Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 79
Automatyzacja systemów kierowania ruchem ma zwiększyć średnią szybkość podróży i zapobiegać powstawaniu korków. Ale gdy przepustowość dróg jest za mała i tak system się „zapcha”. Ratunkiem korzystnym dla wszystkich jest zmniejszenie ilości użytkowników. Wjazd musi być płatny ale nie wszyscy to mogą zrozumieć.
Według nowych badań miastem z najwolniejszym ruchem samochodowym na świecie jest Londyn. W 2022 roku pokonanie 10 km w centrum Londynu zajęło średnio 36 min i 20 sek. To prawie 2 min wolniej niż w 2021 roku. To najdłuższy czas podróży na taką odległość w 389 miastach w 56 krajach świata w 2022 roku.
Coś Brytyjczykom słabo idzie użycie w tej dziedzinie AI.
Eksperymentalnie w funkcję wydawcy i autora kilku tekstów Portalu Interia wcieliła się na jeden dzień sztuczna inteligencja. To pierwsza taka inicjatywa w polskich mediach, która pozwoli ocenić, jak dobrze system sztucznej inteligencji poradzi sobie w roli wydawcy.
Liczba użytkowników aplikacji ChatGPT w styczniu 2023 wynosiła już 100 milionów a dziennie odwiedza ją 13 mln osób. Nie było dotąd w historii szybszego wzrostu konsumenckiej aplikacji internetowej ! Aplikację ChatGPT opracowała amerykańska firma OpenAI. Służy m.in. do tworzenia odpowiedzi na pytanie lub polecenia wprowadzane przez użytkownika. Potrafi też wykonać bardziej złożone zadania, na przykład napisać opowiadanie albo wypracowanie lub maturę do szkoły !
Studia humanistyczne stały się zatem całkowicie zbędne.
Polski rząd jest zachwycony !
-AI zamiast premiera Morawieckiego będzie opowiadała Polakom o dobrobycie i bezpieczeństwie
-AI zamiast prezesa NBP będzie opowiadała Polakom o stabilności złotego
-AI zamiast pąsowego ministra Zero będzie opowiadała Polakom o sprawiedliwości
-AI zamiast ministra Sasina będzie opowiadała Polakom o energetyce jądrowej i o Spółkach Skarbu Państwa
-AI zamiast naczelnika Kaczyńskiego będzie opowiadała Polakom jakim mocarstwem jest teraz Polska pod jego mądrym zarządem
Narasta chaos międzynarodowy. "Według ekspertów Banku Światowego, w 2022 r. miały na świecie miejsce 23 konflikty zbrojne, a liczba ta wzrosła około dwukrotnie w ciągu dekady".
Może komuś zależy na niestabilności świata i na wojnach ? Kto to może być ?
Wiadomo do dawna że generałowie chcą zawsze prowadzić poprzednią wojnę podczas gdy technologia uległa ogromnej zmianie a optymalna taktyka, sztuka operacyjna i strategia są pochodną właściwości broni.
Ukraina stała się cmentarzyskiem przedwojennych idei o prowadzeniu wojny. Czołg ( ma ponad 100 lat ) w konfrontacji z nowoczesnymi rakietami przeciwpancernymi okazał się bezbronny. Nawet wystrzeliwane przez żołnierzy rakiety są zabójcze dla każdego helikoptera a nawet nisko lecących samolotów wojskowych. Skuteczne okazują się w różnych zadaniach tanie drony. Drony i bardzo tanie pociski manewrujące są w stanie wyczerpać obronę przeciwlotniczą !
Zamówienia broni i handel bronią zawsze były skorumpowane. Łapówki są zwyczajową normą a nie wyjątkiem.
W czasie II Wojny w USA masową produkcje samolotów, czołgów, samochodów terenowych podjęły koncerny motoryzacyjne bo tylko one miały technologie i doświadczenia do masowej produkcji. W czasie pokoju samoloty produkowano metodami rzemieślniczymi. Ale część koncernów nie była zainteresowana produkcją militarną. Forda rząd musiał przymusić aby wziął kontrakty.
Premier Morawiecki 14.02.2023 w Stalowej Woli:
-Huta Stalowa Wola S.A. jest w stanie produkować 50 Krabów rocznie. Zwiększamy produkcję maksymalnie na potrzeby armii, która musi być tak silna, żeby Rosja nie odważyła się na atak na Polskę. Nasz plan to produkcja do 100 sztuk rocznie...
Ale przecież jeszcze niedawno słyszeliśmy że zamówienie zbliżonych do Kraba armatohaubic K9 w Korei było spowodowane małymi mocami produkcyjnymi Krabów.
Czyli K9 kupiliśmy dla łapówki i propagandy ?
Wkład koncernów militarnych w rozwój technologii już w latach osiemdziesiątych był mizerny a po zakończeniu Zimnej Wojny zupełnie ustał.
Niemniej broń jest nowoczesna i nakłady podatników na jej produkcje nie w 100 % są zmarnowane bowiem na przykład szkolą się kadry. Kupowanie za granicą broni to sponsorowanie cudzego rozwoju technologicznego i gospodarczego.
Fundamentem siły politycznej i militarnej jest własny (!) system gospodarczy. Kupowanie zagranicznego uzbrojenia na kredyt to prosta droga do kryzysu i ogólnego osłabienia po chwilowym napompowanym wzmożeniu.
Zamordowany gierkowski premier Jaroszewicz twierdził że kryzys był w gruncie rzeczy efektem wydatkowania pożyczonych „dolarów” na bezcelowe zbrojenia.
Chyba lepiej zamiast głupio kupować zagraniczną broń, byłoby obecnie postawić przed sądem winnych tego że wydatki na obronność za ostatnie 34 lata doprowadziły Polskę do stanu bezbronności.
Przewidywany na 2023 rok wzrost PKB jest w Europie słaby. Chiny odjadą nam o 5%.
