Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 172

 

Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 172

Archiwum EnergoPatent - Energia, materiały i szanse

Współcześnie dużą marzę na rynku światowym uzyskuje się na produkcji nowoczesnej i skomplikowanej. Oczywiście jest gradacja tej nowoczesności.

W świecie są tylko trzy rozwinięte kraje surowcowe: Kanada, Australia i Norwegia. Zatem to nie bogactwa naturalne Ziemi są głównym źródłem dobrobytu. Bogactwa naturalne Ziemi w biednych krajach są bardziej ich przekleństwem niż bogactwem.

Przewidywanie przyszłości jest zajęciem bardzo ryzykownym.

W teorii Regulacji jest zadanie Predykcji. Szum biały nie niesie żadnej informacji i jest nieprzewidywalny. Ale taki szum przefiltrowany przez filtr-proces ( głównie dolnoprzepustowy) niesie informacje o tym filtrze-procesie. Znajomość dynamiki filtru i historii sygnału na jego wyjściu pozwala predykować przyszłe wartości. Im dalszy jest horyzont tym większy błąd i gorsza predykcja.

Rezultaty predykcji są z reguły rozczarowujące. W „Problemy teorii regulatorów”, J.Gutenbaum, WNT, 1975, jest w Odtwarzanie zmiennych stanu –> Przypadek stochastyczny –> Filtr Kalmana – Bucy, Przykład (s.145). Filtr optymalny jest tam prostą inercją !

Prognoza pogody to innego rodzaju złożona predykcja.

O tym czy obecnie fabryka przynosi zyski decyduje rozpoznanie sytuacji sytuacji wykonane w przeszłości. Ale z racji stosowania dotacji i ustalania cen przez urzędy w Polsce pojęcia rentowność i zysk mają często niewielki sens.

Według jednego z nowych sondaży największymi osiągnięciami Inżynierii XX wieku są:

1.Elektryfikacja

2.Samochód

3.Wodociąg

4.Samolot

5.Elektronika

6.RTVC

7.Mechanizacja rolnictwa

8.Telefonia

9.Komputery

10.AGD a szczególnie lodówka

W każdym z tych osiągnięć (i w większości kolejnych) jest Elektryczność. Samochodu i samolotu bez elektryczności nie można skonstruować. Fabryki części do samochodów i samolotów są coraz bardziej zautomatyzowane i w Japonii zrobotyzowane. Maszyny w fabrykach zasilane są elektrycznością. Japonia była i jest największym producentem samochodów świata - 6.34 mln sztuk w 1982 roku. Ma też najwyższą w świecie wydajność pracy czyli potrzebuje najmniej godzin pracy na wyprodukowanie samochodu. Największym producentem samolotów są USA.

Pompy wody wodociągu są napędzane silnikami elektrycznymi podobnie jest cały system uzdatniania wody. I tak dalej.

Wszystkie wyroby dla wymienionych grup mogą/muszą być produkowane z udziałem maszyn CNC i robotów przemysłowych. Poza '8' wszystkie zawierają silniki elektryczne ale są tam transformatory które też są maszyną elektryczną.

Względny udział produktów elektrotechnicznych i elektronicznych w światowym handlu cały czas rośnie a w wartości bezwzględnej rośnie szybko.

Według Rocznika Statystycznego GUS 1984 produkcja czysta elektrotechniczna i elektroniczna w okresie 1970-1980 wzrosła z umownych 100 na 231. Cały przemysł elektromaszynowy zanotował wzrost ze 100 do 227. Zakupione za dolary licencje i fabryki dały więc efekty. Przy czym wydano na ten cel tylko cząstkę zaciągniętych kredytów.

Produkcja kluczowej dla elektrotechniki miedzi wzrosła z 72 na 357 tys. ton. Produkcja tworzyw sztucznych wzrosła z 224 na 549 tys. ton. Produkcja półwyrobów z miedzi jest bardzo tania na tle produkcji surowej miedzi w kombinacie górniczo - elektrochemiczno - hutniczym szczególnie gdy dodamy koszty elektrowni (plus kopalnie węgla) dostarczającej energie elektryczną do procesu elektrolizy. I tak nakłady inwestycyjne na dalsze wyciągnięcie drutu o grubości 8 mm to tylko 2% całości nakładów na kompleks. Dalsze wyciąganie użytecznych już „drutów” (nie tylko okrągłych) to kolejne 3-4% a ich pokrycie izolującą emalią do 2%. Skoro powiedzieliśmy A,B,C to trzeba konsekwentnie kontynuować D,E,F,G,H... Po minionej dekadzie kredytowo - dolarowej porzuconych zostało mnóstwo inwestycji. W przypadku miedzi szkody wynikające z braku dalszego przetwarzania miedzi w drogie wyroby jest jednak ogromna

W ramach trwającej Zimnej Wojny Zachód kupuje surową miedź ale rzekomo nie chce kupować drutów nawojowych / przewodowych na produkcji których ma sporą marżę. Opinia ta prawdopodobnie nie jest prawdziwa.

Zwiększenie produkcji lakierów izolacyjnych wysokiej jakości dla drutów nawojowych nie wydaje się trudne.

Ale oczywiście jeszcze lepiej zamiast sprzedawać druty nawojowe i druty lepiej jest sprzedać silniki i transformatory lub chociaż przeróżne przewody...

Miedź jest też ważnym składnikiem stopów. Dobre ceny osiągają posągi z brązu i różne figurki i przedmioty domowe z mosiądzu. Z towarzyszącego miedzi srebra można tłoczyć na eksport „monety” na przykład z napisem 1 oz=31.1 g 99.99% Ag Na drugiej stronie piękny identyfikacyjny polski Orzeł. Aby monety nie pokrywały się szpetnym siarczkiem można je pokryć bardzo trwałą cieńką warstwą ochronną przezroczystego tworzywa. Ich atrakcyjność mogą przetestować polscy handlarze w krajach gdzie oszczędnościowe srebro jest popularne.

Polskie Centrale Handlu Zagranicznego są niefunkcjonalne i bardzo szkodliwe.

