عنوان الموضوع

نبذة عن الموضوع

عنوان الموضوع

نبذة عن الموضوع

عنوان الموضوع

نبذة عن الموضوع

عنوان الموضوع

نبذة عن الموضوع

عنوان الموضوع

نبذة عن الموضوع

الأحد، 29 سبتمبر 2013

Effective Resistance Of Busbars

System with two copper bus bars
System with two copper bus bars

Busbars made up of flat bars

The construction of busbar is usually carried out by putting together several flat bars in parallel for each phase. The spacing between the bars is made equal to their thickness for practical reasons, and this leads to skin and proximity effects.

Figure 1 - Extra loss coefficient in groups of flat bars
Figure 1 - Extra loss coefficient in groups of flat bars

If one refers to published results, no accurate quantitative estimations of these combined effects can be found. An order of magnitude forthe extra loss coefficient K is given in figure 1 for 2 cross-sections of copper: 100 x 5 and 100 x 10 mm.

For each group of 1, 2, 3 or 4 bars, points corresponding to published results encircle a shaded area in which the probable value of K must be situated. In the absence of any more accurate results, the search for a value of K for a set of bars of any size can be made using the curves of figure 1, and equating the set to a single bar of the same height but of a width equal to the overall width of the whole set. The resistance Rc is the equivalent to that of all the bars in parallel.

The coefficient K is here found by excess, but this extrapolation is only valid for bars which are not separated by more than their thickness.

In effect, a generous spacing and a judicious positioning of the bars lead to a reduction in the loss coefficient; for example in figure 2 are shown the coefficients K for groups of 3, 4, 6 and 8 bars of 100 x 6 mm; the closest bars are 6 mm apart, the furthest 60 mm. The relative gain on the losses is 20% for 3 bars and 40% for 4 bars, according as to whether they are in one or two batches. It is rare that the use of 5 bars grouped together is considered because of the high loss coefficient caused by inadequate use of the central bar.

Figure 2 - Extra loss coefficient in groups
Figure 2 - Extra loss coefficient in groups of 3 to 8 flat bars according to their disposition

It has also been proposed to place the 4 bars of a phase along the edges of a square, a solution which gives the advantages of a tubular conductor, but the supports and the tappings become fairly complicated here. 

All these indications concern the skin effect acting simultaneously with the proximity effect, in a group of several bars of the same phase; for 3 phases, if the distance between the closest bars of 2 different phases is less than twice the height of these bars, an inverse proximity effect acts in addition to the two previous effects.

In order to obtain a value for the coefficient K giving the increase in the corresponding losses, one should refer to the DIN standards no. 43.671 [23] which give the coefficient K4 for bars of 5 or 10 mm thickness, or to reference [24] in which the average geometric distances of various shapes of conductor make it possible to carry out the relevant calculation.

An arrangement which is of particular interest in the case of 3 phase system is the so-called sandwich: busbars inter twined or permuted. The bars of each of the phases are not placed in independent groups for each phase, but are on the contrary placed in between each other.

Figure 3 - Busbar having 2 bars per phase (J, R, V)
Figure 3 - Busbar having 2 bars per phase (J, R, V)

A busbar having 2 bars per phase (J, R, V) is thus arranged as in figure 3 ; the proximity effects are eliminated, the current density in each bar is almost identical and the coefficient K is little over 1.

Two disadvantages limit the general use of this process: certain complications in the connection and joints, and the difficulty of obtaining isolation of the phases, even at low voltages.

An additional advantage is the reduction in the electrodynamic stresses, to which can be added a decrease in the inductance per phase by a factor of 10;  this last characteristic of sandwich type busbars has a favorable effect on the induced voltage drop in normal operation, but leads to an increase in the value of short-circuit current.
 

Minimal heating, or reduction in the extra losses?

Up till now the effects mentioned have only been analysed from the point of view of the increase in the effective A.C. resistance, that is of the extra losses produced by the Joule effect.

The normal consequence is increased heating of the conductors, but this is sometimes compensated for by adopting an arrangement  which favors cooling by radiation or convection. 