Mali i duzi szkodnicy
Moc bierna Q i prądy harmoniczne THD są synergicznymi szkodnikami.
W obecności harmonicznych kompensacja mocy biernej jest kosztowna zarówno od strony inwestycyjnej ( drogi dławik szeregowy z kondensatorem kompensacji mocy biernej aż do średnich mocy ) i operacyjnej z powodu strat mocy.
O ile dobroć Q kondensatora do kompensacji mocy biernej jest większa od > 4000 to dobroć dławika jest relatywnie mała ( ale rośnie z mocą ) i pracuje on gorący, szczególnie gdy napięcie sieciowe jest zniekształcone.
Gdy nie damy dławika przez kondensator płyną powiększone rezonansowo prądy harmoniczne skracające czasem jego żywotność. Natomiast po stokroć gorsza rzecz jest niewidoczna – wzmocnione prądy harmoniczne przegrzewają najbardziej zewnętrze części uzwojeń transformatora skracając mu żywot ! Czasem radykalnie. Zjawisko jest znane i możliwe że na Zachodzie załączanie samych kondensatorów do sieci bez szeregowego dławika będzie zabronione od określonego poziomu THD.
Mierząc prąd skuteczny RMS transformatora z harmonicznymi podanymi preemfazie ( prądy wirowe rosną szybko z częstotliwością i preemfaza pokazuje ich faktyczną skuteczność ) możemy zobaczyć że po dołączeniu kondensatora kompensacji mocy biernej przy zniekształceniach pobieranego prądu, jego obciążenie wzrośnie a nie spadnie jak oczekujemy ! Jednocześnie wzrośnie napięcie harmonicznych THD zatruwających cały system.
Wzrost impedancji sieci dla harmonicznych po załączaniu kondensatora kompensacji mocy biernej jest całkiem duży. Typowo impedancja z realną siecią przy rezonansie dla 5 harmonicznej wzrasta 2-4 krotnie i tyle samo razy jest wzmocniony płynący przez transformator prąd tej harmonicznej od odbiorników !
Aby temu bardzo niekorzystnemu zjawisku zapobiec, w szereg z trójfazowymi kondensatorami do kompensacji mocy biernej włącza się trójfazowe dławiki.
Na wykresach pokazano impedancje sieci z pułapką LC na 5 harmonicznej i pułapkami LC na 5 i 7 harmonicznych. Pułapki mocno podnoszą impedancje sieci poniżej swoich częstotliwości rezonansowych i one dla bezpieczeństwa nigdy nie mogą być wyższe ale raczej odrobinę niższe od 5 i 7 harmonicznej. Moc bierna dwójnika z kondensatorem na 5h wynosi tu 15 % Pn transformatora a dwójnika 7h wynosi 10 % Pn.
W przypadku podstacji z transformatorem SN-nN gdy SN nie jest zniekształcone idealny szeregowy dwójnik LC na 5 harmoniczną ( czyli 4% ) przewodzi tylko część prądu od nieliniowych odbiorników nN.
Jednak gdy SN jest zniekształcone obwód LC zwiera na 5 harmonicznej wyjście transformatora powodując zmniejszenie poziomu tej harmonicznej w sieci SN. Ale gdy moc transformatora jest mała przy mocy zwarciowej sieci i mocy generatorów zniekształceń ulegnie on przeciążeniu !
Stąd obwód LC musi mieć niższą częstotliwość rezonansową. Dla impedancji sieci SN, przy określonym obciążeniu, dla określonego współczynnika mocy odbiornika generującego zniekształcony ( podany w % ) prąd 5 harmonicznej, udziału 5 harmonicznej w SN oraz napięciu zwarcia transformatora przy idealnym L można wyliczyć [1] częstotliwość rezonansową obwodu LC poniżej 5 harmonicznej dla minimalizacji prądów 5 harmonicznych ( fazy są przesunięte o zadaną wartość ) płynących przez transformator. Dławik „7%” w szereg z kondensatorem jest zawsze bezpieczny. Im mocniejszy na tle sieci jest transformator i im większe są zniekształcenia prądu jego odbiorników na tle zniekształceń napięcia SN tym korzystniejsze jest zmniejszenie indukcyjności dławika do 6, 5... 4.3%.
O ile Prawa Podobieństwa dają bardzo silny efekt skali dla transformatorów i dławików to jest on bardzo słaby dla równolegle łączonych kondensatorów. Dla mocy biernej kondensatora 25 KVAr dławik może być 5-7 razy cięższy i znacznie droższy niż kondensator. Ceny kondensatora i dławika zrównują się dopiero w pobliżu części „pojemnościowego” megawoltoampera mocy biernej.
Dla zachowania liniowości z harmonicznymi dławik ten z rdzeniem ( większej mocy bez rdzenia ) przy napięciu bez harmonicznych pracuje z circa połową normalnie stosowanej indukcji B co rzutuje na jego wymiar, masę i cenę.
Wytworzoną, przesłaną i rozdzieloną Energie Elektryczną powinniśmy zużywać tak aby przynosiło to maksymalną korzyść.
Ekonomiści piszą o energochłonności produkcji z czego niewiele wynika bowiem ten sam towar często ma w świecie bardzo różne ceny.
Większy sens w ocenie poziomu rozwoju gospodarki ma cena kilograma eksportu i importu liczona w dolarach.
Rozpoczęty na Zachodzie w 1974 roku kryzys energetyczny skłonił zachodnie koncerny do rozpoczęcia produkcji opracowanych już produkcyjnych technologii energoszczędnych i opracowania kolejnych technologii. Są znacznie nowocześniejsze ale też i dużo droższe inwestycyjnie od tradycyjnych. Polska epoki Gierka za kredyty kupowała właśnie tą starszą wychodzącą już użytku technologie. Prawdopodobnie gdyby nie zmiana technologi na energooszczędną niczego by Polsce z technologii nie sprzedano.
