Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 138
Sfera materialna generowała kolejne odpowiednie dla niego nadbudowy czyli ustroje społeczno - polityczne. Dla gospodarki myśliwsko - zbierackiej odpowiednia była wspólnota pierwotna. Pojawienie się rolnictwa dało feudalizm. Upowszechnienie maszyn doprowadziło do powstania kapitalizmu i zachodniej demokracji z "wolnymi mediami" i komunikacją.
Dla ery technologii cyfrowych i globalizacji niesprawna rytualna demokracja wyraźnie nie pasuje.
"W demokracji suwerenem jest ten, kto decyduje o własności kanałów telewizyjnych".
Modele ekonometryczne mają nam objaśniać świat. Ale ustalone wartości zmiennych objaśniających w danych okolicznościach niekoniecznie będą takie same w innych okolicznościach.
Średnia szybkość podróży jest dobrze skorelowana w skali świata z PKB pc. Samoloty i szybkie koleje są dobre dla bogatych krajów.
Z portów i linii lotniczych korzystają różni podróżni. Mały jest udział biznesmenów. Turysta który dzięki wygodnemu połączeniu lotniczemu spędzi wakacje za granicą zuboży gospodarkę swojego kraju. Z drugiej strony dzięki samolotom mogą w danym kraju pojawić się turyści z daleka. Jest wiele aktywnych czynników działających różnokierunkowo. Czasem inwestycje w porty lotnicze są korzystne dla kraju a innym razem są szkodliwe. Natomiast sensowne inwestycje w drogi i telekomunikacje prawie zawsze są korzystne dla kraju / regionu.
Współczesna światowa literatura badająca wpływ infrastruktury na wzrost gospodarczy wskazuje, że inwestycje w drogi i telekomunikację średnio raczej poprawiają wzrost regionalny, natomiast inwestycje w lotniska, koleje i porty pogarszają go !
Co niby ma dać Polskiej gospodarce CPK ?
"W noworocznym orędziu do narodu, [brytyjski] premier Neville Chamberlain wspomniał z dumą układ z Hitlerem, podkreślając brak podstaw do pesymizmu na rok 1939."
Tymczasem w Ameryce "Mr. Henry Ford wyraził gotowość założenie się z każdym, że świat nie zazna już wojen"
Sir Samuel Hoare w Izbie Gmin wykrzyknął, że "największym zagrożeniem dla Brytyjskiego Imperium kraju są alarmiści"
Długi okres pokoju w Europie ( połowicznie w świecie ) po II Wojnie to zasługa:
-Broni nuklearnej w rękach ZSRR a potem Rosji
-Okupacji podzielonych Niemiec przez USA oraz ZSRR i wybicie im z głowy pomysłu podważania hegemoni Anglosasów. Okupacja Japonii przez USA i redukcja potencjału kraju po Zimnej Wojnie gdy stała się hegemonowi zbędna.
Elementem globalizacji jest swobodny przepływ kapitału. To nie jest wartość sama w sobie. Może prowadzić do drenażu kolonizowanych kapitałowo krajów.
Konwergencji gospodarek EU miało służyć Euro. Zamiast tego ją na południu UE zahamowało.
Ustanowiony po II Wojnie ład międzynarodowy przede wszystkim służył interesom hegemonicznych USA. WTO - Światowa Organizacja Handlu i globalny system handlu międzynarodowego został zaprojektowany głownie przez Stany Zjednoczone dla promowania ich interesów. Ma on dla USA liczne korzystne wyjątki. Na przykład w kwestii subsydiów dla rolników. Obecne podważenie przez USA reguł WTO będzie miało szerokie skutki w całym świecie.
Jest coraz mniej dziedzin w których Zachód na przewagę nad Chinami.
Boeing i Intel to potężne symbole najwyższego poziomu techniki USA. Intel stracił swoje miejsce w Dow Jones Industrial Average po 25 latach. To kolejny cios dla zmagającego się z trudnościami producenta chipów, który był jedną z pierwszych dwóch firm technologicznych włączonych do indeksu blue-chip.
Boeing jest największym amerykańskim eksporterem dóbr. Wąskokadłubowy pasażerski odrzutowiec B-737 do 2019 roku był najlepiej sprzedającym się samolotem na świecie. Po wypadkach, produkcja samolotu była czasowo wstrzymana. Samoloty miały zakazy startu w latach 2019-20 i w 2024 roku. B-737 ustąpił w wielkości produkcji miejsca Airbusowi A-320. Samolot B-737 wszedł do produkcji w 1967 roku i obecnie produkowana jest jego czwarta generacja. Pierwsza generacja miała wypadkowość 1.8 katastrof na milion startów. Druga generacja 0.8. Trzecia 0.18. Obecna seria MAX, ma już fatalną wypadkowość 1.5 i ona dalej rośnie! Trudny temat bezpieczeństwa i niezawodności jest najważniejszy dla każdego koncernu lotniczego. Boeing cofnął się o pięć dekad.
W Korei 29.12.2024 miała miejsce zagadkowa katastrofa B-737-800 w której zginęło 180 osób. Wygląda na to że kompletnie zawiodły inteligentne, autonomiczne systemy maszyny i słabo wyszkolona była załoga. Samolot lądował bez otwartych klap, wysuniętego podwozia i przeciwciągu. Możliwe że rząd sojuszniczej Korei prowadzi w tej sprawie dezinformacje aby ratować Boeinga. W tym samym czasie w Korei w drugim samolocie B-737-800 też zawiodło podwozie.
Chiny mało jeszcze produkują samolotów pasażerskich ale nie dlatego że nie potrafią. Owszem potrafią ale nie są w stanie pokonać problemów... niezawodności. A z kiepską niezawodnością pchanie się na światowy rynek to jawne samobójstwo. Gdyby tylko Airbus wyświadczył gratis przysługę Chinom produkując jak Boeing niebezpieczne samoloty pasażerskie. Wtedy będziemy latać chińskimi samolotami.
Chiny nie importują siły roboczej. Outsourcingują prostą produkcję i inwestują w automatyzacje. Zatem nie obciążają infrastruktury kosztami wytwórstwa i usług bazującego na prymitywnym wykorzystaniu ludzkiej pracy.
