betz and Optimal Blade Betz Modified. Prior to evaluating the distribution machine at speeds determined in the tunnel cross-section with the aid of a Pitot tube. With the known tunnel velocity profile, determines the static torque of the prototype with the use of a digital torquimeter coupled to the machine axis, which recorded all the readings for the speed range of 1 m/s to 9,88 m/s. Also with the torquimeter evaluates the influence of the angular position of the blades in the measured torque. Therefore, it is mobile designed in the hub, allowing vary their angle in the outflow, thereby changing the angle of attack and therefore the torque produced. Employed a photo tachometer for measuring the rotation of the model in free spin. With the data, determines the static torque curve and RPM curve as a function of incident speed. Through experimental determination of the incident velocity profile and the velocity profile in the aerodynamic wake of each turbine is evaluated the variation of the amount of movement of the flow and determined the power extracted by the rotor in free rotation. This study aims to contribute to the design of a real wind turbine informing the aerodynamic characteristics of the equipment shall be constructed with this layout. With the data analyzed to make a prediction for the prototype power curves. The experimental results demonstrate torque and power good approximation to the results obtained by evaluation by analytical element of the paddle method. The turbine constructed with Optimal Betz Blades presented static torque 17,8% higher than constructed with the Modified Blades and extracted 22% more power air outflow.

Esta Tese apresenta o desenvolvimento de um modelo de sistema capaz de monitorar, adquirir, armazenar e transmitir dados remotamente utilizando diversos sensores e rede de celulares 3G para ser aplicada no projeto de pequenos aerogeradores, tendo como meta gerar um produto que apresente boa relação custo/eficiência, com emprego de materiais e processos de manufatura adaptados à realidade mundial. É apresentado um novo modelo de sistema para aquisição de dados, baseado na integração das novas tecnologias da informação e comunicação e de técnicas de processamento analógico e digital de sinais, visando estudar o desempenho de parâmetros gerados em um pequeno aerogerador de bancada. Através deste modelo será possível monitorar continuamente, dentro dos intervalos previstos de amostragem, a ocorrência de mudanças dos parâmetros analisados através de sensores instalados no aerogerador. Os resultados das análises destes sensores podem ser adquiridos e transmitidos remotamente através da Rede 3G, diretamente para uma sala de operações ou ainda ser disponibilizada na WEB através das novas tecnologias e mídias sociais. As informações aqui estudadas mostram resultados que podem ser úteis para qualquer segmento do mercado e para todas as áreas científicas, econômicas e ambientais, que queiram conhecer e aplicar o modelo de um sistema de aquisição e monitoração de dados para o gerenciamento de aerogeradores de pequeno porte. Apesar de no experimento ter sido utilizado variáveis de um aerogerador, são mostradas outras aplicações possíveis de aquisição de dados, monitoramento e experimentos remotos utilizando-se o canal de comunicação celular 3G e a integração das novas tecnologias de informação e comunicação. / This thesis presents the development of model system that can monitor, acquire, store and transmit data remotely using various sensors and 3G cellular network to be applied in the design of small wind turbines, aiming to generate a product that presents a cost-efficient through use of materials and manufacturing processes adapted to the reality world. It presented a new model system for data acquisition based on the integration of new information technologies and communication and processing techniques of analog and digital signals, to study the performance of parameters generated in a small wind turbine bench and remote. Through this model will be possible to monitor continuously, within the ranges provided for sampling, the occurrence of changes of parameters measured by sensors installed in the turbine. The results of analysis of these sensors can be acquired and transmitted remotely via the 3G network, directly to an operating room or be available on the Web with new technologies and social media. The information studied here show results that may be useful for any market segment and for all scientific, economic and environmental issues, willing to learn and apply the model of an acquisition system and data monitoring for management of small wind turbines. Although the experiment has been used variables of a wind turbine, are shown other possible applications of data acquisition, remote monitoring and experiments using the 3G mobile communication channel and the integration of new information technologies and communication.

