Avtomatizacija v prometu Oris snovi 2010 II del

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

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

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

izmeničnega Elementi električnega tokokroga • Določajo odnos tok napetost : (amplitudo in fazo) • Realna kondenzator in tuljava imata izgube IR UR

Upornost → impedanca • Rezistivna (čisti upor) • Reaktivna (kondenzator, tuljava) • Impedanca – vektorska vsota rezistivne in reaktivne upornosti

izmeničnega Elementi električnega tokokroga amper- in vat-meter. a I zn e vid P na φ Pdelovna = 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 Pjalova = UI sinφ • Izmerimo fazni kot iz trikotnika moči. Rabimo: volt-, volt U =

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

Elektromagnetna indukcija Φ. . magnetni pretok (Vs) • 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 H. . magnetna poljska jakost (A/m) B. . gostota magnetnega pretoka (T)

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 B I nasičenje Br -Hc U prvo magnetenje 0 nasičenje +Hc H

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 Uprim. Iprim ~ Usek. Isek • Delovni moči kot Uprim. Iprimcosφprim Usek. Isekcos 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. B 7 -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

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)

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

Uporaba električne energije • Primer: delovanje sijalke 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 Gustav Büscher, Elektrotehnika v slikah, TZS 1974, str. 218 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 frekvencah najmanjša/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 Čas, ki preteče • Življenjska doba –med s statistično porazdelitvijo dvema zaporednima okvarama – Objekti, ki se starajo (motorji, pnevmatike, orodja) porazdelitev odvisna od zunanjih vplivov – Objekti, ki se ne starajo popolnoma naključna (elektronski elementi, če niso preobremenjeni!) porazdelitev okvar • Zanesljivost Z(t) – verjetnost, da komponenta po času t še ni pokvarjena • Pričakovani čas okvare MTTF zamenjamo, ne popravljamo (Stöcker, str. 731) (Mean Time To Failure) za sisteme, ki jih ob okvari – stopnja okvarjenosti: – 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

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

250 W satelit GNSS 00 km 20 0 Naravni zakoni (upad zaznane moči z oddaljenostjo) 1300 km 1 W izvor motenj

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 celicah Učinek: tkiva absorbirajo del izsevane moči EMS

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

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 snov absorbira moč naravni, vedno več umetnih • 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, 4 W/kg delovno 0, 08 W/kg bivalno

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 u(t)

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

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 ωc ± Δω (na primer: Δω = 6 k. Hz x 2π). g(t) +ΔU -ΔU

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

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

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 k. To. . močnostna gostota frekvenčnega spektra šuma [W/Hz] B. . efektivna pasovna širina (-3 d. B) [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 [m 2]

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 [d. B]

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 nadzorna središča, …) (signalizacija, radar,

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 informacij) (modulacija, ojačevanje, obdelava • Naprave (procesorji, krmilja, števne zanke, radijske naprave, signalizacija, RFID…) • Sistemi (računalniški sistemi, satelitska radionavigacija (GNSS), pomoč pri vožnji, …) – težave zapletenih sistemov (npr. večpotje)

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

Osnovni pojmi regulacije • Smisel regulacije (…doseči zanesljivo boljši (varnejši) potek dogodkov, kot če sistem prepustimo samemu sebi…) npr. želen pretok trenutni pretok Σ regulator prometni sistem 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, …)

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 1 J električne energije? (malo za šalo)

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) i. Ce KONDENZATOR UPOR φ=90º φ = 0º !!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

Primer: zaporedna vezava R in C in kot φ • Vsota napetosti je tudi vektor • Pojavi se kot φ med vsoto napetosti in skupnim tokom φ=?

Primer: zaporedna vezava R in C • U= 440 V, R = 90Ω, C = 3μF, f = 60 Hz R φ Z XC

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) UPOR TULJAVA φ=90º φ = 0º e. Li !!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

Primer: vzporedna vezava R in L in kot φ • Vsota tokov je tudi vektor • Pojavi se kot φ med vsoto tokov in skupno napetostjo φ=?

Primer: vzporedna vezava R in L • U= 440 V, R = 90Ω, L = 300 m. H, f = 60 Hz φ

Generiranje električne energije Koliko žuljev za en džul? • Kuharski recept za generiranje 1 dobre Ws • za 1 Ws električne energije rabimo: – – generator moči 1 W čas generiranja 1 s • Postopek: – – – 1 V inducirane napetosti v žici generatorjevega statorja, ki zaobjema površino 1 m 2, boste dosegli tako, da zadosti hitro mešate (vrtite rotor), da se gostota magnetnega pretoka na zaobjeti površini spremeni za 1 T (1 Vs/m 2) v 1 s. na generator priključite upor 1. Izberite generator, ki bo skozi breme pošiljal tok 1 A. dosegli ste, da ima generator moč ravno 1 V 1 A = 1 W 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 1 m 2 nič ne skrbite, vzemite 10. 000 zankic po 1 cm 2, ki jih povežite zaporedno. • Količine spreminjajte po premisleku, sčasoma lahko po okusu. • Če pridejo gostje: kaj rabite za generiranje 1 GWh?