Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 124
Archiwum EnergoPatent.
Silniki
Człowiek ma serwomechanizmy z układem mechanicznym czyli układ mięśni i sterujący tym biologiczny komputer otrzymujący informacje od sensorów – oko, ucho.o.
W Mechanizacji produkcji maszyny i urządzenia napędzane są energią wytworzoną z zasobów przyrody: siła zwierząt, wiatrak, koło wodne, maszyna parowa, silnik spalinowy, silnik elektryczny ...
Późniejsza Automatyzacja wprowadziła urządzenia z własnym sterowaniem, nadzorem i kontrolą. Pojawiły się całe zautomatyzowane linie produkcyjne.
Robotyzacja zastępuje prace ludzką trudną do mechanizacji i automatyzacji.
Produkcja masowa i zielona rewolucja przyniosły koniec niedostatku na zachodzie a dalej powszechny dobrobyt.
W produkcji masowej czynności wykonują wyspecjalizowane – dedykowane maszyny. Z reguły są one stosunkowo proste. Maszyna czynności wykonuje zupełnie inaczej niż człowiek. Geniusz konstruktorów maszyn zasługuje na podziw.
Zastosowany przez USA pod koniec wojny system radaru z analogowym przelicznikiem sterującym serwomechanizmy armat okazał się skuteczny w zwalczaniu samolotów wroga. System przeciwlotniczy na lotniskowcu wraz z rojem chroniących go okrętów czyni go niezatapialnym co dało USA możliwość bezkarnego atakowania wszystkich poza ZSRR i jego sojuszników.
W USA temat automatyzacji wojny jest konsekwentnie rozwijany od lat pięćdziesiątych.
Znaczną popularność zyskały systemy pneumatyczne:
-W strefach zagrożenia wybuchem wygodna jest bezpieczna pneumatyczna automatyka przemysłowa z sygnałem 3-15 psi podanym też wprost do aktuatorów. Typowy konwerter przetwarza sygnał pneumatyczny na sygnał elektryczny pętli prądowej 4-20mA. Inny konwerter przetwarza sygnał elektryczny na pneumatyczny który można na przykład podać do aktuatora. Jednak algorytmy pracy systemów pneumatycznych są tylko proste.
-W przemyśle masowo stosowane są standardowe tłokowe aktuatory pneumatyczne i elektrozawory do elektrycznego operowania nimi. Aktuatory i elektrozawory nie są drogie.
-Pneumatyczne silniki liniowe i obrotowe nadają się do napędu bardzo złożonych samodzielnych pojazdów i robotów ( na razie to Science Fiction ) gdzie serwonapędów może być kilkadziesiąt i muszą być dość lekkie. Im wyższe ciśnienie robocze tym większa gęstość mocy silnika ale i mniejsza sprawność energetyczna napędów. Gaz może być wprost spalinami z turbiny gazowej !
-Popularne są w przemyśle narzędzia z napędem pneumatycznym począwszy od drogowego / budowlanego młota pneumatycznego
-Pneumatyczne są hamulce pociągu i przyczep ciężarówek
-Niezastąpiona jest dentystyczna turbinka pneumatyczna
-Pipetki do kładzenie na PCB elementów elektronicznych do montażu powierzchniowego SMD są pneumatyczne
-Ukształtowany strumień powietrzna może bardzo wydajnie odpowiednio ustawić montowane detale, także a może przede wszystkim bardzo drobne
Wadą systemów pneumatycznych jest ciągły duży wydatek energii i czasem hałaśliwość kompresora. Ze sprężonego powietrza trzeba filtrami usunąć wodę i ewentualne olej i zanieczyszczenia. Dla elastyczności zaspokajania potrzeb i niezawodności dużego systemu stosowany jest system z dwoma lub trzema kompresorami i zbiornikiem buforowym z odpowiednim układem automatyki sterującym całość.
Spory udział w wartości produkcji przemysłowej mają systemy hydrauliczne.
-Silniki hydrauliczne obrotowe i rzadziej liniowe ( zawsze ze sterującym elektroserwozaworem ) stosowane były i nadal są w maszynach CNC ( Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie, J.Mierzejewski, WNT 1977 ) i były stosowane w robotach przemysłowych. Mają stosunkowo niezłe pasmo przenoszenia. Ponieważ mają bardzo dobry stosunek momentu i mocy do masy, ustawiają mechanikę skrzydeł samolotów i elementy kierujące lotem rakiet. W samolotach cywilnych dla uzyskania niezawodności systemy są zdwojone (redundancja) i dla niezawodności nie powinny się krzyżować.
-W maszynie CNC hydrauliczny wzmacniacz mocy może powiększać małą moc silnika krokowego.
-Szybki i silny wykonawczy serwomechanizm hydrauliczny reguluje moc potężnej parowej turbiny energetycznej.
-Wykonawczy serwomechanizm hydrauliczny pozycjonuje armatę nowoczesnego czołgu ale zastosowań militarnych jest bardzo dużo
-Narzędzia hydrauliczne mogą być bardzo silne i wydajne. Na przykład jednocześnie przykręcają śruby mocujące koło produkowanej ciężarówki lub samochodu osobowego. Alternatywnie czasem narzędzia mogą być pneumatyczne
-Silniki hydrauliczne liniowe i obrotowe są stosowane w spychaczach, koparkach i licznych maszynach budowlanych do wszelkich zastosowań.
-Silniki hydrauliczne są stosowane w dźwigach o średnim i dużym udźwigu.
-Powszechne są w samochodach systemy hydrauliczne hamulcowe i wspomagania kierownicy.
Systemy hydrauliczne są najlepsze w poszerzonym zakresie średniej mocy. Waga systemu spada ze wzrostem ciśnienia roboczego oleju ale systemy z dużymi ciśnieniami są droższe i mogą być niebezpieczne w razie uszkodzenia jak na przykład w trafionym pocisiem / szrapnelem samolocie lub czołgu. Wadą systemów hydraulicznych jest mała sprawność i ciągły wydatek energii na napęd pompy zasilacza hydraulicznego, która jest rozpraszana chłodnicami co jest kłopotliwe na przegrzewanych halach produkcyjnych. Systemy te są hałaśliwe. Nawet niewielki przeciek oleju sprawia że są one brudne co eliminuje je z wielu potencjalnych zastosowań. Jednak w pierwszych napędach komputerowych dysków IBM zastosowano hydrauliczny serwomechanizm do pozycjonowania ramienia z głowicami.
Okresowej wymiany wymagają filtry dbające o czystość oleju roboczego. Precyzyjne hydrauliczne elektroserwozawory są tym droższe im są czulsze a generalnie są drogie. Wraz z tanieniem elektroniki czułość elektroserwozaworów straciła na znaczeniu
Napęd ogólno - przemysłowy porusza głównie:
-Wentylatory, kompresory i pompy
-”Taśmociągi” w różnych odmianach
-Systemy transportowe
-Dźwigi
-Windy
Silniki elektryczne w USA popularyzowały od końca XIX wieku rodzące się gigantyczne koncerny General Electric (szefował mu genialny wynalazca Thomas Edison) i Westinghouse ( szefował mu przedsiębiorca George Westinghouse).
Lampowe komputery zastosowano już w połowie lat pięćdziesiątych w potężnych koncernach General Electric i Westinghouse do optymalizacji maszyn elektrycznych czyli transformatorów i silników oraz generatorów. Standardowe maszyny elektryczne wytwarzane w seriach spowodowały popularyzacje i stanienie napędu elektrycznego oraz wreszcie wyparcie napędów centralnych wraz z wałami i pasami transmisyjnymi bowiem wcześniej maszyny elektryczne projektowano i produkowano jednostkowo do konkretnego zastosowania. Napędy elektryczne miały coraz większą moc a wydajność napędzanych maszyny wzrosła ogromnie. Już przed I Wojna Światową w USA silniki elektryczne napędzające potężne walcarki hutnicze osiągnęły moc 10 MW !
Współczesny nowoczesny silnik asynchroniczny o mocy 100 KW waży tyle ile ważył silnik o mocy 10 KW z początku XX wieku ! Doskonalsze są blachy elektrotechniczne i sposób ich wycinania, druty nawojowe i materiały izolacyjne wytrzymują wyższe temperatury pracy i lepiej zapełniają przestrzeń na uzwojenie. Znacznie lepsze są projekty maszyn. Objaśniając ten wzrost wskaźników maszyn elektrycznych eksponencjalną krzywą uczenia się ( roczny przyrost wskaźników o 2.6% ale dawniej był szybszy a obecnie jest mały ) trzeba stwierdzić że wzrost jest już obecnie bardzo powolny (wygasa) ale jednak dalej trwa.
Przykładowo radzieckie komutatorowe szeregowe silniki DC do lokomotyw elektrycznych typu HB-406 i późniejsze HB-418 mają odpowiednio moc 525/470 KW i 790/740 KW ( godzinowa / ciągła ) ważąc 5400 kg i 4350 kg. Zatem jednostka mocy stała się sporo lżejsza. Średnia ich sprawność ( bliżej nie zdefiniowana ) wynosi 92.8 % i 94.8%. Sprawność ta jest więc zupełnie dobra.
Jednak takie ciężkie silniki DC nie bardzo nadają się do współczesnej generacji szybkiej kolei jak japoński Shinkansen i francuski TGV.
Komutatorowe silniki DC mogą być zasilane były z inverterów tyrystorowych. Ponieważ występuje w nich uciążliwe zakłóceniowe zjawisko przewrotu falownika większość światowych koncernów odchodzi od silników DC i tyrystorów.
Produkcja maszyn elektrycznych jest dalej doskonalona i automatyzowana. Zautomatyzowano też produkcje komutatora a silniki „uniwersalne” produkowane są ( dominuje w tym Japonia ) w ogromnej ilości. W - Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie, J.Mierzejewski, WNT 1977 - podano parametry rodzin serwomechanizmowych silników prądu stałego DC firmy Porter z USA od której kupiliśmy licencje.
Siła nabywcza wynagrodzenia (mowa o trendzie) obywateli Zachodu liczona w maszynach elektrycznych nadal rośnie ale już bardzo powoli.
Niezawodność maszyn elektrycznych dalej powoli rośnie.
Prawo Podobieństwa prowadzi do wniosku że wraz z mocą maszyn rośnie ich sprawność a jednostka mocy waży coraz mniej. Efekt skali jest bardzo silny !
Ogromnie ważna dla gęstości mocy maszyny jest w maszynach z magnesem stałych jego energia. Ale silne magnesy używają kobaltu i metali z grupy Ziem Rzadkich, które są jeszcze bardzo drogie. Ale perspektywy są optymistyczne. Niemniej cały cykl poszukiwania bogatych złóż, ich udostępnienie, wzbogacenie rud, proces hutniczy i rafinacja (nie ma jeszcze wydajnych metod i nie jest pewne czy zostaną odkryte ) będzie trwał dekadami. Z pewnością będą nowe odkrycia.