Trwale nierentowna Zielona energetyka napędzana jest dotacjami !
Po niespełna dwóch tygodniach eksploatacji pociągi wodorowe w Niemczech stoją bez użytku bo brakuje wodoru. Pociągi napędzane wodorem od połowy grudnia kursowały po tzw. Heidekrautbahn (RB27) między Berlinem-Karowem, Basdorfem i Groß Schönebeck. Aż dziewięć milionów euro dofinansowania przeznaczono na zakup łącznie siedmiu wagonów napędzanych wodorem. Wodór musi być nadal dostarczany w specjalnych cysternach a pociągi są tankowane w procesie wymagającym dużej ilości personelu i czasu.
W PKB USA udział sektora ochrony zdrowia jest dwukrotnie większy niż przemysłu. Jest to najbardziej nieefektywny i nieudany system ochrony zdrowia w świecie.
W USA narasta opresja instytucjonalna chciwych firm ubezpieczeniowych, które dowolnie uznają że nie zwrócą kosztów "niekoniecznego" leczenia ubezpieczonego. Ubezpieczeni leczeni bankrutują i popadają w nędze.
Dodatkowo USA mają najwyższe w świecie koszty biurokratyczne w samej ochronie zdrowia. Ich wielkość jest szokująca !
Nasz nadzwyczajny rozwój miał miejsce w tych 3 nadzwyczajnych dekadach.
Przypływ globalizacji, tania praca i dobre położenie dały nam rozwój a nie nasze nadzwyczajne umiejętności rozwojowe! Jeśli teraz chcemy gonić najbogatszych to musimy się zdobyć się na znacznie większy wysiłek.
Pogarszającemu się stanowi gospodarki PRL epoki Gierka towarzyszyła coraz bardziej nachalna i namolna "Propaganda sukcesu"
Dezinformująca i ogłupiająca nazwa "Polska gospodarka" to centralny element obecnej kłamliwej fali "Propagandy sukcesu"
"Rozwój" gospodarczy polski ciągnięty jest przez eksport.
Za sukces eksportowy "Polski" odpowiadają jednak głównie międzynarodowe koncerny.
Firmy z polskim kapitałem wypadają bardzo słabo w branżach nowoczesnych. Ich przychody z eksportu w całej branży motoryzacyjnej wynoszą 8% , w urządzeniach elektrycznych 8% oraz elektronice 14 %. Polska jest zagłębiem taniej siły roboczej dla międzynarodowych koncernów.
Firmy z polskim kapitałem dominują tylko w niskorentownym eksporcie niskiej technologii.
Czy skręcaniu komuś pralek albo lodówek, gdy wszystkie zyski są transferowane zagranicę, to napewno wielki sukces ?
Krajom naszego regionu, które polegały na taniej i dostępnej pracy, zagranicznych inwestycjach i eksporcie, będzie teraz trudno.
To przyciągało zagraniczne inwestycje, które z kolei napędzały polski eksport. Ten model wzrostu wyczerpał się.
Łatwo zbiera się nisko wiszące owoce. Jeśli dalej możemy oprzeć konkurencyjność firmy na taniej pracy imigrantów, to nie ma potrzeby głowić się nad innowacyjnością. To prosta droga do finalnego zderzenia ze ścianą.
Na czym będziemy w przyszłości zarabiać? Demografia się pogarsza a emerytów będzie coraz więcej. Polskie „uczelnie” oszustów - tytułowanych starców mają zerową innowacyjność a rodzimy polski przemysł to wydobywanie najdroższego węgla na świecie a o zbrojeniówce szkoda mówić.
Tylko 3,7 % firm w Polsce wykorzystuje na codzień AI. Średnia dla UE to 8%. W Danii i Finlandii 15%. Wyprzedzamy tylko Rumunię i Bułgarię. Tak to my świata na pewno nie podbijemy.
Optymalizacja uważana jest słusznie za pogranicze Sztucznej Inteligencji AI. Sukces z optymalizacją polega na poprawnym sformułowaniu funkcji celu i ograniczeniu ilości zmiennych do realnie najważniejszych aby zadanie stało się wykonalne w rozsądnym czasie pracy komputera.
Ostatecznym celem gospodarczych działań ludzkich jest wytworzenie jak „najlepszych” towarów.
Do optymalizacji potrzebne są realne ceny. Gdy ceny są zaburzone dotacjami, super podatkami i w inny sposób, można próbować je „oczyścić” aby zaprowadzić sens i logikę.
Już Marks i Engels widzieli rolę rozwoju technologii. Słusznie przewidywali powstawanie nowych przemysłów i schyłek starych oraz kreowanie nowych potrzeb i towarów oraz wciąganie świata do łańcucha produkcyjnego.
W systemie rynkowym pieniądz jest miarą wartości towarów i usług. Aby istniała cena na dany towar to musi być dla niego rynek z producentem i nabywcą. Nie mają ceny militarny pluton ani głowice jądrowe bowiem nie ma na nie rynku. Jest niby rynek na rudy Uranu. Cena jest bardzo ważną informacją dla firm. Rynek nie jest doskonały ale znacznie lepszy w swojej funkcjonalności niż urzędnicy wymyślający ceny.
Model ekonometryczny zmiennymi objaśniającymi tłumaczy określone prawidłowości.
Zachodnioniemieckie czasopismo „Funktechnik” publikowało zestawienia cen elektroniki konsumpcyjnej.
Odbiorniki TVC w swoich klasach musiały spełniać normatywne minimum parametrów i funkcjonalności.
W 1976 roku cena TVC zależała ( zmienne objaśniające ) od:
-Powierzchni ekranu
-Obecności zdalnego sterowania przy czym już trochę wyżej wyceniono sterowanie IR niż Ultradźwiękowe które w RFN dość krótko funkcjonowało
-Oceny marki czyli producenta
W 1985 roku cena TVC zależy od:
-Powierzchni ekranu
-Obecności Teletekstu
-Obecności dźwięku stereofonicznego
-Oceny marki czyli producenta czyli de facto opinii – oceny jaką się ogólnie cieszą produkty firmy i miarą tego czego można się spodziewać.
