May 302014
 

Един от главните проблеми, които трябва да намерят решение при проектирането и изграждането на система за видеонаблюдения, безусловно е осигуряване на захранването и линиите на връзка. Тази обширна тема непосредствено засяга не само източника на напрежение, заедно със захранващите проводници, но и така също , различните мълниезащитни модули и заземителни елементи. Практиката показва, че именно правилното проектиране на захранващият модул на системите за видеонаблюдения, могат да помогнат да се избегнат много неприятности в процес на експлоатацията на тези системи.
При проектирането и монтажа на системите за видеонаблюдения, основната и на-често срещана грешка, е опитът да се направи по възможно най-евтин начин проекта за сметка на използването на неоптимални или даже неподходящи захранващи блокове и линии за свързване. Понякога това става, въпреки натрупаният горчив опит от вече направени грешки от монтажниците на тези системи, свързани с понижаване на надеждността и предпазването от случайни събития, влияещи отрицателно на оборудването като цяло. Вследствие на несериозното отношение на електромонтажната група към изискванията за захранването, се създават предпоставки за грешки, водещи до неизправности и повреди в работата на отделни елементи на системите за видеонаблюдение, но също и до сериозни щети в цялото оборудване. Нерядко вследствие на излизането от строя на захранващото устройство, се стига до повреждане на скъпоструващи камери (като показаната на снимката) и друга електроника.kamera za videonabludenie

Всъщност в 99.9% от случаите на схемотехническите решения, в крайното стъпало на камерите не е предвидено галваническо, оптическо или друго отделяне на линията на захранване от линията на видеосигнала. Това значи, че тези грешки в подобни схеми провокират повреди в записващите и контролиращите системи в приема на видеосигнала.

kamera

В резултат заради един евтин захранващ блок, несъответстващ на техническото задание, излиза от строя цялата система за видеонаблюдение.
В настоящият момент широко разпространение са получили три вида схеми за реализация на източника на захранване за видеонаблюдение: линеен, импулсен и резервен.
Разглеждайки първото конструктивно решение, трябва да уточним, че възможността да бъде реализирано на практика, трябва да следва едно прецизно тестово изпитване на цялото оборудване. Подобна предпазливост е обусловена от факта, че линейните стабилизатори са най чувствителни към интерференцията в индуктивността и изобщо към смущенията в реактивните съставящи и различните флуктуации в захранването. Принципът на действие на линейният стабилизатор е основан на понижаването и изправянето на входното напрежение. Ако имаме 220 VAC на входа, което се преобразува до 12 VDC на изхода и имаме изменение на входното напрежение до 235-240 VAC, то това може моментално да повреди видеокамерите и регистратора, а наличието на предпазител във веригата ще спаси системата единствено от пожар и съвсем неправилно е да се предоверяваме на неговита защитни функции. Така също трябва да отбележим още един немаловажен недостатък на линейният стабилизатор – неговото малко КПД.
Всички споменати дотук недостатъци на линейните стабилизатори са напълно изключени в импулсните преобразуватели. Минимално влияние на захранващият блок оказват неговата индуктивност, дължината на кабела, външните високочестотни смущения, искрящи контакти и различие в потенциалите на различни точки в системата. При използване на импулсни захранващи блокове може да се изгради система не просто с висока надеждност, но и максимално изгодна като отношение цена/качество.
Използването на резервен източник на захранване, най-често се използва в специализирани обекти, където системата за видеонаблюдения получава енергия директно от резервна батерия или от други източници на алтернативна енергия с цел предотвратяване на спиране на работа на камерите при отпадане на мрежовото напрежение, често изключвано умишлено от крадци или престъпници . В този случай проблемите по захранващата линия са сведени до минимум и единственото условие за отсъствие на неприятности представлява именно предпазителят в електрическата верига.

Свързваща линия

За изграждане на свързващи линии в системите за видеонаблюдение, в зависимост от условията на монтаж се използват три основни вида кабели: двужилен, кабел с усукани двойки и комбиниран.
Най-разпространеният от тях е двужилният кабел.

fror

Този кабел е подходящ за захранване на системите за видеонаблюдение поради своите температурни параметри и защитеността си от различни въздействия, макар че неговите паралелни проводници могат да натрупат разлика в потенциала при полагането му на особено дълги разстояния. Също така при изграждане на захранващата линия е необходимо да се отчита наличието или отсъствието на близост на други силови проводници. Особено внимание трябва да се обърне на недопустимата паралелност на силови и нисковолтови линии, в противен случай при комутации в силовите линии в свързващата камерите, линия, може да възникнат доста силни смущения. Трябва да се знае, че подобни двужилни кабели в повечето случаи са неекранирани и незащитени от високочестотни смущения. Именно по тази причина кабелите с голяма дължина започват да функционират като антена и съберат в себе си всички външни смущения.
Кабелът с усукани двойки, от своя страна не е предназначен за използване като захранващ кабел, но въпреки това често се използва от различни монтажни организации.

