Energetika - Elektrotechnika Konferencia - MEK

In addition, the demand for more sophisticated services such as VoIP, video ...... TD-SCDMA and TD-CDMA was introduced for unpaired bands. ..... layer of the Internet Protocol reference model: e.g. IPv6, SCTP, IPsec, SIP, RTP, and RTSP.

part of the document

KA KONFERENCIA -
(4 ; 2003 ; Cluj-Napoca)
Energetika-Elektrotechnika Konferencia - Conference of Energetics and Electrical Engeneering - ENELKO 2003 :
Kolozsvár, 2003. - Kolozsvár [Cluj-Napoca] : Erdélyi Magyar
Mqszaki Tudományos Társaság, 2003
ISBN 973-86097-5-5
621.3(063)

TARTALOM
ElQszó
Digitális jelprocesszorok fejlQdése és alkalmazása
Az Európai Unió energiapolitikája és a magyarországi válaszok
Villamos motorok és hajtások felügyelete és hibadiagnosztikája - jelen és jövQ -
Principles of Watermarking
Simulation of Transformer Inrush Current Associated with the Residual Magnetism in the Core
Legújabb gázturbina hatásfok-növelQ gyártmány- és rendszerfejlesztések
Lényeges integrált energia-, és létesítmény-gazdálkodási megoldások az AEE energia világkonferenciáiról
A kapcsolati energia hasznosítása az új mágneses erQgépben
Aszinkronmotor robusztus szabályozása H" szabályozóval
A távhQellátás környezeti haszna
Váltakozó áramú motorok skaláris és vektoriális szabályozási struktúrái
Lineáris indukciós motorok számítógépes szimulációja
Távközlés-oktatás a Miskolci Egyetemen
InverterrQl táplált mezQorientált szabályozású aszinkron motoros szervo hajtások kapcsolási veszteségének vizsgálata
Robbanásveszélyes környezetben üzemelQ, korrózió ellen katódosan védett, fémszerkezetek elektromos védelme
Fából villanyt?
A korszerq túlfeszültség-védelmi eszközök beépítésének szükségessége, tervezési- és üzemeltetési problémái a 0.4 kV-os erQsáramú, valamint az integrált áramkörös mikroprocesszoros adatátviteli rendszerekben
Biztosító nélkül felépített nagyteljesítményq terhelés kommutációjú inverter közvetlen fénygyújtású tirisztorokkal erQmqvi alkalmazásra
Robustness and Fragility
HoltidQs folyamatok szabályozására alkalmazott tervezési módszerek
Kétszabadságfokú (2DF) szabályozó számítógéppel segített tervezése
Áramgenerátor karakterisztikájú rezonáns konverter
Energy Supply Contracting Aspects Between NASA Glenn Research Center And First Energy Power Supply Co.
Digitális szqrQk tervezési és megvalósítási lehetQségei DSP-n modern módszerekkel
A kiserQmqvek helyzete és jövQje
Üzemanyagcellák gépjármqvek számára
Nagyépületek nagy megbízhatóságú villamos energiaellátása
Az állandómágneses hibrid léptetQmotor dinamikai jellemzQi egyszerqsített vektoriális vezérléssel
Intelligens áramlásszenzor oktatási célra
A haladó hullám-gerjesztésq szinkron-jellegq lineáris motor konstrukcióinak összehasonlítása
Rendszer rekonfiguráció
A hQhasznosítási mutató - a fogyasztói rendszerek energeikai jellemzQje
Vasmq hulladék hQjének hasznosítása távhQellátásra
ElQszó
Negyedik alkalommal szervezzük meg Energetika-elektrotechnika Konferenciánkat. Az ENELKO 2003 tematikája: Újdonságok és tendenciák az energia termelése és felhasználása terén. A plenáris elQadások a tematika általános kérdéseirQl szólnak. Kezdve az EU-s elvárásoktól, egy lehetséges megoldás és a múlt rövid bemutatása után igyekeztünk a különbözQ ágazatokban érzékeltetni a tendenciákat.
A helyszín változatlan, de amint az a kötet vastagságából is kiderül, az érdeklQdés konferenciánk iránt évrQl évre nQ. Az idén bejelentett nagy számú elQadás lehetQvé tette a megszokott energetika és elektrotechnika szekciók mellett egy harmadik - automatika és oktatás tematikájú - szekció létrehozását is.
Konferenciánk célja a különbözQ országokban, régiókban dolgozó szakemberek tevékenységének, eredményeinek kölcsönös megismerése illetve kapcsolatteremtés a különbözQ civil szervezetek, felsQoktatási intézmények, magyarországi és romániai cégek képviselQi között. A konferencia jó alkalom az idQszerq és fontos kérdések bemutatására, valamint azok megvitatására. Az elQadások lehetQséget biztosítanak arra, hogy betekintést nyerjünk a szakembereket foglalkoztató idQszerq kérdések és az azokat megoldó technológiai lehetQségek bonyolult rendszerébe.
A résztvevQk névsorát tanulmányozva örömmel állapítottam meg, hogy sokan vannak, akik évrQl évre eljönnek konferenciánkra, Qk az ENELKO törzstagjai . Az is jólesQ érzés, hogy minden évben új tagokkal bQvül az ENELKO baráti köre . Örvendetesnek tartom továbbá több román kolléga részvételét, jóvoltukból a konferencia-kiadvány angol nyelvq elQadásokkal bQvült.
Bízom benne, hogy akik most eljöttek, érdekes és információkban gazdag elQadásokat fognak végighallgatni, jó hangulatú állófogadáson vesznek részt, és egy kellemes kirándulással zárják majd a konferenciát.
Köszönöm a támogatók - Illyés Közalapítvány, Communitas Alapítvány, Pro Technica Alapítvány - hozzájárulását és a szervezQk hozzáértQ, áldozatos munkáját.
Az EMT elnöksége és Szakosztályunk nevében mindenkinek, tartalmas és kellemes konferencia részvételt, nagyon kellemesen és hasznosan eltöltött hétvégét kívánok!

Dr. Bíró Károlyaz EMT elnöke
Digitális jelprocesszorok fejlQdése és alkalmazása
Development and Applications of Digital Signal Processors
Dr. Ádám Tihamér1, Dr. Sergiu Nedevschi2, Dr. Imecs Mária2
Miskolci Egyetem, Magyarország1,Kolozsvári Mqszaki Egyetem, Románia2
Abstract
The paper gives a short overview about the development of digital signal processors. The common characteristics, the architectures, and the main fields of applications are introduced. The fixed and floating-point architectures are presented. The software and hardware development tools are also shown. The possibilities of realization of multi-processor configurations are introduced. The latest modern processors and the visual development systems are shortly described. The applications of the digital signal processors in controlled electrical drives are also introduced.
Bevezetés
A digitális jelfeldolgozó processzorok a 80-as évek elején jelentek meg a piacon. Az 1984-ben megjelent TMS320C10-es processzort digitális szqrQk megvalósítására fejlesztették ki, és hatalmas sikert aratott. Megkapta az "év chipje" címet. Azóta a DSP technika külön iparággá nQtte ki magát. Alkalmazásuk rendkívül gyorsan terjed az élet minden területén. Népszerqségük elsQsorban a rendkívül kedvezQ teljesítmény/ár viszonnyal és a rendelkezésre álló széles választékkal magyarázható. Ma már minden alkalmazáshoz megtalálható a megfelelQ processzor az egyszerq 16 bites fix pontos áramkörtQl a lebegQpontos multimédia processzorig. A fQbb alkalmazásokat az alábbi táblázatok foglalja össze.
1. táblázat
Általános célú felhasználásGrafikus feldolgozásokMéréstechnikaDigitális szqrQk
Konvolúció
Korreláció
Gyors Fourier transzformáció
Adaptív szqrQk
Jelgenerátor3-D grafika
Grafikus munkaállomás
Alak felismerés
Animáció
Képfeldolgozás
Homomorf leképzés
Robot vizuális technikaSpektrum analízis
Függvénygenerátorok
Tranziens analízis
Digitális szqrés
BeszédfeldolgozásSzabályozástechnikaKatonai területekBeszédkódolás/dekódolás
Beszéd felismerés
Hang szintézis
Szöveg-beszéd átalakításDiszkhajtás
Szervo hajtás
Robot technika
Lézer printer vezérlés
BelsQégésq motor vezérlés
Villamos hajtásokRejtjelezett kommunikáció
Rádió és hang lokátor technika
Navigáció
Rakétairányítás

2. táblázat
TávközlésAutomatizálásReflexió elnyomás
ADPCM kódolás
Digitális PBX
Vonalsokszorozó
Csatorna multiplexer
Nagysebességq modem
DTMF kódoló/dekódoló
Fax
Celluláris telefon
X25 csomagkapcsolás
Videó konferencia
BelsQégésq motor vezérlés
Rezgés analízis
Adaptív szabályozás
Pozicionálás
Vezérlés hanggal
Fogyasztási cikkekIpari alkalmazásokEgészségügyRadar detektor
Digitális audio / TV
Zenei szintetizátorok
Oktató játékokRobotika
Számjegyes vezérlés
Biztonsági berendezések
Energiaellátó hálózat felügyeletekNagyothalló készülékek
Beteg felügyelet
Ultrahang berendezések
Diagnosztikai eszközökTörténeti áttekintés
A DSP-k rövid múltra tekintenek vissza, fejlQdésük azonban rendkívül látványos volt az elmúlt alig két évtizedben. Megjelenésüket az tette szükségessé, hogy a hetvenes évek végén és a nyolcvanas évek elején a digitális technika a távközlés területén is egyre jobban elterjedt. Ha egy digitális kommunikációs rendszer blokkvázlatát tanulmányozzuk, láthatjuk, hogy számtalan olyan funkció van, amelyet legkézenfekvQbben programozható mikroprocesszorral lehet megvalósítani. Ilyen feladatok a következQ blokkvázlatban láthatók:

1. ábradigitális kommunikációs rendszer blokkvázlata
A bemeneti információt a bemeneti blokk digitális formába konvertálja, majd a biteket csoportosítva elQállítja a digitális üzenetet, vagy üzenet szimbólumot. A bemeneti információ formattálása a következQ feladatok elvégzését jelenti: mintavételezés, kvantálás, moduláció. Az üzenet szimbólum ezután a forrás oldalon többszörös kódoláson megy keresztül, a kommunikációs csatorna jobb kihasználása, az információ védelme, az adatátvitel biztonságának növelése céljából. A vevQ oldalon nagyjából szimmetrikusan megismétlQdnek ugyanezek a funkciók.
A digitális kommunikációs rendszerek tipikus elemei a szqrQk. Ilyen szqrQket a rendszer tömegesen igényel, a megvalósító algoritmusok tipikusan digitális jelfeldolgozó algoritmusok. Megvalósításukhoz a hagyományos mikroprocesszorok túlságosan lassúak és drágák voltak. A szqrQ algoritmus végrehajtása ugyanis mintavételi periódusonként nagyszámú szorzást és összeadást igényel. Egy véges impulzusválaszú szqrQ az alábbi egyenlet szerint mqködik:

Vagyis olyan mikroprocesszorokra van szükség, amely lehetQleg egy gépi ciklus alatt képes a szorzás, esetleg a szorzás, összeadás, tárolás összetett mqveleteket elvégzésére. Emellett olyan címzési módokkal rendelkezzenek, amelyekkel a mintavételezett értékek és a hozzájuk tartozó együtthatók gyorsan elérhetQk. Nem utolsó sorban pedig legyenek a processzorok olcsók, mivel nagy mennyiségben kerülnek alkalmazásra. E követelményeknek megfelelQen fejlesztették ki a digitális jelprocesszorokat.
Az elsQ áramkör 1984-ben jelent meg. Ez a Texas Instruments TMS32010 típusú elsQ generációs fix pontos processzora volt és nagyon hamar elterjedt a telekommunikációs alkalmazásokban. Az NMOS technológiával készült 16 bites processzor 20 MHz-es órajel frekvenciával 5 MIPS teljesítményre volt képes. 144 db 16 bites RAM cellát és 1.5K ROM memóriát tartalmazott. Nem sokáig kellett várni a 32 bites lebegQpontos processzorokra sem, 1988-ban több cég is megjelent ilyen áramkörrel. A Texas Instruments, az Analog Devices és a Motorola lebegQpontos processzorai már CMOS technológiával készültek, 30-50 MHz-es órafrekvencián 30-50 MFLOPS sebességgel rendelkeztek. Ugyanekkor a jóval olcsóbb fix pontos áramköröket is tökéletesítették, így teljesítményük nem maradt el a lebegQpontos típusok teljesítményétQl.
A 90-es évek elején a 40-50 MFLOPS sebességq fix és lebegQpontos áramkörök jelentették az élvonalat, de 1994-ben a TMS320C80-as multiprocesszoros DSP hat belsQ processzorával már multimédia és videó alkalmazásokra készült. Jelenleg a fix pontos DSP áramkörök 2000-6000 MIPS, a lebegQpontos áramkörök pedig 1000-2000 MFLOPS sebességre képesek. A fejlQdés azonban e téren rendkívül gyors.
A digitális jelprocesszoros alkalmazások jellemzQi
Foglaljuk össze, milyen esetekben alkalmaznak digitális jelprocesszorokat. Az esetek közös jellemzQi az alábbiak:
az alkalmazás számításigényes algoritmust igényel,
a feladatot valós idejq (real time) mqködéssel kell megoldani,
nagy mennyiségq mintavételezett adat tárolására, kezelésére, feldolgozása szükséges.
A számítás igényes algoritmusra jó példa a fentebb említett FIR szqrQ megvalósítása. A leíró egyenlet tömörebb formában az alábbi:
,
Az n-ik kimeneti érték, y(n) elQállításához n számú szorzás és összeadás szükséges. Nagy n esetén ez nagy számú mqvelet elvégzését jelenti minden mintavételi periódus alatt.
A valós idejq (real time) feldolgozás azt jelenti, hogy az eredmény a felhasználó által nem érzékelhetQ késleltetéssel kell, hogy megjelenjen. SzqrQknél ez tipikusan néhány száz ¼s lehet, beszédfelismerQ rendszereknél néhány tized másodperc, videó alkalmazásoknál pedig néhányszor 10-8 sec. A valós idejq feldolgozás megvalósításához alkalmazástól függQen más-más mintavételi frekvencia szükséges. Néhány példa:
Ipari szabályozások: 1-10 kHz
Távközlés: 8 kHz
Beszéd feldolgozás: 8-10 kHz
Video Frame frekvencia: 30 kHz
Video pixel frekvencia: 14 MHz
A mintavételezett adatok kezelése a digitális jelfeldolgozások sajátossága. A mintavételezett adatokat tárolni kell, és ha szükséges, el kell érni, amely hatékony és speciális címzési módokat igényel. A jelprocesszoroknak ezzel rendelkezniük kell ahhoz, hogy a szükséges számításokat nagy mennyiségq adattal is valós idejq módon legyenek képesek végrehajtani.
A digitális jelprocesszorok jellemzQi
A fenti feltételeknek megfelelQen a digitális jelprocesszorok az alábbi jellemzQkkel rendelkeznek:
Harvard architektúra, ahol külön adat és program memória és a hozzájuk tartozó belsQ buszrendszer van. Ez lehetQvé tesz az utasítások átlapolt végrehajtását, az úgynevezett utasítás pipeline használatát. Az utasítás lehívás, dekódolás, és végrehajtás ciklusok átlapolhatók, ha megfelelQ belsQ erQforrásokkal rendelkezik a processzor. A digitális jelprocesszorok többszintq átlapolással mqködnek, amely megsokszorozza mqködési sebességüket.
Hardver szorzó egység, mely két 16 vagy 32 bites számot egyetlen gépi ciklus alatt összeszoroz. Ebben az idQben ez az általános processzorokra még nem volt jellemzQ.
A digitális jelfeldolgozásra optimalizált utasítás készlet. Néhány ilyen utasítás:
DMOV késleltetett MOVE
LTD több utasítás végrehajtása egy ciklus alatt (LT, DMOV, APAC)
MACC szorzás és tárolás egy ciklus alatt,
RPTK utasítás ismételt végrehajtása, azaz egy utasításos ciklus megvalósítása.
Speciális címzési módok, melyek hatékonyan használhatók jelfeldolgozó algoritmusokban. Ez mindig párosul nagysebességq cím aritmetikával, amely a cím elQállítást meggyorsítja.
Egyciklusú utasítás végrehajtás.
BelsQ, adat és program memóriák, cache memória.
Perifériák, melyek szintén a teljesítQképesség növelését szolgálják. Ilyenek az idQzítQ/számláló áramkörök, DMA alrendszerek, kommunikációs portok, és bináris I/O portok.
Fix és lebegQpontos architektúrák
A DSP-k alapvetQen két csoportra oszthatók: fix és lebegQpontos eszközökre. A fix pontos processzorok 16 vagy 24 bitesek. A Texas InstrumentsTMS320C55 típusú 16 bites fix pontos processzora blokkvázlatán jól láthatók a DSP-k jellemzQi. A Harvard architektúra megvalósításához külön adat és külön program memória busz kiépítése tartozik. Az ALU mellett a hardver szorzó valamint a léptetQ egység a processzor fontos elemei.
A TMS320C55 típusú processzor 16 bites kettes komplemens számábrázolást használ. BelsQ akkumulátorai és regiszterei azonban 32 bitesek. Így a feldolgozás közben a kerekítési hibák kiküszöbölhetQk. Van lehetQség egy pszeudo 32 bites lebegQpontos formátum használatára is, de ez a sebességet nagyon lecsökkenti.
A lebegQpontos digitális jelprocesszorok összetettebb, ezért drágább eszközök. Szemben a fix pontos processzorokkal, mindig 32 bitesek. BelsQ regisztereik 40 bitesek, a nagyobb számítási pontosság elérése céljából. A lebegQpontos processzorok nagyobb felbontásúak és gyakorlatilag megszüntetik a számábrázolási tartományból eredQ problémákat. E processzorok fix pontos módban is használhatók.