W potężnych amerykańskich koncernach mechanizacje i prymitywną automatyzacje w produkcji maszyn elektrycznych zastosowano już w latach trzydziestych !
Wagę optymalizacji serii maszyn doceniono też w III Rzeszy i NRF oraz Japonii. W ZSRR komputerową optymalizacje maszyn elektrycznych słusznie doceniono i wdrożono już w połowie lat sześćdziesiątych.
Moc maszyny elektrycznej zależy od optymalności jej projektu oraz głównie od jakości blachy elektrotechnicznej i maksymalnej temperatury pracy izolowanej miedzi uzwojeń i ewentualnie konstrukcji wieloprzewodu (duże maszyny i problem prądów wirowych ) na uzwojenie.
W przypadku maszyn z magnesami stałymi czynnikiem decydującym jest dodatkowo energia magnesu.
Moc 1500 MW największych generatorów synchronicznych limituje średnica ponad 1300 mm „beczki” rotora generatora. Na obwodzie rotora przy 3000 obrotach na minutę (dwa bieguny i synchroniczna częstotliwość 50 Hz ) przyśpieszenie sięga 6000 g i nawet użycie najlepszych stali nie pozwala wykonać już większej beczki rotora.
Silnik asynchroniczny znacznej mocy wykonany tą samą technologią, z tych samych materiałów (część materiałów jest rodzajowo inna ) i przez tego samego producenta co silnik prądu stałego jest od niego w przybliżeniu dwa razy lżejszy. Silnik asynchroniczny ma wyższa sprawność jest znacznie tańszy i niezawodny.
Silniki asynchroniczne zużywają w Polsce około 70% wytwarzanej energii elektrycznej !
Silnik asynchroniczny oprócz zalet ma bardzo poważną wadę – pełnowartościową regulacje napędu lub serwonapędu otrzymuje się tylko przy zasilaniu z drogiego invertera. Bez invertera słabą dynamiczne i bardzo stratną regulacje ( znanych jest wiele systemów takiej regulacji ) otrzymuje się stosując silniki asynchroniczne pierścieniowe z uzwojonym rotorem. Silnik taki jest jednak znacznie droższy i bardziej zawodny niż zwykły silnik ze zwartą klatą odlaną z aluminium.
W serwomechanizmie przewaga silnika asynchronicznego/synchronicznego/BLDC nad silnikiem komutatorowym jest tylko trochę zmniejszona przez możliwość znacznego dynamicznego forsowania silnika DC niestety tylko przy małych i średnich obrotach co limituje komutator.
Polska w ubiegłej dekadzie kupiła licencje na roboty od koncernu Asea ale zakres tej licencji i powód jej wdrożenia pozostają niejasne.
Silnik synchroniczny z magnesami stałymi przy małych obrotach ( typowa praca serwomechanizmowa !) ma znacznie większą sprawność niż silnik asynchroniczny a problem chłodzenia silników serwomechanizmowych (często mają pracujący stale wentylator z własnym silnikiem ) jest istotny. Toteż w elektrycznych serwomechanizmach stosowane są silniki synchroniczne z magnesami stałymi także w odmianie BLDC – BrushLess DC czyli Bezszczotkowy Prądu Stałego. N.B. Nazwa BLDC jest dezorientująca wprowadzając w konfuzje. O ile silnik synchroniczny pracuje z napięciem sinusoidalnym to silnik BLDC pracuje z napięcie trapezoidalnym co mocno upraszcza konstrukcje sterowania w zasilającym go inwerterze. Wadą silnika BLDC są znaczne pulsacje wytworzonego momentu mechanicznego (pulsacje rosną wraz z obrotami i momentem mechanicznym ) i w wysokiej jakości napędach CNC gdzie wibracje są niepożądane silniki BLDC nie są stosowane. Konstrukcyjnie silnik BLDC ma tylko inny kształt zębów stojana niż silnik synchroniczny. Gdy pokręcimy wałem silnika BLDC oscyloskopem obserwujemy generowane napięcie. Z reguły jest to coś pośredniego między sinusoidą a trapezem !
Masowo produkowane silniczki BLDC (z rotorem wewnętrznym lub często zewnętrznym ) z wbudowanym 3 halotronami ( to sensory położenia rotora ) dla systemu komutacji stosowane są do napędów talerzy dysków twardych i miękkich, w odtwarzaczach CD, magnetowidach oraz w drukarkach laserowych. Już często sterowane są przez dedykowane układy scalone ( niestety nie są to w pełni serwonapędy ! ) a cena MASOWO produkowanych wymienionych urządzeń ogromnie spadła.
Oprócz wymienionych są jeszcze serwo napędy raczej egzotyczne:
-W głośniku dynamicznym cylindryczna cewka czyli Voice Coil umieszczona jest w szczelinie silnego magnesu. Porusza ona membraną głośnika. Choć głośnik dynamiczny wynaleziono w 1925 roku to masową popularność zdobył dopiero w latach pięćdziesiątych. Głośniki dynamiczne są mocy 0.1 -1000 Watt. „Voice Coil Motor” jest liniowym aktuatorem. Wydaje się że silniki krokowe do pozycjonowania głowic twardych dysków komputerowych są tylko rozwiązaniem przejściowym i VCM będzie też stosowany w HDD do komputerów zgodnych z IBM PC tak jak przez ponad dwie dekady przestawiał głowice w napędach dysków komputerów Mainframe. Są już pierwsze dedykowane do HDD złożone układy scalone pracujące z VCM. Szybkość pozycjonowania głowic HDD jest bardzo ważna bowiem składa się na czas dostępu do pliku czyli na wydajność HD i całego komputera.
Im silniejszy jest magnes i wyższą temperaturę toleruje uzwojenie VCM i poliamidowa rurka dla niego tym mocniejszy ( tu szybszy ) jest VCM. Oczywiście jak najwyższa musi być częstotliwość rezonansu mechanicznego VCM i ramienia ( ze stopów tytanu ) z dyskami.
-Szybkie mikroserwo może używać aktuatora piezoelektrycznego. W opracowanych przez tandem firm Philips - Grundig magnetowidach udanego (ale znacznie droższego niż japoński VHS) systemu VCR 2000 do precyzyjnego i szybkiego pozycjonowania głowic ( Dynamic Head Tracking ) stosowany jest dedykowany „PARALLEL BIMORPH PLATE” produkcji Philips. Jest to prostokąt rozmiaru 7.3 x 22 mm wykonany z piezoceramiki z elektrodami kontaktowymi i kształtem do łatwego montażu. Skok napięcia 300 V daje typową odpowiedz 250 um. Rezonans jest w przedziale częstotliwości 900-1300 Hz a więc aktuator jest bardzo szybki.
Na rysunku pokazano silny cylindryczny „HIGH-POWER ACTUATOR” także Philipsa w trzech rozmiarach. Może on być użyty w maszynach gdzie potrzebne są małe ale szybkie ruchy na przykład w produkcji mikroelektroniki do pozycjonowania „wafla”. Czas odpowiedzi wynosi 200 usec. Duża ilość piezoceramicznych dysków jest tu zmontowana w stos i połączona elektrycznie równolegle. Maksymalnie aplikowana siła wynosi 5000 N. Skok napięcia jest do 800V. Wraz z rozmiarem rośną pojemności tego piezo aktuatora 100 / 250 / 800 nF. Z powodu dużej pojemności szybkie sterowanie wymaga znacznego prądu i jest bardzo trudne.
Wzmacniacz liniowy sterujący taki aktuator można wykonać na dwóch wysokonapięciowych 1000V tranzystorach Mosfet mocy które z racji szerokiego obszaru SOA doskonale się do tego celu nadają ale z uwagi na straty mocy silne operacje muszą być rzadkie.
Tranzystory bipolarne z racji wąskiego obszaru SOA do tego celu się w ogóle nie nadają. SOA tranzystorów bipolarnych jest super słabe dla reaktancyjnych obciążeń.
Przykładowo dynamiczne Granice Forsowania silnika DC wyznacza komutator i magnesy.
Producenci silników elektrycznych podają na wykresie obszary bezpiecznej pracy silników.
Jak dotychczas Prawo Moorea dobrze przybliża rozwój mikroelektroniki cyfrowej. Dla określonej wydajności / pojemności procesory i pamięci szybo tanieją co powoduje ze udział kosztów komputera w całym systemie „CNC” maleje. Niestety jednostkowy koszt mocy kluczy maleje znacznie wolniej
Ale według oferty przemysłowej Siemensa siła nabywcza średniej pensji w RFN liczona w najtańszych standardowych tranzystorkach w obudowie TO92 doszła do 20 tysięcy sztuk !
Automatyzacja pozwala mocno obniżyć koszta produkcji masowej i konkurencyjną ofertą usunąć z rynku konkurencje.
IBM był liderem i pionierem komputerowej automatyzacji produkcji złożonej elektroniki. Stosując swoje komputery „szycie” backplate wykonał już pod koniec lat pięćdziesiątych. Zautomatyzowano produkcje układów hybrydowych SLT do rodziny maszyn S360.
Maszyny do automatycznego montażu elementów elektronicznych mają już swoją historie.
W maszynach do automatycznego montażu elementów elektronicznych SMD (Do montażu powierzchniowego czyli nieprzewlekanych. Dawniej nazywano je do układów hybrydowych ) na płytach drukowanych PCB wykorzystuje się zalety elektrycznych serwonapędów pozycjonujących PCB i zalety techniki pneumatycznej w pipetach które chwytają elementy SMD z rozwijanej z szpulki (typowa pojemność szpulki to 3000 sztuk elementów ) plastikowej taśmy o podstawowej szerokości 8 mm. Większe elementy SMD konfekcjonowane są na taśmach - szpulkach o szerokości 12, 16 i 24 mm. Maszyna może akceptować kilka szerokości szpulek – taśm -elementów.
Osiem maszyn zestawionych w linie w ciągu godziny montuje do 120 tysięcy elementów SMD !
Proces transportu PCB między maszynami jest oczywiście zautomatyzowany i przed właściwym procesem układania elementów PCB jest precyzyjnie ustawiana na stanowisku do czego służą specjalne pozycjonujące otwory w PCB. Wcześniej metodą sitodruku jest na PCB nałożony w miejscach dla elementów odpowiedni klej.
Zwraca uwagę potężna ilość (szafy) nowoczesnej elektroniki dla każdej maszyny.
