Avtomatizacija v prometu. Oris snovi 2010 (II. del) pripravil: Franc Dimc

Transcript

1 Avtomatizacija v prometu Oris snovi 2010 (II. del) pripravil: Franc Dimc različica: 13. marec 2010

2 Elementi električnega tokokroga Linearni in nelinearni elementi (oblika karakteristike I(U)) I I U Poznate predstavnika enih in drugih? U

3 izmeničnega Elementi električnega tokokroga Vrste elementov Impedanca Fazni kot Časovna (ne)spremenljivost lastnosti Linearnost elementov

4 izmeničnega Elementi električnega tokokroga Določajo odnos napetost : tok (amplitudo in fazo) Realna kondenzator in tuljava imata izgube IR UR Z C = 1 R 1 + jωc Z = R+ jωl L

5 Upornost impedanca Rezistivna(čisti upor) R 1 1 Reaktivna (kondenzator, tuljava) X C = = 2 π f C ω C X = 2 π f L = ωl L Impedanca vektorska vsota rezistivne in reaktivne upornosti Z

6 izmeničnega Elementi električnega tokokroga Izmerimo fazni kot iz trikotnika moči. Rabimo: volt-, amper- in vat-meter meter. φ P navidezna = U I P jalova = UI sinφ P delovna = UI cosφ Poleg rezistivne upornosti (same po sebi, upiranje toku je konstantno, neodvisno od frekvence) poznamo tudi reaktivno upornost (od frekvence vzbujanja spremenljiv odziv-reakcija na vzbujanje) pojem impedance

7 Elementi električnega tokokroga Polprevodniški elementi materiali z dodatki (dopanti) diode, transistorji, integrirana vezja

8 Elektromagnetna indukcija Magnetni pretok Φ Zakon o magnetni indukciji Faraday 1831 (preberimo formulo kot jasen stavek) Φ.. magnetni pretok (Vs) H.. magnetna poljska jakost (A/m) B.. gostota magnetnega pretoka (T) Lenz je tudi v električni indukciji videl konzervativnost narave Zakaj vrtinčni tokovi? Induktivnost je lastnost (dušilke), kapacitivnost je lastnost Uporabnost elektromagnetne indukcije u i d = Φ dt

9 Pojavi v magnetnem polju Magnetizem očiten s feromagnetiki Snov v magnetnem polju, spet sila! Močna! Elektromagnet, magnetenje (hysteros) če narašča H ali narašča tudi B? Ali poznate kakšno napravo z elektromagneti? Kako deluje? Snovi glede na odziv na magnetno polje v čem je praktična razlika? Namagnetenost, ki ostane; razmagnetljivost v različnih H Ena tuljava vpliva na drugo medsebojna induktivnost

10 Magnetenje, histerezna zanka I B r B nasičenje -H c prvo magnetenje U 0 +H c H nasičenje

11 Elektroenergetsko omrežje Veriga oz. medsebojna povezanost generiranja transformiranja in uporabe električne energije

12 Generiranje električne energije Električna energija (stran v angleščini) zakon o ohranitvi energije, priročni generator (film v angleščini) gorivne celice Iz kinetične: spomnimo se zakona o indukciji generiranje 1 Ws izvori (simulacija) izmenične in enosmerne napetosti Kako dobim največjo moč iz izvora? (Teorem o maksimalnem prenosu moči) Za senzorje: termoelektrični pojav (termočlen) (stran v angleščini) fotoelektrični pojav (polprevodnik) (stran)

13 Prenos električne energije Prenos električne energije (film v angleščini) Napetosti ob generiranju, med prenosom in za domačo uporabo

14 Transformiranje električne energije Generiranju sledi transformiranje enaka navidezna moč: pri višjih sek. napetostih manjši tokovi Transformacija pomeni spremembo oblike česa, zakaj? Deli transformatorja in delovanje Zakaj moč na primarni strani ni enaka moči na sekundarni? Navidezni moči U prim I prim ~U sek I sek Delovni moči kot U prim I prim cosφ prim U sek I sek cos φ sek P Cu P Fe Posebne izvedbe za galvansko ločitev kaj je to?