Wszystkie TVC mają już zdalne sterowanie i TVC bez niego jest niesprzedawalny i ta zmienna objaśniająca odpadła. Rynek jest więc racjonalny.
Publikowano zestawienia cen amplitunerów, wzmacniaczy, różnych magnetofonów, radiomagnetofonów, gramofonów i różnych kombinacji jak amplituner z gramofonem.
Widać wyraźnie z zestawień że w sprzęcie Audio cena jest mocno skorelowana z mocą wyjściową. Tylko przez dwa lata niektóre sprzęty miały funkcje Kwadrofonii, która podnosiła ich ceny. Nietrafiona kwadrofonia zniknęła z rynku bo zainteresowanie konsumentów było znikome. Nie wyklucza to jednak tego że może się pojawić lepszy standard dźwięku przestrzennego.
Tak samo w sprzęcie Audio ważna w cenie była marka czyli producent.
Cena ( bardzo mały jest jeszcze rynek ale trend sprzedaży jest rosnący ) robota przemysłowego ( przy danej konstrukcji czyli ilości osi ) zależy od udźwigu i zasięgu czyli mocy serwomechanizmów. Ceny są racjonalne.
Zatem decyzje inżynierów - projektantów i firm są ograniczone i te ograniczenia są jak najbardziej racjonalne.
Rozwój technologii znosi wiele ograniczeń lub przesuwa ich granice.
Napięcie 24V na rezystancji 1 Ohm wydzieli 576 W mocy, napięcie 220V-48.4 KW, 3KV-9 MW, 6.3 KV- 39.7 MW, 27.5 kV-756 MW. Jak widać są to w przybliżeniu moce osiągalne w systemach na to napięcie generowane – konsumowane!
Oczywiście napięcia przesyłu energii elektrycznej są wielokrotnie większe.
Energoelektronika zajmuje się pożytecznym zastosowaniem półprzewodnikowych kluczy mocy. Natomiast coraz lepszych kluczy dostarcza mikroelektronika. Sukcesy mikroelektroniki to suma sukcesów fizyki, chemii, elektroniki, automatyki, mikromechaniki...
Dźwig może mieć napędy hydrauliczne lub elektryczne. O zastosowaniu rodzaju napędu ma decydować kryterium ekonomiczne !
Warunkiem koniecznym ale nie dostatecznym rozwoju gospodarczego jest poprawna alokacja kapitału. Dotyczy to także napędu dźwigu i wszelkich innych regulowanych napędów i serwonapędów.
Nieubłagana fizyka kluczy bipolarnych (dioda, tranzystor bipolarny, Darlington, tyrystor, GTO, IGBT ) powoduję że wraz ze wzrostem nominalnego napięcia klucz jest coraz wolniejszy i rosną w nim straty energii na każde włączenie Eon i wyłączenie Eoff klucza.
Przy stałej powierzchni chipa moc unipolarnego klucza Mosfet rośnie tylko do napięcia Uds 500 V i na tle elementów bipolarnych jest mała. Stąd niewielka przydatność kluczy MOS do większych mocy. Tranzystory unipolarne są bardzo szybkie i ich szybkość przełączania nie spada z napięciem Vds. Częstotliwość modulacji PWM w wysokiej jakości silnym akustycznym wzmacniaczu mocy Sony TA-N88 wynosi aż 500 KHz.
Proporcjonalną do częstotliwości przełączania F moc strat dynamicznych F x (Eon+Eoff) trzeba odprowadzić co obniża możliwą moc strat statycznych czyli przewodzone prądy pracy. Temperatura obniża parametry dynamiczne kluczy.
Napięcie przewodzenia na załączonym kluczu bipolarnym rośnie z napięciem nominalnym ale stosunkowo wolno. Ogólnie względne straty statyczne w kluczach spadają z napięciem nominalnym natomiast straty dynamiczne szybko rosną.
Mikrofalowe diody Schottky o napięciu paru volt mają zerowy czas Trr a szybkość ich działania limitują ich pojemności.
Czas Trr dotowanych złotem Au krzemowych diod na nominalne napięcie 30V wynosił 0.7 ns.
Czas opadania prądu kolektora Tf tranzystorów przełącznikowych o Uceo=30V wynosi 4 ns.
Czas Trr dotowanych złotem Au krzemowych diod mocy Ultrafast na nominalne napięcie do 200V wynosi 25 ns.
Czas Tf tranzystorów - kluczy o Uceo=400V wynosi 300 ns.
Czas Tf tranzystorów - kluczy o Uceo=700V wynosi 700 ns.
Czas wyłączania Tq potężnych tyrystorów wysokonapięciowych (6 KV) do systemów HVDC dochodzi do 700 usec !
Zatem iloraz czasu Trr diodki do Tq tyrystora HV wynosi MILION razy !
Czas Tf unipolarnego tranzystora Mosfet na napięcie 400 V może wynosić 4-10 ns.
Umownie klucze ( diody i wszelkie tranzystory i tyrystory ) o napięciu ponad 200 V są wysokonapięciowe HV. Zachowanie bipolarnych tranzystorów HV dalece odbiega od typów niskonapięciowych W tranzystorze bipolarnym pojawiają się uciążliwe Quasinasycenie i Głębokie dziury. Wzmocnienie prądowe tranzystorów bipolarnych i ich częstotliwość Ft spada odwrotnie do Uceo a nawet szybciej.
Popularny europejski tranzystor BU208A ( 700/1500 V, 5A jest w metalowej obudowie TO3. W obudowie plastikowej TOP BU508A ) do stopnia końcowego odchylania poziomego H-Out ma przy prądzie Ic=100 mA i Uce=10 V częstotliwość graniczną Ft=7 MHz ale przy prądzie kolektora 4.5A spada ona do 700 KHz a przy optymalnym sterowaniu bazy czas opadania Tf wynosi < 0.7 usec ! Przy prądzie kolektora 4.5A wzmocnienia prądowe wynosi 2.5 raza. Tranzystory mocy koncernów japońskich mają lepsze parametry ale fizyka półprzewodników jest nieubłagana.
