Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 145

Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 145
 Polska jest najbardziej okradanym narodem w Europie. Po wywłaszczeniu narodu czyli masywnej prywatyzacji jesteśmy pod względem majątku na osobę pariasami Europy.

 Udziału płac w polskim PKB jest mały. To skutek obcej własności gospodarki i czerpanych przez właścicieli zysków

 Paranoicznie wielka jest rentowność banków ( w dużej części zagranicznych ) na tle rentowności firm. To grabież i pasożytnictwo na narodzie.

 Rzekomo Rumunia właśnie wyprzedziła Polskę w PKB pc PSN !

 Systematycznie maleje udział gospodarki Europy w Świecie. 40 lat temu było to circa 25%, 15 lat temu 20%. Teraz jest circa 15% i zjeżdżamy na równi pochyłej na 10% czyli na zderzenie ze ścianą.  Trzeba inwestować w przyszłość, zachęcić do sensownej pracy i obniżyć nonsensownie adresowy  socjal a podwyższyć sensowny. Trzeba ulżyć fiskalnie i biurokratycznie nowoczesnym firmom od innowacji i realnej uprawianej tam (!) nauki !
Trzeba inwestować w  przyszłość zamiast w przeszłość.
Nielegalni imigranci z pewnością sytuację jeszcze drastycznie pogorszą.
"Upadek Europy jest nieunikniony. Unia Europejska nie radzi sobie z kryzysem. Europa już niemal nie ma czasu na zawalczenie o swoje miejsce w brutalnym świecie. Paraliż polityczny, zagrożenia zewnętrzne i zły stan gospodarki przekreślają ambicje Unii Europejskiej, by stać się liczącą się siłą globalną. Państwa członkowskie zaczynają grać tylko na siebie.... „Naprawdę uważam, że jesteśmy zagrożeni”, powiedział prezydent Francji Emmanuel Macron. „W ciągu najbliższych dwóch do trzech lat, jeśli będziemy postępować zgodnie z naszą klasyczną agendą, wypadniemy z rynku. Nie mam co do tego wątpliwości” – dodał. Zależność bloku UE od chińskiej gospodarki rośnie nawet pomimo rosnącej liczby sporów z Pekinem. Według Macrona utrata tanich rosyjskich paliw kopalnych od czasu inwazji na Ukrainę w 2022 r. oraz pojawienie się intensywnie subsydiowanej polityki przemysłowej prezydenta USA Joe Bidena oznaczają zerwanie ze starym modelem, który pozwolił na rozkwit europejskich gospodarek opartych na eksporcie."

Prąd tańszy w Polsce już nie będzie. Podczas konsultacji projektu rozporządzenia ministerstwo klimatu podniosło w 2024 roku dla „szejków wiatru” maksymalną cenę zakupu energii z morskich farm wiatrowych na aukcji w drugiej fazie wsparcia do 512,32 zł za MWh. Poprzednia cena okazała się za niska  dla inwestorów. Tyle że te ceny są dużo wyższe niż obecnie na Towarowej Giełdzie Energii, a mamy je teraz najwyższe lub jedne z najwyższych w Europie.

 Przerabialiśmy w Polsce likwidacje firm gdy część fachowców wyemigrowała za granicę a reszta zmieniła zawody. Po zamknięciu  stoczni nie jesteśmy obecnie w stanie wyprodukować nic więcej poza jachtami. Korweta Gawron powstawała 18 lat i nie powstała. Powstał pokraczny patrolowiec.
Kompetencje buduje się latami. We Francji sprzedaż  Alstomu amerykańskiemu GE doprowadziła bardzo szybko do problemów z obsługą i regularnymi awariami we francuskich elektrowniach atomowych.
Zamknięcie europejskich  fabryki fabryk Volkswagena, Mercedesa i BMW nie jest największym problemem. Znacznie gorszym problemem będzie trwała utrata kompetencji w danej dziedzinie i utrata  wysokokwalifikowanej kadry inżyniersko-pracowniczej.

 Polska od 2004 roku w ciągu 20 lat otrzymała netto od UE – po odliczeniu składek Polski – 170 miliardów euro, dzięki czemu się rozwijała.
Teraz tyle z nowego długu ma być przeznaczone na zbrojenia. Gospodarczy skutek tego będzie opłakany.

 Amunicja w Polsce jest produkowana w mikro ilościach. W Zielonce pod Warszawą od dawna funkcjonuje Instytut Uzbrojenia. Pracują tam setki ludzi i zarabiają spore pieniądze. Dlaczego nie są w stanie opracować  amunicji i wprowadzić jej do masowej produkcji?
Takich jednostek naukowo badawczych pod kontrolą wojska jest w Polsce jeszcze więcej. Czy pozoracji, oszustwa i pasożytnictwa tego nie powinna rozliczyć prokuratura ?
 
 Unia Europejska niestety przegrywa rewolucje technologiczną. Bez nowoczesnej i sprawnej gospodarki nie będzie marzeniowej zielonej i szczęśliwej planety. Mogą być zamieszki, chaos, populizm i bieda.

 W sytuacji międzynarodowego zamieszania jedne kraje tracą ale te które mają sprawne i myślące rządy awansują w światowej hierarchii.
Po tym jak UE nałożyła na samochody elektrycznej ogromne cła Chińczycy desperacko wręcz potrzebują teraz dobrego miejsca w Europie na swoje montownie ! Ale przy tym chcą aby część elementów powstawała na miejscu ! Przecież to jest wymarzona sytuacja dla Polski. Zakładając (!) popularyzacje EV możemy wyrwać się z kolonialnego modelu pseudo - rozwoju, wchodząc w nowy sektor, w którym tradycyjne leniwe i gnuśne firmy motoryzacyjne  sobie nie radzą. Przecież pchnie to  całą gospodarkę do przodu. Chińskie technologie są w tym obszarze najlepsze na świecie.