15 Uporaba električne energije Vidiki uporabe električne energije varnost (varovalke ščitijo nas in naprave) vrste uporabe posebne zahteve (vodotesnost, odpornost proti redukciji in oksidaciji elektrokemijski potencial) zagotavljanje neprekinjene energijske oskrbe učinkovitost uporabljenih naprav (dobra praksa) če je dopustni tok varovalke manj kot 2% nad skupnim tokom nanjo priključenih porabnikov, moramo povezave izvesti z naslednjim debelejšim kablom. (Marine Electrical Basics Workbook, str. B7-3) SKUPEN TOK vseh varovalk je preračunan na moč (tok pri napetosti omrežja), ki jo je sposoben dajati izvor.

16 Uporaba električne energije Dopustni toki glede na presek žic žili, PVC, dopustno segrevanje 70 C 3 žile, PVC, dopustno segrevanje 70 C 100 Nazivni tok ( A ) Površina preseka žice ( mm 2 )

17 Uporaba električne energije p.. močnostna gostota (W/m 3 ) Učinkovita raba, izkoriščenost sistema Izkoristek Jouleov zakon (džul) (Joule, predstavitev v angl.) Posledice Jouleovega zakona - izgube (pri prenosu, uporabi) Raba po področjih gospodinjstvo (žarnice, sijalke večji tok ob vžigu, omejitev toka z dušilko, sicer kratek stik) industrija (motorji na izm. tok, večji tok ob zagonu) promet (motorji na enosmerni tok: hibridna vozila) 2 P = I R podobnost s p = 2 J γ

18 Uporaba električne energije Plazma v sijalki? (stran v angleščini) Proizvodnja sijalk (film v angleščini)

19 Uporaba električne energije Primer: delovanje sijalke Gustav Büscher, Elektrotehnika v slikah, TZS 1974, str zažari tlivka 2. kontakt K se ukrivi in kratko sklene starter 3. povečanje toka skozi žarilni nitki (zažarita) 4. zaradi manjše napetosti tlivka ugasne 5. premalo toplote, K odklopi 6. prekinitev sunkovito zviša napetost med elektrodama v plinu 7. začetek prevajanja v plinu

20 Elektriški filtri poslušanje enake oblike (sinus, pravokotnik, trikotnik, žaga) na različnih frekvencah vezje povzroča fazni zamik in spremembo amplitude (spremembe impedance filtra) Aktivni in pasivni filtri Kako imenujemo filter, če je amplituda signala odziva.. na eni frekvenci (pasu frekvenc) največja/najmanjša? če je na nizkih/visokih frekvencah najmanjša/največja? Za kaj rabimo fazno ujete zanke? delovanje PLL (Fazno ujeta zanka)

21 Digitalna tehnika štetje čas (film v angleščini) številski sistemi ODT, str. 2 logična vezja tehnologija mikroelektronika (rezine, tiskanje s svetlobo, (filma v angleščini) diskretni elementi vezja-strukture) delovanje: odločitvena vezja pomnilniška vezja strukture (avtomati, stik z okolico)

22 Zanesljivost naprav (ko satelit GPS zboli. ponazoritev povečevanja napake položaja ob izpadu satelita)

23 Zanesljivost naprav

24 Zanesljivost naprav Življenjska doba s statistično porazdelitvijo Objekti, ki se starajo (motorji, pnevmatike, orodja) porazdelitev odvisna od zunanjih vplivov Objekti, ki se ne starajo (elektronski elementi, če niso preobremenjeni!) porazdelitev okvar popolnoma naključna Zanesljivost Z(t) verjetnost, da komponenta po času t še ni pokvarjena (Stöcker, str. 731) Pričakovani čas okvare MTTF (Mean Time To Failure) za sisteme, ki jih ob okvari zamenjamo, ne popravljamo Čas, ki preteče med dvema zaporednima okvarama število komponent, ki po času t še delujejo Zt () = začetno št. komponent MTTF = Z() t dt okvarjenosti: število okvar stopnja začetno št. komponent čas obratovanja na primer 10-7 h (1 okvara na 10 milijonov komponent ur) za ključne procese, ni zadosti vodenje cestnega, letalskega prometa z GNSS, transakcije v denarnem prometu, prenos električne energije Pričakovani čas med okvarami MTBF (Mean Time Between Failures) za sisteme, ki jih ob okvari popravljamo 0

