Avtomatizacija v prometu

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

različica: 13. marec 2010

Elementi električnega tokokroga

• Linearni in nelinearni elementi(oblikaoblika karakteristike I(U))

Poznate predstavnika enih in drugih?

II

UU

II

UU

Elementi električnega tokokroga

• Vrste elementov

• Impedanca• Fazni kot• Časovna (ne)spremenljivost lastnosti• Linearnost elementov

izmeničnega

Elementi električnega tokokroga

• Določajo odnos napetost : tok (amplitudo in fazo)

• Realna kondenzator in tuljava

imata izgube

izmeničnega

UR

IR

11CZ

j CR

ω=

+LZ R j Lω= +

Upornost → impedanca

• Rezistivna (čisti upor)

• Reaktivna (kondenzator, tuljava)

• Impedanca – vektorska vsota rezistivne in reaktivne upornosti

R1 1

2 2

C

L

Xf C C

X f L Lπ ωπ ω

= =

= =

Z

Elementi električnega tokokroga

• Izmerimo fazni kot iz trikotnika moči. Rabimo: voltvolt-, amperamper-- in vatvat--metermeter..

P navid

ezna

= U U II

PPdelovnadelovna

Pjalova

φ

izmeničnega

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

= UI = UI coscosφφ

= UI sinφ

Elementi električnega tokokroga

• Polprevodniški elementi– materiali z dodatki (dopanti)– diode, transistorji, integrirana vezja

Elektromagnetna indukcija

• Magnetni pretok Φ• Zakon o magnetni indukciji

Faraday 1831 (preberimo formulo kot jasen stavek)

• Lenz je tudi v električni indukciji videl konzervativnost narave

• Zakaj vrtinčni tokovi?• Induktivnost je lastnost

(dušilke), kapacitivnost je lastnost …

• Uporabnost elektromagnetne indukcije

Φ .. magnetni pretok (Vs)

H .. magnetna poljska jakost (A/m)

B .. gostota magnetnega pretoka (T)

idudt

= −Φ

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

Magnetenje, histerezna zanka

U

IB

H

Br

-Hc

0

nasičenje

prvo magnetenje

+Hc

nasičenje

Elektroenergetsko omrežje

• Veriga oz. medsebojna povezanost – generiranja– transformiranja in – uporabe električne energije

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)

Prenos električne energije

• Prenos električne energije (film v angleščini)

– Napetosti ob generiranju, med prenosom in za domačo uporabo

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 UprimIprim ~ UsekIsek

• Delovni moči kot UprimIprimcosφprim UsekIsekcos φsek PCu PFe

• Posebne izvedbe za galvansko ločitev – kaj je to?

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.

Uporaba električne energije

• Dopustni toki glede na presek žic

0 10 20 30 400

20

40

60

80

100

120

140

2 žili, PVC, dopustno segrevanje 70°C 3 žile, PVC, dopustno segrevanje 70°C

Naz

ivni

tok

( A

)

Površina preseka žice ( mm2 )

Uporaba električne energije

• 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)

γ

22 spodobnost JpRIP ==

p .. močnostna gostota (W/m3)

Uporaba električne energije

• Plazma v sijalki? (stran v angleščini)

• Proizvodnja sijalk (film v angleščini)

Uporaba električne energije

• Primer: delovanje sijalke

Gustav Büscher, Elektrotehnika v slikah, TZS 1974, str. 218

1. 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

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 frekvencahnajmanjša/največja?

• Za kaj rabimo fazno ujete zanke? delovanje PLL (Fazno ujeta zanka)

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)

Zanesljivost naprav

• (ko satelit GPS zboli …. ponazoritev povečevanja napake položaja ob izpadu satelita)

Zanesljivost naprav

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

– stopnja okvarjenosti:

– na primer 10-7h (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

( )MTTF Z t dt∞

= ∫

število okvarstopnja okvarjenostizačetno št. komponent čas obratovanja

≈⋅

Čas, ki preteče med dvema zaporednima okvarama

število komponent, ki po času t še delujejo( )začetno št. komponent

Z t =

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

Naravni zakoni(upad zaznane moči z oddaljenostjo)

250 W

1 W

20 000 km

1300 km

izvor motenj

satelit GNSS

Širjenje elektromagnetnega valovanja (emv)

• Generiranje emv• Več poti 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!