Natomiast produkcja czysta przemysłu węglowego w okresie 1970-1982 makabrycznie spadła ze 100 do 37.5. Doskonale widać gdzie jest wzrost a gdzie jest straszny kryzys pogrążający cały nasz kraj. Niewiele lepiej jak w górnictwie jest w rolnictwie i następczo w przemyśle spożywczym. Mimo dużych nakładów inwestycyjnych na rolnictwo, zniesienia przymusowych dostaw i wprowadzenia emerytur rolniczych produkcja z 1980 roku była mniejsza niż w 1970 roku co jest zdumiewające. Sąsiednie kraje (ta sama pogoda) nie mają problemu z rolnictwem i sklepy są normalnie zaopatrzone.

Rysują się w dziale elektromaszynowym – elektrotechnicznym - elektronicznym względnie nowe nisze gdzie może być ogromny przyrost produkcji.

„Tam, gdzie jest wola, jest też i sposób” - Albert Einstein

Z surowców wydartych Ziemi produkowane są metale, tworzywa sztuczne, mnóstwo chemii. Z nich dalej produkowane są podzespoły i dalej finalne wyroby rynkowe.

W gigantycznym kompleksie fabryk Forda Rouge River produkcja była zintegrowana od dostarczonych ( głownie barkami po rzece Rouge River ) wydobytych surowców (ruda, węgiel, ropa naftowa..) do wyjeżdżającego z komplexu produkcyjnego samochodu. Od tego czasu jednak widoczna jest specjalizacja w produkcji i podzespoły wożone są po krajach a nawet po świecie. W fabryce samochodów faktycznie może być produkowane tylko nadwozie ( blacha jest kupiona i nie ma huty-stalowni na miejscu ) do którego montowane są dostarczone z innych fabryk podzespoły poczynając od bloku napędowego czyli silnika i skrzyni biegów.

Japonia i RFN są dość ubogie w zasoby naturalne i ich potężne gospodarki muszą dużo surowców importować . Stąd ich znaczny eksport nowoczesnych towarów jest konieczny dla pozyskania środków na konieczny import. Ceny na światowych Giełdach surowców cały czas się zmieniają głównie skutkiem wielkiej spekulacja. Główną walutą światowych rezerw i rozliczeń jest ciągle drukowany w ogromnej ilości dolar amerykański. Najważniejszym światowym towarem jest ropa naftową. Anglosascy gracze-spekulanci w istocie rabują dostawców i odbiorców. Japonia i RFN jako wojenni przegrani dalej okupowani przez USA nic na to nie mogą zrobić.

Identycznie jak 100 lat wcześniej brytyjska elita, obecna elita USA coraz więcej zarabia na finansach, ubezpieczeniach, spekulacji i handlu a coraz mniej na produkcji przemysłowej.

Stąd własne zasoby naturalne są i nadal będą ważne. Polska eksportowany węgiel i miedź generalnie sprzedaje na prawie zawsze niekorzystnych warunkach.

Państwa I Świata swoją pozycje uzyskały umiejętnością wytworzenia przedmiotów chętnie, drogo kupowanych w świecie ale także produkcji broni służącej do podboju.

Rozwój polega na produkcji nowoczesnych i siła rzeczy drogich wyrobów bo tam konkurencja światowa nie jest duża.

Globalna logika dotyczy jak najbardziej też Polski. Niezależnie od tego czy tego chcemy czy nie chcemy. Oczywiście lepiej jest gdziekolwiek eksportować jeden, dwa odbiorniki TVC niż wagon węgla kamiennego w dodatku bardzo drogo wydobytego.

Mając środki z eksportu można kupić to czego mocno potrzebujemy. Polska jest jednym z ostatnich krajów świata gdzie funkcjonuje ciężka chemia oparta o węgiel. Jest ona makabrycznie mało produktywna przy petrochemii i głęboko nierentowna. Ale ropę naftowa i gaz ziemny kupuje się za „dolary” pozyskane z eksportu.

Niestety w Polsce wszystko co względnie nowoczesne produkowane jest na licencjach lub wręcz w kupionych za „dolary” fabrykach.

W systemie rynkowym sukcesy odnoszą firmy które potrafią wykorzystać pojawiającą się lub istniejącą szanse. Szanse trzeba jednak dostrzec wcześnie i ją wykorzystać.

W mechanizacji, energii wytworzonej z zasobów przyrody użyto w procesie produkcyjnym. Urządzenia automatyczne mają własne sterowanie i udział człowieka został zmniejszony. Maszyny CNC i roboty mają wbudowany sterujący je komputer.

Popularny jest pogląd że trwająca seria odkryć nigdy się nie skończy. W rzeczywistości wielkich odkryć jest coraz mniej a nie coraz więcej ! Wydaje się ze epokowym odkryciem był tranzystor bipolarny (1948) a po nim Mosfet (1959). Oba odkryto w Bell Laboratories. Trudny procesowo jest German a łatwy Krzem a w niszy mikrofalowej trudny jest Arsenek Galu. Na początku lat sześćdziesiątych w Bell Laboratories stworzono technologie łącząca szybkość Ge z zaletami technologicznymi Si. Produkowano wtedy tranzystor o Ft=4 GHz ! Ale do celów mocy lepszy jest materiał „SiC” ale jest (na razie ?) nietechnologiczny. Materiałów półprzewodnikowych jest więcej. Nie zmienia to faktu że tranzystory odkryto w 1948 i 1959 roku !

W energetyce, także jądrowej, jest stagnacja. A w latach sześćdziesiątych w energetyce jądrowej był hura optymizm i skończyło się na Uranie a przecież użyteczne są też inne pierwiastki, których może wystarczyć na całe epoki. Ludzkość nie potrafi nawet dopracować bardzo użytecznych reaktorów powielających.

Mimo wysiłków rozszerza się antybiotykoodporność ! Leki na nowotwory to nadal marzenie i to mimo doskonałych narzędzi badawczych jakie ma w dyspozycji medycyna i farmacja.

