Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Přehlídka studentských odborných prací na FEL

konaná dne 16. května 2008 pod záštitou prorektora ZČU doc. RNDr. Františka Ježka, CSc. a děkana FEL ZČU doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc. pořádaná v odborných sekcích

Elektrické stroje a pohony Elektronika Elektrotechnologie

FEL, ZČU 2008

Slovo úvodem

Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni již tradiční akcí. Letošní přehlídky se účastní 33 prací, což je zhruba stejně jako v loňském ročníku. Je však škoda, že se přehlídky účastní pouze studenti se svými závěrečnými pracemi jak bakalářskými, tak diplomovými. Na tomto místě bych rád poděkoval všem autorům soutěžních prací za příspěvek do této přehlídky a jejich lektorům za odborné vedení. Věřím, že spolupráce v rámci odborné činnosti je pro obě strany vysoce přínosná. Také chci poděkovat všem členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, bez které by nebylo možno přehlídku uskutečnit. Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, protože člověk je tvor soutěživý. Proto věřím, že i tato přehlídka přispěje k nejen odbornému rozvoji každého ze zúčastněných.

Ing. Václav Boček, Ph.D. organizační garant

Obsah

Sekce Elektrické stroje a pohony

5

Mechatronický model výrobního procesu

6 Bc. Petr Beneš - PE 2

Návrh motoru s permanentními magnety

7 Radek Boček - PE 2

Silové obvody měniče Simoreg 6RA70 na 210 A

8 Martin Brůha - ELE 3

Návrh rozvaděče měniče Simoreg 6RA70 na 210A

9 Karel Budín - ELE 3

Algoritmy vektorové PWM

10 Bc. Zdeněk Čepický - PE 2

Implementace algoritmu řízení tyristorového usměrňovače do mikropočítače

11

Tomáš Košan - AEL 5

Příprava a vypracování projektové dokumentace MVE

12 Bc. Martin Sirový - EE 2

Řídící obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A

13 Jiří Srb - KOE 3

Nové řízení trakčního pulzního usměrňovače: hybridní delta modulace

14

Bc. Martin Zeman - PE 2

Ovládací obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A

15 Štefan Žurek - KOE 3

Sekce Elektronika

17

Bezdrátový přenos dat

18 Bc. Tomáš Benedikt - EI 2

Implementace převodníku z LPC na ISA pomocí jazyka VHDL

19 Josef Bouzek - EI 2

Vstupní analogové rozhraní pro RFID čtečku

20 Bc. Karel Čermák - EI 2

Jednotka pro monitorovací systém fotovoltaické elektrárny

21 Roman Dejmek - EI 2

3D akcelerometry a jejich využití

22 Ladislav Dreisig - EI 2

3

Funkční generátor

23 Bc. Petr Gondek - EI 2

Univerzální modul komunikačního rozhraní

24 Štěpán Hamouz - DE 5

Návrh realizace programovatelného vícekanálového zdroje

25 Martin Kopecký - EI 2

Ovládání a monitorování pomocí GSM

26 Jiří Purchart - EI 5

Grafická karta připojitelná k jednočipovému mikropočítači

27 Petr Sedláček - AEL 3

Monitorování služby GPS – archivace dat a zpracování

28 Jan Strobach - TM 2

Zesilovač pro můstkové snímače

29 Bc. Viktor Žalud - EI 2

Sekce Elektrotechnologie

31

Vyjadřování nejistot emisních měření ve zkušební EMC laboratoři

32

Ján Bandžák - KE 5

Analýza rozložení elektrického pole v kompozitech

33 Pavel Fanta - KE 5

Porovnání vybraných dielektrických vlastností minerálních a syntetických izolačních kapalin

34

Pavel Hrdlička - KE 2

Inovace systému řízení vybraného technologického procesu

35 Zdeněk Konárek - KE 5

Diagnostický systém pro hromadné zpracování a vizualizaci naměřených dat

36

Jan Kotrba - KE 2

Aspekty aplikace CT technologie

37 Radana Krejcárková - KE 5

Využití umělé inteligence v elektrotechnické diagnostice

38 Tomáš Malý - KE 2

Obecné aspekty diagnostiky elektrických zařízení

39 Miroslav Píša - KE 2

Osvětlování zdravotnických zařízení

40 Jaroslav Sadský - EE 5

Výpočet provozních a poruchových stavů v ES pomocí PC - ustálené stavy

41

Jan Veleba - EE 2

Vyjadřování nejistot měření odolností ve zkušební EMC laboratoři

42 Václav Žák - KE 5

4

Sekce Elektrické stroje a pohony složení komise předseda

prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.

členové

doc. Ing. Anna Kotlanová, CSc. doc. Ing. Karel Zeman, CSc. Ing. David Vošmik

5

Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2008

Mechatronický model výrobního procesu Bc. Petr Beneš - PE 2 lektor: Ing. Jakub Talla - KEV Mechatronický model výrobního procesu, který je tématem této práce, využívá dvou robotů pásového dopravníku, zásobníku na barevné míčky s dávkovačem a tunelu detekce barvy k třídění míčků do připravených krabiček podle barvy. Pásovým dopravníkem jsou přemisťovány krabičky, které jsou s pomocí dávkovače plněny barevnými míčky, jejichž barva je zjišťována v rozpoznávací šachtě. Když krabička doputuje na konec dopravníku, je zdvižena robotickou rukou, která vysype její obsah do větší barevné krabičky, shodující se s barvou tříděného míčku. Prázdná krabička poté putuje s pomocí druhé robotické ruky na konec pásového dopravníku a celý proces se opakuje. Když jsou barevné krabičky plné, a tedy všechny míčky roztříděny podle barvy, vysype robotická ruka jejich obsah zpět do dávkovače a může tedy dojít k novému třídění. Funkce modelu byly navrženy takovým způsobem, aby mohl být využit ve virtuální laboratoři KEV. To znamená, že model musí být schopen pracovat bez jakéhokoli fyzického zásahu obsluhy, pouze za pomoci příkazů zobrazených na webové stránce. Pásový dopravník a dávkovač míčků Základem modelu pásového dopravníku je pás využívaný v průmyslu k dopravě lahví. Pro pás bylo třeba navrhnout konstrukci umožňující jeho funkčnost. Pevné díly pásového dopravníku byly navrženy a vyrobeny z plexiskla, rotující hřídele z oceli. Pro pohon pásu je využit integrovaný H můstek L6203. Můstek je řízen s pomocí PWM generované mikročipem AT MEGA8, situovaným v řídícím modulu pásového dopravníku. Dopravník je dále vybaven infrazávorami, snímajícími polohu krabiček na pásu a synchronizujícími činnosti jednotlivých komponentů procesu. Zásobník na míčky s dávkovačem byl také navržen a vyroben z plexiskla. Součástí zásobníku je míchačka, která zajišťuje náhodnou posloupnost barev dávkovaných míčků a zabezpečuje spadnutí míčků do dávkovače. Pro obsluhu dávkovače je využito modelářské servo. To ovládá dvě přepážky dávkovače střídavě se překlápějící a zajišťující, že do krabiček na pásu je dávkován právě jeden míček ze zásobníku. PWM pro řízení motoru míchačky i pulsy řídící servo dávkovače jsou generovány opět mikročipem v řídícím modulu pásového dopravníku. Rozpoznávání barvy Rozpoznávání barvy míčků je situováno v rozpoznávací šachtě. Zde je umístěn fotoodpor a barevné LED diody. Objekt, jehož barva je detekována je osvětlován postupně zelenou, červenou a modrou diodou. Odražená světlo je pak snímáno fotorezistorem. S pomocí A/D převodníku je určena hodnota jeho odporu odpovídající dopadu odraženého světla od konkrétní LED diody. Řídící logikou je pak z naměřených vzorků vyhodnocena barva detekovaného objektu. Řízení rozpoznávání barvy je opět zajištěno mikročipem v řídícím modulu. Řízení modelu Řízení celého modelu, včetně dvou robotů je naprogramováno jako webová stránka v programovacím jazyce C#. Zde může uživatel ovládat jeden robot manuálně, naprogramovat vlastní sekvenci jeho pohybů, nebo spustit chod celé linky. Pro manuální řízení robotu je program vybaven softwarovu ochranou zabraňující uživateli pohybovat efektorem robotu proti mechanické překážce.

6


Návrh motoru s permanentními magnety Radek Boček - PE 2 lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV Synchronní stroje nahrazují v určitých aplikacích asynchronní motory stejně, jako asynchronní motory nahradily stroje stejnosměrné. Synchronní motory s permanentními magnety mají široké využití. Menší jako servomotory a řídící pohony, větší například jako pohon lodí. Aktivně jsou nasazeny v součinnosti se spalovacím motorem v hybridních automobilech (Toyota Prius či Lexus Hybrid) a samostatně jako pohon vlaků nebo tramvají. Přínosem synchronních strojů s permanentními magnety je absence převodovky. Spojení poháněného zařízení se strojem bez převodovky přináší úsporu finanční a prostorovou, další výhodou je zvýšení spolehlivosti systému. Požadovaného vysokovýkonného přímého pohonu dosáhneme nasazením synchronního motoru řízeného moderními metodami, například vektorovým řízením nebo přímým řízením momentu. Práce obsahuje komplexní návrh synchronního motoru s permanentními magnety. Jeho předpokládané využití je jako pohon tramvaje. V první části jsou popsány materiály permanentních magnetů. Nejslibnější skupinu magnetů tvoří magnety ze vzácných zemin zastupující SmCo (samarium-kobalt) a NdFeB (neodymium-železo-bor). Byly popsány v roce 1935, ale průmyslově se využívají až posledních třicet let. Následuje podrobný analytický rozbor elektromagnetického obvodu, na který navazuje modelování motoru metodou konečných prvků. Dnešní návrh se neobejde bez numerických výpočtů, jež návrh zrychlují a zpřesňují. Umožňují na modelu simulovat různé stavy stroje, získávat data a optimalizovat tak motor z různých hledisek. Hlavními aspekty optimalizace návrhu jsou proveditelnost, spolehlivost, účinnost a nízká cena. Dílčí nároky kladené na průmyslový pohon vyžadují dosáhnout vysoké přetížitelnosti, co možná nejvyššího měrného výkonu (momentu stroje vztaženého na jednotku objemu) a dobré dynamiky motoru. Vyjmenovanými kritérii jsem se řídil. Porovnal jsem, jak se změní parametry motoru pro různé tvary povrchových permanentních magnetů. Segment magnetu má shodný objem a délku. Proměnnou výšku a šířku definuji činitelem pólového krytí. Úprava se projevila na rozměrech PM a jha rotoru, indukci ve vzduchové mezeře a momentu. Rozdíl však nebyl tak výrazný, jak jsem očekával. Nedílnou součástí návrhu je ventilační a tepelný výpočet, který se v případě strojů s permanentními magnety nesmí podcenit. Velké proudové zatížení motoru vyžaduje kvalitní odvod tepla nuceným vodním chlazením.

