Avtomatizacija v prometu

Avtomatizacija v prometu Kroglica v dnu vrtače Oris snovi 2012 pripravil: Franc Dimc različica: oktober 2012

Uvod • Predstavitev stik, domača stran predmeta • Namen predmeta osnovna načela elektrotehnike za vaše strokovno delo so podprta s teorijo • Literatura primeren učbenik osnov elektrotehnike, zapiski, izročki, strokovni članki, medomrežje. • Obveznost opraviti domače naloge, izpit. • Teorijo se bomo trudili razumeti.

Poglavja • Elektrostatika • Elektrodinamika • Elementi električnega tokokroga • Generiranje, transformiranje in uporaba električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu

Elektrostatika • Elektriški pojavi - fenomenološka metoda, pogosta v naravoslovju • Naelektreni mirujoči delci so vzrok elektrostatičnega polja • Električni naboj (poskusCoulombova tehtnica) • Charles Augustin de Coulomb 1777, uporabil izraz (formula!) za odbojno silo F med identičnimi in privlačno med različnimi naboji, ki pada pada s kvadratom razdalje

R q1 q2 Kaj pomeni sila PADA s kvadratom razdalje? • Polje: vpliv naboja na okoliški prostor F ( ) 1 1/4 1/9 ? R (m) 3 0 1 2

Primerjava s težnostnim poljem • Polje: vpliv mase na okoliški prostor R m2 m1

Elektrostatika • Prebojna napetost posledice razelektritev v ozračju? Razelektritev s strelo (influenca, ionizacija, naelektritev oblakov) Krogelno iskrišče: U = 120 kV med dvema kroglama r = 1,5 m, razdalja 0,3 m, Oddelek za visoke napetosti in elektrarne, Inštitut Milan Vidmar, Ljubljana.

E .. el. polj. jakost (V/m) U .. potencial, napetost (V) W .. el. energija (Ws) C .. kapacitivnost (F) Elektrostatika • Elektrostatično polje, izraženo z E • Napetost je razlika dveh POTENCIALOV v električnem polju E. Vektor E je usmerjen v smeri delovanja sile. Polje E se vzpostavi že, če je naboj en sam; če sta naboja dva, je le drugače oblikovano. Prebojna napetost. • Energija Kdaj opravljamo DELO v električnem polju? Le če spreminjamo RADIJ oziroma ODDALJENOST spreminjamo tudi POTENCIALNO energijo. • Kapacitivnost Koliko naboja shranimo v en element pri določeni napetosti? S čim vplivamo na kapacitivnost? Poskus s kondenzatorjema. Zaradi velike hitrosti IONIZACIJE se mora zrak sunkovito premakniti, slišimo pok. Da je potencial rečemo tudi človeku. Ko taka oseba potenciale izkoristi, kaj doseže?

ET2 ET2’ Elektrostatika T2’ r2’ T2 q2 r2 T1 q1 DELO PRI PREMIKANJU naboja q2

Elektrostatika kapacitivnost C izražena na dva načina Q A U d

125μm smer gibanja 1,3 μm 0,7μg glavnikaste kovinske strukture vzmeti Elektrostatika mikro-elektromehanski senzorji – spremembe kapacitivnosti med strukturami S senzorji zaznavamo: dinamične pospeške (sunke in tresljaje) in statične pospeške (naklone ali težnostni pospešek) http://www.sensorland.com/HowPage023.html

Elektrostatika • Uporaba • senzorji meritve razlik kapacitivnosti, posredno merimo pospešek, prostornino • z MEMS merimo pospeške in hitrosti vrtenja okoli osi • varnostni meh • igrice • fotokopirni stroj: sila v elektrostatičnem polju

Q I U U Elektrostatika  Elektrodinamika • v elektrostatiki smo imeli opraviti z visokimi napetostmi. Nobenih tokov dokler ne pride do preboja • Dvopolni elementi električnih vezij: v čem je razlika med kondenzatorji in upori? Dielektrik preprečuje prevajanje toka – do preboja