Koncerny odpowiedzialne w I Świecie za technologie oczywiście podglądają konkurencje a nawet podkradają sobie pracowników i dokumenty. To nieprawda że tylko Związek Radziecki to robi. Robią to wszyscy. Biorąc się za cokolwiek trzeba rozwiązanie konkurencji starannie przestudiować.

Krzywa Uczenia ze stałym lub zmiennym „wykładnikiem”, ma obrazować przebieg różnych zjawisk. Przykładem jest sformułowane prawo Moore'a dotyczące rosnącej ilości scalanych monolitycznie tranzystorów i szybkości procesorów. Ze stałym wykładnikiem to krzywa eksponencjalna rosnąca w nieskończoność niczym pojemności pamięci półprzewodnikowych. Na wykresie pokazano znormalizowany efekt coraz wolniejszego uczenia się. Początkowa szybkość umownie wynosi 1.1 i liniowo spada po czasie 2 do 0.1.

Dla porównania pokazano odpowiedź inercyjną o stałej czasowej 1. Są to zupełnie inne kształty funkcji. Funkcje Szybkości Uczenia ustalone na danych historycznych bywają różne.

Nic nie wskazuje na to aby w perspektywie pół wieku odkryte nowe „coś” zastąpiło silniki synchroniczne i asynchroniczne które mają już swoje lata ! 

Jak wygląda wydajność wydobycia węgla kamiennego w Polsce na tle USA i jak to to ma się do krzywej uczenia. Wydajność wydobycia zależy od geologii pokładu, technologi i organizacji całości procesu. Wielka Brytania miała szczyt wydobycia węgla w 1913 roku. USA pierwszy szczyt miały tuż przed Wielkim Kryzysem a kolejny szczyt podczas Wojny. Po spadku obecnie znów wydobycie rośnie i jest bardzo duże.

W tabeli są dane dotyczące wydobycia węgla na górnika na rok i jego całkowity miesięczny koszt dla kopalni. O ile w przypadku USA jest to wartość statystyczna to w przypadku PRL jest to szacunek ponieważ złoty ma kurs ale faktycznie jest niewymienialny. Lata 1925, 1975, 1985 nie są kryzysowe i wielkie zmiany koniunktury nie mają tu mocnego wpływu.

Już w okresie międzywojennym wydajność pracy amerykańskiego górnika (805 ton wydobycia na rok) była o niebo większa niż polskiego (235). Ale wydajność w całej Europie nie była wtedy istotnie większa niż w Polsce. Znacznie większa była w Niemczech i tam większą wydajność uzyskano na koniec XIX wieku bez kombajnów, transporterów taśmowych, elektrycznego oświetlenia i wentylacji oraz sensorów metanu ! W przedwojennym 1913 roku wydajność na terenach później polskich wynosi 335 ton / rok czyli niepodległa ale pasożytnicza Polska się uwsteczniła w wydajności, technice i organizacji.

W okresie 60 lat 1925-1985 wydajność pracy amerykańskiego górnika rosła circa po 2.4% rocznie czyli przez dziesięć lat po 26.8%. Niestety wydajność polskiego górnika rosła tylko po 1.18% rocznie czyli 13.6% przez 10 lat. Cofnijmy się 1975 roku w USA i ekstrapolujmy wydajność na 1985 rok: 2700*1.268= 3423 T/Y. Całkiem dobre przewidywanie biorąc pod uwagę nieuniknione zmiany koniunktury. Bądźmy w 1975 roku i ekstrapolujmy wydajność polskiego górnika na 1985 rok: 504*1.136=573 T/Y. Widać że coś bardzo, bardzo złego dzieje się z polskim górnictwem węglowym.

Ten amerykański wzrost po 2.4% rocznie wydaje się niewielki ale na zasadzie procentu składnego długoczasowy efekt jest potężny. Przez 100 lat roczny wzrost po 2.4% ze 100 robi 1072 !

Okres kryzysu (często także wojny ) gdy gospodarka się zwija jest więc strasznie szkodliwy dla dobrobytu !

W przedostatnim wierszu podano koszt wydobycia tony węgla w USA. Prawdopodobnie największy w jego zmianach jest tu udział inflacji.

W ostatnim wierszu podano koszt wydobycia tony węgla w Polsce.

Płaca od polskiego wydobycia jest wysoka i bardzo mocno zaniżona systemem dotacji. Kurs do operacji gospodarczych wynosi (1985) 150 zł /$ a kurs czarnorynkowy ( jedyny dla Kowalskiego ) jest wielokrotnie wyższy. Złoty dewizowy o nieznanym kursie został wycofany w 1981 roku i za 1975 rok dano szacunek.

Głęboko nierentowny eksport węgla rujnuje Polskę od dawna. O tym że duża część kopalni jest trwale nierentowna wiadomo od lat pięćdziesiątych a oficjalnie rząd o tym wie od 1969 roku.

Nie wiadomo czy górnicy są leniwi, czy zarząd jest marny czy może pokłady są geologicznie coraz trudniejsze czy może wszystko razem.

Widać technologiczny sens operowania wartościami fizycznymi czyli wydobyciem przez górnika w ciągu roku.

Kraj/Rok	1925	1975	1985	Wykładnik na Y/10Y w okresie 60Y
USA wydobycie T/Y	805	2700	3340	2.4%/26.8%
USA płaca $/m	120	1080	1670
Polska wydobycie T/Y	235	504	462	1.28%/13.6%
Polska płaca $/m	19	260*	324
Koszt wydobycia $/T USA	1,8	4,8	6
Koszt wydobycia $/T PL	0,97	6,2	8,4

Stale (jest ich mnóstwo gatunków) są podstawowymi materiałami konstrukcyjnymi. Jej parametry ciągle są poprawiane ale coraz to wolniej.

O ile „masowe” stale o niskiej wytrzymałości są tanie i dostępne, to stale specjalne są drogie i podlegają „kontroli eksportu”.

W ciągu 80 lat waga silnika asynchronicznego o mocy 10 KW spadła ponad 6 razy. To efekt lepszego projektu oraz zastosowania lepszych materiałów i metod obróbki.

Krzywe uczenia obrazują ilość produkowanych maszyn CNC i robotów a także spadającą ich cenę.