Aerogeradores, ou turbinas eólicas, são máquinas instaladas em grandes parques eólicos que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. A definição da separação e da interação entre máquinas é um fator fundamental de análise durante a fase de projeto, pois os chamados efeitos de esteira podem inviabilizar o desenvolvimento de um parque eólico. Em geral, a esteira de um aerogerador está caracterizada por um significativo déficit de velocidade e uma intensificação dos níveis de turbulência, o que ocasiona a diminuição da eficiência aerodinâmica e a redução da vida útil das máquinas localizadas a sotavento. Embora existam diferentes pesquisas destinadas à compreensão e previsão dos efeitos de esteira, o problema permanece como uma questão desafiadora que exige a adoção de ferramentas de alta precisão para sua identificação. Este trabalho apresenta uma metodologia experimental em túnel de vento, para a caracterização e avaliação do campo de escoamento na esteira aerodinâmica de um modelo reduzido, sob diferentes condições de escoamento incidente. Especificamente, investiga-se a influência da turbulência atmosférica para quatro perfis de escoamento: i) uniforme-suave; ii) uniforme-turbulento; iii) lei potencial com expoente α = 0,11; iv) lei potencial com expoente α = 0,23. Todos os casos foram conduzidos sob condições de estratificação neutra, e foi utilizado anemômetro de fio-quente para efetivar as medições dos perfis de velocidade média e intensidade da turbulência, em diferentes posições da esteira. Os resultados mostraram diferenças substanciais no comportamento dos perfis de esteira, em função dos níveis de turbulência incidente. Particularmente, observou-se que o incremento da turbulência atmosférica reduz o déficit de velocidade e promove uma maior mistura turbulenta, o que acelera a dissipação dos efeitos de esteira. Assim, a metodologia experimental em túnel de vento evidencia-se como uma importante ferramenta de análise que possibilita amplo espectro para a investigação, precisão e confiabilidade de projetos eólicos. / Wind turbines are machines installed in large wind farms to convert the wind's kinetic energy into electrical power. For an optimal wind farm siting, it is necessary to take into account the interaction between wind turbine wakes. In general, wake effects are associated with velocity deficit and enhanced turbulence intensity. This may reduce the aerodynamic efficiency and lifetime of downwind turbines, making the project unfeasible. Several experimental and numerical studies have been conducted to unravel the behavior of wind turbine wakes under different inflow conditions. However, current wind farm siting tools are incapable of accurately predicting and assessing its effects. This document presents an experimental methodology in the wind tunnel to survey the influence of the atmospheric turbulence on the wake flow field of a wind turbine model. Specifically, four different flow conditions were investigated: i) uniform-laminar; ii) uniform-turbulent; iii) power law exponent α = 0.11; iv) power law exponent α = 0.23. All cases were developed under neutrally stratified conditions. Hot-wire anemometry was used to obtain high-resolution measurements of the mean velocity and turbulence intensity profiles at different downwind positions. Results show that different turbulence intensity levels of the incoming flow lead to substantial differences in the spatial distribution of the wakes. Particularly, higher ambient turbulence promotes a faster wake recovery and lower velocity deficit. In conclusion, the use of wind tunnel experiments is a trustworthy alternative that brings precision and reliability to wind projects.

This master thesis describes a system capable of real-time characterization of power performance and power quality of wind turbines, based mainly on the IEC 61400-21 and IEC 61400-12-1 standards. To verify the performance of the proposed system, a fixed-speed wind turbine was emulated in laboratory. As experimental results, the power performance and power quality characteristics of the given wind turbine are shown. / Esta dissertação de mestrado descreve um sistema capaz de realizar em tempo real a caracterização da qualidade de energia e desempenho de potência de turbinas eólicas, com base nas normas IEC 61400-21 e IEC 61400-12-1. Para verificação do funcionamento do sistema proposto, uma turbina eólica de velocidade fixa foi emulada em laboratório. Como resultados experimentais, são apresentadas as características de qualidade de energia e desempenho de potência calculados para a turbina eólica em estudo.