ftp

Основната грешка е използването на кабел с усукани двойки, едновременно като захранващ кабел за камерите и като кабел пренасящ сигнал, независимо дали аналогов или цифров. Това води до два основни проблема: първо, близкото разположение на проводниците, увити един около друг по двойки, много силно влияе негативно върху качеството на изображението и второ – малкото сечение на проводника, силно ограничава дължината на линията. Използването на този вид кабел в системите за видеонаблюдение трябва да е много внимателно, защото при проектиране на трасето в системите за видеонаблюдение трябва да се вземе под внимание пада на напрежение в зависимост от дължината на линията. За стандартно свързване на видеокамера с коаксиален кабел предназначен за товар от 75 Ohm, използването на кабел с усукани двойки е недопустимо.

kabel za videonablyudenie

Комбиниран кабел за видеонаблюдение: коаксиален за сигнала и 4 захранващи.

При избор на кабел, трябва да се съобразяваме със сложността на обекта, правилната оценка на смущенията от външни източници и изискванията за безопасност. При високи стандарти за качество на картина и безопасност, задължително за видео сигнален кабел е той да бъде екраниран, захранващият кабел да е със сечение изчислено с 30% запас и изработен от качествена мед.

Комутация

Както е показала практиката най-надеждните съединения се осъществяват чрез качествена спойка или добре стегнато клемно съединение. Проводниците трябва да бъдат добре почистени и калайдисани, защото с течение на времето медната основа на кабела се окислява и възникват прекъсвания в работата на системите за видеонаблюдения. Колкото е по-висока степента на окисление, толкова е по-голям пада на напрежение в това място на свръзка и при големи токове може да възникне искрене, нагряване на проводника, късо съединение и вследствие на това – пожар. Много производители предвиждат съединител от тип букса M-F, което е подходящо за вътрешно полагане, но е напълно неприложимо при монтаж на открито. В заключение ще добавим, че независимо от голямото разнообразие на пазара на различни системи за видеонаблюдения, трябва да бъдем изключително внимателни, защото често зад красивата опаковка се крият проводници с много ниско съдържание на мед в жилото, а красивите златисти контакти бързо се окисляват от влагата във въздуха. Доверявайте се единствено на утвърдили се на пазара производители и търговци, които имат отговорно отношение към клиентите си и добра репутация, какъвто е случаят с Викиват.

May 282014
 

Названието кондензатор, този пасивен електрически елемент е получил от латинското condensare – сгъстяване, натрупване, което показва и за какво служи. Кондензаторът представлява  електронен компонент, който пропуска електрическият ток, но съхранява и натрупва електрически заряд. В общият случай той е изграден от два токопроводими полюса разделени с вещество слабо провеждащо или напълно непровеждащо електрическия ток –  диелектрик.

C simbol

схемно означение

Кондензаторът може да бъде с постоянен и променлив капацитет. Капацитетът е основен параметър на кондензаторите и характеризира способността им да натрупват електрически заряд. Изписва се върху кондензатора и се измерва във фаради. Един фарад е капацитетът на кондензатор, между чиито електроди има потенциална разлика от един волт при натоварване с количество електричество един кулон и се означава с F, т.е. 1F=1C/1V. Тази физична величина е наречена на английският физик и химик Майкъл Фарадей. Стойността на капацитета равняваща се на един фарад е доста голяма величина и на практика няма кондензатори, които притежават капацитет измерван само във фаради, с изключение на някои йонистори, затова най-често се използват величините пикофарад (10-12F), нанофарад (10-9F) и микрофарад (10-6 F). Изписаният върху кондензатора капацитет, обаче е номинален или проектен, а реалният може да се различава от него значително и зависи от много фактори, затова се налага използването на понятието толеранс, който показва най-голямата разлика между проектния и възможния капацитет в проценти. Други основни параметри на кондензатора са номиналното напрежение, което не бива да се превишава, защото може да настъпи пробив в диелектрика на кондензатора, пробивно напрежение – това е напрежението при което настъпва необратим пробив. Загуби в кондензатора, тангенс от ъгъла на диелектрическите загуби, температурен коефициент показващ изменението на капацитета в зависимост от температурата, специфичен капацитет, показваща отношението на капацитета към обема на кондензатора, работната температура, това е температурата на околната среда и се дава в целзиеви градуси, тестово напрежение между изводите, тестово напрежение  за изолацията на корпуса и др.

В зависимост от вида на диелектрика кондензаторите могат да бъдат:

  • кондензатори с течен диелектрик (електролитни кондензатори) – при тях специфичният капацитет е много голям, при тях трябва да се спазва поляритета
  • кондензатори с твърд неорганичен диелектрик (керамични, стъклени, слюдени, стъклоемайлени)
  • кондензатори с твърд органичен диелектрик (хартиени, металохартиени, фолиеви-стирофлексни)
  • кондензатори с газообразен диелектрик
  • кондензатори с вакуумен диелектрик (между пластините на кондензатора има вакуум)

В зависимост от външният си вид кондензаторите могат да бъдат плоски, цилиндрични или сферични.

