Mehatronika u EE

7/25/2019 Mehatronika u EE

1/15

Vanr.prof.dr Mirsad Kapetanovi

OSNOVE MEHATRONIKEifra predmeta: ETF EEI OMT 2460

primjeri mehatronikih sistema u elektroenergetici

Nastavnik: Vanr.prof.dr Mirsad KAPETANOVI,dipl.el.ing

Elektrotehniki fakultet Univerziteta u Sarajevu

2


primjeri mehatronikih sistema u elektroenergetici

strujni mjerni transformatori (current instrument transformer)

naponski mjerni transformatori (voltage instrument transformer)

Nekonvencionalni mjerni transformatori(non-conventional instrument transformers)


2/15

3


Mjerni transformatori: definicije

Mjerni transformatorje transformator namjenjen za napajanje mjernih instrumenata, brojila,releja i drugih slinih aparata.

Strujni transformatorje transformator kod kojeg je sekundarna struja, u normalnimuslovima, proporcionalna primarnoj struji i ima isti fazni ugao.

Strujni transformator za mjerenje napaja mjerne instrumenate, brojila i druge slineaparate.

Strujni transformator za zatitu napaja zatitne releje.

Naponski transformatorje transformator kod kojeg je sekundarni napon, u normalnimuslovima, proporcionalan primarnom naponu i ima isti fazni ugao.

Naponski transformator za mjerenje napaja mjerne instrumenate, brojila i druge slineaparate.

Naponski transformator za zatitu napaja zatitne releje.

4


Mjerni transformatori: klasifikacija

Prema mjernoj veliin i: strujni transformatori naponski transformatori

Prema namjeni: transformatori za mjerenje i transformatori za zatit u

Prema naponskom nivou: niskonaponski mjerni transformatori

srednjenaponski mjerni transformatori visokonaponski mjerni transformatoriPrema izolacionom mediju:

suhoizolovani mjerni transformatori uljni mjerni transformatori SF6 mjerni transformatori

Prema tehnolokiji izrade: konvencionalni mjerni transformatori nekonvencionalni mjerni transformatori

itd...


3/15

5


Nekonvencionalni mjerni transformatori: mot ivacija za razvoj i upotrebu

Tehnoloki progres informacionih tehnologija (IT), elektronike i optoelektronike u posljednjihdvadesetak godina ima veoma bitan uticaj na promjene koncepcije VN aparata ipostrojenja koje karakterizira:

kompaktizacija postrojenja i digitalna zatita koja zahtijeva malu snagu za svoj rad

Posebno se to odnosi na nekonvencionalne mjerne transformatore. Nekonvencionalni strujnii naponski mjerni transformatori zbog malih dimenzija i digitalnog izlaza prirodno nalazesvoje mjesto u novoj arhitekturi VN postrojenja.

Tako se, pored konvencionalnog naina mjerenja struje i napona (koristei klasine strujne inaponske mjerne transformatore), u elektroenergetskim sistemima sve ee primjenjujui nekonvencionalni naini mjerenja.

Motivacija za razvoj i upotrebu nekonvencionalnih mjernih transformatora (NCIT NonConventional Instrument Transformers) i postepeno naputanje dosadanjeg(konvencionalnog) naina mjerenja, jeste:

stalna tenja za smanjenjem tro kova,

integracija opreme i kompaktizacija pos trojenja, poveanje pouzdanosti, poveanje tanosti mjerenja, jednos tavni ja instalaci ja, putanje u pogon, podeavanje i serv is , ouvanje i zatita okoline, brojne dodatne prednosti vezane za primjenu digitalne tehnike.

6


Fiberoptiki kablovi

Nekonvencionalni mjerni transformatori za prenos informacija koriste optike prenosne sisteme, tj.fiberoptike kablove.

Fiberoptiki kabl (optical fiber cable) je cilindrini dielektrini talasovod (svjetlovod) koji se sastoji odjednog ili vie optikih vlakana dizajniranih tako da provode svjetlost svojom duinom koristei totalnu

unutranju refleksiju.

Optiko vlakno (optical fiber) se sastoji od jezgre, omotaa i zatitnog omotaa. Omota ima uloguogledala. Prvi je proizveden 1970. godine a do danas su usavreni i koriste se u medicini, avijaciji,

telekomunikacijama, elektroenergetici itd.