Na zdjęciach są nowoczesne maszyny MCM-VI koncernu Philips. Maksymalny rozmiar montowanej PCB wynosi aż 430 x 250 mm. Ponieważ rozmiar PCB głowicy telewizyjnej VHF+UHF wykonanej w technologii SMD jest niewielki na płycie takiej mieści się wiele elementarnych płytek głowic i duża płyta po montażu i lutowaniu jest dzielona na elementarne płytki.
Zaletą elementów elektronicznych w maleńkich obudowach SMD są bardzo małe indukcyjności wyprowadzeń co powoduje ze znakomicie nadają się one na zakres UHF i dolne zakresy mikrofalowe.
Nowoczesne telewizyjne głowice VHF-UHF zdolne do pracy w systemach telewizji kablowej CATV muszą mieć bardzo wysokie parametry. Stąd ich znaczna komplikacja i duża ilość elementów. Duża ilość maleńkich cewek jest strojona automatycznie. Sterowanym komputerowo (z komputerem współpracuje cyfrowy wobuloskop ) napędem zwężającym/ rozszerzającym cewki są silniczki krokowe lub DC.
Rozmiar PCB 430 x 250 mm jest wystarczający do MotherBoard (płyta główna) komputera IBM PC. Rozmiar ten jest też wystarczający do jednopłytowej elektroniki serwonapędu co najwyżej średniej mocy.
Elementy SMD są też stosowane w miniaturowych kamerach a zastosowań elementów SMD jest coraz więcej.
Przy obciążeniu rezystancyjnym i pełnym wysterowaniu sygnałem sinusoidalnym idealny wzmacniacz mocy w klasie B ma sprawność Pi/4 czyli circa 78.5 %. Największa średnia moc strat w tranzystorach wzmacniacza jest przy wysterowaniu ca 66%.
Pobierany z zasilacza prąd zależy od modułu impedancji obciążenia a nie zależy od jej kąta ! Sprawność szybko maleje wraz z cos phi i dla obciążenia czysto reaktancyjnego wynosi Zero !
Im mniejszy jest cos phi obciążenia tym większe jest na trajektorii napięcie Uce przy którym wydziela się duża moc strat w tranzystorach. Z uwagi na obszar pracy bezpiecznej SOA nawet niewielkie obciążenie reaktancyjne powoduje uszkodzenie tranzystorów mocy LV a liniowe użycie tranzystorów HV jest tu w ogóle niemożliwe!
Do sterowania dużych szybkich aktuatorów piezoceramicznych potrzebne jest napięcie 300-800 V przy sporym prądzie. Jest to obciążenie reaktancyjne.
Szeroki obszar bezpiecznej pracy SOA mają tranzystory Mosfet ale moc takie liniowego wzmacniacza jest mała i niemożliwe jest potrzebne szybkie operowanie aktuatorem.......
Serwo CNC, Roboty i Inne
Rozwój nauki, technologi i techniki jest ewolucyjnym procesem ciągłym.
Opinie na temat możliwej rozdzielczości przyszłych procesów fotolitograficznych kluczowych dla mikroelektroniki są sprzeczne. Przedział jest od pesymistycznych 100 nm (obecnie jest powyżej 1 um) do optymistycznego 1 nm !
Ale nawet w technologii „100 nm” częstotliwość taktowania procesorów zasilonych napięciem 0.7V może być 1-5 GHz !
O ile szybkość przetwarzania informacji błyskawicznie wzrasta to energetyka stoi w miejscu.
W energoelektronicznych kluczach wysokiego napięcia gęstość prądu (A/cm2) rośnie bardzo wolno. Czas Trr diod Ultra Fast stanął w miejscu i nie spada.
Uważa się że pierwsza maszyna sterowana prymitywnie numerycznie ( NC- Numerical Control ) powstała w 1952 roku ale już wcześniej pracowano z mniejszymi i większymi sukcesami w tym obszarze tematów. Maszyny NC wpierw zastosowano w przemyśle lotniczym gdzie ważna jest wysoka dokładność i powtarzalność wykonania elementów.
W czasie II Wojny Światowej w czasie Bitwy o Anglię koncerny USA wydajnie produkowały silniki do brytyjskich samolotów co przesądziło o losie konfliktu. Dokumentacja udanego brytyjskiego silnika lotniczego zajmowała „kontener” (!) dlatego że niezwykle skomplikowane i pracochłonne były procedury multi - parowania i kompletowania zestawów pasujących do siebie części. Amerykanie zrezygnowali z tych procedur zmniejszając tolerancje wykonania elementów 10 x krotnie.
W czasie II Wojny Światowej tylko w USA opanowano masową produkcje lotniczą. Brytyjczycy, Niemcy, Japończycy i Radzieccy dalej metodami rzemieślniczymi pasowali zestawy elementów.
Pojęcie produkcja masowa jest jednym najbardziej nierozumianych a ekskluzywny klub krajów świata umiejących wdrożyć masową produkcje jest bardzo wąski. Produkcja masowa oznacza jednocześnie niską cenę i wysoką jakość produktu.
Produkowany seryjnie popularny pasażerski samolot Boeing 737 ma około 350 tysięcy elementarnych części !
Na rynku światowym wysokie marze osiągają wyroby jednocześnie nowoczesne i skomplikowane. Na przykład takie jak wspomniany Boeing 737 lub sprzęt elektroniczny wysokiej jakości.
W systemie rynkowym cena jest podstawową i niezastąpioną informacją dla projektantów i przedsiębiorców.
Oczywiście rządy stosują dotacje ale tylko w bardzo uzasadnionych sytuacjach aby nie zakłócić macierzy cen i racjonalności podejmowanych przez firmy decyzji. Dotacje są czasem konieczne ale w ogólności dezorganizują gospodarkę.
Maszyny sterowane komputerowo CNC wytwarzają tylko niektóre detale do samochodów ( dalej jest o maszynach dedykowanych ), samolotów i wszelkich maszyn. Wytwarzają też formy do wtryskarek tworzyw sztucznych i stopów aluminium. Światowa produkcja tworzyw sztucznych szybko rośnie i jest to branża perspektywiczna. Plastiki stają się wszechobecne, szczególnie w samochodach. Maszyny CNC na podstawie pliku sterującego maszynę z projektu z programu CAD wytwarzają też pre-formy którymi w liniach produkcyjnych na prasach wykonuje się jednorazowe wysokotemperaturowe ( do odlewania stali i jej stopów ) formy odlewnicze z piasku ( wzmocniony dodatkami ) i innych materiałów.
W maszynach sterowanych komputerowo CNC (dawniej NC ) i Robotach przemysłowych stosowano serwomechanizmy hydrauliczne. Oprócz zalet mają one też bardzo poważne wady. Ich efektywna sprawność nie przekracza kilkunastu procent a bywa że jest poniżej 1%. Moc wydzielana przez stale pracujący zasilacz hydrauliczny ( a pobierana z sieci energetycznej silnikiem asynchronicznym ) jest cały czas odprowadzana systemem z chłodnicą.
W wielu zastosowaniach nawet drobne przecieki oleju są całkowicie wykluczone.
Pierwszego robota przemysłowego z serwonapędem elektrycznym z silnikami prądu stałego DC wyprodukował potężny szwedzki koncern ASEA w 1974 roku. ASEA pioniersko użyła silnika prądu zmiennego AC już w 1981 roku.
Silnik prądu stałego jest droższy (szczególnie z magnesami stałymi ) i cięższy od silnika prądu zmiennego o zbliżonych parametrach. Ma też większy moment bezwładności co w tych zastosowaniach jest decydujące i szkodliwe. Ma też mniejszą sprawność. O ile w wielu zastosowaniach trwałość silników prądu zmiennego jest większa niż maszyn w których one pracują to trwałość komutatora silnika prądu stałego jest nadal niewielka choć poprawa jest widoczna.
Produkcje silników asynchronicznych mechanizowano i automatyzowano już od lat trzydziestych.
Masowa, zautomatyzowana produkcja komutatorowych silników DC i uniwersalnych ( ponieważ stojan jest z blach mogą być zasilane prądem zmiennym ale tylko w konfiguracji szeregowej ) przekracza obecnie 600 mln sztuk rocznie. Używane są w samochodach, narzędziach.. , nowoczesnej pralce automatycznej z płynną regulacją prędkości wirowania. Miniaturowy silniczek DC pracuje w Walkmanie. Większy w „normalnym” magnetofonie kasetowym i Gramofonie.
W maszynach CNC i robotach wirnik silnika jest głównym elementem bezwładności i celowe jest dynamiczne forsowanie napędów. Na bezwładność składa się też masa ramion robota.
Zatem jakość silnika ( a w tym jakość użytych materiałów ) i jakość materiału ramion ( także ich projekt ) decydują o parametrach robota.
Magnesy z użyciem ziem rzadkich są coraz lepsze ale silniki prądu stałego i silniki synchroniczne AC (także BLDC ) z nimi są drogie.
Zatem rzecz z maszynami ze sterowaniem CNC i robotami zaczyna się już od jakości stali a produkowane w Polsce stale są marnej jakości. Drugim filarem są klucze mocy do invertera. Potrzebne są też nowoczesne magnesy o dużej energii.
Lżejszy silnik AC plus lżejsze ramiona robota sprawiają że napęd AC może być znacznie mnijszej mocy niż napęd DC !
Cena elektrycznego robota przemysłowego zależy od jego udźwigu i zasięgu operacyjnego oraz szybkości pracy czyli mocy serwonapędów oraz ilości napędów czyli osi.
ASEA w napędach DC maszyn CNC i Robotów stosowała inwertery tranzystorowe PWM a nie układy tyrystorowe z uwagi na okropne zjawisko przewrotu w falownikach. ASEA w technice tyrystorowej jest bardzo mocna i od wielu lat napęd tyrystorowy stosuje na przykład w udanych lokomotywach.
Maszyny obróbcze ze sterowaniem CNC stosuje się głównie w produkcji mało - średnioseryjnej na przykład w przemyśle lotniczym i w masowej produkcji samochodów.
W produkcji wielkomasowej dalej dominują maszyny dedykowane o wysokiej zresztą wydajności. Dedykowana maszyna wierci czterema wrzecionami cztery otwory cylindrów w odlanym bloku silnika. Kolejna maszyna wierci ośmioma wrzecionami osiem otworów zaworów w bloku. Natomiast na maszynach CNC łatwo jest wykonać detale do budowy takiej wielonarzędziowej maszyny dedykowanej.
W przemyśle motoryzacyjnym roboty praktycznie zgrzewają i malują. W obu tych rolach sprawdzają się znakomicie ale i tak okres amortyzacji jest długi dlatego że robot o dużym zasięgu i udźwigu kosztuje do 200 tysięcy dolarów.