Приложение на кондензаторите

Кондензатори се използват практически навсякъде в електротехниката по най-различни причини:

  • могат да бъдат използвани в електрически вериги за компенсация на индуктивната мощност и за филтрация на висшите хармоници.
  • като пускови кондензатори – използват се само по време на пуск на електродвигатели. Предназначени са за компенсиране на обратната съставяща на въртящото се магнитно поле в пусков режим, като по този начин увеличават пусковия въртящ момент. Когато се достигне номиналната честота на въртене на ротора, кондензатора се изключва, чрез центробежен изключвател, реле за време или токово реле. Може да се използва за развъртане  и работа на трифазен асинхронен двигател включен към еднофазно напрежение.

C start

  • в постояннотокови вериги, кондензаторите се използват за изглаждане на пулсациите на изправеното напрежение
  • свойството на кондензатора да съхранява задълго електрическия заряд позволява този елемент да се използва като вид запаметяващо устройство.
  • в променливотокови вериги кондензатора може да се използва като баласт за ограничаване на силата на тока.
  • кондензатора може много бързо да се разреди при включване към верига с ниско омическо съпротивление. При бързия разряд се получава импулс с голяма моментна мощност, който се използва в импулсни лазери, при фотосветкавицата, в електромагнитни ускорители, при генератори на импулсно високо напрежение, при умножител на напрежение на Кокрофт-Уолтон за ускоряване на частици и разбиване ядрото на атома.
  • процесът на зареждане и разреждане на схема с кондензатор и съпротивление (CR схема) отнема точно определено време, което позволява кондензатора да се използва като времезадаващо устройство, когато не се изисква голяма точност, имайки предвид, че той е температурозависим.
  • като източник на мощен електрически разряд (генератор на Ван де Грааф)
  • кондензатор за пуск на автомобилен двигател. Там кондензаторът служи за бързо сгъстяване на магнитното поле и за предотвратяване на искрене между контактните клеми.

 

  • в различни измервателни устройства. Например за измерване на влагата във въздуха – когато хигроскопична дървесина се използва като диелектрик, с промяна на нейната влажност се изменя и капацитета на кондензатора. Измерване на ниво на течност – при нарастване на нивото на проводима течност, достигайки двата полюса на кондензатора, води до неговото разреждане. Измерване на съвсем малки премествания – при преместване на плочите на плосък кондензатор се изменя и неговия капацитет.
  • най-новото приложение на кондензатори с много висок капацитет и много дълъг период на разряд (йонистори) е в електромобили и хибриди.
Свързване на кондензаторите

Кондензаторите могат да бъдат свързвани паралелно, последователно и смесено. Изчисляването на общия капацитет на паралелно свързаните кондензатори става като просто ги сумираме: С=С1 + С2 +…+ Сn.

C paralel

паралелно свързване

Изчисляването на последователно свързани кондензатори става чрез реципрочните им стойности: 1/С=1/С1 + 1/С2 + … + 1/Сn.

C serial

последователно свързване

При смесено свързване общия капацитет се изчислява, като разделим схемата на участъци и изчислим капацитета с помощта на горните формули. Последователно свързване се използва, когато искаме да намалим риска от пробив, защото всеки кондензатор поема само част от потенциалната разлика. Паралелно свързване използваме, когато искаме да постигнем по висок капацитет от капацитета на всеки отделен кондензатор.

May 232014
 
Какво представлява понятието „електроника” ?

Електрониката е инженерна наука, чиято цел е използването за полезни цели на контролирано движение на електрони през различна среда. Възможността за контрол на потоците електрони най-често служи за манипулиране на информация или за управление на различни устройства. Електрониката е клон на електротехниката, която има по-широк предмет, включващ генерирането, разпространението, управлението и приложенията на електроенергия. Каква е историята на електрониката? Историята на електротехниката започва в средата на миналия век, когато е изобретена електронната лампа. До средата на 20 век този дял на техниката се нарича радиотехника, тъй като неговите основни приложения, използващи главно електронни лампи, са свързани с предаването и приемането на радиосигнали. Днес повечето електронни устройства използват полупроводникови компоненти и намират приложение в широк кръг практически области. Още от началото на 19 век, с откриването на електричеството и неговите свойства, се появяват и първите електронни компоненти, но те намират широко практическо приложение едва век по-късно. Развитието на електрониката през следващите десетилетия и до днес, следва две основни посоки – намаляване на размера на базовите компоненти (транзистори, и други подобни устройства), позволяващо все по-ефективна интеграция, по-големи мощности и по-широко приложение, и непрекъснатото усложняване на използваните в електронните устройства методи (например, преходът от аналогова към цифрова обработка на сигнала). В резултат на това електронните апарати стават все по-сложни и намират приложение в повечето области на техниката, както и във всекидневието.

Електрониката и нейните цели.