Mimo swojego prostactwa Krzywe uczenia są jak najbardziej użyteczne. Często uczenie jest początkowo szybkie i później coraz wolniejsze. Prawo Moore'a jest jak dotychczas wyjątkiem. Wydajność wydobycia węgla raczej też.

W dziedzinach o wolniejszym „uczeniu się”, marze są mniejsze niż w branżach innowacyjnych ale bez porównania mniejsze jest też ryzyko inwestycyjne.

Konkurencją do pracy maszyn CNC i robotów jest praca ludzka. W Polsce praca ludzka jest bardzo tania a maszyny CNC i roboty są bardzo drogie. Ale są zastosowania maszyn CNC i serwomechanizmów do prac których człowiek nie może wykonać. Procesy produkcyjne w mikroelektronice są próżniowe. Na koniec produkcji automatyczne maszyny montują choćby w ogromnej ilości tranzystory i układy scalone w obudowach oraz małe elementy SMD i elementy przewlekane na płytach drukowanych. Serwomechanizmy zmieniają położenie prętów regulacyjnych w reaktorze elektrowni jądrowej. I tak dalej. Kariera serwomechanizmów rozpoczęła się jednak (1944) od zastosowań militarnych. Ale i tam dały one USA duże korzyści.

Japonia jest jedynym krajem świata gdzie roboty są stosowane rutynowo. Roboty pracują w I Świecie głównie w przemyśle motoryzacyjnym a Japonia jest największym eksporterem samochodów w świecie. Japońskie koncerny elektroniczne są liderem w produkcji elektroniki. Roboty służą tu głównie do operacji pakowania a maszyny CNC składają płyty drukowane ale wykonują też inne czynności

Obraz całości Japońskiego systemu jest zatem spójny i logiczny. Potężne gospodarki Japonii i Niemiec niezbędne są USA w Zimnej Wojnie. Niemniej jednak wojna gospodarcza prowadzona przez Japonię z Zachodem budzi niezadowolenie USA a Japonia jest w gruncie rzeczy dalej okupowana i USA muszą z nią coś zrobić. W istocie maszyny CNC i roboty to zaplecze frontu wojny gospodarczej prowadzonej przez Japonię ze światem.

Prawdopodobnie energie elektryczną zaczęto powoli stosować od 1875 roku.

Interpolacja dostarcza informacji o wartości funkcji w przedziale o znanych w punktach wartościach a ekstrapolacja poza tym przedziałem. Lepsza od interpolacji i extrapolacji jest aproxymacja.

Wymieniony rok 1875 otrzymujemy z ekstrapolacji wstecz.

Poza okresami kryzysów cały czas rośnie światowa generacja Energii Elektrycznej. Produkcja energii per capita (pc) jest dobrze skorelowana z Dochodem Narodowym (DN) pc. Tylko Japonii i Niemcom (zachodnim ) trochę udało się osłabić tą korelacje. Mimo iż rozwój i wzrost gospodarczy dotyczy tylko części ludzkości to w odpowiedniej skali wykresy populacji Ziemi i DN pc prawie się pokrywają. Można zatem powiedzieć że globalny Dochód rośnie z kwadratem populacji co musi jednak budzić niepokój.

Początkowo sprawność elektrowni cieplnych była bardzo niska ale szybko rosła. Poprawiła się też jakość materiałów i możliwość jego obróbki.

Technologie ultranadkrytyczną do elektrowni cieplnych uruchomiono w 1957 roku w USA. W tamtym czasie tylko USA miały opanowaną technologię stopów żaroodpornych używanych do konstrukcji turbin silników lotniczych. Przy spadku cen węgla w USA odstąpiono od technologi ultranadkrytycznej dlatego że niedopracowana była zawodna a przy tym istotnie droższa. Technologie tą dopracowano w Europie Zachodniej i Japonii gdzie paliwa są importowane i dużo droższe. Realnie w Polsce wydobycie węgla kamiennego jest bardzo drogie i technologia ultranadkrytyczna o sprawności 45% w miejsce obecnych 30% pozwoliłaby zmniejszyć wydobycie węgla. Podstawowym składnikiem stopów żaroodpornych jest drogi nikiel. Polska może go kupić tylko za dolary na rynku światowym lub w ZSRR ale też za dolary. Opanowanie tej technologii leży w zasięgu polskich firm.

Ratunkiem dla polskiej gospodarki będą jednak elektrownie jądrowe.

Energia elektryczna powoli wyparła w fabrykach scentralizowany napęd wałem od maszyny parowej. Nowe maszyny z mocniejszym indywidualnym silnikiem elektrycznym ( niż pobór mocy z wału ) były o niebo wydajniejsze. W maszynach do obróbki skrawaniem zastosowano wydajne narzędzia z węglików spiekanych. Wypieranie maszyny parowej w różnych krajach było nierówne. Szybsze było w USA, Niemczech a w ZSRR nie było wypierania ale nowe maszyny i linie produkcyjne z indywidualnymi napędami elektrycznymi wstawiono w nowych fabrykach. Nie przypadkiem to trzej główni aktorzy II Wojny. Wydajne maszyny pozwoliły na masową produkcje samochodów.

Włodzimierz Lenin doceniając cywilizacyjną rolę EE stwierdził że „komunizm to władza Rad plus elektryfikacja”

W przedwojennych USA potężne koncerny Westinghouse i General Electric wdrożyły do zmechanizowanej produkcji serie standardowych silników elektrycznych. Przestały być one wyrobem produkowanym indywidualnie do każdej nowej maszyny. Znacznie uprościło i przyśpieszyło to budowę maszyn. Maszyny też staniały.

Pomijając wady różnych systemów społeczno – gospodarczych zauważmy że w USA, Niemczech, Japonii.. znakomicie rozpoznano mechanizmy wzrostu wydajności i produkcji.

W czasie II Wojny broń w USA, Niemczech i w ZSRR produkowano w gigantycznych seriach przy czym w Niemczech nie opanowano istoty produkcji masowej. Polska przedwojenna produkcja militarna to zaledwie 0.17% całej produkcji wojennej w czasie II Wojny Światowej.

