Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 74
Mikroelektronika ogromnie uprościła konstrukcje wielu urządzeń. Na fotografii jest analogowy, mechaniczny komputer INK (1967) pokazujący radzieckim kosmonautom położenie w przestrzeni kosmicznej ich statku Sojuz. Mnóstwo przekładni ( technologia zegarków ), krzywek, solenoidów, silniczków......
Systemy dla wojskowych samolotów myśliwskich i wielozadaniowych były jeszcze bardziej skomplikowane. Dwuwymiarowa funkcje ( urządzenie Bendix od 1956 roku ) realizowana była uformowaną powierzchnią bowiem krzywka to funkcja jednowymiarowa. Powierzchnie blachy korygowano kilkudziesięcioma śrubami.
Tak może wyglądać europejska szybka kolej przyszłości. Jest gwiazda z Paryżem i Berlinem ale nie ma gwiazdy CPK w Baranowie. Koszt realizacji 410 do 855 mld euro w perspektywie 30 lat. Korzyści dodatnie czyli system ma być rentowny.
Seria potężnych eksplozji, która zniszczyła podwodne rurociągi Nord Stream 1 i 2 we wrześniu ubiegłego roku była efektem tajnej operacji zleconej przez Biały Dom i przeprowadzonej przez CIA - twierdzi doświadczony dziennikarz śledczy Seymour Hersh.
Według zdobywcy nagrody Pulitzera amerykańscy nurkowie głębinowi, wykorzystując ćwiczenia wojskowe NATO jako przykrywkę, podłożyli miny wzdłuż rurociągów, które później zdetonowano zdalnie. Amerykański dziennikarz w przeszłości miał na swoim koncie wiele znakomitych sukcesów. Jako pierwszy ujawnił prawdę o ohydnej masakrze w My Lai w Wietnamie i poinformował o metodach śledczych stosowanych wobec osadzonych w więzieniu Abu Ghurajb. Był nagradzany Pulitzerem. Wzięty Autor szeregu książek.
USA zawsze wpierw zaprzeczały jego doniesieniom.
Elektronika sygnałowa i Automatyka posługują się sygnałami czyli Informacją. Zaprzeczeniem informacji i komunikacji jest szum i dezinformacja.
Między demokracją a demokracją socjalistyczną jest taka różnica jak między krzesłem a krzesłem elektrycznym. Jaka jest różnica między Uniwersytetem Warszawskim a WUML ? Taka jak między Alma Mater a Kurwa Mać.
Pozytywny Liberalizm od zbrodniczego Neoliberalizmu różni się wszystkim mimo dezinformującego podobieństwa nazwy.
Liberalizm gospodarczy ma w Polsce dużą społeczną popularność. Według badań CBOS za podniesieniem podatków w obecnej sytuacji gospodarczej jest 2% badanych, przeciw 91%. Za ograniczeniem wydatków państwa jest 75% a przeciw 13%.
Nic nie jest wieczne. Żywotność elektroniki obniża nadmierna temperatura ale zabójcza jest też wilgotność. Lekko ciepłe urządzenia potrafią niezawodnie pracować całymi dekadami. Długo przechowywane nowe urządzenia zdumiewająco często okazują się mocno niesprawne.
15 lat ma część kupionych w Korei Południowej ( klimat subtropikalny ) przez Polskę haubic. Nikt nie sprawdził jaki jest stan uszczelnień i gum. Nikt nie sprawdził jaki jest stan elektroniki...
Informatyzacja a dalej automatyzacja mają polepszyć funkcjonalność państwa.
"Afera respiratorowa. Co się stało z pieniędzmi wydanymi na respiratory? Premier i rzecznik resortu zdrowia odpowiadają." Przepadły !
Ale mając dostęp do serwerów po minucie stwierdzamy:
-Kto w CBA podpisał się pod pozytywną opinią dla szemranego handlarza bronią i kto z bezpieczniaków brał udział w "opiniowaniu"
-Na czyje polecenie wykreślono Izdebskiego z listy osób poszukiwanych.
Mając już tych winnych występujemy o ich areszt i przesłuchujemy, sprawdzamy bilingi, Emaile, dokonujemy przeszukań i aresztujemy kolejnych aż odzyskamy te 200 milionów.
Czyli coś tu nie gra i nawet wiadomo co. Złodziejstwo rządu ! Poseł Jacek Kurzępa, pisał w mailach do ministra Dworczyka, że nie ma z czego żyć. Uwaga - dostał na „badania” raz 3 mln złotych i drugi raz 4,5 mln złotych.
Archiwum. Harmoniczne i moc bierna
Harmoniczne i koperta sin x / x
Zniekształcenia prądu sieciowego czyli głównie harmoniczne prądu sieciowego są narastającym problemem cywilizacyjnym obciążeń nieliniowych.
Opóźnienie cywilizacyjne kraju daje „rentę zapóźnienia”, którą można wykorzystać selektywnie naśladując i modyfikując do swoich warunków tylko dobre dokonania liderów cywilizacji.
Każdy sygnał możemy analizować w dziedzinie czasu lub po matematycznym stransformowaniu Laplace'a / Fouriera w dziedzinie częstotliwości. Wybór dziedziny decyduje o tym czy analiza ma sens i prowadzi nas do celu a nie prowadzi nas na manowce !
W komunikacji radiowej ( ale też w telefonii nośnej ) sygnały są przesyłane w kanałach ( FDM ) z podziałem częstotliwości o określonej częstotliwości i szerokości. Stąd analiza widma sygnału dla kanału i jego filtracja są ważne.
Filtry nadawczy i odbiorczy winny jak najmniej liniowo zniekształcać sygnał ( szczególnie przy łączności cyfrowej ) w kanale systemu FDM i tłumic sygnały spoza kanału.
Interferencje międzysymbolowe i międzykanałowe powiększają stopę błędów.
Widma sygnałów z modulacją analogową i cyfrową są ogólnie znane.
W automatyce – regulacji system także możemy analizować i projektować w dziedzinie czasu (równania stanu ) i częstotliwości ( transformata Laplace'a ).
Teoria aproksymacji jest działem matematyki a dokładniej częścią analizy funkcjonalnej. Słowo approximation pochodzi od łacińskiego approximatus. Proximus znaczy bardzo blisko a przedrostek ap- znaczy do. Słowo aproksymacja i pochodne od niego są coraz częściej używane w nauce i technice.
Każdą funkcje okresową można rozwinąć w aproksymujący ją szereg trygonometryczny Fouriera. Funkcje sin nt i cos mt są ortogonalne i obliczenie całek - współczynników rozkładu jest proste. Szybkość zbieżności tej aproksymacji jest jednak bardzo różna i zależy od aproksymowanej funkcji – sygnału.
Duże zainteresowanie budzą rodziny funkcji „falki” (wavelets). Ich ważona suma może aproxymować z dowolną dokładnością dowolną funkcji ciągłą całkowalną z kwadratem. Transformata Laplace'a / Fouriera może być uważana za szczególny przypadek transformaty falkowej.
Dyskretna transformata falkowa wymaga mniej operacji niż FFT !
Kolejne nieparzyste harmoniczne ( dla czytelności pokazano tylko 1, 1+3, 1+3+5 ) w aproksymacji symetrycznego sygnału prostokątnego o współczynnikach rozkładu 1/k:
-Zmniejszają amplitudę aproksymacji prostokąta
-Zwiększają stromość zboczy aproksymacji prostokąta.
-Aproksymacja szeregiem tego sygnału jest niezbieżna co nie dziwi bowiem zbocza narastają nieskończenie szybko!
-Zwiększają amplitudę aproksymacji piły
-Wyrównują stromość zboczy aproksymacji piły.
-Aproksymacja szeregiem tego sygnału jest zbieżna !
Pulsacje mocy na wyjściu symetrycznego diodowego ( bez L i C ) prostownika trójfazowego m=6 są harmonicznymi prądu zmiennego na jego wejściu !