Целта на електрониката е да създава практически приложими уреди. На базата на един постоянен източник на енергия, чрез пасивни електротехнически и електронни компоненти, активно управляващи потока електрони в една електрическа верига, се постига трансформиране на неелектрически величини в електрически и обратно, управляват се и се усилват електрически сигнали, става възможно създаване на електромагнитно поле в пространството, като с това се осъществява безжична връзка на големи разстояния. В исторически план се обособяват различни поколения уреди, като размерите на отделните им компоненти и консумацията на ток прогресивно намаляват. Тези уреди се разделят на: 1. уреди, изградени на базата на електронни лампи 2. уреди, изградени на базата на дискретни полупроводници 3. уреди, изградени на базата на устройства с размери от порядъка на нанометри (наноелектроника). 4. уреди, изградени на базата на релета 5. уреди, изградени на базата на полупроводникови интегрални схеми (микроелектроника) Основната задача на тези уреди е пренасяне и обработване на сигнали и информация. Електронен компонент е всеки физически обект в електронна система, чието предназначение е да влияе на електроните или техните полета по желания начин, съвместим с функцията на електронната система. В повечето случаи елементите са свързани електромеханично чрез запояване върху печатна платка, за да се създаде електронна верига с определена функция (например усилвател, радио приемник, или генератор). Компонентите може да са самостоятелно или в по-сложни групи като например интегралните схеми. В зависимост от това дали обработват аналогови или цифрови сигнали, електронните вериги и съответно уредите, изградени от тях, се разделят на аналогови и цифрови. Какво представляват електронните сигнали? Основна задача на електрониката е обработката чрез физически компоненти, понякога задействани от вграден софтуер, на електронните сигнали – физични величини, разглеждани като носител на информация. Най-често тази функция се изпълнява от електрическо напрежение или електрически ток, но също и от други величини, като електрично или магнитно поле. Електронните сигнали обикновено се разделят на 3 основни групи, според начина на отчитане на сигнала и неговото използване – аналогови, цифрови и силови сигнали. В много случаи е уместно сигналите да се разделят на два компонента – полезен сигнал, съдържащ търсената информация, и шум. Този сигнал се разделя на аналогов, цифров, смесен и силов сигнал.

Вериги с аналогов сигнал.

При веригите с аналогов сигнал физичната величина, използвана за пренос на информация, се разглежда като непрекъсната във времето, за разлика от цифровите вериги, при които сигналът има дискретни стойности. Възможните стойности на аналоговия сигнал са безкрайно много и образуват непрекъснат интервал. Тази особеност на аналоговите сигнали силно затруднява съхраняването на информация и извършването на аритметични операции върху данните, в което е основното преимущество на цифровите вериги. Основните области на приложение на веригите с аналогов сигнал са радиотехниката, аудиотехниката и видеотехниката. Пример за аналогови вериги са вакуумните лампи и транзисторните усилватели, операционните усилватели и генератори.

Вериги с цифров сигнал.

Цифровите сигнали, за разлика от аналоговите, могат да заемат само определен набор дискретни стойности, които могат да бъдат кодирани в цели двоични числа. В най-простия вариант цифровият сигнал може да заема само две стойности – 0 и 1. Цифровите вериги са материално реализиране на булевата алгебра и са в основата на съвременната изчислителна техника. Термините „цифрова верига“, „цифрова система“ и „логика“ са синоними в контекста за цифровите вериги. Основно приложение на веригите с цифров сигнал са интегралните схеми, в частност микропроцесорите и микроконтролерите, а съвременните компютри са съставени почти изцяло от цифрови електронни устройства. В наши дни цифровите вериги изместват все повече аналоговите, поради своята по-лесна разработка, по-висока степен на интеграция и по-гъвкава употреба.

Вериги със смесен сигнал.

Веригите със смесен сигнал се отнасят към интегралните схеми (ИС), които съдържат аналогови и цифрови вериги, комбинирани в една полупроводникова подложка или върху една печатна платка. Смесените вериги обикновено се използват за управление на аналогови устройства с цифрова логика, например за регулиране на оборотите на двигател. Микроелектротехника. Микроелектрониката е област на електрониката, която е свързана с изучаването и производството на миниатюрни електронни компоненти. Производственият процес се базира на планарната технология, свързан е с производството на интегрални схеми и протича в специално построени за целта заводи, в които се вземат специални мерки за висока степен на чистота и обезпрашеност поради това, че и най-малка прашинка може да повреди готовото изделие. Много електронни компоненти имат своите миниатюрни еквиваленти върху интегралните схеми: транзистори, кондензатори, резистори, диоди.

Обобщение.

Безспорно електрониката и електронните устройства са неизменна част от нашето ежедневие. 99% от хората на XXI век използват мобилни телефони, компютри, таблети и телевизори всеки ден. Живеем във време на непрекъснат технически прогрес. Технологии и решения, които неотдавна бяха трудно постижими за средностатистическия човек, днес са част от ежедневието ни и постоянно се срещат в нашите домове. Невъзможно е да си представим живот без хладилник и микровълнова печка. А телевизорът се е превърнал в абсолютна необходимост. От обективна гледна точка, тази домашна техника служи да задоволи различни нужди, като през годините сме наблюдавали огромен прираст в продажбите й.