Archiwum EnergoPatent.
Użycie elementów o dużej przeciążalności prądowej i mocowej
 Diodom i  tyrystorom podawany jest według norm średni prąd przewodzenie w układzie sieciowego  prostownika jednopołówkowego z obciążeniem rezystancyjnym oraz prąd skuteczny RMS w tej konfiguracji. Matematycznie prąd RMS jest tu Pi/2=1.57... raza większy i gdyby klucz miał tylko liniową rezystancje przewodzenia to tyle winien wynosić deklarowany iloraz prądów. Ale model klucza nie jest rezystancją. Mimo tego najczęściej (zawsze ?) iloraz deklarowanych przez producenta prądów wynosi około Pi/2 z zaokrągleniem do wartości normatywnej w szeregu! Przykładowo tyrystorom BT152 podano prądy 13A  i 20A. Iloraz prądów wynosi circa 1.54 raza czyli jest bliski Pi/2. Określony normą niepowtarzalny Prąd zwarciowy (półfala sinusoidalna 10 ms ) tego tyrystora wynosi 200 A.
Typowe są tyrystory o tych prądach 16 /25 A. Iloraz ten  wynosi 1.5625 czyli blisko Pi/2. Ich prąd zwarcia wynosi do 300 A. Zatem podawanie obu prądów jest zbędne i może wprowadzać w błąd.
Szczególnie duży prąd zwarcia tolerują tyrystory dedykowane do układów Crowbar. Taki tyrystor o Itav=63A może rozładować typowy (mowa o m.in ESR ) kondensator elektrolityczny  10 000 uF z napięciem 60 V !
Relatywnie mniejszy prąd zwarcia tolerują dyskowe diody i tyrystory gdzie chip jest dwustronnie chłodzony.
 Potężny koncern Motorola nowoczesne „plastikowe” diody rodziny 1N400X o Iav=1A wprowadził już w 1963 roku. Jest to dioda PIN a nie PN ! Generalnie diody prostownicze są typu PIN a diody szybkie są tylko PIN. Produkcje takich diod pod oryginalną lub zmieniona nazwą ( Polskie BYP401 ) podjęto prawie wszędzie w świecie gdzie produkowana jest mikroelektronika.
Wyrób ten spowodował ogólnoświatowe stanienie diod o takiej funkcjonalności. Sama struktura diody waży 93 mikrogramy ( Polska kupuje hurtem te struktury ) i jest dość łatwa do umieszczenia w obudowie. Pomysłowy test poprodukcyjny diody również jest prosty. Dioda ma normatywny prąd zwarciowy 30A co dla typowych zastosowań w pojemnościowych prostownikach sieciowych jest wystarczające.
W 1967 roku pojawiła się rodzina większych plastikowych diod 1N540X o Iav=3A. Powtórzyła ona sukces rodziny 1N400X. Ich prąd zwarciowy wynosi aż 200 A !
Diody UF400X w identycznej obudowie jak 1N400X są prawie Ultra Fast podobnie jak UF540X. Mają identyczną przeciążalność jak zwykłe diody.
Później pojawiły się plastikowe diody na prąd 6A. Występują one pod różnymi nazwami (Często P600X (X to litera kodująca napięcie) ale pokazany na wykresie Westinghouse R340). Ich prąd zwarciowy wynosi aż 400 A ! Jeszcze później plastikowe diody na prąd 10A z prądem zwarciowym 600A.
Masowo produkowane diody „plastikowe” są bardzo tanie przy takich diodach w hermetycznych obudowach metalowych. Ale diody hermetyczne są 5-10 razy bardziej niezawodne i to mimo wysiłku producentów. Znakomitym rozwiązaniem są obudowy ze szkła spiekanego Sinterglas. Mają niezawodność jak obudowy metalowe a cena diody jest  ca 20-50% większa niż w obudowie plastikowej. Zajęte miejsce na PCB  i łatwość montażu jest jak diody plastikowej.   

W obudowie takiej jak diody 1N540X mieszczą się zabezpieczające diody Zenera o bardzo dużej przeciążalności Transil (Transient Silicon) 1.5KExxx, gdzie xxx oznacza napięcie Zenera. Niepowtarzalny ( zwarciowy też jest niepowtarzalny) Impuls o czasie 1 ms ma moc do 1.5 KW. W ciągu sekundy toleruje moc ponad 50 W. Moc impulsu jest w nazwie a w większej plastikowej obudowie diody tolerują impuls 1 ms aż 5 KW !
Dużą zdolność absorpcji energii wstecznej mają diody prostownicze  z własnością Avalanche zachowujące się jak dioda Zenera.  Dioda BYX25 o Iav=20A toleruje niepowtarzalny impuls wsteczny o czasie 10 us i mocy 18 kW ! Liderami w tym zakresie są Philips i Motorola ale popularność diod z tolerancją lawinową szybko rośnie. W nomenklaturze Motoroli dioda o tolerancji lawinowej ma dodatkową literę E od Energy dodaną na końcu nazwy. W części technologi mikroelektronicznych wystarczy zaostrzenie tolerancji procesu produkcyjnego ale część wymaga dodatkowych operacji.  
Diody prostownicze Avalanche dają równy  podział napięć blokowania na antyrównoległych tyrystorach w połączeniu szeregowym zespołów. Działa tu w podziale mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego. Mocniej obciążona wstecznie dioda zwiększa temperaturę a to spowoduje jej spowolnienie w wyłączeniu czyli w Trr i Qrr.

Ale są też  diody i tyrystory o małej przeciążalności. Szybki tyrystor GE typu  C141 (=2N3658) o Itrms=35A czyli Itav=22A w obudowie metalowej ma prąd zwarciowy zaledwie  200 A.
Tranzystory praktycznie nie mają przeciążalności prądowej ponieważ wzmocnienie prądowe z dużymi prądami kolektora bardzo spada i psują się parametry dynamiczne. Dodatkowo przy włączaniu i wyłączaniu może zostać naruszony obszar SOA.

 Duże, krótkie prądy impulsowe z małym wypełnieniem występują w snubberach dV/dt i di/dt. Czyli szybkie diody o dużej przeciążalności doskonale nadają się do snubberów. Dla kluczy półmostków muszą być stosowane układy snubberów dV/dt i di/dt nie zakłócające się nawzajem czyli potencjalnie rekuperacyjny układ  Undelanda i stratny układ  McMurray.
Przepięcie likwidowane jest Clampem i tu również prąd krótkiego impulsu jest duży.
Diody o dużej przeciążalności nadają się do różnych układów ograniczających przepięcia.
 