Przy niewielkim obciążeniu trójfazowego mostka prostowniczego z kondensatorem filtru płyną dwa impulsy prądy symetrycznie wokół szczytu napięcia fazowego. Impuls prądu jednofazowego prostownika pojemnościowego jest na szczycie ( faktycznie trochę wcześniej ) napięcia fazowego. Piąta a czasem i 7 harmoniczne obu tych prądów są z odmiennymi znakami i się odejmują ! Dwa impulsy prądu mostka trójfazowego i impuls mostka jednofazowego scalają się w jeden dłuższy impuls !
Kształt prądu pobieranego z sieci przez transformator trójfazowy dla mostka prostowniczego o m=6 z obciążeniem indukcyjnym jest różny dla transformatorów bez przesunięcia fazy ( Dd lub Yy ) i z przesunięciem fazy ( Dy lub Yd ). Różne są znaki współczynników rozwinięcia Fouriera ale ich wartość bezwzględna jest taka sama. THD jest takie samo !
Zatem znaki współczynników rozkładu Fouriera mają znaczenie w dziedzinie czasu ale w dziedzinie częstotliwości mogą nie mieć znaczenia.
Studenci części kierunków na drugim roku studiów wyliczają rozkłady szeregu Fouriera dla różnych funkcji. Podręczniki elektrotechniki teoretycznej zawierają tabele rozkładu różnych prostych „sygnałów”. Na przykład „Zbiór zadań z elektrotechniki teoretycznej”, K.Mikołajuk, Z.Trzaska, PWN, 1976. Literatura przynosi też różne rozwinięcia i ich przybliżenia do różnych zastosowań.
Sygnał sinusoidalny z modulacją PWM można rozwinąć w podwójny (!) szereg Fouriera czego dokonał Harold Black z Bell Laboratories. Mamy tu nieskończoność produktów intermodulacji ( kombinacje obu częstotliwości: modulującej wolnej sinusoidy i szybkiego sygnału piłokształtnego „nośnej” ) zamiast harmonicznych. Współczynniki rozkładu są z funkcjami Bessela. Istnieją różne systemy modulacji PWM i rozkład Blacka precyzyjnie pokazuje nam zalety każdej metody.
W realnym świecie, poza wyjątkami, nie ma sygnałów dokładnie okresowych !
Dolnoprzepustowo, antyaliasingowo odfiltrowany sygnał można bezstratnie ( czyli bez utraty informacji ) poddać dyskretyzacji czyli próbkowaniu i dalej przetworzyć w ADC ( już odrobinkę stratnie ) próbki na postać cyfrową.
Od momentu „odkrycia” wydajnej obliczeniowo szybkiej dyskretnej transformaty Fouriera FFT ( Fast Fourier Transform ) w 1967 roku stała się ona podstawowym algorytmem w programach komputerowych. Ale algorytmu FFT używał już książę matematyków Gauss i również niemiecki matematyk Runge (1903 rok). W historii wiele rzeczy było wielokrotnie powtórnie i kolejny raz odkrywanych.
N.B. Wojny zdecydowanie nie służą Niemcom i Polakom. Przed wojną III Rzesza miała najlepszych w świecie fizyków i jednych z najlepszych konstruktorów. Polscy matematycy byli elitą matematyków !
Pierwsze wydajne komercyjne procesory sygnałowe DSP wypuścili w 1982 roku NEC i zachodnioniemiecki koncern ITT. Na swoje potrzeby procesory DSP potężny Bell produkuje od 1979 roku. Jednostkowa wydajność procesorów DSP cały czas tanieje i jest ich coraz więcej. Pod strzechy technologia DSP trafiła staraniami duetu koncernów Sony – Philips i wymienionego już ITT.
W realnym świecie nie ma sygnałów dokładnie okresowych ! Możemy uzyskać zmienny w czasie rozkład quasi Fouriera ( na przykład sygnału mowy ) stosując okno trójkątne i połowiczne zachodzenie próbek w kolejnych ich seriach do FFT.
Kolejne harmoniczne symetrycznego sygnału prostokątnego maleją jak 1/N a więc bardzo wolno ( szereg jest niezbieżny ) co wynika że tego że zbocza narastają / opadają w zerowym czasie co zresztą jest fizycznie nierealizowalne.
Patrząc na tabele z rozwinięciami dostrzeżemy że gdy zbocza każdego (!) sygnału mają ograniczoną stromość to dodatkowo współczynniki harmonicznych ( funkcji ze skokowymi zboczami) są pomnożone przez funkcje sin(x)/x i w związku z tym harmoniczne bardzo szybko maleją od pewnej częstotliwości będącej odwrotnością czasów narastania zboczy.
Na wykresie pokazano aproksymacje 1,3 i 5 harmoniczną sygnału prostokątnego o łagodnych zboczach czyli trapezowego. Szereg dla niego jest szybko zbieżny i już przy użyciu 7 wyrazów aproksymacja jest na ekranie komputera gładka to znaczy bez widocznych pulsacji.
Czas ( normalnego ) bramkowego załączania tyrystorów mocy wynosi powyżej 1 usec co sprawia że generowane przez nie zakłócenia szybko słabną na końcu fal średnich i na początku fal krótkich.
W trójfazowym prostowniku diodowym napięcie zwarcia transformatora czyli jego indukcyjność rozproszenia decyduje o szybkości przejmowania prądu od diody dotychczas przewodzącej przez rozpoczynającą przewodzenie. Wyższe harmoniczne prądu zasilania są zatem mocno obniżone przez kopertę sin x / x. Indukcyjność rozproszenia jest filtrem dla harmonicznych ale zarazem spada napięcie stałe na wyjściu prostownika i indukcyjność rozproszenia zamienia się prostym wzorem w oporność wyjściową prostownika.
Znane są analitycznie m.in. harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki z idealnym i nie idealnym obciążeniem indukcyjnym. Ale dla prostownika pojemnościowego znane są tylko przybkiżenia ale bardzo dobre.
Zilustrujmy dualizm Czas – Częstotliwość.
Im większa jest ilość pulsów prostownika z obciążeniem indukcyjnym tym średnie wyjściowe napięcie stałe zbliża się do szczytowego napięcia sinusoidalnego (=1) a zarazem silnie wzrasta minimalne napięcie chwilowe. Zarazem harmonicznych prądu zasilającego AC jest coraz mniej i są coraz mniejsze.
Dla kolejnych m podano tą parę napięć.
-Dla ilości pulsów m=2 prostownik jest dwudiodowy z podwójnym uzwojeniem transformatora lub mostkiem diodowym: 0.637 / 0
-Trójfazowy trzydiodowy prostownik m=3 ( głównie historyczne już prostowniki rtęciowe ) wnosi duże harmoniczne i dodatkowo pobiera prąd stały i w związku z tym zasilający go transformator jest mocno przewymiarowany: 0.826 / 0.5
-Sześcio-diodowy mostek trójfazowy ma m=6: 0.955 / 0.866. Harmoniczne parzyste i 3n triplens są w prądzie zasilania nieobecne. Amplituda harmonicznych jest odwrotnie proporcjonalna do ich rzędu ( szereg jest niezbieżny !) ale są utemperowane (szereg zbieżny ) indukcyjnością rozproszenia.
-Dwa szeregowo połączone mostki trójfazowe zasilane napięciami przesuniętymi o 30 deg z uzwojenia gwiazdowego i trójkątnego transformatora trójuzwojeniowego mają m=12: 0.988 / 0.96. Ale można też zastosować dwa osobne transformatory dwuuzwojeniowe Dd i Dy lub Yd i Yy. W tym wypadku jednak uzwojenia pierwotne są w pełni obciążone harmonicznymi.
Rozwiązanie to jest doskonałe do znacznych napiec wyjściowych gdy w jednym mostku trzeba by łączyć diody szeregowo ze środkami wyrównawczymi.