Автор: Милко Романски

May 212014
 
fi

По определение факторът на мощността (Power Factor – PF) на източника на променлив ток – това е отношението на активната мощност във ватове към пълната мощност, изчислени като произведение между ток и напрежение. PF = Активна мощност/ Пълна мощност От този израз се вижда, че коефициентът на мощността може да приема стойности единствено в диапазон между 0 и 1. Следователно, когато токът и напрежението са синусоидални и са във фаза – PF = 1. Ако токът и напрежението са синусоидални и са дефазирани, общата мощност ще е по-голяма от активната и в този случай, коефициентът на мощността е равен на косинус от ъгъла между тока и напрежението. Коефициентът на мощността е равен на 1 в идеалният случай, когато товарът е чисто резистивен и линеен. В реалните електронни системи на офлайн захранванията от типа AC/DC, източника на енергия е с определен импулсен характер и представлява нелинеен товар. В днешно време, най-често се използват именно импулсни захранвания, изкривяващи синусоидалната форма на входния ток и напрежение и довеждащи до промяна на фазовият ъгъл между тях. Когато фазите на тока и напрежението не съвпадат, коефициентът на мощността е по-малък от единица. Освен загуби, коефициентът на мощността, по-малък от единица, предизвиква появата на хармоници, които изместват напреженовата неутрала и влияят зле на работата на други устройства включени в мрежата. Колкото е по-малък факторът на мощността, толкова е по-голямо наличието на хармоници в мрежата и обратно. Именно по тази причина има строги правила, ограничаващи нивото на нелинейните изкривявания, допускани в мрежите за променлив ток. Например в Европа е разработен стандарт EN61000-3-2, определящ допуска за вкарването на хармоници от електронни устройства обратно в мрежата. Той се прилага за всички електронни системи клас D (компютри, лаптопи, монитори, тунери и телевизори), консумиращи повече от 75 W. Този стандарт в днешно време е приет и на международно ниво. За да удовлетворят изискванията на стандартите по отношение на нивото на нелинейните изкривявания и за да поддържат висока стойност на фактора на мощността, в устройствата преобразуващи променлив ток в постоянен с цел захранване на електронни уреди с консумация над 75 W, е необходимо да се предвиди корекция на фактора на мощността (PFC – power factor corection). Поставянето на коректор позволява да се постигне голяма стойност на коефициента на мощността и гарантира намаляване на хармониците в променливотоковата верига. Съществуват много пасивни и активни схеми за корекция на фактора на мощността. Пасивни коректори на фактора на мощността Най-простият начин за контрол на хармониците на тока се осъществява с използването на пасивен филтър, пропускащ ток единствено с мрeжова честота (50-60Hz). Този филтър намалява хармоничните съставки на тока и включеното в мрежата нелинейно устройство, по този начин, започва да прилича по характеристики на линейно. С помощта на филтъра изграден от кондензатори и индуктивности, факторът на мощността може да бъде приближен към единица, обаче недостатъкът на такова решение е необходимостта от използване на високоамперни намотки и високоволтови кондензатори, заемащи много място а и доста скъпи.

fi

Фиг.1 От съпоставянето на кривите се вижда, че активният контролер на факторът на мощността в захранващият източник значително превъзхожда пасивния коректор и с голям запас удовлетворява изискванията на евростандарта EN/IEC61000-3-2 относно нивото на хармоници в мрежата за променлив ток.

На фиг.1 се демонстрират входните хармоници на три различни компютърни източници с мощност 250 W на фона на ограничението на стандарта EN/IEC61000-3-2 за устройства клас D. Амплитудите на хармониците са пропорционални на входящата мощност на тези устройства. Пасивният коректор на факторът на мощността осигурява съответствие със стандарта само относно нивото на третия хармоник. Захранването, в което е приложена схема с активен коректор на фактора на мощността не просто отговаря на стандарта EN/IEC61000-3-2, но и значително надвишава неговите изисквания. Независимо от простото схемотехническо решение и честата употреба, схемите с пасивни коректори на фактора на мощността имат редица недостатъци. Първо, габаритите на бобината с индуктивността създава известни ограничения в приложението и в много устройства. Второ, за да се осигури използването на устройството в различни държави е необходимо да се снабди с превключвател за входното напрежение (110/220V). Това от своя страна повишава риска от изгаряне на уреда, вследствие на грешка на ползвателя. И накрая, захранващото напрежение не може да се регулира, което оказва влияние на цената и ефективността на работа на DC/DC преобразувател, разположен след коректора на фактора на мощността. Активни коректори на фактора на мощността.

активен коректор на фи

Активен коректор на фактора на мощността.