25 Brezžično širjenje informacij Elektromagnetno valovanje (emv) električno in magnetno polje v prostoru in času naprave poti širjenja zanesljivost naprav in prenosa informacij Elektromagnetno sevanje (EMS) učinki na okolico naprav učinki na človeka

26 250 W satelit GNSS km Naravni zakoni (upad zaznane moči z oddaljenostjo) 1300 km 1 W izvor motenj

27 Širjenje elektromagnetnega valovanja (emv) Generiranje emv Večpoti širjenja radijskih valov Oddajniki in sprejemniki osnovni shemi usmerjenost, polarizacija anten izsevana moč in domet Modulacija (informacija + nosilni signal) Oddajna moč, impedanca izvora in antene Odboj nazaj na spremembah impedance!

28 Elektromagnetna sevanja (EMS) Sevanje: oddajanje valov ali delcev, ki se širijo v prostor (sevanje radijske antene, sevanje radioaktivnega vira, sevanje svetlobe). Sevanja karakterizira (nas zanima) jakost sevanja (potencialna izpostavljenost sevanju) in absorbirana moč sevanja (dejanski učinek sevanja na tkiva) Izpostavljenost različnim jakostim povzroča sile v celicah Učinek: tkiva absorbirajo del izsevane moči EMS

29 Omejitve seval emv Omejitve s stališča uporabnika: specifična vsrkana moč Specific Absorption Ratio SAR = (σ E 2 )/ρ efektivna vrednost električne poljske jakosti E tkivo: specifična prevodnost σ in specifična gostota ρ (El. praktikum str. 156)

30 Učinki sevanj: segrevanje tkiv Človekovo telo proizvaja do 150 W (metabolizem), pri težkem delu do 1000 W, absorbira med opoldanskim sončenjem do 200 W, od RF sevanj 5,6 W energija sevanja izvori sevanj naravni, vedno več umetnih snov absorbira moč Biološke učinke EMS ocenjujemo z absorpcijo v telesu, ki je določena s stopnjo specifične absorpcije (SAR). Koliko moči absorbira biološka snov (W/kg). SAR se povpreči na 6 minut. Za frekvence med 400 in 2000 MHz - meji SAR za okolja: 0,4W/kg delovno 0,08W/kg bivalno

31 Nadzor nad izvori Vdorna globina? Globina, do katere lahko VF EMS prodrejo v izpostavljena tkiva, (nekaj cm, odvisna od frekvence). Ob blagem segrevanju telesa za njegovo izravnavo dokazano poskrbijo naravni mehanizmi v telesu (termoregulacija). Močno segrevanje pa lahko telo preobremeni in povzroči škodljive vplive na zdravje. Človek v svojem okolju ni izpostavljen samo enemu viru EMS, temveč vsem virom EMS v določenem okolju hkrati. Posledice akumulacije absorbiranih sevanj? Za določitev izpostavljenosti EMS je potrebno izmeriti in oceniti skupno sevalno obremenitev okolja (

32 Modulacija Zakaj moduliramo? Pomembni pojmi: pasovna širina nosilni signal (sinus določene frekvence) informacijski signal (zvoki v telefoniji ali znaki v telegrafiji) modulirani nosilni signal nameni uporabe različnih vrst (katero modulacijo rabi radio, katero GSM?)

33 Modulacija Splošno Moduliramo nosilni signal. Če so nespremenljive: A.. amplituda ω.. frekvenca c Φ.. faza zapišemo modulirani nosilni signal: ut () = Acos( ω t+φ) c u(t) Ko spreminjamo samo amplitudo (ne frekvence ali faze): ut () = f() t cos( ω t +Φ) Ko spreminjamo samo frekvenco (ne amplitude ali faze): ut () = Acos(( ω + gt () Δ ω) t+φ) Ko spreminjamo samo fazo (ne amplitude ali frekvence): ut () = Acos( ω t+ h Φ()) t c c c