Obr. 1. Model synchronního motoru s permanentními magnety 7


Silové obvody měniče Simoreg 6RA70 na 210 A Martin Brůha - ELE 3 lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Cílem mé práce bylo vytvořit rozvaděčovou konstrukci na měnič Simoreg, nainstalovat do této konstrukce (modulu) potřebné komponenty, zařízení oživit a umožnit jeho využití v různých úlohách v rámci laboratoří Katedry elektromechaniky a výkonové elektroniky. Měnič Simoreg od firmy Siemens patří do rodiny mikroprocesorem řízených měničů pro stejnosměrné pohony s proměnlivou rychlostí. Jedná se o čtyřkvadrantový plně řízený usměrňovač se dvěma polovodičovými výkonovými jednotkami. První je rekuperační jednotka, tvořená dvěma antiparalelně spojenými můstky. Toto uspořádání umožňuje měniči pracovat ve všech čtyřech kvadrantech pracovního diagramu. Měnič je provozován bez okruhových proudů a obsahuje logiku, která vždy blokuje jeden usměrňovačový můstek, zatímco druhý pracuje. Pro usměrnění budicího proudu je měnič vybaven dalším můstkovým usměrňovačem, tentokrát polořízeným. Důležitou součástí měniče je parametrizační jednotka. Ta umožňuje nastavit několik set různých parametrů. Měnič je primárně určen pro napájení stejnosměrných pohonů a pro tyto aplikace nabízí řadu nadstandardních funkcí. Jednou z nich je omezení proudu kotvy motoru v závislosti na otáčkách. Tato funkce je zvláště výhodná v režimu, kdy je motor odbuzován a pracuje při otáčkách vyšších než jsou jmenovité. Parametrizací se nastaví hodnota otáček, od které se proud kotvy začne hyperbolicky snižovat a ochrání tím komutátor a kartáče motoru před poškozením. Pro různé režimy zrychlování, zpomalování či např. velmi pomalého pojezdu slouží generátor rampy. Měnič nabízí celou řadu ochran, např. ochranu proti přetížení, derivační ochranu dv/dt, SCR ochranu polovodičových pojistek nebo ochranu proti ztrátě proudu v budicím obvodu, Obr.1: Rozvaděč s měničem která zabraňuje úplnému odbuzení motoru a následnému extrémnímu nárůstu otáček. Za zmínku ještě stojí senzor kontrolující teplotu polovodičových prvků či ochrana proti tepelnému přetížení (I2t monitoring). Mým úkolem bylo nastudovat si podrobně dokumentaci výrobce, dle specifikace nakoupit další komponenty, navrhnout a vytvořit rozvaděčovou konstrukci, komponenty do ní umístit a provést kabeláž. Následně pak měnič parametrizovat a uvést do provozu.V poslední fázi došlo k měření elektrických veličin na stejnosměrné straně a jejich zhodnocení. Měnič bude napájet soustrojí stejnosměrný motor – synchronní generátor a bude sloužit pro výuku v laboratořích. Snahou bylo vytvořit rozvaděčový modul v kompaktní podobě, aby tak mohl být do budoucna využíván i v dalších aplikacích. Díky spoustě vizualizačních parametrů může být využit jako praktická ukázka pro doplnění teorie z elektrických strojů a výkonové elektroniky.

8


Návrh rozvaděče měniče Simoreg 6RA70 na 210A Karel Budín - ELE 3 lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Cílem mé práce bylo zkonstruovat rozvaděčovou konstrukci, zapojit silové obvody na střídavé straně a oživit měnič Simoreg 6RA70. Měnič Simoreg 6RA70 patří do řady mikroprocesorem řízených usměrňovačů DC Master od společnosti Siemens. Slouží k přesnému řízení otáček stejnosměrných pohonů. Obsahuje dva výkonové polovodičové obvody. První je tvořen dvěma antiparalelně zapojenými, plně řízenými můstky, to umožňuje práci i ve čtvrtém kvadrantu tzn. rekuperaci energie zpět do sítě. Druhý můstek je polořízený, s menší výkonovou kapacitou a slouží pro napájení buzení řízeného stroje. Díky mikroprocesorové jednotce a digitálnímu řízení je měnič vybaven nepřeberným množstvím funkcí pro řízení a ochranu připojeného pohonu. Za zmínku stojí kontrola oteplení motoru nejen přímým připojením termočlánku, ale i výpočtem pomocí funkce I2t. Dále pak omezení kotevního proudu při vysokých otáčkách a tím omezení jiskření na komutátoru, speciální funkce pro jízdu pomalou rychlostí a diagnostika přetížení nebo nesprávného používání celého zařízení. Díky polořízenému můstku buzení je samozřejmostí i funkce odbuzování. Tyto řízené usměrňovače se používají při rekonstrukcích provozů se stejnosměrnými motory, nebo v provozech s požadavkem na přesné řízení otáček pohonu, kde by frekvenční měnič s asynchronním motorem nevyhovoval požadavkům. V našem případě jsem konstruoval kompaktní rozvaděč, který bude zabudován v laboratoři elektrických strojů katedry elektromechaniky a výkonové elektroniky ZČU Plzeň. Zde bude napájet soustrojí stejnosměrný motor – synchronní generátor o výkonu 55 kW.

obr. 1: měnič

obr. 2: elektronika měniče

obr. 3: rozvaděč

Oživení bylo provedeno z bezpečnostních důvodů nejprve do náhradní zátěže z „měkkého“ zdroje. Po telefonické konzultaci s technikem společnosti Siemens se podařilo měnič do této zátěže oživit a odzkoušet. V současné době probíhají zkušební připojení měniče na motor a zkoušky na tomto připojení.

9


Algoritmy vektorové PWM Bc. Zdeněk Čepický - PE 2 lektor: Ing. Tomáš Glasberger - KEV Jedním z možných způsobů řízení napěťových trojfázových střídačů je i pulzní šířková modulace založená na zobrazování veličin v prostoru střídavého elektrického stroje – tzv. vektorová PWM (SVPWM). Princip spočívá v řízení vektoru statorového napětí v prostoru střídavého elektrického stroje. Pomocí osmi stavů střídače (skutečných vektorů) je možné nasimulovat pohyb vektoru po trajektorii blížící se kružnici, tedy stavu kdy jsou napájecí veličiny motoru harmonické. Asynchronní SVPWM pracuje s konstantním spínacím kmitočtem střídače. Počet fiktivních poloh, pro pohyb prostorového vektoru, je v závislosti na výstupní frekvenci proměnný. V oblasti nízkého, neceločíselného počtu poloh je asynchronní modulace nepoužitelná. Ve spektrech výstupních veličin se vlivem nesymetrií objevují liché, sudé vyšší harmonické a meziharmonické. Výjimkou nejsou ani subharmonické. Naopak synchronní SVPWM udržuje tento počet poloh konstantní (celočíselný). Tím lze nesymetriím zabránit – nepříjemné vyšší harmonické eliminovat. Proměnná spínací frekvence však neumožňuje použití synchronní SVPWM v oblasti nízkých výstupních frekvencí. počet poloh =

spínací frekvence výstupní frekvence

⎛ f ⎜⎜ n = PWM fs ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

Tato práce řeší teoretický rozbor, návrh, simulaci a analýzu vybraných algoritmů vektorové PWM obou uvedených typů. Z jejich vlastností pak vyplývá použití vektorové PWM pro pohony velkých výkonů – asynchronní SVPWM pro oblast nízkých otáček a několik synchronních SVPWM pro oblast otáček vysokých. SVPWM pro pohony velkých výkonů je v práci věnována zvláštní pozornost. Problematické jsou přechodové jevy spojené s přepínáním mezi jednotlivými modulacemi. Práce obsahuje jak jejich analýzu, navržené a simulacemi ověřené řešení tak i jejich reálné ověření. Pro implementaci simulovaných vybraných algoritmů SVPWM byl zvolen digitální signálový procesor TMS320F2812 firmy Texas Instruments. Tímto byl řízen laboratorní pohon s asynchronním motorem o výkonu 4,5 kW. Při simulacích i při této reálné aplikaci vektorové PWM byly ověřeny algoritmy skalárního řízení pohonu (U/f = konst.).

Průběhy veličin reálného pohonu s ASM 4,5 kW (sdružené a fázové napětí, fázový proud) řešený přechod SVPWM z asynchronní (fPWM = 800 Hz) na synchronní (n = 12) při fs = 50 Hz Hlavní přínosy práce: • Teoretický rozbor SVPWM a jejích vybraných typů (asynchronní a synchronní typ) • Návrh, simulace a analýza vybraných algoritmů vektorové PWM • Návrh řešení, simulace a analýza vektorové PWM pro pohony velkých výkonů • Implementace simulovaných algoritmů pomocí DSP, ověření na reálném pohonu 10


Implementace algoritmu řízení tyristorového usměrňovače do mikropočítače Tomáš Košan - AEL 5 lektor: Ing. Jan Molnár, Ph.D. - KEV

Tato práce a realizované zařízení vzniklo pro potřeby katedry KEV a tomu byla uzpůsobeno i finální provedení, které sestává z jednotlivých funkčních modulů. Moduly jsou umístěny na podkladové sololitové desce. Zařízení TDU (Thyristor Driving Unit) má za úkol řídit spínání tyristorů třífázového šestipulzního usměrňovače. Problém řízení tyristorového usměrňovače spočívá v generování pulzů pro zapínání tyristorů, ty musí být vhodné pro přenos používanými budiči. Budiče jsou většinou realizovány jako impulzní transformátorky na hrníčkových případně toroidních jádrech. Řídící algoritmus umožňuje dvojí typ těchto pulzů a to sérii krátkých pulzů generovaných po celou dobu kdy má příslušný prvek vést proud nebo jeden krátký pulz na začátku doby vodivosti. Pulzy pro tyristory generuje řídící algoritmus, který zajišťuje synchronizaci s fázovým napětím fáze L1, přepínání kombinací tyristorů pro jednotlivé úseky a filtrování nesprávných synchronizačních pulzů. Algoritmus řízení využívá hardware použitého mikropočítače ATmega16, konkrétně Timer/Counter1 a dvě přerušení. TIMER 1 CAPT slouží pro synchronizaci a TIMER 1 COMPA pro přepínání pulzů na výstupu. Průběh výstupních pulzů je pak řízen pomocí časovače Timer2 v režimu, kdy na OC2 pinu generuje PWM pulzy. Ty slouží k vytvarování pulzů pro tyristory pomocí budiče 74LS541. Nejpodstatnější pro správnou funkci TDU je správná a spolehlivá synchronizace. To lze zajistit hardwarově (nějakým filtrem) nebo v našem případě softwarově. Pokud synchronizace selže, tyristory budou spínány v nevhodné okamžiky. Je možné se dostat i do oblasti invertorového zkratu (pokud máme zátěž s vnitřním napětím). V algoritmu řízení je zabudována kontrola synchronizačních pulzů. Princip je jednoduchý, při každém příchodu synchronizačního pulzu kontrolujeme za jakou dobu přišel po předchozím. Rozestup mezi synchronizačními pulzy by měl odpovídat 20 ms, resp. frekvenci vstupní sinusoidy fáze L1. Kritické místo, kde vznikají falešné synchronizační pulzy je oblast přechodu sinusoidy fáze L1 z kladné do záporné půlvny. Trefí-li se do toho časového okamžiku komutace tyristorů je téměř jisté, že detektory průchodu nulou vygenerují falešný impulz. Ten však bude následovat přibližně 10 ms po předchozím. Algoritmus to vyhodnotí a synchronizační pulz je ignorován. Druhým možným chybovým stavem je naopak chybějící synchronizační pulz. Algoritmus je navržen tak, že několik chybějících impulzů nezpůsobí chybnou funkci. Více chybějících impulzů v řadě způsobí vypnutí budících pulzů a reinicializaci TDU, protože s každým chybějícím synchronizačním impulzem jsme více mimo synchronizaci a zvětšuje se pravděpodobnost sepnutí tyristorů v nevhodný okamžik. Řídící jednotka dále měří střední hodnoty výstupního napětí a proudu usměrňovače, které zobrazuje na displeji. Algoritmus měření je celkem jednoduchý, nasčítáváme jednotlivé vzorky a po dosažení určitého počtu spočteme střední resp. průměrnou hodnotu a tu zobrazíme. Obsahuje také jednoduchou nastavitelnou proudovou pojistku. Překročení nastavené hodnoty proudu vypne pulzy pro tyristory a upozorní obsluhu. Komunikaci s obsluhou zajišťuje LCD displej 2×16 znaků a klávesnice s osmi tlačítky. Pomocí tlačítek lze nastavovat řídící úhel či poměrnou hodnotu výstupního napětí. TDU má také analogový řídící vstup s rozsahem 0÷10 V. Pokud je aktivní proporcionálně ovlivňuje obsluhou zvolený řídící parametr. Součástí zařízení je také USB komunikační rozhraní. Po připojení k PC a instalaci ovladačů je TDU dostupná jako sériový port. Jednoduchým protokolem ji lze ovládat a načítat naměřené hodnoty. Pro demonstraci možností protokolu byla vytvořena ovládací aplikace pyTDU naprogramovaná v jazyce Python.