Sterowany fazowo trójfazowy inverter tyrystorowy o m=6 pulsach z bezstratnych elementów i z nieskończoną indukcyjnością na wyjściu przy kącie sterowania tyrystorów 90 deg nie pobiera mocy czynnej P i ma zerowe średnie napięcie wyjściowe Udc=0 i przy zwarciu wyjścia można teoretycznie uzyskać dowolną wartość wyjściowego prądu stałego. Z sieci pobiera on zerową moc P a pobierana moc bierna Q i zniekształcone prądy są proporcjonalne do prądu wyjściowego Idc. Jest to więc regulowany odbiornik mocy biernej Q ale z potężną wadą zniekształconych prądów ale zniekształcenia maleją przy m=12 i jeszcze bardziej przy m=18.
Przykład ten obrazuje że sterowane fazowo prostowniki / inwertery są najbardziej uciążliwymi dla systemu energetycznego odbiornikiem ! Pobierają czasem zniekształconym prądem dużą moc bierną a jednocześnie niemożliwe jest zastosowanie samych kondensatorów kompensacji mocy biernej dających rezonanse z harmonicznymi.
Tyrystorowe napędy prądu stałego DC mają całkiem dobre parametry. W lokomotywie systemu 25 KVac, linii walcowniczej, dźwigu, windzie, maszynach kopalnianych , maszynach CNC i robotach.... szybko zarabiają na siebie ! Poważną ich wadą jest przy hamowaniu i przy zakłóconym napięciu sieciowym możliwość przewrotu falownika co zawsze zakłóca pracę maszyny z napędem i może prowadzić do zwarcia a nawet uszkodzenia. Toteż przyłożono wiele starań aby tą wadę zminimalizować a sieć zasilająca musi być dobrej jakości. Silnik prądu stałego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym jest cięższy od silnika prądu zmiennego AC ale z magnesami stałymi o dużej energii ( drogimi ! ) ma podobną wagę lub jest lżejszy. Produkcje komutatora silnika DC zaś zautomatyzowano a jego trwałość podniesiono.
Spawarki z tyrystorowym prostownikiem też pobierają moc bierną i zniekształcony prąd sieciowy. Ale systemy zautomatyzowanego spawania mają dużą wydajność a jakość spawów jest dobra i produkcja jest wysoko rentowna.
W najnowszych serwonapędach małej i średniej mocy tyrystory zostały na Zachodzie wyparte przez tranzystory zasilające silniki prądu zmiennego.
Tyrystorowe napędy DC pobierają dużą i zmienną moc bierną i zniekształcają prąd sieci.
Ale koszt systemu zasilania firmy mającej dużo napędów DC z korygującym SVC jest niewielki jako że maszyny z serwonapędami są po prostu drogie i bardzo drogie. Robot spawający nadwozia samochodów zastępuje pracę ponad 5 robotników. Wielkie wysokościowce z systemem wind warte są ponad 100 mln dolarów.
Potężny nabrzeżowy, suwnicowy dźwig do przeładowania kontenerów na statek i ze statku jest bardzo szybki czyli wydajny a cena za przeładowanie kontenera 40 stopowego dochodzi do 100 dolarów. Ale ceny frachtu i usług są zmienne i zależą od światowej koniunktury gospodarczej.
Nie ma więc żadnego powodu aby tolerować zatruwanie przez firmy sieci energetycznej harmonicznymi. Systemy SVC staną się niedrogim standardem.
Zniekształcone prądy pobierają potężne niesterowane prostowniki trakcji kolejowej i mniejsze metra, tramwaju i trolejbusa. Potężne są prostowniki do hut metali kolorowych. W przypadku prostowników podniesienie ilości pulsów z m=6 do 12 a nawet 18 radykalnie obniża zniekształcenia pobieranego prądu. Podniesienie m może się odbyć w jednym prostowniku lub statystycznie w grupie prostowników przy zastosowaniu transformatorów przesuwających fazy napięć.
Piece łukowe oraz podstacje do kolejowej trakcji 25 KVac wymagają nadążnej kompensacji mocy biernej i filtracji harmonicznych systemem SVC ( patrz dział „Tyrystor energetyczny”) .
Nazwa SVC jest trochę myląca a one zawsze pracują z odbiornikami nieliniowymi. W SVC pracują dwójniki LC do kompensacji mocy biernej a jednocześnie do zmniejszania harmonicznych.
Choć nowoczesna energoelektroniczna podstacja trakcji 25 KVac jest skomplikowana to jej zalety zdecydowanie przeważają na wadami i kosztami. W Japonii i Francji chętnych na podróże szybkimi pociągami jest aż za wielu a ceny biletów są dość wysokie. W kraju podróż szybkim pociągiem jest konkurencyjna do samolotu !
Kraje RWPG mają przestarzały przemysł ciężki rodowodu stalinowskiego. Podatnicy sponsorują przestarzałą energochłonną produkcje. Ta produkcja nie tylko chłonie moc czynną P ale tez bierną Q i wprowadza zniekształcenia prądów do sieci.
Nabywcy towarów często kierują się ilorazem funkcjonalności – jakości do ceny urządzenia. Urządzenia „lepsze” są przeważnie droższe. Ale nie zawsze.
Tak samo użycie energii elektrycznej winno przysparzać jak najwięcej korzyści w stosunku do jej pełnej (z uwzględnieniem mocy biernej Q i zniekształceń THD ) ceny.
Całkowita szkodliwość gatunku danego urządzenia dla systemu generacji, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej jest proporcjonalne do pobranej przez niego w cyklu życia energii biernej ( równoważnik energetyczny mocy biernej ) i zniekształceń prądu THD oraz ilości tych urządzeń w kraju. W przypadku relatywnie dużego poboru mocy szkodliwość przejawia się dodatkowo w słabej uśredniającej obsłudze masowej ( brak dobrego uśrednienia poboru wielu odbiorców ) gdy moc zasilającej sieci jest relatywnie mała dla urządzenia.
