Wat Is EMVT?

EMVT – Innovatie van elektrotechnische producten, processen en toepassingen

Op deze pagina’s trachten we antwoorden te geven op de vraag waar EMVT voor staat, wat het is, waar en waarom je het kunt toepassen en wat je er mee kunt bereiken. EMVT staat voor elektromagnetische vermogenstechniek, een naam die op zichzelf niet de volledige betekenis van deze technologie doet vermoeden. Elektromagnetisme staat centraal, maar bij vermogen dient niet alléén aan groot vermogen te worden gedacht meer vooral ook aan grote vermogensdichtheid. Eerst maar eens wat definities zoals die door de deskundigen worden gehanteerd….

Definities EMVT

EMVT omvat de multidisciplinaire kennis en middelen om transport en omzetting van elektrische energie in de gewenst vorm en in de gewenst tijd te doen plaatsvinden. Bij EMVT gaat het om een materiele realisatie van elektromagnetische velden gespecificeerd in ruimte en tijd (Initiatiefgroep EMVT, Van Kampen, 1995).

EMVT houdt zich bezig met de activiteiten -van fundamenteel onderzoek tot en met productontwikkeling- in het multidisciplinaire vakgebied van elektromagnetische systemen die zich kenmerken door hoog vermogen, hoge frequentie en hoog rendement. Hierbij worden de elektrische-, magnetische-, thermische- en mechanische aspecten integraal benaderd (definitie Vereniging EMVT).

Elektromagnetische vermogenstechniek is de techniek die betrekking heeft op het ontwerpen, genereren, beheersen en benutten van elektromagnetische velden in ruimte en tijd (definitie Stroomversnelling, STT, 1999)

Een stukje historie

Hoewel elektriciteit als verschijnsel al sinds de oude Grieken bekend is, is structureel onderzoek naar elektrische en aanvankelijk los daarvan, magnetische verschijnselen pas in de tweede helft van de 18e eeuw op gang gekomen. Experimentatoren als Coulomb, Galvani en Volta hebben het elektromagnetisme als fysisch verschijnsel onderzocht en beschreven. In de eerste helft van de 19e eeuw is dit onderzoek voortgezet door onderzoekers met inmiddels in de elektrotechniek overbekende namen als Ohm, Ampere, Weber, Gauss en Faraday. Het is de grote verdienste van James Clark Maxwell geweest om de samenhang tussen de tot op dat moment nog los van elkaar staande fysische fenomenen elektriciteit en magnetisme te beschrijven in een bijzonder elegant stelsel wiskundige vergelijkingen. Maxwell heeft zijn bevindingen in 1873 gepubliceerd in zijn publicatie Treatise on Electricity and Magnetism. Dit werk wordt nu, meer dan130 jaar later, nog steeds gezien als de belangrijkste theoretische basis van de elektriciteitsleer.

In de tweede helft van de 19e eeuw is de ontwikkeling van elektrotechnische componenten, producten en systemen op gang gekomen die inmiddels diep zijn doorgedrongen in ons dagelijks bestaan. Genoemd kunnen worden de telefoon, de gloeilamp, de elektromotor, elektrische generator en componenten als een transformator en elektronenbuis (diode en triode). Belangrijke namen achter deze producten zijn Bell, Edison, Lee de Forest en Tesla. Deze producten hebben een enorme boost gegeven aan de ontwikkeling van openbare telefonie en telegrafie, openbare elektriciteitsvoorziening, radio, radar en later televisie. Hoewel de basis van veel toepassingen al in de 19e eeuw is gelegd, zijn de ontwikkelingen in de 20e eeuw pas goed op gang gekomen. De ontwikkeling van de transistor rond 1950 en de eerste geïntegreerde schakeling (IC) 10 jaar later heeft geleid tot een versnelling van de ontwikkelingen en een miniaturisatie en prijsreductie van de producten. Met name de IC heeft in hoge mate faciliterend gewerkt voor de totstandkoming van een geheel nieuwe discipline, de informatietechnologie.

De fysicus wordt ingenieur

Opvallend is dat ongeveer vanaf het midden van de 19e eeuw, dus ongeveer vanaf het moment dat Maxwell zijn beroemde vergelijkingen opstelde, zich een kentering heeft voorgedaan in de benadering van het onderzoek aan elektriciteit en elektromagnetisme. Was voor die tijd de aandacht voornamelijk gericht op de fysische en theoretisch aspecten, de onderzoekers van, zeg maar globaal de generatie Edison en later, hebben zich veel meer gestort op de praktische toepassingen. De praktische uitwerking daarvan kreeg gestalte in de vorm van netwerken, op kleine schaal, bijvoorbeeld de elektrische schakeling in een apparaat, of op grote schaal, bijv. het elektriciteitsnetwerk.