Tranzystor BU208 wypuszczono w 1971 roku i małe postępy Europy wynikają z zalewania rynku światowego lepszymi japońskimi odbiornikami TVC. Generalnie mikroelektronika Europy Zachodniej jest słaba przy USA a szczególnie przy Japonii.
Z uwagi na malejące z rosnącym napięciem Uceo wzmocnienie prądowe modułowe tranzystory Darlingtona na napięcie Uceo powyżej 800 V (inverter jest zasilany z trójfazowego prostownika sieciowego z napięcia 440 V) są trzystopniowe.
Na indukcyjnościach połączeń invertera przy szybkim wyłączaniu prądów przez klucze powstają przepięcia. Nie powinny być one większe od 5-10% napięcia zasilania co powoduje że napięcie zasilania musi rosnąć z mocą invertera. Wydaje się że dla inwerterów bez transformatora sieciowego zasilanych z sieci trójfazowej 380-440 V graniczna jest moc 50-100 KW.
Invertery współpracują z maszynami elektrycznymi czyli „silnikami” (hamując są generatorami) i transformatorami.
Szczęśliwie fizyka (prawa podobieństwa ) stanowi że przy danej F jednostka mocy silnika, transformatora i dławika waży coraz mniej ze wzrostem ich mocy.
Z danym materiałem rdzenia moc transformatora /dławika (samodzielnego a nie indukcyjność rozproszenia transformatora ) rośnie tylko do pewnej częstotliwości:
Blacha 0.35 mm 400 Hz
Blacha 0.17 mm 700 Hz
Cieńka blaszka Permalloy 5 KHz
Ferryt 50 KHz
W szerokim zakresie częstotliwości większą gęstość magazynowanej energii od ferrytów mają rdzenie proszkowe i ze szkieł metalicznych czyli materiałów amorficznych. Rdzenie proszkowe i ferryty są na zachodzie (USA, Japonia, Europa Zachodnia) masowym produktem standardowych a szkła metaliczne są jeszcze nowością. Toroidalne rdzenie proszkowe szczególnie dobrze nadają się na wyjściowe dławiki w konverterze Forward.
Jeszcze silniejszy efekt skali co do masy mocy jednostkowej jest w dławikach bezrdzeniowych czyli powietrznych. Dławiki te używane są do zmniejszenia prądów zwarć w sieciach energetycznych i jako dławiki komutacyjne w inverterach tyrystorowych dużej mocy.
Sygnał sinusoidalny z modulacją PWM rozkłada się w podwójny szereg Fouriera intermodulacji. Pierwszy raz rozkładu takiego dokonał H.Black z Bell Laboratories. Gdy częstotliwość sygnału modulującego Fpwm jest całą wielokrotnością częstotliwości sinusoidalnego sygnału modulowanego podwójny szereg Fouriera przechodzi w szereg pojedynczy z harmonicznymi.
Najmniejsze zniekształcenia sinusoidalnego prądu obciążenia i najszersze pasmo przenoszenia zapewnia Naturalna dwustronna modulacja PWM. W momencie przełączania komparatora porównującego sygnał modulowany z sygnałem piłokształtnym ( nośna ) następuje przetwarzanie A/D.
Im więcej jest przetworzeń A/D w okresie PWM tym mniejsze są generowane intermodulacje. Oczywiście symetryczny sygnał piłokształtny zapewnia dwa razy więcej przetworzeń niż asymetryczna piła gdzie na szybko rosnącym / opadającym zboczu nie ma przetworzenia A/D mimo przełączenia komparatora ale w tym samym momencie niezależnie od wartości sygnału modulowanego !
W jednofazowym układzie mostkowych H optymalnie tranzystory półmostków sterowane są z dwóch komparatorów przełączających w 4 różnych momentach. Zatem na okres są 4 przetworzenia A/D. W różnicowym sygnale wyjściowym mostka nie ma części intermodulacji które są na pojedynczych wyjściach półmostków. W układzie trójfazowym eliminowanych jest jeszcze więcej intermodulacji.
W systemie trójfazowym dodanie do napiec faz 15% trzeciej harmonicznej nie powoduje pojawienia się jej w napięciach liniowych. Umożliwi to korzystną Nadmodulacje.
Szkodliwe pulsacje PWM prądu można zmniejszyć stosując wielopoziomowy inverter ale ma on dużo kluczy czyli jest drogi.
Na wykresie pokazano unormowany dla stałej całkowitej (statyczne plus dynamiczne ) mocy strat w kluczu prąd roboczy w funkcji częstotliwości PWM. Przy lepszym chłodzeniu prąd będzie większy ale celowo dla jasności pokazano tylko jedną sytuacje z mocą strat czyli też radiator i temperaturę chipa. Oczywiście prąd z racji strat dynamicznych na Eon i Eoff spada wraz z częstotliwością PWM. Pokazano też konieczne odciążenie silnika przy zbyt małej Fpwm. Wykres ten zaczyna się od częstotliwości 0.1 gdy napięcia fazowe są prostokątne bez modulacji przy prędkości znamionowej silnika. Ich iloczyn ( o konstrukcji minimalizowanej funkcji celu jest dalej ) proporcjonalny do mocy mechanicznej nie ma ekstremum a to dlatego ze straty w silniku spadają mniej niż rosną w kluczach !
W napędach serwomechanizmowych częstotliwość modulacji PWM (obecnie często 4 KHz) jest dość duża i intermodulacje w pasmie użytkowym są bardzo małe.
Przy relatywnie małej Fpwm (zaledwie 250-300 Hz) w napędach dużej mocy intermodulacje o małej częstotliwości w napięciu ( mała dla małych częstotliwości impedancja silnika ) są bardzo szkodliwe. Dlatego zmienna częstotliwość modulacji Fpwm jest n ( n jest zmieniane z F ) razy F co zapobiega pojawieniu się składowych wolnozmiennych napięcia Jednoczesna zmiana n i Fpwm wraz z F przy zapobieżeniu nadmiernemu spadowi Fpwm jest realizowana przykładowo w układzie scalonym HEF4752.
W inverterach role dławika filtrującego pulsacje z modulacji PWM spełnia najczęściej indukcyjność rozproszenia transformatora lub silnika asynchronicznego lub synchronicznego.
Niezależny dławik jest tu rozwiązaniem nieekonomicznym.