Ekonomiczny aspekt stosowania maszyn CNC badany jest od końca lat pięćdziesiątych. Tam gdzie konkurencyjna praca ludzka jest droga maszyny CNC są generalnie opłacalne. Ale jest coraz więcej zastosowań serwonapędów sterowanych komputerowo gdzie alternatywne użycie człowieka jest niemożliwe !
Konstrukcja inverterów bez odpowiednich kluczy mocy jest skomplikowana. W radzieckim inwerterze sterującym silnik asynchroniczny Razmer 2M każdy klucz mostka trójfazowego składa się z 6 sztuk tranzystorów KT839. Jest to tranzystor mający większy prąd kolektora niż KT838 (= BU208A) stosowany w odbiornikach TVC. Kolejne dwa tranzystory użyto w zasilaczu SMPS. Zatem jeden inwerter to 38 tranzystorów a robot z 3 osiami potrzebuje 6 x 38 = 228 tranzystorów mocy.
Alternatywnie można ich użyć do produkcji odbiorników TVC !
Największym na świecie producentem sterowań CNC jest japoński Fanuc. Mitsubishi (także Toshiba) produkuje moduły półmostków i mostków trójfazowych z wysokonapięciowymi tranzystorami Darlingtona. Koncerny Japonii produkują cały wymagany tu repertuar mikroelektroniki. Także do części komputerowej.
Suma sumarum. Bez produkcji nowoczesnych kluczy mocy należy zapomnieć o CNC i Robotach.
Generalnie moc systemów (elektroenergetyka ale i inverter do napędu) jest racjonalnie proporcjonalna do kwadratu napięcia i klucze muszą być na wysokie (>=400V) HV napięcie.
Według zachodnich źródeł produkcyjny uzysk tranzystorów HV jest tylko o 5-10% niższy od LV i tylko trochę droższa jest ich produkcja. Trudno powiedzieć z czego w tej dziedzinie biorą się trudności państw RWPG a Cemi w szczególności. Możliwe że jest ścisłe embargo USA-Zachodu na oprzyrządowanie kluczowe dla procesu kluczy HV.
Maszyny ze sterowaniem komputerowym CNC to głównie:
-Frezarki a z magazynem narzędzi i mechanizmem ich wymiany Centrum Obróbcze
-Tokarki
-Wiertarki
-Przecinarki plazmowe, przecinarki ze sprężoną wodą czasem z dodatkiem materiału ściernego, przecinarki z palnikiem
-Elektrodrążarki
-Prasy wycinające z pojedynczym narzędziem wykrawającym lub z magazynem wymiennych narzędzi
S i B i IC do ich sterowania.
S-Step, B-BLDC, DC, I-Induction, Sy-Synchro, VC-Voice Coil, P-Piezo. Wymienione silniki są masowo, automatycznie produkowane.
-Maszyny CNC i Robot: B, DC, I, Sy
-Małe CNC S, B, DC, I, Sy
-Robocik dydaktyczny: S i DC
-Maszyna do montażu PCB SMD i przewlekane S i B
-Szycie przewodami backplate S i B
-Automatyczne wyginanie cewek w strojonej Głowicy TVC S
-Maszyna dziewiarska XY do Wyszywanie wzoru S i B
-Ultra dokładne pozycjonowanie w maszynach produkujących mikroelektronikę P
-Maszyna wykrawająca XY elementy odzieży do zszycia z kilkunastu warstw złożonego materiału. Rozkład elementów na prostokącie materiału może zoptymalizować program komputerowy 2B
-Drukarka mozaikowa 2S,
-Drukarka Laserowa 4B ale układ mechaniczny jest upraszczany,
-Drukarka termiczna ( także EKG i kasa ) S,
-Fax 2S,
-FDD B, S
-HDD B, S / VC
-CD B, VC
-Video B, P
-Analizatory Medyczne S a bardzo duże systemy B
-Skanery Medyczne ( KTG Leże Pacjenta i Gantry) 2S ale duże i mocne,
-Analiza wody po uzdatnianiu S
-Zawory w automatyce S
-Skanowanie obszaru kamerą. Stabilizowanie kamery, Nastawianie Ostrości, Zoom S
-Pozycjonowanie anten S
-Pozycjonowanie teleskopu B
-Klimatyzacja, okna i wentylacja S
S-Zaletą silnika krokowego jest brak drogiego sensora kąta. Wystarczy tani transoptor szczelinowy dający sygnał Index w określonym położeniu. Produkowane są już masowo scalone kontrolery mikrokrokowe pozwalające bardzo dobrze wykorzystać silnik.
B-Do swojej komutacji ma wbudowane trzy sensory Halla.
Produkcja Kwadraturowych optycznych sensorów incrementalnych z Indexem rośnie o ponad 11% rocznie i one ciągle trochę nominalnie ( a dolar też ma inflacje) tanieją.
Rośnie też produkcja Resolwerów i one są już znacznie droższy niż sensory optyczne.
Tyrystorowe Napędy DC
Tyrystor jako klucz ma zdecydowanie najtańszą jednostkę mocy rozumianą jako iloczyn średniego prądu przewodzenia i maksymalnego napięcia. Jest łatwy w produkcji. Niestety jest tylko kluczem półsterowanym i generalnie wolnym lub bardzo wolnym.
Zjawiskiem destrukcyjnego przewrotu sterowanego fazowo invertera w modzie falownika nawet dobre książki się dogłębnie nie zajmują a jest ono powodem odchodzenia od napędów tyrystorowych DC ! Sprawa ta wymaga dociekliwości i rozwiązań !
W rozległym systemie elektroenergetycznym państwa lub kontynentu ciągle gdzieś trwają małe, średnie, duże i wielkie awarie. Zwarcia rozłączane są bezpiecznikami i wyłącznikami CB (Circuit Breaker ) tak aby minimalizować skutki zwarć.
Linie Najwyższych Napięć chronione są przewodami odgromowymi. Statystycznie piorun najczęściej uderza w ochronny przewód. Tylko jeśli rezystancja uziemienia słupa jest za duża na izolatorze lub izolatorach linii nastąpi przeskok wsteczny a wyładowanie łukowe jest dalej potrzymane prądem zwarcia linii. Systemy NN pracują ze skutecznie uziemionym punktem N i wyłącza się tylko fazę lub fazy zwarte. Po czasie 300-700 ms wystarczającym na dejonizacje przestrzeni po-łukowej linie należy załączyć.
Linie SN nie mają przewodu ochronnego ale pracują od strony GPZ z gaszącym dławikiem Petersena (między N a Ziemia ) lub rezystorem i nie zawsze po uderzeniu pioruna konieczne jest odłączenie linii. W systemach SN Recloser ( czyli Samoczynne Ponowne Załączenia ) pojawił się w USA już w latach trzydziestych ! Ale zadziałanie odgromnika w stacji SN/nN wymaga w GPZ odłączenia linii dla zgaszenia łuku. Rozwiązaniem są odgromniki warystorowe.
Współcześnie coraz więcej linii SN jest kablowych i znika tam problem wyładowań atmosferycznych. Kablowe linie SN są jednak drogie i generują znaczną moc bierną. Nie nadaję się więc do obszarów o małej gęstości poboru mocy.
Każdy wyłącznik lub bezpiecznik ma określoną zdolność rozłączenia prądu zwarciowego. Według norm w mieszkaniu prąd zwarciowy nie powinien przekraczać 1300Ap.
W systemach WN i NN wielkiej mocy prądy zwarciowe dochodzą do 50 KA.
Incydent Rozłączenia dużego prądu zwarcia łączy się ze znacznym zużycie wyłącznika czyli jest kosztowny. Prądy zwarciowe ograniczają impedancje generatorów synchronicznych, indukcyjności rozproszenia wszystkich transformatorów i impedancje sieci NN, WN, SN i nN. Napięcie zwarcia Uz transformatora proporcjonalne do jego indukcyjności rozproszenia wynosi od 4 do nawet 20 % dla największych transformatorów blokowych. Rozproszenie transformatora jest jednocześnie elementem negatywnym powiększającym szkodliwe zmiany obciążeniowe napięcia w sieci ale pozytywnym ograniczającym prądy zwarć. Materialne skutki nie rozłączonego zwarcia są bardzo poważne.
W GPZ z transformatorem WN/SN o dużej mocy zasilającym liczne linie SN prąd zwarcia może być za duży dla bezpieczeństwa linii ( szczególnie krótkich linii i linii kablowych o małej impedancji ) i wyłączników. Zatem dla grupy linii SN stosuje się dodatkowe szeregowe dławiki powietrzne sensownie ograniczające prąd zwarcia.
Sterowane fazowo invertery tyrystorowe są z reguły zasilane poprzez dławiki „komutacyjne” lub częściej i lepiej przez transformator mający indukcyjność rozproszenia. Oba ograniczają prąd zwarcia do poziomu bezpiecznego dla tyrystorów. Nasycający się przy zwarciu dławik z rdzeniem jest tu nieprzydatny stwarzając fałszywy pozór ochrony.
Przy „zwarciu” (różne są konfiguracje zwarć ) danej linii nN napięcie na niej mocno spada a mniej spada na innych liniach zasilanych z transformatora SN/nN linii. Napięcie na linii SN spada niewiele. Zwarcie w sieci nN powinno być rozłączone szybciej niż w ciągu jednego okresu napięcia sieciowego czyli w sieci 50 Hz w czasie 20 ms. W sieciach WN i NN czasy rozłączania są dłuższe Zasilacze komputerów powinny tolerować takie 20 ms zakłócenie sieciowe bez zmiany stabilizowanych napięć wyjściowych. Praca komputera nie powinna być zaburzona. Rezerwuarem energii jest w zasilaczu kondensator elektrolityczny prostownika sieciowego.
Zasilacz bezprzerwowy UPS (Uninteruptible Power Supply) z akumulatorem pozwala na prace z przerwą 4-30 minut. Do starszych komputerów mainframe IBM i CDC przewymiarowany trójfazowy silnik asynchroniczny z kołem zamachowym napędzał prądnice prądu stałego. Przy braku jednej fazy zasilania silnik dalej pracował jako jednofazowy.
Włączony fizycznym włącznikiem odbiornik TVC bez mikrokontrolera po chwilowym spadku napięcia sieciowego wznowi pracę. Mikrokontroler odbiornika zostanie zresetowany po przerwie zasilania i od programu może zależeć czy odbiornik wznowi prace (w pamięci nieulotnej może mieć zapisane czy był włączony pilotem) czy nie. Bezpieczniej jest aby po przerwie (równie dobrze może ona trwać 50 msec jak i 20 godzin ) nie wznowił pracy. Najlepiej gdy napięcie 5V zasilania mikrokontrolera spada powoli i jest on resetowany dopiero po przerwie trwającej ponad 300 ms.