Neste trabalho, são apresentados a discussão de conceitos fundamentais, a metodologia e os resultados de simulações numéricas baseadas no Método de Volumes Finitos do escoamento de ar sobre algumas opções de configurações de turbinas eólicas do tipo Savonius, com e sem estatores, em operação e, também, em condições estáticas, como as encontradas nas partidas das mesmas. Comparam-se os resultados para diferentes domínios computacionais, bem como alternativas de discretização espacial e temporal, visando apresentar a influência desses sobre os valores obtidos e estabelecer os parâmetros computacionais adequados para a análise das turbinas em estudo. Nas simulações numéricas, desenvolvidas empregando o programa comercial Star-CCM+, a equação da continuidade e as equações de Navier-Stokes com médias de Reynolds são resolvidas, juntamente com as equações de um modelo de turbulência adequado, que é escolhido, para a obtenção dos campos de pressão e de velocidade do escoamento. Emprega-se um domínio contendo uma região com malha móvel, na qual o rotor é inserido. A cada simulação, a velocidade angular da região de malha móvel é especificada de maneira a variar a razão de velocidade de ponta do rotor. Através da integração das forças ocasionadas devido aos gradientes de pressão e das forças originadas pelo atrito viscoso sobre as pás do rotor eólico, obtém-se o coeficiente de torque em cada simulação. O torque e as forças atuantes no rotor também são obtidos de forma semelhante. Com esses dados, outros parâmetros como a potência e o coeficiente de potência são obtidos. Análises dos principais parâmetros de desempenho do rotor Savonius são realizadas e indicam uma boa concordância com resultados experimentais e de simulações numéricas realizadas por outros autores. Os resultados obtidos nas simulações apresentaram-se bastante representativos do fenômeno analisado. / This research work presents a discussion of basic concepts, the methodology and the results of numerical simulations based on Finite Volume Method for the air flow through some configuration options of the Savonius wind turbines, with and without stators, in operation, and also under static conditions, such as those found in the self starting. Results for different computational domains, as well as alternative spatial and temporal discretization are compared, in order to present the influence of these on the obtained values from the computational analysis of the turbines in study. In the numerical simulations, performed using the commercial software Star-CCM+, the equation of continuity and the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations were solved, together with the equations of a turbulence model appropriate, which is chosen, so that the fields of pressure and velocity could be found. It was used, in the calculations, a domain containing a region with a moving mesh, in which the rotor was inserted. In each simulation, the rotational rate of the moving mesh region was specified so as to vary the tip speed ratio of rotor. Through the integration of the forces arising due to the pressure gradients and the forces originated from the viscous friction on the wind rotor blades, the moment coefficient could be obtained in each simulation. The moment and forces acting on the rotor were also obtained similarly. With these data, other parameters such as the power and the power coefficient of the wind rotor could be obtained. Analysis of the principals performance parameters of the Savonius wind rotor were performed and indicated a good agreement with experimental results and numerical simulations performed by other authors. The simulations results are quite representative of the phenomenon analyzed.