Покрай добрите характеристики, ръста в цените на медта и материала на магнитните сърцевини, в съчетание с постоянното намаление на стойността на полупроводниковите елементи, везните се накланят в полза на използването на активните коректори на фактора на мощността. Съществуват три основни вида микросхеми за активни коректори на cosϕ: 1. Режим на критическа проводимост. 2. Режим с непрекъсната проводимост. 3. Режим на прекъсната проводимост. Подобни коректори се предлагат от различни производители, като всеки използва собствена аргументация за обосновка на целесъобразността и областта на приложение на различните коректори. Схемата на управление в режим на критическа проводимост задържа токът в индуктивната бобина на границата между непрекъснатата и прекъснатата проводимост. Някои производители предпочитат да наричат този режим, режим на гранична проводимост и се реализират по разнообразни схеми с управление по напрежение за източници на захранване със средна мощност (до 300 W). За корекция на факторът на мощността в микросхемите са използват метод за управление на времето на включване, позволяващ едновременно да се изпълнят функциите на коректор на cos ϕ и регулация на входното напрежение. Вследствие намаляването на нивото на пиковете, изглаждане на пулсациите и опростяване на филтрирането, режимът на непрекъснатата проводимост широко се прилага при средна и висока мощност. Режимът на прекъсната проводимост се предпочита при устройства със средна и ниска мощност. При създаването на активен контролер на cos ϕ са внедрени цифрови технологии, позволяващи да се изключат ред външни компоненти, необходими при аналогови устройства, и да се предложат решения с малко загуби за захранвания за лаптопи, компютри и цифрови TV приемници. За постигане на фактор на мощността близък до единица и за намаляване на електромагнитните излъчвания в микросхемите се използват алгоритми с управление на времето на включване и контрол на честотата. В заключение можем да кажем, че поради строгите изисквания на стандарти от типа на EN/IEC61000-3-2 и негови международни аналози, производителите на контролери на фактора на мощността в последните години се увеличи, предоставяйки на разработчиците по-големи възможности за създаване на решения за подобряване на фактора на мощността при малки загуби и с минимално количество елементи.

May 052014
 

 

 

 Начинът за получаване на енергията, необходима за извършването на механична работа в производствените процеси е оказал решаващо влияние на развитието на производствените сили през всички етапи в историята на човешкото общество. Едно такова оборудване, което създава огромен скок за човечеството, кактo във вътрешни, така и в индустриални сектори е „електрозадвижването“ (ЕЗ).

Основен потребител на електрическа енергия (повече от 60% – 65%) са електромеханичните системи (ЕМС) — електрозадвижвания, работещи в състава на различни промишлени, транспортни и битови механизми и агрегати. Ролята на ЕМС непрекъснато нараства и понастящем те започнаха да влияят върху конструкцията на съответните задвижвани механизми и агрегати, подобрявайки техните динамични характеристики  и функционални възможности. Някои типични примери  за икономия на енергия, вследствие на замяната на нерегулируемите задвижвания с регулируеми, са механизми като: помпи – 25%, вентилатори – 30%, компресори – 40% и центрофуги – 50%. Поради все по високата степен на автоматизация  на производствените процеси и необходимостта от пестене на електроенергия се e увеличил ръстът на регулируемите задвижвания за сметка на нерегулируемите.

Все по-високите изисквания по отношение на производителност, точност и ефективност от една страна и бързото развитие на съвременната елементна база  от друга, налагат постоянно усъвършенстване на ЕМС в различните области на промишлеността, транспорта, строителството, бита и т.н.

Някои устойчиви тенденции в развитието на ЕМС са усъвършенстване на полупроводниковата елементна база, използване на цифровото управление, подобряване конструкцията на двигателите, изграждане на интегрирани електрозадвижвания, съкращаване на кинематичните вериги, изграждане на блочно-модулният принцип, дистанционното управление на електрозадвижванията, разработване на интелигентни електрозадвижвания и замяна на постояннотоковите  ЕМС с променливотокови.

Двигателите за постоянен ток са по-лесно управляеми от променливотоковите двигатели, поради невъзможността за независимо регулиране на техните координати (магнитен поток и момент). Основната причина за тяхното отстъпление са недостатъците дължащи се на  наличие на колекторно-четков апарат, ограничени комутационни възможности при високи скорости, което налага въвеждане на независимо от скоростта токоограничение, непригодност за работа във взривоопасни и корозионни среди,  необходимост от периодична поддръжка на колекторно-четковия апарат, голям обем и малко съотнoшение мощност / тегло. Тези проблеми могат да бъдат решени от приложението на променливотоковите двигатели, които имат проста и здрава конструкция, висока експлоатационна сигурност,  икономичност, здравина и издръжливост на тежки претоварвания. Бързото развитие на силовата електроника и микроелектрониката създава добри възможности за успешно преодоляване на по-сложните проблеми при тяхното управление и широкото им внедряване в практиката. Друга важна тенденция в развитието на ЕМС е засилване интереса към ЕМС с безсензорно управление. При такива електрозадвижвания основните регулируеми координати (скорост и ъглова позиция) се оценяват косвено, без електромеханични датчици. Използването на бързи микропроцесорни системи позволява в редица случаи скъпите датчици на движение да отпадат, а съответните координати да се изчисляват на базата на електрически сигнали, които са достъпни за измерване.

Елиминирането на датчиците, монтирани на вала на двигателя осигурява ниска цена на електрозадвижването като цяло, по-висока сигурност при работа в неблагоприятни среди (високо налягане, повишена температура, влажност и др.), по-добра компактност, по-лесна експлоатационна поддръжка на системата на системата за електрозадвижване, както и много високи скорости. Въпреки предимствата на системите с безсензорно управление понастоящем те не са в състояние да изместят системите с електромеханични датчици без налагане на някои ограничения в задвижванията, но може да се отбележи , че като тенденция безсензорното управление се счита за много перспективно..