Nabywcy sprzętów AGD i RTV nie mają żadnego wpływu na pobieraną przez nie moc bierną i wprowadzane zniekształcenia prądu THD. Jedynie norma jako obowiązujące prawo jest w stanie zmusić producentów do ograniczenia poboru Q i emisji THD czyli do poprawy Power Factor.
Norma musi być dobrze dopasowana do poziomu technologi i minimalizować ogólne koszty wszystkich. Z jednej strony zwiększoną odrobinę cenę AGD i RTV a z drugiem zmniejszone koszty strat w dystrybucji i przesyłu energii.
Dyrektor rutynowo kieruje zbudowaną, wyposażoną i uruchomioną firmą. Określenie „Bussines as Usual” dotyczy ogromnej większości prostych nie-innowacyjnych interesów. Od badań i rozwoju są na Zachodzie koncerny często zatrudniające naukowców na etat lub zlecenie. Potężny Bell Laboratories ma największą ilość Noblistów w świecie. Te firmy tworzą nowe technologie i ciągną całą gospodarkę do przodu.
Zatem gdy dyrektor działającej firmy dowie się o wysokim rachunku za energie bierną i zniekształcenia prądu może po kalkulacjach zlecić zakup i zainstalowanie odpowiedniego urządzenia SVC aby nie płacić za Q i THD.
Bodźce ekonomiczne winny zmusić fabrykę do zainstalowania SVC tylko tam gdzie to jest faktycznie konieczne i nie prowokować zbędnych kosztów instalacji tam gdzie są w gruncie rzeczy zbędne.
„Na wszystko jest właściwy czas” W przysłowiu mowa jest o optymalnym Timing-u czyli o podejmowaniu działań w optymalnym czasie i w sekwencji aby nie być zaskoczonym jak polscy drogowcy coroczną Zimą !
Z uwagi na rosnącą z częstotliwością szkodliwość harmonicznych prądu powstaje pytanie o preemfazę dla prądu do miernika / rejestratora zniekształceń prądu. Rzecz musi mieć oparcie o normę państwową lub międzynarodowa IEC.
Liniowa preemfaza dla prądu do górnej częstotliwości 1-2 KHz wydaje się sensowna.
Zniekształcenia prądu pobieranego przez lodówkę czyli największego domowego konsumenta energii są niewielkie. Na przestrzeni dekad zmniejszono zużycie energii a współczynnik mocy lodówki został trochę podniesiony.
Pobierany przy odkurzacz prąd ma THD około 26% ale średnio w tygodniu odkurzacza używa się tylko około 15-20 minut. Niestety skutkiem stosowania w konstrukcji silnika odkurzacza drutów nawojowych o wysokiej temperaturze pracy jest spadek masy silnika i jego ceny a znaczny spadek jego sprawności. Zmiany idą w złym kierunku.
Robot kuchenny ma silnik uniwersalny czasem sterowany fazowo triakiem. Zniekształcenia prądu mogą być duże. W kuchni gospodarstwa domowego używany jest sumarycznie przez niewielki czas ale skutecznie pomaga gospodarzowi przyrządzić potrawy. Zresztą konstrukcja silnika i jego przekładni nie jest specjalnie trwała. Trwałe są rozwiązania użyte w dużych urządzeniach profesjonalnych do zawodowej kuchni przy stołówce, restauracji i barze. Ale tam często użyty jest silnik asynchroniczny. Pobór mocy biernej jest niewielki. Pobór mocy P i wprowadzane zniekształcenia THD zmieniają się w szerokim przedziale w czasie różnej pracy robota kuchennego. Tak więc należałoby w pełnym, miarodajnym zróżnicowanym programie pracy z różnymi narzędziami scałkować moc P otrzymując pobraną w życiu energie i scałkować prąd zniekształceń.
Brak jest wiarygodnych krajowych danych na temat zużycia energii przez roboty kuchenne i inne sprzęty domowe. Źródła zachodnie podają różne dane. Nawet ze sterownikiem fazowym jest to jednak mały szkodnik.
W domowych automatycznych pralkach ( stare zachodnie licencje ! ) w bloku RWPG stosowany jest dwubiegowy silnik asynchroniczny. Wolny bieg użyty jest w fazie prania a szybki bieg do wirowania. Uzyskuje się marny rozkład odzieży w bębnie i możliwe są tylko niskie obroty wirowania i jest ono mało skuteczne. W lepszych, nowszych zachodnich pralkach użyto silnika uniwersalnego sterowanego fazowo przez triak. Sterowniki fazowe przy obciążeniu rezystancyjnym wprowadzają bardzo duże zniekształcenia prądu sieciowego. Z odbiornikiem RL zniekształcenia są dużo mniejsze. W fazie prania załączone jest pełne szeregowe uzwojenie wzbudzenia silnika a do silnika podane jest stosunkowo niewielkie napięcie zmienne ze sterownika fazowego. Silnik pracuje z mocą mechaniczną do 40 W. Kąt fazowy wysterowania triaka jest znaczny i zniekształcenia prądu są znaczne. W fazie wirowanie użyta jest część uzwojenia wzbudzenia i silnik może stopniowo pracować nawet z pełnym napięciem sieciowym z mocą do 300 W. Gdy maszyna ma mikrokontroler, program dobrego rozkładu bielizny w bębnie może być całkiem sprytny i skuteczny.
Dla uzyskania wiarygodnych danych trzeba scałkować pobór mocy przy wszelkich programach pracy pralki i scałkować pobór prądu harmonicznych. Ale nad wszystkim góruje pobór energii przez grzałkę wody mocy 2200 Watt.
Oczywiście szybkiego wirowania nie używamy dla każdego prania. Wydaje się że osiągnięty efekt osuszenia bielizny na tle kosztu prowokowanego przez harmoniczne prądu sieciowego THD ze sterownika fazowego jest bardzo duży.