P .. moč (W) W .. energija (Ws) I .. tok (A) J .. tokovna gostota (A/m2) Elektrodinamika • Tokovna gostota J • Torej: premikajoči se električni naboji - električni tok: če se naboj v nekem območju spremeni za 1 kulon v 1 sekundi, zaznamo tok 1 amper • Jakost električnega toka(je ploskovni integral!) • Kratek stik – bližnjica! • Materiali - kako kovine, kako plini, kapljevine – prevajajo električni tok in se grejejo, galvanski toki vsepovsod! • Magnetizem in električni tok sta povezanaOerstedov ponesrečen poskus je prinesel zamisel ! • Pojav sile med tokovodnikoma • Meissnerjev pojav – superprevodnik (upornost pade na nič) v magnetnem polju F I1 I2 l d

Superprevodnik Superprevodnost je 100 let staro odkritje Največji superprevodnik na svetu v CERNu, hadronski trkalnik (IEEE Spectrum)

R .. upornost (Ω) ρ .. spec. upornost (Ωm) S .. presek vodnika (m2) Elektrodinamika Električna upornost R je izražena na dva načina Ohmov zakon I l U

Elektrodinamika R .. upornost (Ω) ρ .. spec. upornost (Ωm) γ .. spec. prevodnost (Sm) P .. moč (W) p .. močnostna gostota (W/m3) W .. delo, energija (1Ws  1J) • Moč P • Joulov zakon

Kirchoffova izreka • Vozliščni • vsota tokov • primer: običajna vezava gospodinjskih porabnikov na izvor • vzporedno dve svetilki, meritev: skozi prvo 0,26 A, skozi drugo 0,09 A skupen tok 0,31 A • Zančni • vsota napetosti • primer: obremenjena realna baterija z notranjo upornostjo • Kombinacija

Elektrodinamika • Izvori napetosti • Enosmerni • Izmenični

Najprej varnost ! po Rohlfing, Schmidt, 1995

Izvori enosmerne napetosti • Galvanski členi • Primarni (baterije) • Sekundarni (akumulatorji) • Usmerniki (v ozadju je elektrarna) • Termočleni • Gorivne celice • Sončne celice Vir: wikipedia

Izmenična napetost • O izvorih več pri generiranju • V čem se izvor izmenične napetosti loči od izvora enosmerne napetosti?

Elektrodinamika f .. frekvenca (Hz) φ .. fazni kot (°) T .. čas periode (s) Izmenični tok – periodičnost • Ukd (Vpp), Usr (Vavg), Uef (VRMS) • Perioda, frekvenca (risanje diagramov) • Obnašanje upora in začasnega shranjevalnika el. energije (kondenzatorji, tuljave) v najenostavnejšem enosmernem in izmeničnem tokokrogu • Elementi, ki jih vzbujamo, se odzivajo (periodično vzbujanje povzroča periodični odziv)

UPOR

Magnetno polje • Pogoj: gibanje naelektrenih delcev (tok) • Magnetizem očiten s feromagnetiki • Snov v magnetnem polju, spet sila! Močna! • Elektromagnet, magnetenje • 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

Tuljava • Uporabnost tuljave? Na primer: dušenje tokovnih sunkov, izvor magnetnega polja. • Izdelava tuljave, izvedbe brez ali z jedrom • Feromagnetno jedro povzroča nelinearen odnos med Φ(I) oz. B(H) (glej magnetenje) • Ko ena tuljava vpliva na drugo – medsebojna induktivnost – srečamo pri antenah!