Krótkotrwałe spadki napięcia zasilania są więc naturalną cechą – urodą tego elektroenergetycznego systemu obsługi masowej. Wszystkie zasilane urządzenia powinny tolerować takie incydenty.
Oczywiście im system energetyczny jest lepiej utrzymany tym mniej jest incydentów zwarciowych. Niebezpieczny jest na przykład nielegalny pobór energii elektrycznej ukrytymi instalacjami.
Każdy tranzystor dyskretny i scalony ma określony statyczny i dynamiczny obszar bezpiecznej pracy SOA. Wychodzenie poza ten obszar skraca żywotność tranzystora aż do drastycznego natychmiastowego uszkodzenia.
Tranzystory mocy w układach monolitycznych zawsze mają system zabezpieczający je przed zniszczeniem. Odporne na przeciążenia wyjścia są monolityczne stabilizatory napięć i wzmacniacze mocy.
Obszar pracy bezpiecznej mają wyłączalne tyrystory GTO. Dla danego typu im większy jest wyłączany prąd tym mniejsza jest dopuszczalna stromość narastającego na GTO napięcia du/dt. W kolejnych generacjach GTO ta stromość napięcia rośnie i pojemność kondensatora snubbera maleje co jest bardzo korzystne jako że straty energii w snubberze GTO są generalnie bardzo duże.
Parametry dynamiczne wszystkich tyrystorów szybko pogarszają się ze wzrostem temperatury pracy chipa tyrystora.
General Electric wynalazł układ pozwalający ochronić tyrystory przed zniszczeniem w trójfazowym inverterze napięcia VSI z wymuszoną komutacją ( obwodem LC i pomocniczymi tyrystorami ) gdy komutacja zakończy się niepowodzeniem i dochodzi do zwarcia napięcia zasilania. Mimo tego tyrystorowe invertery PWM do silników AC cieszą się złą opinią.
Przypadkowe przebicie w kineskopie kolorowym jest skutkiem odrobinę niestarannej technologi produkcji złożonego działa. Choć w większości kineskopów (>50%) w czasie ich całej pracy nie dojdzie do przebicia to współpracujący system musi takowe tolerować aby nie doszło do uszkodzenia odbiornika. W tyrystorowym systemie odchylania poziomego z szybkimi tyrystorami asymetrycznymi ASCR zachodzi wtedy niepowodzenie komutacji i zwarcie zasilania. Napięcie do mostkowego pojemnościowego prostownika sieciowego mocy podane jest przez tyrystor i gdy nastąpi zwarcie jest on bramką zablokowany przez czas 200-500 ms i układ po tej pauzie wznawia prace. Użytkownik może nawet nie zauważyć incydentu. Sieciowy prąd „zwarcia” zależy od momentu wystąpienia przebicia w kineskopie czyli kąta fazowego napięcia sieciowego. Gdy wysterowanie bramki tego tyrystora zdjęto gdy tyrystor nie przewodził sieć już w ogóle nie zasila incydentu i energia pochodzi tylko z kondensatorów elektrolitycznych zasilacza.
Wojnę prądu stałego Edisona ( General Electric Corporation ) i prądu zmiennego Westinghouse – Tesla (Westinghouse Electric Corporation) wygrał oczywiście prąd zmienny.
Elektryfikacja napędów przemysłowych szła bardzo opornie i była procesem długotrwałym. Centralny napęd z maszyną parową i systemem wałów był słaby jak na dzisiejsze standardy. Nowe maszyny robocze ze znacznie silniejszym napędem elektrycznym ( opracowano nowe materiały na wydajne narzędzia skrawające w obrabiarkach ) były wielokrotnie wydajniejsze niż maszyny napędzane pasem z centralnego wału. Nowe maszyny były jednak wielokrotnie droższe co miało daleko idące implikacje. W międzywojennej Polsce nie powstała ani jedna duża prywatna firma i ciągle w przemyśle królował archaiczny napęd centralny likwidowany (!) dopiero w czasie II Wojny!
Gigantyczny kompleks zakładów Forda Rouge River miał własną elektrownie o potężnej jak na tamte czasy mocy 250 MW. W modernizujących się USA w czasie wojny podwojono produkcje. Wojenna koniunktura pozwoliła wreszcie przełamać tam przewlekły Wielki Kryzys.
Wielki Kryzys mocno spowolnił rozwój technologii ale i tak w latach trzydziestych w fabrykach GE i WE zmechanizowano (+prymitywna automatyzacja) seryjną produkcje całych rodzin standardowych maszyn elektrycznych. Ceny silników mocno spadły. Nie projektowano i nie wykonywano ich jak dawniej do każdej nowej maszyny.
Opornie szła mechanizacja i automatyzacja produkcji komutatora ale po pokonaniu przeszkód silniki uniwersalne produkowane są w ilości prawie pół miliarda sztuk rocznie. Prym wiedzie na tym polu Japonia gdzie produkcja ta jest zautomatyzowana. Japonia jest jedynym krajem świata gdzie roboty przemysłowe są stosowane rutynowo !
W całej Europie trwa elektryfikacja transportu kolejowego. W USA mających własną ropę naftową i praktycznie za darmo ropę arabską podjęto de-elektryfikacje czyli demontaż kolejowej trakcji. Stosowane są tam tylko bardziej ekonomiczne lokomotywy Diesla. Polska była pierwszym krajem RWPG od którego ZSRR zażądał dolarowej płatności za ropę naftową. Po wysunięciu dolarowego żądania w stronę NRD przyśpieszono tam opóźnioną elektryfikacje kolei i przywrócono czasowo do ruchu lokomotywy parowe.
W dalekich połączeniach w USA dominuje transport lotniczy i nie ma tam szybkiej kolei.
W Japonii od 1964 roku funkcjonuje coraz więcej linii szybkiej kolei Shinkansen z trakcją 25KVac.
W pierwszej generacji składów ( nie mają ciężkiej lokomotywy obciążającej torowisko i napędy są na całej długości składu ) napięcia zmienne z obniżającego transformatora podano przełącznikami do prostowniczego mostka diodowego zasilającego komutatorowe silniki prądu stałego DC. Przełączane są odczepy na uzwojeniu wtórnym transformatora co pozwala na dość płynny rozruch co jest tu bardzo ważne. Aby zmniejszyć niepożądane dla silników pulsacje prądu stałego i polepszyć współczynnik mocy po stronie trakcji 25 KVac stosowany jest dławik wygładzający po stronie prądu stałego. W czasie hamowania silniki jako generatory zasilają chłodzone rezystory mocy. Przy operacji przełączników hamowanie nie jest wystarczająco płynne ! Ponieważ energia kinetyczna rozpędzonego pociągu jest bardzo duża hamulce mechaniczne są stosowane wyłącznie awaryjnie i ewentualnie przy nachyleniu toru do końcowego do – hamowania na stacji. W systemie mechanicznego hamulca stosowane są specjalne i drogie materiały.
W kolejnej generacji składu Shinkansen z 1982 roku stosowany jest ( tylko do napędu (anie hamowania) silnikami DC ) mostek tyrystorowy sterowany fazowo. Prawdopodobnie nigdzie w świecie nie ma rekuperacji energii hamowania sterowanym fazowo inverterem tyrystorowym.
Do płynnego hamowania moc z silników (jako generatorów) do rezystorów mocy podano przez przełącznik tyrystorowy PWM czyli chopper.
W następnej generacji składu Shinkansen z 1985 roku stosowany jest nadal (tylko do napędu) mostek tyrystorowy sterowany fazowo. Do płynnego hamowania wokół masywnych tarcz o dużej średnicy na osi kół służą silne elektromagnesy i dzięki prądom wirowym energia kinetyczna pociągu zamienia się ciepło w tarczach identycznie jak w zwalniaczach autobusowych przeznaczonych na linie „górskie”. Ponieważ tarcze są odsłonięte bardzo silnie chłodzone są pędzącym ( czyli stojącym ) powietrzem adekwatnie do wydzielanej w nich mocy. Eksperymentalnie moc prądów wirowych ( elektromagnesy wokół główek szyn ) tracono w samym torze ale efekt cyklicznego silnego nagrzewania toru dawał złe efekty.
Mankamentem tyrystorowego sterowania fazowego jest silne zniekształcenie pobieranego z trakcji prądu czyli mały współczynnik mocy. Nie zastosowano rekuperacji energii do sieci co tylko wydaje się bardzo dziwne w sytuacji gdy Japonia importuje surowce energetyczne ( także wzbogacony uran do elektrowni jądrowych, energia elektryczna w Japonii jest stosunkowo droga ) i ma najnowocześniejszą mikroelektronikę i elektronikę w świecie.
Z uwagi na niebezpieczne zjawisko przewrotu tyrystorowego falownika nie zastosowano tu hamowania odzyskowego co sugeruje ze sprawa przewrotu musi być bardzo poważna i trudna do rozwiązania.
Wyłączalne tyrystory GTO sporej mocy Toshiba produkowała od 1977 roku ale do trakcji były za słabe. Wyłączalne tyrystory GTO o parametrach granicznych 2500V / 1000 A właśnie do napędu kolejowego z silnikami asynchronicznymi wyprodukowano w Japonii w 1982 roku a system napędu z nimi testowany jest od 1985 roku. Napięcie z obniżającego transformatora SN podano do pierwszego mostka GTO z napięciem do 1600 Vdc (duży kondensator DC) wspólnego z drugim mostkiem pracującym z indukcyjnym silnikiem (przy hamowaniu generatorem) trakcyjnym. Oba mostki pracują z modulacją PWM. Przy napędzie pierwszy mostek jest prostownikiem pobierającym prąd sinusoidalny ( z pulsacjami ) a drugi inverterem. Przy hamowaniu role mostków są odwrócone i moc jest oddawana do trakcji. Współczynnik mocy pobieranej / oddawanej do sieci jest bardzo dobry co pozwala zwiększyć pobieraną moc składu i jego prędkość maksymalną.
Mimo starań tyrystory GTO mają duże straty dynamiczne i konieczne jest stosowanie znacznych kondensatorów snubberów RCD dv/dt a moc wydzielana w rezystorach jest duża. Niska częstotliwość modulacji PWM powiększa straty mocy w silnikach indukcyjnych (czyli asynchronicznych ) i w pokładowym transformatorze obniżającym napięcie 25 KVac.
Silnik indukcyjny jednostkowo waży tu tylko 29% masy silnika prądu stałego. O ile komutator ulega zużyciu to trwałość silnika indukcyjnego jest bardzo dobra.
Opóźnienia we wprowadzeniu kolejnych generacji składów Shinkansen są znaczne i kiedy (i czy w ogóle) ten eksperymentalny system z inwerterami GTO wejdzie do produkcji i eksploatacji nie wiadomo.