Harmoniczne generowane przez sterowniki fazowe prądu zmiennego są od lat znane i powtarzanie informacji jest niecelowe. W języku polskim choćby „Układy energoelektroniczne...”, H.Tunia..., WNT 1982.
W przypadku triakowego ściemniacza oświetleniowego THD przy słabo żarzącej się żarówce (ma wtedy mała oporność ! ) dochodzą do 1000 %. Z mocną żarówką, w ciszy słychać nawet wyższe harmoniczne prądu w cichym bzyczeniu 100 Hz. Wydaje się że ściemniacze takie nie powinny być produkowane. Sprawność świetlna żarówki spada gwałtownie przy obniżeniu jej napięcia i dochodzi równolegle do marnotrawstwa energii.
W domowym zestawie Audio stereofoniczny wzmacniacz może mieć całkiem dużą moc wyjściową. Zasilany jest on z prostownika pojemnościowego za transformatorem, który ma być jak najbardziej sztywny. Zniekształcenia pobieranego prądu mogą w związku z tym przekroczyć THD 100 %. Ale granice czasu i energii głośnego grania stwarza słuch ulegający uszkodzeniu hałasem, domownicy, sąsiedzi i ulegające szybkiej degradacji głośniki. Średnia w cyklu życia sprawność wzmacniacza Audio jest niezwykle niska ale i tak nie pobierze on dużo energii.
Dygresja o sprawności.
Czasem pojęcie sprawności ma niewielki sens.
Mowa i muzyka mają wysoki stosunek mocy szczytowej do średniej. Dodatkowo rzadko korzystamy z pełnej mocy radia, TV czy innego urządzenia muzycznego.
Bardzo popularna była niedawno w każdym wzmacniaczu Audio urządzenia lampowego RTV udana pentoda EL 84 Philipsa i jej liczne kopie. Z sieci 220 Vac (poprzez transformator i prostownik pojemnościowy, także żarzenie ) stopień mocy w klasie A z nią ciągle pobierał około 26 Watt a jego maksymalna moc wyjściowa wynosiła 4 W ale średnio w swoim życiu pracował z mocą około 10-20 mW. Ale przecież ostatecznie radio czy TV dostarcza fali dźwiękowej a sprawność głośnika jest bardzo mała. Zatem zmierzmy do tysięcznych części procenta średniej sprawności.
Na fali modnego słowa „cyfrowy” koncern Sony do opracowanego odtwarzacza CD oferował cyfrowy ( z modulacją PWM ) wzmacniacz dużej mocy TA-N88. Zastosowano w nim pomysłowy zasilacz SMPS o małej pobieranej mocy jałowej a mocy maksymalnej do 600 W. Sprawność całości przy pełnym wysterowaniu 2 x 160 W przekracza 60% a więc jest nieprawdopodobnie duża. Przy cichym - średnim słuchaniu pobiera jednak moc jałową ponad 25 W co wynika głównie ze stratnego przeładowywania pojemności wyjściowych kluczy VMOS z częstotliwością modulacji PWM równą 500 KHz.
Oszczędne energetycznie są wzmacniacze w klasie G ale są skomplikowane, kosztowne i gorszej jakości. Nie ma ich w postaci scalonej. Bardzo oszczędny energetycznie może być wzmacniacz w klasie AB z regulowanym napięciem zasilania z SPMS. Procesor DSP ( jest już masowo użyty w urządzeniach CD i TVC firmy ITT ) podając z niewielkim opóźnieniem sygnały stereo na wyjścia, znając jego amplitudę podał by zasilaczowi impulsowemu z niezbędnym wyprzedzeniem ( ma on niewielkie pasmo ) minimalne wymagane, żądane napięcie zasilania. Informacją do użycia jest także nastawiony przez użytkownika ( to współczynnik w programie DSP ) poziom głośności. W prymitywnym rozwiązaniu bez DSP nastawiony poziom głośności może regulować napięcie zasilania. Dyrygujący systemem Audio mikrokontroler może zapamiętać incydentalne, niezwykle krótkie ( na granicy percepcji słuchu ) incydenty przesterowania z poszczególnych źródeł sygnału i adaptacyjnie ( nauczy się ), selektywnie zwiększyć napięcie zasilania aby incydentów wcale nie było. Maksymalny poziom sygnału jest bardzo dobrze zdefiniowany z odtwarzacza CD. Dobrze jest określony z odbiornika FM maksymalną dewiacją określoną normą. Jest też określony normą dla płyt gramofonowych. Pośrednio jest zdefiniowany dla magnetofonu ze wskaźnikiem wysterowania pilnowanym przez nagrywającego. Przy przesterowaniu zniekształcenia magnetofonu gwałtownie rosną czyli silne przesterowania są wykluczone. Natomiast maksymalny poziom jest bardzo słabo określony gdy źródłem sygnału jest mikrofon i akustyczny instrument muzyczny ale elektroniczny syntezator jest przewidywalny a coraz częściej jest cyfrowy z procesorem DSP. Sprawę komplikuje regulacja tonów Bas – Treble podnosząca zwłaszcza amplitudy basów oraz regulacja fizjologiczna głośności. Jednak przez większość czasu życia napięcie zasilania i tak jest minimalne.
Współcześnie wzmacniacze mocy Audio co do idei konstruowane są tak jak wzmacniacz operacyjny i mają bardzo duże tłumienie PSRR zmian napięcia zasilania. Aby wysoka jakość była zachowana regulowanym napięciem z SMPS może być zasilona tylko wyjściowa para komplementarna tranzystorów mocy a sygnałowa reszta wzmacniacza zasilona pełnym napięciem.
Stabilizacja napięcia mocno podnosi moc każdego wzmacniacza Audio z danymi tranzystorami mocy. Zastosowanie SMPS o stabilizowanym napięciu ( a jeszcze lepiej regulowanym ) w urządzeniu Audio Hi-Fi pozwoli szeroko użyć scalonych wzmacniaczy mocy co ogromnie uprości budowę urządzeń Audio !