To w rzeczywistości był wyścig konstruktorów i fabryk ! Wojna była już stechnicyzowana. Bez czołgów, samolotów i okrętów nie można było skutecznie walczyć z wrogiem.

Koncerny Westinghouse i General Electric już w latach pięćdziesiątych zastosowały lampowe komputery IBM do prób optymalizacji maszyn elektrycznych poczynając od transformatorów energetycznych. Optymalizacja ta jest niebywale trudna i trwa do dzisiaj. To przykład zastosowania komputerów dający duże korzyści gospodarce i społeczeństwu.

W ZSRR komputerową optymalizacje maszyn elektrycznych zastosowano po USA ale wcześniej niż w Europie Zachodniej.

Dla odmiany stosowanie komputerów w księgowości polskich firm raczej szkodzi gospodarce.

W Polsce silniki indukcyjne konsumują około 70% wytwarzanej EE. Większość silników jest produkowanych w fabrykach kupionych w ubiegłej dekadzie za „dolary” na licencji. Fabryki i wyroby się już zestrzały i konieczna jest modernizacji fabryk i produktów.

W maszynach elektrycznych bardzo silny jest efekt skali !

Silnik indukcyjny dużej mocy dla lokomotywy waży obecnie tylko około 37% tego co silnik komutatorowy lokomotywy wyprodukowany tą samą technologią – fabryką. Dopiero niedawno udało się zautomatyzować produkcje komutatora. Zatem silnik komutatorowy jest drogi na tle silnika indukcyjnego. Mimo poczynienia ogromnych postępów komutator i szczotki nadal się zużywają !

Choć serwonapędy hydrauliczne mają swoje zalety to w maszynach NC zostały wyparte przez napęd tyrystorowy DC z silnikami komutatorowymi. W trakcie hamowania napędu tyrystorowego przy zakłóceniu napięcia sieciowego może wystąpić niebezpieczny przewrót falownika który bez specjalnych środków ochrony tożsamy jest w skutkach ze zwarciem.

Pierwszego w świecie robota przemysłowego z napędem elektrycznym wprowadziła szwedzka ASEA w 1974 roku. Zastosowano silniki komutatorowe sterowane z tranzystorowych mostków H z 4 kluczami mocy. Pierwszego w świecie robota przemysłowego z napędem elektrycznym prądu zmiennego wprowadziła szwedzka ASEA w 1981 roku. Silniki zasilane są z trójfazowego mostka z modulacją PWM z 6 tranzystorami Darlingtona - kluczami.

Alternatywą dla robotów jest praca robotników a w małej Szwecji praca jest bardzo droga. Stąd motywacja do wysiłku modernizacyjnego.

Światowym liderem ilości i jakości w dziedzinie sterowań do CNC i robotów jest obecnie japoński Fanuc. Inverter tyrystorowy (przewrót !) został zastąpiony mostkiem H wysokonapięciowych Darlingtonów sterujących silnik komutatorowy a następnie wprowadzono napędy z silnikami prądu zmiennego.

Robot składa się z komputerowego sterowania, serwonapędów z inverterami i silnikami oraz ramion. Koszty mikroelektroniki komputera maleją według prawa Moorea. Klucze mocy też są coraz lepsze. Zatem silniki też muszą być coraz lepsze.

Robot przemysłowy jest skomplikowany ale jego zastosowanie w procesie produkcyjnym też nie jest łatwe. Japonia jest jedynym krajem świata gdzie roboty przemysłowe są już stosowane rutynowo. Zadanie musi być bardzo trudne bo mimo poważnych prób w wielu krajach w zasadzie niczego nie osiągnięto. Tak daleko odskoczyła krajom I Świata Japonia.

Silniki indukcyjne jako napęd roboczy (Na przykład w maszynie CNC - Spindle czyli wrzeciono ) nie mają konkurencji. Niestety w zastosowaniu serwomechanizmowym mają dyskwalifikujące je wady. W każdym silniku – generatorze moment mechaniczny jest iloczynem wektora pola stojana i wektora namagnesowania rotora. Aby silnik indukcyjny był dyspozycyjny rotor musi być namagnesowany cały czas. Prąd magnesowania to główny składnik prądu jałowego silnika indukcyjnego. Prąd jałowy małego silnika indukcyjnego sięga 45% prądu nominalnego i relatywnie maleje z mocą nominalną. Zatem silnik indukcyjny w zastosowaniu serwomechanizmowym cały czas zasilany prądem, nawet nieobciążony momentem mechanicznych, musiałby mieć cały czas wymuszone chłodzenie z osobnym silnikiem wentylatora co podniesie wagę zespołu. Zasilający silnik inverter musi być mocniejszy niż zasilający silnik synchroniczny lub pochodny BLDC. A invertery są bardzo drogie.

W silniku synchronicznym mogą być stosowane magnesy stałe lub zasilany prądem wzbudzenia elektromagnetyczny rotor. Ciągły prąd wzbudzenia rotora to ta sama wada co prąd jałowy (magnesujący) silnika asynchronicznego.

Zatem w serwomechanizmowym silniku synchronicznym (lub BLDC) krytyczne dla jego parametrów są użyte magnesy.

Słabe magnesy z twardej stali wyparły coraz lepsze magnesy Alnico. Mają on sporą indukcje ale niewielką energie czyli są łatwe do rozmagnesowania. Magnesy ferrytowe mają mniejszą indukcje ale są dość odporne na rozmagnesowanie.

Waga i moment bezwładności silnika to główny składnik bezwładności całego serwomechanizmu i ramion robota i maszyny CNC. Zatem jednostkowa masa silnika jest krytyczna ! To też jest powód dynamicznego forsowania napędu.

Energia BHmax magnesu ferrytowego typowo wynosi 27 KJ /m3. Magnesu samarowo – kobaltowego 165 a „neodynowego” Nd-F-B ponad 240.