 Szybko popularność jako elementy zabezpieczające przed rzadkimi przepięciami o dużej energii zdobywają warystory „ZNO”. Ich charakterystyka napięciowa jest ostra i wykładnik aproxymującej funkcji potęgowej dochodzi do 37 gdy dla warystorów SiC wynosił jedynie 5.
Spodziewana  energia niszczącego impulsu w sieci energetycznej bardzo mocno zależy od rodzaju sieci.
Dyskowe warystory przeznaczone do montażu na PCB mają średnice 5-20 mm.
Powyżej pewnej mocy i energii impulsów warystor ZNO starzeje się. Dyskowy warystor ZNO do montażu na PCB o średnicy 14 mm może pracować z mocą ciągła 0.6W i ma reklamową zdolność absorpcji energii impulsu (piorunowego, typowo na 275 Vac ) 90 J.  Zdolność absorpcji standardowego impulsu piorunowego 8/20 us takiego warystora na napięcie wyższe niż 385 Vac jest następująca. Ilość zdarzeń z prądem impulsu w ciągu życia :
1-4500A, 100-500A,10e4-160A, 10e6-50A, nieskończoność – 25A
Ilość zdarzeń z prądem w ciągu życia z impulsem prostokątnym o czasie 2 ms:
1-40A, 100-12A,10e4-7.5A, 10e6-4.5A, nieskończoność – 3.5A
Maksymalna średnica dysków masowo produkowanych warystorów do montażu na PCB wynosi 20 mm. Większe warystory są prostokątne. I tak warystor prostokątny 25 x 25 mm toleruje jeden  impuls 15 KA ! Obudowy potężnych warystorów energetycznych na NN i WN wyglądają tak jak typowy  izolator.
Przy danej średnicy dysku warystora ze wzrostem nominalnego napięcia zwiększa się grubość dysku. Tolerowany prąd impulsu pozostaje stały i proporcjonalnie rośnie energia absorbowanego impulsu. Stąd wniosek że w układzie trójfazowym bez przewodu N warystory ( o odpowiednich napięciach ) należy łączyć w trójkąt D a nie w gwiazdę Y.
 Generalnie warystor ZNO powinien być co najwyżej ciepły a najlepiej zimny czyli napięcie na nim ma być niższe od nominalnego. Przeciążany warystor ma coraz większy upływ i grzeje się. Zużycie warystora energetycznego można potwierdzić termokamerą w nocy. Przyrost temperatury ponad otoczenie nie powinien przekraczać jednego stopnia. Uszkodzony warystor energetyczny w końcu wybuchnie a warystor dyskowy na PCB rozżarzy się i spopieli uszkadzając PCB. Wszystko to powoduje że nominalne napięcie warystora musi być odpowiednio duże a ochrona przepięciowa jest problematyczna.

Patent 192  Zmodyfikowany Falownik szeregowy o dobrych własnościach.
Początkowo półmostek tyrystorowego falownika szeregowego budowany był na szybkich tyrystorach symetrycznych SCR o napięciu wstecznym takie jak napięcie blokowania. Aby układ był użyteczny musiał tolerować brak obciążenia i zwarcie. Był rozbudowany o dodatkowe uzwojenia na transformatorze  z prostownikiem diodowym oraz dławiki i diody co mocno komplikowało układ.
Lepsze własności mają falowniki z antyrównoległymi diodami do tyrystorów koniecznymi zresztą dla szybkich tyrystorów  asymetrycznych ASCR. Konieczne jest conajmniej dodanie kondensatora równoległego do obciążenia aby falownik pracował bez obciążenia. Płynący przez ten kondensator prąd cyrkuluje w obwodzie zasilania przez tyrystory i diody. Per analogia można go nazwać prądem „biernym” obniżający możliwą do uzyskania z tyrystorów moc wyjściową.
Indukcyjność rozproszenia dwuzwojeniowego transformatora wynika z geometrii uzwojeń. W przypadku trzech uzwojeń sprawa się komplikuje. W proponowanym rozwiązaniu składnikiem obwodu komutacyjnego LC falownika jest indukcyjność rozproszenia między uzwojeniem pierwotnym P a wtórnym  S i jałowo pomocniczym A. Dodatkowe uzwojenie wtórne A ma znacznie mniejszą indukcyjność rozproszenia do S niż do P. Napięcie z niego podano do mostka prostowniczego, który jałowo energie odprowadza do zasilania Vb. Przełożenia uzwojenia A transformatora dobrano tak że przy nominalnym obciążeniu prąd płynący przez mostek jest znikomy i nie ma efektu prądu biernego. Bez obciążenia uzwojenie i mostek symuluje obciążenie ale mniejsze od nominalnego ale wystarczające do poprawnej komutacji.
Sprawdzony praktycznie układ działa poprawnie i zgodnie z oczekiwaniem.
Gdy praca bez obciążenia jest krótkim wyjątkiem mostek diod może być wykonany z tanich plastikowych diod o dużej przeciążalności. Diody pracując w prostowniku mostkowym nie potrzebują snubberów RC ponieważ napięcie jest zawsze ograniczone do Vb

Patent 193 System zasilania z układem ochrony przepięciowej sieci energetycznej cennego obiektu z energoelektroniką.
Urządzenia energoelektroniczne pobierają moc bierną i zniekształcony prąd. Gdy potrzeba tyrystory systemu  bezzakłóceniowo załączają kondensatory kompensacji mocy biernej z szeregową indukcyjnością o częstotliwości rezonansowej poniżej 5 harmonicznej. Zespół bardzo korzystnie zmniejsza też prąd 5 i wyższych harmonicznych. Dla wymaganej wysokiej operatywności kondensatory są rozładowane małymi transformatorkami. Dostawcy energii elektrycznej w świecie prowadzą różne polityki opłat za moc bierną. W części krajów (za duża generacja mocy biernej kablami SN ) wysokie są taryfy za wprowadzanie mocy biernej !  Polska jest na razie słabo „okablowana” ale długość kablowej sieci SN rośnie i problem nadmiaru mocy biernej na pewno będzie taryfami zwalczany. Tam gdzie wprowadzanie mocy biernej nie jest karane obwód  LC może być załączony raz dziennie zwykłym wyłącznikiem a nie tyrystorami.
    