Chociaż tyrystorowe napędy AC (głównie silniki asynchroniczne ) dużej mocy z komutacją wymuszoną są produkowane w świecie od lat to są one mało popularne. Ale od 1977 roku zastosowała je firma BBC głównie na niemieckiej kolei w tysiącach lokomotyw ! Wcześniej na kolei zastosowano do zasilania silników DC tyrystorowe Choppery.
Tyrystorowe napędy AC zasłużenie cieszą się one jednak złą opinią i napędy AC zyskują na popularności wraz z popularności wyłączalnych tyrystorów GTO. W inverterach serwomechanizmów coraz częściej stosowane są tranzystory Darlingtona.
W świecie kolejowej trakcji wysokiego napięcia 25 i 15 KVac sterowane fazowo mostki tyrystorowe są popularne ( także w ZSRR ) ale nigdzie nie jest stosowana rekuperacja energii hamowania do sieci ! W systemie 25KVac zwykła podstacja trakcyjna może też odbierać energie co jest kolejną zaletą tego systemu.
Zależnie od trasy i profilu prędkości można odzyskać 1-20% energii dostarczonej pociągowi elektrycznemu. Często jest to około 5% a więc niewiele.
W świecie poza Japonią szybka kolej o nazwie TGV funkcjonuje tylko we Francji.
Regulowany napęd ( tylko jeden kwadrant ) uzyskujemy stosując sprzęgło hydrokinetyczne lub indukcyjny silnik pierścieniowy z regulowanym opornikiem w obwodzie wirnika. Sprawność tego regulacji jest proporcjonalna do obrotów czyli może być znikoma. Koszty regulacji obrotów są więc bardzo wysokie.
Tyrystorowe napędy prądu stałego DC i tyrystorowe serwonapędy DC pracujące z silnikami komutatorowymi pojawiły się w połowie lat sześćdziesiątych. Stosowane jest w nich sterowanie fazowe i komutacja naturalna siecią energetyczną.
Pasmo przenoszenia inwertera komutowanego naturalnie siecią zasilającą wynika z ilości pulsów m konwertera oraz częstotliwości sieciowej 50 lub 60 Hz.
Dla napędu czterokwadrantowego z m=3 dwa konwertery z trzema tyrystorami każdy włączone są antyrównolegle czyli układ ma 6 tyrystorów. Transformator zasilający obciążony jest szkodliwym prądem stałym. Gdy napędów jest kilka powinny nawzajem zmniejszać wypadową składową stałą.
Dla napędu czterokwadrantowego z m=6 dwa konwertery z sześcioma tyrystorami każdy włączone są antyrównolegle czyli układ ma aż 12 tyrystorów.
Układ zapobiega oczywistemu zwarciu występującemu przy aktywowaniu obu antyrównoległych mostków tyrystorowych. Ta sprawa jest trywialna.
W przypadku m=6 często rezonanse mechaniczne dużego napędzanego układu leżą już niżej niż pasmo invertera czyli on nie jest wąskim gardłem w kwestii pasma całego napędu czyli szybkości i dokładności jego działania.
Tradycyjnie potężne regulowane napędy mają walcarki hutnicze. Cały system Ciągłego Odlewania Stali (także innych metali) jest bardzo mocno zautomatyzowany i bardzo wydajny ! W hutnictwie - stalownictwie skok wydajności pracy przyniósł już Basic Oxygen System ( pierwszy 1952 rok ).
Tyrystorowe napędy DC zastosowano w windach wysokościowców. Dla szybkobieżnych wind wymagana napędu moc jest całkiem spora. Całym rozbudowanym systemem wind kieruje mikrokomputer ! Duży drapacz chmur kosztuje ponad 300 mln dolarów. System wind mimo iż kosztowny jest tylko ułamkiem kosztów kompletnego budynku.
Winda szybkobieżna szybko i gładko rusza i szybko precyzyjnie hamuje. Jest to zatem napęd serwomechanizmowy !
Tyrystorowe napędy DC mocy do 200 KW zastosowano w potężnych dźwigach portowych. Największy standardowy 40 stopowy kontener może ważyć z ładunkiem aż do 40 ton ! Każda godzina postoju w porcie potężnego ładowanego i rozładowywanego kontenerowca kosztuje krocie. Stąd wydajne dźwigi do obsługi kontenerowców są doskonalone ( kamery i komputer wspomagający operatora ) i złożone.
Ale prostsze dźwigi do przeładunków masowych też mają silne napędy.
Tyrystorowe serwonapędy stosowane są w sterowaniach CNC i robotów ale od początka lat osiemdziesiątych liderzy odchodzą od tego rozwiązania.
Przy hamowaniu serwo napędem energia kinetyczna i potencjalna zamieniane są w energie elektryczną. W przypadku maszyn CNC i robotów nie są to duże energie. Większe energie są przy szybkim opuszczaniu dużym dźwigiem ciężkiego przedmiotu jak wspomniany kontener. Także energia z hamowania szybkobieżnej windy nie jest mała
W 1950 roku szwajcarska firma MFO wypuściła autobus - Gyrobus - ze stalowym kołem zamachowym średnicy 1.6 m i wadze 1500 kg Energia kinetyczna przy pełnych 3000 obrotach ( prędkość na obwodzie już poddźwiękowa ) na minute wynosiła 8.3 kWh a minimalna prędkość obrotowa wynosiła 1500 czyli użyteczne w dyspozycji było 75% pełnej energii. Zasięg autobusu był więc ograniczony. Dla zmniejszenia oporów tarcia koła zamachowego jego obudowa napełniona była wodorem. Zastosowano silnik indukcyjny o zmiennej liczbie biegunów czyli o zmiennych synchronicznych prędkości obrotowych
Inwestycja w 5 punktów ładowanie w Yverdon kosztowała rzekomo tylko 10% tego co alternatywna elektryczna trakcja dla trolejbusa.
Współcześnie stosowane są szybkie wysokoobrotowe stabilizujące sieć bufory gromadzące do 5 KWh energii kinetycznej ale pracujące z silnikiem - generatorem o mocy do 1 MWh !
Przy pracy falownikowej czyli z kątem wyzwalania tyrystorów większym od 90 deg czyli tu odzyskowym hamowaniu napędu, może wystąpić bardzo niepożądane i potencjalnie wieloaspektowo niebezpieczne zjawisko przewrotu falownika czyli niepowodzenie w komutacji i dalsze przewodzenie tyrystora , który powinien być wyłączony kolejnym wyzwolonym tyrystorem przejmującym prąd. Tyrystor dalej przewodzi przy narastaniu napięcia jego fazy i prądu wyjściowego ! Wystąpi ono gdy kąt załączenia tyrystora jest zbyt duży w stosunku do wyjściowego prądu Idc ale także skutkiem chwilowego zmniejszenia napięcia fazy zasilania sieci na przykład przy rozłączaniu zwarcia w systemie energetycznym. Ryzyko przewrotu falownika redukujemy ograniczając maksymalny kąt pracy falownika ale powoduje to spadek dopuszczalnej maksymalnej prędkości hamowanego napędu oraz powiększenie problemu z mocą bierną i harmonicznymi wprowadzanymi do sieci.
Po przewrocie regulator PI prądu wyjściowego chce jeszcze bardziej powiększyć kąt wysterowania Tyrystorów invertera czyli tylko pogarsza sprawę. Tymczasem potrzebny jest algorytm awaryjny – ratunkowy.
N.B. Obrona przed zakłóceniami jest dość powszechna. W koincydencyjnym demodulatorze IF wizji w TV silne zakłócenie sygnału w Nadbiel prostym układem (nawet w IC TDA440) zamienione w poziom szarości. W scalonych odbiornikach radiowych AM mocno redukowana jest słyszalność zakłóceń impulsowych.
Zatem po wykryciu zakłócenia sieciowego ( mocny asymetryczny spadek napięcia ) i przewrotu
regulator prądu ma być zmuszony dać bezpieczny rozkaz na wyzwalanie z kątem 90 deg. Dla napięcia sieciowego wystarczy jeden system detekcyjny dla maszyny – robota.
Na chwilę włączamy z szereg z silnikiem rezystor co umożliwi poprawną praca po usunięciu przyczyny przewrotu czyli zwarcia w sieci.
Znaczne zmniejszenie wzbudzenia elektromagnetycznego silnika DC zmniejsza generowane SEM i pozwala na dalszą poprawną prace ale niestety typowo odwzbudzenie jest niestety powolne ale możliwe jest szybkie odwzbudzenie drogą włączenia (!) w obwodu znacznego rezystora.
Grupy Ryzyk są liczne. W najgorszym razie elektronika i mechanika maszyny wymaga naprawy !
1.Silnik i tyrystory muszą tolerować impuls prądu po przewrocie falownika. Indukcyjność rozproszenia zasilającego inverter transformatora redukuje ten impuls prądu ale dalej niekorzystnie zmniejsza maksymalny kąt wysterowania falownika!
Komutator silnika DC ma określony obszar bezpiecznej pracy. Tylko przy małych prędkościach wirowania dopuszczalne jest 5-7 krotne przeciążenie prądowe komutatora. Przeciążenie przy dużej prędkości obrotowej powoduje gwałtowne zużycie komutatora i szczotek. Bardzo duże przeciążenie prądowe może prowadzić do rozmagnesowania magnesów trwałych silnika !
Dodatkowy dławik włączony w szereg z silnikiem w obwodzie DC początkowo redukuje impuls prądu przewrotu ale jest ciężki czyli drogi i odrobinę pogarsza dynamikę wielkosygnałową. Zawiera też energię do absorbcji przy ratunkowym wymuszonym powiększeniu rezystancji obwodu silnika i zmniejszeniu prądu !
Po przewrocie odporny na przewrót napęd powinien szybko wznowić pracę bowiem inaczej przerwany musi być proces komunikacyjny-transportowy lub technologiczny czasem nawet w całej linii produkcyjnej!
2.Mocne zakłócenie w pracy serwonapędu w czasie skrawania może zdyskwalifikować detal i co gorsza uszkodzić narzędzie a nawet obrabiarkę podczas dużych ruchów gdy dojdzie do zahaczenia narzędziem. Na całe szczęście w czasie skrawania najczęściej serwonapęd pracuje bezpiecznie silnikowo i z małą prędkością. Hamulcowo działa tylko po dużych szybkich przesunięciach i jest tu ryzyko uszkodzenia.
3.Gdy po przewrocie falownika i rosnącym prądzie silnika nie zajdą kolejne pożądane komutacje odbędzie się gwałtowne hamowanie z prądem zwarcia a następnie po zmianie kierunku obrotów będzie napęd ! W przypadku dźwigów i wind dochodzi do osłabienia całej konstrukcji ( począwszy od silnika i przekładni ) a zwłaszcza lin ! Incydent jest niebezpieczny i bardzo kosztowny.