Z teorii podobieństwa („Transformatory”, E.Jezierski, WNT 1983 ) maszyn elektrycznych wynika ze przy tej samej geometrii, indukcji, gęstości prądu w miedzi i wypełnieniu miedzią moc maszyny rośnie z potęga 3/4 jej masy. Prawidłowość ta dział w szerokim zakresie mocy maszyn. Zatem efekt skali jest bardzo silny. Dla transformatora optymalna geometria rdzenia zależy od wypełnienia okna miedzią czyli ilością izolacji. Gdy izolacji jest więcej większy mu być rdzeń o tym samym przekroju. Przykładowo transformator o mocy 240 MVA na napięcie 420 KV w stosunku do transformatora na napięcie 250 KV ma prawie takie same straty obciążeniowe ale straty jałowe większe o 43 % a większy rdzeń waży o 29% więcej i pracuje z odrobinę większą indukcją. Więcej waży tez miedź i transformator jest droższy.

W ogólności już dla transformatorów zadań optymalizacji geometrii nie udaje się rozwiązać (mnożniki Lagrange) analitycznie. Sprawa z silnikami i generatorami jest znacznie trudniejsza. Po dziś dzień maszyny tej samej mocy produkcji USA mają większą średnicę niż produkowane w Europie Zachodniej i są krótsze. Masa maszyn jest podobna.

W skomplikowanej analizie dynamiki robota użyteczne są równania Eulera – Lagrange'a. W robocie napęd numer 1 porusza pośrednio przenoszony przedmiot robota, ramiona i pozostałe napędy. Kolejne napędy poruszają coraz mniej mas i momentów bezwładności. Zatem masa silników i ich momenty bezwładności mają ogromne znaczenie. Masa ramion ma też znaczenie. Z prawa podobieństwa (patrz założenia wyżej ) wynika że waga silnika rośnie z potęga 3/4 jego mocy i rzecz wygląda optymistycznie. Ale niestety względny moment bezwładności rośnie (!) z mocą silnika. Jest tak dlatego że rośnie średnica rotora a energia kinetyczna zgromadzona w rotorze circa rośnie z kwadratem prędkości obwodowej.

Na wykresie pokazano to dla rodzin starych radzieckich silników prądu stałego 1 i 2 oraz nowszych rodzin 3 i 4. Silniki 1 i 3 mają obroty znamionowe 1500 a silniki 2 i 4 1000 obrotów na minutę. Silniki o wyższych obrotach mają oczywiście (przy tych samych rozmiarach) większe moce nominalne ale też trochę większą bezwładność. Moc znamionowa jest w KW a energia rotora przy znamionowych obrotach w KJ. Silnik 1 o mocy znamionowej 200 KW miał aż 350 KJ energii kinetycznej co odpowiada energii mocy znamionowej przez 1.75 sekundy !

Różnice w masach i bezładnościach starej i nowej generacji silników są bardzo duże.

Zatem gdy silniki będą względnie (do mocy ) ciężkie o dużej bezwładności to coraz bardziej ich wysiłek będzie skierowany na poruszanie samych silników i ramion a nie przenoszonego użytecznego ładunku !

Z uwagi na dynamikę robota udzielenie prostej precyzyjnej odpowiedzi na pytanie co powoduje wzrost masy silnika jest niemożliwe. Niech będzie silnik o mocy 1 i masie 1...4 (geometria silników jest stała) który ma przemieścić sensowny ładunek roboczy. Niech masa ramion będzie proporcjonalna do sumy masy silnika i ładunku. Na wykresie pokazano unormowany czas wykonania zadania dla ilorazu bezwładności silnika do ładunku L=1 gdy masa silnika wynosi 1. Gdyby bezwładność rotora rosła tak jak masa silnika to dla masy 2 czas powinien wynosić 1.5 ale wynosi już ca 1.64. Gdy masa silnika wynosi 4 to czas akcji wzrósł aż do 3.45 !

Wzrost masy silnika skutkuje wolniejszą pracą i zwiększonym zużyciem energii.

Napędy elektryczne w robotach stały się użyteczne dopiero w 1974 roku i szybko wyparły napędy hydrauliczne. O zastosowanych silnikach szczegółowo wiadomo niewiele poza tym że mają małą masę, małą bezwładność i dobre magnesy.

Silne magnesy bardzo potrzebne są w wielu nowoczesnych, „drogich” zastosowaniach.

Neodym to jeden z 17 pierwiastków Ziem Rzadkich. Poza dwoma pierwiastkami nazwa jest myląca bowiem występują one dość powszechnie w skorupie Ziemi. Pierwszym odkrytym minerałem ziem rzadkich (1787) był czarny gadolinit, składający się z ceru, itru, żelaza, krzemu i innych elementów. Minerał ten wydobywano z kopalni we wsi Ytterby w Szwecji. Cztery z pierwiastków ziem rzadkich noszą nazwy wywodzące się z nazwy tej wsi. W 1878 zakończyła się badawcza - laboratoryjna izolacja chemiczna pierwiastków tej grupy. Różne ciekawe i użyteczne własności metali Ziem Rzadkich znane są od dawna i ciągle odkrywane są nowe.

Są one bardzo ważne w przemyśle lotniczym i kosmicznym, militarnym, nuklearnym, chemii, elektronice, elektrotechnice i optyce.

W bardzo silnych magnesach można użyć prazeodym, neodym, samar, dysproz i holm.

Uran 235 i U238 mają praktycznie te same własności fizyczne i chemiczne. W wytworzonym procesem metalurgicznym Uranie naturalnym, użytecznego U235 jest tylko około 0.8%. Wzbogacanie Uranu jest bardzo trudne i tylko niewielu państwom wolno to robić bowiem posiadanie wzbogaconego U235 i/lub Pu239 otwiera drogę do konstrukcji broni jądrowej.

Pierwiastki Ziem Rzadkich występują razem. Tak samo jak z Uranem ich rozdzielenie (= rafinacja) jest makabrycznie trudne. Podstawowe reakcje są znane od dawna ale nie prowadzą one do przemysłowego sukcesu a ilość odpadów i ścieków do oczyszczenia byłaby ogromna. Znane są tytuły patentów do procesów rafinacji ale ich treść jest utajniona.