Now the heating is at present time the only important criterion taken into consideration for the designing of a high current conductor; however the minimal heating is not always found in conjunction with the lowest loss coefficient; it can be seen from figure 15 that the coefficient K is more or less the same for one 100 x 10 bar or two 100 x 5 bars, but because of the larger cooling surface in the latter case, it is possible, at equivalent heatings, to obtain a current of 10% greater, and thus losses which are 20% greater.

Another characteristic example is the tubular conductor whose optimized shape guarantees a coefficient K close to 1; however this tube has the smallest cooling surface (without any forced ventilation on the inside) and it can be seen in Figure 4 that it is far from having the profile which carries the highest current, for a heating and a cross-section the same as other configurations.

Figure 4 - comparison of profiles having equal total cross-section
Figure 4 - comparison of profiles having equal total cross-section

The designer of a high current conductor will sometimes be advised to choose a technology not only according to the heating produced, but also according to the total losses.
 

Resistivity of the metal, copper or aluminium?

It was assumed in what has preceded that the metal used was copper; it now should be noted that the skin and proximity effects become more marked as the resistance decreases.

A copper conductor will thus have a higher loss coefficient than the same conductor made of aluminium, but the latter, requiring a cross-section 1.6 times greater to obtain the same resistance (for a direct current), losses this advantage over the copper conductor because the two conductors have the same coefficient K for the same shape and the same resistance Rc.

In practice, the replacement of copper by aluminium is not done on the basis of equivalent resistance or voltage drop but rather on that of equivalent heating; this amounts to multiplying the cross-section by 1.4 to 1.5 only, in order to take into account the improved cooling of the larger surface.

To sum up, for equal heating, an aluminium conductor has a better loss coefficient than an equivalent copper conductor; it must not be forgotten however that this entails higher losses which must be evacuated and also paid for.
 
The price per kilo and the much lower density of aluminium are the determining factors which lead to the metal being chosen to high current intensity conductors.
 

Influence of the frequency

Only the industrial frequency of 50 Hz has been taken into consideration in the preceding calculations; their accuracy which is only relative however makes them valid for frequencies of up to 60 Hz. Extra loss coefficient for the skin effect in cylindrical conductors (tubes and flat rods) at 50 or 60 Hz can be used for any other frequency with the corrections given.

Amongst these frequencies 25 Hz is hardly ever used; as for 16 2/3 Hz it can be assimilated to direct current. Serious problems of skin effect are set by the 400 Hz frequency which is used for special circuits (marine, aviation, etc.), as soon as the current reaches a few hundred amperes: the “skin ” of the copper is reduced to 3 mm at this frequency.

In industrial networks, harmonic currents having frequencies which are multiples of 50 Hz (the harmonics 3 and 11 cause the most nuisance) can be superposed to the fundamental frequency. These currents encounter an effectively increased resistance and significant losses and heating occur.

SOURCE: Schneider  Electric Cahier technique no. 83 – Extra losses caused in high current conductors by skin and proximity effects .

السبت، 28 سبتمبر 2013

الخلية الشمسية أو الضوئية أو الكهروضوئية




 

جهاز يحول الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية مستغلا التأثير الضوئي الجهدي.

تستخدم التجمعات من الخلايا الشمسية (وحدات الطاقة الشمسية) لالتقاط الطاقة من ضوء الشمس, عندما يتم تجميع وحدات متعددة معاً (حيث تكون أولوية التركيب بنظام تعقب قطبي محمول) يتم تركيب هذه الخلايا الضوئية كوحدة واحدة يتم توجيهها على سطح واحد وتسمى بلوح الطاقة الشمسية (solar panel.).. إن الطاقة الكهربائية الناتجة من الوحدات الضوئية (Solar power). وتعتبر مثالأ على استخدام الطاقة الشمسية(solar energy)..

 إن الخلايا الكهروضوئية هو مجال التكنولوجيا والبحوث المتعلقة بالتطبيق العملي في إنتاج الكهرباء من الضوء، لكن وعلى الرغم من ذلك غالبا ما يستعمل على وجه التحديد بالإشارة إلى توليد الكهرباء من ضوء الشمس.