11


Příprava a vypracování projektové dokumentace MVE Bc. Martin Sirový - EE 2 lektor: doc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE

Práce řeší komplexně problematiku návrhu elektrotechnické části MVE Husinec se zřetelem na současné trendy v oblasti projektování, automatizovaného řízení a regulace. Cílem práce bylo zhotovení kompletního projektu inovace stávající MVE spočívající ve vytvoření jednak projektové dokumentace MVE s rozšířením o druhou turbínu, jednak ve vytvoření nového modulárního a univerzálně aplikovatelného řídicího systému pro MVE s jednou nebo dvěma turbínami. Projektová dokumentace byla zpracována s využitím databázově orientovaného projekčního softwaru. Díky tomu bylo možné vytvořit vyčerpávající dokumentaci obsahující kromě obvodových schémat i reálnou podobu uspořádání rozvaděče, dokumentaci vnějších spojů rozvaděče a detailní rozpisy materiálu včetně aktuálních cen vytvořené na míru dle účelu pro investora a pro montážní firmu. Východiskem pro návrh silnoproudé části MVE byl stávající projekt MVE s jednou turbínou. V návrhu silnoproudé části je řešeno připojení hlavního rozvaděče MVE a následné připojení hydrogenerátorů HG1, HG2, pohony lopatek rozváděcího věnce, pohon česlí a napájení řídící technologie. Dimenzování a jištění bylo ověřeno programem Sichr firmy OEZ. V návrhu řídicího systému pro MVE navazuji na svou bakalářskou práci, ve které jsem řešil stávající řídicí systém MVE pomocí OPLC. Výsledný řídicí systém umožňuje plně automatizovaný provoz MVE bez nutnosti obsluhy. MVE je možné řídit místně v ručním a automatickém režimu případně, ji lze ovládat v plném rozsahu dálkově přes síť GSM. ŘS je navržen s ohledem na univerzální nasazení na MVE s jednou nebo dvěma turbínami. Z dílčích řešení je v současné Obr. 1 – Zobrazení optimálních regulačních době na MVE unikátní koncepce stavů ve 3D grafu pro skupinového regulátoru turbín. Regulátor zvyšuje kvalitu regulace a zlepšuje tak ekonomiku provozu MVE. Princip spočívá v přesné adaptaci regulace na dané turbíny. Při uvádění MVE do provozu systém automaticky naměří konkrétní charakteristiky účinnosti na průtoku pro jednotlivé turbíny. Ty jsou vloženy do scriptu v softwaru Matlab, který provede výpočet, jehož výsledkem jsou optimální provozní diagramy v závislosti na průtoku MVE pro jednotlivé turbíny. Dílčí výsledek Průtok Turbínou HG2 - Q2 [m /s] Průtok Turbínou HG1 - Q1 [m /s] skriptu viz Obr. 1. Přínosem práce je komplexnost zpracovaného řešení, kde byla zpracována problematika z odlišných elektrotechnických oborů v jeden celek a především pak praktická povaha práce, jelikož byla řešena reálná MVE, na které budou výsledky aplikovány. Práce byla řešena ve spolupráci s projekční kanceláří EpS. MVE Husinec bude dle projektu uvedena do provozu v 10/2008. 85

88

x 10

80

75

x 10

65

3

Elektrický výkon MVE - P [kW]

2.5

70

4

60

2.5

2

2

1.5

1.5

55

1

50

45

0.5

40

15

0

1

35

0.2

30

0.18

25

10

0.16

0.8

20

0.14

0.7

0.12

0.1

0.6

5

0.5

0.08

0.4

0.06

0.04

0.3

1

0.2

0.02

3

12

0.1

0

0

3

0.5

4


Řídící obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A Jiří Srb - KOE 3 lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV

Regulovatelný čtyřkvadrantový měnič Simoreg 6RA70 od firmy Siemens je plně přizpůsobitelný pro mnoho aplikací, ale jeho hlavním úkolem je napájení stejnosměrných motorů. V našem případě se napájí soustrojí složené ze stejnosměrného motoru a synchronního generátoru. Soustrojí se nachází v laboratoři na Katedře elektromechaniky a elektroniky, kde bylo do současné doby napájeno pouze dynamem, které ovšem nedosahovalo plného výkonového zatížení soustrojí. V zapojení s měničem je nedostatek výkonu pro soustrojí potlačen, protože měnič dosahuje vyšších i lépe regulovatelných výkonů s potřebnou dynamikou. Měnič je zhotoven na samonosné konstrukci a tím je i relativně mobilním zařízením, a proto se může použít i při různých měřeních a úlohách mimo laboratoř. Nyní je uložen a zapojen mezi dvěma ovládacími panely pro potřebu výuky, kde bude zastávat funkci moderního pohonu v praxi, který lze ovládat za pomocí PC. Další využití měniče se nachází ve vědeckých projektech a pracích fakulty. Cílem této studentské práce bylo navrhnout a zkonstruovat zařízení, které bude obdobné jako průmyslový rozvaděč. Zároveň bylo třeba klást důraz na kvalitu, jelikož se předpokládá dlouhodobé využití přístroje. Na měniči bylo provedeno nastavení řídících a omezovacích obvodů za pomoci parametrů jednotky pro stejnosměrný stroj 440V/141A. Měnič byl odzkoušen, oživen do náhradní zátěže a na závěr uveden do provozu se skutečným již zmíněným ss strojem. Navíc měnič je možné do budoucna jednoduše rozšířit o příslušenství, ať už v podobě zásuvných modulů nebo jiných vylepšení, aniž bychom po připojení museli dále zasahovat do konstrukce.

13


Nové řízení trakčního pulzního usměrňovače: hybridní delta modulace Bc. Martin Zeman - PE 2 lektor: doc. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV

Práce se zabývá návrhem algoritmů řízení a regulace pro jednofázový napěťový pulzní usměrňovač (dále jen NPU) určený pro trakční aplikace. Při vývoji jsme vycházeli ze třech možných variant regulace trakčního NPU. Jmenovitě se jedná o řízení založené na regulaci úhlu ε, dvouhodnotové řízení a nově vyvinuté „hybridní delta modulované řízení“. Funkce jednotlivých navrhovaných řízení byly ověřeny a porovnány pomocí simulací v programu MATLAB. Řízení založené na regulaci úhlu ε je jednou ze základních možností řízení NPU. Jeho hlavní výhodou je konstantní spínací frekvence měniče. Mezi jeho nevýhody patří nemožnost přímé regulace odebíraného síťového proudu a problematická realizace účiníku cosφ =1. Druhou základní možností řízení je dvouhodnotové řízení NPU, jehož hlavní vlastnosti jsou přesným opakem vlastností řízení založeného na regulaci úhlu ε. Umožňuje přímou regulaci odebíraného síťového proudu, realizace účiníku cosφ = 1 je bezproblémová, ale spínací frekvence měniče není konstantní. „Hybridní delta modulované řízení NPU“ kombinuje kladné vlastnosti obou výše zmiňovaných řízení. Jedná se tedy o řízení s vlastnostmi dvouhodnotového řízení při zajištění konstantní spínací frekvence měniče. Za předpokladu harmonického průběhu síťového napětí a znalosti parametrů výkonového obvodu bylo dosaženo vynikajících simulačních výsledků. Pokud se podaří získané výsledky úspěšně ověřit na laboratorním prototypu NPU, je navržené řízení velmi perspektivní pro náročné trakční aplikace. Hlavní přínos práce: • Sestavení simulačního modelu jednofázového NPU. • Analýza možných algoritmů řízení a regulace NPU. • Návrh optimální varianty řízení NPU spojující výhody dvou základních řídících algoritmů – „hybridní delta modulované řízení NPU“. • Sestavení podkladů pro programátora.

Ukázka průběhů z řízení NPU pomocí „hybridního delta modulovaného řízení“ 14


Ovládací obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A Štefan Žurek - KOE 3 Lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV

Tato studentská práce popisuje návrh a konstrukci čtyřkvadrantového usměrňovače Simoreg 6RA70 od firmy Siemens. Celé zařízení je určeno pro napájení stejnosměrného stroje s ohledem na moderní trendy řízení elektrických pohonů. Tato práce je zaměřena na umožnění plného využití a řízení soustrojí složeného ze zmiňovaného stejnosměrného stroje a synchronního generátoru. Dříve bylo pro napájení soustrojí využíváno dynamo s asynchronním generátorem, jednalo se o tzv. WardLeonardovo soustrojí. Kompletní usměrňovač je složen z ocelového rámu, ve kterém je zaimplementován, vlastního měnič včetně všech přístrojových součástí. Měnič lze řídit a nastavovat jak přes ovládací prvky na čelním panelu, tak za pomoci PC. Konstrukce s měničem byla navrhnuta jako samostatná jednotka, tudíž není vázána na další zařízení, bez nichž by nebyl provoz možný. Toto řešení přineslo další výhodu v jeho mobilitě, je tedy možné celé zařízení využívat i ve větším spektru úloh, měření a dalších pracích, než pro kterou je primárně určený. Měnič však může být dále rozšířen i o zásuvné moduly, čímž se zvětšují další možnosti jeho využití. Během oživování celého zařízení byly provedeny zkoušky při napájení náhradní zátěže a následně i skutečné zátěže, tj. do stejnosměrného motoru. Zvolená konstrukce s modulem se představila jako velice efektivní s ohledem na různorodost možností praktických využití v laboratoři i mimo ni. Modul je vhodný pro napájení stejnosměrného stroje, např. pro fázování synchronního generátoru na síť, zatěžování generátoru na síti apod. S tímto zařízením mohou studenti pracovat samostatně, jeho ovládání je jednoduché, navíc je modul vybaven několika ochranami, proto odpadají vážnější poruchy na zařízení.

15


16


Sekce Elektronika složení komise předseda

doc. Ing. Milan Štork, CSc.