Het is van belang om te realiseren dat de ontwikkeling van de netwerktheorie die hiermee op gang kwam, het mogelijk maakte om als het ware los te komen van de fysische grondslagen waarop de werking van componenten en apparaten berusten. De ontwikkeling van praktische toepassingen was daarmee veeleer het domein van de ingenieur en niet langer van de fysicus. Componenten die in strikt fysische zin complexe eigenschappen hebben konden voor de meeste praktische toepassingen teruggebracht worden tot elementen met een enkelvoudige elektrotechnische eigenschap die eenvoudig mathematisch te beschrijven is. Een spoel is een element met een zelfinductie en in eerste benadering geen weerstand of interne of externe capaciteit en het elektromagnetisch veld wordt geacht alleen in de component geconcentreerd te zijn, zonder externe invloeden. Een draad is een ‘component’ met weerstand nul, zonder zelfinductie of capaciteit.

Ontwikkeling van de netwerktheorie

In deze benadering, die heeft geleid tot de ontelbare toepassingen die we nu kennen, speelt de geometrie van de componenten en van de elektrische schakelingen die daarmee gerealiseerd worden geen rol en bestaan vele vrijheidsgraden voor de ontwerpers. Inmiddels realiseren we ons dat dit alleen maar waar is onder niet al te extreme omstandigheden, d.w.z. als frequenties voldoende laag zijn, de spanningen en stromen niet te groot en de fysieke afmetingen t.o.v. de kleinste golflengte groot genoeg is. Situaties die kennelijk veel voorkomen.

Ontwerpers van hoogfrequent schakelingen weten dat zij wel degelijk rekening moeten houden met geometrieën, dat een spoel niet uitsluitend gekarakteriseerd kan worden door een zelfinductie en dat een draad wel degelijk een significante zelfinductie kan hebben en een veld kan veroorzaken. EMC-deskundigen weten dat in een systeem met een schijnbaar lage werkfrequentie parasitaire verschijnselen optreden die wel degelijk aandacht vragen voor de geometrie van een schakeling en voor de aanwezigheid en invloed van velden. De kennis die hieraan ten grondslag ligt is veelal empirisch van aard en de ontwikkeling van de modellen op grond waarvan voorspellingen van dergelijk ‘parasitaire’ gedrag gedaan kunnen worden staat nog in de kinderschoenen.

Hoewel we hier dus tegen de grenzen van de netwerktheorie aan lopen blijft de toepassing daarvan, gecombineerd met empirisch verworven vaardigheden tot op de dag van vandaag de belangrijkste basis voor de ontwikkeling van elektrotechnische producten en systemen. Ook de ontwikkeling van nieuwe, met name halfgeleider-, componenten is daarbij van groot belang geweest. Van de netwerktheorie kan veilig gesteld worden dat zowel het analyse-element (berekening van de eigenschappen en gedrag van een gegeven schakeling) als ook het synthese-element (ontwerp een schakeling die bepaalde gewenste eigenschappen heeft) in hoge mate ontwikkeld zijn.

Compacter, lichter, complexer, sneller, efficiënter

De algemene trend in technologische ontwikkeling is er een in de richting van producten en systemen die compacter, lichter en efficiënter worden met een grotere functionaliteit, hogere complexiteit en een grotere verwerkingssnelheid. Om economische en milieu-redenen worden ook zwaardere rendementseisen gesteld. Daarnaast maken technologische ontwikkelingen geheel nieuwe toepassingen mogelijk. Voorbeelden hiervan zijn ook voor elektrotechnische producten ruimschoots voorhanden.