2. ábraFixpontos processzor blokkvázlata
Többprocesszoros rendszerek
A DSP-k megjelenése egy új, hatékony és olcsó eszközt jelentett a digitális jelfeldolgozás terén. Folyamatosan újabb és újabb alkalmazásokat találtak számukra. A meglévQ eszközök teljesítmény növelésének egyik módja a processzorok párhuzamosítása volt. A harmadik generációs processzoroknál erre már voltak, igaz, csak korlátozott eszközök. A TMS320C30-as processzor két külsQ busz interfésszel rendelkezik. A normál külsQ buszrendszer és az úgynevezett expanziós busz lehetQvé teszi, hogy a párhuzamosan dolgozó processzorok lokális és globális memóriához csatlakozzanak. A globális memóriához történQ hozzáférést ilyenkor egy busz hozzáférés vezérlQ (busz arbiter) szabályozza. Iker processzoros rendszerek hozhatók létre a processzor két flag vonalának összekötésével, a 4. ábra szerint.

3. ábraTMS320C30-as áramkör iker-processzoros konfigurációban
A következQ lebegQpontos generációk ennél hatékonyabb eszközökkel rendelkeztek. A TMS320C40-es áramkörök 6 db. 8 bites párhuzamos kommunikációs portja és a portokkal együttmqködQ hat csatornás DMA alrendszer már igazi multiprocesszoros konfigurációk kiépítését tette lehetQvé. Hasonlóan hatékony rendszerekkel jelentek meg más gyártók, így az Analog Devices és a Motorola.
Külön említést érdemel a Texas Instruments TMS320C80-as multimédia videó processzora, amely lebegQpontos master processzort, négy slave processzort, adatátviteli processzort és egy videó frame processzort tartalmaz a tokon belül. Ezt egészíti ki egy belsQ memória rendszer, amely nagy sebességq crossbaron keresztül csatlakozik a processzorokhoz.
Jelenlegi fejlQdési irányok
A digitális jelprocesszorok teljesítménye többféle módon növelhetQ.
ElsQ és legkézenfekvQbb módszer az órajel frekvenciájának a növelése. Ezt a CMOS technológia fejlQdése teszi lehetQvé. A réteg vastagság csökkentésével a mqködési frekvencia növelhetQ.
Másik, és nagyon hatékony módszer a belsQ mqvelet végrehajtó egységek számának növelése és a párhuzamos utasítás végrehajtás. Ehhez tartozik a belsQ regiszterek számának növelése és regiszter fájlokba csoportosítása. Ez az utasítás végrehajtás átlapolás szintjeinek a növelését teszi lehetQvé.
Harmadik eszköz a belsQ memóriák nagyságának növelése és belsQ memória hierarchia létrehozása. A regiszter fájl, cache memória, adat és program memória nagy teljesítményq DMA alrendszerrel és ehhez csatlakozó külsQ memória illesztQ egységgel olyan tároló hierarchiát jelent, amelyet néhány éve csak nagy számítógépes rendszerekkel lehetett megvalósítani. E processzorok egyszerre több, 4 vagy 8 utasítás szót hívnak le. A lehívott utasításokat egy utasítás vezérlQ osztja szét a párhuzamos végrehajtó egységek között. Egy ilyen eszköz, a Texas TMS320C67-es típusú áramkör blokkvázlatát mutatja be a 4. ábra.
Az L1, S1, M1, D1 illetve L2, S2, M2, D2 mqvelet végrehajtó egységek optimális esetben egyidejqleg nyolc utasítás végrehajtását végzik egyidejqleg. A processzort alapvetQen magas szintq program nyelvre optimalizálták. 1000-4000 MFLOPS teljesítménnyel képes mqködni.
Hasonló teljesítményq eszköz az Analog Devices ADSP 21262 áramköre. Az eszköz a SIMD SHARK processzor család egyik legújabb tagja. Az elnevezés a Single Instruction Multiply Data Super Harvard Architecture Computer elnevezés rövidítést takarja. 200 MHz órajel frekvenciával mqködik, ekkor 1200 MFLOPS sebességre képes. Az elQbbi processzorhoz hasonlóan megtöbbszörözött végrehajtó egységekkel és nagy teljesítményq tároló rendszerrel rendelkezik.

4. ábraTMS320C6000. DSP blokkvázlata
FejlesztQi környezet
A digitális jelprocesszorok fejlesztQ rendszerei azokat az eszközöket tartalmazzák, amelyek lehetQvé teszik az alkalmazások megvalósítását. Szoftver és hardver részekbQl állnak. A szoftver rész tartalmazza az Assembly és magas szintq nyelvrendszert, nyomkövetQt, szoftver szimulátorokat, EPROM beégetQ programokat. Az alkalmazást megvalósító szoftver tesztelése a hardver fejlesztQ eszközökön vagy szoftver szimulátoron történhet. A felhasználói interfész mindkét esetben a nyomkövetQ program, a debugger. A hibátlanul futó alkalmazói programot végül az alkalmazást megvalósító hardverbe töltik le. E folyamatot a különféle DSP generációk az akkori technikai szintnek megfelelQen támogatták. Az eleinte DOS alapú, szöveges fejlesztQ rendszereket napjainkra felváltották a felhasználó barát, vizuális, grafikus alapú eszközök.
A kódgenerálás eszközei
Az elsQ fix pontos processzorok programozása assembly szinten történt. A lebegQpontos eszközök azonban már C nyelvq programrendszerrel kerültek piacra. Az 5. ábrán a program generálás eszközei láthatók. Minden gyártó nagy vonalakban hasonló eszközöket biztosít.

5. ábraA kódgenerálás eszközei
Egy korszerq, vizualizációs fejlesztQi környezet, a Code Composer Studio elemei láthatók a 6. ábrán. A fejlesztés lépései egy projektbe foglalhatók. A program futás eredményei, a processzor erQforrásainak a kihasználtsága, és sok más paraméter vizuálisan megjeleníthetQ. Különösen hasznos az RTDX komponens, amely valós idejq adatcserét végez a cél hardver és a fejlesztQ rendszer között. Ez a program futás valós idejq tesztelésére ad lehetQséget.

6. ábraKorszerq fejlesztQi környezet
A digitális jelprocesszorok alkalmazása villamos hajtásokban
Az eddigiekbQl látható, hogy a digitális jelprocesszorok eredetileg telekommunikációs alkalmazások céljára lettek kifejlesztve. A digitális szqrQ algoritmusok erre a legszemléletesebb példa. A telekommunikáció mellett számos egyéb területrQl is kiderült, hogy ezek az új processzorok, mint olcsó és hatékony eszközök, nagyon jó eredménnyel alkalmazhatók. Néhány terület a sok közül.
aktív zajelnyomásra, termekben, épületekben,
gyártórendszerek on-line diagnosztikája,
képfeldolgozás, alakfelismerés,
beszéd felismerés, beszéd írott szöveggé alakítása,
egészségügyi alkalmazások, stb.
Az egyik fQ alkalmazási terület, ahol szinte azonnal elkezdték az alkalmazásukat, a szabályozástechnika. Ennek oka az, hogy a digitális szabályozó algoritmusok és a szqrQ algoritmusok között rendkívül nagy a hasonlóság. Ha egy processzort digitális szqrQ algoritmusok végrehajtására optimalizáltak, akkor jó hatékonysággal alkalmazható minden olyan alkalmazásban, ahol a megvalósító algoritmus hasonló. Példaképpen írjuk fel egy egyszerq rekurzív szqrQ egyenletét:

y(n) az n-ik kimeneti érték, an és bm pedig a szqrQ együtthatók.
Hasonlítsuk össze ezt egy digitális PID szabályozó egyenletével:

Ez esetben y(n) a PID szabályozó kimenQ jelének értéke az n-ik idQpillanatban, x(n) pedig a különbségképzQ kimenQ jele, a hibajel, amely a szabályozó bemenQ jele.
Mindkét esetben a mintavételezett bemenQ jeleket és a kimenQ jeleket le kell tárolni, majd ezen értékeket össze kell szorozni a megfelelQ együtthatókkal, a rész szorzatokat össze kell adni, és a végeredmény az y(n) változó helyén tárolni kell. Ezt a tevékenységet minden mintavételi intervallum alatt ciklikusan ismételni kell.
Szabályozási feladatok megvalósítására fix és lebegQpontos processzorokat egyaránt alkalmaztak. A fix pontos eszközök olcsóságuk miatt terjedtek el. A szabályozási pontosság gondos tervezéssel általában biztosítható. Nagyobb igények esetén lebegQ pontos processzorok alkalmazása indokolt, és elterjedten használatos.
A digitális jelprocesszorok ilyen alkalmazásának legnagyobb problémája a szabályozási feladatokhoz nem megfelelQ periféria készlet. Ezért kétállapotú digitális portokat, A/D illetve D/A átalakítókat, pozíció vagy sebesség jeleket fogadó bemeneti perifériákat és más egyéb eszközt kell a processzorhoz illeszteni. Ez a felhasználóktól speciális ismereteket kíván. Nagy elQnye viszont a DSP-k alkalmazásának, hogy olyan bonyolult algoritmusok is megvalósíthatók, amelyek analóg megoldások esetén elképzelhetetlenek voltak.
Külön fejezetet érdemel a processzorok alkalmazása a szabályozott villamos hajtástechnikában. A digitális jelprocesszorok megjelenése az egész villamos gép illetve villamos hajtás iparra nagy hatással volt. A digitális jelprocesszorok megjelenése, párosulva a teljesítményelektronika fejlQdésével, lehetQvé tette az aszinkron motorok precíziós, vektoros, mezQ orientált szabályozásának megvalósítását és általános elterjedését. Az aszinkronmotor
MezQorientált szabályozásának elvi blokkvázlatát a 7. ábra mutatja. Az ábrából látható, hogy a megvalósítás az egyenáramú hajtásoknál jelentQsen bonyolultabb. A két PI szabályozón kívül a bemenQ háromfázisú állórész mennyiségeket elQbb kétfázisúvá kell transzformálni (a,b,c- d,q), majd koordináta rendszerbe kell transzformálni d,q-að,ðbð). A szabályozó kimenetén pedig inverz transzformációkra van szükség.

7. ábraA mezQ-orientált szabályozás blokkvázlata
A három/kétfázisú transzformáció, vagy Clarke transzformáció a következQ:

A koordináta transzformációhoz pedig a következQ összefüggéssel jutunk:

A vektoros hajtásszabályozásokat analóg módon csak irreálisan magas költségekkel lehetett megvalósítani. Az általános processzorok szintén nem voltak alkalmasak e célra, így a megvalósítás szintén elfogadhatatlan áron volt lehetséges. A feladatra igazán alkalmasnak és olcsónak a jelprocesszorok bizonyultak. MegfelelQ perifériákkal kiegészítve képesek voltak elvégezni a transzformációkat, a szabályozó algoritmusokat és az inverter vezérlési szekvenciáinak elQállítását is. A nagy gyártók hamar felismerték ennek jelentQségét, és meglévQ DSP áramköreiket kiegészítették a szükséges motorvezérlQ perifériákkal. Az így nyert DSP alapú mikrovezérlQ áramkörök alkalmasak különféle váltakozó áramú hajtások egy tokos megvalósítására. A 8. ábrán az Analog Devices ilyen célokra kifejlesztett DSP mikrovezérlQje látható. Az új lehetQségek nagy hatással voltak illetve vannak a villamos gépgyártásra, mivel az igénytelen és olcsó kalickás aszinkron motorok egyre inkább kiszorítják az egyenáramú gépeket a szabályozott hajtások területérQl, ahol addig egyeduralkodók voltak.

8. ábraAz Analog Devices ADMC330 egy-chipes motorvezérlQ áramköre
Köszönetnyilvánítás
E publikáció a magyar-román kormányközi tudományos és technológiai együttmqködés keretében, az OM Kutatás-Fejlesztési Helyettes Államtitkárság és külföldi szerzQdés partnere, a Ministry of Education Research and Youth, Romania támogatásával jött létre.
Irodalomjegyzék
Bernard Sklar: Digital Communications. Pentice Hall PTR New Jersey, 2001.
Craig Marven and Gillian Ewers: A simple approach to Digital Signal Processing. New York, 1996.
Árpád Kelemen, Mária Imecs: Vector Control of AC Drives. Volume 1.: Vector Control of Induction Machine Drives. OMIKK Publisher Budapest, 1992
4. Halász Sándor, Hunyár Mátyás, Schmidt István: Automatizált villamos hajtások. Mqegyetemi kiadó, 1988.