4/15

7


Fiberoptiki kablovi

Brzina kojom se svjetlost prenosi kroz ove kablove je veomavelika (oko 200.000 km/s).

Prenosni kapacitet informacijaje veoma veliki. Optikavlakna su mnogo tanja od bakarnih elektrinih vodova pase u isti popreni presjek moe smjestiti mnogo vievodova, to znai vie telefonskih linija, TV kanala i slino.

Frekventni pr enosni opseg pomnoen sa prenosnomudaljenosti iznosi od 1 do 100 GHzkm. Signal moguprenositi na daljine od 80 km do 140 km bez regeneracijesignala.

Regeneracija signala se vri u optikim pojaalima, koja senalaze izmeu izvora signala i njegove destinacije.

Pored navedenih, bitne su i slijedee prednosti koje nam nudiovakav prenos informacija:

imunost na elektromagnetne uticaje,

nema meusobnih smetnji,

idealni su za prenos digitalnih informacija

visoka elektrina otpornost, to ih ini pogodnim zakoritenje u blizini visokog napona ili izmeu podrujarazliitih potencijala,

mehanika fleksibilnost, to se koristi za fleksibilne kamereu medicini, inspekciji varova u mainama, cijevima,inspekcija odvoda, ...

nema opasnosti od iskri, to je bitno u zapaljivoj sredini,

nema radioaktivnosti,

mala teina.

8


Polarizovana svjetlost

Svjetlost predstavlja elektromagnetni talas koji se transferzalno prostire krozvakum.

Transferzalna priroda svjetlosnog talasaje sasvim drugaija od ostalihtransferzalnih talasa. Za razliku od transferzalnog vibriranja nategnute ice,

naprimjer, svjetlosne vibracije se mogu deavati u vie ravni istovremeno (slika

a, desno). Takva svjetlost naziva se nepolarizovana svjetlost. Sunce, plamensvijee, sijalica emituju nepolarizovanu svjetlost. Oakav transferzalni talas je

teko vizuelizirati, pa je od pomoi nepolarizovanu svjetlost predstaviti sa samodvije vibracije, jednu u horizontalnoj, drugu u vertikalnoj ravni (slika b, desno).

Polarizovana svjetlostje svjetlost u kojoj se transferzalne vibracije javljaju samo u

jednoj ravni. Mogue je polarizovati nepolarizovanu svjetlost. Ovaj proces jepoznat pod nazivom polarizacija svj etlosti.

Postoji vie naina polarizacije svjetlosti:

polarizacija uz pomo polaroid filtera

polarizacija pri refleksiji svjetlosti

polarizacija pri prelamanju

polarizacija prilikom prostiranja kroz medij


5/15

9


Polarizacija uz pomo polaroid filtera

10


Polarizacija pri refleksiji svjetlosti


6/15

11


Polarizacija svjetlost i pri prelamanju

12


Polarizacija svjetlosti prilikom prostiranja kroz medij

Polarizacija svjetlosti se takoe deava i prilikom njenog prostiranja kroz medij.

Kada svjetlosni talas naie na atom u nekom mediju, vrlo esto se deava pobuivanjeelektrona koje kasnije rezultira emitovanjem svjetlosti (fotona) u svim pravcima. Novasvjetlost nastavlja sa pobuivanjem ostalih elektrona i tako se proces nastavlja lanano.

Napomena:Ovaj proces doprinosi stvaranju plavetnila neba kada suneva svjetlost prolazi kroz atmosferu.

Ukoliko je materijal izotropan (ima jednaka fizika svojstava u svim pravcima) nema

procesa polarizacije s vjetlosti. Meutim, kako to nerijetko nije slu

aj prilikomprostiranja svjetlosti kroz transparentne anizotropne materijale dolazi do njene

postepene polarizacije.

Napomena:Posljedica ovog procesa prilikom prostiranja suneve svjetlosti u atmosferi jeste bljetavilo neba koje

nam nerijetko pokvari fotografiju. Zbog toga profesionalni fotografi koriste polaroid filtere koji eliminiubljetavilo i tako dobivaju prekrasnu plavu boju neba na svojim fotografijama.

