In this paper the tuned mass-damper-inerter (TMDI) is considered for passive vibration control and energy harvesting in harmonically excited structures. The TMDI couples the classical tuned mass-damper (TMD) with a grounded inerter: a two-terminal linear device resisting the relative acceleration of its terminals by a constant of proportionality termed inertance. In this manner, the TMD is endowed with additional inertia, beyond the one offered by the attached mass, without any substantial increase to the overall weight. Closed-form analytical expressions for optimal TMDI parameters, stiffness and damping, given attached mass and inertance are derived by application of Den Hartog's tuning approach to suppress the response amplitude of force and base-acceleration excited single-degree-of-freedom structures. It is analytically shown that the TMDI is more effective from a same mass/weight TMD to suppress vibrations close to the natural frequency of the uncontrolled structure, while it is more robust to detuning effects. Moreover, it is shown that the mass amplification effect of the inerter achieves significant weight reduction for a target/predefined level of vibration suppression in a performance-based oriented design approach compared to the classical TMD. Lastly, the potential of using the TMDI for energy harvesting is explored by substituting the dissipative damper with an electromagnetic motor and assuming that the inertance can vary through the use of a flywheel-based inerter device. It is analytically shown that by reducing the inertance, treated as a mass/inertia-related design parameter not considered in conventional TMD-based energy harvesters, the available power for electric generation increases for fixed attached mass/weight, electromechanical damping, and stiffness properties.
Lu, Lei;Fermandois, Gaston A.;Lu, Xilin;Spencer, Billie F. Jr.;Duan, Yuan-Feng;Zhou, Ying
Smart Structures and Systems
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v.23
no.6
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pp.589-613
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2019
Cables are prone to vibration due to their low inherent damping characteristics. Recently, negative stiffness dampers have gained attentions, because of their promising energy dissipation ability. The viscous inertial mass damper (termed as VIMD hereinafter) can be viewed as one realization of the inerter. It is formed by paralleling an inertial mass part with a common energy dissipation element (e.g., viscous element) and able to provide pseudo-negative stiffness properties to flexible systems such as cables. A previous study examined the potential of IMD to enhance the damping of stay cables. Because there are already models for common energy dissipation elements, the key to establish a general model for IMD is to propose an analytical model of the rotary mass component. In this paper, the characteristics of the rotary mass and the proposed analytical model have been evaluated by the numerical and experimental tests. First, a series of harmonic tests are conducted to show the performance and properties of the IMD only having the rotary mass. Then, the mechanism of nonlinearities is analyzed, and an analytical model is introduced and validated by comparing with the experimental data. Finally, a real-time hybrid simulation test is conducted with a physical IMD specimen and cable numerical substructure under distributed sinusoidal excitation. The results show that the chosen model of the rotary mass part can provide better estimation on the damper's performance, and it is better to use it to form a general analytical model of IMD. On the other hand, the simplified damper model is accurate for the preliminary simulation of the cable responses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.3
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pp.269-274
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2014
In this study, low noise designs for a Savonius wind turbine were numerically investigated. As was reported in our previous study, the harmonic components with a fundamental frequency higher than the BPF were identified as being dominant in the noise spectrum of a Savonius wind turbine, and these components were a result of vortex shedding. On a basis of this observation, an S-shaped blade tip is proposed as a means of reducing the noise generated by small vertical(Savonius) wind turbines. This blade induces phase differences in the shedding vortices from the blades, and thus reduces the noise from the wind turbine. The aerodynamic noise characteristics of the conventional and "S-shaped" Savonius turbines were investigated by using the Hybrid CAA method where the flow field around the turbine is computed using the CFD techniques and the radiated noise are predicted by applying acoustic analogy to the computed flow field data. The degree of noise reduction resulting from the proposed design and its reduction mechanism were confirmed by comparing the predicted noise spectrum of these turbines and the flow characteristics around them.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.12
no.1
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pp.35-44
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1998
In this paper, input LC filter design of diode rectifiers considering filter V A rating reduction has been propoesd. It consisted of an input LC parallel resonent tank whose inductor and capacitor values are se$.$ lected so that the input filter presents an infinite impedance to harmonic input ac current component. The operation of proposed input filter has been analyzed in detail under steady state conditions. Performance evaluation and related design data have been provided on Per Unit basis for the proper implementation of diode rectification system. Finally, Detailed input and output current analysis has shown that the proposed input filter yield high quality input ac current waveforms, in particular, high input power factor values and more reliabilty which reducing the V A rating of passive components as compared to the standard type LC filter.filter.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.17
no.5
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pp.1187-1195
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2013
Photovoltaic inverters should always track the maximum power of solar cell arrays in operation. Also, they should be irrespective of the maximum power point voltage of a wide range of solar cells in tracking the maximum power point. If the current ripple of solar cells occurs, the function of maximum power point tracking drops, and normal tracking is difficult when solar radiation or the maximum power point changes. To solve this problem, this paper proposed a new maximum power point tracking algorithm with high efficiency and an algorithm to reduce the current ripple of solar cells. According to the results from the test on 4KW grid-connected PV inverter, the efficiency of maximum power point tracking and inverter output and the total harmonic distortion of inverter output current showed 99.97%, 97.5% and 1.05% respectively. So, the inverter showed excellent performance, and made possible stable maximum power point tracking operation when the solar radiation rapidly changed from 100% to 10% and from 10% to 100% for 0.5 seconds.