Do 1984 roku w produkcji i rafinacji dominowały USA a potem nagle wielką produkcje podjęły biedne Chiny. Dominują w eksporcie metale na magnesy i magnesy. Czasopisma od razu zainteresowały się tą sprawą.

O ile mając dolary, nikiel i inne składniki do stopów żaroodpornych można kupić to nie można kupić militarnego U235 i Pu239. Nie ma na nie rynku a zatem i nie ma i ceny „towaru”. Polska do elektrowni jądrowej kupi w ZSRR paliwo czyli nowe szpilki paliwowe a stare po częściowym zaniku promieniowania w basenie przy reaktorze odda. Metale Ziem Rzadkich to coś pośredniego. Podlegały (!) kontroli eksportu USA (=embargo) czyli do krajów RWPG nie wolno ich sprzedawać ale nawet nie każdy kraj Europy Zachodniej może je kupić od USA. Ale pojawiły się Chiny !

Polska ma dobre stosunki z Chinami. Polacy wjeżdżający do Chin nie muszą kupować drogiej wizy i ma to odpowiednią wymowę. To Chiny skutecznie sprzeciwiły się militarnej radzieckiej interwencji w Polsce w 1956 roku. Chiny uważały za niemoralne sprzedawanie Polsce przez ZSRR ropy już za pożyczone w erze Gierka dolary. A to przecież jedna z przyczyn faktycznego bankructwa Polski. W Polsce studiowało trochę Chińczyków i pełnią teraz różne funkcje w państwie i w gospodarce. Jeszcze więcej studiowało w ZSRR. To nasz Atut do rozegrania.

Szansa na zakup od Chin materiałów do bardzo silnych magnesów albo i magnesów jest bardzo wysoka. Masa magnesów na rotorze maszyny jest niewielka. Gdyby były ograniczenia eksportowe to warto tam zbudować fabrykę produkująca silniki a lepiej „silniki” z ich magnesami.

Światowe grono krajów potrafiących samodzielnie zbudować elektrownie węglową nie jest duże. Chiny mają ogromne zasoby węgla energetycznego. Polska w ramach rozliczenia może zbudować elektrownie węglową.

Ale możliwości współpracy jest więcej i mamy też inne atuty do rozegrania. Po raz drugi: „Tam, gdzie jest wola, jest też i sposób” - Albert Einstein.

Dotychczas wszystkie kryzysy się kończyły. Nie widać co prawda obecnie prostego sposobu zakończenia kryzysu w którym tkwi Polska ale on się jednak kiedyś zakończy.

Ilość produkowanych w świecie silników elektrycznych i ich całkowita moc dalej rosną. Powstają kolejne masowe zastosowania silniczków elektrycznych choćby w samochodach osobowych, szczególnie lepszej klasy.

Różne silniczki (komutatorowe, BLDC, krokowe) stosowane są masowo w magnetowidach, magnetofonach, gramofonach, odtwarzaczach CD, dyskach miękkich i twardych oraz w drukarkach mozaikowych i laserowych. W tej niszy dominuje masowa zautomatyzowana produkcja w Japonii.

Technologia produkcji silników elektrycznych jest w Polsce opanowana i powinna być modernizowana. Do produkcji elektrycznych silników potrzeba „miedzi” ( izolowanego drutu miedzianego ) a Polska jest znacznym jej producentem i niestety eksporterem. Polepszenia jakości blach elektrotechnicznych na stojan też jest możliwe. Polski emigrant T.Sędzimir nazywany jest Edisonem metalurgii. Od jego firmy możemy kupić potrzebną licencje lub wprost maszyny. Nie musimy ich kupować przez kilku pośredników naliczających potężne marzę. „Silnik” serwomechanizmowy jest scalony z hamulcem i z sensorem kąta oraz sensorem temperatury uzwojeń. Czasem ostatnio zintegrowany nawet z przekładnią. Resolwery (=selsyn) to małe maszyny do pomiaru kąta. Również w Polsce są i mogą być produkowane. Mając taki „silnik” serwomechanizmowy wyprodukowanie mechaniki robota jest całkiem proste. Podział zadań i pracy daje i tu duże korzyści. Wpisuje się to w światowy trend oferowania kompletnych towarów i usług.

Silnik synchroniczny / BLDC mocy typowych dla maszyn CNC i robotów z najlepszymi magnesami z ziem rzadkich może być 3-4 razy lżejszy od silnika z magnesami ferrytowymi.

Polska kompromituje się sprzedając surową miedź jak kraj III Świata. RFN wydobywa rudę i produkuje miedź ale drogo sprzedaje ją w wyrobach a surową miedź jeszcze importuje.

Polska kupiła licencje transformatory energetyczne. Trzeba je zmodernizować i eksportować !

Polska na licencji (i maszynach ) od innowacyjnego japońskiego koncernu Pioneer produkuje głośniki. Efektywność i jakość głośników bardzo zależą od energii magnesu ! Mając bardzo silne magnesy ziem rzadkich z niewielką pomocą Pioneera możemy wyprodukować najlepsze głośniki świata !

Różne technologie rozwijają się (krzywa uczenia) w różnym tempie. W maszynach CNC i robotach przemysłowych coraz mniejszy jest udział kosztu elektroniki (jako fizycznego sprzętu ) w cenie ale koszt ich programów (zatrudnienie dla naszych mózgów) rośnie.

Obecnie mikrokomputer „składak” zgodny z IBM PC AT kosztuje 1000 dolarów. Parę lat temu komputer VAX o takich parametrach kosztował 20 tysięcy dolarów. Maszyny te z systemami operacyjnymi nie są Maszynami Czasu Rzeczywistego. Dostępny jest wydruk BIOS (Basic Input Output System) do komputera PC AT. Wystarczy zmienić i dodać kilka funkcji aby PC AT stał się użyteczny do maszyny CNC i robota.

Najtrudniejszymi tematami są Inverter zasilający silniki serwomechanizmów i same „silniki”. W krajach RWPG produkowane są tylko przestarzałe tranzystory wysokonapięciowe do stopnia końcowego odchylania poziomego podczas gdy potrzebne są dedykowane bardzo szybkie tranzystory mocy Darlingtona jako przełączniki. Ale w hybrydowym jednofazowym lub trójfazowym module kluczy może użyć zwykłych tranzystorów HV ale w trochę większej ilości niż Darlingtonów. Konieczne do racjonalnej konstrukcji diody Ultra Fast nie są jednak produkowane w krajach RWPG ale nie jest to szczególnie trudna technologia.