Ponieważ z procesorem DSP stają się zbędne wszystkie potencjometry regulacyjne ( jest pilot ) miejsce na płycie czołowej może zająć duży wyświetlacz fluorescencyjny taki jak w magnetowidach.
Wzmacniacz może mieć stale pracującą SMPS ( także w modzie Standy po dezaktywacji wzmacniacza ) maksymalnej mocy 3-5W dostarczającą małego napięcia stopniowi mocy i napięć >+-30V części sygnałowej wzmacniacza mocy . Wystarcza ona na ponad >99% czasu używania produktu w jego życiu. Gdy wymagane jest większe napięcie reguluje je bez procesu przejściowego aktywowany drugi SMPS dużej mocy. W ten sposób wzmacniacz będzie przy typowym małym wysterowaniu pobierał 1 W mocy z sieci.
Nowoczesny sprzęt AudioVideo stanowi niewielką część handlu światowego ale istotną część rentownych produktów wysokiej technologii.
Norma dla procedury która pozwoli ocenić typowe życiowe zużycie przez urządzenie energii czynnej, biernej i emisje harmonicznych dopiero powstanie. Zabiegi mające zmniejszyć THD pobieranego prądu sieciowego wydają się u małych domowych „szkodników”, poza odbiornikiem TVC, kompletnie zbędne.
Najgroźniejszym domowym generatorem prądów harmonicznych jest odbiornik telewizyjny TV i TVC dający zniekształcenia prądu THD>110 %.
Badania ze świata wskazują że bogate populacje spędzają przed telewizorami coraz więcej czasu a odbiorniki TVC mają coraz większe ekrany! Nowoczesne TVC mają dźwięk stereofoniczny wysokiej jakości i Teletekst.
Nowe zachodnie odbiorniki TVC pobierają średnio poniżej 100 Watt mocy czyli mało na tle odbiornika lampowego żrącego ponad 250 W i odbiornika z tyrystorowym stopniem odchylania konsumującego do 180 W mocy. Pobierana moc rośnie z przekątną ekranu a produkowanych jest coraz więcej odbiorników z dużymi przekątnymi ekranu. Pobór mocy zależy od jasności obrazu ale uśredniony w długim czasie różnych programów zmienia się niewiele.
Kondensator elektrolityczny prostownika sieciowego TVC jest stosunkowo duży co podnosi THD z kilku powodów.
-Trwałość kondensatora elektrolitycznego bardzo szybko spada z jego temperaturą a jest on względni tani przy koszcie naprawy odbiornika i koszcie utraty renomy przez producenta.
-Małe tętnienia wyprostowanego napięcia pozwalają ograniczyć parametry Uceo i Ic czyli moc klucza Ic x Uceo drogiego tranzystora wysokonapięciowego SMPS i transformatora bowiem „szerokozakresowość” [2] SMPS ma przecież swoją cenę. Wystarczający jest prosty i tani układ regulacji napięcia ( małe są zakłócające obraz tętnienia 100 Hz napięcia z prostownika ) tylko po stronie sieciowej.
-Odbiornik toleruje 10-20 ms obniżenie napięcia podczas rozłączania zwarcia w sieci zasilającej.
Przyjęto w SMPS na napięcie sieciowe 220 Vac o mocy do 100-120 W stosować kondensator elektrolityczny sieciowego mostowego prostownika o pojemności 220 uF choć wystarczająca jest mniejsza pojemność. Suma oporności rezystora ( typowo do 4.7 Ohm / 5W ), dławika i ESR kondensatora elektrolitycznego ograniczającej prąd ładowania kondensatora po włączeniu zasilania powinna być większa od 6 Ohm.
Szczyt pobieranego impulsami prądu jest tuż przed szczytem sinusoidy napięcia sieciowego. Zniekształcenia pobieranego z sieci prądu przez ten prostownik wynoszą ponad 110 % i spadają z obciążeniem.
Co można zrobić z TVC aby zmniejszyć zatrucie sieci harmonicznymi ?
Można dać niewielki wejściowy dławik o indukcyjności „dającej z kondensatorem elektrolitycznym prostownika rezonans” circa przy sieciowej częstotliwości 50 Hz. Pobierany impuls prądu poszerza się i staje się symetryczny względem szczytu sinusoidy napięcia sieciowego. Wartość skuteczna pobieranego prądu spada i mocno spada amplituda 3, 5 , 7, 9.. harmonicznej. Z kolei 3 olejności zerowej ( także inne triplens ) harmoniczna zamyka się w trójkątowym uzwojeniu transformatora dystrybucyjnego a w przypadku transformatora Yz płynie tylko przez zygzakowe uzwojenie wtórne. Siec SN nie jest praktycznie zatruwana przez harmoniczne.
Spada w półokresie napięcia sieciowego minimalne napięcie na kondensatorze prostownika ale stosunkowo niewiele i często użyty klucz i transformator SMPS są wystarczające.
Oporność dodanego dławika wystarczająco ogranicza startowy prąd ładowania kondensatora i (gorący w pracy ) rezystor do tego celu jest zbędny. Pobór mocy się nie zmienia.
Maskowy kineskop kolorowy jest wrażliwy na pole magnetyczne i konstrukcja dławika musi minimalizować pole rozproszone a on sam być umieszczony jak najdalej od kineskopu. Dławik rdzeniowy z żelaznym rdzeniem ( czyli O z dwoma karkasami ) rdzeniu jest łatwy i tani w automatycznej produkcji i może być zamontowany na płycie drukowanej zasilacza. Do jego produkcji nie są wymagane materiały wysokiej jakości. Obecność tego dławika trochę zmniejszy wymagania na ferrytowy dławik dla EMC. Koszt takiego dławika nie powinien podnieść kosztów produkcji odbiornika TVC więcej niż o 1 %. Można by rozważyć zastosowanie rdzenia z proszków żelaza i rezygnacje z typowego dławika EMC.