Kako na fizika svojstva nekih materijala djeluje prisustvo elektrinog i magnetnog polja,ova vrsta polarizacije se moe koristiti za mjerenje njhove jaine. Ova pojava sedeava i korist i u pasivnim mjernim sistemima! (Kerrov efekat i Pockelsov efekat zaelektrino polje, a Faradejev efekat za magnetno polje).


7/15

13


Pasivni i aktivni mjerni sistemi

Nekonvencionalni sistemi mjerenja mogu se podijeliti u dvije osnovne grupe:

pasivni mjerni sistemi i

aktivni mjerni sistemi

Pasivni mjerni sistemi nemaju na visokonaponskoj strani aktivnu elektronsku opremu zamodulaciju signala. Nosei optiki signal se sa potencijala zemlje prenosi na VN stranu.

Tamo se modulie se uz pomo pasivnih pretvaraa informacijom o mjernoj veliini.

Zatim se modulisani signal se vraa na potencijal zemlje gdje se vri dalja obrada.

Akti vni m jerni si stemi za mjerenje struje i napona koriste aktivne elektronske komponentena visokonaponskoj strani uz iju pomo moduliu nosei signal informacijom o mjernoj

veliini. Ovako modulisan elektrini signal se pretvara u optiki signal i optikim

prenosnim sistemom (fiber optikim kablom) prenosi na potencijal zemlje gdje se vri

dalja obrada.

Zajedniko i za jedan i za drugi mjerni nekonvencionalni sistem je koritenje optikihprenosnih sistema, zbog ega se ovi nekonvencionalni transformatori nazivaju i optikimjerni transformatori.

Danas postoji vi e tehnikih rjeenja, baziranih na optikim ili hibr idnim senzorima, uzreloj fazi razvoja. Nekoliko svjetskih proizvoaa mjernih transformatora ve nude

komercijalna rjeenja nekonvencionalnih (optikih) mjernih transformatora.

14


ematski prikaz aktivnog mjernog sistema


8/15

15


Pasivni mjerni sistemi

Umjesto direktnog mjerenja odreene veliine, mogu se mjeriti promjene fizikih osobina

nekih materijala pod dejstvom elektrinog ili magnetnog polja u kome se nalaze.

U posebnu grupu pasivnih mjernih sistema spadaju principi koji se baziraju na promjenama

optikih karakteristika nekih materijala pod dejstvom elektrinog ili magnetnog polja u

kome se nalaze:

Kerr efekat

Pockels efekat

Faraday efekat

Svaki od ovih sistema se oslanja na razne mehanizme kojima materijal zakree polarizovanu

svjetlost koja prolazi kroz njega. Ugao rotacije zavisi od elektrinog ili magnetnog polja u

kome se nalazi materijal. Performanse pojedinih sistema uglavnom su odreene

mogunou mjerenja promjena u polarizaciji svjetlosti.

Svjetlost se do dijelova pod visokim naponom moe dovesti i vratiti nazad:

optikim kablovima ili sistemom lasera i odgovarajuih prizmi i li ogledala.

Za mjerenje struje u nekonvencionalnim mjernim transformatorima moe se iskoristiti i

Hall efekat

16


Kerr efekat

Kerr efekatje osobina transparentnih materijala da u prisustvuelektrinog polja postaju dvoosni, mada su u odsustvu polja

jednoosni. To znai da se svjetlosni talas koji ulazi u ovakavmaterijal dijeli u dva talasa koji se prostiru razliitim brzinama,

a to opet znai da imaju dva indeksa loma n1 i n2:

gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu, a v1 i v2 brzinerazdijeljenih talasa svjetlosti u materijalu sa dvostrukim

indeksom loma u prisustvu elektrinog polja.Veliina koja karakterizira ovu pojavu je razlika izmeu ova dva

indeksa loma n:

Promjena n je proporcionalna kvadratu elektrinog polja po emu se ovaj efekat jo naziva i kvadratnielektrooptiki efekat:

gdje su: 0 - talasna duina svjetla; K - Kerrova konstanta; E - jaina elektrinog polja.

Dakle, mjerenjem n moe se odrediti napon U na Kerrovoj eliji (Kerr elementu). Meutim, zbogkvadratne ovisnosti od napona Kerrove elije nisu n ajpogodne za mjerenje.