L .. induktivnost (H)  .. permeabilnost (H/m) A .. presek tuljave (m2) N .. število ovojev tuljave () Elektrodinamika Induktivnost L dolge tuljave je izražena na dva načina A l I + - 

Magnetenje, histerezna zanka B I nasičenje Br -Hc prvo magnetenje U 0 H +Hc nasičenje

izmeničnega Elementi električnega tokokroga • Periodično vzbujanje • Elementi, ki jih vzbujamo, se odzivajo (periodično vzbujanje povzroča periodični odziv) • Odzivzaostaja za vzbujanjem (preračun časa v fazni kot φ s pomočjo periode T) (upor se odzove s φ =0, torej brez zakasnitve) • Kondenzator (vzb. i povzroča odz. u), Tuljava(vzb. u povzroča odz. i)

enosmerna napetost: upornost → → izmenična napetost: impedanca • Rezistivna (čisti upor) • Reaktivna (kondenzator, tuljava) • Impedanca

Impedanca (1) • pomeni odnos u(t) in i(t): • razmerje amplitud U/I in • fazni kot med u in i

UPOR

KONDENZATOR

TULJAVA

|Z| φ Impedanca (2) • Poleg rezistivne upornosti (upornost sama po sebi, upiranje toku je konstantno, neodvisno od frekvence) poznamo tudi reaktivno upornost (odziv je odvisen od frekvence vzbujanja – odziv je reakcija na vzbujanje) • Impedanca Z predstavlja vektorsko vsoto rezistivne in reaktivne upornosti |Z| ... absolutna vrednost impedance Z

enosmerna napetost: upornost → → izmenična napetost: impedanca • Rezistivna (čisti upor) • Reaktivna (kondenzator, tuljava) • Impedanca

izmeničnega IR UR U I UL IC UR IR Realni elementi električnega tokokroga • Realnakondenzator in tuljava imata izgube kar ponazarja njuna upornost R • Sčasoma se R, L in C ne spreminjajo U I IC UL

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 C e KONDENZATOR UPOR φ=90º φ = 0º Fazni kot φ z vektorji (kazalci) !!! dolžine vektorjev so vrednosti konica-nič (polovica konica-dno)

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

1/|Z| 1/XC φ 1/R Primer: vzporedna vezava R in C • U= 440V, R = 90Ω, C = 3μF, f = 60Hz

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

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

Primer: zaporedna vezava R in L • U= 440V, R = 90Ω, L = 300mH, f = 60Hz |Z| XL φ R

izmeničnega φ Elementi električnega tokokroga • Izmerimo fazni kot iz trikotnika moči. Rabimo:volt-, amper- in vat-meter. Pnavidezna = U I Pjalova = UI sinφ Pdelovna = UI cosφ

Elektromagnetna indukcija Φ .. magnetni pretok (Vs) H .. magnetna poljska jakost (A/m) B .. gostota magnetnega pretoka (T) • Magnetni pretok Φ • Zakon o magnetni indukciji Faraday 1831(preberimo formulo kot jasen stavek) • Lenzje tudi v električni indukciji videl konzervativnost narave • Zakaj vrtinčni tokovi? • Uporabnost elektromagnetne indukcije

Zemlja v prerezu skorja o plašč o zunanje jedro o notranje jedro Trdno zemeljsko jedro naj bi se vrtelo hitreje od Zemlje same! (http://www.valdostamuseum.org/hamsmith/coreLDCol.html)

http://geology.com/nasa/aurora-borealis.shtml Zemeljsko magnetno polje • Z magnetnimi kompasi se orientiramo v prostoru • Zemeljsko magnetno polje nas varuje pred sončevim vetrom (električno nabitimi delci, ki jih izbruhne sonce) oz. ga preusmerja stran od Zemlje • Severni sij (luminiscenca, delci visoko v ozračju se zasvetijo ob stiku s sončevim vetrom), najizrazitejši ob tečajih, kjer je magnetno polje najmočnejše • Raziskave učinkov na sodobno navigacijo (GNSS) http://apod.nasa.gov/apod/ap021125.html

Avtomatizacija v prometu