Системите за управление на променливотоковите електродвигатели може да се разделят най-общо на две групи – системи за скаларно управление и системи за векторно управление. При скаларното управление съответните променливи се управляват само по стойност, като някои примери за скаларно управление на асинхронни двигатели са системи с регулиране на напрежението посредством комутатори на променлив ток и системи за честотно управление, при които стойността на статорното напрежение се променя в съответствие с честотата, за да се осигури постоянна претоварваща способност. При векторното управление съответните променливи се управляват както по стойност, така и по фаза, като не се изисква висока статична точност и широк диапазон на регулиране на скоростта. Въртящият момент  и компонентите на тока са отделени и преходните характеристики са сходни с тези на постояннотоковите машини с независимо възбуждане  и системата се адаптира към всякакви претоварвания толкова бързо, колкото постояннотоковите двигатели. Така това управление на променливотоковите машини става мощна и често взаимствана технология в световен мащаб.

Регулирането на скоростта чрез изменение на честотата на тока е един от най-икономичните начини с най-големи перспективи за приложение. С регулиране честотата на тока се изменя синхронната скорост на двигателя, а оттам се получават нови механични характеристики. Трябва да се има в предвид, че за новите механични характеристики е необходимо да се осигури достатъчна претоварваща способност на двигателя и съответно пусков момент. За тази цел заедно с регулирането на честотата трябва да се изменя и напрежението на захранващата мрежа.

В  края  на  50-те  и началото на 60-те  години  на миналия  век, диапазонът на приложение на асинхронни двигатели с управление по известния закон U/f= const е ограничен, когато става въпрос за експлоатация при ниски скорости. Съвременните електрозадвижвания с управление при U/f= const използват широчинно – импулсна модулация и инвертори с IGBT (биполярни транзистори с изолирана база) с широк диапазон на изменение на скоростта, включително и много ниски скорости , въпреки че експлоатацията при скорости приблизително равни на нула (честота на управляващото напрежение по-малка от 1Hz) си остава сериозно предизвикателство, поради проява на нелинейност на инвертора при ниски изходни напрежения. Специфичен случай е, когато се пренебрегва активното статорно съпротивление и при поддържане на постоянна честота на хлъзгане, статичната механична характеристика на асинхронния двигател може да се определи като функция на честотата чрез пълното съпротивление (импеданс) на заместващата схема. Следователно, ако U/f= const, статорният поток, статорният ток и въртящия момент ще са равни за равните хлъзгания. Тази особеност предполага, че за да се регулира въртящия момент, трябва просто да се приложи правилното съотношение на U/f към намотките на статора. Този прост директен подход, обаче в действителност не може да се осъществи, поради влиянието на няколко фактора, най-важните от които са:

1.  Влияние на измененията на захранващо напрежение;

2.  Влияние на статорното активно съпротивление;

3.  Влияние на хлъзгането;

4. Влияние  на  нелинейността,  причинена  от широчинно – импулсната модулация на инвертора.

Практически е трудно да се осъществи режим на работа при ниски честоти, тъй като тези влияния се проявяват при ниските напрежения.Същo така, нелинейностите в инвертора,  ако той не е правилно компенсиран, водят до големи изкривявания на изходните напрежения, което на свой ред предизвиква пулсации на въртящия момент, води до вибрации и увеличаване на шума. Други изисквания, които трябва да се вземат под внимание при реализацията на електрозадвижвания с „идеално“ отношение U/f= const, са:

1. Измерване и регулиране на тока.

2. Промени в коефициента на усилване на инвертора, поради пропускане на импулси.

1

         При регулируемите по скорост асинхронни електрозадвижвания е необходимо да бъде определяна непрекъснато скоростта им на въртене. Тя може да бъде определена с помощта на сензори или безсензорно. Сензорното определяне на скоростта най-често се осъществява с датчик на Хол, който представлява преобразувател, изменящ изходното си напрежение в резултат на промяна на магнитното поле. При преминаване на електричество през намотките на електродвигателя се създава магнитно поле, чиято големина зависи от големината на протичащия през тях ток.

Схемата по-долу, илюстрира принципа на определяне на роторното потокосцепление посредством датчици на Хол , където използваните означения са следните ДРП – датчик на роторното потокосцепление; КП – коордиантен преобразувател; ДХ1 и ДХ2 – датчици на Хол.

2

Схема за измерване на потокосцеплението във въздушната междина с датчици на Хол

        Датчиците на Хол:  ДХ1 и ДХ2 са разположени във въздушната междина на двигателя и с тях се измерват моментни стойности на магнитната индукция в местата, където са монтирани. Въртящото се магнитно поле създава в тези датчици съответни сигнали, които по-нататък може да се използват за определяне на роторното потокосцепление, а от там по определени зависимости и на скоростта на въртене на електродвигателя.