9/15

17


Kerr efekat

Efekat je 1875. godine otkrio kotski fiziar John Kerr, po emu je efekat i dobio ime.

Svi transparentni materijali ispoljavaju Kerrov efekat, ali neke izotropne (jednakih fizikih svojstava u svimpravcima) tenosti ga iskazuju mnogo jae nego ostali materijali, kao naprimjer nitrobenzol(C6H5NO2), pa imaju jako velike vrijednosti Kerr-ove konstante.

Staklena elija napunjena takvim tenostima naziva se Kerrova elija.

Kako Kerrov efekat ima ekstremno brz odziv (praktino trenutan) na promjene elektrinog polja, Kerroveelije se esto koriste za modulaciju svjetlosti. Svjetlost pomou ovih ureaja moe biti moduliranapri frekvencijama do 10 GHz.

Problem je toksinost i eksplozivnost nitrobenzola.

Zbog veoma kratkog vremena odziva Kerr elementi se najee koriste kao klapne u ultra brzimkamerama.

18


Pockelsov efekat

Pockelsov efekatje elektrooptiki efekat slian Kerrovom efektu, ali je promjena n direktnoproporcionalna jaini elektrinog polja, odnosno naponu na Pockelsovom elementu:

Efekat je 1893. godine prouavao Friedrich Carl Alw in Pockels, po kojem nosi ime.

Ovu osobinu imaju piezoelektrini kristali ija kristalna reetka nema centar simetrije.

Pockelsove elijese izrauju na slian nain kao i Kerrove.

Elektrino polje moe biti primijenjeno na kristal poduno ili popreno u odnosu na snopsvjetlosti.

Ako je polje popreno, potrebe za naponom mogu biti smanjene produivanjem kristala, a

ako je elektrino polje poduno, takve elije trebaju prstenaste elektrode.


10/15

19


Faradeyev efekat

Faradayev efekat ili Faradeyeva rotacija je magnetooptiki efekat koji predstavlja interakciju izmeusvjetlosti i magnetnog polja. Efekat je otkrio Michael Faraday 1845.godine, po kojem je dobio ime. Bioje to prvi eksperimentalni dokaz o povezanosti optike i magnetizma. Pokuavajui da namagnetiesvjetlost, otkrio je rotiranje ravni polarizacije svjetlosti u magnetnom polju.

Efekat se javlja u skoro svim transparentnim (providnim) dielektrinim materijalima, ukljuujui tenosti,

kada su pod dejstvom magnetnog polja.

Faraday-ev efekat je posljedica dekompozicije talasa na dva cirkularno polarizovana talasa (Cirkularnopolarizovani talasje talas kod kojeg vrh vektora polja opisuje krunicu) koja se prostiru razliitimbrzinama, to uzrokuje rotaciju ugla polarizacije.

Ako je L duina elije kroz koji prolazi linearno polarizovani svjetlosni zrak izloen magnetnom polju, veza

izmeu ugla rotacije polarizacije i magnetnog polja u dijamagnetnom materijalu je data sa:

gdje su:

V Verdetova konstanta

ugao rotacije

H jaina magnetnog polja

Amperova teorema omoguava da se Faradayevefekat primjeni za mjerenje struje umjesto

magnetnog polja. Ako svjetlosni zrak pravipuni krug oko vodia sa strujom, integracijomdu puta, Faradayev ugao postaje

proporcionalan struji:

20


Hallov efekat

Efekat je otkrio E.H. Hall 1879. godine. Koristei ovaj efekatje mogue mjeriti struju kroz provodnik ili poluprovodniktrakastog oblika.

Sutina Hallovog efektaje u slijedeem:

Ako je metal ili poluprovodnik kroz koji protie struja I izloenmagnetnom poju B (koje djeluje popreno u odnosu na

struju), inducira se eletrino polje E koje je okomito i namagnetno polje i na struju (slika desno, gore).

Izmeu ivica trakastog provodnika kroz koji protie struja uprisustvu magnetnog polja okomitog na tok struje,javl ja

se napon Uh koji je proporcionalan struji I krozprovodnik i magnetnoj indukciji:

gdje je Rh Hallova konstanta, a d irina trakastog provodnika.