Poprzez dławik wyrównawczy dwa mostki trójfazowe zasilane przesuniętymi w fazie napięciami trójfazowymi mogą być połączone równolegle. Niestety nawet małe różnice w napięciach spowodowane na przykład kwantyzacją ilości zwoi uzwojeń d i y transformatora lub różnica w ich indukcyjności rozproszenia dają nierówny podział prądu na mostki i szkodliwe nasycanie rdzenia dławika. Rozwiązanie to jest dobre tylko i wyłącznie dla mniejszych napięć DC. Pozwala też zmniejszyć przekrój przewodów użytych na uzwojenia wtórne transformatora. Wymaga jednak bardzo starannego projektu transformatora i praktycznej weryfikacji uzyskanego efektu.
Wyrównawczy dławik (bez szczeliny w rdzeniu) ma typowo rdzeń taki jak transformator mocy około 20% mocy transformatora prostownika i jest więc drogi.
-Trzy szeregowo połączone mostki trójfazowe zasilane napięciami przesuniętymi o 20 deg z trzech uzwojeń transformatora mają m=18: 0.99/0.986
Prostownik z obciążeniem indukcyjnym ma stały prąd wyjściowy i stałą moc wyjściową za dławikiem (!) ale pobiera moc z sieci z pulsacjami. Magazynem energii jest filtrujący wyjściowy dławik. Pulsacje energii przez indukcyjność rozproszenia transformatora praktycznie temperują tylko wyższe harmoniczne. Gdy chwilowe napięcie z prostownika jest mniejsze niż średnie wyjściowe dławik DC oddaje energie i odwrotnie.
Zatem im większa ilość pulsów m prostownika tym:
-Mniejsze tętnienia pobieranej z sieci mocy czynnej i mniejsze harmoniczne oraz większy współczynnik mocy
-Mniejsze tętnienia napięcia wyjściowego za samym prostownikiem
Transformator trójfazowy mocy o dwóch uzwojeniach wtórnych d i y dla m=12 jest tylko trochę bardziej skomplikowany od dwu - uzwojeniowego. Z odpowiednio pomysłową aranżacją trzy uzwojenia wtórne dla m=18 z przesunięciem fazy od 20 deg też nie są żadnym cudem.
Idee kasowania się harmonicznych jak w prostownikach o dużym m można łatwo wprowadzić w sieci energetycznej ! Niech transformator energetyczny ma dwa uzwojenia wtórne y i d a nieliniowe odbiory dla obu niech będę identyczne. Duża część harmoniczne skasują się tak jak w prostowniku o m=12 !
Ponieważ dla sieci z przewodem neutralnym N nie można zastosować uzwojenia trójkąta d damy tam uzwojenie Zygzakowe z.
Niech dwa zwykłe transformatory energetyczny mają uzwojenia wtórne y i d a nieliniowe odbiory niech będę identyczne. Harmoniczne skasują się w prądzie zasilania obu transformatorów tak jak w prostowniku o m=12 !
Ponieważ dla sieci z przewodem neutralnym N nie można zastosować uzwojenia trójkąta d damy tam uzwojenie Zygzakowe z.
W Polsce transformatory dystrybucyjne SN-nN mają uzwojenia Dy a małe jednostki Yz. Konfiguracja Yz pozwala zmniejszyć ilość zwoi w uzwojeniu SN 1.73... raza co upraszcza i potania wykonania izolacji „małego” transformatora ale uzwojenie wtórne „z ” ma 15.7% więcej zwoi. W sumie jednak rozwiązanie jest ekonomiczne.
Transformatory Dy i Yz zależnie od połączeń uzwojeń wnoszą „godzinowe”przesunięcie fazy 1,5,7,11 godzin. Zatem konfiguracje transformatorów Dy i Yz niestety nie dają kasowania się harmonicznych !
Długość przewodu (Prawa Podobieństwa ) uzwojenia wtórnego ( to samo napięcie ) spada z mocą transformatora i przyrost długości między uzwojeniem y i z także spada.
Zatem (P) jeśli w rozbudowywanej sieci SN dodamy transformator Dz to zajdzie zjawisko kasowania się harmonicznych przy czym jednostkowe zwiększenie kosztu tego transformatora maleje z jego mocą ! Zatem gdy na przykład ma być zasilone z sieci SN nowo budowane osiedle mieszkaniowe o gęstej zabudowie to zastosujemy tam jeden lub kilka dużych transformatorów SN-nN z uzwojeniami Dz.
Szkody wywoływane prądami harmonicznych w sieci energetycznej rosną z ich kwadratem i rzędem. Zatem nawet częściowe ich zmniejszenia drastycznie zmniejsza powodowane szkody !
Możliwe jest też wprowadzanie trzech grup transformatorów SN-nN o przesunięciu fazy +-20 deg jako analogia do prostownika o m=18. Ale wydaje się to zbędne. Jednak dla przesunięcia fazy 20 deg uzwojenie quasi „z” ma tylko 11% więcej miedzi niż uzwojenie y.
Zmniejszenie harmonicznych w sieci SN umożliwia stosowanie w GPZ załączanego na SN kondensatora mocy biernej bez drogiego dławika antyrezonansowego.
Z kolei transformator i dławik antyrezonansowy w szereg z kondensatorem dla kompensacji mocy biernej na poziomie nN nie będą obciążone harmonicznymi przychodzącymi z napięcia SN.
Dla ograniczenia prądu zwarcia transformatora do poziomu akceptowalnego przez wyłączniki CB można zastosować podwójne uzwojenie wtórne dla dwóch grup odbiorców lub dławiki. Zaletą transformatora trójuzwojeniowego jest relatywnie małe zakłócenia napięcia w jednej grupie przy zwarciu w drugiej grupie czyli z punktu widzenia niezawodności zasilania rozwiązanie jest korzystne. Można dać uzwojenia wtórne z przesunięciem fazy o 30 deg i kasować harmoniczne.
Z przesunięciami transformatorami fazy napięć w sieciach jest jednak mały problem. Sieci przesyłowe NN zawsze pracują w konfiguracjach zamkniętych. Dystrybucyjne sieci WN pracują w konfiguracjach zamkniętych i otwartych. Otwarcie sieci bowiem czasem zmniejsza straty mocy w linii. System linii SN może ( ale nie zawsze tak jest ) być zasilony z dwóch GPZ. System linii nN może być zasilony z dwóch stacji transformatorowych SN/nN ale nie jest to częste. Zatem gdy system linii jest zasilony z dwóch źródeł nie może być między nimi przesunięcia fazy !
Zatem wprowadzanie transformatorów przesuwających napięcie najlepiej jest uwzględnić w procesie planowania. Jak powiedziano przyrost kosztu jednostki mocy transformatora ( Prawa Podobieństwa ) maleje z jego mocą i rozsądne jest stosowanie małej ilości przesuwających fazę transformatorów o jak największych mocach aby ten koszt był znikomy
Wielki „drapacz chmur” w którym pracuje wiele tysięcy ludzi ma rozbudowany zautomatyzowany i skomputeryzowany (drogi) system wind. Do napędu szybkobieżnych wind w wysokościowcach stosuje się tyrystorowe serwonapędy ( konieczne jest płynne przyspieszanie i hamowanie z precyzyjnym zatrzymaniem ) prądu stałego DC znacznej mocy. Generują one duże harmoniczne i pobierają dużą moc bierna - jest to bardzo zły dla systemu odbiornik. Ekstremalnie zły. Energia do takiego budynku doprowadzona jest kablem SN i ma on na piętrach kilka transformatorów SN-nN. Gdy zastosujemy przesunięcie fazowe napięć między transformatorami do napędów harmoniczne przestaną być bardzo uciążliwe a załączany kondensator do kompensacji mocy biernej Q można można dać na poziomie SN gdzie zniekształcenia napięcia są już małe.