W zasilaczu impulsowym Flyback energia w cyklu pracy jest gromadzona ( później oddawana ) głównie w szczelinie rdzenia transformatora / dławika bowiem przenikalność magnetyczna rdzenia jest wysoka.
W zasilaczu impulsowym Forward energia w cyklu pracy jest gromadzona ( później oddawana do obciążenia ) głównie w wyjściowym dławiku. Rdzeń dławika może mieć szczelinę dyskretną lub rozproszoną w materiale rdzenia proszkowego o malej przenikalności. Ponad 90-98% energii gromadzone jest w szczelinie.
-W konwerterze rezonansowym energia może cyrkulować w znacznej indukcyjności rozproszenia transformatora lub w dławiku
W SMPS Flyback indukcyjność rozproszenia transformatora jest wysoce niepożądana i minimalizowana sekcjonowaniem uzwojeń.
W SMPS Forward dopiero za duża indukcyjność rozproszenia transformatora jest niepożądana. Zwykła konstrukcja transformatora o umiarkowanej Ls najczęściej spełnia wymogi.
W konverterach rezonansowych zachodzi potrzeba zwiększenia indukcyjności rozproszenia ponad typowe wartości uzyskiwane w standardowych rozwiązaniach transformatora. Duża indukcyjność rozproszenia może wymagać zmniejszenia indukcji roboczej Lm rdzenia.
Indukcyjność rozproszenia transformatora energetycznego (prawie tożsama w efekcie z napięciem zwarcia Uz ) ogranicza prądy zwarcia do poziomu elektromechanicznie bezpiecznego dla transformatora, bezpiecznego dla przewodów sieci i w ogóle możliwego do awaryjnego rozłączenia przez CB.
Generalnie Uz rośnie z nominalną mocą transformatora. Dla małych jednostek rozpoczyna się od 4% być skończyć na 20% w największych jednostkach dla największych bloków elektrowni.
Niestety niekorzystnie powiększa ona obciążeniowe zmiany napięcia w sieci.
Strumień rozproszenia powiększa też straty mocy w transformatorze szczególnie w najbardziej zewnętrznych częściach uzwojeń. Aby te straty ograniczyć:
-Stosuje się do uzwajania wieloprzewód, który jest jednak trochę droższy. W przypadku gdy udział harmonicznych prądu jest znaczny przekroje elementarnych „drutów” muszą być dalej zmniejszone
-Stosuje się ekrany elektromagnetyczne dla stalowej obudowy
Im większa jest częstotliwość modulacji PWM w inverterze tym:
-Szersze jest pasmo przenoszenia serwomechanizmu co jest pożądane
-Mniejsze są pulsacje prądu silnika i związane z tym tylko do pewnej Fpwm straty mocy w żelazie rdzenia. Konieczność odciążenia silnika przy małej Fpwm skutkuje obciążeniem dynamicznym wagą silnika o pełnej mocy.
-Mniejsze są pulsacje prądu filtrowane przez indukcyjność rozproszenia transformatora pracującego z inverterem z sinusoidalną modulacją PWM.
-Spada maksymalne wypełnienie modulacji PWM czyli maksymalne napięcie wyjściowe a w jego kwadracie maksymalny moment napędowy i moc
-Trochę silniej niż liniowo (efekt temperatury ) z PWM rosną straty dynamiczne energii w kluczach co podwyższa ich temperaturę pracy co właśnie bardziej zwiększa straty dynamiczne i zmniejsza dopuszczalny prąd obciążenia klucza.
Zatem optymalna częstotliwość modulacji PWM zależy głównie od szybkości przełączania kluczy ale względne ceny kluczy i maszyny też mają znaczenie. Generalnie im większa jest moc zasilanej przez inverter maszyny tym mniejsza jest optymalna częstotliwość modulacji PWM.
Biorąc jako kryterium minimalizacje sumę mocy strat w tyrystorowym inverterze PWM i silniku asynchronicznym „50Hz” średniej mocy, minimum strat uzyskuje się przy częstotliwości modulacji PWM zaledwie około 500 Hz, dlatego że tak mocno dynamicznie stratny jest tyrystorowy inverter. Przy tak niskiej Fpwm maszyna musi być trochę odciążona w stosunku do nominalnego zasilania napięciem sinusoidalnym.
- Tiristornyje prieobrazowatieli czastoty w elektropriwodie. Red. P.C. Sarbatowa. Energia. Moskwa 1980
Źródła zachodnie szacowały optymalną częstotliwość modulacji PWM invertera VSI z szybkimi tyrystorami do (!) średniej mocy do około 1 KHz ! Zatem wyniki są spójne z radzieckimi.
Tak małe częstotliwości nie pozwalają na dynamiczną prace serwomechanizmową.
W jedynej znanej lokomotywie z silniami asynchronicznymi tyrystorowy inverter pracują z Fpwm około 250 Hz.
Kryterium minimalizacji sumy mocy strat w tyrystorowym inverterze PWM i silniku nie jest właściwe ale pozwala na łatwe wyliczenia. Właściwe jest kryterium ekonomiczne czyli jak najszybsze rentowanie się systemu z napędem lub serwonapędem. Różne wyliczenie pokazują że optymalna Fpwm z takiego kryterium niewiele odbiega od wynikającej z kryterium uproszczonego.
Moc układów energoelektronicznych wynosi od 100 W do 1 GW.
W przypadku zasilaczy impulsowych SMPS zasilane są one z sieci energetycznej nN (Europa napięcie fazowe 220 V a Anglia 240 V. USA obecnie 117V. Japonia różne systemy ) i nie ma żadnej swobody wyboru napięcia Vb. Dla większych mocy stosowane jest zasilanie trójfazowe. Gdy napięcie Uceo tranzystorów było początkowo za małe do SMPS stosowano obniżający napięcie zasilania SMPS tyrystorowy preregulator.