Voor elektrotechnische producten en systemen betekent dit dat de afmetingen kleiner worden waardoor de energie- en vermogensdichtheid groter wordt. In toenemende mate zal gebruik dienen te worden gemaakt van geavanceerde besturingselektronica en signaalverwerkingstechnieken met hoge interne schakel- en verwerkingssnelheden. Bij hogere energieniveaus worden de ontwerpers geconfronteerd met traditioneel tegenstrijdige ontwerpeisen. In de klassieke elektrische energietechniek kan een hoog vermogen geschakeld worden met een hoog rendement, maar slechts met een lage snelheid (traditioneel 50-60 Hz). In de informatietechnologie is juist een grote bandbreedte van belang, maar blijft het signaalvermogen beperkt en daarmee is het rendement minder significant. Het schakelen van grote vermogens met grote snelheid (bandbreedte) en hoog rendement gaat gepaard met mechanische krachten en thermische verschijnselen die in het ontwerpproces meegenomen moeten worden. Bovendien worden daarbij zwaardere eisen gesteld aan de fysische eigenschappen van materialen, zowel geleiders en isolatoren als halfgeleiders.

Hierbij blijken de uitgangspunten en randvoorwaarden voor het toepassen van de netwerktheorie niet meer te gelden zodat teruggevallen zal moeten worden op de onderliggende meer fundamentele fysische theorie. Een en ander stelt zwaardere eisen aan ontwerpers en ontwerpprocessen.

Bij het ontwikkelen van nieuwe innovatieve elektrotechnische producten die zich kenmerken door compactheid, hogere vermogensdichtheid, grotere verwerkingssnelheden en hoger rendement kan niet langer gebruik gemaakt worden van de traditionele ontwerpmethoden en beschikbare componenten en materialen, maar dienen meer fundamentele ontwerpprocessen toegepast te worden en dient gebruik gemaakt zal moeten worden van nieuwe of nieuw te ontwikkelen materialen en componenten.

De ElektroMagnetische Vermogenstechniek (EMVT) biedt uitkomst

Hierboven is gesteld dat de ontwikkeling van elektrotechnische toepassingen voor een zeer belangrijk deel te danken is aan de vereenvoudigingen die door de toepassing van de netwerktheorie mogelijk zijn geworden. Hierdoor was het niet nodig om de Maxwell vergelijkingen toe te passen bij het doorrekenen van een eenvoudige elektrische schakeling. De installateur van elektrotechnische installaties zal daarvoor dankbaar zijn.

Afgezien van het feit dat een zeer fundamentele aanpak dus vaak niet nodig is geweest, zou het in veel gevallen ook niet mogelijk zijn geweest omdat de kennis, technieken en middelen daarvoor niet beschikbaar waren.

Inmiddels is die situatie drastisch veranderd en zijn zowel de wiskundige methodes de ondersteunende middelen zoals computers, om Maxwell ‘door te rekenen’ aanzienlijk verbeterd en zijn nieuwe materialen en componenten zoals vermogenshalfgeleiders beschikbaar gekomen.

Het samenvallen in tijd van enerzijds de behoefte aan een meer fundamentele aanpak van de ontwikkeling van elektrotechnische systemen en anderzijds de beschikbaarheid daarvan heeft de basis gelegd voor de ontwikkeling van een geheel nieuwe discipline, namelijk de Elektromagnetische Vermogenstechniek (EMVT).

Innovatie van product, proces en toepassing

EMVT heeft meerdere gezichten. Enerzijds is het de wetenschappelijke discipline, of eigenlijk de combinatie van disciplines, die het mogelijk maakt om bestaande elektrotechnische producten te verbeteren door het toepassen van geïntegreerde ontwerpprocessen en een compromisloze toepassing van fundamentele fysische principes. Daarbij dient het denken in netwerken -hetgeen in veel situaties onmiskenbare voordelen heeft opgeleverd- te worden gewijzigd in een denken in ruimte en tijd.

Daarnaast maakt EMVT een betere beheersing van processen mogelijk omdat een fundamenteel inzicht in fysische processen en gebruikmaking van betere modellen en simulatiemethoden een ‘first time right’ ontwerp mogelijk maken. Ontwerptrajecten worden korter, tussenstappen overbodig en er is een betere benutting bereikbaar van de fysische eigenschappen van gebruikte materialen.

Tenslotte opent de toepassing van EMVT de weg naar geheel nieuwe toepassingen als gevolg van de verbeterde methoden om elektrische, magnetische en elektromagnetische velden op gewenste wijze te dimensioneren (veldsynthese).

 

Samenvattend

Uit het bovenstaande blijkt dat het toepassen van de kennis en kunde die voortkomen uit het besturen van EMVT als multidisciplinair vakgebied, niet de eenvoudigste weg biedt om tot de ontwikkeling van een elektrotechnisch product of proces te komen. Wel biedt het de uitdagende mogelijkheid om grensverleggend, innovatief en daarmee op de markt concurrerend actief te zijn.