Zatem szkody - koszty prowokowane przez harmoniczne redukujemy:
-Konstruując urządzenia i systemy energoelektroniczne mało zniekształcające prądy sieciowe. Ponieważ połączone jest to ( lub może być ) z kosztami robimy to tylko w urządzeniach które w swoim życiu pobierają dużo zniekształconej energii czynnej i biernej
-Przyszłościowo stosując w sieciach przesunięcia faz. Tylko gdy potrzebny jest w sieci przewód N przesunięcie ( uzwojenie z zamiast y ) odrobinę powiększa koszt transformatora. Gdy konieczny jest przewód N można zastosować transformatory z podwójnym uzwojeniem wtórym y i z o przesunięciu faz.
-Stosując z kondensatorami kompensacji mocy biernej szeregowe dławiki. W przypadku transformatorów i dławików silny jest efekt skali ( czyli PP ) i na poziomie nN dławik jest niestety znacznie droższy niż kondensator. Ale dławik jednocześnie zapobiega przeciążeniu kondensatora ( także transformatora ) i jego żywotność staje się bardzo długa a praktycznie nieskończona.
Linia długa nie zniekształca liniowo (!) sygnału tylko gdy jest dopasowana. Oczywiście długie energetyczne linie przesyłowe nie są dopasowane i efektem owego zniekształcenia jest typowe sumowanie się wysokich harmonicznych z różnie przesuniętymi fazami (w stosunku do pierwszej głównej harmonicznej ) co powoduje ich szczęśliwie mocną redukcje. Linie mogą jednak ( fala stojąca ) szkodliwie ponieść napięcie harmonicznych !
W dziedzinie częstotliwości:
-Z ideą składowych symetrycznych staje się jasne że harmoniczne 3n (czyli triplens) kolejności zerowej w systemie trójfazowym płyną przewodem neutralnym N a bez niego nie występują. Wiadomo kiedy triplens nie przepływają przez transformatory. Wiadomo że kondensatorów trójfazowych lub obwodów LC do kompensacji mocy biernej nie wolno łączyć z przewodem N sieci.
-Możliwe jest przybliżone oznaczenie indukcyjności ( przykładowo „7%” ) dławika antyrezonasowego w szereg z kondensatorem kompensacji mocy biernej
-Można wyznaczyć w sieci ( potencjalne quasi fale stojące w liniach przesyłowych na harmonicznych ) napięcia harmonicznych
-Zjawisko naskórkowości i wypierania nie powodują nieliniowości przewodów i możliwa jest superpozycja harmonicznych
Niestety harmoniczne słabo obrazują sumowanie / odejmowanie się harmonicznych generowanych przez różne odbiorniki i zaciemniają fakt że drogą przesunięć fazowych napięć sieciowych między odbiorcami uzyskuje się pożądane zmniejszenie pulsacji mocy czyli zniekształceń nieliniowych i harmonicznych.
Nie dają też od razu odpowiedzi jakie jest wymagane przy danych zniekształceniach odciążenie transformatora czyli derating. Z drugiej strony współczynnik całkowitych zniekształceń THD jest zbyt ubogą informacją.
Całościowy rachunek daje odpowiedź czy i jakie działania dla redukcji mocy biernej i harmonicznych należy podjąć. Potrzebne są jednak ceny nie zaburzone dotacjami. Niestety w Polsce system dotacji jest tak rozbudowany że oczyszczenie cen z nich jest raczej niemożliwe. Znane przykłady z aktualnych czasopism zachodu wskazują że redukcja mocy biernej i harmonicznych przez podstacje kolejową i piec łukowy jest całościowo mocno opłacalna.
Największym domowym elektronicznym konsumentem energii jest odbiornik TVC który pobiera mocno zniekształcony prąd. Temat jest już badany pod kątem w miarę taniego zmniejszenia jego uciążliwości dla systemu energetycznego.
W Polsce nie ma przyrządów do oceny harmonicznych i szkód jakie powodują ale elektroniczne odbiorniki nieliniowe to „przypadłość” cywilizacyjna i problemy mogą dopiero nadejść i nadejdą.
Literatura.
1.Funkcja sinx/x w precyzyjnej rekonstrukcji sygnału analogowego z cyfrowego
2.Programik demonstrujący graficznie szereg współczynników i aproxymacje szeregiem Fouriera wyliczonym analitycznie lub przybliżonym 49 funkcji okresowych ( zbierane są kolejne ) a w tym z obszaru energoelektroniki. Podaje też m.in. wartość skuteczną RMS, THD, Crest Factor... i wymaganą ilość harmonicznych dla zadanej dokładności.
3.Programik demonstrujący graficznie intermodulacje dla różnych systemów modulacji PWM z półmostkiem, mostkiem H i mostkiem trójfazowym. Dla podanego poziomu intermodulacji ( „zniekształceń” w pasmie sygnału ) i wybranego systemu wyliczy wymagany iloraz częstotliwości nośnej do modulowanej.
4.Szybkie wyliczenie rodziny funkcji Bessela.
Elektryfikacja, prostowniki i energoelektronika na kolei.
Kolej odegrała wielką rolę w rewolucji przemysłowej i rozwoju gospodarczym. Pozwala ona na integracje systemu gospodarczego państwa ( lub bloku państw ) i na rozwinięcie korzystnego handlu.
W przedwojennej Polsce z braku transportu ( ale też lenistwa parszywego rządu ) lokalne zaburzenia pogodowe skutkowały nieurodzajem i lokalnymi głodami niczym w średniowieczu przy czym w kraju żywności było w brud.
Na wykresie pokazano jednostkowy nakład energii w szeroko pojętym „transporcie”. Oszczędniejszy energetycznie niż koleją transport towarowy jest tylko statkami oceanicznymi, tym oszczędniejszymi im większymi i wolniejszymi. Generalnie jednak wszelki transport potrzebuje ogromnej ilości energii.
Sprawność lokomotyw parowych rosła od 0.5 do 10%. W ostatnich modelach lokomotyw parowych stosowano międzystopniowe przegrzewanie pary i jej kondensacje. W ciężkich lokomotywach Amerykańskich dużej mocy zastosowano mechaniczny podajnik węgla i najprostsze systemy regulacji. Lokomotywy opalano też w USA olejem opałowym.
Lokomotywy Diesla osiągają wysoką sprawność i są niezawodne. W transporcie towarowym i zwykłym pasażerskim są najlepszym rozwiązaniem dla krajów mających własne zasoby ropy naftowej lub nadwyżki eksportowe. W USA po etapie elektryfikacji dokonano de – elektryfikacji kolei i likwidacji trakcji jako że kolejowy napęd elektryczny jest tam całościowo (!) znacznie mniej ekonomiczny niż silnik Diesla.
Cały system zasilania pociągów elektrycznych jest skomplikowany i bardzo drogi ale pozwala użyć jako paliwa taniego węgla i energii jądrowej oraz hydroelektrowni.
Gdy źródłem energii jest energetyka jądrowa lub hydroelektrownie elektryfikacja kolei jest bezdyskusyjna. Ale w przypadku Polski gdzie głębinowe wydobycie węgla kamiennego jest bardzo drogie wcale nie jest oczywiste czy nie lepiej byłoby za zwiększony eksport kupić ropę i do lokomotyw skoro i tak napędzę ona transport drogowy i... część lokomotyw.
Lokomotywa Diesla jest jednak za ciężka dla szybkich pociągów ( obciążenie statyczne i dynamiczne torów ! ) i granicą nie do przeskoczenia jest dla nich prędkość 170 km/h.
Japońskie szybkie pociągi Shinkansen i francuskie TGV są napędzane na całej długości ( nie ma tam lokomotywy ) i mało obciążają tory. Specjalnej budowy linie kolejowe są przeznaczone tylko dla tych pociągów. Maksymalna moc pobierana z trakcji 25 KVac przekracza 10 MW.