Az Európai Unió energiapolitikájaés a magyarországi válaszok
Energy Politics in the European Unionand the Hungarian Responses
Dr. Benkó Balázs
Magyar Villamos Mqvek Rt.Budapest
Abstract
The theory and aim of the deregulation, privatisation and liberalization of the energy market all over the World is promoting the competition and lowering the prices. National suppliers were privatised; monopolies were broken up; and the electricity markets opened up even to foreign producers It appears reasonable, but in practice beside of a lot of benefits there are some problem to be solved for the really reliable energy supply the base of the cohesion and normal life of the society. There are some warning signals: energy emergency situations in the US and in Europe too. The reserve capacities for peak consumption disappeared, in some countries, even in normal times, the energy supply has been made dependent on buying considerable additional supplies from foreign countries. The prices rose. An unusually cold winter, or an unusually hot summer can cause serious blackouts. Regarding to the experiences of the operation of the internal energy market the EU adopted some new regulations to enhance the reliable energy supply. Hungary as a to be member of EU has to apply this changes.
1. Tapasztalatok és figyelmeztetQ jelek a liberalizált villamosenergia piacokon
Az 1990-es években általánossá vált az a nézet, hogy a villamos energia hasonló áru, mint a tQzsdén forgalmazható többi áruféleség. Ezért az államnak ki kell vonulnia a közvetlen szolgáltatásból, csak a piac szabályozását kell kialakítania, és ellenQriznie kell a szabályok betartását, felügyelnie kell a piacot, és védenie kell azokat a fogyasztókat, amelyek vagy nem tudnak, vagy nem akarnak részt venni a szabad piaci ellátásban. MindettQl a szolgáltatói kínálati piaci versenyt, és ennek következtében a fogyasztói árak csökkenését várták. Ilyen szabályozást dolgoztak ki az Egyesült Államok több államában és hasonló elveken alapul az EU szabályozási rendszere is. Általában ez az elgondolás mqködQképes de a valóságban olyan jelek is mutatkoznak, amelyek szükségessé tették az energia ellátás mqködésének újbóli áttekintését.
Úgy tqnik, hogy a piac liberalizáció önmagában nem oldja meg a hosszú távú ellátás biztonságot. A liberalizáció után megindult a határokon átnyúló harc az energia piacokért. Kemény árháború is kialakult, így az elsQ-két három évben a fogyasztói árak valóban csökkentek. Ilyen környezetben a beruházások nem tqntek nyereségesnek, lecsökkentek a biztonságos ellátást szolgáló tQkebefektetések. Egyre inkább monopólium közeli állapotba jutó nagy energia multinacionális társaságok alakultak ki és az árak is elindultak felfelé. Elfogytak a csúcsidejq terhelést fedezQ tartalék kapacitások. Egyes országok esetében az ellátást csak jelentQs mennyiségq pótlólagos importtal lehetett fenntartani. Ha ehhez rossz idQjárási körülmények is hozzájárulnak, a helyzet egyre súlyosabbá válhat.
Mindez nem változtatott azon, hogy a biztonságos energia ellátás, és ezen belül elsQsorban a villamosenergia szolgáltatás a mai társadalmak mqködésének elengedhetetlen feltétele, és a végsQ ellátási felelQsség valamilyen formában az állam feladata. Milyen - általánosan ismert - gondok adódtak?
Egyesült Államok
A legliberálisabb szabályozást alkalmazó Kalifornia államban 2000- ben: az erQmqvi tartalékok elfogytak, a szomszédos rendszerekbQl nem lehetett elegendQ mennyiséget importálni, a fogyasztás növekedett, végül idQnként igen magas fogyasztói árak alakultak ki, és fogyasztói korlátozásokra is sor került. A teljes összeomlást kemény állami intézkedésekkel lehetett elkerülni. Az elemzQk az okokat ár és versenyszabályozási problémákban, ennek következtében pedig termelQi kapacitás és távvezeték kapacitás hiányban látták.
2003 nyarán a Keleti part nagy része maradt áram nélkül. Az okok pontosan még nem ismertek, az elsQ elemzések szintén szabályozási hibára következtetnek (a magán tulajdonú szolgáltatók nem érdekeltek a fejlesztésekben). A kiváltó ok valószínqleg valamilyen túlterelést nem jól kezelQ védelmi és rendszerautomatika mqködés volt. Filozófiai kérdés: túlterhelQdés esetén a legutolsó pillanatilag egyben kell-e tartani a rendszert, vagy, amilyen az európai megoldás, önmagában egyensúlyban lévQ részrendszerekre kell-e automatikusan bontani.
Európa
Az elmúlt hideg és száraz tél a Nordel területén okozott ellátási gondokat és magas árakat.
2003 hosszú, forró és száraz nyara Európában nemcsak a mediterrán területeken növelte meg a hqtésre fordított villamosenergia felhasználást. Az erQmqvek hqtése a már eleve meleg hqtQvíz, a vízhiány, és amiatt is veszélybe került, hogy az élQ vizeket nem lehetett tovább melegíteni az élQvilág károsodása nélkül (még a Dunára telepített Cerna Voda atomerQmq esetében is).
Hasonló gondot jelentett a vízhiány a vízerQmqvekben, valamint az, hogy a hagyományosan exportáló rendszerek saját otthoni gondjaik miatt nem tudtak kisegítést nyújtani. Korlátozás közeli állapotok alakultak, amelyeket a rendszerirányítók szerencsére általában uralni tudtak, de egyes esetekben komoly korlátozásokra is sor került.
A helyzet megoldásának egyik módjaként a világban sokfelé úgy tartják, hogy az állam feladatait érdemes újra gondolni a biztonságos energiaellátásban. Nem közvetlen részvételrQl van szó, hanem a szabályozó, ellenQrzQ, piacfelügyelQ szerep megerQsítésérQl.
Mindez csak megerQsítette azt az EU-ban már elkezdett folyamatot, hogy a villamosenergia és a gáz belsQ piac mqködésének javítására az eddigi tapasztalatok figyelembevételével felül kell vizsgálni az eddig érvényben lévQ szabályozásokat. Ennek eredményeként idén nyáron fogadták el azokat az új szabályokat, melyek 2004-ben lépnek hatályba. Mivel Magyarország a csatlakozási tárgyalások során az energia fejezetben nem kért derogációt, kivételes elbánást, ezért ezeket át kell vennünk a hazai jogrendbe. A magyar villamosenergia és gázszolgáltatás törvényi szabályozása ma megfelel az éppen most érvényes EU szabályoknak. A tapasztalatok nálunk is gyqlnek, nem minden mqködik tökéletesen, ezért ilyen okból is szükség van a változtatásra.
2. Jogrendi változások az Európai Unióban
Az Európai Parlament és a Tanács 1996. december 19-én kelt, a villamos energia belsQ piacának közös szabályaira vonatkozó 96/92/EC Direktívája jelentQs mértékben hozzájárult a villamos energia belsQ piacának megteremtéséhez.
A Direktíva végrehajtása során már eddig is megmutatkoztak a villamos energia belsQ piacából származó elQnyök. Növekedett a hatékonyság, csökkentek az árak, javult a szolgáltatás minQsége és növekedett a versenyképesség.
A tapasztalatok azonban a hiányosságokra és a további javítási lehetQségekre is rámutattak. Ennek alapján 2000. márciusában az Európai Tanács kérte a villamos energia és a gáz belsQ piacának továbbfejlesztését, és e szektorokban a liberalizáció felgyorsítását. Az Európai Parlament a Bizottságnak "az energia piacok liberalizációjának állapotáról" szóló második jelentésérQl hozott 2000. július 6-i Határozatában kérte a Bizottságot, hogy dolgozzon ki részletes ütemtervet a kitqzött célok elérésére, az energia piac fokozatos, de teljes mértékq liberalizációjára. Ennek eredményeként fogadtak el új szabályozásokat, illetve még dolgoznak továbbiak megalkotásán:
Új villamosenergia direktíva (2003/54/EC, 2003. 06. 26.)
Új gáz direktíva (2003/55/EC, 2003. 06. 26.)
Új határkeresztezQ villamosenergia kereskedelem határozat (az Európai Parlament és az Európa Tanács 1228/2003. határozata, 2003. június 26.)
Határozat a transz-európai villamos energia és gázhálózati útvonalakról (1229/2003. Határozat)
A közszolgáltatások szerepének újraértékelése vitasorozat a Bizottság kezdeményezésére, szabályozástervezet 2003. Qszre várható
Kapcsolt villamosenergia termelés direktíva tervezet
3. 2003/54/EC direktíva a villamosenergia belsQ piac szabályozásáról
A fQ cél az egységes, teljesen liberalizált, mqködQképes belsQ piaci kialakítása az eddigi tapasztalatok alapján. Ennek érdekében elsQsorban az ezt akadályozó tényezQket - például a hálózati szabad hozzáférés nem azonos feltételei, az országonként különbözQ tarifák, az eltérQ mértékq piacnyitás, a piaci erQvel való visszaélés- tartották szükségesnek rendezni. Nagyon fontosnak ítélték meg a közszolgáltatások megerQsítését és a (kis)fogyasztók védelmét.
A hatékony és diszkriminációmentes hálózati hozzáférés érdekében az elosztó és átviteli rendszer üzemeltetés jogi (nem tulajdonosi) szétválasztását írják elQ. A regulátorok azonos kompetenciát kell kapjanak minden tagállamban és hasonló elvek szerint kell mqködjenek, mert csak így mqködhet az államhatárokon átnyúló piac. Néhány szabályt azért is érdemes kiemelni, mert ezek Magyarországon is közvetlen feladatot jelentenek:
Teljes piacnyitás 2004. év közepétQl a nem háztartási, 2007.-tQl valamennyi fogyasztó számára (elQbb is lehet). Jogalkotási feladatok kapcsolódnak ehhez.
A rendszerirányítást a más tevékenységektQl jogilag (nem tulajdonosilag) elválasztott átviteli rendszer üzemeltetQ, TSO végezze. Ezt Magyarországon is meg kell oldani.
Az ellátásbiztonság érdekében a kapacitásmérleget országonként és közösségi szinten is követni kell. Az egyensúly biztosításáért végsQ soron a tagállamok felelQsek.
A közérdekq szolgáltatás (a biztonság, beleértve az ellátás biztonságát, a szolgáltatás szabályosságát, minQségét, árát és a környezet védelmét) megerQsítése.
A sérülékeny fogyasztók védelmére egyedi intézkedések, szociális tarifa, kikapcsolás tiltás, stb. lehetségesek.
4. Az 1228/2003. határozat a határt keresztezQ villamosenergia-forgalom hálózati hozzáférésérQl
Célja ugyanúgy az egységes szabályozás az európai villamosenergia-piac kialakítására. Egységes hálózat-hozzáférési díjakat kell kialakítani, amelynek tényleges megvalósítója az úgynevezett Firenzei folyamat keretében, az Európai Rendszerirányítók Egyesülése. Ehhez meg kell határozni a kereskedelemben érintett hálózatrészek valódi értékét (a nyilvántartott érték Magyarországon ennél jelentQsen kisebb).
A nemzetközi kapcsolatokkal összefüggQ információkat a rendszerirányítók együttmqködése keretében kell kezelni. A piac mqködési rendjének ösztönöznie kell az új hálózati kapcsolatokat (vagyis a beruházásnak meg kell térülnie az árakban).
5. Direktíva tervezet a kapcsolt energiatermelésrQl
A tervezet a belsQ energia piac hasznos hQigényének kapcsolt villamos- és hQenergia termeléssel történQ kielégítését kívánja elQsegíteni. A kapcsolt villamosenergia-termelésre és az így megtermelt áram kötelezQ átvételre vonatkozó jelenlegi hazai szabályozást majd ennek megfelelQen kell módosítani.
6. A közeljövQ magyarországi országos szintq feladataia következQkben foglalhatók össze:
Ki kell dolgozni az új magyar energiapolitikát, beleértve az alapenergia hordozó struktúrát, az ellátásbiztonságot és az energetikai létesítmények megvalósítását is.
Az energia szolgáltatás jogi szabályozását a megváltozott EU jogrend alkalmazásával, valamint a hazai tapasztalatok értékelésével és figyelembe vételével kell módosítani.

Villamos motorok és hajtások felügyelete és hibadiagnosztikája- jelen és jövQ -
Supervision and Fault Diagnostics of Electrical Drives and Motors- Present and Future -
Bikfalvi Péter1, Dr. Radu Munteanu 2
1 Miskolci Egyetem, Alkalmazott Informatikai Tanszék2 Kolozsvári Mqszaki Egyetem, Méréstechnikai Tanszék
Abstract
On-line condition monitoring of induction machines and drives has received considerable attention both from industry and research community. The recent trend is toward sensorless methods that use more and more sophisticated mathematical models. In this paper a short, far from being complete, survey of model-based methods for monitoring and detecting of commonly occurring faults in induction motors and drives is presented. Some critical comments regarding some of new achievements are also included.
Keywords: induction machines, condition monitoring, model-based fault detection.
1. Bevezetés
A villamos gépek felügyelete és mqködQképességének diagnosztikája már régóta foglalkoztatja az erQsáramú villamosmérnökök számos csoportját. Az elmúlt években, a világ jelentQs számú kutatócsoportja igen számottevQ munkát fektetett be a különbözQ villamos motorok és villamos hajtások felügyeletéhez és hibadiagnosztikájához szükséges elvek, módszerek és eljárások kidolgozásában [1], és napjainkra már igen jelentQs elQrehaladással számolhatunk, illetve kiemelkedQ, iparilag sikeresen alkalmazott eredményekrQl is születtek beszámolók. A kutatási téma aktualitását és jelentQségét két tényadat is alátámasztja. Az elsQ: 1991-ben került megrendezésre elQször olyan neves, háromévenként ismétlQdQ nemzetközi konferenciasorozat az IFAC kezdeményezésére, amely kizárólag mqszaki folyamatok biztonságának, felügyeletének és diagnosztikájának témakörével foglalkozik. Ez az IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety for Technical Processes, röviden SAFEPROCESS nevq konferenciasorozat. A második: 1997-ben rendeztek elQször, ezúttal IEEE kezdeményezésre és szervezésben nemzetközi konferenciát a jelen dolgozat címéhez kapcsolódó tématerületen. Ez az IEEE Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics and Drives, röviden SDEMPED nevq, kétévente megrendezésre kerülQ konferenciasorozat, amely idén augusztusban, negyedik alkalommal került megszervezésre, ezúttal az USA-ban.
Az eddigi tudományos és gyakorlati eredmények ellenére, érezhetQen még nagyon sok a tennivaló, a téma kutatási területe továbbra is nyitott, és számos felfedezetlen irányt illetve lehetQséget tartalmaz. Ezt a megállapítást legalább három dolog is alátámasztja: egyfelQl, a villamos gépek és hajtások nagyon szerteágazó és változatos palettájával kell(ett) szembenézni, úgy a széles kínálat, azaz a gyártott egyedek oldaláról, mint a gyakorlatilag megszámlálhatatlan alkalmazási területnek köszönhetQen, másfelQl maga a folyamatok felügyelete, a hibaérzékelés és a hibadiagnosztika, mint kutatási területek eredményei csak a közelmúltban kezdtek valóban ismertté, és alkalmazottá válni. És nem utolsó sorban, érveléseinkben nem feledkezhetünk meg az elmúlt években és napjainkban is teljes erQvel zajló számítástechnikai, információ- és kommunikációtechnológiai fejlQdésrQl, amely teljes mértékben megváltoztatta, fölöttébb bQvítette nem csak a rendelkezésre álló eszközöket, hanem a lehetséges elvek, modellek és módszerek halmazát. Így, a klasszikus analóg méréseken és az állandósult állapotra jellemzQ karakterisztikákon alapuló felügyelQ és diagnosztizáló technikákat teljes mértékben felváltották olyanok, amelyeket szinte kizárólag digitális mérések, számítógépes elemzések és dinamikus, a nagyon apró részletességekig kiterjedQ modellezések jellemeznek.
Ezen új eszköztárnak köszönhetQen, akár az idQtartományi, akár a frekvenciatartományi, akár a más jellegq kísérletezések és elemzések nyomán olyan fizikai jelenségek is megjelenítésre, felhasználásra kerülhettek, illetve kerültek, amelyeket addig elhanyagoltak. Mindez, nem csak a villamos gépek és hajtások tervezésére, kivitelezésére, használatára, hanem felügyeletére és hibadiagnosztikájára tekintve is, egy teljesen új, modern gondolkodást eredményezett.
A gyakorlati (számítógépes) méréseken alapuló felügyeleti módszerek mellett napjainkban egyre inkább tért hódítanak a modell-alapú (sensorless) módszerek, melyek egyrészt a költséges mqszerezést próbálják kiváltani, másrészt az analitikus módszereket a tudásalapú módszerekkel ötvözik [2].
A szakirodalomban fellelhetQ, villamos gépekre és hajtásokra vonatkozó kondíció (állapot) felügyeleti és diagnosztikai módszerekre vonatkozóan még nincs egy teljes mértékben elfogadott, jól bevált csoportosítás. Ennek ellenére, nagyon általánosan tekintve a fellelhetQ technikákra, ezeket két nagy kategóriába lehet sorolni. Ezek a következQk:
mérés-alapú módszerek,
modell-alapú módszerek.
Az elsQ esetben, a hagyományos villamos mennyiségek (áram, feszültség), és esetleg fordulatszám mérése mellett járulékos szenzorok (például hQmérséklet, fluxus, rezgés, stb.) segítségével történik az információszerzés. Ezután, a mért eredményeknek a névleges, esetleg referencia értékekkel való összehasonlítása alapján valósul meg a gépek állapotának meghatározása. A második esetben a különbözQ megjelenésq és komplexitású matematikai modellek szolgáltatják a hasznos információt, csupán és kizárólag a gépek kapcsain mért villamos mennyiségek (áramok, feszültségek) által felvett értékek alapján. Ezeket a módszereket gyakran a szakirodalom motoráram elemzés (MCSA - Motor Current Signature Analysis) gyqjtQnév alatt említi [3].
A kidolgozott, vagy kidolgozásra váró matematikai modellek a legtöbb esetben nem általánosak, hanem csak valamilyen hiba vagy hibás mqködés felismerésének irányában orientáltak. A legtöbb esetben, sajnos, a modellek kevésbé tökéletes volta miatt, a valós hibától eltérQ hatások is elQidéz(het)nek hibajelzéseket. TudvalevQ, hogy a hibajelzést hordó jel energiatartalma mindig sokkal alacsonyabb, mint a gépekben fellépQ konverziós energia. Ezért a hibaérzékeléshez megfelelQ szintq zaj/jel viszonyt kell elérni, amelyet nem csak a megfelelQ mérQeszközök segítségével, hanem és fQleg a modellben fellépQ megközelítQ becsléseknek kompenzálásával lehet elérni. A nem kívánt, téves hibajelzéseket a felügyelQ és/vagy diagnosztikai rendszer érzéketlenségének növelésével részben ki lehet küszöbölni, de ez a fajta megoldás egyéb hátulütQkkel (például valós hiba érzékelésének elmaradásával) jár, ami a hibaérzékelés illetve diagnózis megbízhatóságának romlását eredményezi. A jobb megoldást a pontosabb, részletesebb, bonyolultabb modellalkotás igénye jelenti, az ezzel járó minden nehézséggel, kellemetlenséggel együtt. Mindezek ellenére napjaink kutatásainak elsQdleges irányát a modell-alapú, olcsó ( sensorless ) megoldások jelentik.
A váltóáramú motorok közvetlen hálózati vagy hajtásokon keresztüli mqködtetése teszi ki az ipari alkalmazások legnagyobb, több mint 80% részét. A felügyelet és hibadiagnosztika terén az elmúlt években zajló kutatási tevékenységek is kiemelkedQ jelentQséget kaptak ezen a területen, ezért jelen dolgozat is erre a területre összpontosít, és kritikus szemmel próbál összefoglalót adni elsQsorban a modell-alapú módszerekre és az ott alkalmazott technikákra.
2. A modell-alapú hibaérzékelés alapjai
Az ismert hibadiagnosztikai rendszerek alapjában véve három kategóriába sorolhatók [4]:
szindróma (vagy szimptóma)-alapú diagnosztika,
modell-alapú diagnosztika
tudás-alapú diagnosztika.
Az elsQ esetben (elsQsorban) mért jelek idQ és fQleg frekvenciatartományi elemzése alapján történik az esetleges hibák észrevétele, és további diagnosztikája. A második esetben, az adott lehetséges hibáról való ismeret és tudás egy, a normál mqködést leíró rendszermodell formájában jelenik meg. Ilyenkor, a hibá(ka)t, a hibás mqködést a valós rendszer és modelljének viselkedése közötti különbözQségek, ún. maradványok (angolul residuals ) felismerésével lehet észrevenni. Ezeknek az eltéréseknek a megfelelQ generálása és feldolgozása jelenti tulajdonképpen a modell-alapú hibafelismerés és diagnosztika alapjait. Harmadik esetben a hibák ismerete, az emberi tudás és tapasztalat felhasználása jelenti a kiindulást. JellemzQen a mesterséges intelligencia módszereit alkalmazva sikerül a diagnosztikát ezekre az ismeretekre alapozva megvalósítani, bár az eddig alkalmazott tudás-alapú módszerek hátterében mindig megtalálható a matematikai modellezés.