34 Amplitudna modulacija Spreminjamo amplitudo nosilnega signala, funkcija f(t) f(t) f(t) f(t)

35 Frekvenčna modulacija Spreminjamo frekvenco nosilnega signala, funkcija g(t) pri znani frekvenčni deviaciji Δω Če se amplituda informacijskega signala spreminja največ za vrednost ±ΔU, se frekvenca moduliranega signala spreminja največ za vrednost ω c ± Δω (na primer: Δω = 6 khz x 2π). g(t) +ΔU -ΔU

36 Pasovna širina Podelitev frekvenčnega pasu dovoljuje uporabo spektra zgolj v določenem območju

37 Za posamezne modulacije rabimo ceneni kakovostni digitalni * sprejemnik pri AM vplivamo na pri FM vplivamo na pri Φ M vplivamo na *za velike hitrosti prenosa podatkov; primerjava AM in ΦM kaže, da na enaki pasovni širini, ΦM prenaša več podatkov kot AM

38 Razmerje signal / šum (SNR) Ali bo naprava signal (signal merjene veličine, informacijski signal) lahko rekonstruirala ali ne? Moč (oddanega) signala, občutljivost sprejemnika Moč toplotnega šuma elektronskih naprav in okolice Primer: radar (signal se na razdalji R od antene odbija od prevodne površine) razmerje signal/šum med drugim odvisno od frekvence, oddaljenosti, slabljenja P signal P šum = PG G 2 T T Rλ σ 3 4 ( 4π ) 0 LR kt BF n kt o.. močnostna gostota frekvenčnega spektra šuma [W/Hz] B.. efektivna pasovna širina (-3dB) [Hz] F n.. šumno število [ ] P T.. oddajna moč v konici [W] G T, G R.. dobitka anten oddajnika in sprejemnika [ ] λ.. valovna dolžina [m] L.. skupno slabljenje [ ] R.. oddaljenost antene od odbojne površine [m] σ.. velikost odbojne površine [m 2 ]

39 Slabljenje vzdolž poti razširjanja Ko se signal v obliki elektromagnetnega vala razširja v prostor ali ko se sprememba napetosti razširja po kablu z oddaljevanjem od izvora, se njegova moč zaradi same razdalje zmanjšuje. Ker pa je sredstvo, skozi katerega se signal razširja, realno, nastajajo izgube, ki jih povzema izraz slabljenje Če je sredstvo linearno, je slabljenje sorazmerno razdalji do izvora oz. dolžini kabla do oddajnika L P na koncu = 10 log Pna začetku P na koncu.. moč signala na koncu obravnavane poti [W] P na začetku.. moč signala ob izvoru [W] L.. slabljenje [db]

40 Elektronika in regulacije Elektronika v prometu Osnovni pojmi regulacije v prometu

41 Elektronika v prometu Inteligentni transportni sistemi Pametne ceste Pametna vozila Pomoč za pametne voznike

42 Elektronika v prometu Radijske (komunikacijske) naprave (značilnosti in načini razširjanja emv, smisel modulacije, sevanje) Energetska elektronika (gospodarnost izrabe energetskih virov: goriva, el. energije) Krmilja in avtomatske naprave (mikroprocesor, računalniški sistemi, sistemi vodenja - vključno z navigacijo) Stik človek-naprava (senzorji, vmesniki, aktuatorji (ABS), prikazovalniki) Prometna infrastruktura (signalizacija, radar, nadzorna središča, )

43 Pomoč pri vožnji

44 Pomoč pri vožnji

45 Elektronika v prometu Vidiki ( obravnavanje informacij, ki omogočajo nemoten promet) Upoštevanje naravnih zakonov za lažje delo in življenje Elektronski elementi (generiranje signalov, analogna in digitalna obdelava signalov, ) Postopki (modulacija, ojačevanje, obdelava informacij) Naprave (procesorji, krmilja, števne zanke, radijske naprave, signalizacija, RFID ) Sistemi (računalniški sistemi, satelitska radionavigacija (GNSS), pomoč pri vožnji, ) težave zapletenih sistemov (npr. večpotje)

46 Zanesljivost navigacije Zgradbe v mestnih jedrih odbijajo in senčijo signale navigacijskih satelitov, kar pogosto povzroča napake. Rešiti težavo mestnih sotesk