W USA transport długodystansowy jest opanowany przez samoloty i nie ma tam niszy na szybką kolej. Na tle Europy długodystansowa pasażerska sieć kolejowa w USA jest bardzo mała.
Metro jest obecnie wszędzie oczywiście elektryczne.
ZSRR zażądał od Polski dolarowych płatności za swoją ropę już w 1974 roku. Natomiast NRD płacił za radziecką ropę rublami transferowymi do 1981 roku. Nie prowadzono tam szerokiej elektryfikacji bowiem lokomotywy Diesla były ekonomicznie znacznie korzystniejsze. Po 1981 roku podjęto tam pośpieszną elektryfikacja przywracając do pracy na okres przejściowy lokomotywy parowe !
Polskie lokomotywy elektryczne EU07 i ET22 bazują na licencji kupionej dawno od Brytyjczyków razem z 20 lokomotywami EU06. W minionej dekadzie Gierka zatrzymywano i cenzurowano wszystkie informacje o zakupach licencji. Smutna prawda jest taka że wszystko co w miarę nowoczesne produkowane jest w Polsce na licencjach. Realny, nie pozorowany wdrażany potencjał krajowej myśli jest bliski zeru.
Elektryczna lokomotywa uniwersalna EU07 ma cztery silniki napędowe na napięcie 1500 Vdc o mocy ciągłej 500 KW a lokomotywa towarowa 6 tych silników. Mankamentem stosowanego sposobu sterowania są bardzo duże straty mocy w opornikach rozruchowych poniżej prędkości 20 Km/h. Sprawność tych silników jest przyzwoita ale w stosunku do mocy są o 40% za ciężkie przy nowszych silnikach trakcyjnych.
W lokomotywach do trakcji 25-27.5 KVac ( bez zwrotu energii hamowania do sieci ) stosowane są takie same silniki.
W trakcji kolejowej ( jest ich duża rozmaitość w świecie ) stosowany jest w świecie prąd stały różnych napięć, prąd zmienny 50 Hz i prąd zmienny 16 2/3 Hz. Dla częstotliwości 50 Hz impedancja żelaznych – ferromagnetycznych szyn jest wysoka ponieważ „naskórek” ma circa tylko 0.25 mm grubości (!) i stąd konieczność równoległego prowadzenia przewodu miedzianego. Wadę tą zmniejsza częstotliwość 16 2/3 Hz równolegle zmniejszająca problemy z komutacją roboczego silnika komutatorowego lokomotywy.
Kolejowa trakcja prądu zmiennego jest jednofazowa co stwarza spore problemy z asymetrią napięć w zasilającym systemie przesyłowym. Napięcie 25-27.5 KVac pozwala jednak stosować lokomotywy o mocy ponad 12 MW lub przy mniejszych mocach lokomotyw stosować na pustkowiach (w ZSRR obszary Syberii ) podstacje zasilające w dużych odległościach ( do 90 km ) od siebie szczególnie w systemie 2 x 25 KVac. Podstacje te nie tylko wywołują szkodliwą asymetrię napięć trójfazowych w sieci WN - NN ale także wnoszą istotne harmoniczne. Najlepiej gdy linia NN – WN biegnie „równolegle” do torów i kolejne podstacje całościowo w miarę równomiernie obciążają fazy tej linii. Aby zmniejszyć ich poważne wady stosowana jest w nowoczesnych podstacjach rozbudowana energoelektronika co je mocno podraża.
Na schemacie pokazano w uproszczeniu, prosty system radziecki trakcji 27.5 KV.
Do zmniejszenia efektywnej indukcyjności linii trakcji AC można zastosować kondensator szeregowej kompensacji mocy biernej ale dałoby to możliwy ferrorezonans z transformatorem obniżającym napięcie w lokomotywie. Stąd specjalny układ energoelektroniczny równoległy do tego kondensatora skutecznie zwalczający subharmoniczne i redukujący prąd zwarcia.
Wbrew pozorom system trakcji 25-27.5 KVac o dobrych własnościach ( czyli bez negatywnego wpływu na system przesyłowy ) jest dość złożony i kosztowny. Konstrukcja tyrystorowej ( sterowanie fazowe silników komutatorowych DC ) energoelektroniki lokomotywy z hamowaniem odzyskowym nie jest w tym systemie skomplikowana.
Stosowane w Polsce normatywne napięcie trakcji 3300 Vdc nie pozwala na pobór dużej mocy przez pasażerskie pociągi „szybkie” lub ciężkie pociągi towarowe.
Jeśli Polska będzie się rozwijać gospodarczo to kolejowe napięcie 3.3 KVdc szybko stanie się za niskie.
Ponieważ równolegle ze wzrostem gospodarczym wzrasta konsumpcja energii elektrycznej, państwa EWG ustaliły że stopniowo od 1987 roku podwyższone zostaną napięcia sieciowe z dotychczasowych 220/380 V na 230/400 V tak jak chce tego norma IEC. W przypadku trakcji PKP warto rozważyć ewolucyjne podniesienie nominalnego napięcie do 3400 – 3500 Vdc choćby poprzez łatwe przestawienie przełącznika odczepów transformatorów.
Szybkość środków komunikacji pasażerskiej jest w świecie dobrze skorelowana z „Dochodem Narodowym” ( w świecie stosowane są też inne pojęcia w tym obszarze ) Per Capita. Polska jest znacznie uboższym krajem niż Japonia z szybką koleją Shinkansen i Francją ze swoim szybkim pociągiem TGV. Wydaje się że inwestowanie w Polsce w szybką kolej byłoby obecnie jeszcze nieracjonalne. Przyjdzie na to czas gdy (?) się wzbogacimy. Niemniej pierwszym krokiem ( analogia do warunków koniecznych i dostatecznych ) powinno być opanowanie technologi trakcji 25 KVac.
Ambicją cywilizowanych państw jest posiadanie zintegrowanego systemu transportowego minimalizującego czas całej (!) podróży „od drzwi do drzwi” Ważna jest rozkładowa synchronizacja pociągów składających się na długą trasę i zgranie ich z dojazdowymi liniami autobusowymi i komunikacją metropolii.
System łączności cyfrowej komputerka lokomotywy z obszarowym systemem kierowania ruchem pociągów pozwala pociągom towarowym na zminimalizowanie hamowania i jazdę na luzie aby dojechać na zwalniany właśnie odcinek. Oszczędzamy energie elektryczną, hamulce i pociąg wjeżdża na zwolniony odcinek z pewną prędkością a zatem szybciej osiąga normalną prędkość roboczą czyli tor jest znacznie lepiej wykorzystany.
Nowe japońskie szybkie pociągi Shinkansen są komputerowo zautomatyzowane i maszynista jest faktycznie tylko kontrolerem bezpieczeństwa.
Kontenery rewolucjonizują transport morski i lądowy kolejowy oraz kołowy. W kontenerach (jako obudowie ) oferowanych jest coraz więcej kompletnych systemów. Izolowany cieplnie kontener może mieć własny agregat chłodniczy. W kontenerze może być agregat silnika Diesla z generatorem czyli elektrownia.
W standardowym kontenerze 40 stopowym bez problemu zmieści się zasilana kablem napięciem SN 15 KV ( lub innym ) nowoczesna bezobsługowa kolejowa podstacja mocy 3 MW, 3300 Vdc zbudowana z nowoczesnych elementów. Próżniowy wyłącznik sieciowy SN 15 KV, transformator prostownikowy ( jego chłodzące ożebrowanie jest na zewnątrz ale mieści się w obrysie kontenera ) i sam prostownik napięcia 3300 Vdc. Ewentualne zdalne komunikowanie / sterowanie kablem telefonicznym ( PKP ma swój własny system łączności ) lub nawet drogą radiową na zakresie UHF.
Prostownik do zasilania trakcji kolejowej o m=12 może mieć 12 bardzo silnych dyskowych diod z dobrą ochroną warystorami lub aż 720 niemałych diod z podstawą śrubowa łączonych szeregowo - równolegle z marną ochroną nadnapięciową. Nowoczesne rozwiązanie jest bardzo tanie na tle starego i jest relatywnie małe.