Hall efekat je posljedica Lorentzove sile:

Pod uticajem ove sile dolazi do neravnomjerne distribucijepraznina u kristalnoj reetci provodnika (slike desno,

dole) to se manifestuje kao pojava poprenogelektrinog polja odnosno Hallovog napona Uh.


11/15

21


pula Rogowskog

pula Rogowskogje toroidalni namotaj sa nemagnetnim jezgrom postavljen oko provodnika kroz kojiprotie mjerena struja. Promjenljivo magnetno polje koje stvara struja indukuje napon u namotajukoji je proporcionalan izvodu struje (di/dt).

Izlazni napon ima vrijednost: Uizl=M di/dt, gdje je M vrijednost meuinduktiviteta. Taj napon se integriraelektronskim integratorom tako da se na njegovom izlazu dobiva napon koji vjerno reproduciraoblik struje. Zbog nemagnetnog jezgra ovaj senzor nema nelinearnosti, pa je izlaz praktinoneovisan od frekvencije u irokom dijapazonu odreenom vremenskom konstantom pule, tako dase vjerno mogu reprodukovati veoma brze tranzijentne struje.

Izlazni elektrini signal se E/O konvertorom pretvara u svjetlosni i alje na potencijal zemlje fiberoptikim kablom gdje se O/E konvertorom ponovo pretvara u elektrini i povezuje sa mjerniminstrumentima i zatitom.

22


Hibridni mjerni t ransformatori

Nekonvencionalni mjerni transformatori se mogu

podijeliti u dvije grupe:

Prva grupa su hibridni mjernitransformatori koji kombinujukonvencionalne mjerne transformatore saelektronskim i/ili optikim sistemima.

Druga grupa su optiki mjernitransformatori koji su bazirani nafundamentalnim optikim mjernim

principima.

Ekvivalentne eme hibridnih optikih si stema sa:induktivnim mj ernim tansformatorom, kapacitivnim i

otpornikim djeljiteljima napona


12/15

23


Elektronski NT sa kapacitivnim djeliteljem

Komponente:C1, C2 kapacitivni djelitelj napona

A elektronsko pojaaloTR induktivni magnetni transformatorR2 ulazna impedansa pojaala ARS izlazna impedansa pojaala ARL teret

I elektronski NT sa kapacitivnim djeliteljem (bez optike) je primjer hibridnog mjernog transformatora.

Elektronsko pojaalo se prikljuuje zbog male izlazne snage djelitelja. Pojaalo ima veliku ulaznuimpedansu ime je ostvarena dobra prilagoenost sa djeliteljem i smanjena fazna grekaovakvog primarnog davaa.

Kontinuirano napajanje elektronske opreme koja se koristi kod aktivnih sistema jako je bitno i morabiti neovisno od struje u mrei.

24


Definicija i funkcionalni dij agram nekonvencionalnih mjernih tr ansformatora

Definicija: Nekonvencionalni mjerni transformatorje statiki aparat koji se sastoji od jednog ili viesenzora struje ili napona, koji moe biti spojen preko primarnog konvertora na prenosni sistem isekundarni konvertor, a koji je namijenjen za prenos signala proporcionalnog mjernoj veliini do mjernihinstrumenata, zatitnih ureaja ili upravljakih sistema.

Nekonvencionalni mjerni transformator se esto naziva i elektronski mjerni transformator ili optikimjerni transformator.

Nije neophodno da nekonvencionalni mjerni transformator ima sve elemente prikazane na funkcionalnomblok dijagramu. Primjenjena tehnologija nekonvencionalnog mjernog transformatora odreuje koji suelementi potrebni u njegovoj realizaciji.

Za njihov rad je potrebna mala snaga, na VN strani nemaju elektronsku opremu i za prenos informacijakoriste fiberoptike kablove.


13/15

25


Definicija i funkcionalni dij agram nekonvencionalnih mjernih tr ansformatora

Primarni senzor:Ureaj koji konvertira primarnu mjernu veliinu (struju ili napon) u niskoenergetskianalogni signal pogodan za elektronsku obradu. Primarni senzor je specijalno konstruisan i mehanikiintegriran sa primarnim provodnikom.

Primarni konvertor:Elektronski ureaj smjeten u blizini primarnog senzora iji je zadatak digitalizacija ipredprocesiranje signala u pogodan oblik za prenos do sekundarnog konvertora.