 Przepięcia o dużej energii pochodzą od wyładowań atmosferycznych i od wyłączników zdolnych przerwać duży prąd, szczególnie przy zwarciu. Zdolne są zniszczyć urządzenia energoelektroniczne. Układ ma chronić obiekt z dużą ilością drogich  urządzeń energoelektronicznych.  Nie musi być stosowany razem z systemem kompensacji mocy biernej ale integracja zmniejsza koszty choćby obudowy i zasilacza.

 Stosowany już przed wojną w USA odgromnik zaworowy składał się z szeregowo połączonego iskrownika z warystorem SiC. Gdy piorun zaatakował linie energetyczną odgromnik uległ przebiciu i warystor ograniczał napięcie. Przy normalnym napięciu łuk gasł w odgromniku już przed przejściem prądu przez zero. Przesył energii był niezakłócony.
W proponowanym rozwiązaniu do sieci niskiego napięcia 220/380 V lub innego zastosowano idee odgromnika zaworowego. Warystor ZNO jest połączony szeregowo z antyrównoległymi tyrystorami o bardzo dużej przeciążalności zwarciowej. O napięciowym progu załączenia tyrystorów decyduje warystor i  dwukierunkowa dioda Zenera „mocy” ( lub jednokierunkowa w mostku diodowym ) i w pewnym zakresie rezystory G-K tyrystorów. W momencie przepięcia i zadziałania układu energia jest dalej „normalnie” dostarczana do obiektu.
Potężne przepięcie symulujemy dołączając do sieci kondensator ( normalnie  typ do kompensacji mocy biernej ) naładowany do dużego napięcia stałego  przez indukcyjność ( ciasno zwinięty pojedynczy przewód ) adekwatną do indukcyjności symulowanej sieci energetycznej. Odbiorniki symuluje prostownik pojemnościowy typowy dla SMPS z filtrem EMC. Bez zabezpieczenia nie wolno jest podawać potężnego zakłócenia bowiem odbiorniki mogą zostać uszkodzone !  Podskok napięcie jałowego 310 Vdc na kondensatorze prostownika zależy od momentu doprowadzenia impulsu. Nigdy napięcie nie przekroczyło 339 Vdc czyli ochrona jest doskonała. Sporo impuls tłumi też dławik filtru EMC przed prostownikiem.  Powstają już normy regulujące taki test i jest osobny temat.  
W systemach trójfazowych bez N warystory łączy się w trójkąt. Do sieci z przewodem N i odbiornikami jednofazowymi 3 układy powinny być połączone w Y do N i faz. Dla odbiorników wyłącznie trójfazowych trzy układy winny być połączone w trójkąt. Przepięcie na liniach RST w stosunku do N mogą ograniczyć same warystory.
W układzie można mierzyć prąd upływu warystorów świadczący o ich zużyciu pamiętając o bardzo silnym wpływie napięcia sieciowego.
W układzie z mikrokontrolerem można by rejestrować ilość istotnych incydentów i ich energie. Pomiar Temperatury warystora (diodą lub NTC ) po incydencie jest jedną z miar jego siły. Podniesiona temperatura spoczynkowa warystora świadczy o zużyciu warystora.
W systemie o ekstremalnie wysokiej odporności gdy spodziewany się potężnego ataku można również zastosować wyzwalane iskrowniki SG (Spark Gap) zwierające sieć energetyczną. Wyzwalające SG miniaturowe transformatorki HV mają jako uzwojenie pierwotne jeden zwój przez który płynie prąd sieciowy. Tylko bardzo silny i stromy impuls jest w stanie wyzwolić SG.   

Patent  194 Ochrona diod invertera PWM jako zasilacza
Obecnie w inverterach z modulacją PWM trójfazowe mostki tranzystorów zasilają silniki serwomechanizmów a przy hamowaniu energia wydzielana jest w załączanym do napięcia zasilania Vb rezystorze mocy. Inverter napędu musi być zwymiarowany na największe napięcie przy hamowaniu a jednocześnie oddać pełną moc przy normatywnym spadku napięcia sieciowego i przy najmniejszym chwilowo napięciu z powodu tętnień sieciowych 300 Hz. Wykorzystanie invertera przy stabilnym napięciu zasilania Vb jest istotnie lepsze.
Wyjście invertera PWM (tu jako zasilacz) może być poprzez dławik dołączone do sieci energetycznej a jego sterowanie zapewni na kondensatorze zasilania Vb stabilne napięcie bez sieciowych tętnień 300 Hz. Inverter jest prostownikiem i falownikiem jednocześnie i rezystor hamowania jest zbędny bo odbywa się rekuperacja energii hamowania do sieci energetycznej.
Prąd rozruchowego ładowania kondensatora elektrolitycznego prostownika pojemnościowego jest zawsze ograniczony rezystorem lub ostatnio termistorem mocy NTC. Przed załączeniem przekaźnika mocy wstępnie kondensator może ładować mniejszy prąd załączony pomocniczym kluczem ograniczony rezystorem i w tym wypadku prąd roboczy nie płynie przez rezystor ograniczający bo nie jest użyty. Jednak po circa 20 ms  zapadzie napięcie i przy mocnym obciążeniu prostownika impuls prądu ładowania kondensatora jest duży.  
Diody Ultra Fast użyte w inwerterze-zasilaczu  mają relatywnie mały prąd zwarciowy. Dioda UF o Itav=9A ma prąd zwarciowy zaledwie 100 A. Po opisanym zapadzie napięcia sieciowego diody są przeciążone co negatywnie wpłynie na ich trwałość lub od razu nastąpi ich zniszczenie.
W pokazanym nowatorskim układzie trójfazowy mostek ze zwykłych, tanich  diod o dużym prądzie zwarcia zasilany jest trójfazowym napięciem sieciowym idącym do dławika filtru PWM i dołączony jest do kondensatora Vb. Przy załączeniu zasilania przy ładowaniu kondensatora dużym prądem płynie on głównie przez zwykłe diody ponieważ przyłączone do nich równolegle diody UF mostka są szeregowo połączone z dławikiem o pewnej rezystancji. Przy pracy inwertera – zasilacza z modulacją PWM napięcie Vb jest zawsze większe od napięcia ze zwykłego prostownika i dodatkowe diody są odcięte. Ich małe pojemności są równoległe do kondensatora Cy EMC  czyli nie mają znaczenia z punktu widzenia EMC. Diody są nieobciążone i mogą być ciasno zmontowane na PCB.      