Zatem wprowadzenie ustawowych ograniczeń na generowanie energii THD w cyklu życia TVC, producenci bez sprzeciwu przełkną. Są też inne rozwiązania aktywne ale znacznie droższe.
Znana jest pokazana na rysunku konfiguracja prostownika pojemnościowego o zmniejszonych zniekształceniach THD pobieranego prądu ale o bardzo dużych pulsacjach napięcia wyjściowego. Zamiast jednego europejskiego kondensatora elektrolitycznego na 385/400 Vdc są dwa amerykańskie / japońskie na 200 Vdc podwójnej pojemności ( całkowita gromadzona w kondensatorach energia jest taka sama w obu przypadkach ) i przyrost kosztu jest niewielki a dodatkowe trzy diody też są tanie. Dla uproszczenia załóżmy jest pojemność kondensatorów C1 i C2 jest wielka a spadek napięcia na przewodzącej diodzie jest zerowy. Gdy chwilowa wartość napięcia sieciowego jest mniejsza od 1/2 maksymalnego ( moc z sieci nie jest wtedy pobierana) rozładowywane są obciążeniem przez diody szeregowe D1 i D2 z kondensatorami oba kondensatory. Gdy napięcie jest większe od 1/2 energia z wejścia wprost płynie do wyjścia a gdy napięcie osiąga wartość szczytową oba kondensatory są ładowane szeregowo przez diodę D3.
ProstownikLthd.png
Niestety przetwornica odbiornika TVC Rubin 282 nie toleruje tak wielkich tętnień i praca odbiornika nie jest możliwa. Przetwornica Flyback ma ze wszystkich konwerterów najmniejszy relatywny koszt szerokozakresowości napięcia zasilania i odpowiednia modyfikacja układu SMPS i transformatora nie byłaby droga. SMPS Flyback o mocy 100 W zasilany z sieci 220 Vac po modyfikacjach zasilany z sieci 90-265V ma typowo moc 60 W.
Systemy elektroniczne wymagają do zasilania napięcia stałego i to często stabilizowanego.
W mieszkaniach i biurach dostępna jest tylko instalacja jednofazowa. Parametry prostowników jednofazowych na tle prostowników trójfazowych, zwłaszcza o dużej ilości pulsów „m” są bardzo słabe. Nic jednak nie wskazuje na to aby w mieszkaniach powszechnie miały być stosowane instalacje trójfazowe.
Według Prawa Podobieństwa straty mocy w transformatorze maleją z pierwiastkiem czwartego stopnia z mocą. Sprawność małych transformatorów jest okropnie niska a ich jałowy pobór prądu i mocy duży.
Małe transformatory używane są w zasilaczach do przenośnych bateryjnych odbiorników radiowych, magnetofonów, radiomagnetofonów, telewizorków, walkmana, prostego stołowego monofonicznego radioodbiornika oraz w zasilaczach Standby odbiorników TVC z pilotem.
Koncern Philips produkuje wszelkie masowe elementy elektroniczne. Do impulsowych zasilaczy SMPS małej mocy 2-5W produkuje maleńkie transformatorki na ferrytowym rdzeniu E12.6 oraz wysokonapięciowe tranzystory w małej obudowie TO126 typu BUW84/85 o Ic=2A i BUX86/87 o Ic=500 mA.
Mały SMPS ma same zalety. Ma od razu stabilizowane napięcie wyjściowe i wysoką sprawność. Czy i kiedy małe zasilacze impulsowe zastąpią tradycyjne z transformatorem 50 Hz trudno powiedzieć. Ceny wysokonapięciowych tranzystorów mają wieloletni malejący trend.
Obecnie realna robocza sprawność stabilizowanego zasilacza z transformatorem 50/60 Hz z regulatorem liniowym wynosi 10-55% czyli jest słaba i to z wielu powodów. Choć pierwsze zasilacze SMPS pojawiły się niedługo po pojawieniu się wysokonapięciowych tranzystorów mocy - kluczy to ich popularyzacja szła opornie aż do czasu masowego zastosowania ich w kolorowych odbiornikach telewizyjnych TVC, głównie japońskich. Zasilacz impulsowy nadal nie jest tani i stanowi istotną część kosztów całej elektroniki odbiornika TVC.
Zasilacze impulsowe dominują już też w komputerach.
Do zasilaczy impulsowych doskonalone są kondensatory prostowników Low ESR. Diody Ultra Fast i Mosfety pozwalają nieomal dowolnie podnieść częstotliwość pracy SMPS ale ferryty rdzenia obecnie limitują ją do 100 KHz ale są one doskonalone. Rozmiar i masa SMPS ze wzrostem częstotliwości pracy może spaść.
W nurcie SMPS są też jako nowość wysokosprawne świetlówki kompaktowe z elektronicznym statecznikiem czyli inverterem na dwóch tranzystorach. Są jeszcze bardzo drogie ale prognozy co do cen tranzystorów wysokonapięciowych do nich są bardzo optymistyczne. Natomiast masowa produkcja zawsze mocno redukuje koszty jednostkowe.
Rozważając oszczędność energii zasilaczami SMPS pamiętajmy jednak że udział gospodarstw domowych w konsumpcji energii nie jest duży a dominuje przemysł.
W profesjonalnych zasilaczach stosowane są preregulatory tyrystorowe wprowadzające szczególnie duże zniekształcenia nieliniowe pobieranego prądu sieciowego. Konsumpcyjnym dziwactwem z tyrystorowym preregulatorem jest radziecki odbiornik TVC Elektronika C430.
Czy zasilacze impulsowe SMPS opanują wszystkie segmenty urządzeń elektronicznych. Na to wskazuje historia !