členové

Ing. Václav Koucký, CSc. Ing. Martin Poupa, Ph.D. Ing. Ivo Veřtát

17


Bezdrátový přenos dat Bc. Tomáš Benedikt - EI 2 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE

Bezdrátový přenos dat je nedílnou součástí současných komunikačních systémů a hraje zde poměrně důležitou roli. Mezi asi nejznámější způsoby bezdrátových přenosů dat patří přenosy na základě komunikačních standardů Wifi, Bluetooth a ZigBee pracující v kmitočtovém pásmu 2,4 GHz. Vedle tohoto pásma existují další pásma, jejichž podmínky využívání stanovuje všeobecné oprávnění č. VO-R/10/03.2007-4. Úkolem této práce bylo prozkoumat možnosti přenosu dat v těchto kmitočtových pásmech a navrhnout poloduplexní datový kanál a ověřit jeho vlastnosti z hlediska dosahu a rychlosti přenosu. V dnešní době působí na trhu s bezdrátovými technologiemi řada výrobců a dodavatelů, kteří nabízí širokou škálu modulů pro bezdrátový přenos dat. Tyto moduly se dají rozdělit do tří skupin: Receivery (přijímače), transmitery (vysílače) a transceivery (v jednom modulu sdružují vysílač, přijímač a anténní přepínač). Jelikož se tato práce zaměřuje na poloduplexní přenos, největší pozornost je věnována transceiverům, které jsou pro tento druh přenosu velice vhodné (pro vytvoření poloduplexního kanálu postačí dva transceivery). Datový spoj na straně přijímače produkuje nejméně chyb při rozpoznávání jednotlivých bitů, když přijímá data, která mají průměrný poměr nul a jedniček přibližně stejný. Řetězec znaků s hodnotami FFh nebo 00h je velmi nesymetrický a může způsobit velkou chybovost při přenosu na velké vzdálenosti a v místech slabého signálu.. Při vyšších rychlostech je pak nutnost používat pouze kódy s absolutně stejným poměrem nul a jedniček. Jedním z bodů této práce jsou nejčastěji používané metody kódování. Pro účely testování byl navržen testovací obvod s moduly MHF-TR, jehož zapojení je velice jednoduché. Data vysílaná z počítače přes sériové rozhraní RS232 mají napěťové úrovně ± 15 V. Použité moduly MHF-TR pracují s úrovněmi TTL, proto je použit obvod MAX232, který provede konverzi úrovní RS232/TTL. Konvertovaný signál TxD (transmission data = vysílaná data) je přiveden na pin DRx a signál RxD (receive data = přijatá data) je přiveden z pinu DTx. Pin ENABLE je pro účely testování připojen trvale na napájecí napětí a pin CONFIG je uzemněn, to znamená že modul pracuje v komunikačním módu. Na straně přijímače je podobné zapojení, jenom k příjmu a vysílání dat je zde použit mikrokontrolér Atmega 8515, který je stejně jako modul MHF-TR vybaven rozhraním UART, na jehož piny jsou přivedeny datové signály. Funkce mikrokontroléru je velice jednoduchá. Jeho úkolem je zpracovat přijatá data a poslat je zpět do počítače. Jedná se tedy o poloduplexní provoz. Další funkcí mikrokontroléru je vysílání testovacích paketů na stisknutí tlačítka. Při sepnutí spínače se vyvolá externí přerušení a mikrokontrolér vyšle testovací paket o délce 8 byte. V reálném aplikaci by mohl mikrokontrolér sloužit ke sběru nejrůznějších dat např. měření teploty, tlaku nebo vlhkosti vzduchu a na vyžádání tato data posílat do vzdáleného počítače, kde by mohla sloužit např. k vedení různých statistik nebo k řídícím účelům.

18


Implementace převodníku z LPC na ISA pomocí jazyka VHDL Josef Bouzek - EI 2 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE

Vývoj průmyslových zařízení je finančně nákladný a časově náročný. Proto není výjimkou dlouhá doba jejich používání. Technologie, kterou zařízení používají, se tak může postupem času stát zastaralou, zvláště v oboru elektronika. Tato situace nastala i u sběrnice ISA. Ta byla z důvodů velkého počtu signálů a nízké přenosové rychlosti nahrazena sběrnicí LPC. Pro průmyslové aplikace tak vznikla mezera, která se musí nějakým způsobem vyplnit. Cílem mé práce bylo tedy napsat syntetizovatelný kód převodníku z LPC na ISA pro programovatelný logický obvod firmy Altera. V současné době můžeme na trhu pořídit integrované převodníky LPC na ISA od firem Winbond nebo Fintek. Katalogové listy těchto obvodů se staly odrazovým můstkem pro mou realizaci. Systém jsem realizoval pomocí několika stavových automatů a skupinou registrů. Nejdůležitější částí je stavový automat na straně LPC. Sleduje totiž veškeré přenosy na LPC a v případě potřeby spouští přenosy na sběrnici ISA nebo zapisuje či čte z registrů. Vlastnosti registrů (jejich adresy a funkci) jsem nastavil podle katalogového listu převodníku firmy Fintek. Před testováním v hardwaru jsem realizaci nejprve otestoval simulací (funkční i časovou po syntéze) v programu ModelSim. Pro zjednodušení simulace jsem napsal testbench, který obsahuje několik procedur. Jedna skupina procedur generuje stimuly, které odpovídají přenosům na sběrnici LPC. Druhá skupina sleduje dění na sběrnici ISA – hlásí počet čekacích taktů nebo kontroluje aktivitu některých signálů. Zkoumal jsem chování převodníku od firmy Fintek pomocí logického analyzátoru. Výsledky simulace jsem porovnal s naměřenými průběhy. Všechny zaznamenané průběhy se shodovaly se simulací. Pro test v hardwaru jsem zvolil obvod MAX II EPM1270F256C5ES. Byl osazen na vývojovém kitu, který jsem měl k dispozici. Výsledky syntézy kódu definují maximální kmitočet 45 MHz, což převyšuje požadovaný kmitočet zhruba o 30 %. V obvodu zbývá 30% LE pro další případné budoucí úpravy a rozšíření. Pro testování bylo nutné navrhnout desku plošných spojů pro propojení vývojového kitu, zařízení ISA a sběrnice LPC (Obr. 1). Realizace podporuje 8-bitové IO, DMA a paměťové přenosy. Vzhledem k tomu, že žádosti o DMA přenos jsou na sběrnici ISA přenášeny paralelně bylo nutné je pro sběrnici LPC serializovat. Stejná situace nastala i s přerušením. Bohužel se nepodařilo implementovat 16-bitové přenosy, ale vzhledem k možnosti přeprogramování logického obvodu se může podpora těchto přenosů kdykoliv doplnit. Pomocí systému registrů lze nastavit kmitočet sběrnice ISA – je odvozen dělením hodinového signálu sběrnice LPC buď třemi nebo čtyřmi. Pomocí adresových registrů lze adresovat čtyři různé prostory pro zařízení připojené na sběrnici ISA.

Obr.1: Navržená deska se zasunutým vývojovým kitem 19


Vstupní analogové rozhraní pro RFID čtečku Bc. Karel Čermák - EI 2 lektor: doc. dr. Ing. Vjačeslav Georgiev - KAE

Firma EC-elektronik potřebovala vyrobit RFID čtečku Mifare(r) Standard karet, která by byla následně implementována do jejich stávajících terminálů identifikačních karet. Na trhu je množství univerzálních modulů RFID čteček, ale jejich cena není příliš příznivá, popř. jsou nedostupné. Proto bylo snahou vytvořit samostatný modul čtečky těchto karet, který by dokázal z přiložené Mifare karty zjistit její unikátní identifikační číslo (UID). Pro realizaci čtečky jsem nejprve shrnul obvody několika známých výrobců RFID obvodů a následně vybral obvod pro realizaci vstupně-výstupního analogového rozhraní (AF). Díky dobré dostupnosti a dlouholeté zkušenosti s obvody EM Microelectronic jsem vybral obvod EM4094, který je univerzálním analogovým rozhraním pro 13,56 MHz RFID čtečky. Před samotnou realizací bylo nutné prostudovat normu ISO/IEC14443, ve které jsou definovány signály, příkazy a vůbec celá komunikace s bezkontaktními kartami s vazbou na blízko. Karta komunikuje se čtečkou v tzv. modulovaném Manchester kódování, čtečka s kartou komunikuje v tzv. modifikovaném Millerově kódování. Komunikace probíhá tak, že čtečka opakovaně vysílá příkaz REQA a čeká na odpověď nějaké karty v mg. poli čtečky. Pokud je nějaká karta přítomná, odpoví čtečce příkazem ATQA. Čtečka pak vyšle sérii příkazů, díky kterým pošle karta své unikátní identifikační číslo (UID).

Obr. 1: Blokové schéma RFID čtečky. Blokové schéma RFID čtečky je na obr. 1. K realizaci jsem použil pouze 2 integrované obvody a několik pasivních součástek. Nejdůležitějším obvodem je AF (EM4094), který je taktován externím krystalem 13,56 MHz. K němu je připojen laděný obvod s anténou na plošném spoji, který jsem navrhl. Zpracování signálů, indikaci a komunikaci s AF a okolím zajišťuje mikroprocesor. Pro realizaci prototypu jsem použil Atmel Atmega128. Nakonec jsem do něj napsal a odladil základní program (firmware) pro realizovanou čtečku. Výsledkem práce jsou dva funkční prototypy, jeden s displejem a druhý bez něj. Funkčnost jsem ověřil na zapůjčené RFID čtečce. Čtečka bude nyní implementována do nového identifikačního systému a otestována v praxi.

20


Jednotka pro monitorovací systém fotovoltaické elektrárny Roman Dejmek - EI 2 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE

Uvažujeme-li fotovoltaický panel pro konstrukci elektrárny, který dodává výkon (100200) Wp, tak počet těchto panelů pro instalovaný výkon elektrárny může narůst až na stovky kusů, ba i více v případě elektrárny výkonu MW. Vyskytne-li se pak porucha na jednom či více panelech, vzniká problém lokalizace této poruchy a také určení její příčiny a doby vzniku. Pro účely monitorování ve fotovoltaické elektrárně na úrovni fotovoltaických panelů byl vypracován návrh, který umožňuje sběr dat z jednotlivých panelů. Ten se skládá z fotovoltaické jednotky, která provádí měření na panelu, a monitorovací jednotky, která zajišťuje sběr naměřených hodnot jednotlivých panelů. Obě tyto jednotky je možné provozovat na navrhnutém vývojovém kitu, který slouží k vývoji a ladění monitorovacího systému elektrárny vyvíjené společností ILV s.r.o. Obvod kitu je rozdělen na analogovou část, jež umožňuje měření proudů v řetězcích fotovoltaického panelu, který je koncipován jako systém 3 paralelně řazených subpanelů (řetězců) společně s měřením výstupního napětí panelu. Dále je možné jednotlivé části panelu odpojit od sítě. Napájení jednotky 3.3V je zajištěno fotovoltaický panelem. V digitální části jsou především obvody pro vzájemnou komunikaci jednotek společně s mikrokontrolérem C8051F340 pro řízení jednotky. Komunikace jednotek může probíhat buď sběrnicově v podobě standardu RS485, nebo bezdrátově v pásmu 868 MHz. Na straně bezdrátové komunikace je použit modul PAN2355, což je kompletní rádiový transeiver, jehož jádrem je obvod CC1101. Modul komunikuje s mikrokontrolérem po SPI rozhraní. Na straně sběrnicové komunikace je jednotka opatřena transeiverem MAX487CSA společně s optickým oddělením HCPL-260L, jenž galvanicky odděluje komunikační sběrnici od jednotky, která je na potenciálu fotovoltaického panelu. V pozici monitorovací jednotky je vyvedeno rozhraní RS232 pro navázání komunikace se ZigBee modulem, jenž by měl navazovat komunikaci ve vyšší monitorovací vrstvě. Pro monitoring panelů byl zároveň navrhnut protokol pro vzájemnou komunikaci jednotek, jenž umožňuje adresaci panelů podle topologie jejich propojení a zasílaní zpráv na adresu konkrétního panelu nebo skupině panelů. Zpráva (příkaz/odpověď) je zabalena do monitorovacího paketu, ke kterému je připojena jeho hlavička. Ten je poté sestaven do podoby vysílacího paketu pro konkrétní komunikační rozhraní.