1. ábraA modell-alapú hibaérzékelés alapelve
Az 1: sz. ábra a modell-alapú hibaérzékelés alapelvét mutatja [5]. A hibadiagnosztikai célokat szolgáló maradvány jelek további feldolgozását a fenti ábra már nem tükrözi, viszont ezek a kiértékelések megfelelQ analitikus módszerekkel szintén megvalósíthatók. Természetesen, egy modell-alapú hibaérzékelQ és diagnosztikai rendszer sikere részben a modell pontosságától, részben pedig a folyamatváltozók érzékelésének hitelességétQl függ. Érdekességként megjegyezhetQ, hogy az ábrán feltüntetett általános séma elméletileg bármilyen hiba, illetve bármilyen olyan strukturális vagy paraméteres változás érzékelésére képes, amely egy modell formájában kifejezhetQ.
Egészen más feladatot jelent az a helyzet, amikor egy bekövetkezett hiba észlelése és azonosítása megtörténik. A további lehetséges és biztonságos mqködés megvalósítása érdekében számos stratégiai eljárás létezik, amelyekkel viszont ennek a dolgozatnak a keretében egyáltalán nem foglakozunk.
3. A villamos hajtás és lehetséges hibái
A nagyító alá vett eset egy váltóáramú villamos hajtás lehetséges meghibásodási eseteit tárgyalja. A hajtás az alábbi fQ komponensekbQl áll (2. sz. ábra):
kalickás aszinkronmotor + mechanikus áttétel
PWM szaggató
vektoriális áram és fordulatszám szabályozó

2. ábraA tanulmányozott villamos hajtás elvi felépítése
A tárgyalt hibalehetQségek a következQk:
állórész tekercsmenet rövidzár,
szakadt forgórész,
légrés excentricitás,
csapágyhiba,
motorhevülés,
konverter hiba,
szabályozó hiba.
3.1. Az állórész tekercsmenet hibájának érzékelése
Ha egy indukciós motor állórészének valamely tekercsében hiba történik (például menetek közötti rövidzár), ez a három fázis impedanciája közötti egyenlQtlenséghez vezet, amelynek következményeként a vonaláramokban negatív szekvenciájú komponensek jelennek meg. Igaz, hasonló jelenséghez vezethet a kiegyensúlyozatlan tápfeszültség használata, vagy a kiegyensúlyozatlan mérés. Ezért, csak ez utóbbiak biztos nemléte esetén alkalmazható a negatív szekvenciájú áramkomponensek mérésén alapuló hibaérzékelés. A legtöbb gyakorlati megvalósítás ezekkel a feltételezésekkel dolgozik, illetve nem tér ki a nevezett lehetséges egyéb hatások kompenzálására.
A modell-alapú állórész tekercsmenetek hibaérzékelés biztonságának növelése érdekében, a kiegyensúlyozatlanságok önmqködQ kiküszöbölésére táblázatos keresést illetve betanított neurális hálózatokat javasol a szakirodalom [6], [7], [8]. A táblázatok a gyorsabb keresést segítik, illetve kompenzációs adatokat tartalmaznak a nemkívánatos hibás jelzések kiküszöbölésére. Az alkalmazott neurális hálókat a hibátlan motormqködés mellett tanítják be.
3.2. Szakadt forgórész érzékelése
A kalickás forgórész megszakadásának érzékelésére leggyakrabban az állórész áramának frekvenciatartományi elemzését használják. Az áram spektrumában megjelenik a hibának (szakadt rúd) köszönhetQ frekvencia összetevQ, amelyet a mágneses aszimmetria hoz létre. Ennek frekvenciája viszonylag alacsony értékkel bír:

Ugyanakkor, a spektrumban jellemzQen magas frekvenciájú komponensek is megjelennek, amelyek a rotor hornyos kiképzésének köszönhetQek. Sajnos, mezQorientált hajtásoknál a szabályozás széles frekvenciasávja miatt, ezek a frekvenciakomponensek nagyon csillapítottak, éppen a szabályozásnak köszönhetQen.
A szakadt forgórész hibájának érzékelésére is sok változattal szolgál a szakirodalom. A szimmetrikus komponenseken alapuló egyszerq, állandósult állapot modellben [9] a hiba a rotor ellenállásának növekedésében jelentkezik, amely az áram spektrumában a hibát jelzQ frekvenciakomponens megnövekedését eredményezi. Sajnos, ez a megközelítés számos hibát is rejt. Ezek egy része a modell egyszerqsítéseinek köszönhetQk, másik részük éppen a gyakorlati alkalmazásokból adódik. Például, ha a terhelQ nyomaték a csúszó frekvencia kétszeresével pulzál, akkor a hibát jelzQ frekvenciakomponens nagyon csillapodik a terhelés és a redukált tehetetlenségi nyomaték függvényében. Ez utóbbi hatások kompenzálására szintén neurális hálózatokat alkalmaztak [10.]
A rotor ellenállásának növekedését speciális modellezési és paraméterbecsléses módszerek alkalmazása is lehetQvé teszi [11], [12]. Ezeknek sikere viszont nagyon megkérdQjelezendQ. Egyébként is, a rotor áramkörének (fQleg részleges) szakadását érzékelni nagyon bonyolult feladat, amelyet a termikus jelenségek és a terhelés elQre nem látható módon is befolyásol. Ezért ez a terület még további, igen jelentQs kutatómunkát igényel.
3.3. Légrés excentricitás érzékelése
A villamos motorok légrésének egyenlQtlensége több okra is visszavezethetQ. Megkülönböztetünk statikus excentricitást, amikor a legkisebb légrés helyzete a térben változatlan, és dinamikus excentricitást, amikor a légrés mérete az idQ és a térbeni helyzet függvénye [13]. A helytelen rotor beállítás, a tengely és a csapágyak nem egy vonalba esése valamint a jelentQs külsQ rezgések a légrés mindkét excentricitás típusához vezethet, amely elsQsorban a légrés fluxusának egyenlQtlenségét eredményezi. Következményként, a jelentkezQ járulékos elektromágneses erQk úgy a forgórészre, mint az állórész tekercseire és a csapágyakra jelentQs mechanikai igénybevételt eredményez.
Az eddigi gyakorlatban a légrés egyenlQtlenségét a leggyakrabban az áram spektrumának elemzésébQl, vagy egy, a felfogó kerethez rögzített mechanikai rezgésérzékelQ jelének feldolgozásával szqrték ki [14], [15]. Az excentricitásból adódó frekvenciakomponenseket a motor permeancia modelljébQl határozták meg. Bár a mágneses permeancia számítások alapján kidolgozott modellek bizonyítják az excentricitás hiba által indukált frekvencia komponenseket, a módszer gyakorlati alkalmazása nem megbízható, fQleg az alacsonyabb frekvencia összetevQk esetében.
Említésre méltó azon próbálkozás, amely a motor nyomatékának becslésén alapszik [16]. A nyomatékban megjelenQ moduláció az excentricitásnak is köszönhetQ, amelyet könnyen értékelni lehet. A módszer alkalmas nem csak a hálózatról közvetlenül mqködtetett motorok, hanem a szabályozott hajtásokban használt motorok excentricitás hibájának detektálására is.
3.4. Csapágyhiba érzékelése
Az esetleges csapágyhibákat a légrés excentricitásnál tárgyaltakhoz hasonlóan, elsQsorban az állórész áramspektrumának elemzésébQl, vagy egy, a felfogó kerethez rögzített mechanikai rezgésérzékelQ jelének feldolgozásával határozható meg [17]. Az áram spektrumában megjelenQ frekvenciakomponenseket a csapágy geometriája illetve a forgási sebesség határozzák meg. Az érzékelhetQ hibajel csak igen jelentQs csapágyhibánál jelentkezik, amely akár már a légrés excentricitását is elQidézi. Ezért, az áramot nem lehet egykönnyen a csapágy kezdQdQ meghibásodásának érzékelésére felhasználni. Utóbb, speciálisan betanított neurális hálózatok segítségével [18], [19] próbálták ezt a gondot megoldani, több-kevesebb sikerrel.
A csapágy kezdetleges meghibásodásának érzékelése tehát továbbra is megoldatlan gond.
3.5. Motorhevülés érzékelése
A villamos gépek melegedésének tanulmányozására számos modellezési eljárást sorol fel a szakirodalom. A továbbiakban csak olyan módszerek kerülnek bemutatásra, amelyekben a hQmérsékletet nem közvetlenül, beépített (és drága) érzékelQ segítségével, hanem közvetett módon, a villamos jellemzQk figyelembevételével határozzák meg. Ennek érdekében megfelelQ pontosságú termikus modellek kidolgozására volt szükség. Mivel egy modellnek lehetQleg egyszerqnek is kell lennie, a kidolgozott termikus modellek többsége villamos áramköri ekvivalens modellek formájában jelenik meg. Ugyanakkor, nagyon hq motor modellekre illetve paraméterbecslésre van szükség ahhoz, hogy az állórész tekercseiben és a forgórészben, hQ formájában jelentkezQ energiaveszteségeket minél pontosabban meg lehessen határozni.
A statikus termikus modellek esetében a modellparaméterek értékeit elQre meghatározottan rögzítik. Az ilyen modellek egyszerqek, könnyen alkalmazhatóak. Hátrányuk abban rejlik, hogy nem alkalmazhatók változó termikus jellemzQk mellett, amelyet elQidézhet például egy ventilátor szárny törése vagy a szellQzQ nyílások elzáródása. Ezért dinamikus modellek kidolgozására is szükség volt.
Egy ilyen modellt mutat be a 3. sz. ábra [20], ahol a villamos szimbólumok termikus jellemzQket (termikus ellenállás, termikus kapacitás, termikus forrás) takarnak. Az egyes paraméterértékek a rotor termikus idQállandójával arányosan változó rotor ellenállásnak folyamatos becslése alapján kerülnek frissítésre. A rotor ellenállása a rotor fluxus- és a sebesség megfigyelQinek eredményeibQl megbecsülhetQ. A rotor fluxusának becslése két különbözQképpen felírt motor modellegyenletek alapján történik. Ezek az egyenletek az álló referenciakoordináta rendszerben felírt állórész feszültségmodell, illetve a rotorhoz rögzített referenciakoordináta rendszerben felírt állórész árammodell egyensúly egyenletei. A kétféleképpen meghatározott rotor fluxus értékek különbsége alapján a fordulatszám meghatározható. Ugyanakkor, a fordulatszám az áram spektrumának elemzésével is meghatározható. A kétféleképpen meghatározott fordulatszám különbséget végül is a motor ellenállásértékének, és egyúttal termikus idQállandójának korrekciójára fel lehet használni. Bár a bemutatott megközelítés jó eredményeket igazolt, a rendellenes hqtési feltételek változásából adódó túlhevülési hibát nem tudja megbízhatóan jelezni.

3. ábraIndukciós motor termikus modellje
Természetesen, a megfelelQ termikus modell nem csak a forgórészben keletkezQ hQ meghatározását, hanem az állórészben levQ veszteségeket is figyelembe veszi. Emiatt, az állórész ellenállásának pontos meghatározása is kulcsfontosságú. Az állórész ellenállásának értékét egyenáramú mérés alapján lehet legpontosabban meghatározni. Ennek érdekében, általában egy nagyon alacsony értékq egyenfeszültséget valamely fázisfeszültséghez hozzáadnak, majd a kiszqrt egyenáramú összetevQ segítségével, az Ohm törvényt alkalmazva, az állórész ellenállásának értéke egyszerqen és viszonylag nagyon pontosan meghatározható. Ez a módszer azért is megfelelQ, mert a kapott érték nem függ sem a frekvenciától, sem a terheléstQl, sem egyéb esetleges aszimmetriáktól. Az egyedüli hátrány a nyomaték pulzálásában jelentkezik, amelynek amplitúdója annál nagyobb minél nagyobb a bevitt egyenáramú komponens. Ugyanakkor, minél nagyobb ez a komponens, annál pontosabb az ellenállás meghatározása, tehát egy ésszerq kompromisszum szükséges. Inverteres táplálás esetén az egyenáramú összetevQ hozzáadása az inverter megfelelQ vezérlésével elérhatQ. Közvetlen hálózati táplálás esetén a legegyszerqbb ezt egy ellenpárhuzamosan elhelyezett dióda párral (4. sz. ábra) megvalósítani [21]. A járulékosan hozzáadott R ellenállás az egyenáramú komponens értékét korlátozza, és segítségével különbözQ a motorokhoz és alkalmazásokhoz ezt az értéket a kompromisszumnak megfelelQen illeszti.

4. ábraEgyenáramú komponens hozzáadása
3.6. A konverter és a szabályozó hibás mqködésének érzékelése
Amikor egy villamos hajtás hibadiagnosztikája kiterjed az azt meghajtó konverterre, illetve szabályozóra, feltétlenül figyelembe kell venni azt a tényt, hogy a hajtás egy szabályozási hurokban mqködik, és a szabályozónak szerepe bármilyen, a kívánt viselkedéstQl eltérQ helyzet, így a meghibásodás kiküszöbölése. Természetesen, minden szabályozó csak bizonyos korlátok képes erre, és a szabályozott folyamat jelentQs eltorzulásait már egyéb eszközökkel szokták megszüntetni (például túláram védelem, túlmelegedés védelem, stb).
Ezért is, a felügyelet vagy hibaérzékelés számára a helyes változók kiválasztása lényeges szereppel bír, és figyelembe kell venni az adott, az irányítást biztosító változók érzékenységét adott hibák bekövetkezésére. A feladat messzemenQen nem könnyq, és megoldásához számos egyszerqsítést alkalmaznak. Az 5. sz. ábra egy ilyen egyszerq megközelítést tükröz [22], ahol a lehetséges hibák additív módon az irányított rendszer kimenetén és bemenetén jelentkeznek.

5. ábraEgyszerqsített rendszerstruktúra hibaérzékelés céljából
Esetünkben az irányító rendszer a szabályozó+konverter együttest jelenti, míg az irányított rendszer az indukciós motort jelenti, esetleg együtt a tengelyére kapcsolt mechanikai rendszerrel. Ennek megfelelQen a h1 hibajel a konverter meghibásodásával hozható kapcsolatba, míg a h2 hibajel valamely rendszerkimenet (például az áramérzékelQ, vagy maga a motor) hibás mqködésével hozható kapcsolatba.
Az ábrán szereplQ szabályozási körben az egyszerqség miatt, a motort (irányított rendszert) egy tárolós arányos taggal lehet modellezni, míg a szabályozó-konverter együttest egy PI tag viselkedésével. Az így megvalósított egyszerq modell állandósult állapotban egészen jó megközelítQ eredményeket ad, és dinamikus állapotban is az eltérés, amely a d és q tengelyek közötti kapcsolatnak köszönhetQen jelentkezik, nem számottevQ. Ez annak köszönhetQ, hogy a vektoriálisan szabályozott hajtás közel az egyenáramú, lineáris hajtások módjára viselkedik.
Szabályozott hajtások esetén azonban a sebesség általában állandóan változik, és ilyenkor a különbséget figyelembe kell venni. Ezt magasabb fordulatszámoknál a motor áramának figyelésével, alacsonyabb fordulatszámoknál (kb. a névleges fordulatszám felénél kisebb értékeknél) a vezérlQ kimenetet érdemes figyelni és összehasonlítani.
4. Következtetés
A jelen dolgozat megpróbálta röviden összefoglalni azokat a módszereket, amelyeket az indukciós gépek állapotának felügyeletére és esetleges hibás mqködésüknek érzékelésre használnak. A téma iránti érdeklQdés nagy, a kutatás lankadatlan erQkkel folytatódik.
Szakirodalom
Vas, P. (1993). Parameter Estimation, Condition Monitoring and Diagnosis of Electrical Machines, Clarendon Press Oxford, Oxford, UK.
Parlos, A.G., Kim, K., Bharadwaj, R.M. (2001). Sensorless Detection of Induction Motor Faults, IEEE SDEMPED Conference, Grado, 63-70.
Kliman, G.B., Stein J. (1992). Methods of motor current signature analysis, Electric Machines and Power Systems, vol. 20, no. 5, 463-474.
Frank, P.M. (1996). Analytical and Qualitative Model-based Fault Diagnosis - A Survey and Some New Results, European Journal of Control, 2, 6-28.
Gertler, J. (1991). Analytical redundancy methods in Fault Detection and Isolation - Survey and Synthesis, IFAC Safeprocess Conference, Baden-Baden, Vol.1, 9-22.
Kliman, G.B., Premerlani, W.J., Koegi, R.A, Hoeweler D. (1996). A new approach to on-line turn fault detection in ac motor. IEEE Industry Applications Society Conference, San Diego, Vol. 1, 687- 693.
Tallam, R.M., Habetler, T.G., Harley, R.G., Gritter, D.J., Burton, B. (2000). Neural network based stator winding tum-fault detection for induction motors, IEEE Industry Applications Society Conference, Rome, Vol. 1, 375-380.
Sottile, J., Trott, F.C., Kohler, J.L. (2000). Experimental investigation of on-line methods for incipient fault detection, IEEE Industry Applications Society Conference, Rome, Vol. 4, 2682-2687.
Kliman, G.B., Koegi, R.A., Stein, J., Endicott, R.D., Madden, M.W. (1988). Non-invasive detection of broken rotor bars in operating induction motors, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 3, No. 4, 873-879.
Filippetti, F., Franceschini, G., Tassoni, C. (1995) Neural networks aided on-line diagnosis of induction motor rotor faults, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 31, 892-899.
Bachir, S., Tnani, S., Champenois, G., Trigeassou, J.C. (2001) Induction Motor Modeling of Broken Rotor Bars and fault Detection by Parameter Estimation, IEEE SDEMPED Conference, Grado, 145-150.
Cho, K.R., Lang, J.H., Umans, S.D. (1992). Detection of broken rotor bars in induction motors using state and parameter estimation, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 3, 702-709.
Devanneaux, V., Kabbaj, H., Dagues, B., Faucher, J. (2001). An Accurate Model of Squirrel Cage Induction Machines Under Static, Dynamic or Mixed Eccentricity, IEEE SDEMPED Conference, Grado, 121-126.
Cameron, J.R., Thomson, W.T., Dow, A.B. (1986). Vibration and current monitoring for detecting air-gap eccentricity in large induction motors, IEE Proceedings, Vol. 133, Part B, No. 3, 155-163.
Dorrell, D.G., Thomson, W.T., Roach, S. (1997). Analysis of air-gap flux, current and vibration signals as a combination of static and dynamic air-gap eccentricity in three-phase induction machines, IEEE Transactions on Industry Applications, No. 1, 24-34.
Kral, C., Pirker, F., Pascoli, G. (2001) Rotor Eccentricity Detection of Induction Machines by Means of Torque Estimation - Measurement Results, IEEE SDEMPED Conference, Grado, 641-644.
Schoen, R.R, Habetler, T.G., Karnran, F., Bartheld, R.G. (1995). Motor bearing damage detection using stator current monitoring, IEEE Transactions on IndustryApplications, Vol. 31, No. 6, 1274-1279.
Li, B., Chow, M. Y., Tipsuwan, Y., Hung, J.C. (2000) Neural network based motor rolling bearing fault diagnosis, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 47, No. 5, 1060-1069.
Kowalski, C.T., Orlowska-Kowalska, T. (2001). Bearing Faults Monitoring Using Neural Networks, IEEE SDEMPED Conference, Grado, 313-317.
Hurst K.D., Habetler, T.G. (1996). A self-tuning thermal protection scheme for induction machines. Power Electronics Specialists Conference, Baveno, Italy Vol. 2, 1535-1541.
Lee, S.B., Habetler, T.G. (2001). An Evaluation of DC- and Sequence Component Model-based Stator Resistant Estimation for Induction Machine Thermal monitoring, IEEE SDEMPED Conference, Grado, Italy, 151-157.
Patton R. J., Frank P. M., Clark R. N. (2000). Issues of Fault Diagnosis for Dynamic Systems, Springer Verlag.