W urządzeniach lampowych prostownikiem była podwójna lampowa dioda a później prostownik selenowy. Do czasu opanowania produkcji kondensatorów elektrolitycznych o dużej gęstości energii do filtracji tętnień wyprostowanego napięcia stosowano filtr LC z dławikiem na rdzeniu żelaznym. W radioodbiorniku dławik filtru L był elektromagnesem głośnika dynamicznego.
Spadek napięcia na prostowniku był znaczny a moc do podgrzania katody diody duża co skutkowało marną sprawnością prostowników.
Szybki spadek cen diod prostowniczych przyniosły dopiero innowacyjne obudowy „plastikowe” diod. W katalogu potężnej Motoroli na 1965 rok są „plastikowe” diody rodziny 1N400X o prądzie Iav 1 A i 1N540X o prądzie 3A. Możliwe że wprowadzono je już w 1964 roku. Pod tymi i innymi nazwami ( diody NRD i ZSRR są trochę słabsze ) diody te produkowane są w ogromnych ilościach w całym świecie. Są tanie i niezawodne. Nie są to jednak diody ze złączem p-n ale PIN ! Struktura diody rodziny 1N400X jednego z producentów waży 93 mikrogramy. W Polsce importowane struktury tych diod były tylko montowane w obudowie.
Diody obu rodzin mają bardzo dużą przeciążalność i w prostownikach pojemnościowych z dużym impulsem prądu ładowania po załączeniu do sieci nie sprawiają żadnych problemów.
Ich ogromna popularność sprawiła że niedawno wypuszczono też rodziny diod UF400X i UF5400X. UF znaczy Ultra Fast.
Amerykańska Konstytucja obliguje rząd do podejmowania działań na rzecz ogólnego dobrobytu. Słowo „ogólnego” twardo wyklucza działania adresowane dla konkretnych grup czy osób. Rząd ma dbać aby były warunki do rozwoju dla wszystkich i usuwać przeszkody. Rząd prezydenta Reagana doszedł do prawdziwego wniosku ze działania kontrolerów ruchu powietrznego i pilotów hamują rozwój lotnictwa pasażerskiego a naród ma uzasadnione potrzeby komunikacyjne. Gdy piloci i kontrolerzy posunęli się do działań zabronionych przez prawo wylądowali w więzieniu. Po likwidacji blokujących rozwój patologii przewozy lotnicze dosłownie eksplodowały. Na bilet lotniczy w USA stać prawie każdego.
Zatem z ogólno-gospodarczego punktu widzenia najlepsza jest energetyczna optymalizacja konstrukcji urządzeń dającą największą korzyść z jednostki inwestycji.
Radzieckie normy GOST pod względem funkcjonalności dzielą różne urządzenia na klasy. Zachodnioniemiecka norma DIN4550 wprowadziła minimalne wymagania na sprzęt Audio o wysokiej wierności czyli High Fidelity czyli Hi-Fi.
Samochody osobowe są klasy niższej, średniej i wyższej.
Bosch pierwszy w świecie elektroniczny sterownik wtrysku paliwa wyprodukował w 1967 roku. Obecnie ECU wykonane jest na mikrokontrolerze i samochód osobowy bez ECU staje się niesprzedawalny. Ponieważ opanowano produkcje specjalnych tranzystorów Darlingtona do zapłonu elektronicznego staje się on standardem polepszającym parametry silnika samochodu osobowego.
W zachodnim systemie gospodarki rynkowej rząd nie może bezpośrednio dyrygować firmami ale ma wpływ na ich działania między innymi z pomocą norm. Sensowne normy sprzyjają rozwojowi gospodarczo – społecznemu.
Często normy stanowią koncerny. Bardzo skomplikowana Norma dotycząca standardu CD ustanowiona przez potężny duet Sony – Philips została zaakceptowana w całym świecie. Duet na wieloletnie prace badawcze ( powstały m.in. znakomite diody laserowe ) wydał gigantyczne środki, których nie odzyskał co źle wróży na przyszłość. CD miała być pierwszym krokiem a stała się na razie ostatnim a przecież pojemność płyty rozmiaru CD miała być wielogigabajtowa.
Standard Teletekstu ( też dzieło Philipsa ) umożliwia jego masowa popularyzacje.
Standardy umożliwiają produkcje masową i wymianę ale stopniowo stają się przestarzałe i hamujące. Standardy kodowania kolorów w telewizyjnych standardach NTSC - PAL – SECAM stały się przestarzałe.
Obecnie technologia pozwala w miarę tanio ( nie wolno żądać rzeczy niemożliwych lub nonsensownych ) zmniejszyć pobór mocy odbiorników TVC w stanie czuwania Standby poniżej 1 W a pobierają one nawet ponad 10 Watt mocy. Wystarczy w normie (to przymus administracyjny zagrożony sankcjami ) określić ten pobór na maksymalnie 1 W a po dekadzie zmniejszyć to na 0.2 W.
Normą można też ustalić maksymalny pobór energii przez lodówki w poszczególnych klasach. Są patenty na oszczędniejszy agregat ! Można też polepszyć izolacje cieplną.
Normą można też ustalić maksymalny poziom zniekształceń THD ( z preemfazą ) pobieranego prądu przez różnych odbiorców w funkcji ich rocznego zużycia energii.
Literatura od autora.
1.Optymalizacja odstrojenia w dół dławika w obwodzie LC dla minimalizacji prądu 5 harmonicznej płynącej przez transformator przy zniekształceniach napięcia SN i prądu nN.
2.Wariantowa optymalizacja szerokozakresowych konwerterów Flyback.
Polski rząd zastąpiony przez AI. To może dać lepsze rezultaty niż te bandy.
OdpowiedzUsuńWitam. Ale czy z tą AI dałoby się kraść i mataczyć ?
Usuńhttps://www.youtube.com/watch?v=6v0xAIBGDSs
OdpowiedzUsuńWitam. Interesujący materiał.
Usuń