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 celicahUčinek: tkiva absorbirajo del izsevane moči EMS

Omejitve seval emv

• Omejitve s stališča uporabnika: specifična vsrkana moč Specific Absorption Ratio

SAR = (σ E2)/ρ– efektivna vrednost električne poljske jakosti E – tkivo: specifična prevodnost σ in specifična gostota ρ

(El. praktikum str. 156)

• 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

• 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

izvori sevanj snov absorbira moč

energija sevanja

naravni, vedno več umetnih

Učinki sevanj: segrevanje tkiv

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 (http://www.forum-ems.si/).

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?)

Modulacija

• Splošno

c

Moduliramo nosilni signal. Če so nespremenljive:A .. amplituda

.. frekvenca .. faza

zapišemo modulirani nosilni signal:( ) cos( )

Ko spreminjamo samo amplitudo (ne frekvence ali faze):( ) ( )

cu t A t

u t f t

ω

ω

Φ

= +Φ

= ⋅cos( )Ko spreminjamo samo frekvenco (ne amplitude ali faze):

( ) cos(( ( ) ) )Ko spreminjamo samo fazo (ne amplitude ali frekvence):

( ) cos( ( ))

c

c

c

t

u t A g t t

u t A t h t

ω

ω ω

ω

+Φ

= + Δ +Φ

= + ⋅Φ

u(t)

Amplitudna modulacija

• Spreminjamo amplitudo nosilnega signala, funkcija f(t)

f(t) f(t) f(t)

Frekvenčna modulacija

• Spreminjamo frekvenco nosilnega signala, funkcija g(t) pri znani frekvenčni deviacijiΔω

Če se amplituda informacijskega signala spreminja največ za vrednost ±ΔU, se frekvenca moduliranega signala spreminja največ za vrednost ωc ± Δω (na primer: Δω = 6 kHz x 2π).

+ΔUg(t)

-ΔU

Pasovna širina

• Podelitev frekvenčnega pasu dovoljuje uporabo spektra zgolj v določenem območju

Za posamezne modulacije rabimo…

• ceneni kakovostni digitalni * sprejemnik

*za velike hitrosti prenosa podatkov; primerjava AM in ΦM kaže, da na enaki pasovni širini, ΦM prenaša več podatkov kot AM

pri AM vplivamo napri AM vplivamo na pri FM vplivamo napri FM vplivamo na pri pri ΦΦ M vplivamo naM vplivamo na

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

kTo .. močnostna gostota frekvenčnega spektra šuma [W/Hz]B .. efektivna pasovna širina (-3dB) [Hz]Fn .. šumno število [ ]PT .. oddajna moč v konici [W]GT, GR .. dobitka anten oddajnika in sprejemnika [ ]λ .. valovna dolžina [m]L .. skupno slabljenje [ ]

R .. oddaljenost antene od odbojne površine [m]

σ .. velikost odbojne površine [m2]

( )

2

3 4

0

4T T R

signal

šum n

P G GP LRP kT BF

λ σπ

=

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

Pna koncu .. moč signala na koncu obravnavane poti [W]Pna začetku .. moč signala ob izvoru [W]

L .. slabljenje [dB]

10 log na koncu

na začetku

PLP

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Elektronika in regulacije

• Elektronika v prometu

• Osnovni pojmi regulacije v prometu

Elektronika v prometu

• Inteligentni transportni sistemi• Pametne ceste• Pametna vozila• Pomoč za pametne voznike

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,…)

Pomoč pri vožnji

Pomoč pri vožnji

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)

Zanesljivost navigacijeZgradbe v mestnihjedrih odbijajo in senčijo signale navigacijskih satelitov, kar pogosto povzroča napake.