 توصف الخلايا بالخلايا الضوئية وإن لم يكن مصدر الضوء هو الشمس ومثال ذلك (ضوء المصباح، الضوء الاصطناعي، وغيرها..). وتستخدم الخلايا الكهروضوئية للكشف عن ضوء أو غيره من الإشعاع الكهرومغناطيسي بالقرب من مجموعة ضوئية مرئية، كالكشف عن الأشعة تحت الحمراء، أو قياس شدة الضوء..


خلية شمسية صنعت من بلورة أحادية من السليكون.

السيليكون كثير البلورات في لوح شمسي.
الفولتية الضوئية (بالإنجليزية: Photovoltaics PV) التي تعرف ب الخلايا الشمسية أوالخلايا الفولتضوئية photovoltaic cells. من خلالها يتم تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء، عن طريق استخدام أشباه الموصلات مثل السليكون الذي يستخرج من الرمل النقي.

 وبصفة عامة مواد هذه الخلايا إما مادة بلورية سميكة كالسيليكون البلوري Crystalline Silicon أو مادة لابلورية رقيقة كمادة السيلكون اللابلوري (Amorphous Silicon a-Si) و Cadmium (Telluride CdTe)أو (Copper Indium Diselenide CuInSe^2, or CIS) أو مواد مترسبة كطبقات فوق شرائح من شبه الموصلات تتكون من أرسنيد(زرنيخيد) الجاليوم (Gallium Arsenide GaAs).

وتعتبر طاقاتها شكلا من الطاقة المتجددة والنظيفة، لأنه لايسفر عن تشغيلها نفايات ملوثة ولا ضوضاء ولا إشعاعات ولا حتي تحتاج لوقود. لكن كلفتها الابتدائية مرتفعة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى. والخلايا الشمسية تولّد كهرباء مستمرة ومباشرة (كما هو في البطاريات السائلة والجافة العادية).

تعتمد شدة تيارها علي وقت سطوع الشمس وشدة أشعة الشمس، وكذلك على كفاءة الخلية الضوئية نفسها في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. يمكن لهذه الخلايا الشمسية إعطاء مئات الفولتات من التيار الكهربائي المستمر DC لو وصّلت هذه الخلايا علي التوالي. كما يمكن تخزين الطاقة الناتجة في بطاريات الحامضية المصنوعة من الرصاص أو القاعدية المصنوعة من معدني النيكل والكادميوم. ويمكن تحويل التيار المستمر DC إلي تيار متردد AC بواسطة العاكسات ال Invertor للاستعمال وإدارة الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية العادية.

من ميزتها أنها ليس بها أجزاء متحركة تتعرض للعطل. لهذا تعمل فوق الأقمار الصناعية بكفاءة عالية، ولاسيما وأنها لاتحتاج لصيانة أو إصلاحات أو وقود, حيث تعمل في صمت, إلا أن اتساخ الخلايا الضوئية نتيجة التلوث أو الغبار يؤدي إلى خفض في كفائتها مما يستدعي تنظيفها على فترات.


وهذا كتاب يشرح  كيفية توليد الكهرباء من الخلايا الشمسية
الجزاء الاول
الجزء الثاني
الجزاء الثالث

الأربعاء، 25 سبتمبر 2013

How a simple Tesla coil works


A Breif description of how spark gap tesla coils works.
Some electronic or technical terms are of course un-avoidable
.

Voltage is applied , the primary capacitor (C) charges , the voltage across the primary capacitor increases.

Spark gap (SG) fires, when the voltage across C reaches the spark gap break down voltage.

Capacitor (C) is discharged through the spark gap (SG) and primary coil (P).

The magnetic field in the primary (P) increases as the voltage across the capacitance (C) decreases.

When the voltage across the capacitor (C) is zero, the field in the primary coil (P) starts to collapse, creating a voltage which re-charges the capacitor (C).