Przestarzałe, nieracjonalne polskie podstacje w budynkach mają prostowniki z niskim m. Stosują po stronie prądu stałego jako filtry harmonicznych, liczne dwójniki LC strojone na harmoniczne oraz duży dławik DC. Z drugiej strony zatruwają sieć SN silnymi harmonicznymi. Zniekształcone napięcie w sieci SN w sposób rażący utrudnia życie innym odbiorcom zasilanym z tej sieci a nawet zniekształcone jest napięcie w sieci WN !
W trakcje uderzają pioruny i ochrona przepięciowa prostownika jest bardzo ważna. Do ochrony stosowane są na linii iskrowniki rożkowe o napięciu przebicia około 20 KV. Zapalony łuk likwiduje działanie wyłącznika SN 15 KVac podstacji, który powinien być Samoczynnie Ponownie Załączony ( = Recloser ) po czasie co najmniej 300-500 ms wystarczającym na dejonizacje przestrzeni połukowej iskrownika . Dla prostownika niebezpieczne jest uderzenie pioruna w linie trakcji blisko podstacji. Warystory ZnO rozwiązują problem ochrony przepięciowej. Jeszcze lepszą ochronę przepięciową daje odgromnik zaworowy czyli warystor połączony szeregowo ze stabilnym, hermetycznych, ceramicznym iskrownikiem gazowym.
Warystory ZnO szybko zyskały w zachodniej energetyce ogromna popularność. Ich użycie znakomicie zmniejsza ilość przerw w dostawie energii elektrycznej po ataku piorunów.
Warystory karborundowe SiC stosowane były w energetyce już przez wojną w konfiguracji odgromnika zaworowego – Transformatory, E.Jezierski, WNT 1983. Było to konieczne ponieważ wykładnik aproksymującej funkcji I(U) potęgowej był niewielki. Dla odmiany wykładnik dla warystorów ZnO sięga aż 38 !
Dla m=12 / 18 gdy połączone są szeregowo dwa / trzy prostowniki każdy prostownik ma własny warystor co gwarantuje także właściwy podział atakującego udarowego napięcia.
Warystory ZnO i technologie ich produkcji opracowano w Japonii ale masową produkcje warystorów podjął potężny koncern General Electric. Zachodnie warystory energetyczne objęte są embargiem. Można jednak użyć mniejszych warystorów. Tanie, dyskowe warystory średnicy 20 mm do montażu na PCB dedykowane dla średniej energoelektroniki zasilanej z sieci trójfazowej nN na napięcie robocze 460 Vac - 615 DC przy napięciu 750 Vdc pobierają prąd 1 mA. Absorbują standardowy impuls 8 x 20 usec o energii 140 J i prądzie szczytowym 8 KA. Do ochrony każdego prostownika w systemie o m=12 łączymy trzy te warystory szeregowo i N równolegle takich dwójników. Z kolei na wyjściu 3300 Vdc możemy dać warystory ze stabilnym hermetycznym, gazowym iskrownikiem (Spark Gap ) w układzie odgromnika zaworowego o końcowo bardzo ostrej ochronnej charakterystyce I(U) Jeszcze lepszą ochronę da z warystorem odgromnik zaworowy z precyzyjnie - aktywnie wyzwalanym zaworem – iskiernikiem.
Konstrukcja próżniowych wyłączników SN jest stosunkowo prosta ( tylko jedna średnio trudna technologia ) i niezależnie od kolei są one polskiej energetyce bardzo potrzebne. Dla m=18 za trzema uzwojeniami wtórnymi transformatora przed prostownikami można umieścić produkowane standardowe licencyjne wyłączniki CB LV.
Zwróćmy uwagę że system z m=18 ( filtry harmonicznych i dławik DC są zbędne a zniekształcenia pobieranego prądu sieciowego są znikome ) i wyłącznikami LV może mieć połowiczną redundancje. Gdy jeden z trzech mostków trójfazowych jest niesprawny wówczas szeregowo pracują pozostałe dwa sprawne. Napięcie wyjściowe wynosi co prawda 2/3 nominalnego ale jest wystarczające do wolniejszej ( i to nie zawsze ) jazdy pociągów.
W Polsce i całym bloku wschodnim nie ma lokomotyw do trakcji 3300 Vdc z hamowaniem odzyskowym a więc podstacje z inwerterami tyrystorowymi są zbędne. Potencjalnie są o wiele droższe niż te z diodowymi prostownikami.
Kontenerowe podstacje do trakcji 3300 Vdc byłyby bardzo dobrym towarem eksportowym ! To że nierentownie eksportujemy miedz a nie transformatory ( i inne wyroby z jej użyciem ) z nią czy wyroby z transformatorami jest niebywałym skandalem bowiem sami ustawiamy się na pozycji III Światowej. Marnuje się też licencja Westinghouse na diody i tyrystory dużej mocy.
Standardy przynoszą rozliczne korzyści ale mogą stać się ograniczające i bardzo utrudnić pożądane zmiany a w następstwie spowolnić wzrost gospodarczo - społeczny kraju.
Sprawa wprowadzenia w Polsce ( także u naszych sąsiadów ) na najbardziej obciążonych i przyszłościowych liniach kolejowych trakcji 25-27.5 KVac ( faktycznie lepiej 2 x 25 KV czyli 50 KV ) nie jest prosta.
Kolejowa trakcja 27.5 KVac ma być szeroko stosowana w ogromnych centralnych i wschodnich regionach ZSRR. Sieć kolejowa jest tam bardzo rzadka. Związek Radziecki swoje lokomotywy sprzedaje niedrogo m.in. Finlandii i zakup paru lokomotyw przez Polskę do prób nie wymaga fortuny. Zresztą przebudowa ( usunięcie rozruchu oporowego i zastosowanie sterowników tyrystorowych i transformatora ) lokomotywy EU06 na napięcie 25 KVac jest możliwa.
Niewielkim kosztem i dość szybko można linie „Nadodrzanki” ( głównie towarową ) przezbroić na napięcie 25 KVac. Linie kolejowe odziedziczone po III Rzeszy są słabo połączone z siecią PKP co w tych okolicznościach dla Nadodrzanki jest atutem.
W klasycznych lokomotywach zasilanych z trakcji 25 KVac napięcie jest obniżone transformatorem z dwoma uzwojenia wtórnymi i podane do dwóch połączonych szeregowo mostków półsterowanych 2T+2D lub przy zwrocie energii hamowania do mostków 4T. Zastosowanie dwóch mostków pozwala zmniejszyć pobierana moc bierną i generacje harmonicznych. Gdy jeden mostek się uszkodzi lokomotywa może dalej jechać ze zmniejszona mocą / prędkością.
Lepsze rozwiązanie z hamowaniem odzyskowym niż łączenie kompletnych ortodoksyjnych mostków 4T zastosowała ASEA. Układ wnosi „małe” zniekształcenia i pobiera mało mocy biernej. Dla najmniejszej prędkości jest użyte jedno uzwojenie transformatora 1, potem 1+1 lub 2, 1+2 i na koniec dopiero 1+1+2.
Uzwojenia wzbudzenia silników bocznikowych są zasilane z osobnego przekształtnika ( zmiana znaku prądu umożliwia hamowanie odzyskowe ) czyli nie są tu stosowane silniki szeregowe jak w prymitywnych lokomotywach od lat.
Dokładniej temat omówiono w rozdziale traktującym o tyrystorach energetycznych.
Rozwiązanie takie jest poza naszymi możliwościami.
Normą w świecie stają się kompletne w 100% towary i usługi. Mając kontenerowe podstacje trakcyjne łatwiej można się podjąć w świecie budowy kompletnej linii kolejowej lub elektryfikacji istniejącej linii. O ile sieć kolejowa jest gęsta w całej Europie ( poza wyjątkami, na przykład Grecją ) to w świecie jest mnóstwo państw które dopiero dekadami infrastrukturę będą budować.