Obr. 1. - Monitorovací okruh fotovoltaických panelů

21


3D akcelerometry a jejich využití Ladislav Dreisig - EI 2 lektor: Ing. Petr Weissar, Ph.D. - KAE

Snaha zlepšit funkci pohybujících se zařízení vede stále k většímu nasazení prostředků, kterými tato zařízení s okolním prostředím komunikují. Jedním z hlavních předpokladů pro správnou činnost řídicích systémů je zjišťování relevantních údajů pomocí čidel a senzorů. Každý řídící systém potřebuje jiné informace a tím i jiné senzory. V práci se věnuji principu akcelerometrů a jejich využití včetně názorné aplikace kapacitních tříosých akcelerometrů. Akcelerometry jsou senzory citlivé na zrychlení tělesa. Zrychlení je výsledkem působení sil na těleso, včetně síly gravitační a sil zdánlivých. V blízkosti zemského povrchu na všechny hmotné částice působí gravitační síla. Pomocí soustavy akcelerometrů, které jsou citlivé na tuto sílu, je možné analýzou směru působení gravitační síly, částečně určit orientaci objektu v prostoru. Základní dnes používané principy akcelerometrů jsou piezoelektrické, elektrorezistivní, tepelné a kapacitní. Právě poslední tři zmíněné jsou v současné době, kdy jsou konstrukce a výrobní metody mnohem pokročilejší nejvíce používané. Hlavní dělení akcelerometrů je podle užití v prostoru a měřícího rozsahu. Pro zkoumání a zjištění základních funkcí akcelerometrů je pozornost věnovaná hlavně kapacitním tříosým akcelerometrům. Tak můžeme pozorovat chování objektů v prostoru, tedy působení sil ve všech směrech. Hlavním problémem je volba vhodného akcelerometru. Kritérií je mnoho. Mezi základní patří množství měřených směrů zrychlení, maximální přetížení, citlivost a komunikace s nadřazeným (řídícím) systémem. S řídícím systémem lze komunikovat pomocí digitálního nebo analogového výstupu. U analogového je výstupem PWM signál nebo napětí, které po filtraci převedeme AD převodníkem. Tak získáme číslicovou hodnotu napětí. U digitálních je výstupem přímo změřená hodnota, která je formou komunikačního protokolu poslána po SPI nebo I2C. Z důvodů dostupnosti pracuji jen s analogovými čidly, která ke zkoumání a nasazení do zadaných systémů postačují. Základem je navrhnout systém zpracovávající signál a aplikovat ho do modelů dopravních zařízení (auta a vlaky). Z modelů se vždy dá přejít na reálné dopravní prostředky, u kterých už můžeme předpokládat chování z měření na modelech. Další aplikace se týká pozorování chování sportovního náčiní nebo těla sportovce. Zde nastávají problémy s měřícími rozsahy, jelikož při některých činnostech se objevují velká a neočekávaná přetížení. Při návrhu měřícího systému vycházím z požadavků na malé kompaktní zařízení s možnostmi připojit různé druhy akcelerometrů, tak aby se daly změřit jejich vlastnosti. V zásadě se jedná o univerzální modul pro vývojové účely s různými možnostmi nastavení. Zvolil jsem tedy sendvičovou strukturu, kdy řídící obvod je na jedné desce plošného spoje a akcelerometr má svou samostatnou desku s možností pevného připojení k řídícímu obvodu. Zpracování dat je navrženo takovým způsobem, aby se v krátkém časovém okamžiku získalo co nejvíce dat pro další zpracování. Tedy je snaha o dostatečný přísun informací. Díky velkému množství převedených hodnot můžu provést průměrování a získat tak střední hodnotu. V celkovém pohledu dostávám plynule se měnící signál úměrný zrychlení. Před samotným měřením je nutno provést korekce citlivostí jednotlivých os akcelerometru pro daný rozsah. Vše je nutné z důvodů výrobcem uváděné tolerance, protože citlivost je potřeba pro přepočet měřeného napětí na přetížení. Citlivost je uváděna v mV/g. Nejdůležitější požadavek pro správné měření je pevné uchycení akcelerometru k měřenému objektu. V mém případě jsem k měřenému objektu připojil celý měřící systém. V rámci možností jsem se snažil o co nejpevnější spojení akcelerometru a měřeného objektu.

22


Funkční generátor Bc. Petr Gondek - EI 2 lektor: Ing. Zuzana Petránková - KAE

Cílem práce je navrhnout a realizovat univerzální funkční generátor implementovaný v obvodu FPGA, který bude schopen generovat průběhy libovolných tvarů a frekvencí. Generátor bude připojen k PC pomocí sběrnice USB. Pro PC bude napsána aplikace, která umožní snadné ovládání generátoru. Tím je myšleno, že bude možné snadno změnit tvar generovaného průběhu včetně frekvence. Pro realizaci generátoru byl vybrán obvod FPGA CYCLONE EP1C6T144C8 společnosti ALTERA. Obvod FPGA je součástí univerzálního modulu TORNADO, který realizoval pan Jaroslav Fait v rámci diplomové práce Programovatelná logická pole v roce 2005. Modul obsahuje všechny nutné obvody pro snadnou práci s obvodem FPGA. Modul je programovatelný přes rozhraní JTAG. Součástí modulu je i zdroj hodinového signálu o frekvenci 24 MHz, což byl hlavní omezující parametr pro realizaci generátoru. Generátor byl navržen na základě principu přímé digitální syntézy (DDS), který dovoluje dosáhnout požadovaných vlastností. Bylo tedy nutné navrhnout a sestrojit obvod s D/A převodníkem a USB rozhraní pro komunikaci s PC. D/A převodník byl zvolen paralelní s rozlišením 12 bitů a rychlostí převodu 20.4 MSPS. Pro popis struktury funkčního generátoru v obvodu FPGA byl použit jazyk VHDL. Pro syntézu jsem použil volně dostupného vývojového prostředí QUARTUS II Web Edition ve verzi 7.2. Software pro ovládání generátoru z PC byl napsán v jazyce C# pomocí MS Visual Studio 8 Express Edition.

Obr.1 Blokové schéma struktury popsané v jazyce VHDL a vzhled aplikace pro PC Realizovaný generátor umožňuje generovat signály s frekvencí až 1 MHz, kdy je však již výstupní signál velmi zkreslený. Maximální frekvence výstupního signálu s plný počtem vzorků ( 4096 ) je přibližně 5858 Hz. Frekvenci je možné nastavovat s přesností na 1 Hz. To je dáno použitím 24 bitového akumulátoru fáze. Pro většinu aplikací je však takováto přesnost dostačující. Tvar generovaného průběhu je zadáván pomocí binárního souboru, ve kterém jsou uloženy 12 bitové vzorky celé periody. Vzorků musí být 4096. V rámci práce byly vytvořeny soubory se vzorky pro průběhy tvaru sinus, trojúhelník, obdélník a pila. Generátor byl realizován bez rekonstrukčního filtru. Realizace filtru je námětem pro další práci.

23


Univerzální modul komunikačního rozhraní Štěpán Hamouz - DE 5 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE

Při vývoji a testování elektroniky a integrovaných obvodů je používáno množství různorodých periferií. Může se jednat o běžně dostupná rozhraní, jakým je například USB, RS-232, ale i rozhraní méně rozšířená jako je např. AMBA-APB. Je vhodné mít univerzální modul, který jednoduše umožní vzájemné propojení různých rozhraní. Na trhu jsou dostupné jednoúčelové, ale i univerzální převodníky, které většinou umožňují propojení rozhraní USB s RS-232, I2C, nebo GPIB. Převodníky pro rozhraní AMBA-APB jsou na trhu téměř nedostupné. S přihlédnutím k této okolnosti, nejsou převodníky běžné dostupné na trhu vhodné, a je žádoucí navrhnout převodník, který bude tato rozhraní obsahovat. Cílem práce byl návrh modulu převodníku mezi rozhraními RS-232, USB a GPIB na jedné straně a UART, I2C a AMBA-APB na straně druhé. Převodník musí umožňovat propojení libovolného rozhraní z jedné strany na rozhraní ze strany druhé. Snahou při návrhu modulu je dosažení nízké ceny a co největší univerzálnosti. Sběrnice AMBA-APB je určena pro propojení vnitřních obvodů procesorů s jádrem ARM. Jedná se o paralelní sběrnici s oddělnou sběrnicovou částí pro adresu, odchozí a příchozí data. Pro tento modul byla požadována konfigurace s 24bit adresovou sběrnicí a 32bit sběrnicí pro odchozí data. Časování sběrnice je řízeno vzestupnou hranou hodinového signálu. Jádrem celé konstrukce je mikrokontrolér ATmega128, který řídí chod celého převodníku. K mikrokontroléru jsou připojeny konfigurační přepínače, kontrolér CB7210 pro sběrnici GPIB, indikační LED a rozhraní I2C. Součástí mikrokontroléru je rozhraní UART, které je pomocí přepínače vytvořeného v FPGA připojeno k převodníku na USB a budičům sběrnice RS-232 a UART. Rozhraní AMBA-APB je realizováno pomocí FPGA Xilinx řady Spartan 3 (konkrétně obvodem XC3S400). Propojení obvodu FPGA s mikrokontrolérem je realizováno pomocí sběrnice SPI. Pro rozhraní, která na výstupu nevyužívají standardní budič sběrnice, byl použit převodník napěťových úrovní. Tím bylo dosaženo velkého rozsahu vstupních napětí a zatížení. Modul byl doplněn o rozšiřující konektor, který je připojen k obvodu FPGA. Port umožňuje rozšíření o další periferie, které budou vytvořeny v FPGA. Na obrázku je znázorněno blokové schéma zapojení. Toto zapojení umožňuje vzájemné propojení libovolných dvou rozhraní. Veškerá převáděná data mohou být zpracována podle předem nastavených algoritmů pomocí kódu v mikrokontroléru. Rozhraní založená na UART (USB, RS-232 a UART) mohou být pomocí FPGA propojena přímo.