47 Osnovni pojmi regulacije Smisel regulacije ( doseči zanesljivo boljši (varnejši) potek dogodkov, kot če sistem prepustimo samemu sebi ) npr. želen pretok Σ regulator prometni sistem trenutni pretok senzorski sistem Katere veličine v prometu reguliramo? (informacije vplivajo na obnašanje voznikov) posredno na količino prometa, uspeh mogoč, če se oziramo na kapaciteto ceste S katerimi sredstvi prometne avtomatizacije razpolagamo? (semaforji, dinamični portali, prilagodljive omejitve hitrosti, cestninjenje, )

48 Osnovni pojmi regulacije Dejanski učinki regulacije (manj zastojev, dvig povprečne hitrosti, krajši potovalni časi, manjši vplivi na okolje, manjši stroški vožnje, ) Postopki (primer dozirani dostop, vodenje voznega parka, ) Vsebina regulacijske zanke, pomen zanesljivosti upravljanja z informacijami senzorjev (računalniški vid)

49 Lahko si pogledate tudi tole če koga zanima Kako se določa fazni kot na kombinacijah RL in RC? Kako generiramo 1J električne energije? (malo za šalo)

50 Fazni kot φ z vektorji (kazalci) Na kondenzatorju se tok pojavi pred napetostjo (tok prehiteva napetost) Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo) IC i C e KONDENZATOR φ=90º φ = 0º UPOR U C I R U R!!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

51 Primer: zaporedna vezava R in C in kot φ Vsota napetosti je tudi vektor U R + U C Pojavi se kot φ med vsoto napetosti in skupnim tokom U C I C = I R U R φ=? U R + U C tgϕ = = IC X I R R nasprotiležna k. priležna k. C = X R = 1 2π f 1 ϕ = arctg 2π f C R C = CR U U C R =

52 Primer: zaporedna vezava R in C U= 440V, R = 90Ω, C = 3μF, f = 60Hz U U U I = = = = Z R + XC 2 1 R + 2π fc R φ Z 440V 440V = = = Vs ( 90Ω ) Ω + Ω 2 3 2π As 1,13 ( ) X C 440V 440V = = = Ω + 7,82 10 Ω 889Ω 0, 495A

53 Fazni kot φ z vektorji (kazalci) Na tuljavi se napetost pojavi pred tokom (napetost prehiteva tok) Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo) U L TULJAVA UPOR I L φ=90º φ = 0º e L i I R U R!!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

54 Primer: vzporedna vezava R in L in kot φ Vsota tokov je tudi vektor I R + I L Pojavi se kot φ med vsoto tokov in skupno napetostjo U I L L = U R I R φ=? + I R nasprotiležna k. I L I L tgϕ = = = priležna k. I ULR R R = = = XU X 2 π fl L R L R ϕ = arctg 2 π f L R

55 Primer: vzporedna vezava R in L U= 440V, R = 90Ω, L = 300mH, f = 60Hz I = U = U + = U + = Z R XL R 2π fl sa = 440V + 3 = 90Ω 2π Vs 1 Z 1 R φ 1 X L A = 440V Ω 4π V 2 = 2 1, A 4 = 440V , = 440 2, A= 6, 248A 2 2 Ω V

56 Generiranje električne energije Koliko žuljev za en džul? Kuharski recept za generiranje 1 dobre Ws za 1 Ws električne energije rabimo: generator moči 1W čas generiranja 1s Postopek: 1 V inducirane napetosti v žici generatorjevega statorja, ki zaobjema površino 1m 2, boste dosegli tako, da zadosti hitro mešate (vrtite rotor), da se gostota magnetnega pretoka na zaobjeti površini spremeni za 1T (1Vs/m 2 ) v 1s. na generator priključite upor 1Ω. Izberite generator, ki bo skozi breme pošiljal tok 1A. dosegli ste, da ima generator moč ravno 1V 1A = 1W v vsaki sekundi boste ob neprestanem mešanju iz njega dobili 1 Ws ko vas že preveč bolijo roke, prepustite mešanje (vrtenje) drugemu izvoru mehanske energije Nasvet: Če nimate v shrambi ene zanke s površino 1m 2 nič ne skrbite, vzemite zankic po 1cm 2, ki jih povežite zaporedno. Količine spreminjajte po premisleku, sčasoma lahko po okusu. Če e pridejo gostje: kaj rabite za generiranje 1GWh?