Polska otwierając się na świat może w ciągu dekady podwoić dochód narodowy ale niestety trwa Zimna Wojna i jesteśmy „zamknięci”.
N.B. Polskę czeka też budowa sieci szybkich dróg kołowych.
Elektroliza metali kolorowych. Mini Mill.
W światowym systemie lepiej jest być producentem złożonych i skomplikowanych urządzeń o wysokiej marży niż producentem surowców. Ale łańcuch przemysłowy zawsze rozpoczyna się od wydarcia Ziemi surowców naturalnych.
Najsilniejszymi nowoczesnymi światowymi eksporterami są Japonia i RFN. W obu tych krajach produkowane są różne metale ale są one eksportowane tylko w postaci części w drogim, złożonym produkcie. Polskę kompromituje nierentowny eksport miedzi i prymitywnej stali.
Obydwa te kraje są ubogie w surowce naturalne. Dolar jest walutą światowych rezerw i handlu. Mając dolary z eksportu kraje te mogą kupić na rynku światowym co tylko zechcą.
Odkrywkowe wydobycie surowców jest wielokrotnie tańsze niż wydobycie głębinowe. Rudy miedzi w świecie wydobywa się głownie odkrywkowo ale w Polsce głębinowo !
Po odsłonięciu złoża maszyna na podwoziu ciężarówki terenowej wierci w niej otwory. Ciężarówka - cysterna wlewa w nie materiał wybuchowy a robotnicy opuszczają detonatory z lontem. Po jednoczesnej potężnej eksplozji wielu ładunków, skruszone złoże koparka z łyżką pojemności 50-100 ton (Źródłem energii jest silnik diesla lub doprowadzona jest on kablem 6 kVac. W rozwiązaniu elektrycznym jest dużo tyrystorowej energoelektroniki ) ładuje na wywrotki nośności 200-300 ton.
Cały przemył ciężki a w tym energetyka, bazuje na efekcie skali !
Duże znaczenie ma w nowoczesnej produkcji przemysłowej Miedź oraz metale lekkie: Aluminium i Magnez. Produkcja ich wymaga zużycia ogromnej ilości energii elektrycznej prądu stałego z potężnych prostowników. Na tle stali metale te są drogie. Przedmioty wykonane z metali lekkich mogą być lekkie i energooszczędne ale produkcja metali lekkich pożera energie.
Jeszcze bardziej energochłonna jest produkcja metali ziem rzadkich. Magnesy z ich użyciem mają dużą energie i pozwalają wykonać m.in. silniki do serwomechanizmów maszyn CNC i robotów o bardzo dobrych parametrach ale także głośniki o bardzo dużej efektywności Ale magnesy nie są jedynym zastosowaniem metali ziem rzadkich. W każdym ich zastosowaniu uzyskuje się znakomite efekty a badania przecież dalej trwają.
Zastosowanie metali lekkich w lotnictwie jest koniecznością. Samochód z nadwoziem aluminiowym byłby lżejszy i te same osiągi miałby z mniejszym silnikiem i zużyciem paliwa ale byłby bardzo drogi. Zatem obecna produkcja samochodów ze stali jest racjonalna.
Energia często pochodzi z wielkich hydroelektrowni. W Afryce linie NN z hydroelektrowni przecinają ogromne nie-zelektryfikowane obszary biegnąc wprost do hut.
1.Po procesach hutniczych odlewane są anody miedziane, poddawane elektrorafinacji. Uzyskane czyste katody w zależności od przeznaczenia przetapiane są na wyroby różnego kształtu i wielkości.
2.W elektrolitycznym procesie Halla-Heroulta tlenek glinu zostaje przetworzony w aluminium poprzez:
-rozpuszczenia tlenku glinu w elektrolicie, którym jest stopiony kriolit o temperaturze ponad 900C -prowadzenia elektrolizy zanurzoną w wannie grafitową anodą prądem o natężeniu kilkudziesięciu tysięcy amperów
3.W elektrochemicznym procesie produkcji magnezu do elektrolizy stosuje się stopione sole - karnalit lub chlorek magnezu z topnikami, fluorytem lub mieszaniną NaCl i CaCl
Bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe przy małej wadze ma drogi tytan i drogie jego stopy. Szeroko stosowany jest on w lotnictwie, budowie maszyn, w znakomitych narzędziach i w medycynie. Trzecim etapem produkcji metalicznego tytanu jest redukcja TiCl4 magnezem w procesie Krolla. Dalej następuje oczyszczanie tytanu procesem jodkowym. Z racji użycia magnezu i innych substancji pośrednie zużycie energii elektrycznej w produkcji tytanu jest potężne.
W NRF żaden z produkowanych metali nie jest eksportowany. Eksportowane są wyroby z nich.
Prostowniki trójfazowe o m=12 z dwoma uzwojenia wtórnymi i o m=18 z trzema uzwojeniami wtórnymi mają zmniejszone zniekształcenia THD prądu sieciowego. Ale różne samodzielne prostowniki z przesunięciem napięć wtórnych także częściowo lub całkowicie eliminują część harmonicznych wprowadzanych do sieci zasilającej !
Tyrystorowe prostowniki sterowane fazowo do plazmotronów są na napięcia 0.23 - 12 KV i mocy do 7 MW. Przy dużym napięciu połączone szeregowo są dwa trójfazowe mostki zasilane z uzwojeń gwiazdowego i trójkąta transformatora mocy co jest rozwiązaniem standardowym.
Mini Mill
Podstawowym metalem przemysłowym jest stal o rożnych właściwościach i cenie. Prosta stal jest tania a wyrafinowane stale stopowe są drogie i bardzo drogie oraz objęte kontrola eksportu aby wróg używając ich nie mógł doskonalić swojej technologii.
Przemysłowe żelazo pierwotne produkowane jest z rudy, koksu i topników w hutniczym procesie zintegrowanym. W miarę nasycenia gospodarki stalą coraz więcej złomowej stali można przetapiać ( również z uszlachetniającymi dodatkami ) w piecach łukowych otrzymując dobrej i bardzo dobrej jakości stal.
Mini Huta czyli Mini Mill ( dalej MM ) ma piece łukowe oraz zautomatyzowaną i skomputeryzowaną linię Ciągłego Odlewania Stali. Wydajność pracy w niej jest wysoka ale potrzebni są pracownicy kwalifikowani a nie tradycyjni hutnicy.
W warunkach zachodnich koszt jednostkowej zdolności produkcyjnej MM jest znacznie niższy niż huty zintegrowanej ze stalownią ale do tego faktycznie trzeba doliczyć koszty inwestycyjne zasilającej MM elektrowni.
Piece łukowe mają pojemność do 200 ton przy jednostkowym zużyciu energii elektrycznej 400 KWh/t, w największych jednostkach. Wanna pieca pojemności 200 ton ma średnice wewnętrzną 7 m i maksymalną głębokość 1.5 m a średnice zewnętrzną 8.5 m. Wysokość całej instalacji pieca od podstawy wynosi prawie 17 m. Średnica trzech elektrod zasilanych trójfazowo wynosi 610 mm. Organami wykonawczymi systemu regulacji położenia elektrod są napędy hydrauliczne.
Elektrody pieca łukowego zasilane są ze specjalnego regulowanego transformatora piecowego o dużym rozproszeniu. Transformator piecowy często zasilany jest poprzez trójfazowy dławik dalej zwiększający indukcyjność w obwodzie. W piecu o pojemności 200 ton napięcie z transformatora mocy 100 MVA wynosi 200-700 V a maksymalne natężenie prądu 80 KA. Stal do przelania jest gotowa po ponad 50 minutach od załadunku złomu.