Безсензорното определяне на скоростта има предимства като намаляване размерите и цената на машината, липсата на енкодер или тахогенератор, облекчава работата с конкретното задвижване, отпадането на кабел за сензора и повишаване на надеждността. През последните години са предложени различни начини за безсензорно определяне на скоростта.

Безсензорното определяне на скоростта може да се реализирa чрез използването на различни методи, сложността на които в значителна степен се  определя от необходимия диапазон на регулиране на задвижването и изискванията към точността на измерване на скоростта. Mетодите за определяне на скоростта на асинхронния двигател се класифицират в пет групи.

Към първата група се отнасят неадаптивните методи, в които скоростта се определя непосредствено чрез измерваните напрежение и ток на статора, и методи, основани на определянето на скоростта, чрез определяни в схемата на честота на захранващото напрежение и роторното ЕДН.

Втората група са адаптивните методи. Те са ориентирани към приложение в затворени системи за регулиране на електрозадвижването, в които адаптацията се прилага за повишаване на точността на измервателната система.

В третата група влизат методи, основани на конструктивните особености на двигателя и използващи информацията, която се съдържа намагнитващата крива  на машината.

Четвъртата група – това са нелинейни методи, базиращи се на теорията на невроннните мрежи, а последната, петата група – група методи, използващи допълнителни високочестотни сигнали или друга допълнителна информация за повишаване на точността. Разработена е система за безсензорно управление на асинхронен двигател с ориентация на магнитното поле  и с нея се изследват разработените начини за определяне на скоростта по различни показатели като обща работоспособност, статична грешка, динамично поведение, стабилност на управление при ниски скорости и чувствителност към промяна на параметрите.

При моделно зададените адаптивни системи се сравняват изходите на два модела. Управлението с адаптивен модел на обекта постига работоспособност и високи резултати, поради наличието на еталонния модел, който определя точно желаните характеристики. Моделът, който не включва изчислителни величини, се отбелязва като зададен модел на асинхронната машина, а моделът който включва изчислителните величини, може да се регулира като настройващ (адаптиращ) се модел. Адаптивната схема използва статорните напрежения и токове, за да сравнява изхода на еталонния модел с изхода на адаптивния модел. След това скоростта на ротора се изчислява на базата на разликата между тези променливи.

3

Основна структурна схема за оценка на скоростта на база моделнозададенa адаптивна система

 

Измервателната система на стенда е съставена от модул за преобразуване на измерваните величини, включващ три напрежителни трансдюсера тип LV25-P и три токови трансдюсера тип LTS-15NP на фирмата LEM, които получават информация директно от електродвигателите, компютърна платка NI USB-6009 на фирмата National Instruments за преобразуване на измерените величини във вид, подходящ за обработка от компютъра, персонален компютър за обмена на информацията, съответните електродвигатели, които ще изследваме и софтуерна среда в случая Matlab Simulink. С помощта на разработените адаптивни схеми моделирани и описани в литературата и схемата на опитната постановка, посочена на фигурата по-долу са изследвани преходните процеси при пускане на празен ход на асинхронни машини съответно тип T80B-4 с номинална мощност 0,75kW, тип AO-90S-4; с номинална мощност 1,1kW и тип AOM-412/4 и  с номинална мощност 2,8kW.

4

Схема на опитната постановка за безсензорно определяне на скоростта

 5

Сравнение на измерената с датчик на Хол скорост (синя) и безсензорно определената (червена) скорост на асинхронния електродвигател

 

 Представените начини за определяне на скоростта са сравнени и изследвани по различни показатели на качеството на преходния процес на асихронната машина като: обща работоспособност, статична грешка, динамично поведение при промяна на товарния момент, стабилност на управлението при ниски скорости и чувствителност към промяна на параметрите.

Икономическата оценка на резултатите е пряко свързана с оценката на техническите (хардуерни и софтуерни) решения, приложени в разработката. При изграждането на система за управление на  електрозадвижвания наред с цифровата система за управление е нужно да се обезпечи и преобразувателна периферия за връзка със силовата част за измерване (токове и напрежения). Измерванията на токове и напрежения се реализират с т. нар. токови и напреженови трансдюсери, чиито цени варират около 50лв / бр. Също така трябва да споменем и АЦП / ЦАП модул на National Instruments, благодарение на който се реализира комуникацията на задвижванията с програмната среда, цената на който е около 270 €. Наред с тази оценка , не на последно място, трябва де се има в предвид и цената на използвания софтуер (Matlab/ Simulink ), която е от порядъка на няколко хиляди лева. От икономическа гледна точка и  малкото, но достатъчно спомената информация по-горе, можем да отбележим, че за реализиране на една такава система за изследване на електрозадвижване ни е нужна сериозна инвестиция. От гледна точка на техническата ефективност може да се отчете сравнително лесното конструиране на системата, като добрата комуникация между елементите, бързото представяне на нужната информация от модула на National Instruments (NI 6009 USB) към добре познатата ни софтуерна среда на Matlab Simulink. От представените до тук експериментални и теоретични резултати, които са пряко свързани, можем да кажем че системата доказва своята работоспособност и може да бъде използвана в лабораторни и научни среди.

Автор: Йосиф Пищийски