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Disertación de Maestría
DOI
10.11606/D.18.2013.tde-18092013-144556
Documento
Autor
Nombre completo
Douglas D'Assunção
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Carlos, 2013
Director
Tribunal
De Marqui Junior, Carlos (Presidente)
Nitzsche, Fred
Trindade, Marcelo Areias
Título en portugués
Circuito piezelétrico chaveado para controle de vibrações e coleta de energia em uma seção típica aeroelástica
Palabras clave en portugués
Aeroelasticidade
Coleta de energia
Controle semi-passivo
Piezeletricidade
Resumen en portugués
Os materiais inteligentes têm sido utilizados em problemas de controle de vibrações e conversão de energia mecânica em energia elétrica. Apesar das diferentes opções existentes, os piezelétricos têm recebido grande atenção devido a facilidade de instalação, além de possibilidade de uso como sensores ou atuadores. Em termos de sistemas de controle utilizando materiais piezelétricos, dois grandes grupos podem ser encontrados: os controladores passivos e os ativos. Os controladores ativos utilizam o efeito piezelétrico inverso e apresentam bom desempenho na redução de vibrações. Entretanto, apresentam desvantagens relacionadas à complexidades de uma lei de controle, necessidade de equipamentos externos e, potencialmente, exigem elevada potência de atuação. Por outro lado, os controladores passivos utilizam circuitos elétricos simples, compostos somente por elementos elétricos passivos. Apesar de serem de fácil implementação prática, apresentam bom desempenho em faixas restritas de frequências. Os controladores semi-passivos, surgiram como uma alternativa aos pontos negativos dos controladores passivos e ativos. Nestes novos sistemas, o material piezelétrico instalado na estrutura a ser controlada é conectado e desconectado a um circuito shunt de forma sincronizada com as vibrações mecânicas. Em geral, a conversão eletromecânica de energia é amplificada, assim como o efeito shunt damping. Dessa forma, os circuitos chaveados têm sido utilizados tanto como controladores semi-passivos quanto em problemas de coleta piezelétrica de energia. Neste trabalho, o controle piezelétrico semi-passivo de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, assim como a coleta piezelétrica de energia a partir das mesmas condições, são investigados experimentalmente. Uma seção típica com dois graus de liberdade e acoplamento eletromecânico é utilizada nos experimentos. Dois tratamentos não lineares do sinal elétrico proveniente dos piezelétricos são utilizados. Primeiro, o chaveamento a partir da condição de circuito aberto para uma resistência muito baixa, próxima ao curto circuito, e posteriormente, o chaveamento da condição de circuito aberto para um indutor. Um circuito chaveador autônomo (que não depende de fontes externas de energia) é apresentado. O desempenho dos dois sistemas no controle de flutter, e também de oscilações em ciclo limite, são discutidos. Os resultados mostraram um aumento na velocidade de flutter de até 8,8% e 11,5%, com chaveamento em uma resistência e em um indutor, respectivamente. No caso de coleta de energia a partir de oscilações aeroelásticas lineares e não lineares, o desempenho dos circuitos chaveados são comparados entre si, e com o caso em que uma resistência é considerada no domínio elétrico, resultando em um aumento da potência elétrica de até 101%, para chaveamentos em resistência, e 227%, para chaveamentos em um indutor.
Título en inglés
Piezolectric switching circuit for vibration control and energy harvesting on aeroelastic typical section
Palabras clave en inglés
Aeroelasticity
Energy harvesting
Piezoelectricity
Semi-passive control
Resumen en inglés
Smart materials have been used in vibration control and also in energy harvesting problems. Although different materials are available, piezoelectric one has received most attention due to ease of installation and possibility of use as sensors or actuators. In general, there are two large categories of vibration control techniques using piezoelectric materials: passive and active control. In active control the reverse piezoelectric effect is used. In general, they present good performance in vibration reduction over a range of frequencies. However, active control has the disadvantages of additional complexities of a control law, additional hardware and the potentially large amount of power required. On the other hand, piezoelectric passive controllers use simple electric circuits composed by passive electrical elements. Although they are simple to implement, the performance of the controlled system is sensitive to the exciting frequency. The semi-passive controllers are a recent alternative to the drawbacks of passive and active controllers. In semi-passive systems, the piezoelectric element is switched in and out of a shunt impedance, in a synchronous way with mechanical vibrations. In general, the electromechanical energy conversion is enhanced as well as the shunt effect damping. Therefore, the switching techniques have been used both in semi-passive control problems and in piezoelectric energy harvesting problems. In this work, semi-passive techniques are experimentally investigated in aeroelastic control and piezoaeroelastic energy harvesting cases. An electromechanically coupled aeroelastic typical section is used in the experiments. Two techniques are investigated, the synchronized switching damping on short and the synchronized switching damping on inductor. An autonomous switching circuit (that does not requires external source of energy) is presented resulting in a self-powered flutter controller. The performance of the two semi-passive techniques is discussed for the linear case, flutter control, as well as limit cycle oscillations control. The linear flutter speed is increased by 8.8% and 11.5% when the SSDS and SSDI techniques are used, respectively. In the case of energy harvesting from linear and nonlinear aeroelastic oscillations, the performance of switching techniques is investigated and compared to the case of simple load resistance in the electrical domain. The power output is increased by 101% for the SSDS case and 227% for SSDI case.
 
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DouglasDAssuncao.pdf (2.60 Mbytes)
Fecha de Publicación
2013-09-20
 
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