Obr. Zjednodušené blokové schéma zapojení

24


Návrh realizace programovatelného vícekanálového zdroje Martin Kopecký - EI 2 lektor: Ing. Radek Holota, Ph.D. - KAE

Předmětem této práce je návrh čtyřkanálového regulovatelného napájecího zdroje. Každý kanál má být realizován samostatným modulem, aby bylo možné jej bez problému vyměnit. Modul napájecího zdroje má být ovladatelný pomocí počítače PC, jeho výstupní napětí má být nastavitelné v rozsahu 0÷32 V, proudové omezení v rozsahu 0÷5 A. Celý čtyřkanálový napájecí zdroj by se měl vejít do 19" racku velikosti 1U. Ze zadání je patrné, že výstupní výkon každého modulu je max.160W. Pro realizaci modulu na základě lineárního stabilizátoru by musel být použit rozměrný transformátor, výkonové součástky by bylo nutné významně chladit. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl pro použití spínaného měniče. Vzhledem k tomu, že se jedná o síťový napájecí zdroj, je nutné galvanicky oddělit vstup a výstup měniče. Vzhledem k výstupnímu výkonu, a velikosti vstupního napětí jsem se rozhodl pro použití spínaného měniče topologie Half-Bridge. Protože má být výstupní napětí nastavitelné od nuly, což je ryze nepříznivý stav pro spínaný měnič, je modul napájecího zdroje doplněn blokem lineární postregulace. V této práci jsem se zaměřil zejména na návrh součástek topologie Half-Bridge – vstupní kapacitní filtr, transformátor, výstupní LC filtr. Neméně důležitou částí návrhu byl i návrh vysokorychlostních galvanicky oddělených budičů spínacích tranzistorů MOSFET, návrh a kompenzace zpětnovazební smyčky a návrh a programování nadřazené smyčky s mikropočítačem komunikujícím po sériové sběrnici USB s počítačem PC. Celý projekt jsem se snažil realizovat pomocí moderních a perspektivních technologií, z nichž bych vyzdvihl zejména použití integrovaných planárních transformátorů ve čtyřvrstvém plošném spoji, používal jsem nové integrované obvody a polovodičové součástky určené pro nasazení ve spínaných napájecích zdrojích.

Rámcové schéma zapojení je uvedeno na obrázku. Základem měniče je typické zapojení topologie Half-Bridge. Výstupní napětí spínaného měniče je snímáno chybovým zesilovačem a porovnáváno s referenčním napětím nastaveným pomocí µC. Na základě výstupního napětí chybového zesilovače jsou střídavě spínány tranzistory M1 a M2. Budiče těchto tranzistorů jsou galvanicky odděleny (ISO), jejich sekundární strana je napájena z vysokého napětí. Na výstupu je zapojen blok lineární postregulace mající za úkol nízká výstupní napětí modulu. Tento blok obsahuje i obvody proudového omezení nastavitelného pomocí µC. Spojovacím můstkem mezi digitální a analogovou částí je D/A převodník generující referenční napětí.

25


Ovládání a monitorování pomocí GSM Jiří Purchart - EI 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE

V dnešní době pokrývají sítě GSM (Global System for Mobile communications) většinu obydlených území. Díky velkému rozvoji techniky a součastně klesajícím cenám za poskytované služby mobilními operátory se mohly sítě GSM začít využívat i k jiným účelům, než je komunikace mezi lidmi. Jedná se zejména o odvětví zabezpečení a vzdálené ovládání či monitorování stavu objektů. Tato zařízení jsou schopna monitorovat stav zabezpečení domu, bytu či chaty pomocí nejrůznějších typů senzorů a v případě jeho narušení vyslat varovnou SMS. Dále se dají využít ke vzdálenému ovládání elektrospotřebičů (např. spínání kotle pro vytápění objektu, ovládání osvětlení nebo zavlažovacího systému) a to zasláním SMS zprávy ve stanoveném formátu. Obsahují také několik vstupů pro běžně používané senzory, mezi které patří senzory pohybu (PIR senzory), akustické senzory rozbití skla, magnetické kontakty, detektory kouře a hořlavých plynů, infrazávory a senzory pro měření teploty, vlhkosti a tlaku. Tato zařízení lze také využít pro zabezpečení automobilu. S použití záložního zdroje energie se zvyšuje ochrana proti sabotáži zařízení, jelikož má oddělené napájení od napájení objektu a informace o narušení se šíří pomocí vysílače GSM bezdrátově prostředím. Cílem této práce je navrhnout a zrealizovat zařízení pro hlídání stavu objektu, ovládání připojených elektrospotřebičů a monitorování teplot, to vše s využitím SMS zpráv. Pro návrh byl upřednostňován co největší počet vstupů a výstupů s požadovaným zapojení konektorů. Výsledkem návrhu je zařízení, které obsahuje 8 logických vstupů pro připojení senzorů s výstupem při poplachu v log. 0, 8 logických výstupů pro ovládání připojených elektrospotřebičů, 8 analogovými vstupy pro měření napětí 0 až +5 V nebo teploty analogovými senzory LM335 od firmy ST Microelectronics (citlivost 10 mV/K, teplotní rozsah -40 až 100 °C) a minimálně 2 digitální senzory teploty DS18B20 od firmy Dallas Semiconductors s možností rozšíření jejich počtu. Celá komunikace se senzory DS18B20 probíhá pouze po jednom datovém vodiči (sběrnice 1-Wire) a je tedy nutné použít specifické časování. Jejich teplotní rozsah je -55 až 125 °C a přesnost ±0,5 °C. Jako mikrokontrolér byl použit Atmel ATMega16PU a pro GSM komunikaci GSM modem Siemens MC35i, ovládaný pomocí skupiny AT příkazů. Funkčnost zařízení byla vyzkoušena připojením desky pro testování vstupů a výstupů s osmi tlačítky a s osmi indikačními LED diodami. Pro ověření funkce analogových vstupů byla použita deska s pěti potenciometry pro regulaci napětí 0 až +5 V. Zařízení reaguje na prozvonění odesláním SMS zprávy s výpisem stavů všech logických vstupů i výstupů, analogových teplot nebo napětí a digitálních teplot. Při příchodu SMS zprávy vyhodnotí shodu se specifickými tvary SMS pro vzdálené ovládání. Vzdálené ovládání je umožněno pouze uživatelům s telefonními čísly umístěnými na SIM kartě. Při ztrátě nebo odcizení SIM karty nebo při potřebě přidat nového uživatele lze přidání na SIM kartu provést jednoduše pomocí speciální SMS zprávy nebo samozřejmě také vyjmutím SIM karty z modemu a uložení uživatele pomocí telefonu. Zjišťování teploty pomocí analogových či digitálních senzorů je možné buď hromadně nebo dotazem na konkrétní senzor. Dále lze nastavovat stavy 8 logických výstupů a zjišťovat stavy logických výstupů. Při vyvolání alarmu některého z připojených senzorů je okamžitě uživatel informován pomocí SMS zprávy. Při provozu takovéhoto zařízení vznikají náklady nejenom za spotřebu elektrické energie, ale zejména na provoz v GSM sítích operátora. Proto musí být pečlivě vybrán operátor a vhodná předplacená karta nebo tarif s požadavkem na minimální cenu.

26


Grafická karta připojitelná k jednočipovému mikropočítači Petr Sedláček - AEL 3 lektor: Ing. Kamil Kosturik, Ph.D. - KAE

"Grafická karta připojitelná k jednočipovému mikropočítači" (dále "VGA 2") vznikla jako reakce na požadavek na zobrazovací zařízení, umožňující jednočipovému mikropočítači zobrazovat výstupní data na běžném počítačovém monitoru. Je primárně určena do aplikací, kde je nutné mít přehled současně o velkém množství údajů, tedy tam, kde již nestačí běžné zobrazovací součástky, jako například LED a LCD displeje. Zároveň možnost vykreslovat grafiku dává systému možnost zobrazovat například grafy, obrázky, nebo místo textového menu menu grafické, a tak dále. V dnešní době velmi levných osobních počítačů by bylo logické je použít pro aplikaci, která má již takové zobrazovací nároky. VGA 2 nabízí oproti tomuto řešení hlavně menší velikost a relativně malý příkon. Z dalších vlastností této karty lze uvést například její nízkou cenu, snadnou dostupnost součástek a jednoduchost sestavení v případě amatérské konstrukce, zachování jednoduchého komunikačního rozhraní pro připojení k jednočipu a malé fyzické rozměry. VGA 2 se připojuje k běžnému počítačovému monitoru přes analogové rozhraní VGA (15pinový DSUB konektor) a pracuje se standardním zobrazovacím módem 640×480@75Hz. Při použití příslušné redukce je možné připojit i monitory s rozhraním DVI-I nebo DVI-A. Barevná hloubka karty je 6 bitů, což znamená, že každý pixel může svítit jednou ze 64 barev. Parametry karty by se mohly zdát na dnešní dobu (rok 2008) poněkud slabé. Jsou však plně dostačující pro většinu aplikací karty. Navíc zvětšení některého z parametrů by neodvratně vedlo k nutnosti použít relativně nedostupné součástky a dražší technologie, jakož i nemožnosti snadné amatérské výroby. Dá se říci, že parametry VGA 2 karty jsou těmi nejlepšími možnými, při zachování jednoduchosti její konstrukce.

Blokové schéma VGA 2 karty Hlavními prvky VGA 2 jsou tři CPLD firmy Xilinx XC9572XL a dvě běžné SRAM paměti o velikosti 512k × 8. Paměti tvoří obrazovou paměť grafické karty a CPLD vykonávají funkce potřebné pro běh karty. To je adresace paměti, dále přenos dat mezi pamětí a VGA konektorem při vykreslování obrazu na monitor a konečně směrování dat mezi pamětí a komunikačním portem při zpětném běhu paprsku, kdy může aplikace číst nebo měnit data v paměti. Napěťové úrovně akceptovatelné VGA rozhraním jsou vytvořeny jednoduchým rezistorovým D/A převodníkem. Celý systém je časován miniaturním oscilátorem Epson, běžícím na frekvenci přibližně 32 MHz. Toto je zároveň pixelová frekvence obrazu a je vidět, že nároky kladené na rychlost součástek karty nejsou zrovna malé. VGA 2 karta je napájena jedním napětím o velikosti 5 V z aplikace a pro napájení jejích vnitřních obvodů je použit nízkoúbytkový lineární stabilizátor LF33. Pro zachování malých rozměrů karty je až na několik výjimek použita technologie SMT.

27


Monitorování služby GPS – archivace dat a zpracování Jan Strobach - TM 2 lektor: Ing. Ivo Veřtát - KAE

Družicové navigační systémy jsou dnes důležitou součástí moderní doby. Využití těchto systémů (v současné době zejména systému GPS) je široké a nachází uplatnění v mnoha odvětvích lidské činnosti (vojenských, průmyslových i civilních). Při určování polohy pomocí družicových navigačních systémů je důležitým faktorem přesnost určení polohy přijímače signálu. Cílem této práce je vytvořit softwarový nástroj, který by umožňoval monitorování samotného navigačního systému GPS. Přesnost určení zeměpisné polohy přijímače signálu závisí na mnoha faktorech satelitního navigačního systému (např.: aktuální rozestavení družic, příjem odražených signálů apod.) V některých obtížných terénních podmínkách může být služba dokonce úplně nedostupná (lesy, hluboká údolí, vysoká městská zástavba apod.) Mojí snahou je dlouhodobé sledování výstupních navigačních Obr. 1 . Schéma aplikace zpráv z GPS přijímače umístěného na pevných souřadnicích. Získaná data budou graficky vyhodnocena a prezentována pomocí webové aplikace na internetu. Dále pak bude možné sledovat různé dlouhodobé závislosti parametrů systému a vliv na chybu určení polohy při např. změně umístění přijímací antény, příjmu odražených signálů z družic atd. Práce by se také mohla stát základem pro pozdější generování a šíření korekcí určení polohy (DGPS).