A evolução do uso da energia eólica nas últimas décadas está diretamente relacionada ao desenvolvimento da tecnologia empregada na conversão e projeto das instalações. A viabilização de uma instalação eólica de grande porte depende da avaliação correta do potencial eólico. A fim de avaliar a capacidade de conversão de energia cinética do vento em torque, é fundamental a modelagem da esteira aerodinâmica das turbinas eólicas. Este trabalho apresenta um estudo sobre a esteira aerodinâmica formada por uma turbina eólica dimensionada conforme a teoria de otimização de Betz. Para tanto, realiza-se inicialmente uma pesquisa sobre a evolução da transformação da energia contida no vento em energia mecânica e métodos de análise adotados. Para modelagem da esteira, realiza-se a simulação numérica do escoamento sobre uma turbina de eixo horizontal empregando o Método de Volumes Finitos. Através do uso da Dinâmica dos Fluidos Computacional são resolvidas as Equações de Navier-Stokes com Médias de Reynolds (RANS) e a utilização dos modelos de turbulência k-, k- RNG, k- e k- SST. Para a solução das equações é utilizado o programa ANSYS-CFX. Define-se o perfil NACA 4412 como perfil aerodinâmico para projeto das pás da turbina, e modela-se a turbina através da teoria de dimensionamento ótimo de Betz. O domínio, discretizado em um número finito de volumes de controle, possui duas regiões distintas, uma estática e outra rotacional, representado o rotor da turbina. Inicialmente são apresentadas simulações com os diferentes modelos de turbulência e definido o modelo que apresenta os melhores resultados, o k- SST. Para o modelo escolhido são realizadas simulações incluindo estudos com a turbina inclinada em relação à direção de incidência do vento, para verificar a alteração no perfil da esteira gerada e na capacidade da turbina em transformar a energia do vento em Torque. Os resultados obtidos para os campos de velocidade e pressão são comparados com os de outros autores e mostraram-se coerentes, indicando que a simulação feita é capaz de representar o fenômeno analisado. / The evolution of the use of the wind energy in recent decades is directly related to the technology in the facilities conversion and design. The feasibility of a large wind farm depends on the correct assessment of wind potential. To evaluate the capacity of converting wind kinetic energy in torque, it is essential to model the wake aerodynamics of wind turbines. This paper presents a study on the aerodynamic wake formed by a wind turbine sized according to the Betz optimization theory. For this, initially it is performed a research on the evolution of the energy contained in wind into mechanical energy and the adopted analysis methods. For wake modeling, a horizontal axis wind turbine flow numerical simulation is done using the Finite Volume Method. Using the Computational Fluid Dynamics, the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are solved with the use of the k-, k- RNG, k- e k- SST turbulence models and using the software ANSYS-CFX. It is defined the NACA 4412 profile as aerodynamic profile for turbine blades and the turbine is modeled using the Betz optimization theory. The domain, discretized into a finite number of control volumes, has two distinct regions, one static and one rotational, represented the turbine rotor. Initially the simulations with different turbulence models are presented and the model k- SST is defined as the model that gives best results. For the chosen model, simulations are performed, including studies on the turbine yawed with respect to the wind incidence direction, to verify the profile change in the generated wake and turbine capacity to convert wind energy into torque. The obtained results for the velocity and pressure fields are compared to other authors are very consistent, indicating that the proposed simulation is capable of representing the analyzed phenomenon.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents the analysis and implementation of a vector control applied to Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) used in grid connected wind turbines. DFIG s are nowadays the more widely used concept for grid connected wind turbine, especially for rated power above 1 MW. The main reason is the low rotor PWM power converter rating. The present work deals with the controller analysis of the back-to-back converter in the stator flux vector reference frame. This method allows a decoupled control of the active and reactive stator power. The PI controller bandwidth analysis in the DFIG dynamic behavior is presented. Initially, the impact of the bandwidth variation of the closed loop rotor current controller and the stability including the PLL estimator are investigated. In addition, this work proposes a new synchronization method that automatically synchronizes the induced stator voltage vector with the grid voltage vector without being affected by the position of the rotor. In order to validate the carried out analysis, experimental results are presented using a 5kW DFIG. It is basically composed by: one DFIG, two power converters connected in the rotor-side and