This creates an alternating current in the primary coil (P).

Because the secondary coil (S) is connected (by transformer action) to the primary coil (P). The alternating current in the primary coil is transferred to the secondary coil (S).

It takes a few of the above cycles for all of the power to be transferred into the secondary coil (S).

The topload (T) and the secondary coil (S) are designed to swap power between them in the same way and at the same rate as the primary capacitor (C) and the primary coil (P). This matching of frequencies multiplies the induced voltage in the secondary coil (S).

When there is more voltage than the topload can hold on its surface. The voltage breaks out into an arc.

This process continues until there is no more power in the primary capacitor (C) and primary coil (P). As there is now not enough voltage to maintain the arc across the spark gap (SG), The arc extinguishes.

This alows the capacitor(C) to charge again and the sequence repeats.

الثلاثاء، 24 سبتمبر 2013

اختبار قياس الموجات فوق الصوتية



 
ثمة مشاكل كهربائية أساسية يمكن التعرف عليها وكشفها:

حدوث القوس الكهربائي : يحدث القوس الكهربائي عند تدفق التيار الكهربائي في المكان. والإضاءة خير مثال على ذلك

الكورونا الضوئية : وهي عندما يقوم الفولت للموصل الكهربائي ، مثل الهوائي أو خط انبعاث الفولت العالي يزيد على قيمة خط النقل الكهربي وهو يزيد على قيمة العتبة المقدرة، فإن الهواء المحيط بها يبدأ في التأين ليشكل توهج أزرق أو أرجواني

إبقاء الترددات على نسبها المضبوطة : يشار إليها غالبا على أنها " بداية حدوث تقوس" يتبع العزل التالف

وبالرغم من أنه من الناحية النظرية، فإن الكشف بالموجات فوق الصوتية يمكن استخدام جهد كهربي منخفض أو جهد كهربي متوسط أو جهد العالي فإن معظم التطبيقات تميل إلى استخدام نظم الفولت الكهربي المتوسط والعالي

فعندما تتسرب الكهرباء في خطوط الجهد العالي أو عندما تقفز عبر الفجوة في الوصلة الكهربائية فإنها تقطع جزيئات الهواء حوله وتولد موجات فوق صوتية. ويمكن إدراك هذا الصوت من خلال القرقعة أو تشويش الكهرباء ، وفي حالات أخرى يمكن سماع صوت أزيز. وتشمل التطبيقات : عمليات العزل والكابلات ومحطة التحويل والموصلات والمرحلات ومفاتيح التلامس وعلب التوصيلات الأسلاك  الكهربائية. في المحطات الفرعية يمكن اختبار المكونات مثل العوازل والمحولات والكابلات

ويمكن استخدام الاختبار بالموجات فوق الصوتية  لتقييم الجهد ا لكهربي الزائد عن 2000 فولت، وخصوصا في محطات التحويل . و هذا مفيد بشكل خاص في تحديد تتبع الأعطال. أما في محطات التحويل، فإن تتبع الذبذبات التي تفوق التردد للأعطال الخطيرة يمكن تحديدها من خلال قياسها بالأشعة تحت الحمراء. وينصح باستخدام الاختبارين معا مع محطات التحويل المغلقة
.
ملاحظة: عند اختبار الآلة الكهربائية، يجب إتباع إجراءات السلامة الخاصة بالشركة أو بالمصنع. وفي حالة عدم التأكد يجب الرجوع إلى المشرف.  لا تلمس الجهاز الكهربائي المرتبط بالنظام.
إن الطريقة المستخدمة للتنبؤ بالقوس الكهربائي وتسرب إكليلي تشبه الإجراءات المذكورة في عملية التنبؤ بالتسرب. وبدلا من الاستماع إلى صوت اندفاع ، فإن المستخدم سوف يستمع لصوت قرقعة أو أزيز . ففي بعض الحالات ، كما هو في محاولة لتحديد مصدر التشويش الراديو والتلفزيون أو في المحطات الفرعية ، يتم تحديد المنطقة التي تسود فيها التشويش باستخدام  كاشف ضخم مثل جهاز لا سلكي نقال أو جهاز تحديد التشويش . فما أن يتم تحديد المنطقة العامة، يتم استخدام وحدة المسح وذلك لعمل المسح الشامل للمنطقة. وتقل الحساسية إذا كانت الإشارة قوية في خلال تتبعها على جهاز القياس حتى يتم تحديد أعلى نقطة