Kompensacja szeregowa
 W analizach energetyki ( sieciowe napięcia sinusoidalne o prawie stałej częstotliwości ) najbardziej użyteczny jest model Pi przesyłowej linii długiej. W miarę wzrostu iloczynu częstotliwości i długości linii wartości indukcyjności podłużnej i kondensatorów poprzecznych modelu coraz bardziej odbiegają od prostych iloczynów długości linii przez indukcyjność jednostkową i pojemność jednostkową. Wartości modelu Pi nawet niezbyt długiej linii są już inne nawet dla harmonicznych napięcia 50 / 60 Hz niż dla podstawowego napięcia.
Z impedancji ( bliskiej rezystancji falowej ) i  napięcia na linii wynika moc naturalna linii. Przy mniejszej przesyłanej mocy linia na wejściu jest pojemnościowa a przy większej indukcyjna.  
Im cięższa jest linia tym większy jest w modelu Pi iloraz  Xl/R. Dla linii NN przekracza on 5.  
Model Pi zupełnie nie nadaje się do analiz szerokopasmowych stanów.

Moc bierna wytwarzana jest w systemie energetycznym generatorami synchronicznymi, niezbyt mocno obciążonymi liniami przesyłowymi i bateriami kondensatorów. Generator ma określony obszar pracy bezpiecznej SOA i za dużo mocy biernej nie może wytworzyć ani tym bardziej jej pochłonąć przy niedowzbudzeniu. Generacja mocy biernej podwyższa straty w uzwojeniu statora i zasilanego rotora.
Ogólnie rzecz biorąc koszt mocy biernej jest tym wyższy im odbiorca jest dalej od generatora i im niższe jest jego napięcie w ramach szeregu NN-WN-SN-nN. Koszt przesyłu i dystrybucji mocy biernej jest znacznie większy niż mocy czynnej !

 W modelu Pi linii iloczyn modułów  napięć na początku  i końcu linii podzielony przez Xl i pomnożony przez sinus różnicy kątów napięć daje przepływającą przez linie moc. Zmianom mocy odpowiada przede wszystkim zmiana różnicy kątów a nie zmiana modułów napięć. Przesyłowi mocy biernej odpowiada przede wszystkim zmiana napięcia !
Z własności linii przesyłowych oraz konfiguracji całego systemu generacji mocy pozornej i odbiorów mocy pozornej wynikają straty mocy w sieci i wielkości napięć. Straty mocy i energii chcemy zminimalizować.   
 
 Normy określają dopuszczalne zakresy zmian napięcia u odbiorców. Silniki elektryczne obciążone na circa 70 % Pn często osiągają maksimum sprawności przy napięciu nominalnym. Przy większym napięciu mocno rosną straty jałowe w silnikach a przy mniejszym z powodu spadku momentu maksymalnego rośnie ryzyko utknięcia silnika (stall) i rosną straty obciążeniowe.
Tradycyjnie do regulacji napięcia służą energetyczne transformatory z regulacją pod obciążeniem, załączane baterie kondensatorów i załączane dławiki pochłaniające nadmiar mocy generowanej przez linie NN (w nocy). Są on załączane raz dziennie a w weekend wcale.  
W krajach czołówki cywilizacji coraz więcej jest kablowych linii SN generujących dużo mocy biernej.
Ponieważ rośnie udział mocy pobieranej przez odbiorniki nieliniowe coraz częściej zabronione jest dołączanie samych kondensatorów kompensacji ponieważ wzmacniają one harmoniczne. Konieczne jest dodanie indukcyjności szeregowej dającej rezonans poniżej 5 harmonicznej.  
Nowością są systemy z tyrystorami wielkiej mocy służące do poprawy rozpływu mocy w sieci i regulacji mocy biernej czyli napięcia.

 Kompensacja szeregowa zastosowana w środku długości linii NN umożliwia przesył energii na bardzo duże odległości co bywa atutem.
 Naiwny system energetycznej szeregowej kompensacji kondensatorem impedancji linii oraz transformatorów i mocy biernej ma znakomite cechy autoregulacji i nie wzmacnia harmonicznych  ale jego wady eliminują go z zastosowań:
-Niszczycielski jest ferrorezonans
-Niszczycielski jest subharmoniczy rezonans mechaniczny generatorów elektrowni
-Potężne są destrukcyjne prądy zwarć usztywnionej sieci   
 
 W pokazanym systemie  zasilania trakcji kolejowej 25 KVac zastosowano kompensacje szeregową indukcyjności trakcji i dzięki temu znacznie udaje się wydłużyć odcinek między zasilającymi podstacjami a dodatkowo podnieść współczynnik mocy. Uzyskuje się znaczną korzyść.
Podstacje wprowadzają asymetrie i muszą być zasilane z linii przesyłowych NN o dużej mocy zwarciowej a taka linia w pobliżu szlaku kolejowego jest tylko co jakiś duży odcinek.
Sieć trakcji 25 KVac jest sekcjonowana i po chwili przerwy do obniżającego transformatora lokomotywy podane jest ponownie zasilanie. Jest to główne zakłócenie. Prąd rozruchowy załączonego transformatora jest bardzo duży i zależy od kombinacji resztkowego namagnesowania rdzenia i kąta załączonego napięcia zasilającego. W lokomotywie od strony GND mógłby być włączony rezystor mocy zwierany przez CB. Przy przerwie w zasilaniu (brak napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora ) rezystor byłby rozwarty a pojawieniu się napięcia szybko (40 ms) zwarty co ogromnie zmniejszyłoby prąd  rozruchu transformatora. Wymogi na CB  w tym miejscu są bardzo liberalne i koszt byłby mały.   
 Bez zabezpieczeń niszczycielski ferrorezonans kondensatora kompensacji szeregowej i transformatora doprowadziłby do zniszczenia kondensatora i transformatora lokomotywy wraz z jej energoelektroniką. Znacznie rzadsze są zwarcia w sieci.
N.B. Obecne trakcja 3 KVdc jest za słaba dla szybkich pociągów pasażerski i ciężkich pociągów towarowych. Zastosowanie trakcji 25KVac jest nieuniknione.