in the grid-side, a line filter and the data acquisition and control system (DSP TMS320F2812). Both converters are commercial units and are vector controlled using appropriate interfaces and they are connected back-to-back, sharing the same DC bus. One of them is supplied through a line filter from the power grid and the other one with the output of the generators rotor. The stator of the generator is directly connected to the power grid. All components are extensively described in the work and their functions are discussed. The control structures for both inverters are presented. / Este trabalho apresenta à análise e implementação do controle vetorial de uma Máquina Assíncrona Trifásica com Rotor em Anéis Duplamente Alimentada (MATRADA) aplicado a aerogeradores de velocidade variável. Atualmente, o conceito da MATRADA é amplamente utilizado em aerogeradores modernos, principalmente em potências maiores que 1 MW. A principal razão é o custo reduzido do conversor estático duplo do circuito rotórico. Inicialmente, este trabalho trata da analise dos controladores vetoriais do conversor estático duplo, considerando o modelo matemático em coordenadas síncronas orientado no referencial do fluxo estatórico. Nesse referencial, é possível controlar as potências estatóricas de forma independente. No entanto, a posição do fluxo estatórico não pode ser obtida de forma direta. Devido a isso, incluiu-se um estimador para a posição do fluxo estatórico. Com a inclusão desse estimador no modelo matemático, foi investigada a estabilidade do sistema operando em malha fechada. A partir do modelo matemático incluindo o estimador, desenvolveu-se uma metodologia para o projeto dos controladores vetoriais do conversor estático duplo responsável pelo acionamento da MATRADA. Além disso, também é desenvolvida uma metodologia para a partida e sincronização do sistema de geração eólico com a rede elétrica que independe da velocidade de rotação da turbina. O comportamento dinâmico desse sistema perante distúrbios próximos ao ponto de conexão com a rede elétrica é investigado. Para melhorar a resposta do sistema de geração durante esses distúrbios, é desenvolvida uma metodologia de controle para o circuito crowbar. Para validar os estudos desenvolvidos ao longo desse trabalho, resultados experimentais são apresentados utilizando uma plataforma MATRADA de 5 kW. Essa plataforma é composta basicamente por: uma MATRADA, dois conversores estáticos de potência, um filtro de rede e um sistema de aquisição e controle (DSP TMS320F2812). Os conversores utilizados são unidades comerciais e são acionados por interfaces apropriadas. Os conversores são conectados back-to-back dividindo o mesmo barramento CC. O conversor do lado da rede é conectado a rede elétrica através do filtro L e o outro conversor é conectado diretamente ao rotor da MATRADA. O estator da MATRADA é conectado diretamente na rede elétrica. Todos os componentes e suas principais funções são discutidas no decorrer desse trabalho.

Vibration is an inherent phenomenon in dynamic mechanical systems. The work undertaken in this thesis is to identify natural frequencies of a variable length blade. Therefore designers can ensure that natural frequencies will not be close to the frequency (or integer multiples) of the main excitation forces in order to avoid resonance. For a wind turbine blade, the frequency range between 0.5 Hz and 30 Hz is relevant. The turbine blade is approximated by a cantilever, therefore, it is fully constrained where attached to a turbine shaft/hub. Flap-wise, edge-wise and torsional natural frequencies are calculated. The MATLAB program “BEAMANALYSIS.m” has been developed for the finite element analysis of a one dimensional model of the beam. Similarly, a three dimensional model of the beam has been developed in a finite element program Unigraphics NX5. The results found using the MATLAB program are compared with those found with NX5. Satisfactory agreement between the results is found for frequencies up to almost 500 Hz. Additionally, the frequencies one might expect in an experiment are identified. Experimental modal analysis has been performed on a uniform and stepped beam made of mild steel to extract the first five flap-wise natural frequencies. The results found have been compared to numerical results and the exact solution of an Euler-Bernoulli beam. Concurrence is found for the frequency range of interest. Although, some discrepancies exist at higher frequencies (above 500 Hz), finite element analysis proves to be reliable for calculating natural frequencies. Finally, the fixed portion and moveable portion of the variable length blade are approximated respectively by a hollow and a solid beam which can be slid in and out. Ten different configurations of the variable length blade, representing ten different positions of the moveable portion are investigated. A MATLAB program named VARIBLADEANALYSIS.m was developed to predict natural frequencies. Similarly three dimensional models of the variable length blade have been developed in the finite element program Unigraphics NX5. / This work was supported by the Research office of CPUT.