Principles of Watermarking
A vízjelezés elvei
Dr. Borda Monica
Kolozsvári Mqszaki Egyetem
Kivonat
A cikk egy rövid áttekintést nyújt a digitális vízjelezés kutatási területére, részletesebben a szerzQi jog megvédésére a digitális multimédia technológiában.
A multimédia technológiák számos elQnyei, melyek e terület robbanásszerq fejlQdését idézték elQ, egyben az elQállítok és a szállítok hatalmas veszteségeinek legfQbb okozója is. A CD-k és a DVD-k hamisítása a jelenkor legnagyobb problémája. Technikai szempontból a szerzQi jog megvédésére a kriptográfiát és a vízjelezést használták fel. A kriptográfia, ugyan titkos jelleget biztosít az adat átvitelnek és tárolásnak, elveszti védelmi jellegét a dekriptálás után. A vízjelezés használata a fent említett hátrány kiküszöbölését biztosítja. E technológia alapvetQ elve egy átlátszó jel (vízjel) beszúrása az eredeti adatokba (melyek lehetnek: írás, audió, kép vagy videó) az adónál és detektálása a vevQnel. A vízjel számos szokványos átdolgozásnak (A/D, D/A átalakítás, szqrés, sqrítés), valamint bizonyos akaratos támadásoknak (a vízjel eltávolítása vagy hamis vízjel beszúrása) kénytelen ellenállni. Az elsQ szabványozási kísérlet ezen a területen az Amerikai Egyesült Államokban jött létre, 1998 végén, és a Millenium rendszer nevet viseli. Az EU-ban is léteznek ugyanazon célú törekvések szabványok kidolgozása érdekében, de sajnos a szabályozó törvények listája nem teljes.
Abstract
This paper presents a brief overview of digital watermarking research area with great implication in copyright protection for digital multimedia technologies. After an introduction and a short history of the domain, the watermarking requirements and principles are illustrated. Shortly the possible attacks are discussed and the Millennium watermark system, which is the first attempt of standardization for DVD copy protection is done. Final remarks and bibliography are ending the paper.
Index terms: watermarking, copyright protection, copy protection, multimedia, Millennium standard.
1. Introduction
In the last decade we were the witnesses of an outbreak of the digital multimedia technologies. The digital audio/ video information has several advantages over its analogical counterpart:
superior quality in transmission, processing and storage
simpler editing facilities, the desired fragments of the initial data can be located with precision and modified
lossless simpler copying : the copy of a digital document is identical with the original.
For the producers and distributors of multimedia products, several of the above mentioned advantages are handicaps, leading to important financial losses. Unauthorized copying of audiocassettes / videocassettes is currently a major problem. Also the information contained in WebPages, books and the broadcasted information, are frequently copied and used without any permission from the editor. The copyright in this domain is a problem of maximum urgency. Several attempts in this sense exist, but we cannot speak of a corresponding legislation. In 28 Oct. 1998, the president of the United States signed an act [19] that contains recommendations to be followed in order to protect the intellectual property and also the customers rights. At its turn the European Community is preparing several protection measures for digital multimedia products such as CD and DVD. The most important technologies used in copyright protection for authors or distributors are: encryption and watermarking.
Encryption is used for protecting data in transmission and storage. Once the information was decrypted, it is no longer protected and can be copied without any restriction.
Watermarking is an operation, which consists in embedding an imperceptible signal called watermark (WM) into the host information. The host information can be text, audio signal, static images or video sequence. The name watermark comes form the words water and mark and designates a transparent, invisible mark like the water transparency.
In general, the watermark contains information about the origin and destination of the host information. Event though it is not directly used in intellectual property protection, it helps identifying the host and the receiver, being useful in disputes over authors / distributors rights.
From a theoretical point of view the watermark has to permanently protect the information, so it has to be robust, in such a way that any unauthorized removal will automatically lead to quality degradation. The watermark resembles to a signature, at the beginning it was called signature, but in order to eliminate the confusions with the digital signatures from cryptography the original name was dropped. Taking into account the fact that it has to be transparent, imperceptible for hearing or seeing, the resemblance with the invisible tattoo, made by A. Tewfik [18] is suggestive.
In order to assure copyright protection, the watermarking technologies need two operations:
watermark insertion in host data, before transmission or storage;
watermark extraction from the received data and comparison between the original watermark and the extracted one, in case of dispute.
Watermarking is used especially for information protection such as:
Copyright protection. The owner inserts a watermark containing information related to its intellectual rights. The watermarks resembles to ISBN - 10 characters or ISCR - 12 alphanumerical characters. The information inserted could be related to license rights , distribution agreements, etc., in these cases watermark length being usually 60 ( 70 bits .
Copy protection; in this case the watermark is a single bit that allows (forbids) copying; this bit is computed in watermark detectors in storage devices and accordingly information copying will be allowed (forbidden) [12].
Fingerprinting, used for unauthorized copy detection. The data owner inserts information related to the customers that bought the license in the watermark. This information could be resembled to a serial number. When illegal copies are found, the source can be easily identified using the information embedded into the watermark.
Broadcast monitoring. Using watermarking on commercials, a monitoring system for commercials broadcasting according to the license agreements can be implemented.
Data authentication. When the watermark is used for identification, it is called fragile watermark and it shows if the data have been altered, together with the place where the modification was done [21], [15]. Beside these protection goals, watermarking can be used also for:
Characteristic enrichment for the host signal, e.g. several language subtitling; there are several services that use this property.
Medicine applications. Using watermarking techniques, patient data are inserted into the medical images.
Secret message transmission. There are countries where cryptographically services are restricted; it follows that secret (private) messages can be inserted through watermarking.
2. Short history
Todays digital watermarking is a modern version of steganography (form the Greek words stegano which means covered and graphos meaning writing)- signifying covered writing. Steganography is a technique used for secret message hiding into other messages in such a way that the existence of the secret messages is hidden. The sender writes an inoffensive message and hides it into a secret message. The beginnings of steganography date probably since the knowledge of writing. The writing was the privilege of some classes that had the power (economical, military, and religious). Information always meant power; so it had to be protected against unauthorized persons, [11], [14], [15], [10]. Among the techniques used during the history of steganography we remind: use of invisible inks, thin holes for some characters fine modifications of the space between words, the use of semagrams (from the Greek words sema meaning sign and gramma meaning writing, drawing). These techniques were recently resumed and put into digital context for text watermarking.
Audio watermarking (audiosteganography) and still / dynamic image watermarking (videosteganography) are using the same ideas as steganography. As an example for audiosteganography, we can note Bach. He used invisible watermark copyright protection, writing his name in several works using invisible watermarking; for example he counted the number of appearances of a musical note (one appearance for A, two for B , three for C and eight for H). As for steganography, for graphical images for instance, using the least significant bit, several secret messages can be hidden. The image rests almost the same and the secret message can be extracted at the receiver. Proceeding like that for a 1024x1024 black and white image one can insert 64 kB of secret messages (several modern services are using this capacity).
For digital imaging, the first invisible marks appeared in 1990 in Japan [Tanaka et al. (1990)] and independently, in 1993 in Europe [5]. At the beginning the terminology used for such invisible marks was label or signature; around 1993 the words water mark were used , signifying a transparent, invisible mark. The combination of the two words, gave the word watermark, which will be used henceforward. Applications of digital watermarking for audio domain are known since 1996 [3].
In 1995 I.Cox does the first applications for uncompressed and compressed still images. 1996 [9], 1997 [13] are marking the beginning for uncompressed, respectively compressed video signals. After several breakthroughs between 1995-1998 it seems that the last two years can be viewed as a plateau in watermarking research. Simultaneously the industry had an increasing role in standard and recommendation elaboration. This phenomenon resembles to the development of modern cryptography and the elaboration of standards for civil applications.
3. Watermarking requirements
Each watermarking application has specific demands. However there are some general, intuitive requirements .
a) Perceptual transparency. It is related to the fact that the watermark insertion must not affect the quality of the host data. The mark is invisible if one cannot distinguish between the original signal and the marked one, e.g. if the changes in the data are below the thresholds of human senses (hearing, seeing). Perceptual transparency test are made without knowing the input data. Original or marked data are presented independently to the subjects. If the selection percentage is equal for the two cases, this means that perceptual transparency is achieved. In real perceptual transparency applications, the subjects do not know the original data, having therefore corrected testing conditions.
b) Robustness is the watermarks property to resist to unintentional changes, due to the inherent processing related to the transmission / storage (unintentional attacks) or to intentional changes (intentional attacks) aiming to remove the watermark.
There are some situations when one does not need this requirement. For data authentication for example, the fragile watermark needs not to be robust, an impossible watermark detection proving the fact that the data is altered, being no longer authentic.
However, for most applications the watermark has to be robust, its extraction from the host data leading to a significant quality loss, making the host data unusable.
c) Watermark payload; the watermark payload is also known as watermark information. The watermark payload is defined as the information quantity included in the watermark. It is application dependent [12] and some usual values are: 1 bit for copy protection, 20 bits for audio signals, 60 ( 70 bits for video signals. Another important parameter related to the payload is the watermark granularity. This parameter shows the needed data quantity for the insertion of a single watermark information unit. In the above-mentioned example a watermark information unit has 20 bits for audio signals and 60 ( 70 bits for video signals. These bits are inserted in 1 or 5 seconds for audio segments. For video signals the watermark information unit is inserted in a single frame or is spread over multiple frames. Watermark spreading improves the detections robustness. [9]. For most video applications, the watermark information is inserted in less then a second for video signals (approx. 25 frames).
d) Detection with and without original signal. Depending on the presence of the original signal there are two methods for watermark detection [12] :
with the presence of the original signal : nonoblivious watermarking
without original signal: oblivious, public, blind watermarking.
The first type of detection, which needs the original signal, or a copy of it is used in copyright protection applications restraining the inversion attack [20], [7]. The second detection modality, not needing the original, is used in application where the presence of the original at detection is impossible, for example in copy protection.
e) Security in watermarking can be seen as in cryptography: contained in the encryption key. Consequently the watermarking is robust if some unauthorized person cannot eliminate the watermark even if this person knows the insertion and detection algorithm. Subsequently the watermark insertion process uses one or several cryptographic robust keys. The keys are used also in the watermark detection process. There are applications, like covered communications, where encryption is necessary before marking [15].
f) Copyright protection and ownership deadlock. The ownership deadlock is known as the inversion attack, or IBM attack, [2] . Such an attack appears whenever in the same data there are several watermarks claiming the same copyright. Someone can easily insert his own watermark in the data already marked, insertion method or robustness independent.
Watermarking schemes capable of solving this problem (who is the right owner or who was the first that made the mark), without using at detection the original or a copy of it, are not known until now. Such a situation can be solved if the watermark is author and host dependent. In such a case the author will use at insertion and detection two keys: k1 - author dependent and k2 - signal/ host dependent. Using the keys he will generate a pseudo-random sequence k. The key k2, signal dependent, can be generated using one-way hash (OWH) functions. Such generators are including: RSA, MD4, SHA, Rabin, Blum/Blum/Shub [15]. The watermark extraction at the receiver is impossible without knowing the keys k1 and k2. The k2 key, being host dependent, the counterfeiting is extremely difficult. In copyright protection , the pirate will be able to give to a judge only his secret key k1 and not k2. The last key is computed automatically using the original signal by the insertion algorithm. The hash function being noninvertible the pirate will not be able to produce a counterfeit identical with the original.
4. Basic principles of watermarking
As shown in the Introduction, watermarking has two basic processing: one at the sender and the other at the receiver :
Watermark insertion in the host data. The insertion is done respecting the perceptual transparency and robustness requirements.
Watermark extraction (detection) from the marked received signals (possibly altered) and the comparison between the extracted watermark and the original one, in case of deadlock .
For the robustness demand the watermark will be inserted using one or several robust cryptographic keys (secret or public). The keys will be further used at watermark detection.
The perceptual transparency is done according to a perceptible criterion, the last one being implicit or explicit. Therefore the individual samples of the host signal (audio signals, pixels or transform coefficients) used for the insertion of the watermark information will be changed only between some limits situated below the perceptiveness thresholds of the human senses.
Transparent insertion of the watermark in the digital host signal is possible only because the final user is a human being. His senses (hearing, seeing) are imperfect detectors characterized by certain minimal perceptiveness thresholds and by the masquerade phenomenon. By masquerade, a component of a given signal may become imperceptible in the presence of another signal called masquerading signal. Most of the coding techniques for audio and video signals are using directly or indirectly the characteristics of the HAS - human audio system or HVS - human visual system [17].
The watermarking techniques cannot, therefore, be used for data representing software or numbers, perceived by a computer (machine not human).
According to the robustness demand the watermarking signal (despite the small amplitude required by the perceptual transparency demand) is spread over several samples according to the granularity demands. This makes possible the detection of the watermark signal even if the data is noise affected.
Watermarking (fig. 1) consists in :
Watermark information (I) generation (payload)
Watermark generation (distinct from I-watermark information): W, that will be inserted into the host signal X; usually W depends on the watermark information and on the key K:
W = E1 (I, K), (1)
where E1 is a function (in most cases modulation and spreading).
There are applications where, in order to limit the IBM attack, the watermark signal can be host signal X dependent):
W = E1 (I, X, K). (2)
Key generation; the secret key can be public or secret, leading to a possible classification of the watermarking techniques in public keys systems and private keys systems. [7].
Watermark signal (W) insertion in the host signal (X). The insertion is made with respect to the robustness and perceptual transparency demands giving the watermarked signal Y:
Y = E2 (X, W), (3)
where E2 is a function (which usually makes a modulo 2 sum between W and X).
As a conclusion, in order to fulfill the perceptual transparency demands, the two models HAS or HVS, are taken into account directly or indirectly for watermarking, for the robustness requirements, the watermark information I is spread over the host data. Watermarking can be done in the transform domain or in the spatial domain. It follows that, before watermark insertion or extraction, the host data needs to be converted in the domain where the processing will take place: spatial, wavelet, DCT, DFT, fractals. Each domain has specific properties that can be used in the watermarking process. [12].
Watermarking can also be done for compressed or uncompressed host data; most applications are, however, for uncompressed data [8].
Due to the perceptual transparency demands, the changes in the host data are relatively small, so the watermark signal W, will be error vulnerable. In order to overcome this drawback, in transmission or storage, several protection measures can be taken using error correcting codes before watermark insertion [17], [8], [1].