Rešiti težavo mestnih sotesk

Osnovni pojmi regulacije

• Smisel regulacije (…doseči zanesljivo boljši (varnejši) potek dogodkov, kot če sistem prepustimo samemu sebi…)

• 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, …)

regulator prometni sistemnpr. želen

pretok

trenutni pretok

senzorski sistem

Σ

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)

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)

Fazni kot φ z vektorji (kazalci)

!!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

RURI

φ = 0º

Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo)

UPOR

CU

CI φ=90º

Na kondenzatorju se tok pojavi pred napetostjo (tok prehiteva napetost)

i C eKONDENZATOR

Primer: zaporedna vezava R in C in kot φ

• Vsota napetosti je tudi vektor • Pojavi se kot φ med vsoto napetosti in skupnim

tokom

CR UU +

φ=?

RU

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

===

===

RCfarctg

CRfRX

RIXI

UU

kpriležnakžnanasprotiletg

C

R

CC

R

C

21

21

. .

πϕ

π

ϕRC II =

CUCR UU +

Primer: zaporedna vezava R in C

• U= 440V, R = 90Ω, C = 3μF, f = 60Hz

( ) ( )

2 2 22

2 122 2 2

26 3

2 5 2

12

440 440101 810090

2 60 3 10 1,13

440 440 0,4958898100 7,82 10

C

U U UIZ R X

RfC

V V

VsAs

V V A

π

π −

= = = =+ ⎛ ⎞

+ ⎜ ⎟⎝ ⎠

= = =⎛ ⎞ Ω + ΩΩ + ⎜ ⎟⋅ ⋅⎝ ⎠

= = =ΩΩ + ⋅ Ω

R

XCZφ

Fazni kot φ z vektorji (kazalci)

!!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

RURI

φ = 0º

Na uporu se tok pojavi skupaj z napetostjo (tok je v fazi z napetostjo)

UPOR

Na tuljavi se napetost pojavi pred tokom (napetost prehiteva tok)

LU

LI φ=90º

e L i

TULJAVA

Primer: vzporedna vezava R in L in kot φ

• Vsota tokov je tudi vektor • Pojavi se kot φ med vsoto tokov in skupno

napetostjo

R LI I+

φ=?

RI . .

2 L

2

L

R

L

L R L

Inasprotiležna ktgpriležna k I

U R R RX U X f

Rarctgf L

ϕ

π

ϕπ

= = =

= = =

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

L RU U=

LIR LI I+

Primer: vzporedna vezava R in L

• U= 440V, R = 90Ω, L = 300mH, f = 60Hz

2 22 2

2 2

3

6

2

1 1 1 1 12

144090 2 60 300 10

1 104408100

L

I U U UZ R X R fL

sAVVs

V

π

π −

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= = + = + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + =⎜ ⎟ ⎜ ⎟Ω ⋅ ⋅⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= +Ω

2

24 36 00A

π 9 0000⋅ 2

24 5 4

2 2

1, 235440 10 7,818 10 440 2,016 10 6, 248

V

AV A AV

− − −

=

= + ⋅ = ⋅ ⋅ =Ω

φ

1R

1Z

1

LX

Generiranje električne energije• 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 1m2, boste dosegli tako, da zadosti hitro mešate (vrtite rotor), da se gostota magnetnega pretoka na zaobjeti površini spremeni za 1T (1Vs/m2) 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 1m2 nič ne

skrbite, vzemite 10.000 zankic po 1cm2, ki jih povežite zaporedno.

• Količine spreminjajte po premisleku, sčasoma lahko po okusu.

•• ČČe pridejo gostje: kaj rabite za e pridejo gostje: kaj rabite za generiranjegeneriranje 1GWh?1GWh?

Koliko Koliko žžuljev za en uljev za en ddžžulul??