Zjawisko przewrotu w serwonapędzie tyrystorowym ( także w konwerterze HVDC i prądnicy wałowej statku ) w czasie hamowania jest znane od dawna. Sprzęt i algorytm dojrzałego systemu ma minimalizować skutki przewrotu i jak najszybciej przywrócić normalną pracę serwonapędu.
W systemie HVDC i w „Prądnicy Wałowej” mamy parę przekształników tyrystorowych współpracujących łączem prądu ( nie napięcia ale prądu ! ) stałego. Jeden jest prostownikiem a drugi falownikiem. Znak napięcia Udc na linii przesyłowej wyznacza funkcje przekształtników. Rutynowo w systemie prądnicy wałowej energia płynie od silnika głównego do sieci energetycznej statku ale energia z sieci statku dostarczona przez agregaty Diesla może napędzać prądnicę wałowa czyli silnik główny i śrubą statku !
Regulator przekształtnika pracującego jako prostownik stabilizuje prąd wyjściowy i nawet przy przewrocie falownika prąd jest ograniczony chyba ze prostownik przejdzie do pracy falownikowej i w nim nastąpi przewrót ! Oczywiście dławik w łączu prądu stałego nie może się nasycić !
Idea przekształtnika tyrystorowego sterowanego fazowo jest prosta ale przewrót falownika bardzo sprawę komplikuje.
W 1974 roku szwedzka ASEA wypuściła pierwszego robota elektrycznego w świecie. Silniki komutatorowe DC zasilane były przez mostki z modulacją PWM wykonane z japońskich tranzystorów mocy. Światowy lider w sterowaniach CNC i robotów Fanuc od 1980 roku porzuca serwo napędy tyrystorowe i stosuje do operowania serwo silnikami DC mostki z tranzystorami Darlingtona. Pierwszy w świecie serwo napęd z silnikiem AC zastosowała ASEA w 1981 roku a po niej Fanuc. Tranzystorowy mostek trójfazowy mocy do silnika AC ma 6 kluczy a do silnika DC ma 4 klucze czyli różnica nie jest duża.
Inwerter z tranzystorami Darlingtona jest jednak znacznie droższy od tyrystorowego.
Mostek Darlingtonów zasilany jest z trójfazowego diodowego prostownika pojemnościowego. W fazie intensywnego hamowania jest on obciążony załączanym tranzystorem rezystorem mocy hamowania co zapobiega nadmiernemu podniesieniu napięcia Udc. Oczywiście energie można by zwrócić do sieci stosując kolejny mostek sieciowy z modulacją PWM jak w najnowszym składzie Shinkansen ale oszczędności na koszcie energii są mniejsze niż dodatkowy koszt mostka Darlingtonów lub GTO.
Dobrym rozwiązaniem jest wspólny prostownik zasilający wszystkie invertery maszyny jako że intensywnemu hamowaniu jednej osi często odpowiada pobór mocy przez pozostałe napędy CNC lub robota. Rezystor mocy hamowania i operujący nim Darlington jest tylko jeden.
Układ sterowania fazowego tyrystorów w części synchronizowanej napięciem sieciowym musi bardzo dobrze filtrować zakłócenia impulsowe ( także pochodzące od innych układów tyrystorowych ! ) obecne w napięciu sieciowym. Najlepszym rozwiązaniem jest tu pętla synchronizacji fazowej PLL z doprowadzonymi trzema napięciami trójfazowymi taktująca cyfrowy układ do sterowania bramek tyrystorów. Przy zwarciowym zaburzeniu symetrii sieciowego układu trójfazowego dalej dostarcza on informacji o kątach tak jakby zaburzenia nie było. Jest to istotne dla uniknięcia przewrotu falownika o ile jest to w ogóle możliwe w danych okolicznościach.
System PLL dobrze nadaje się do cyfrowej implementacji układu wyzwalania tyrystorów. Okres 360 deg podzielony jest na 6 podokresów o czasie trwania 60 deg. W każdym podokresie generowany jest tylko jeden impuls do wyzwolenia tyrystora co jest bardzo korzystne bowiem jednocześnie bez zabiegów ogranicza szybkość zmian sygnału sterującego do bezpiecznej wartości.
Detekcja przewrotu falownika jest prosta.
Przy dużej ilości tyrystorów ( dla m=6 aż 12 ) ręczny montaż jest kosztowny. Do średnich prądów 6 chipów tyrystorów połączonych w trójfazowy mostek może być w jednym module. Przy stosowaniu wtyków do kabli bramkowych lutowanie może być zbędne.
Przy mniejszych prądach 6/12 tyrystorów invertera w obudowach TOP3 ( Itav do 40 A ) może być zamontowane blisko brzegu PCB i dociśnięte do radiatora (poprzez izolujący pasek teflonu ) jedną prostą wspólną konstrukcją. Nie trzeba wyważać otwartych już drzwi. Japońscy producenci masowej elektroniki zrezygnowali z pracochłonnie, ręcznie montowanych tranzystorów mocy w metalowej obudowie TO3 zastępując je montowanymi automatycznie w „plastikowej ” obudowie TOP3, szczególnie cało – izolowanej plastikiem. Trzeba jednak zauważyć że chipy Mesa mogą być zamontowana wyłącznie w hermetycznej obudowie metalowej i montaż chipa w obudowie plastikowej jest możliwe po dodatkowych operacjach technologicznych z Glass Passivation. W ZSRR rezygnuje się z ciężkich obudów metalowych dla tranzystorów mocy zastępując je obudowami TO220. Oczywiście po modernizacji chipa tranzystora ( litera M w oznaczeniu tranzystora ).
Zmodyfikowana, izolowana całoplastikowa obudowa TO220 ma standardowe oznaczenie SOT186. Oporność cieplna Rthjc jest większa niż dla obudowy TO220 z dodaną izolującą podkładką ze smarem silikonowym ale tam gdzie tranzystor używany jest jako klucz może to mieć znikome znaczenie. Staje się możliwy montaż w pełni automatyczny a śruba mocująca jest zastąpiona wciskanym sprężystym blaszanych klipsem.
W Polsce energoelektronika dopiero raczkuje i uciążliwość jednocześnie generowanych przez sterowane fazowo tyrystory przekształtników mocy biernej i harmonicznych jest mocno niedoceniana. Tej mocy biernej nie wolno jest kompensować kondensatorami bez szeregowych dławików antyrezonansowych bowiem powoduje to silne wzmocnienie prądów / napięć harmonicznych i przegrzewanie transformatorów energetycznych oraz zakłóca prace innych systemów a w tym systemów tyrystorowych.
Koszt dławików jest wyższy niż kondensatorów kompensacji mocy biernej a konieczność ich stosowanie jest powszechnie jeszcze nierozumiana !
Zjawisko spychania kosztów generowanych przez firmy na inne podmioty nazwano kosztami zewnętrznymi. Zatem sterowane fazowo układy tyrystorowe generują koszty zewnętrzne !
Tyrystorowy mostek prostownika / falownika m=6 przy kącie wysterowania 90 deg ma napięcie wyjściowe Udc=0. Przy wyjściowym dławiku o dużej indukcyjności i zwarciu wyjścia płynie ( realnie kąt wysterowania odrobine mniejszy niż 90 deg) jednak prąd wyjściowy Idc. Prąd sieciowy ma kształt prostokątów o szerokości 2/3 Pi. Pierwsza harmoniczna to prąd bierny ale są wyższe harmoniczne 5,7,11,13... !
Najskuteczniejszym sposobem przy tyrystorowej regulacji fazowej zmniejszania emitowanych sieciowych prądów harmonicznych jest powiększenie pulsowości m.
W maszynie CNC napęd wrzeciona może być zasilony z uzwojenia D transformatora a napędy serwo z uzwojeń Y transformatora. Dzięki przesunięciu faz harmoniczne się odejmują a nie sumują !
Tam gdzie odbiorników energoelektronicznych będzie (w przyszłości ?) dużo zasilający zakład przemysłowy transformator energetyczny SN/nn może mieć dwa uzwojenia wtórne. Uzwojenie D tylko dla urządzeń trójfazowych w sieci izolowanej bez przewodu N jak na statku morskim ( lub w linii SN ) i drugie uzwojenie Y z przewodem N. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest ograniczenie zapadów napięć przy zwarciach !
Reakcją na zdetekowany przewrót falownika ma być umieszczenie szeregowo w wyjściowym obwodzie Udc rezystancji w szereg z silnikiem. Zadanie składa się zatem z (a) rozłączenia (b) absorpcji energii. Przełącznikami mocy może tu być tranzystor mocy (absurd bo lepiej byłoby go użyć w inverterze ) lub tyrystor ale zwykły tyrystor musi mieć system wymuszonej komutacji. Straty mocy w takim systemie mogą być podobne jak w prostowniku – falowniku co wraz dodatkowym kosztem i komplikacją raczej eliminuje to rozwiązanie z pola rozważań.
Mechaniczna trwałość przekaźników elektromechanicznych do obwodów sieciowych jest rzędu 10e7 do nawet 10e8 operacji w wykonaniach specjalnych. Trwałość elektryczna przekaźnika szybko spada z przełączaną stykami mocą. Według jednej z norm przekaźnik ma być zdolny podaną moc maksymalną przełączyć tylko 30 tysięcy razy.
Przekaźnik 10A/250Vac (obciążenie rezystancyjne ) przy tej samej trwałości prąd stały 10A może wyłączyć w obwodzi rezystancyjnym tylko do napięcia 30 Vdc ! Przy napięciu 250Vdc może w obwodzie rezystancyjnym rozłączyć prąd tylko 100 mA -1A !
W laboratoriach badawczych koncernów dopiero pracuje się nad przekaźnikami, kontaktorami (stycznik) i CB zdolnymi rozłączyć obwody prądu stałego o „energetycznych” napięciach i mocach. Zdolność rozłączania można podwyższyć wypełniając hermetyczną przestrzeń ze stykiem odpowiednim gazem. W energetycznych CB jest to SF6 ale w przekaźnikach można też użyć wodoru.
W omawianym zastosowaniu przekaźnika ilość rozłączanych awarii jest mała w czasie jego życia i przekaźnik może awaryjnie rozłączyć stosunkowo duży prąd silnika.
Dla serwomechanizmu średniej mocy koszt dodatkowego systemu ochrony przed skutkiem przewrotu falownika nie powinien przekroczyć 2% całości kosztów. Największym elementem jest żarówka halogenowa.
Czas odpuszczenia / wyłączenia przekaźnika silnie zależy od poziomu ograniczenia napięcia na jego cewce. Gdy jego cewkę zbocznikujemy diodą ( co jest typowym rozwiązaniem ) czas odpuszczenia jest bardzo duży. Gdy dodamy z nią szeregowo Diodę Zenera czas ten wraz z napięciem DZ początkowo szybko spada a potem wolniej.