Fig. 1Bloc scheme for watermark insertion

Fig. 2Bloc scheme for watermark extraction and comparison
Watermark extraction (fig. 2)
The watermark detectors input signal is Y and it can be the result of a watermarked signal with errors or not. In order to extract the watermark information Î, the original signal X is necessary - or not - depending on the detection type:
Î = D (X, Y(, K) - nonoblivious detection (4)
Î = D (Y(, K) - oblivious detection (5)
In copyright applications, the detected watermark information Î is compared with the ownerships original I (fig. 2).
C (I, Î) = (6)
In practice , the comparison is made by a correlator that computes the cross-correlation c between I and Î, and a threshold detector with ( threshold value [Watson].
5. Specific attacks
The causes leading to errors in the watermark extraction process are called attacks.
According to the way they were produced, the attacks can be classified in two major categories:
Unintentional attacks, due to the usual signal processing in transmission or storage: linear (nonlinear) filtering, JPEG compression, MPEG-2 compression, pixel quantisation , analog to digital conversions, digital to analog conversions for recording processes, ( correction. A detailed description of these attacks is done in [7].
Intentional attacks intentionally made in order to eliminate the watermark or to insert false watermark, keeping also the perceptual fidelity.
There are other attacks classifications among them we refer to [23]:
A. Simple attacks , the watermarked signal sustains some distortions, however the intention being not to eliminate the watermark. The majority of these attacks are unintentional attacks described above.
B. Detection disabling attacks, including the synchronization attack. These attacks are oriented towards the watermark extraction devices; the purpose of such an attack is to avoid watermark detection. A common characteristic for such attacks is the signal decorrelation, making the correlation based watermark extraction impossible. In this case the most important distortions are geometric distortions: zooming, frame rotation, sub-sampling, the insertion or extraction of a pixel or a group of pixels, pixel interchanges, spatial or temporal shifts. In the case of the Stir Mark [16], the jitter attack consists in the elimination of some columns and the multiplication of others, keeping unchanged the image dimensions. On the same category, frame modifications are included: frame removal, frame insertion or swapping.
C. Ambiguity attacks, also known as confusion, deadlock/ inversion-IBM/ fake watermark/ fake original attacks. These attacks are trying to create some confusion by producing a fake original.
D. Removal attacks are trying to decompose the watermarked image Y in a watermark W and an original X, in order to eliminate the watermark. In this category we mention the collusion attack, noise extraction and nonlinear filtering.
In multimedia MPEG compression based applications the attacks can be done in the compressed domain (frequency- DCT), or in the spatial domain. The most important attacks are done in the spatial domain, for uncompressed signals.
There are computer programs for several kinds of attacks, among them we mention:
Stir,
Mark, from the Cambridge University,
Atack, from the University of Essex.
Still images oriented useful also for dynamic images too
6. The Millennium Watermark System [13]
The first attempt of standardization for the DVD`s copy protection is the Millennium watermarking system introduced by Philips, Macrovision and Digimarc in USA; it was submitted to the approval of the USA Congress, and the result was the Digital Millennium Copyright Act signed by the president of the USA in 28. 10.1998. The main cause was the market explosion of digital products like DVDs, digital broadcasting of multimedia products and the producers exposure to potential huge financial losses, in case of the non-authorized copying. The standardization of the video DVD`s provoked unusual debates in copy protection (like the 1970 ( 1975 years for the DES standardization) influencing the whole multimedia world. On a DVD the information is encrypted (with secret algorithms) but in order to assure the copy protection the encryption is not enough. Using encryption on a storage device: CD, DVD, or in transmission on communication channels or open interfaces copy protection can be realized using an authentication system and a session key generating mechanism for all interfaces (end to end encryption). Encryption use on DVD`s supposes that the players or recorders have incorporated compliant devices. When the content is displayed in clear on a monitor or played on speaker (to the human consumer) the encryption based digital protection disappears. It is now when the need for watermarking becomes clear; the watermark assures that copying is allowed for a restricted number of copies (one copy) or prohibited (never copy).
For any practical implementation solution of the system, the basic demands are: cheap and simple, robustness with perceptual transparency fulfilled.
According to these demands, from the wide spectrum of technical solutions, a system with real time detection in the spatial domain using a simple spatial correlator was chosen. The real time watermark detector was built on three separate platforms: a high-end Silicon Graphics workstation, a Tri Media processor based board and a FPGA board. The author shows in [13] that for DVD`s the best implementation is the FPGA based one. For the Millennium standard there are some unsolved problems concerning the place of the detector. Regarding the copy control philosophy there are two basic principles:
a) the remarking concept, consisting in the insertion of a second watermark by the recorder.
b) the ticket concept, consisting in volatile information, lost in the copying process, like in the case of a bus ticket that looses its validity by obliteration.
The ``ticket`` acts like an authorized identifier. In order to assure that the ticket is specific to certain information, and to a certain transfer - for example copying- the ticket is encryptionally tied with the payload.
7. Concluding remarks
Digital watermarking was presented as a solution for copyright protection and especially for multimedia product unauthorized copying. In fact, even though several solutions were proposed, actually the domain rests untested, not experimented.
Among the great lacks shown, we can remind in the first place:
the lack of standardization in algorithm testing and evaluation (lacks of benchmarking) [14] (something like StirMark)
the lack of a suitable legislation.
The copyright protection problem [17] shows that watermarking is by no means an unfailing method. Any research teams (even the whole technical community) will not solve copyright protection, because it is related to several legal aspects including a concise definition for similarity and subsequent work. Now we are in a period of great interdisciplinary efforts for national and international recommendations and standard elaboration for ownership protection in the digital era, in which both the multimedia products manufacturers and the legislation (the political factors) have to arrive to an agreement.
8. References
Ambroze A, Wade G., Serdean C., Tomlinson M., Stander Y., Borda M. (2001): Turbo code protection of video watermark channel. IEE Proceedings Vision Image, Signal Processing, Vol. 148, No. 1 Feb., pp. 54-58
Boneh D., Shaw J. (1995): Collusion-Secure Fingerprinting for Digital Data, Advances in Cryptology. CRYPTO(95, Springer Verlang, pp. 452-465
Boney L., Tewfik A. H., Hemdy K. H. (1996): Digital watermarks for audio signals. Proc. EUSIPCO Sep., Trieste, IT.
Bajenescu T., Borda M. (2001): Securitatea in informatica si telecomunicatii. Dacia
Caroni J.(1995): Assuring ownership rights for digital images. VIS 95, Session Reliable IT Systems.
Cox I, Miller M, Bloom J. (2002): Digital watermarking. Principle and practice. Academic Press.
Cox I. J., Linnartz J. (1997): Public watermark and resistance to tampering. IEEE Int. Conf. On Image Processing, CDROM
Hartung F., Girod B. (1998): Watermarking of uncompressed and compressed video. Signal Processing 66, pp.283-301
Hartung F., Girod B. (1996): Digital Watermarking of Raw and Compressed Video. Digital Compression Technologies and Systems for Video Communications, Vol. 2952 of SPIE Proceedings, Oct. , pp. 205-213
Kahn D. (1967): The Codebreakers, McMillan, New York
Kobayaski M. (1997): Digital Watermarking: Hystorical roots. IBM Research, Apr., Tokyo Res. Lab., Tech. Rep.
Langelaar G. C., Setyawan I., Lagendijk R. L. (2000) : Watermarking Digital Image and Video Data. Signal Processing Magazine, Sep., pp. 20-46
Maes M., Kalker T., Linnartz J. P., Talsta J., Depovere G. F., Petitcolas F. A. P. (2000): Digital watermarking for DVD video copy protection. Signal Processing Magazine, Sep., pp. 47-58
Petitcolas F. A., (2000) : Watermarking schemes evaluation. Signal Processing Magazine, Sep., pp. 58-64
Schneier B (1996) : Applied Cryptography. John Wiley and Sons
StirMark: http://www.cl.cam.ac.uk/
Swanson M.D , Kobayashi M., Tewfik A.H (1998): Multimedia Data Embedding and Watermarking Technologies. Proceedings of the IEEE, Vol.86, No 6, Jun., pp. 1064-1087
Tewfik A. H. (2000): Digital Watermarking. IEEE, Signal Processing Magazine, Sep., pp. 17-18
U. S. Copyright office Summary (1998): The Digital Millennium Copyright Act of 1998. Dec. http://www.loc.gov./copyright/leg
Watson A. T. J. (1996): IBM Research Report. RC 20509, Jul., Computer science/ Mathematics
Wolgang R.B., Delp E. J. (1999): Fragile watermarking using the VW2D watermark. Proc. Electronic Imaging ´ 99, Vol 3657, San Jose, Jan. 25-27, pp. 204-213
Wolfgang R.B., Podiluck C.I., Delp E.J. (1999): Perceptual Watermarks for Digital Images and Video. Proceedings of IEEE, Vol 87, No. 7, Jul., pp. 1108-1126
Wade G. (1999): Watermark Attacks. Research Report, Plymouth, Oct.

Simulation of Transformer Inrush Current Associatedwith the Residual Magnetism in the Core
A transzformátor remanens mágnesességéhez fqzQdQbekapcsolási túláram szimulációja
Liana Cipcigan
Technical University of Cluj-Napoca, Romania
Kivonat
Ha egy le nem terhelt transzformátort rákapcsolunk a hálózatra, a kezdeti mágnesezési áram általában jóval meghaladja a állandósult állapotra megadott értéket és gyakran nagyobb mint a transzformátor áramának a névleges értéke. Ezt az áramot mágnesezQ bekapcsolási áramnak is nevezik. Ennek a tanulmányozása fontos adatokat szolgáltat a villamos hálózat mqködésével és védelmével kapcsolatosan, ugyanis komoly gondokat okozhat. A háromfázisú transzformátorok esetében ez a jelenség sokkal összetettebben jelentkezik mint az egyfázisúaknál, a transzformátormagban jelentkezQ különbözQ szintq remanens fluxus és a három fázis közötti fáziseltolás miatt. A remanens mágnesség okozta bekapcsolási túláram hatásainak vizsgálatára terepi méréseket, valamint a tranziens folyamatok szimulációját végeztük el. Jelen dolgozat célja egy olyan szimulációs eljárás bemutatása, amely figyelembe veszi a remanens fluxust és a bekapcsolási szöget.
Abstract
When an unloaded transformer is switched on to a supply, the initial magnetizing current is generally much larger than the magnetizing current at steady-state conditions and often much larger than the rated current of the transformer. This phenomenon is known as magnetizing inrush current. Study of magnetizing inrush current offer important data for a power system operation and protection because this current causes more serious problems than energizing currents of the transformer. Magnetizing inrush phenomenon in three-phase transformers is more complicated that in single-phase transformers due to the phase shift between the three-phases and different levels of the residual fluxes in the core. In order to investigate the effects of the inrush current associated with the rezidual magnetism in the core and to find out which measures are needed to eliminate them, a set of field tests complemented by a transient simulation has been initiated. The purpose of this paper is to present a method to simulate the magnetizing inrush current taking into considerations different operating conditions such as residual flux and switching-on angle.
1. Introduction
The concept of magnetizing inrush current is fairly old, numerous researches were carried out to derive the mathematical formulations and explain this phenomenon [3-9]. In the majority of these researches the simultaion of magnetizing inrush currents under various operating conditions were developed.
Power transformers are designed to operate at its rated voltage and flux. The core materials will go into deep saturation as soon as the flux exceeds the rated value, resulting in a large magnetizing current [1]. Since the flux could reach three times of its rated value, the inrush current could be extremely large (for example, 10 times of the transformer) [10]. The magnetizing inrush current has a close relationship with nonlinearity and hysteresis of the iron core. One of the important characteristics that influences the level of the inrush current is the residual flux density which could be additive on turn-on causing the transformer to saturate. The result of this we can say that the optimum transformer is the transformer with the lowest residual flux. The core of the transformer, under normal operating conditions will not saturate, if it has been sized correctly. However, on energization if the combination of switching instant, polarity and quantity of remanent flux, B-H characteristics and circuit resistance the core will saturate resulting in high inrush current. Transformer inrush current are high-magnitude in direct dependence with the residual flux remained from the previous switching. For the inrush current, the positive and negative halves are not symmetrical.
Computer model was developed for the transformer inrush current study and two transformer models were used. Using a PSCAD/EMTDC numerical simulation both the transients as well as the steady-state behavior of the power system was studied. The simulations were performed to determine both the behavior of power transformer under energizing and the inrush current associated with the residual magnetism in the core. Laboratory experiments at University of Alberta, Edmonton, Canada were performed on a three-phase transformer and experimental data has been collected and interpreted. The experimental data collected were used for validating the computer simulation model developed.
2. PSCAD/EMTDC Study
When energizing a transformer there is a residual magnetism in the core named remanence. The degree of magnetizing inrush current during energizing is a function of the position on the supply voltage wave shape that each phase of the closing circuit breaker actually closes on and the remanence existing in the legs of the transformer core. Remanence is determined by the conditions associated with the de-energized of the transformer that may not be known [2].
It is useful to anticipate the worst conditions that might be expected on any random energization. Usually, the maximum remanence that might exist in any leg of the core is about 80% of the peak flux linkages generated at rated volts. This is determined from the rated r.m.s. voltage Vr of the winding that is being referenced for remanence [2].
A possible way to set a desired remanence with PSCAD/EMTDC in the un-energized transformer is with controlled current sources. The case is run with the circuit breaker open and the current sources in each phase are adjusted to generate the require remanence. The current sources can remain in the circuit at their remanence setting during the run as they do not impact the results [2]. This study presents the results of a study about the worst-case remanence and its impact in the magnitude of inrush current.
The following criteria have been applied when preparing this study:
worst case configurations with/without remanent flux; different models and different parameters for the transformer have been employed for the simulations;
the residual flux can be varied in the rage of ±0.9 p.u. Basically it is determined by adjust the current source in each phase.
A summary of these conditions is presented in Table 1.
Table 1. Transformer models and simulation conditions
transformer modelssimulation conditionsWith remanent flux Without remanent fluxLarge transformer*
Small transformer*Simultaneous closingDifferent switching timesSimultaneous closingDifferent switching times
* 1. Three-phase bank (core type) transformer model.
2. Three-phase two-winding transformer model.
The computer models developed for investigating the inrush inrush current consists of a 230kV Wye / 66kV Delta transformer with a 100 MVA capacity, unloaded (secondary open), and a laboratory transformer with the following parameters: 208 V Wye / 208 V Delta and 30kVA capacity. The switching is performed on the Wye side. These parameters were chosen for testing the behavior of both large and small transformers.
Transformer modeling, especially for study the transient phenomena is quite complicated. A general model for using to all frequency and modeling all characteristics of the transformer is not available in PSCAD/EMTDC. In the following the most appropriate models for inrush current study are presented. In PSCAD/EMTDC there are two basic transformer models.
a). The UMEC model has provision for specifying the configuration of the core in single and three phase units. The UMEC transformer model allows for the correct core configuration. This model allows introducing the saturation curve. Under normal excitation a transformer draws a magnetizing current of between 0.2 and 2% of its rated current. Using this model the description of the process occurring when a three-phase transformer is energized is less simple because the three phases are connected both electrically and magnetically.
b). The second model is the single phase units model. An ideal transformer means zero magnetizing current and no resistive coupling. When a ideal transformer is modeled with the inverted inductance matrix entered into the DATA input file, the magnetizing current and core losses are not represented. Core and winding losses can be neglected because of the little significance to results. In reality, a real transformer operated on no-load will draw some real power from the supply the so-called no-load power or core losses. These losses consist of the core hysteresis losses and eddy current losses. But, losses in the transmission system external to the transformer tend to dominate. The models require that there is leakage reactance and the concept of a fully ideal transformer without leakage reactance is not possible on PSCAD. Due to the double precision calculations of EMTDC, low values of leakage reactance (0.001 to 0.01 per unit) would solve satisfactorily. If the leakage reactance is set to 0.0, the transformer model may actually run, but it may become numerically unstable. The knee point of the saturation curve is usually expressed in percent or per-unit of the operating point defined by rated voltage. Typical ranges in per-unit are 1.15 to 1.25. Another feature is control over the inrush current decay time. Argument value TD ensures there is a decay time imposed on inrush current such as would occur on energization or recovery from a closed by fault. Inrush current decay realistically if the values 0.5 < TD < 2.0 is used. In our simulations TD = 1.0 is used. In this case the inrush current will fade within one or two seconds. The rate of decay of inrush current is controlled by losses internal and external to the transformer and it is easy to set the rate by this method than in trying to change losses in the model. Minimum No load loss parameter is automatically to the value 0.1% if saturation is selected.
In the system under study the maximum transformer inrush current was measured with the circuit presented in Figure 1.

Figure 1The circuit for measure the maximum transformer inrush current
The oscillograms of the inrush current (phase a), the specified phase flux linkage and the maximum inrush current are presented in Figure 2 for the case without residual flux.

Figure 2Maximum inrush current without residual flux
The polarity combinations of the residual flux +/-/0 and +/0/- have to be checked for analysing the maximum inrush current under the same switching conditions (Figure 3).

Figure 3The polarity combinations of the residual flux +/-/0 and +/0/-
3. Experimental Results
For a qualitative verification of the simulation models, inrush current simulated with the PSCAD/EMTDC software package are compared to the results obtained in the laboratory of University of Alberta, Edmonton Canada. Nicolet BE256LE Data Acquisition system with Team 256 software was used to record the inrush current data. The experiment was conducted on a test three-phase transformer with the following parameters: 208 V Wye/208 V Delta and 30 kVA. To study the behavior of inrush current while energizing the transformer the measurements were taken with neutral conductor grounded solidly. All tests were performed without a load on the secondary side. The data obtained are plotted in Figure 4 showing the inrush current at different switching angle.

Figure 4Inrush current across the 30 kVA transformer for different switching angle (phase a)

The experimental results were analyzed in terms of the statistics of the measured inrush current whose compilation is presented in Table 2. The basic experimental switching case is composed of 36 measurements around the clock.
Table 2 Transformer switching field test results.
V angle020406080100120140160180200220240250270300320340360Inrush Current70045040030035040543052060060052034034060120300450550700A comparison between simulation results and experimetal results is presented in Figure 5 for the experimental transformer data.

4. Conclusions
The main parameters influencing the magnitude of the inrush current are the magnetic saturation characteristic of the transformer and the magnetic flux remanence in the transformer core at the moment of energization, as was demonstrated through simulations. An analysis of the simulation results shows that the energization of the transformer containing a flux remanence is far more severe than the case of a completely demagnetized transformer. If the closing angle is arbitrary it is possible to hit the condition where the inrush current is very high as presented in Table 2 and Figure 4. The magnitude of the inrush current during energization is a function of the position on the supply voltage waveshape that circuit breaker closes on. A good agreement between the simulation and experimental results were obtained.
Random power transformer energization can create large flux asymmetries and saturation of one or more winding cores of the transformer. These currents can cause false operation of protective relays and fuses, mechanical damage to the transformer windings from magnetic forces, and generally reduce power quality on the system. Further investigation is necessary to detemine some practical methods for reducing transformer inrush current.
5. References
Cipcigan, L., Xu, W., Dinavahi, V., A New Technique to Mitigate Inrush Current Caused by Transformer Energization, IEEE Summer Meeting, Chicago, USA, July, 2002, 0-7803-7519-X102.
*** Introduction to PSCAD/EMTDC V3, Manitoba HVDC Research Centre Inc, 2001.
CIGRE Working Group Task Force 13.07 Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers, 1st Part Elektra No. 183, April 1999, pp.43-73.
CIGRE Working Group Task Force 13.07 Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers, 2nd Part Elektra No. 185, August 1999, pp.37-57.
Lin, C.E., Cheng, C.L., Huang C.L., Yeh J.C., Investigation of magnetizing inrush current in transformer, Part I - Numerical simulation, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.8, No.1, January 1993, pp.246-254.
Smith, K., Ran L., Leyman B., Analysis of transformer inrush transients in offshore electrical systems, Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceeding, Volume 146, Issue 1, June 1999, pp.89-95.
Braun D., Koeppl G., Azuaje C., Borges F., Inrush currents of a large step-up transformer and means of their reduction, , CIGRE Study Committee, C5.1.13, paper 060.
Rico J., Acha E., The study of inrush current phenomenon using operational matrices, Transactions on Power Delivery Vol.16, No.3, July 2001, pp.231-237.
Adly A., Computation of inrush current forces on transformer windings, Transactions on Power Delivery, Vol.37, No.4, July 2001, pp.2855-2857.
Greenwood, A., Electrical Transients in Power Systems, John Wiley & Sons, 1991.