Controlling vibrations and noise in steel box girders is important for reducing noise pollution and avoiding discomfort to residents of dwellings along bridges. The fundamental approach to solving this problem involves first identifying the main path of transmission of the vibration energy and then cutting it off by using targeted measures. However, this requires an investigation of the characteristics of flow of vibration energy in the steel box girder, whereas most studies in the area have focused on analyzing its single-point frequency response and overall vibrations. To solve this problem, this study examines the transmission of vibrations through the segments of a steel box girder when it is subjected to harmonic loads through structural intensity analysis based on standard finite element software and a post-processing code created by the authors. We identified several frequencies that dominated the vibrations of the steel box girder as well as the factors that influenced their emergence. We also assessed the contributions of a variety of vibrational waves to power flow, and the results showed that bending waves were dominant in the top plate and in-plane waves in the vertical plate of the girder. Finally, we analyzed the effects of commonly used stiffened structures and steel-concrete composite structures on the flow of vibration energy in the girder, and verified their positive impacts on energy regionalization. In addition to providing an efficient tool for the relevant analyses, the work here informs research on optimizing steel box girders to reduce vibrations and noise in them.
Jeong, Bo Chang;Kim, Sun-Pil;Kim, Kwang Soo;Park, Sung-Jun;Kang, Feel-Soon
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.62
no.4
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pp.502-509
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2013
It presents an efficient switching pattern, which expects a reduction of switching losses in a cascaded H-bridge PWM multilevel inverter. By the proposed switching scheme, the lower H-bridge module operates at low frequency of 60[Hz] because it assigns to transfer most load power. The upper H-bridge module operates at high frequency of PWM switching to improve THD of output voltage. The proposed switching pattern applies to cascaded H-bridge multilevel inverter with PD, APOD, bipolar, and unipolar switching methods. By computer-aided simulations, we verify the validity of the proposed switching scheme. Finally, we prove that the proposed PD and APOD switching patterns are better than those of the conventional one in efficiency.
This paper presents the aerodynamic coefficient modeling with a new model structure explored by Least Squares using Modulating Function Technique (LS/MFT) for an F-16XL airplane using wind tunnel data supplied by NASA/LRC. A new model structure for aerodynamic coefficient was proposed, one that considered all possible combination terms of angle of attack ${\alpha}$(t) and ${\alpha}$(t) given number of harmonics K, and was compared with Pearson's model, which has the same number of parameters as the new model. Our new model harmonic results show better agreement with the physical data than Pearson's model. The number of harmonics in the model was extended to 6 and its parameters were estimated by LS/MFT. The model output of lift coefficient with K=6 correspond reasonably well with the physical data. In particular, the estimation performances of four aerodynamic coefficients were greatly improved at high frequency by considering all harmonics included in the input${\alpha}$(t), and by using the new model. In addition, the importance of each parameter in the model was analyzed by parameter reduction errors. Moreover, the estimation of three parameters, i.e., amplitude, phase and frequency, for a pure sinusoid and a finite sum of sinusoids- using LS/MFT is investigated.
A technique for realizing linear phase IIR filters has been proposed by Powell-Chau which gives a real-time implementation of H(z-1).H(z), where H(z) is a causal nonlinear phase IIR filter. Powell-Chau system is linear but not timeinvariant system. Therefore, that system has group delay response that exhibits a minor sinusoidal variation superimposed on a constant value. In the signal processing, this oscillation seriously degrade the signal quality. Unfortunately, that system has a large sample delay of 4L and also more computational complexity. Proposed system is present a reduced computational complexity technique by moved the numerator polynomial of H(1/z) out to cascade with causal filter H(z) and remain only all-pole of H(1/z), then applied truncated infinite impulse response to finite with truncated IIR filtel $H_L$(z) and L sample delay to subtract the output sequence from the top and bottom filter. Proposed system is linear time invariance and group delay response and total harmonic distortion are also improved.
In this paper, a Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) for a five level cascaded multilevel inverter (CMLI) with reduced switch topology is proposed. Five switches are used here instead of conventionally used eight switches. The main contribution of this paper is to make the MPC controller work for the reduced switch topology using only 19 voltage vectors in place of conventional 61 voltage vectors for a five level CMLI. This simplifies the execution of the MPC algorithm, paving a way for the significant reduction in the computational time. The controller makes use of the excellent ability of MPC to multitask, by adding one more objective which is to reduce the average switching frequency in addition to controlling the load current. This is especially important, since switching losses and therefore switching frequency is significant for high-power applications. The trade-off of this MPC is that the current is not as smooth as the 61 vector scheme, but well within the limits of IEEE standards. The results shown prove that this MPC works well in steady state and dynamic conditions too.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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