Indukcyjność mocy włączona w szereg z rezystorem R przy maksymalnym prądzie linii powinna być przed  granicą nasycenia. Przy zbyt dużym prądzie (jak rozruch transformatora) i napięciu na kondensatorze indukcyjność się nasyca i do kondensatora kompensacji dołączona jest („linearyzacja harmoniczna”) tłumiąca oporność. R wybrana jest dla najmniejszego prądu  rozruchu transformatora ale pamiętać należy że na odcinku mogą być jeszcze inne zasilane lokomotywy. Przy zwarciu zadziała iskrownik  SG a prąd z wtórnego uzwojenia przekładnika prądowego TT uruchamia włącznik MB zwierający poprzez indukcyjności P (służą do zmniejszenia impulsu prądu zwarcia ) kondensatory i eliminujący kompensacje. Układ wystarczająco dobrze tłumi też drgania subharmoniczne.   

 W pokazanym systemie eksperymentalnym transformator sieciowy „bezpieczeństwa” 1:1 o mocy 400VA i dużym rozproszeniu ( ogranicza prąd zwarcia i chwilowe zwarcie jest tolerowane ) zasilony jest poprzez szeregowy kondensator kompensacji. Jest to kondensator rozruchowy/pracy  do silników asynchronicznych o pojemności 136 uF. Dla bezpieczeństwa ma on rozładowujący rezystor ( Uwaga na bezpieczeństwo !) ale czas rozładowania jest dość długi (straty mocy w rezystorach ) i tu bez znaczenia. Rozładowany (!) kondensator może być zwarty przełącznikiem. Prąd sieciowy pokazuje amperomierz.
 Prąd magnesowania transformatora  wynosi około 120 mA i mocno zależy od napięcia sieciowego.
Prąd rozruchu transformatora bywa tak duży że widać wtedy delikatne mrugnięcie żarówek oświetlenia. Przy obciążeniu transformatora mocą 2 x 200 W ze zwartym kondensatorem spadek napięcia na obciążeniu jest znaczny. Gdy kondensator rozewrzemy napięcie na obciążeniu wzrasta.
Ochronę stanowi sieciowy bezpiecznik automatyczny na prąd 2A. Im większy jest prąd przeciążenia od ferrorezonansu (bez obciążenia) tym szybciej zadziała bezpiecznik. Zależnie od momentu włączenia ( kąt fazowy napięcia sieciowego ) oraz resztkowego magnetyzmu ( także jego znaku ) rdzenia transformatora oraz wielkości i znaku napięcia na kondensatorze, bezpiecznik działa od razu lub po różnym czasie. Zwraca uwagę znaczne napięcie na kondensatorze. Oczywiście bez bezpiecznika transformator i kondensator ulegną zniszczeniu. To jest właśnie ferrorezonans ! Zjawisko sprawia wrażenie przypadkowego ale nie jest przypadkowe.
  Równolegle do kondensatora jest włączany rezystor mocy R lub szeregowy dwójnik z indukcyjności L ( uzwojenie transformatora o napięciu 60V o mocy 50VA ) i innego R'. Sam rezystor owszem zapobiega ferrorezonansowi i obniża prąd rozruchu ale kondensator słabo podnosi napięcie przy obciążeniu a w rezystorze traci się duża moc.  Rozwiązanie takie do szeregowej kompensacji jest bezużyteczne.  
Dla sieciowej częstotliwości 50 Hz można  dla równoległego obwodu RC wyliczyć równoważny  szeregowy obwód RC. Trochę pomaga to znaleźć optymalną wartość R jednocześnie ograniczającą prąd  rozruchu transformatora i tłumiącą ferrorezonans. Po dodaniu incydentalnie nasycanej indukcyjności L sprawa w systemie z dwoma nieliniowymi indukcyjnościami się komplikuje i konieczne jest dla optymalizacji użycie mikrokomputera lub bardzo długa seria eksperymentów.
N.B Układ dynamiczny z trzema nieliniowościami może być niemożliwy do przewidzenia !
Dla ułatwienia eksperymentów dano  prosty Triakowy włącznik testowy z ustawianym kątem załączenia i niezależnymi biegunowościami półfali włączenia i wyłączenia sieci.

Role nasycanej indukcyjności L może lepiej wykonać odpowiednio (to nie jest proste zadanie) wyzwalany triak lub para antyrównoległych tyrystorów.
Rezystory mają bardzo dużą przeciążalność impulsową. Na rezystorze 4.7 Ohm / 5W ograniczającym prąd ładowania kondensatora elektrolitycznego 220 uF przez momencik jest typowo szczytowe napięcie do 210 V (jest też szeregowa oporność sieci, rezystancja i indukcyjność dławika EMC i ESR kondensatora ) co odpowiada mocy  9.4 KW. Ale w rezystorze stracone jest tylko ca 8 J energii.

 Niech będzie ( TCSC Thyristor Control Series Capacitor ) kondensator szeregowej kompensacji do którego przyłączono równolegle liniową indukcyjność z szeregowym  wyzwalanym „triakiem” ( W układzie energetycznym będzie to antyrównoległa para potężnych tyrystorów wyzwalana sygnałem przekazanym  światłowodami ). Przez ten cały obwód płynie prąd sinusoidalny linii w którą system jest szeregowo włączony. Częstotliwość rezonansowa kondensatora i indukcyjności jest kilka razy większa od częstotliwości sieciowej.   
Klucz jest sterowany odpowiednim algorytmem. Gdy klucz jest załączony po szczycie napięcie na kondensatorze równoważna pojemność kondensatora małej czyli rośnie napięcie na nim i wniesiona moc bierna. Niestety napięcie na kondensatorze staje się coraz bardziej zniekształcone.
W zakresie kątów 0-90 deg obwód ma charakter indukcyjny. Regulacja impedancji linii przesyłowej może służyć od różnych celów. Można zwalczać ferrorezonans i kołysania, optymalizować przepływ energii w sieci i zwalczać kołysanie generatorów. Można  regulować napięcie i dostarczaną moc bierną. Najlepsza jest regulacja kontekstowa i wielokryterialna.   
System taki może też ograniczyć prąd włączenia transformatora !
Izolowany zespół potężnych wysokonapięciowych tyrystorów może być taki sam (ale z mniejszą ilością szeregowo połączonych tyrystorów ) jak w systemie HVDC
W układzie eksperymentalnym zastosowano sterujący układ analogowy ale zdecydowanie lepszy byłby do algorytmu mikrokontroler.  