Primarno napajanje: Napaja elektrinom energijom primarni konvertor.Prenosni sistem: Sistem koji povezuje primarne i sekundarne konvertore. Obino je to fiberoptiki kabl

koji prenosi optiki signal.

Sekundarni ko nvertor:Elektronski ureaj smjeten u komandnoj sobi iji je zadatak da signal pretvori ustandardni izlazni format prilagoen mjernom instrumentu, odnosno tipu zatite i sistemu upravljanja.

Sekundarno napajanje: Napaja elektrinom energijom sekundarni konvertor.

26


ematski prikaz optikih mjernih transformatora

Funkcija izolacije optikih mjernihtransformatora je slina kao i kodkonvencionalnih mjernih transformatora.

Osnovna razlika je u:

principu rada senzora za mjerenje

koritenju fiberoptikog kabla za vezui komunikaciju sa senzorom preko E/O iO/E konvertora. Oznake E/O i O/E

oznaavaju konverziju signala,elektronskog u optiki i optikog u

elektronski, koji se prenosi putemkomunikacijske veze.

elektronskom interfejsukoji jepotreban za E/O konverziju iprilagoenje sekundarnog izlaza

ematski prikaz optikih mjernih transformatora.


14/15

27


optoelektronika

1. Optoelektroniki ureaj konvertuje svjetlosni signal izLED dioda u dva linearno pol arizovana signala ialje ih kroz fiberoptiki kabl.

2. Na vrhu potpornog izolatora se nalazi krunipolarizatorsvjetlosti koji dva linearno polarizovanasignala konvertuje u jedan lijevo i jedan desno krunopolarizovani signal.

3. Oba signala putuju oko provodnika vie puta.Magnetno polje koje stvara struja koja tee krozprovodnik jedan signal usporava, a drugi ubrzava. Tajefekat se naziva Faraday-ev efekat (Faraday effect).

4. Nakon to signali dou do kraja fiberoptikog kablareflektuju se na tamo postavljenom ogledalu i vraajuse nazad istim putem. Tom prilikom se efekat duplira.

5. Oba signala ponovo nailaze na kruni polarizator, kojiih sada konvertuje u linearno polarizovane signale.Kada nema struje kroz provodnik, oba signala su ufazi. Meutim, kada struja tee kroz provodnik ona

fazno pomjera signale u suprotnim sm jerovima,zbog ega oni prestaju biti u fazi.6. Svjetlost putuje nazad do optoelektronikog ureaja.

Tu se odreuje fazni stav i tako precizno mjeristruja kroz provodnik. Poto oba signala prelazeidentian put, vibracije i temperaturne promjene imajuisti efekat na oba signala, to znai da nemaju uticajana tanost.

Nekonvencionalni strujni mjerni transformatori

28


1. Napon na prikljuku stvara elektrino poljeizmeu provodnika i zemlje

2. Optoelektroniki ureaj alje svjetlosni signal

iz LED dioda kroz fiberoptiki kabl

3. Svjetlost putuje du linija polja do gornje

elektrode

4. Svjetlost ulazi u Pockelsove kristale(Pockels cells) smjetene na odreenim

pozicijama unutar potpornog izolatora

5. Dok prolazi kroz kristale, elektrino poljemijenja krunu polarizaciju s vjetlosti ueliptinu (kruno polarizovana svjetlost ulaziu kristal, a izlazi eliptino polarizovana

svjetlost). Na osnovu parametara elipse

odreuje se precizno vrijednost polja na

mjestu kristala.

6. Na kraju se, na osnovu vrijednosti poljaodreenog u tri take, precizno odreuje(mjeri) napon. Mjerenje ne zavisi odvanjskih uticaja, kao to je povrinsko

zagaenje izolatora.

Nekonvencionalni naponski mjerni transformatori

optoelektronika


15/15

29


Kombinirani nekonvencionalni strujni i naponski mjerni transformator

Nekonvencionalni mjerni

transformatori, kao i klasini,

mogu se kombinirati .

Kombinirani strujni optiki ikapacitivni naponski mjerni tr ansformator

Mehatronika u EE

Documents

Transcript of Mehatronika u EE