Koszt wytworzenia tranzystora HV o takiej samej wielkości struktury jak zwykłego tranzystora niskonapięciowego mocy jest niewiele większy ale w marnej technologi znacznie mniejszy jest uzysk produkcyjny. Czyli rzecz sprowadza się do lepszego opanowania technologii – czystość, staranność, stan maszyn...

Przestarzały krajowy licencyjny tranzystor BDY25 - Thomson (to circa radziecka linia KT80X z 1969 roku) wykonany jest dyfuzyjną technologią MESA. W rodzinie tranzystorów BDY25-28 (selekcja ) modele 26-28 mają większe napięcie Uceo czyli wytworzenie modelu 28 jest całkiem proste. Tranzystor MESA bez pasywacji musi mieć hermetyczną odbudowę jak TO3.

Automatyczny izolowany montaż obudowy TO3 jest bardzo trudny a montaż ręczny jest pracochłonny. Stąd obudowę TO3 zastąpiła obudowa „plastikowa” TOP3 i kolejne. Dla dalszego uproszczenia i potanienia montażu wyprodukowano w Japonii obudowy całoplastikowe.

Ale w obudowie TO3 są produkowane tranzystory o 2-3 strukturach - chipach o mocy 250-350 W. Dwa sparowane chipy o Ic=16A dają wynikowy tranzystor o Ic=30A ale „sparowane” trzy na 15A tylko 40A.

Wykonanie monolitycznej diody Ultra Fast razem z tranzystorem Darlingtona jest niemożliwe, szczególnie wysokonapięciowego. Szybkie Darlington-y do inverterów zawsze mają strukturę Darlingtona bez diody antyrównoległej i połączony równolegle chip diody Ultra Fast. Toshiba do tranzystorów dużej mocy stosowała obudowę jak TO3 ale powiększoną o circa 35 %. Starą metalową serie tranzystorów KT80X zastąpiła w ZSRR seria w typowej obudowie TO220 gdzie chipy mają dodatkową pasywacje. Choć pasywacja jest znana i prosta to w razie totalnej impotencji Cemi koszty pozyskania tej technologii pasywacji w ZSRR wydaje się znikomy.

Obecnie najlepszym w świecie średnim tranzystorem Darlingtona do Invertera jest Thomson BUV74A o parametrach Uceo=600V/Ic=36A w obudowie TO3 . Jego czas opadania prądu Ic Tf wynosi około 100 ns. Tranzystor Darlingtona tego producenta w drogiej izolowanej obudowie modułowej ISOTOP ma parametry 450 V /40 A czyli jest słabszy jako klucz i dodatkowo jest wolniejszy. Obudowa ISOTOP jest znacznie wygodniejsza do montażu automatycznego ale nie jest hermetyczna.

Ic pojedynczego modułowego Darlingtona ( połączone równolegle 24 chipy tranzystorów ) sięga 300 A, podwójnego gałęzi mostka 150A a mostka trójfazowego 50A. Ilość chipów i sumaryczny prąd są więc takie same.

W modułowych mostkach Darlingtonów dominują koncerny Japonii co jest oczywiste bowiem lideruje ona w dziedzinie CNC a szczególnie robotów. Znów mamy logiczny i spójny obraz.

Napięcie zasilania invertera jest adekwatne do jego mocy. Inverter do względnie mocnego indukcyjnego silnika roboczego - spindle (może to być typowy sieciowy silnik) powinien być zasilany z trójfazowego prostownika sieciowego bez transformatora. Napięcie Uceo Darlingtonów musi być większe od 800 V. Większość tranzystorów do stopnia końcowego H-OUT ma katalogowe Uceo=700 ale duża część z nich ma faktycznie napięcie powyżej 800 V.

Dla napędów mniejszej mocy stosowane jest napięcie zasilania 200-300 Vdc. Stosowany jest przed prostownikiem obniżający trójfazowy transformator. Pełni on też rolę dławika przeciwzakłóceniowego.

Scalone monolityczne drivery silniczków krokowych i BLDC zasilane są napięciem ledwie 12 do 24Vdc.

Po raz trzeci: „Tam, gdzie jest wola, jest też i sposób” - Albert Einstein.

Wnioski:

-Na produkcji wyrobów z użyciem miedzi jest duża marża

-Komputerowa optymalizacja wszelkich maszyn elektrycznych ma głęboki sens

-Podglądanie wiodących w świecie konstrukcji jest światową normą a nie wyjątkiem

-Maszyny elektryczne są i będą. Ryzyko inwestycyjne w tej dziedzinie jest znikome

-Unikalna jest szansa na zakup magnesów z ziem rzadkich

-Super serwo „silnik” magnesami z ziem rzadkich można drogo sprzedać i pożytecznie użyć

-Eksportując węgiel i miedź robimy z siebie III Świat

Sprawdzenie.

1.W pętli sprzężenia zwrotnego regulatorem jest Integrator Ti i inercja obiektu To. Gdy To=0.5 Ti to pętla jest filtrem dolnoprzepustowym II rzędu Butterwortha o dobroci 0.707 i przeregulowaniu odpowiedzi skokowej 4.1%.

-Jaki jest margines fazy i wzmocnienia w tej pętli

Zamiast inercji dano kaskadę N=2,3,4,5,6 identycznych  inercji tak ze suma ich czasów jest taka sama jak pojedynczej inercji

-Jakie są przeregulowania, marginesy fazy i wzmocnienia w tych pętlach. Jakie tworzą one wykresy w funkcji N?

2.W pętli sprzężenia zwrotnego regulatorem jest Integrator Ti a obiekt ma opóźnienie To.

-Jakie jest przeregulowanie odpowiedzi skokowej w funkcji To

-Jaki jest margines fazy i wzmocnienia w tej pętli w funkcji To