Patent 203  Algorytm sterowania TCSC.
 Na wykresie pokazano przebiegi w systemie TCSC gdzie w linii płynie sinusoidalny niezmienny prąd  i od pierwszego półokresu klucz załączany jest z kątem 160 stopni w mierzonym w stosunku do prądu linii. Fale prądu przez indukcyjność są dość krótkie i coraz większe ale się stabilizują.
Niewiele rosnące (obwiednia) napięcie na kondensatorze jest niedostrzegalnie zniekształcone.

Ale z kątem wyzwalania 126 deg napięcie na kondensatorze docelowo wzrasta circa 3 razy !
Fale prądu płynące przez indukcyjność i łącznik są duże i szerokie. Niestety napięcie na kondensatorze jest już widocznie zniekształcone ale realnie tak głęboka regulacja nie powinna być stosowana      

 Użyteczne dla konstrukcji algorytmu jest spostrzeżenie że w użytecznym zakresie kątów 90-180 deg napięcie na kondensatorze ma odmienny znak niż prąd linii.
„Algorytm” użyty w eksperymentalnym układzie analogowym sygnałem sterującym zwiększa stopień kompensacji ( zmniejsza kąt wysterowania ale dodatkowo bierze pod uwagę napięcie Uc ale tylko (regulacja wariantowa) do osiągnięcia modułu napięcia określonego przez drugi sygnał sterujący. Przy zdetekowaniu prądu zwarciowego przechodzi natychmiast do zerowego kąta wyzwalania i linia zamiast kondensatora widzi indukcyjność co oczywiście redukuje prąd zwarcia. W stanie zwarcia ( zwłoka na rozłączenia zwarcia przez CB wynosi 50-80 ms ) bez ratunkowego załączenia kluczy kondensatory uległy by zniszczeniu.  Niestety ładne, płynne przejście od stanu zwarcia do regulacji jest skomplikowane i realizacja analogowa byłaby skomplikowana i to już jest zadanie dla przyszłego programu mikrokontrolera.
Symulacja algorytmu potwierdza że jest on dość niezawodny...       


Patent 204  Prosty programowy model nasycanej indukcyjności o dobrej zgodności z eksperymentami.
Zachowanie układów z nasycaną indukcyjnością można (bywa to bez oscyloskopu z pamięcią trudne) obserwować oscyloskopem. W elektrotechnice teoretycznej stosowana jest dla nasycanej indukcyjności „linearyzacja harmoniczna”. Niestety wyniki analizy teoretycznej z użyciem tej metody często mijają się z praktyką. W automatyce podobna jest idea metody funkcji opisującej. Wyniki analizy teoretycznej z użyciem tej metody również często mijają się z praktyką.
Przenikalność transformatorowych blach anizotropowych jest duża i prąd magnesowania jest bardzo zniekształcony i mocno rośnie z napięciem sieciowym.  
Celem symulacji komputerowej jest oczywiście optymalizacja systemu. Jedna symulacja może mieć ponad 1000 kroków a tych symulacji potrzebna jest w optymalizacji duża ilość. Czas optymalizacji jest tak długi że nie można jej realnie przeprowadzić.
Prezentowany algorytm jest ekstremalnie prosty i daje się przeprowadzić optymalizacje potwierdzoną eksperymentalnie. Na wykresie pokazano modelowy prąd załączenia transformatora do sieci.    

Ferrorezonans z szeregowym kondensatorem jest taki jak obserwowane realnie zjawisko „przypadkowe”

Dodając równoległy rezystor do kondensatora uzyskuje się stabilną pracę.

ZAPŁON
Od paru  lat w japońskich i zachodnich samochodach osobowych stosowany jest zapłon tranzystorowy. Stosowany jest jako klucz specjalny wysokonapięciowy tranzystor Darlingtona o bardzo szerokim obszarze SOA. Tranzystor przy napięciu Uceo (lub trochę mniejszym ustalonym przez diodę Zenera) absorbuje bardzo dużą energię nawet przy braku przeskoku iskry na świecy. Nie zawsze stosowany jest równoległy kondensator „Katteringa”.  Tranzystor taki produkują specjalną technologią (!) dwa koncerny Japonii i amerykańska Motorola. Są one obłożone embargiem USA czyli zachodu. Koncerny zachodnioeuropejskie nie potrafią same wyprodukować odpowiedniego tranzystora. Siemens wycofał swój typ BUX28.
 Do modernizacji polskich samochodów osobowym konieczne jest użycie wtrysku paliwa ze sterownikiem z mikrokontrolerem i właśnie zapłonu tranzystorowego.
Odpowiednich ( jest to dedykowana technologia ) wysokonapięciowych tranzytów Darlingtona do zapłonu nie produkuje się oczywiście w krajach RWPG....
 
Patent 213  Klucz do układu samochodowego zapłonu
Niskonapięciowy tranzystor mocy Q jest połączony w kaskodę z szybkim tyrystorem Ty  BTP129.
W momencie załączenia tranzystora Q tyrystor szybko załącza się prądem bramki płynącym rezystorem R=47 Ohm z obwodu Vb instalacji „12V” elektrycznej samochodu.
W momencie dość szybkiego wyłączenia tranzystora Q napięcie na Anodzie jeszcze przewodzącego tyrystor narasta tak jak na K z szybkością dV/dt wyznaczoną przez pojemność snubbera RCD. Gdy napięcie przekroczy Vb rezystor R podaje tyrystorowi ujemne napięcie i prąd bramki. Wielkość tego napięcia i prądu jest niewielka ale rośnie wraz  temperaturą tyrystora. Zamiast rezystora R można dla optymalizacji dać dwójnik 2RD ale nie okazało się to potrzebne. Tyrystor BTP129 jest faktycznie tyrystorem GATT i przy napięciu Ugk=-35 V czas wyłączenia Tq<1.5 us jest bardzo krótki.
Napięcie Uce na złączonym tranzystorze Q (2N6488 TO220, Ic=15A) musi być małe tak aby napięcie na szeregowym tranzystorze i tyrystorze było zbliżone do napięcia na załączonym tranzystorze Darlingtona.
Bez przeskoku iskry na świecy napięcie szczytowe ograniczone snubberem musi być mniejsze od napięcia blokowania (750 V) tyrystora co praktycznie zawsze ma miejsce. Gdy tak nie jest trzeba napięcie ograniczyć Warystorem lub diodą Zenera mocy. Tranzystor Q1 (BC337) przy wyłączonym kluczu zapobiega jego włączeniu gdy napięcie na A jest  wyższe od 40V.
Sprawdzenia dokonano w samochodzie osobowym i w układzie testowym. Bez chłodzenia Q i Ty układ sterowany sygnałem 50 Hz ( napięcie sieciowe )  pracował miesiąc i o dziwo nie uległ uszkodzeniu. Test przerwano z uwagi na uciążliwą emisje ozonu.   