Moc klucza (Iloczyn szczytowego Prądu x maksymalnego Napięcia na kluczu ) stopnia końcowego odchylania poziomego jest największa w przypadku kolorowych odbiorników wielkoekranowych. Zespół odchylający DY dla największych kineskopów kolorowych wymaga szczytowego napięcia „powrotu” do 1200 Vp (napięcie zasilania do 145 Vdc) a dla mniejszych około 1000V (typowe zasilanie 115Vdc). Zespoły DY skonstruowano zatem dla zastosowania tranzystorów mocy – kluczy o Ucbo=1500 V. Przy częstotliwości odchylania poziomego15625 Hz z tym napięciem Ucbo otrzymuje się minimalną sumę strat mocy statycznej i dynamicznej w tranzystorze bipolarnym. Wybór napięć nie jest przypadkiem ! Dla małych kineskopów monochromatycznych a więc do przenośnych odbiorników TV i monitorów komputerowych moc klucza jest niewielka i napięcie to wynosi ponad 220 Vp. Jest ono wygodne dla pierwotnego napięcia zasilania 12V, które jest prosto podnoszone ( jak w układzie lampowym ) w samym stopniu końcowym do około 26V.
Wcześniejsze „napięcie powrotu” DY w TVC około 600 V było dopasowane do możliwości tyrystorów. Niemożliwe było bowiem stworzenie tyrystorów na wyższe napięcia przy wymaganych bardzo krótkich czasach wyłączenia Tq.
Wzrost DN per capita jest w świecie skorelowany z produkcją Energii Elektrycznej pc. Tylko najnowocześniejsze gospodarki RFN i Japonii złamały tą prawidłowość ale nie wiadomo czy już na stałe.
Początkowo elektryczność zasilała tylko oświetlenie. Sprawność żarówek spada z ich napięciem. Fazowe napięcie sieciowe 100 V w USA było kompromisem między możliwością dystrybucji energii a sprawnością żarówek. W USA napięcie to podnoszono kolejno do 110, 115, 117 i 120 V.
Zwraca uwagę odmienność konstrukcji systemu dystrybucji energii między USA a Europą i ZSRR.
Związek Radziecki jest przypadkiem ciekawym bowiem w ramach wielkich stalinowskich zakupów technologii kupiono ogromny zakład produkcji wyposażenia elektrowni a sieć budowano pod nadzorem amerykańskich koncernów.
Niskie koszty generacji energii elektrycznej są obecnie pochodną efektu Skali w energetyce. Wydajność odkrywkowego wydobycia węgla kamiennego lub brunatnego jest ogromna i jest on dla pobliskiej elektrowni bardzo tani. Drogie a nawet bardzo drogie kopalnie głębinowe węgla (koszt samego wydobycia nawet 30 x krotnie większy niż odkrywkowego ) są w świecie zamykane jako niekonkurencyjne czyli nierentowe.
Tani jest transport morski węgla kamiennego. Tylko czasem węgiel kamienny wieziony jest koleją 400 km a nawet więcej kilometrów do elektrowni. Przesył energii elektrycznej czasem jest połowicznym substytutem do transportu węgla.
Elektrownia cieplna chłodzona przez rzekę i jezioro lub morze jest o około 1% sprawniejsza niż korzystająca z chłodni kominowych które też potrzebują wody do odparowania. Wytworzoną energie trzeba liniami przesyłowymi dostarczyć do obszarów jest jest ona zużywana.
Wybór miejsca na hydroelektrownie jest bardzo niewielki i decydują o tym warunki naturalne.
W świecie koszty przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej dla domów bywają takie same a nawet wyższe jak koszty samej energii !
Toteż konstrukcja systemu przesyłowego i dystrybucyjnego okazuje się być rzeczą ważną. Bardzo ważny jest wybór napięć NN, WN, SN i nN.
Im wyższe jest przesyłowe NN tym mniejsze są straty na przewodzeniu w linii ale trzeba minimalizować pojawiające się straty na wyładowanie niezupełne. Przewód musi być odpowiednio gruby a dalej stosuje się wieloprzewód z 2,3,4,6 przewodów co zmniejsza natężenie pola elektrycznego i straty. Im wyższe jest NN typ wyższe są słupy linii i zajęty pas terenu.
W Polsce do przesyłu energii stosowane są napięcia NN (400 KV i 220 KV ) a do dystrybucji napięcia WN (110 KV), SN (typowo 15 KV a w Europie Zachodniej często 20 KV ) i nN ( typowo 380-400 V).
Im większy jest obszar systemu i zróżnicowana powierzchniowa Gęstość odbioru mocy i wielość odbiorców (jak w USA i ZSRR ) tym korzystniejsze jest zastosowanie wyższych NN i większej ilości napięć w przesyle i dystrybucji. Kraje Europy Zachodniej i Centralnej nie są duże i nie ma takiej potrzeby. Przy stałej dla całego systemu ilości materiału przewodzącego we wszystkich liniach Optymalna dla minimalizacji strat długość linii jest w przybliżeniu proporcjonalna do ich napięcia. W Polsce linia przesyłowa 400KV powinna mieć efektywną długość do 300 km a więc linia 400V do 300 m.
Z prawa podobieństwa wynika że przy tej samej indukcji B w rdzeniu i gęstości prądu J w uzwojeniu waga jednostki mocy w maszynie ( tu w transformatorze ) o mocy milion razy większej waży 31.62 raza mniej ! Efekt skali jest więc bardzo silny !
Przy danej mocy Waga transformatora na napięcia WN i NN rośnie z ich górnym napięciem dlatego że trzeba zastosować więcej izolacji (waga izolacji ) co wymaga powiększenia okien rdzenia ( waga rdzenia) co daje znaczny sumaryczny przyrost jego masy i strat mocy w nim. Iloraz przyrostu masy maleje jednak z mocą transformatora co przemawia za stosowaniem dużych napięć NN przy wielkich mocach.
Koszt kapitału [ realne oprocentowanie kredytu ] decyduje o optymalnej [ to alokacja kapitału ] dla wzrostu gospodarczego stratności systemu przesyłu i dystrybucji. Gdy kapitał jest drogi [ kraje na dorobku ] lepsze są większe straty ale znacznie tańszy system przesyłu i dystrybucji w budowie. Ważących czynników jest dużo a wśród nich koszt paliwa. Gdy rozwijający się kraj się wzbogaci to ewolucyjnie zmniejszy straty w przesyle. Część linii NN 220 KV zamieni na 400 KV i zastosuje w miejsce 30 letnich nowe niskostratne transformatory.