Legújabb gázturbina hatásfok-növelQgyártmány- és rendszerfejlesztések
Newest Product-, and System Developmentsfor Efficiency Improvement of Gas Turbines
Dr. EmhQ László, CEM, EurEng
Budapesti ErQmq Rt.
Summary
Dominant product developments:
higher temperatures, new alloys
higher compression-ratios
three dimensional computational fluid dynamics (CFD)
low NOx emission combustion
inlet-vane compressor control
Important system developments:
pre-cooling of inlet air
higher efficiency air-filtering
Összefoglalás
Domináns gyártmányfejlesztések:
magasabb hQmérsékletek, új ötvözetek
magasabb kompesszió-arányok
háromdimenziós számítógépes áramlástechnikai-méretezés (CFD)
alacsony NOx kibocsátású égés
kompresszor elQperdület-szabályozása
Fontos rendszerfejlesztések:
belépQ levegQ elQhqtése
magasabb hatékonyságú légszqrés
Bevezetés
Energiahatékonyság címszó alatt általában az energiafelhasználás hatékonyságát értjük. Nézzünk most be egy kicsit a színfalak mögé : mit tehetünk a gázturbinát alkalmazó energiatermelés/átalakítás hatékonyságjavítása területén.
Az áram, illetve hQenergia elQállítására szolgáló gázturbinák, gázturbina rendszerek mai fejlettségi fokán azok kialakítása, méretezése, rendszerbe illesztése a termodinamikai és áramlástani törvények figyelembevételével szqkebb szakmai körünkben meglehetQsen ismert és kiforrott módon történik, [1] [2] [3] így ezek taglalásától most eltekinthetünk.
A gyártó cégek, fejlesztQ intézetek éles versenyében persze a gyártmányfejlesztés folyamata nem áll meg. Ezen legújabb törekvésekbQl emelünk ki az olvasóval/hallgatóval néhányat az elQadás elsQ részében.
Gázturbinás rendszerek tekintetében ugyancsak kiforrott megoldásokról lehet beszélni, ami persze nem zárja ki, hogy a rendszertervezQk legjobb ötleteiket is bevihessék a legkülönfélébb megrendelQi igények, helyszíni feltételek kielégítésére. Ezek néhány jellemzQjét tárja fel az elQadás második része.
Gyártmányfejlesztések
Ebben a körben az egyes részegységek egymáshoz való viszonyának bemutatására tipikusnak vesszük az ABB cég rendszerében alkalmazott 5,96 MW névleges kimenQ tengelyteljesítményq Kawasaki gázturbina átnézeti képét (1. ábra). Itt jól látható az égéslevegQt sqrítQ 12 fokozatú kompresszor, illetve a kimenQ teljesítményt meghatározó 4 fokozatú turbina-rész, illetve a 6 - üzemanyagként földgázt felhasználó - égQ. A szorosan egymásra ható fejlesztések ezen részegységekre összpontosítanak. (A kölcsönhatás könnyen belátható: a magasabb tüzelési hQmérséklet például igényesebb, ellenállóbb ötvözetek alkalmazását teszi szükségessé a turbina-fokozatokban.)

A modern energetikai célú gázturbinák nagy része csaknem folytonos üzemelés mellett dolgozik. Így megnövekszik az üzemanyag-költségek jelentQsége a gyártmányoptimalizálás során. Ebben a folyamatban a teljes várható - például 20 éves - élettartam során veszik figyelembe a beruházási-, üzemanyag-, üzemelési-, és karbantartási költségek egyensúlyát, összegezését.
A legújabb fejlesztésekrQl legutóbb a GE számolt be [4]. A cég Power-Gen Europe 2002 kongresszuson és kiállításon bemutatott 9 FB turbinája (2. ábra) minden fokozatában hozzájárult a hatásfoknöveléshez.

A turbina egységteljesítménye 412,9 MW, iker elrendezésben 825,4 MW, névleges hatásfoka 58 %. Ez utóbbi ezen a fejlettségi szinten jelentQs, 1,3 %-os növekményt takar az elQzQ típushoz képest.
A fejlesztés során az eredetileg 1260ºC tüzelési hQmérsékletet 1370ºC-ra emelték. Ehhez háromdimenziós számítógépes áramlástechnikai (CFD) programot vettek igénybe, ezzel optimalizálták a gázáramlást, növelve a hatásfokot, csökkentve a hqtQlevegQ-szükségletet. A turbina-rész anyagkiválasztásánál magasabb hQhatás mellett is kellQ szilárdságú acélötvözeteket (N5, GTD 444, stb.) kellett alkalmazniuk, úgy a háznál, mint a 3 lapátsornál, illetve a kompresszor nagynyomású részének megcsapolásából származó hqtQlevegQt bejuttató fúvókáknál.
Tisztább energia elérésére alacsony NOx kibocsátású kettQs (gázhalmazállapotú és alacsony kéntartalmú olaj-tüzelQanyagokat felhasználó) égQrendszert fejlesztettek ki, amely földgáztüzelésnél, víz-, vagy gQzbefecskendezés nélkül max. 25 ppm NOx emissziót jelent. A turbinaházhoz tompaszögben csatlakoztatott égQtér 18 égQt foglal magába.
A kompresszor fejlesztésénél részletesen kimérték az üresjárati-, csúcsterhelési-, és lökésszerq terhelési üzemi jellemzQket, így állapították meg az elérhetQ kompresszióviszony növelést. Ezen túlmenQen a forgórész szerkezeti kialakításához kísérleti úton meghatározták annak hQ-tranzienseit is.
A kompresszor végül 18 fokozatú axiál-kivitelq lett elQperdület szabályozással, a részterhelési magas hatásfok, a magas kilépQ gázhQmérséklet és az alacsony károsanyag kibocsátás elérésére. A kompresszor lapátkerekek krómacélból készülnek. A fenti kialakítással a kompresszióviszonyt 15,5:1-rQl 18,5:1-re emelhették.
Rendszerfejlesztések
Ezen a téren az égéslevegQ elQkészítettségének fokozása volt a legfontosabb szempont: elQhqtéssel, nedves közbensQ hqtéssel, a szqrés hatékonyságának fokozásával.
ElQhqtés, közbensQ hqtés
Tipikus gázturbinaként vegyük a már említett (ISO szerint +15ºC környezeti hQmérséklet mellett) 5,96 MW teljesítményq Kawasaki-gyártmányú egységet. Ennek kimenQ tengelyteljesítménye, illetve hatásfok módosító tényezQje a 3. ábra szerint alakul, a környezeti, azaz a kompresszor által beszívott levegQ hQmérséklete függvényében. Az ábrából jól láthatóan a kimenQ teljesítmény -5ºC hQmérséklet alatt viszonylag állandó, de attól felfelé rohamosan csökken, akár annak 50 %-ára is, míg a hatásfok +10ºC alatti csúcsértékét és állandóságát a fölött annak rohamos, akár 20 %-os csökkenése váltja fel. A környezeti hQmérséklet növekedésével növekszik a károsanyag kibocsátás is.
Fenti szempontok elsQsorban az alaperQmqvek számára létfontosságúak, de a többi erQmq is természetes igényként törekszik beépített berendezéseibQl a maximális teljesítmény és így profit elérésére. Ez erQmqvi és nemzetgazdasági érdek, ezért a BERT is minden esetben megvizsgálja ennek elérhetQségét, többek között az égéslevegQ elQhqtésének és hatékonyabb szqrésének figyelembevételével.

Adiabatikus hqtésnél (4.a. ábra) a hqtQvizet porlasztófejeken át juttatjuk be a légáramlatba: egyen-, vagy ellenáramban, vagy a kettQ kombinációjával. A szokásos üzemi víznyomás a legújabb fejlesztésq fúvókáknál már 70-240 bar közé esik. Ilyen elrendezésnél a képzQdQ vízköd 20 mikron átmérQjq finom szemcsékbQl áll.

Ennél a hqtési módnál a beszívott 30ºC/40 % (nyári tervezési) légállapotú levegQ h entalpiája változatlan marad, miközben hQmérséklete 21ºC-ra csökken (5. ábra, nedves levegQ hx-diagram a állapotváltozási egyenes), relatív nedvességtartalma (közel) 100 %-ra, abszolút nedvességtartalma pedig 10,5 g/kg-ról 15,5 g/kg-ra nQ.
A rendszer viszonylag egyszerq, alacsony költség-igényq, és kevés karbantartást igényel. MeglévQ gázturbinákhoz akár 1-2 nap alatt is beépíthetQ, légoldalon viszonylag kis ellenállás növekedést okoz.

Adiabatikus közbensQ-hqtésnél a porlasztófejek közvetlenül a kompresszorfokozat(ok)ba juttatják a hqtQvizet, ezzel csökkentve a kompressziós veszteséget.
Felületi hqtésnél a légáram útjába hQcserélQt helyezünk, amelybe közvetlenül ott elpárolgó hqtQközeget (R 22, R 134a, R 407, stb.), vagy közvetítQközegként vizet juttatunk, amelyet zárt körben keringtetve villamos-kompresszoros-, vagy hQenergiával (erQmqvi esetünkben hulladékhQ-energiával) mqködtetett abszorpciós-folyadékhqtQvel hqtünk elQ 6-7ºC-ra (4.b. ábra). A levegQ állapotváltozása ekkor az 5. ábra b. állapotváltozási görbéje mentén megy végbe.
Ez a rendszer viszonylag összetett, hely-, és költségigényes, beszerelése hosszabb idQt vesz igénybe, bypass-ág nélkül egész éven át jelentQs légoldali ellenállás-növekedést okoz.
ElQnye viszont, hogy az elQkészített levegQ akár 15ºC-ra is lehqthetQ, abszolút nedvességtartalma alacsony: esetünkben pl. csupán 9,5 g/kg.
A felületi hqtés hqtQenergia-tárolással (4.c.ábra) is összeköthetQ, figyelembe véve, hogy a kritikus nyári napok legmagasabb hQmérsékletei csak néhány órán át jelentkeznek, így folyadékhqtQnket pl. 24 órán át üzemeltetve annak jóval kisebb lehet a hqtQteljesítménye azonos hqtQteljesítmény-igény esetén.
Hidegvizes tárolás esetén az elQbb már említett 15ºC léghQrmérsékletet érhetjük el, míg jégakkumulációnál akár 5-10ºC-t is (5. ábra c. görbe).
A különféle hqtési módok amerikai esettanulmányok [5] szerint 3-4 év körüli egyszerq megtérülési idQket mutattak.
Továbbfejlesztett légszqrés
Fokozott légszqréssel ugyancsak növelni tudjuk rendszerünk teljesítményét, hatásfokát.
Az un. nanofiber technológia [6] - amelynek egyik elsQ megvalósítója az amerikai Donaldson cég 0,04÷2,5 mikron részecske tartományban 80-97 % leválasztási fokot biztosít, ezzel jelentQsen csökken a kompresszor-lapátok elpiszkolódása (alacsony fouling-tényezQ).
Összefoglalás
Gázturbinák legutóbbi gyártmányfejlesztését a tüzelési hQmérsékletek emelése, a magasabb hQállóságú ötvözetek felhasználása, a CFD méretezés, az alacsony NOx kibocsátású égQrendszerek, a kompresszióviszony növelése, a kompresszor hatékony elQperdület szabályozása jellemzi.
A rendszerfejlesztési törekvésekbQl az égéslevegQ elQhqtés és légszqrés hatékonyságnövelése emelkedik ki.
Fentiek céltudatos alkalmazásával egyre hatékonyabb gázturbinák és gázturbina-rendszerek építésére nyílik mód, ezáltal növelve az energiatermelés/átalakítás hatékonyságát. Így javul folyamatosan a Budapesti ErQmq Rt által létesített gázturbinás erQmqvek hatékonysága is.