Obr. 2. Internetová aplikace pro prezentaci výsledných průběhů

28


Zesilovač pro můstkové snímače Bc. Viktor Žalud - EI 2 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE

Dnešní doba nám dovoluje měřit nejrůznější druhy veličin. Jednou z velmi často měřených veličin je měření sily, které je obvykle měřeno pomocí tenzometru v můstkovém zapojení. Úkolem mé práce bylo sestrojit měřící systém zpracovávající diferenční napětí z měřících můstků. Zesilovač pro můstkové snímače je tvořen čtyřmi vstupními obvody zpracovávající diferenční napětí z měřících můstků. Pro univerzální použití systému jsou použity digitální potenciometry, pomocí kterých zesiluji vstupní diferenční napětí od jednotek mV až téměř do V. Řetězec zpracovávající toto napětí obsahuje “přístrojový zesilovač“, ADC s 12-bitovým rozlišením a digitální potenciometr s 64 programovatelnými hodnotami odporu. Celý měřící proces je řízen mikroprocesorem AVR ATmega 16 od firmy Atmel. Jedná se o 8-bitový RISC procesor s maximální pracovní frekvencí 16 MHz. Hodnoty za ADC jsou filtrovány mikroprocesorem z důvodu potlačení rušení a lepší stabilitě měřené hodnoty. Součástí systému je též proudová smyčka 0(4)-20mA, jež je dlouho využívaným standardem pro přenos hodnot naměřených veličin v oblasti průmyslové automatizace. Vlivem velké šumové imunity dovoluje přenos na vzdálenosti stovek metrů a umožňuje napájení připojených komponent přímo ze smyčky. V praxi je velmi často, kromě statického měření, potřeba měřit dynamické veličiny. Z těchto důvodu jsou součástí zesilovače i vstupy pro impulzní snímače rychlosti, které umožňují měřit rychlost dopravníku a tím tedy umožňují dynamické vážení. Naměřené výsledky jsou zobrazovány na LCD displej. Budič sběrnice sériové linky RS485 zajišťuje komunikaci s okolím. LCD slouží spíše jako orientační. Pomoci sériové linky RS485 získávám naměřené hodnoty a nastavuji parametry jako jsou: hloubka filtru, zesílení a nastavení proudové smyčky. Tyto parametry jsou uloženy v paměti EEPROM a tak nedochází k jejich ztrátě po odpojení napájení. Systém má 16 možných nastavitelných adres a svůj vlastní komunikační protokol obsahující 12 příkazů a 4 volné příkazy, pro případný další vývoj. Nezbytnou součástí celého systému jsou napájecí obvody, které musejí být z pravidla, galvanicky oddělené. Napájení je zajištěno transformátorem se třemi sekundárnímu vinutími. Tato napětí jsou dále upravena a zpracována a výsledný počet napájecích napětí na desce plošného spoje činí 7. Jedná se tedy o univerzální měřící systém zpracovávající diferenční napětí, který je řízen pomocí sériové linky RS485, nadřazeným počítačem. Komunikační linka

Nadřazený počítač Měřící systém 1

Měřící systém 2

Měřící systém 3

Další systémy

Obrázek 1: Měřící systém a jeho nadřazený řídící počítač

29


30


Sekce Elektrotechnologie složení komise předseda

prof. Ing. Václav Mentlík, CSc.

členové

doc. Ing. Olga Tůmová, CSc.. Ing. Radek Polanský, Ph.D. Ing. Jiří Tupa, Ph.D.

31


Vyjadřování nejistot emisních měření ve zkušební EMC laboratoři Ján Bandžák - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET

S pojmem nejistoty v měření se setkáváme v souvislosti s měřením a jeho vyhodnocováním. Měření není přesný proces a chyba měření je tak způsobená např. samotným pozorovatelem, přístrojovým vybavením, zvolenou metodou měření, okolním prostředím apod. Nejistota měření je obecně míra pochybnosti o správnosti výsledku měření a je charakteristická rozsahem hodnot okolo výsledku měření, který lze zahrnout k hodnotě měřené veličiny. K určování nejistot měření se používají statistické metody, kde se předpokládá určité rozdělení pravděpodobnosti, které udává, jak se může měřená hodnota odchylovat od skutečné hodnoty, popř. se uvádí pravděpodobnost, s jakou se skutečná hodnota nachází v intervalu daném nejistotou. V r. 1993 vydala Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) praktickou příručku pro vyjadřování nejistot (Guide to the Expression of Uncertainty of Measurements), která definuje základní pojmy teorie nejistot měření, základní vztahy a jejich aplikace na modelových příkladech. Problematika nejistot v měření patří do oblasti kalibrace a vrcholové metrologie a současný stav výroby a konkurence požaduje kontrolu jakosti. V oblasti elektromagnetické kompatibility (EMC) jako schopnosti zařízení pracovat v příslušném elektromagnetickém okolí je vyžadována jeho bezporuchovost a stabilita provozu. Obecně se definuje elektromagnetická susceptibilita (EMS) jako odolnost zařízení proti cizím elektromagnetickým polím a elektromagnetická interference (EMI) definující zařízení, které nesmí okolí rušit více, než je nutné pro jeho funkci. Má-li se posoudit zařízení z hlediska EMC, je důležité provést řadu měření a zkoušek z obou zmíněných oblastí. Tato práce se zabývá problematikou dvou emisních měření (EMI) a jednoho imunitního měření (EMS) televizních přijímačů v laboratoři EMC v společnosti Panasonic. K vyjádření rozšířené nejistoty, která se zavádí v případě, pokud je požadována vysoká spolehlivost byly v případě emisních měření uvažovány pouze nejistoty typu B, které jsou způsobovány známými a odhadnutelnými příčinami vzniku. Jejich identifikaci provádí sám experimentátor a velmi často není možné provést kompletní a přesnou analýzu všech příčin, které ovlivňují konečný výsledek rozšířené nejistoty. V případě imunitního testu se standardní nejistota typu A určila z n – opakovaných a nezávislých měření na vybraných televizních kanálech a statistickým vyhodnocením určíme její velikost. Standardní nejistota typu B se určí uvážením všech zdrojů, které mají vliv na její velikost. Opakovaným a nezávislým měřením k určení nejistoty typu A, které není náplní práce laboratoře se jen potvrdilo, že velikost nejistoty typu A byla menší o několik řádů než nejistota typu B. Kombinovaná standardní nejistota se vyjádří geometrickým součtem nejistot A i B a násobkem příslušného koeficientu pokrytí se určí konečná rozšířená nejistota. Obecně lze říci, že menší nejistota nastává, když při měření použijeme přesnější digitální přístroje, na které společnost Panasonic klade velký důraz. Měření s digitálními přístroji je oproti analogovým jednodušší a přesnější a moderní digitální přístroje mají možnost přenosu naměřené hodnoty do počítače a tím možnost rychlého zpracování výsledků. Zpracováním výsledků v počítači klesá i pravděpodobnost zanesení nahodilé chyby do výsledku měření. Je zřejmé, že výsledek zkoušky nesmí být závislý na pracovišti, kde se zkouška provádí. Proto jsou zkoušky, měřicí postupy, velikosti nejistot i samotná měřicí pracoviště definovány v řadě norem. Kompletní analýza určování nejistot a jejich omezení vyžaduje patřičné zkušenosti, praxi a konkrétní způsoby, jak nejistoty v měření minimalizovat jsou málo zveřejňované.

32


Analýza rozložení elektrického pole v kompozitech Pavel Fanta - KE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET

Při návrhu jakéhokoli elektrotechnického zařízení je nutné k němu přistupovat jako ke kompaktnímu celku, jenž je tvořen několika podsystémy. Dielektrický podsystém je přitom jedním z hlavních článků sériového řetězce, který spolu s ním tvoří i podsystémy elektrický, magnetický, mechanický a termoventilační. Pro spolehlivou funkci zařízení je nezbytné zajistit, aby bylo tvořeno materiály, které budou splňovat nároky vyhovující všem jeho podsystémům. Takovými však mnohdy nedisponuje žádný druh materiálu samostatně, a tak s výhodou vstupují do popředí systémy jedinečné svojí strukturou a vlastnostmi – elektroizolační kompozitní materiály. Vývoj takovýchto materiálů je spjat nejen s dokonalostí technologických postupů jejich výroby, ale také se znalostí jejich chování v konkrétních elektrotechnických aplikacích. Mezi jednu z nejdůležitějších vlastností sledovaných u elektroizolačních kompozitů se řadí jejich odolnost vůči působení vnějšího elektrického pole. Jelikož se elektrické namáhání posuzuje podle velikosti intenzity elektrického pole, je nutné podrobit izolační materiály jeho diagnostice. Ne vždy je však možné materiál prověřit zkušebními metodami, neboť zařízení může být například teprve ve fázi vývoje. Dnes tuto situaci řeší programy simulující jednak materiálová prostředí a zařízení z nich vytvořená, jednak také podmínky, jimž by v praxi byla tato zařízení vystavena. Kombinací uvedeného s vhodným zvolením modelu fyzikálně reálného systému vzniká silný nástroj pro návrh elektrotechnických zařízení i pro hlubší poznání kompozitních struktur, které v této oblasti vynikají. Vycházejíce z odborné literatury jsem si vědom, že v praxi mají elektroizolační materiály velmi široké uplatnění. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl rozvést problematiku kompozitní struktury laminátů, neboť právě jejich uspořádání je názorné a pro vytvoření věrohodného modelu je jejich vrstevnatá struktura značně výhodná. Analýza elektrického pole v laminátu se zabývá jeho vyšetřením, a to ze dvou hledisek – numerického a experimentálního zkoumání. Ač by se mohlo zdát, že se jedná o dvě zcela rozličné oblasti, není tomu docela tak. Numerické řešení by mělo být v každé ze svých fází spjato s porovnáním odpovídajících kroků z experimentální oblasti. Je důležité vyzdvihnout, že se jedná o přiblížení reálného prostředí na základě mnoha stanovených předpokladů. Mojí snahou tak bylo se těmito předpoklady co nejvíce přiblížit realitě, zároveň však respektovat prostředky, které jsem měl k dispozici. Prostředkem numerického řešení se stal poměrně moderní program pro analýzu elektromagnetických polí – QuickField, který mi byl zde na ZČU zpřístupněn. Já vyšetřoval pole elektrostatické, neboť právě to pro popis elektroizolačních materiálů (laminátů) v sobě skrývá řadu hodnotících parametrů. V praxi je to především elektrická pevnost, která se pro mne stala předmětem zkoumání i v simulačním prostředí. Při vzrůstající složitosti úlohy se stává numerické řešení zejména časově náročným. Hraje zde významnou roli také otázka, zda-li je fyzikálně reálný systém do prostředí dvojrozměrného převoditelný, či s jeho složitostí program už nepočítá. Zprvu trojrozměrnou úlohu jsem tedy rozložil do čtyřech řezných pohledů, čímž jsem ji zpřístupnil dvojrozměrné simulaci v prostředí programu QuickField. Vyšetřil jsem elektrostatická pole kompozitní struktury laminátu metodou numerickou a obdržené výsledky diskutoval s poznatky z experimentální zkoušky. V závěru práce porovnávám výhody a nevýhody numerického a experimentálního přístupu, rovněž i shrnuji jejich eventuelní přínos do budoucna.