W Polskich realiach potrzeba trochę nowych linii 400 KV i zamiany części istniejących linii 220 KV na 400 KV. Bez problemu odrobinę można podnieść WN 110 KV. Generalnie ( ale nie wszędzie ) lepsze zamiast SN 15 KV byłoby zachodnie napięcie 20 KV. Stopniowe zmiany są na tym polu bezproblemowe. Energia dla nowo budowanego osiedla dotrze już linią SN 20 KV.
Niskie napięcie też jest za małe ale z tym jest problem. Jednak w USA dekadami domowe nN podniesione tam ze 100 na 110, 115, 117 i 120 V. System dystrybucyjny nN w USA jest totalnie odmienny niż w Europie o czym trzeba pamiętać !
Do komputerowej optymalizacji systemu przesyłu i dystrybucji potrzebne są liczne informacje w postaci baz danych. Zadania optymalizacji systemu nie można więc podjąć ad hoc !
Dla zmniejszenia strat od prądów wirowych w transformatorach energetycznych uzwojenie na duży prąd (o dużym przekroju ) wykonane jest wieloprzewodem. Prady wirowe nagrzewają głównie najbardziej zewnętrzne części uzwojeń. Szczególnie dotyczy to harmonicznych czyli prądów zniekształconych od energoelektroniki.
Energoelektroniczne systemy przesyłowe HVDC operują tylko na poziomie systemu NN. Ich stosowanie jest racjonalne ekonomicznie przy długości linii przesyłowej ponad 500-1000 Km lub gdy trzeba połączyć asynchronicznie pracujące systemy energetyczne lub energie trzeba przesłać kablem po dnie morza.
Kondensatory kompensujące moc bierną (faktycznie szeregowe dwójniki LC dla zapobieżeniu wzmocnieniu harmonicznych) można niemal dowolnie często tyrystorami załączać na poziomie SN.
Potężne dławiki kompensujące nadmiar mocy biernej generowanej przez słabo obciążone w nocy linie przesyłowe NN włączane są na poziomie NN i załączane tylko rano raz dziennie. Nadmiar mocy biernej mogą też generować linie kablowe SN. Załączaniu dławików towarzyszy bardzo duży prąd rozruchowy. Załączenie dławika tyrystorami z odpowiednim kątem fazowym może praktycznie wyeliminować proces przejściowy.
Czas operacji CB zależy od kilku czynników i na razie załączenie CB z odpowiednim kątem fazowym jest niemożliwe.
Z powodu ograniczenia stratami dynamicznymi kluczy Fpwm i stratami maszyn elektrycznych (dla nich Fpwm jest za mała ) dla dużych mocy jedynym rozwiązaniem jest inverter trzypoziomowy lub nawet wielopoziomowy.
Zatem optymalnie :
-Driver Silniczka krokowego pozycjonującego głowicę miękkiego dysku zasilany jest napięciem 5 lub 12 V i 12V w twardym dysku i w drukarkach. Drivery Silniczków BLDC napędzających talerze dysków, CD i w magnetowidzie zasilane są napięciem 12V
-Małej mocy serwonapędy (maszyna do obsadzania elementów na PCB, systemy analizatorów laboratoryjnych... ) mogą być zasilane napięciem 24-48-72-96 V. Z doskonałymi od tego celu tranzystorami Mosfet częstotliwość modulacji PWM jest dowolna. Może je zasilać sieciowy zasilacz impulsowy SMPS.
-Tranzystorowe Invertery PWM dla zasilania serwomechanizmów maszyny CNC (3 napędy) i robota (często > 6 napędów ) powinny używać szybkich tranzystorów z Uceo=400-450 V z diodami Ultrafast bez snubberów di/dt i dV/dt. Czyli napięcie zasilania ma wynosić 280/315Vdc. Zasilane są poprzez obniżający napięcie transformator trójfazowy. Ogranicza on prąd zwarcia a jego indukcyjność rozproszenia Ls pełni role filtra przeciwzakłóceniowego EMC lub filtra pulsacji PWM. Dla dobrej dynamiki tych napędów Fpwm ma wynosić ponad 4 KHz. System mocy może być quasi izolowany do GND-PE co łatwo pozwala znaleźć uszkodzenia izolacji kabli i silników.
-Tranzystorowy Inverter PWM dla regulowanego napędu roboczego maszyny CNC może być zasilany napięciem 520 Vdc za trójfazowym mostkiem prostowniczym z pojemnością z siecią trójfazową 380 V. Bez diod UltraFast konieczne jest stosowanie snubberów di/dt.
-Tyrystorowy kolejowy chopper do silników DC zasilany napięciem 3 KVdc pracuje z F do 300 Hz.
-Tyrystorowy kolejowy inverter do silnika asynchronicznego pracuje ze zmienną Fpwm 250-300 Hz
-Tyrystorowy inverter CSI (oczywiście bez modulacji ) zasilający regulowany potężny silnik asynchroniczny lub synchroniczny pompy wody zasilającej w bloku elektrowni pracuje z F<50 Hz i napięciem na jakie dostępny jest silnik. Na przykład 6.3 KVac.
-Potężne tyrystorowe invertery ( we współpracującej parze jeden pracuje jako prostownik a drugi jako falownik lub odwrotnie ) pracują z częstotliwością sieciową w systemie przesyłowym HVDC
Sprawdzenie
Niezawodność systemów jest ważna.
Jakość sensorów i stres jakim poddane są w czasie ich życia decydują o ich trwałości.
W systemach redudantnych można stosować głosowanie „2/3” eliminując uszkodzony sensor jako źródło informacji.
Dane z wielu sensorów muszą być spójne.
Po uszkodzeniu sensora można czasem użyć obserwatora i odtwarzać nie-mierzoną wartość.
Pomiar może odtworzyć operator i podać systemowi symulowaną wartość zamiast mierzonej przez uszkodzony sensor.
System z namiastką AI może wyszukać w plikach historii podobną sytuacje.
Przy uszkodzeniu sensora w układzie regulacji kaskadowej system może przejść na prostszą konfiguracje pracy.