Patent 214 Układ pozwalający na bezpieczną prace tranzystora w samochodowym zapłonie.
Praca tranzystora bipolarnego z napięciem większym od Uceo zawsze jest ryzykowna.
Gdy napięcie Ube<=0 to po przekroczeniu napięcia Ucbo tranzystor wchodzi w mod powielania lawinowego. Szybkość narastania prądu może być bardzo duża (kilkanaście razy większa niż to wynika z Ft) a prąd musi być ograniczony.
Wyselekcjonowany tranzystor BDY25 ze snubberem RCD poprawnie pracuje w układzie zapłonowym ale tylko z przeskokiem iskry na świecy. Bez tego przeskoku ulega przebiciu. Mechanizm tego jest dość złożony.
W omawianym układzie bez iskry na świecy spada gwałtownie dV/dt, lawinowo napięcie Uce klucza  to jest on silnie wysterowany prądem bazy Ib do 1A  przez silnie otwartego BC327.
Kondensator snubbera  330 nF z napięcia circa 500 V zostanie rozładowany przez R snubbera  
Część energii pola magnetycznego z cewki zapłonowej zostaje bezpiecznie rozproszona.


Sprawdzenie
 Na rysunku pokazano układ regulacji poziomu w zbiorniku przygotowywanego roztworu. W układzie kaskadowym regulator poziomu LC jest Master a równolegle pracujące trzy regulatory FCx są Slave.
System 1 cieczy ma zawór 10 calowy, 2 zawór jest 6 calowy i 3 jednocalowy. Z racji różności urządzeń przy optymalnym nastawieniu regulatorów czasy reakcji pętli byłyby mocno różne i szybsze pętle trzeba ustawieniami regulatorów spowolnić do najwolniejszej pętli (ustawionej optymalnie i  jak najszybciej ) co nazwane jest synchronizacją.

-Podaj jak najwięcej przykładów synchronizacji

Cwiczenie

1.W systemach sterowania obiektów o wielu wejściach i wielu wyjściach MIMO stosuje się rozprzężenie pętli regulacji – Non Interactive Control.  Rozprzężenie nie jest prostą sprawą ale korzyść z tego jest duża. Z reguły jest użyte uproszczone rozprzężenie. Konkretne przykłady rozprzężenia pokazano w:
https://matusiakj.blogspot.com/2016/09/archiwum-noninteractive-control-czyli.html
"Przyklady odsprzegania znajdujemy w "Computer Control of Machines and Processes",  John G. Bollinger, Neil A. Duffie, Addison-Wesley 1988.
Niech bedzie pomieszczenie gdzie chcemy utrzymywac tropikalny klimat. W pomieszczeniu sa sensory temperatury i wilgotnosci.  Wentylator dostarcza z zewnatrz strumien swiezego i zimnego powietrza do ktorego regulowanym zaworem wpuszczamy strumien goracej pary wodnej. Tyle samo nieswiezego powietrza opuszcza pomieszczenie. W pomieszczeniu jest takze regulowany grzejnik elektryczny. Strumien pary wodnej dostarcza wode do atmosfery pomieszczenia i cieplo. A grzejnik elektryczny dostarcza tylko cieplo. Wilgotnosc wzgledna jest funkcja ilosci wody w powietrzu pomieszczenia i temperatury. Rozwiązanie systemu  regulacji jest proste"

W pokazanym systemie regulator PC stabilizuje ciśnienie cieczy procesowej. Regulator FC1 ma podawać ciecz procesowa w umownej  ilości 1 a regulator FC2 rozcieńczającą wodę w zadawanej ilości 2 – 4. Trzy  regulatory o podobnej prędkości działania pętli wzajemnie zakłócają swoje akcje i system jest niestabilny – oscyluje.
Z praktycznej obserwacji i symulacji wynika że system będzie stabilny gdy najszybsza jest akcja pętli regulatora PC, przynajmniej 3 razy wolniejsza będzie pętla FC1 i najwolniejsza FC2. Wielokrotnie (5) wolniejsza niż PC1. Owszem system jest stabilny ale powolny a nawet bardzo powolny

-Zasymuluj działanie układu i potwierdź prawdziwość podanych rekomendacji co do szybkości pętli
-Podaj schemat/y układu regulacji dla sterowania rozprzężonego i w przybliżeniu rozprzężonego oraz zasymuluj system

2.Zasilanie z sieci do nieobciążonego transformatora bezpieczeństwa 400 VA 230 V 1:1 podano przez kondensator 100 uF i automatyczny bezpiecznik 2A. Bezpiecznik działa po różnym czasie. Często od razu. Napięcie z kondensatora i transformatora (pomijamy tu aspekt bezpieczeństwa ) podano do dwukanałowego DSO. Uzyskuje się z niego obrazek lub plik z danymi. Oczywiście można też zarejestrować prąd magnesowania (po włączeniu potężny prąd rozruchowy ) lub prąd w obwodzi z kondensatorem.
-Stwórz model lub ustal parametry istniejącego modelu nieliniowej indukcyjności (tego transformatora) aby uzyskać zgodność z obserwacjami. Na wykresie ma być wartość zarejestrowana przez DSO i symulowana       
-Ustal drogą optymalizacji wartość rezystora równoległego do kondensatora średnio minimalizującego całkę z modułu  prądu rozruchu do 100 ms.