Pobór mocy czynnej i biernej [1,2] jest szczególnie mocno i szybko zmienny ( niestacjonarnie ) w fazie roztapiania wsadu ponieważ gwałtownie zmienia się długość łuku i miejsce jego palenia się na topionym złomie. Udział harmonicznych 2,3,5,7... i THD w prądzie jest znaczny. Sprawa poboru mocy biernej Q, eliminacji harmonicznych i stabilizacji napięcia sieci WN-NN nie jest dotąd satysfakcjonująco rozwiązana ale parametry systemów szybko się poprawiają. SVC - Static VAR Compensator omówiono z tyrystorami energetycznymi.
Jednostkowe zużycie Energi Elektrycznej maleje wraz z pojemnością pieca łukowego i stąd stosowanie jednostek dużej mocy, do 100 MVA. Zatem dla całkowitego uniknięcia zakłócających zmian napięcia MM powinna być zasilona z linii NN o bardzo dużej mocy zwarciowej lub linią przeznaczoną wyłącznie do MM co jest kosztowne.
Oko ma szczyt percepcji migotania światła przy częstotliwości 8 Hz. Czułość spada zarówno przy większych jak i mniejszych częstotliwościach migotania. Zakłócenia napięcia i oświetlenia powodowane przez piec łukowy są niestety dobrze zauważalne przez ludzkie oko.
Publikacja [4] przedstawia wybrane obiekty w świecie do których AEG dostarczył energetykę, energoelektronikę, napędy i automatykę. W wolnym tłumaczeniu Basic Industries według AEG ( to nie jest termin szeroko używany w języku angielskim ) to Przemysł Ciężki: Górnictwo, Huty i Stalownie, Zautomatyzowane Odlewnie, Gorące i Zimne Walcownie... Także metale kolorowe.
Pierwsza linia „Continous Casting plant” czyli do Ciągłego Odlewania Stali z wyposażeniem AEG jest z 1969 roku. Pierwszy patent Bessemera na ciągłe odlewanie jest z 1857 roku ! Technologia ciągłego odlewania zaczęła upowszechniać się po wojnie a intensywniej w latach sześćdziesiątych. Obecnie odlewany jest duży repertuar przedmiotów – półproduktów i produktów. Stosowane są obecnie w instalacji COS liczne sensory i silne serwomechanizmy. Współczesny system kontrolny CO(S) bazuje na sterownikach PLC i komputerze. COS to podstawowa technologia automatyzacji stalowego procesu hutniczo - stalowego !
Do krystalizatora systemu COS płynny metal ( stal circa 1560 C ) podawany jest z kadzi pośredniej do której metal jest dostarczany kadziami z pieców łukowych. Kadź pośrednia jest konieczna dla zachowania ciągłości odlewania przy zmianie kadzi transportowych i dla precyzyjnej kontroli szybkości odlewania. Sterowany i skoordynowany musi być cały system łącznie z załadunkiem pieców łukowych i kontrolą procesów w nich oraz synchronizacją walcowni, cięcia produktu i przesyłania do magazynu wyrobów gotowych. Żarzący się ciągły odlew z krystalizatora ( stal circa 1000 C ) bezpośrednio dostaje się na linię walcownicza i dalej jest cięty na fragmenty.
W mocno chłodzonym krystalizatorze przez który przesuwa się ciągły odlew zestaleniu ulegają warstwy zewnętrzne a wnętrze jest nadal płynne. Temperatura metalu i szybkość przesuwu odlewu w krystalizatorze muszą być ściśle kontrolowane aby zestalone warstwy odlewu nie uległy przerwaniu co spowoduje wyciek płynnego metalu. Ściany krystalizatora są poruszane aby odlew nie przyległ do nich.
Odlewany metal musi być jednorodny i dobrze przygotowany bowiem wydzielające się z niego przy zastyganiu gazy pogarszają własności odlewu.
Trudne jest rozpoczęcie procesu. Do krystalizatora wkłada się pas startowy odlewu i uruchamia wlew metalu. Początek odlewu jest później odrzucany lub sprzedawany jako produkt podgatunkowy. Z tego względu proces prowadzi się jak tylko najdłużej można !
System COS dominuje na systemem tradycyjnym jakością, uzyskiem i ceną. Systemy Ciągłego Odlewania dynamicznie się rozwijają. Znanych jest sporo odmian tego procesu.
W każdym razie huta czy kraj który systemu COS nie opanował odpada ze „stalowej gry”.
Współcześnie mając informacje o konstrukcji systemów COS i symulacyjny program komputerowy wykonanie COS wydaje się niezbyt trudne.
Do napędu walcarek stosuje się od dawna potężne, regulowane napędy tyrystorowe.
Ze zdjęć trudno jest ocenić od kiedy w systemach AEG stosowane są komputery ale najpóźniej od połowy / końca lat siedemdziesiątych. Na pokazanych zdjęciach współczesny przemysł ciężki jest nowoczesny ! Z niemieckich podmiotów którym AEG dostarczył obiekty wymieniono: firmy Krupp-a, Thyssen, Mannesmann.
Przemysły energochłonne są w wielu krajach świata traktowane ulgowo czyli podatnicy je de facto wysoko dotują. Problemy z przemysłem ciężkim ma wiele krajów.
Rząd brytyjskiego Imperium do skutecznej siłowej rozprawy z pasożytującymi na gospodarce górnikami przygotowywał się 3 lata. Sytuacje społeczno – gospodarczą Wielkiej Brytanii znacznie poprawiło wydobycie gazu i ropy spod dna Morza Północnego. Górnikom brytyjskim podobnie jak polskim się „należało” i nic ich nie obchodzi że inni mają przez nich biedować.
Skoncentrowany na śląsku przemysł górniczo - hutniczy nie był przed wojną modernizowany przez niemieckich właścicieli uważających odrodzoną Polskę za seasonstadt. Stalinowski ZSRR do Magnitogorska zakupił kopię gigantycznej huty US Steel „Gary Steel Work”. Z niedalekich zakładów maszynowych kopie amerykańskich maszyn z lat 20/30 otrzymała budowana Nowa Huta.
Polski przemysł ciężki jest przestarzały. Niewydajność tego przemysłu sprawie że w dużej mierze pracuje on na własne potrzeby ! Polska stal jest niskiej jakości co mocno utrudnia rentowną i nowoczesną produkcje eksportową. Samochody rdzewieją jak szalone.
Rocznik statystyczny GUS 1984 podaje że produkcja czysta ( to jest bardzo ważne ) przemysłu uspołecznionego w okresie 1970-1982 bardzo mocno wzrosła w większości działów. Szczególnie tych działów zmodernizowanych za zachodnie kredyty. Elektromaszynowy przemysł precyzyjny podniósł produkcje do 477 % stanu z 1970 roku.
Ale są też sabotażyści i dywersanci. Przemysł węglowy zredukował się do 45.4 % stanu z 1970 roku a spożywczy do 74.2 %. Ale cały stagnujący przemysł ciężki to skansen na utrzymaniu Polaków. Odkrywkowe wydobycie węgla kamiennego na górnika w najlepszych kopalniach w świecie przekracza polski wynik nawet stukrotnie!
Karbid (acetylenek wapnia ) produkowany jest niezmiennie w piecach łukowych z koksu i wapnia od odkrycia i zastosowania procesu w 1892 roku. Proces jest energożerny. Jeszcze więcej energii konsumuje wytworzenie fosforu bo 13 000 KWH/t.
Literatura
1.Jahn, H.H., Kauferle, J. Measuring and evaluating current fluctuations of arc furnaces, IEE Conf. Publ., 110, 105–9. 1974
2.Coates, R., Brewer, G.L. The measurement and analysis of waveform distortion caused by a large multi-furnace arc furnace installation, IEE Conf. Publ., 110, 135–43. 1974
3.Elektrotechniczeskij sprawocznik, Energoatomizdat, Moskwa 1982
4.References – Basic Industries AEG