Popularny i tani tranzystor BC337 w obudowie TO92 sterujący przekaźnik nie potrzebuje żadnych elementów do ograniczenia napięcia i przewodzi przy „napięciu Uceo”. Cudzysłowu użyto bowiem Uceo nie jest skalarem ale funkcją m.in. Ic. Trajektoria Ic-Uce jest głęboko w obszarze SOA tranzystora.
Przy rozsądnie wysokim napięciu DZ lub lepiej z BC337 przy wyłączaniu czas rozłączenia badanego przekaźnika 10A-250V wynosi około 2.5 ms !
Nominalna temperatura pracy włókna wolframowego żarówki trochę rośnie z nominalną mocą żarówki czyli średnicą drucika żarnika bowiem przy większej średnicy drucik jest mniej delikatny. Wyższą temperaturę pracy mają żarniki lamp halogenowych. Nominalna rezystancja pracującej żarówki jest 11-13 razy większa od zimnej.
Lampy halogenowe są dość małe. Lampa halogenowa o mocy 20 KW ma wymiar 35 x 800 mm (rura) ale w tym rozmiarze jest też nowsza lampa o mocy 33 KW.
Prąd załączania do sieci zasilającej zimnej żarówki jest bardzo duży i zależy od kąta załączenia. Impuls prądu jest krótki. Wykres wzięto z Układy z tyrystorami dwukierunkowymi, J.Luciński, WNT 1986, strona 151.
Zimne włókno o małej rezystancji zapobiega zapaleniu się łuku na otwieranych stykach przekaźnika. Gdyby przeciwdziałanie zapaleniu łuku było za słabe dajemy dodatkowo równolegle pozystor PTC.
Rozwiązanie to w układzie demonstracyjnym działa znakomicie.
O ile żarówka stygnie dość szybko i układ jest szybko gotowy na kolejną akcje awaryjną to stygnięcie PTC jest powolne. Szczęśliwie awaryjne spadki napięć w sieci energetycznej nie występują za często. Program CNC czy robota mogły dostać informacje o zakłóceniu i wprowadzić krótką przerwę w pracy. Przerwa dotyczyłaby maszyn na całej hali w linii produkcyjnej bo przecież wszystkie są zasilane z sieci energetycznej.
Obudowany ceramiczny dyskowy pozystor PTC włączony jest w szereg z pętlą rozmagnesowującą kineskop kolorowy po włączeniu odbiornika do sieci. Przykładowy taki badany PTC ma zimną oporność trochę ponad 9 Ohm. Charakterystyka statyczna I(U) rozgrzewanego PTC jest bardzo ostra. Przy napięciu 10Vdc rozgrzany statycznie pobiera on prąd 59 mA, 20V-30 mA i przy 30V-20.4 mA. Zasilając pętlę rozmagnesowującą absorbuje on impuls energii około 30 J czyli niewielki. Maksymalny prąd jaki można podać PTC jest ograniczony i powyżej pewnej wartości jego trwałość gwałtownie maleje. PTC jest też więc specyficznym bezpiecznikiem. Po parokrotnym załączeniu do sieci 220 V tego zimnego pozystora zmienił on trochę niekorzystnie swoje parametry ale szczytowy prąd z pewnością był wielokrotnie większy od dopuszczalnego.
PTC mają wiele zastosowań a technologia ich produkcji jest opanowana od lat. Fragment tabeli dotyczącej bezpiecznikowych PTC jest za ofertą Siemensa. Typ – 810 ma średnice dysku 26 mm a typ 830-22 mm. Maksymalny ciągły prąd przed zadziałaniem „bezpiecznika” zależy od temperatury przy której PTC się „przełączy” ale jak widać dla obu temperatur rezystancja zimnego PTC i maksymalny prąd są takie same.
W systemie ochrony przed skutkiem przewrotu falownika równolegle do PTC musi być przyłączona żarówka lub przyłączony rezystor bowiem PTC zapewnia tylko zdolność rozłączenia przekaźnika obwodu DC a zdolność absorpcji energii jest za małą.
Dodatkowo można/trzeba użyć równoległego rezystora mocy w obudowie ceramicznej. Zdolność przeciążeniowa obudowanych rezystorów drutowych jest potężna. Na rezystorze 4.7 Ohm/5W ograniczającym prąd ładowania kondensatora elektrolitycznego 220 uF/385V w TVC przez chwile jest w najgorszym razie napięcie 260 V !
Patent 91- Układ to demonstrowania przewrotu falownika i testowania rozwiązania do jego zwalczania.
Jednofazowy przekształtnik tyrystorowy o m=2 może być cztero tyrystorowym mostkiem lub układ z dwóch tyrystorów jest zasilany z transformatora z dzielonym uzwojeniem wtórnym (czyli z odczepem w połowie uzwojenia ).
Dzielone uzwojenie wtórne może też zasilać dwudiodowy prostownik. Jeśli między wyjście tyrystorów (połączone katody) a wyjście diod ( połączone anody ) dołączymy obciążenie RL to w zakresie kątów wyzwalania 0-90 deg tyrystory są prostownikiem a w zakresie 90-180 deg falownikiem. Diodowy prostownik jest zawsze prostownikiem. Wyprowadzenie z połowy uzwojenia wtórnego jest tu nie użyte.
W systemie mostek taki tyrystorowo - diodowy zasilany jest poprzez transformator 1:1 o dużym rozproszeniu limitującym prąd zwarcia. W układzie (1) odczep na uzwojeniu wtórnym nie jest używany. Jest użyty w układzie (2). Transformator zasilany jest poprzez indukcyjność (może być zwarta ) efektywnie zwiększającą indukcyjność rozproszenia transformatora lub (tylko układ (1)) poprzez pojemność 100 uF (za uzwojeniem wtórnym, kondensator rozruchowy od silnika ), która mogą być zwarta.
W szereg z wyjściowym dławikiem DC ( ma on niesymetryczny odczep czyli 3 różne wartości ) dano jako obciążenie (1) żarówki z przełącznikiem aby dowolnie ustalić ich ilość czyli wielkość obciążenia lub (2) silnik bocznikowy. Zaletą żarówek jest statycznie silnie nieliniowa ich oporność w funkcji podanego im napięcia i nawet przy małym napięciu ( duży kąt pracy falownika ) prąd nie spadnie bardzo mocno ale jest jednak relatywnie za mały przy realiach napędów tyrystorowych. Dlatego dodano w szereg prostownik pojemnościowy napięcia jałowego 40 Vdc zasilany z innego transformatorka. Nie jest stosowane z silnikiem. Może on być wyłączony. Żarówki nie są w najgorszym razie mocno przeciążone napięciowo ponieważ składowa stała ( dławik filtrujący w obwodzie ) z wyprostowanego mostkiem napięcia 220Vac (zerowy at zapłonu ) wynosi 198 Vdc a dławik ma też pewną oporność zmniejszającą napięcie na żarówkach .
Przy kącie zapłonu tyrystorów bliskim 0 deg napięcie DC jest największe i żarówki świecą najmocniej ale nie należy długo tego stanu utrzymywać. Przy kącie wysterowania powyżej 90 deg górne tyrystory pracują jako falownik pompujący do sieci energie z dolnego diodowego prostownika ! Buforem energii jest dławik. Zbliżając się w stronę kąta 180 deg żarówki przygasają ale w pewnym momencie następuje przewrót i migotanie żarówek !
Im większa jest indukcyjność „rozproszenia” transformatora tym łatwiej jest o przewrót. Natomiast kondensator szeregowy zdecydowanie polepsza sytuacje.
Normalnie układ (1) pracuje w pętli regulacji zadanego potencjometrem prądu wyjściowego strukturalnie podobnej jak najbardziej wewnętrzna kaskadowa pętla regulacji w serwomechanizmie pozycyjnym. Przewrotowi towarzyszy nadmiernie ujemny sygnał wyjściowy ( żądany zapłon przy kącie 170 deg ! ) z regulatora prądu PI, który przecież jeszcze by sytuacje pogorszył.
Sygnał ten uruchamia awaryjne załączenie przekaźnikiem szeregowego „rezystora” a jednocześnie powoduje zmniejszenie kąta wysterowania tyrystorów wbrew regulatorowi prądu.
Przy zdjęciu sterowania z bramek tyrystorów dalej awaryjnie przewodzi ostatnio załączony tyrystor ! Przy obecności kondensatora tyrystor ten się wyłącza !
W systemach przesyłowych prądu stałego HVDC użycie takich szeregowych kondensatorów z jednej strony „usztywni” sieć energetyczną a z drugiej strony bardzo złagodzi proces przejściowy przewrotu falownika.
Polska jest za małym krajem dla ekonomicznego stosowania systemów HVDC ale przy imporcie energii elektrycznej z Ukrainy lub Rosji sprawa jest do rozważenia.
W konfiguracji (2) znak podanego napięcia wzbudzenia dla silnika bocznikowego jest przełączany (to osobny prosty układ ) i zależnie od znaku prądu wzbudzenia silnika inwerter z dwóch tyrystorów pracuje jako prostownik lub falownik. Drugi przewód silnika idzie do odczepu uzwojenia transformatora. Co sekundę ( regulacja PR ) zmieniany jest znak napięcia wzbudzenia silnika. Silnik jest rozpędzany (prostownik) i hamowany (falownik). Potencjometrem na wejściu regulatora PI nastawiany jest prąd silnika. Przy za dużym prądzie następuje przewrót falownika i dziej się coś groźnego co w literaturze jest nazwane „zwarciem”.
Układ detekujący przewrót falownika wyłącza przekaźnik i następuje błyśniecie żarówek. Kąt wyzwalania jest na odpowiedni czas przestawiony na bezpieczne 90 deg.
Układ jest prosty. Oczywiście układ trójfazowy inwertera z 12 tyrystorami byłby lepszy i razie potrzeby można go stworzyć ale dla demonstracji i zrozumienia zjawiska przewrotu prezentowany układ jest w 100% wartościowy.
Także układ z ochronnym przekaźnikiem, żarówką, PTC, rezystorem mocy jest w pełni funkcjonalny i wartościowy do zastosowań.
Optymalna kombinacja PTC, halogena i rezystora jest dość łatwa do ustalenia.
Nadal bardzo interesujace tematy.
OdpowiedzUsuńAle w PL to raczej zbijanie palet, ogórki kiszone, kiełbasa, grzyby kurki, wyreb drzewa dla Chin no i KORUPCJA KOSMICZNA TKM
Pięknie podana uporządkowana wiedza.
OdpowiedzUsuń