W najgorszym razie operator steruje aktuatorem zdalnie lub za pomocą aparatowego z telefonem.
W automatyce przemysłowej najczęściej stosowane są sensory temperatury a szczególnie RTD PT100 (rzadziej o innej rezystancji ) i termopary.
Tam gdzie po awarii sensora jego wymiana jest niemożliwa ( na przykład kocioł energetyczny ) stosuje się zapasowe sensory lub chociaż zapasowe pochwy i inne adaptery do procesu.
RTD mogą pracować w układzie dwuprzewodowym, trójprzewodowym i czteroprzewodowym. Z uwagi na wnoszone przez rezystancje przewodów błędy układ dwuprzewodowy praktycznie nie jest stosowany chyba że przewód jest bardzo krótki. W ekranowanym kablu „telekomunikacyjnym” używanym do łączenia sensorów są 4 przewody i układ trójprzewodowy jest mniej atrakcyjny niż może się wydawać.
Zawodzą sensory i ich przewody. W „Fault Tolerant” opisano systemy do RTD zdolne przy awarii przewodu połączeniowego przejść do awaryjnej konfiguracji 3 przewodowej ( z 4 ) lub do 2 przewodowej (z 3). Program wcześniej musi zebrać dane do tych awaryjnych konfiguracji.
Specjalny system może mierzyć oporność między GND (metal maszyn połączony do PE sieci lub Body statku czy samolotu ) a izolowanym „GND” systemu. W tym celu między GND a „GND” utrzymuje się niewielkie napięcie „pomiarowe” ale zapobiega się awaryjnemu podskokowi napięcia niebezpiecznemu dla ludzi i innej elektroniki. Od razu mamy wyprzedzającą informacje o przetarciu izolacji przewodu i przywarciu ale system w trybie awaryjnym dalej działa. Szczegóły omówiono w „Fault tolerant”
Gdy sensory są zasilane jak w pętli prądowej 4/20 mA zwarcie w obwodzie zasilania „24V” (lub innym) rozłączy miniaturowy bezpiecznik ale wymaga wymiany czyli naprawy. Lepsze jest źródło prądowe lub PTC nie wymagające naprawy.
System pętli prądowej 4/20 mA ma od razu wbudowane własności diagnostyczne. Gdy prąd pętli jest znacznie mniejszy od 4 mA lub znacznie większy od 20 mA oznacza to sytuacje niesprawności
Sensor PT100 pracuje z prądami od 200 uA w laboratorium do 2-3 mA w przemyśle. Większe prądy pracy obniżają podatność na zakłócenia i dają samooczyszczanie złącz ale powodują samopodgrzewanie się sensora.
Stałe czasowe sensorów są rzadko podawane. Za „Sensory. Interfejsy i zastosowania ”
Używając do podgrzanie sensora w przemysłowej PT100 prądu 30-50mA finalnie nastąpi przyrost jej temperatury o 5-10C. W czasie grzania mierzona jest jednocześnie temperatura RTD.
Do nagrzania Termopary potrzebny jest prąd rzędu 500 mAac. Zależnie od biegunowości prądu w termoparze występuje zjawisko Peltiera (czyli chłodzenie ) lub Grzanie. Stąd konieczne jest użycie prądu zmiennego. O ile w przypadku RTD nagrzewa się sam sensor to w przypadku termopary gro ciepła wydzielają jej przewody połączeniowe. Po fazie Grzania mierzona jest odpowiedź studzonej termopary lub RTD.
Oczywiście pomiar zakłócony jest zewnętrznymi zmianami temperatury i najlepiej jest dla wiarygodności eksperyment wielokrotnie powtórzyć.
Termopara najczęściej uszkadza się czyniąc przerwę w obwodzie. Stosując jej polaryzacje dużym rezystorem z napięcia zasilania (normalnie nie wprowadza on zauważalnego błędu ) po przerwie w termoparze zasymulowana będzie (zależnie od znaku napięcia) wysoka / niska temperatura adekwatnie do niebezpieczeństwa jakie ona stwarza dla obiektu.
Miniaturowy sensor Temperatury można przykleić na mostku tensometrycznym ( Strain Gauge ). Współczynnik temperaturowy oporności materiału mostka tensometrycznego jest bardzo mały i stąd po podaniu mostkowi dużego nagrzewającego go napięcia / prądu, temperaturę mierzy naklejony sensor temperatury. Gdy mostek jest prawidłowo, dobrze umocowany na obiekcie przyrost temperatury jest mały i powolny. Gdy mostek się odkleił przyrost temperatury jest szybszy i dużo większy.
Przy grzaniu mostka tensometrycznego możliwy jest prawie normalny pomiar ale system musi adekwatnie zmniejszyć współczynnik skali identycznie jak z PT100. Z reguły jednak w zastosowaniach mostków tensometrycznych są przerwy w pracy i możliwy jest wtedy test.
Na wejściu wzmacniacza operacyjnego JFet lub CMOS przyjmującego sygnał z sondy pH z reguły jest kondensatorek foliowy filtru dolnoprzepustowego. Faktycznie filtru adaptacyjnego bo jego stała czasowa jest proporcjonalna do oporności wewnętrznej sensora. Kondensator można zewrzeć na moment kluczem MOS i obserwując narastanie – restauracje napięcia ocenić oporność wewnętrzną sondy pH.
W momencie zwarcia można zarejestrować napięcie Offsetu upewniając się że tor pomiarowy jest całkowicie sprawny.
Testy sensorów stosuje się tam gdzie szkody spowodowane wadliwym działaniem sensora mogą być znaczne jak na przykład w energetyce jądrowej.
Dla sensorów przepływu i ciśnienia typowe są znaczne szumy procesu obecne w sygnale wyjściowym sensora. Sensory tego rodzaju czasem mają przełącznik stałej czasowej wbudowanego filtru dolnoprzepustowego. W systemie monitoringu sensora jego sygnał można poddać (programowej) górnoprzepustowej filtracji otrzymując prawie same zakłócenia . Zmniejszenie lub zwiększenie się odfiltrowanych zakłóceń może mieć źródło w procesie lub w samym sensorze.
-Daj jak najwięcej przykładów prostego testowania sensorów.