وتحديد وجود العطل من عدمه باعتباره عطل بسيط نسبيا . فمن خلال مقارنة جودة الصوت ومستويات الصوت بين الآلة المماثلة، فإن مشكلة الصوت قد تكون مختلفة تماما

ففي نظم الجهد الكهربي المنخفض، فإن عملية المسح السريع لقضبان التوصيل سوف تلتقط التوصيل الضعيف . وفحص صناديق التوصيل يظهر عملية التقوس الكهربي. ومع كشف التسرب فإن أقرب موقع  للتسريب ، يرتفع صوت الإشارة . فعندما لا يظهر فحص خطوط الطاقة أي إشارة قوية لكشفها من الأرض ، عندئذ تستخدم وحدة مكثف شكل الموجة فوق الصوتية ( عاكس مكافئ المقطع ) والذي يضاعف مسافة الكشف للنظام ويظهر نقطة الكشف المحددة.


التصوير الحراري


يعتبر التصوير الحراري من أدوات الاختبارات الغير إتلافية كما أنها أداة متاحة للاستخدام في تحديد الأعطال داخل المصنع والمعدات والمباني. وهذه التقنية قيّمه لكونها قادرة على تحديد الأعطال قبل أن تظهر وقبل حدوث عطل مفاجئ ومكلف من الناحية الاقتصادية.

فكل الأشياء التي تزيد على -273 درجة مئوية  أو صفر كيلفين (أو صفر مطلق ) تصدر طاقة تحت الحمراء. ويمكن تصوير تلك الطاقة وتحليلها من خلال استخدام نظم كاميرا  تحت الحمراء.
فكل الوحدات أو الآلات في المراحل المبكرة أو المتأخرة من التعطل يحدث ارتفاع في درجة حرارتها.   فهذه الاختلافات في درجة الحرارة تعطي فني التصوير الحراري القدرة في التعرف والتحقق إن كان العطل الأساسي هو ظهور تدريجي أو ارتفاع في درجة الحرارة  نتيجة لزيادة أو أن ارتفاع درجة الحرارة يعني التأثير الطبيعي.

إن اختبار التصوير الحراري هو استخدام التصوير بالأشعة تحت الحمراء  باستخدام قياس كاميرا قادرة على رؤية وقياس " الطاقة الحرارة المنبعثة من الشيء".

والطاقة الحرارية أو الطاقة تحت الحمراء هو ضوء غير مرئي لأن طول موجاته طويلة جدا يصعب على العين المجردة تحديدها، فإن جزء من  طيف الكهرومغناطيسي الذي نعرفه بأنه حرارة. وهو على عكس الضوء المرئي، إذ أن في عالم الأشعة تحت الحمراء، يعتبر كل شيء له درجة حرارة فوق الصفر المطلق تصدر حرارة. وحتى الأشياء شديدة البرودة، مثل مكعبات الثلج ، تصدر أشعة تحت الحمراء . فكلما زادت درجة حرارة الشيء زاد شعاع الأشعة تحت الحمراء المنبعثة. فهذه الأشعة تحت الحمراء تسمح لنا بأن نرى ما لا تستطيع العين المجردة أن تراه.

وكاميرات التصوير بالأشعة تحت الحمراء تخرج صورا للأشعة تحت الحمراء غير المرئية أو " حرارة الإشعاع " وتوفر قدرة قياسية لدرجات الحرارة غير احتكاكية .

" كل شيء تقريبا قبل بداية تعطله تزيد درجة الحرارة، وتجعل الكاميرات تحت الحمراء ذات فعالية فائقة وأدوات تشخيصية قيمة في كثير من التطبيقات المتنوعة