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Piezoelectric power transducers and its interfacing circuitry on energy harvesting and structural damping applications / Transducteurs piézoélectriques de puissance et leur interface pour des applications de récupération d'énergie et d'amortissement de structure

Authors
  • CHEN, Yu-Yin
  • LEE, Chih-kung
  • COSTA, François
Publication Date
Jan 01, 2013
Source
OpenGrey Repository
Keywords
Language
English
License
Unknown

Abstract

Aujourd hui, avec l envolée mondiale du prix du pétrole, la question énergétique est devenue un sujet d importance et la possibilité d exploiter l énergie ambiante connaitun regain d attention. Ainsi dans cette thèse, nous nous intéressons aux dispositifs de récupération d énergie piézoélectrique de vibration dont l objectif final est de réaliser un réseau de capteurs sans fil (WSN) autonome de faible consommation d énergie. L idée est dans un premier temps de prolonger la durée de vie de la batterie, puis dans un second temps de rendrele capteur totalement autonome d un point de vu énergétique. Les dispositifs actuels étant basés sur la vibration d une poutre (résonateur mécanique), ils ne sont efficaces qu à la résonance, avec une faible bande-passante. Ainsi dans ce travail, nous avons tout d abord proposé une technique de décalage de la fréquence de résonance à l aide de capacités commutées, cette techniqueréalise un ajustement de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de la source d excitation et ainsipermetune augmentation de la puissance de sortie. Cette technique a été implémentée avec succès sur un module de capteur WSN avec transmissiond un signal RF. Toujours dans l objectif d agrandir la bande-passante, un résonateur hybride (piézoélectrique/magnétique) bistable associé à une interface électrique (SSHI) a été proposé.Cenouveau et intéressant concept de combiner le résonateur hybride avec une interface à commutation de la tension piézoélectrique a montré, à l aide de résultats expérimentaux et de simulation,que la puissance est augmentée sur une large bande passante.De plus, afin de rendre le système totalement autonome et de commander les interrupteurs de l interface électriqueaux instants optimaux, une technique de détection du passage par zéro de la vitesse de vibration a été proposée. Les résultats montrent de bonnes performancesde cette méthode sur toutes lesinterfaces et résonateurs.Contrairement à la méthode classique de détection de la tension crête, la détection du passage par zéro de la vitesse est plus précise. La récupération d énergie piézoélectrique engendrant un amortissement de la source vibrante, il est possible d utiliser les mêmes interfaces électriques pour réaliser l amortissement semi-passif de vibrations de structures mécaniques. Il s agit d extraire le maximum d énergie de la structure en vibration à l aide de l élément piézoélectrique. Ainsi, afin de rendre les interfaces électriques pour l amortissement (SSHD) totalement autonomes, nous avons proposé d associer la récupération d énergie piézoélectrique à l amortissement de structure. L avantage majeur est qu il est seulement nécessaire de sacrifier légèrementles performances de l amortissement pour rendre le système totalement autonome. Les performances ainsi que les limites de cette technique ont été analysées. / Nowadays with the world oil price soaring, the energy issue is becoming a significant topic and the possibility of harvesting ambient energy receiving much attention. In this dissertation, the main topic surrounds improving the piezoelectric energy harvesting device in several aspects and the final objective is to integrate it with low power consumption device, for example a wireless sensor network (WSN) node to extend the battery lifetime and further supply the energy to device directly. Based on the high mechanical quality factor of the structure, the output power of the piezoelectric energy harvesting device will decrease rapidly when the exciting frequency is out of the resonant frequency range. The tunable resonant frequency technique is proposed to broaden the resonant frequency range and increase the output power effectively. Then this technique is successfully combined with a WSN module to transmit the RF signal. To broaden resonant frequency another method is proposed, based on a bistable vibrating cantilever beam and a switching-type interface circuit (SSHI). It's a new and interesting concept to combine these two techniques. The magnets are used to make mechanical behavior non-linear and increase the output power at non-resonance. The SSHI technique through zero-velocity detection can work well when system is driven in non-linear system. The experimental and simulation results through work-cycles discussion show good performance of combining these two techniques. In the interface circuit design, synchronized switching harvesting on an inductor (SSHI) have been verified a successful technique to increase output power in low-coupling system. In order to make use of the SSHI technique in the real application, the velocity control self-powered SSHI (V-SSHI) system is proposed. Unlike the conventional peak detector technique, the zero-velocity detection is used to make the switching time more accurate. The energy flow is separated into three paths to construct the V-SSHI and the experimental results show good performance. When the system is not low-coupled, the SSHI technique will damp vibration.This technique is called SSDI (synchronized switching damping on an inductor). Based on the self-powered technique and zero-velocity detection used in the V-SSHI, these techniques are further applied in structural damping to construct a self-powered SSDI (SP-SSDI). The major advantage is that it is only necessary to sacrifice a small amount of damping performance to make the system fully self-powered. The theoretical analysis and experiment results of time domain comparison and frequency response testing show the limit and performance of the SP-SSDI technique. The SP-SSDI system is a like a feedback loop system and when the displacement is over the limit the SP-SSDI will effectively damp the vibration. / CACHAN-ENS (940162301) / Sudoc / Sudoc / France / FR

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