Lényeges integrált energia-,és létesítmény-gazdálkodási megoldásokaz AEE energia világkonferenciáiról
Significant Integrated Solutionsfor Energy & Facility Management,from AEE Energy World Conferences
Dr. EmhQ László, CEM, EurEng
Budapesti ErQmq Rt.
Summary
Most important branches to disass:
Energy Management
Geothermals
Energy Service & e-commerce
Combined Heat & Power / Cogeneration
Environmental Technology
Plaint & Facilities Management
Facilities e-solutions
Összefoglalás
A megtárgyalt legfontosabb ágazatok:
Energiagazdálkodás
Geotermia
Energia-szolgáltatás, elektronikus kereskedelem
Kapcsolt hQ és villamosenergia/kogeneráció
Környezettechnológia
Üzem- és létesítménygazdálkodás
Létesítmények elektronikus megoldásai
Bevezetés
Az Association of Energy Engineers (AEE) Magyar Tagozata az - ETE-vel és a Congress Kft-vel összefogva - 2001. június 13-15 között rendezte meg az elQzQ Nemzetközi Energiahatékonysági konferenciáját. A konferencia sikeréhez fenti szervezQkön túl az erQteljes nemzetközi érdeklQdés, az érdekes és színvonalas elQadások és a rangos elQadók is hozzájárultak.
Az AEE Atlantai Elnöksége - pályázatunkra - úgy döntött, hogy a konferenciáért a Legjobb Nemzetközi Program díját adományozza a Magyar Tagozatnak, és egyben meghívja annak elnökét a díj személyes átvételére, valamint elQadás tartására a 2001. évi Világ Energia Konferenciáján, Atlantában, október 23-26 között. A díjat ünnepélyes keretek között adták át, közös munkánk kiemelkedQ színvonalát azzal is honorálva, hogy a résztvevQ nemzetek zászlóinak sorában a házigazdák csillagos-sávos lobogója után mindjárt kis hazánké következett.
Az elnök így élénk érdeklQdés mellett tarthatta meg - 1956-os forradalmunk évforduló-napján - figyelemreméltónak, érdekesnek ítélt elQadását a közép-európai trigenerációs fejlesztési törekvésekrQl [1]. Az elQadásnak ilyen alapon utóélete is lehetett, megjelent az Energia Engineering az Energy Net és Energy Central folyóiratokban.
A Szeptember 11 után nem sokkal következett utazás lényegi hozadéka persze nem ez volt, hanem a megmártózás a világ energia-iparában és követlen tapasztalatszerzés a különféle új irányzatokkal kapcsolatban [2]. EzekbQl nyújt át néhányat az energia témacsoportokból - a teljesség igénye nélkül - az elQadás.
BevezetQ helyzetmeghatározásként Al Thumann AEE ügyvezetQ igazgató megjegyezte: az energiaszolgáltatás újraszabályozásától csökkenQ árakat és újabb erQmq-létesítéseket vártak. Ehelyett Kaliforniában ez sorozatos áramszüneteket és átlagosan háromszoros árakat hozott - elQrevetítve a trendet, hogy ez máshol is megismétlQdik.
Hogyan történhetett meg ez? A 90-es évek második felében megerQsödött az amerikai nemzetgazdaság és ez egybeesett a számítógépek és más hi-tech berendezések még rohamosabb elterjedésével, így minden elQjel nélkül drasztikusan megnövekedett az energiaigény, amit természetszerqleg nem követett azonnali erQmqépítés, amellyel a kínálatnövekedést a keresetemelkedéshez igazíthatták volna. A termelQkapacitás hiánya robbantotta a nagykereskedelmi árakat, amit azután a szolgáltatók a fogyasztókra hárítottak.
Ezek a szolgáltatók az újraszabályozás elQtt hozzászoktak a kényelmes 5-7 %-os profithoz, és húzódoztak a többmilliárd dolláros erQmq befektetésektQl: a villamos-energiaigény 1992-2000 között 23 %-kal nQtt, miközben a termelQkapacitás csak 6 %-kal.
Az ebbQl következQ áremelkedés fokozottan kényszeríti a fogyasztókat az ésszerq és takarékos energiagazdálkodásra.
Minden bizonnyal fentiek a legnagyobb tanulságai a 2001 (és a 2002) évi atlantai Világ Energia Konferenciáknak. Nézzük elQbb a 2001. évi súlypontokat:
1. Szekció: Energiagazdálkodás
Az elQadások elsQ - fQ csoportja hqtQenergia-tárolással foglalkozott. Chvala elQadása [3] kiemeli: minden szövetségi (mi úgy határozhatnánk meg: állami ) típusú épületnél meg kell vizsgálni a hqtQenergia-tárolás lehetQségét minden folyadékhqtQ-nagyjavítás, illetve csere esetén, a csúcs-lekötés és a csúcs-hqtQteljesítmény mérséklésére. Az elsQsorban javasolható épületek: laboratóriumok, fejlesztQ intézetek, iskolák, kórházak, lakások, szolgáltató épületek. 1994-ig az USA-ban mintegy 2000 hqtQenergia-tároló rendszer létesült, ezeknek csak körülbelül 1 %-a szolgál szövetségi épületet.
Granger [4] a Houston Belvárosi TávhqtQ Rendszer jellegzetességeit ismerteti: 60 MW hqtQteljesítmény 155 MW hidegenergia-tárolási kapacitás, 4,5ºC hqtöttvíz-hQmérséklet a klímaberendezésekhez, -9ºC hqtött glikolos-víz a jégakkumulációhoz. A rendszerrel ésszerqen tudják elkerülni a Texasban 13-20 óra közötti villamosenergia-szolgáltatási csúcsidQket.
A második fontos csoport a hibrid és kapcsolt energiatermeléssel foglalkozott. Az elsQnek kiemelt példa Kedia elQadása [5] nap- és vízenergia együttes felhasználásáról a Himalájában, faluközösségek energiaellátására. A téli alacsony vízhozam okozta hiányt, az általában felhQtlen égbolton keresztül nyert napelem szolgáltatta villamosenergia egészíti ki, az összesen 30-40 kW teljesítményq helyi rendszerben.
Épített és természetes környezetünk megóvásával két lényeges irányadó elQadás foglalkozott mélyrehatóan: Liana Khachatryan [6] a passzív szolár-házak új - általa felállított - matematikai és valóságos modelljén keresztül mutatta be, hogy egy épület déli falának rugalmas hQszigetelésével (éjjel zár a hQszigetelés, nappal nyit ), jelentQs mennyiségq energiahordozó és környezetszennyezés takarítható meg, így javítva hazája, Örményország energia- és környezeti egyensúlyát, míg Wirdzek [7] a Laboratóriumok a 21. században amerikai program keretében elért eredményekrQl számolt be. Egy michigani labor teljesítményben például 68 % villamosenergia, 66 % hQenergia, 80 % vízfogyasztás, összességében 74 % éves energiaköltség-megtakarítást értek el, 10 év alatti egyszerq megtérülési idQvel.
2. Szekció: Geotermális energia
Rawlings [8] elQadása a geotermális bázisú hQszivattyú alkalmazások elQnyeit taglalja katonai és szövetségi épületek számára. Az alkalmazott GeoExchange rendszerek beruházási költségei 10 év alatt megtérülnek.
Ganzer [9] a geotrermális helyszíni kutatások szempontját emeli ki:
az adott helyre vonatkozó szabályozások, rendeletek megismerése,
eddigi geológiai/hidrogeológiai feltárások összegezése,
meglévQ kutak, források ellenQrzése, káros interferencia kizárása,
felszín-alatti vizsgálatok az alkalmazási rendszer függvényében,
vízmennyiség-vízminQség vizsgálatok.
3. Szekció: Energiaszolgáltatás és elektronikus kereskedelem
A legfontosabb csoport az újraszabályozott energiaszolgáltatás problémáival foglalkozott. Jackson [10] a létesítmények felülvizsgálata során az alábbi legfontosabb lépéseket taglalja: felvilágosító munkaértekezletek, fogyasztási-terhelési lefutások felvétele, lehetQségek - azok összevetése, végül kifinomult vásárlási stratégia felállítása, végrehajtása (ajánlatkérés az interneten, jóváhagyott szerzQdésminták, ajánlatadók elQminQsítése, szerzQdések versenytárgyalása).
A mérés- és felülvizsgálat csoportban Roosa [11] posta-, egészségügyi- és iskola-épületek példáján mutatta be a folyamatot a világítás, a hqtés, a fqtés és végül az energiaköltség változás (csökkenés) tükrében. A módszer alkalmazásával növekedett a szolgáltatás minQsége, csökkent a jövQbeni karbantartás során szükséges cserék költsége, a folyamatba harmadikfeles megvalósítást kapcsoltak be, így annak költségeit a megtakarító létesítmény gazdálkodja ki.
A megbízhatósági elQadásokból kiemelkedik Budharaja [12] elQadása, ahol a legfQbb figyelembe veendQ változók (terhelés elQrebecslése, erQmqkiesések aránya, víz rendelkezésre állás) vízierQmqveknél idQjárás hatása, energiamegtakarítás hatékonysága, terhelés-ütemezés, megszakítható fogyasztók, átviteli rendszer teljesítménye, tüzelQanyag-ellátás) után ismét a Kaliforniai Válságot részletezi, megállapítva, hogy a független rendszerirányító ( Independent System Operator) és az áramtQzsde ( Power Exhange ) 1998-as megalakulása utáni elsQ két év viszonylag eseménymentes volt, csak apróbb szabálymódosításokat kellett foganatosítani. 2000-ben azután a piac összeomlott. Az elQre nem látható események kivédésére behozott maximum árakat többször csökkentették 750-500-250 $/MWh-ra, de az árak így is ötszörösükre, majd tízszeresükre emelkedtek, a rendszerirányító az eredeti 2-3 % helyett 30 % energiát volt kénytelen felvásárolni a rendszer-egyensúly fenntartására. A tartalék-kapacitások többször voltak mélypontjukon (7-5-1,5 %) a rossz szabályozó rendszerek miatt, mivel a folyamatos igénynövekedés ellenére 10 éve nem volt erQmq-bQvítés/építés. A szolgáltatók 13 milliárd dollárnyi fogyasztói tartozást nem tudtak behajtani, ennek megfelelQen az erQmqvekben sem tudtak fizetni, így csQdközelbe kerültek. A válság hosszú távú megoldására erQmqépítésekbe fogtak és bQvítették a hosszú távú szerzQdések körét.
4. Szekció: Kapcsolt hQ- és vilamosenergia termelés kogeneráció
Bloomquist [13] elpanaszolja, hogy a legtöbb kogenerációs publikáció a villamosenergiáról és annak berendezéseirQl szól, ennek ellensúlyozására részletesen foglalkozik a hQenergia termeléssel, berendezéseivel, a hqtéssel, az energiatárolással, a mikroturbinákkal, a jövQbeni alkalmazásokkal (üzemanyagcellák, Stiring-motorok, stb.)
Clark [14] a dallasi repülQtér trigenerációs energiaközpontjának fejlesztési példáján ismerteti a kitqzött célokat:
a) új rendszerkialakítás: új hqtöttvíz rendszerrel, hqtQenergia-tárolással, fqtéssel és elQ-légkondicionálást biztosító légkezelQkkel.
b) gázturbina telepítés: villamosenergia- és gQztermelésre.
A várt eredmények
a) károsanyag emisszió-csökkenés
b) bQvítés lehetQsége
c) biztos elQkészület az újraszabályozott energiaszolgáltatás idQszakára
d) infrastruktúra megújulás
e) 484 millió dollár nettó jelenérték költség-megtakarítás a teljes 30 éves élettartam alatt.
5. Szekció: Környezettechnológia
Witherspoon [15] a kogenerációs berendezések gyártói által legyQzendQ környezetvédelmi kihívásokat boncolja. Ezek közé tartozik az engedélyezési folyamat idQigénye (3-6 hónap), a gazdasági kihatások (szelektív katalizátor beruházási költsége - 100-150 dollár/KW - ellehetetleníti a projektet). Javasolja, hogy a szabályozások legyenek tekintettel a kiadott teljesítményekre is.
Alper [16] az egyébként a környezetet szennyezQ vizes alapú szerves oldószerek legújabb fejlesztésq membrán-szqrésének folyamatáról számol be. Ennek során a szennyezQanyag-tartalom 250 ppm-rQl 1 ppm alá (!) csökkent.
6. Szekció: Üzemek- és létesítmények gazdálkodása
A helyi (pl. gázmotorral, generátorral termelt) villamosenergia minQségi kérdéseivel foglalkozó elQadások legjobbja (Moncrief [17]) a gazdaságosság függvényében vizsgálja a minQségrontó tényezQket (felharmonikusok, feszültségingadozás, fázis-kiegyensúlyozatlanság, rövidzárlat okozta áram-kiesés, újrabekapcsolás visszahatása a generátorra, stb.), majd ismerteti az új IEEE I547 sz. szigorú elQírásait. Érdekes pontja ennek a véletlenszerq szigetüzem letiltása.
7. Létesítmények elektronikus gazdálkodása
Az egyik fontos elQadás (Bloemen [18]) a Web-bázisú információs rendszer elQnyeit taglalja:
a) elmúlt-, jelen-, jövQbeni befektetések pontos képe
b) dinamikus élQ tQketervezési eszköz
c) nagyszámú kérés, adat feldolgozhatósága, áttekinthetQsége
d) több létesítménybQl jövQ adatok összehasonlíthatóságának biztosítása
e) létesítmény-kockázatok (életbiztonság, üzemszünet, stb. csökkentése)
f) kiváló minQségq, percre-kész elemzések, jelentések
g) mindenki számára elérhetQ a létesítményen belül.
A másik (Boucher [19] az interneten keresés legújabb módszereire, eszközeire hívja fel a figyelmet.
A 2002. évi 25. Jubileumi Világ Energia Konferencia a következQ témaköröket ölelte fel:

Energiagazdálkodás:
Világításhatékonyság
Klímarendszerek optimalizálása
Szövetségi energiagazdálkodás
Nemzetközi technológia-átadás
Energiagazdálkodási rendszerek
EnergiabiztonságEnergiagazdálkodási szolgáltatások:
TeljesítményszerzQdés
Projektfinanszírozás
Beüzemelés, mérés és felülvizsgálat
Energiavásárlási stratégiák
Energiahordozó-váltás
Online szolgáltatásokVillamosenergia piacnyitás:
A regionális nagykereskedelemfej-lesztése
Hálózatok hozzáférhetQsége
Villamosenergia vásárlás
A villamosenergia megbízhatóságaKörnyezettechnológiák:
Globális felmelegedés
Megújuló Energiák
ÉpületbelsQk légmennyisége
Szennyezések megelQzéseÜzemek és létesítmények:
Új villamosenergia-technológiák
Karbantartás, javítás, üzemeltetés
Üzemgépészet
TetQk problémaköre
Ipari technológiák hatékonysága
ErQforrás gazdálkodás
Épületgépészeti rendszerfejlesztés
Internet, elektronikus kereskedelem
Fenntartható tervezés és üzemeltetésKapcsolt hQ- és villamosenergia:
Mikroturbinák
Kereskedelmi létesítmények
Helyi energiatermelés
Integrált épület kogeneráció
Kogeneráció
Tartalék energiatermelés
Trigeneráció
ÜzemanyagcellákFöldgázvásárlás és -szolgáltatás:
Földgázvásárlás
Gázüzemq hqtési technológiák
Ipari gáz-technológiákÖsszefoglalás
A 2001. évi atlantai AEE Világ Energia Konferencia a fenti legfontosabb, messze a 21. századba is iránymutató energiagazdálkodási gondolatokat adta hivatásunknak, szakmai közösségünknek.
A 2002. évi konferencia témaköreinek áttekintése pedig hq két képet ad arról: mi foglalkoztatta az elmúlt évben a világ energiamérnökeit - még a paksi üzemzavar és az észak-amerikai energiaellátó rendszer összeomlása elQtt.
Irodalom
EmhQ, L.: District Energy Efficiency Improvement with Trigeneration AEE World Energy Engineering Conference, Atlanta, GA, USA October 24-26 2001
Integrated Solutions for Energy & Facility Management. Proceedings of WEEC Atlanta, GA, USA 2001. October 24-26
(A további elQadások mind a fenti konferencia kiadványából valók.)
Chvala, W.D.: Technology Potential of Thermal Energy Storage (PES) Systems in Federal Facilities
Granger, A.J.: Engineering, Construction and Operation of a Large Thermal Storage System.
Kedia, A&D.: Electrifications of Remote Rural Communities in the Himalayas Through Solar-Hydro Hybrid Power Project
Khachatryan, L.: A Model of Solar Passive Heated Energy Efficient House.
Wirdzek, Fh.: Labs 21. Improving the Environmental Performance of U.S. Laboratories
Rawligns, Ph.: The Military Family Housing Energy Solution
Ganzer, St.: Geothermal Site Survey Requirements
Jackson, D.: Generating Powerful Savings: Deregulated Energy Procurement and the Value of RFPs (Request for Proposals)
Roosa, St:: Measurement & Verification for the Real World
Budharaja, V.S.: Reliability Issues Facing the U.S Electric Industry
Blooquist, R.G.: Combined Heat and Power: Equipment Options and Applications
Clark, S.P.: Dallas/Fort With International Airport Central Utility Plant Upgrades
Witherspoon, L.: Current Environmental Policy Challenges for CHP Equipment Supplies Viewpoint
Alper, H.: Hydrocarbon, Waste Streams Meet a Revolutionary Technology
Moncrief, W.A.: Power Quality Impacts of Distributed Generation: Actions and Interactions of Customer-Owned Generation
Bloemen, E.: Allocate Distribute and Increase the Value of Assets with Web-Based Strategies for Facility Management
Boucher, M.J.: How to Research Energy Information of Amy Type on the Internet.

A kapcsolati energia hasznosításaaz új mágneses erQgépben
Utilization of Contact Energy at New Magnetic Power Machine
Dr. Fekete Gábor
Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék
Abstract
The newly developed contact energy control strategy gives excellent results without calculation or measurement of rotor speed. The control strategy gives high precision and excellent dynamic behavior. The machine is able to work on any set points with high stability. The self-control of the contact energy is realized. The contact energy control method is a new theory of control strategy that unifies the different types of inverter-fed drives. This method gives opportunity for optimal energy transfer with higher efficiency, for matching to the technology and also for computer control. New powerful industrial magnets give the possibility of development of a new magnetic power machine, which power source is given by the mechanical rectified and transformed contact energy. The contact energy for continuous work is produced by the oriented field of powerful industrial magnets. The paper demonstrates the application of new theory at new magnetic power machines. The power source of new magnetic power machines is environment friendly and it is present in all parts of the space.
Bevezetés
Napjainkban a hagyományos energiaforrások energia készletének vészes csökkenése az érdeklQdés fókuszába helyezte az új alternatív, környezetbarát energiaforrások kutatását. A dolgozatban bemutatásra kerülQ új mágneses erQgép energiaforrása a kereskedelemben egyre jobban terjedQ nagyteljesítményq ipari mágnesek. A mágneses erQgépet a hagyományos villamos gépekhez hasonlóan két mágneses tér kapcsolatából származó energia mqködteti. Az egyik mágneses teret szokásos elnevezéssel, fluxus térvektorral a másikat áram térvektorral jellemezzük és kölcsönhatásukat az kapcsolati energia térvektorral írjuk le, amely potenciális energia. A hivatalos tudomány több természeti jelenség okát nem ismeri, azonban elméletileg le tudja írni. A Maxwell egyenletek is helyesen írják le az elektromágneses tereket, de nem mondják meg, hogy a természetben az egyenletek igazságáért ki és hogyan felelQs, valamint mi a mágneses és a villamos tér. Einstein a munkásságáért Nobel díjat kapott. Ezt követQen szerette volna megalkotni az általános téregyenletet, azonban erre nem kerülhetett sor, mivel nem tudta értelmezni a gravitációs teret. Ma már azt a tudomány által elfogadott eredményt is kritikával kell fogadni, hogy egy m tömeg fénysebességen végtelenné válik. A 22 éves kutató munkám során sikerült felismerni, és magyarázatot adni a mágneses, a villamos és a gravitációs térre. A felismerések alapján megalkottam egy új térelméletet. A létünk alapját jelentQ, a teret kitöltQ, nem anyagi jellegq energiamezQt, röviden térenergiát definiáltam és energia modell segítségével matematikai összefüggésekkel leírtam. Az új térelmélet alapján a mágneses és a villamos tér, a térenergiának gerjesztett anyaggal létesített irányított tere. Amennyiben speciális anyagot gerjesztünk, például rézanyagban áramot folyatunk, vagy speciálisan ötvözött anyagot gerjesztünk, például mágnes anyagot felmágnesezünk, akkor a létrehozott irányított teret mágneses térnek nevezzük. Azonban, ha úgy gerjesztjük az anyagot, hogy töltése van, vagy töltésmegoszlás keletkezik az anyagban, akkor az így létesített irányított tér a villamos tér. Az elQzQek alapján definiálva, az kapcsolati energia egy rendszer anyagai, illetve gerjesztett anyagai között kialakuló energia. Ha Einstein felismerte volna, hogy a teret, a nem anyagi jellegq energiamezQ tölti ki, akkor arra az eredményre juthatott volna, hogy egy anyagnak a nagyobb sebességek tartományában nem az m tömege, hanem az m tömeg tehetetlensége nQ meg. Értelmezni tudta volna, hogy a testek tehetetlenségét mi okozza és hogyan. Az új térelmélet ezekre magyarázatot ad, továbbá magyarázatot ad az energia-megmaradás törvényére is. A kutatási eredmények alapján kijelenthetQ, hogy a tudományos világ által megalkotott mechanikus, villamos, mechatronikus periodikusan mqködQ rendszerekben a térenergia csak az energiaszállítást végezheti, azonban perióduson belüli paradigmaváltással a térenergia átalakulhat számunkra munkavégzQ energiává, új környezetbarát energiaforrássá. Frekvenciaváltós indukciós gépes hajtásaimban az új kapcsolati energia szabályozási eljárással (CBEC és EBCC) a térenergia az optimális energiaszállítást végzi. Az új mágneses erQgépben viszont a térenergia, perióduson belüli paradigmaváltással, új energiaforrásként jelenik meg.
A kapcsolati energia térvektor
A komplex teljesítmények mintájára, az kapcsolati energia térvektor elQállítása a fluxus térvektorból és az áram térvektorból:
(1)
Az eredmények alapján a potenciális wattos energia azonos az indukciós gép tengelyén jelentkezQ nyomatékkal , azaz . Az elQzQ összefüggések alapján adódik, hogy az kapcsolati energiát leíró, kapcsolati energia térvektor az indukciós gép wattos energiájának és mágneses energiájának együttes szabályozására kiválóan alkalmas.
A kapcsolati energia hasznosításának elmélete az új mágneses erQgépben
Az elQzQekben fluxussal jellemzett irányított teret és az sztátor árammal jellemzett irányított teret az ipari mágnesek létesítik. A mágneses kapcsolat periódusaira a kapcsolati energia integrálja:
(2)
A mágneses erQgép kimeneti energia integrálja a mágneses kapcsolat periódusaira (célszerqen a tengelynyomaték):
(3)

Ahol: a kapcsolati energia pályagörbéje a mágneses kapcsolat periódusaira,
az integrált energia egyenirányítási koefficiens,
+ a mágneses mozgást segítQ hatás érvényesülése,
- a mágneses mozgást akadályozó hatás érvényesülése.
Amennyiben =0 a térenergia a készülék kimenetén munkát nem végez. A hagyományos építésq zárt rendszerq mechanikai szerkezet nem mqködQképes. A térenergiával és létének hatásával részletesen a [7], [8] irodalmak foglalkoznak. Ha >0, akkor a készülék kimenete munkát végez (motoros üzem). Ha

Other exersises:

Acronyme : «acronyme»
NORTHCOM Disaster Relief Comms Report - Naval Postgraduate ...
Transmision_Voz_IP.doc
international telecommunication union - ITU
Rapport de stage ? Asterisk - Cocktail
Exercice 1 - Exercices corriges
Trente glorieuses - Td corrigé
Master Informatique de l'Institut Galilée - Examen corrige
le langage c - Exercices corriges
droit commercial - Cours-univ.fr
methode de resolution des cas pratiques - Lawscape
Chapitre IV : La justice et le droit