33


Porovnání vybraných dielektrických vlastností minerálních a syntetických izolačních kapalin Pavel Hrdlička - KE 2 lektor: Ing. Radek Polanský, Ph.D. - KET

Kapalné izolanty v elektrotechnice vždy měly, a pravděpodobně i mít budou, významné postavení. Díky svému kapalnému stavu jsou schopny zcela vyplnit daný prostor a mají též výborné chladící schopnosti i dielektrické parametry. Nejstaršími kapalnými izolanty byly minerální oleje. Jelikož vykazují výborné užitné vlastnosti a postupy pro jejich výrobu, údržbu a likvidaci jsou na velmi dobré úrovni, mají v současnosti dominantní postavení. Bohužel však nesplňují protipožární a ekologické požadavky na ně kladené. Alternativními produkty, které by eliminovaly zmíněné nedostatky, byly a jsou vyvíjené syntetické izolační kapaliny. V praktickém použití však některé z nich neobstály. Z nejznámějších neúspěšných je možno uvést uhlovodíky s obsahem fluoru a chloru, zejména pak polychlorované bifenyly (PCB). Jejich základ v aromatických strukturách způsobující jejich vysokou toxicitu a karcinogenitu vedl v 70. letech 20. století k zákazu jejich užívání. V současnosti se jako perspektivní jeví silikonové kapaliny a kapaliny na bázi organických esterů. Obě zmíněné kapaliny vykazují dobré dielektrické parametry, výbornou termicko-oxidační stálost a vyšší odolnost proti vzplanutí v porovnání s minerálními oleji. Silikonové oleje jsou navíc inertní vůči okolnímu prostředí a materiálům. Kapaliny na bázi organických esterů mají i vysoký stupeň biodegradability v krátkém časovém úseku. Na oddělení Elektrotechnologie katedry Technologie a měření fakulty Elektrotechnické při Západočeské univerzitě v Plzni probíhal experiment, který měl dva základní cíle: prokázat možnost použití běžné elektrotechnické lepenky L 050 společnosti Fassmann jako vhodnou komponentu izolačního systému v transformátorech, a porovnat dielektrické parametry tří běžně dostupných minerálních olejů (M1-M3) a tří vybraných průmyslových adipových a ftalátových změkčovadel, které by mohly být potenciálními izolačními kapalinami (DOA-Di(2-ethylhexyl)ester kyseliny adipové, DIBA- bis(2-methylpropyl) ester kyseliny adipové a DBP- dibutylester kyseliny ftalátové). M2

1,E+12

M3

1,E+11

DIBA

DOA

Ztrátový činitel /-

Izolační odpor /Ω

M1

M1

1,E+13

DBP

1,E+10 1,E+09 1,E+08

0,5

M2

0,45

M3

0,4 0,35

DOA DIBA DBP

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

1,E+07

0

10

100

1000

10000

0

Čas /h

500

1000

1500

2000

Čas /h

Experiment prokázal kompatibilitu elektrotechnické lepenky L 050 se zkoumanými kapalinami. Minerální oleje obhájily své výborné užitné schopnosti, které byly předpokládány. Ze syntetických kapalin nejlépe vyhověla sloučenina DOA. Zmíněná skutečnost podpořila teoretické poznatky o potenciálu syntetických izolačních kapalin na bázi organických esterů. Syntetická kapalina DBP potvrdila nevhodnost použití sloučenin na bázi ftalátů pro izolační účely. DBP vykazoval nejhorší změřené dielektrické parametry a dle bezpečnostního listu i toxicitu a karcinogenitu. 34


Inovace systému řízení vybraného technologického procesu Zdeněk Konárek - KE 5 lektor: Ing. Jiří Tupa, Ph.D. - KET

Předmětem této práce je navrhnout postup inovace systému řízení vybraného technologického procesu na základě teoretických východisek dnešní moderní výroby. Zadavatelem práce je firma zabývající se výrobou elektromechanických a elektrotechnických komponentů. Na základě jejich počátečních analýz byl vybrán „problémový“ proces k optimalizaci - výroba elektromechanických tlakových regulátorů. Tento proces byl převzat ze zahraniční pobočky ve velmi špatném stavu. V této podobě se stal bezednou studnou vzhledem k nákladům na údržbu, seřizování, opravy a především nekvalitu, a tím i zcela jasným cílem celkové optimalizace výrobního zařízení a inovace systému řízení. Pokud se zastavíme u teorie optimalizace, pak se ve většině publikací objevuje základní rozdělení jednotlivých přístupů ve dvou směrech: a) Radikální zlepšování procesů (BPR – Business Process Reengineering), které předpokládá, že jednorázová změna je nezbytná pro takzvané „narovnání“ procesů, které způsobí dramatickou změnu výkonnosti v podniku b) Kontinuální zlepšování procesů (BPI – Business Process Improvement), které předpokládá, že jednorázová změna v podniku je nejen neefektivní, ale i nedostatečná, a dokonce i škodlivá. Proto usiluje pouze o postupnou změnu podnikových procesů, která je pro organizaci lépe přijatelná. Zde je důležité zdůraznit, že se nejedná o pravidly svázané přístupy, které se dají aplikovat pouze odděleně. Opak je pravdou. Každý z dále probíraných pojmů je pouze určitou metodou, filozofií, která obsahuje několik prvků, a pouze správné rozhodnutí, které je v souladu s cíly podniku a jeho strategií, má šanci na úspěšnou implementaci. Daných přístupů k optimalizaci existuje celá řada a jak již bylo řečeno, jednotlivé prvky a jejich součásti se vzájemně prolínají. Přesto se pro přehlednost dá vytvořit výčet těch nejčastěji zmiňovaných metod. V oblasti radikálního zlepšování se jedná o Reengineering a v oblasti kontinuálního zlepšování TQM (Total Quality Management), Kaizen, TOC (Theory of Constrains). Výsledkem těchto optimalizačních přístupů pak může být právě zeštíhlení výroby, tzv. Lean Manufacturing nebo Lean Production. Tento směr vede k odstranění procesů nepřidávajících hodnotu, prostojů na pracovištích a dále k identifikaci a eliminaci tzv. slabých míst. Tato místa jsou jakýmsi úzkým hrdlem láhve, které zpomaluje tok přidané hodnoty pro celý proces. Z rozsáhlé analytické části této práce je patrné opodstatnění navržené optimalizace, a to jak po stránce kapacitního plánování (výpočtový program vytvořený pomocí MS Excel), tak po stránce kvality (Paretova analýza na základě poskytnutých údajů z reklamací). Návrhová část se pak zabývá koncepčním řešením celé linky. Toto řešení se skládá z několika zásadních bodů, jimiž jsou zejména: Layout výrobního uspořádání: rozvržení, plán pracovišť, splňující technologické požadavky a prvky moderních výrobních systémů (U-linka) Zakomponování prvků štíhlé výroby jako je Poka-Yoke: zařízení omezující chybovost přímo ve výrobním procesu pomocí jednoduchých mechanických nebo elektromechanických čidel a spínacích komponentů. Zavedení Kanbanového zásobování: výrobní struktura je rozdělena na jednotlivé zákazníky a dodavatele, kteří vyrábějí, případně objednávají materiál pomocí Kanbanových karet. Tímto způsobem se dá eliminovat nadbytečná výroba, nebo naopak prostoje operátorů. Návrh je doložen finanční analýzou, ze které vyplývá návratnost pod hranící tří let, což je pro zadavatele této práce akceptovatelná a zajímavá investice.

35


Diagnostický systém pro hromadné zpracování a vizualizaci naměřených dat Jan Kotrba - KE 2 lektor: Ing. Radek Polanský, Ph.D. - KET

Diagnostika vždy měla v elektrotechnice významnou roli a s nástupem nových měřících systémů se výrazně rozšířily její možnosti. Cílem práce bylo vytvořit diagnostický systém v programovém prostředí LabVIEW, který by umožnil automatické vyhodnocení dielektrických parametrů z absorpčního a resorpčního proudu (např. polarizační indexy, vnitřní a povrchovou rezistivitu apod.). Pro vytvoření měřícího systému potřebujeme měřící kartu, PC a vhodný programovací jazyk. V zásadě lze použít pro vytvoření aplikace jakýkoliv programovací jazyk, ale užití standardního programovacího jazyka (C, Pascal apod.) by bylo zdlouhavé a náročné na znalosti uživatele. Vhodnější volbou je aplikace vytvářet ve speciálně vytvořených vývojových prostředích (např. LabVIEW), která jsou určena pro oblast měření. V takovém vývojovém prostředí můžeme pomocí grafického rozhraní vytvořit aplikaci, která připomíná čelní panel měřícího přístroje (tzv. virtuální přístroj – ten obsahuje ovládací a indikační prvky) a využívá pro vstup měřených signálů zásuvné multifunkční karty nebo měřící přístroje s komunikačním rozhraním. Jelikož si virtuální přístroj vytváříme na PC, zachováváme tak výhody, které nám PC poskytuje (např. port USB, tiskárna). Jedním z možných vývojových prostředí je LabVIEW, které patří do tzv. G jazyků a je na úrovni např. jazyka C, ale na rozdíl od něj není orientován textově, ale graficky. Program je členěn na tři části: menu, nastavení a hlavní program. Menu je pouze informativní, kde se dozvíme, za jakých podmínek a jak lze program užívat. Nastavení slouží pro zadání vstupních hodnot do programu (např. napětí, efektivní plocha elektrody). Hlavní program je členěn do čtyř záložek: hlavní panel, absorpce, resorpce, teplota a vlhkost. V každé záložce jsou zobrazeny příslušné hodnoty (příklad – záložka absorpce zobrazuje polarizační indexy, plochu pod křivkou, atd.) a grafické znázornění daného průběhu. Příklad hlavní části programu je vidět na obr. 1.

Obr. 1: Příklad diagnostického systému vytvořeného v LabVIEW Na závěr bude shrnuto, jaké hodnoty program vypočítá: vnitřní a povrchový odpor, vnitřní a povrchová rezistivita, jednominutový a desetiminutový polarizační indexy, plochy pod absorpční a resorpční křivkou, redukované resorpční křivky v intervalech 15 – 300, 15 – 45 a 15 – 400. Dále program určuje maximální (resp. minimální) teplotu a maximální (resp. minimální) relativní vlhkost. Jako výstup z programu je vytvořen protokol z měření a soubor s hodnotami, které lze snadno exportovat do jiných aplikací.

36


Aspekty aplikace CT technologie Radana Krejcárková - KE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET

V dnešní době dochází ve všech průmyslových i jiných oborech k používání elektrických strojů a zařízení. S ohledem na jejich cenu, bezpečnost obsluhy a také z ekologického hlediska je důležité, aby byla správně a co nejdéle funkční. Je proto nutné provádět jejich pravidelnou kontrolu a čištění a tím včasně objevit náznaky poruch a předejít tak úplnému poškození. Diagnostika se provádí na speciálních pracovištích nebo přímo v místě, kde jsou kontrolovaná zařízení instalována. Dochází k měření řady parametrů: izolačního odporu, kapacity, ztrátového činitele a mnoha dalších. Na základě jejich výsledků se určí, zda je nutné provést opravu nebo se mohou vrátit zpět do provozu. Tato práce se zabývá metodami čištění elektrotechnických zařízení. Na úvod jsou popsány různé metody, od klasických až po moderní. Dále je podrobněji popsána CT technologie. Na závěr jsou provedena dvě měření s užitím CT přípravku, kdy je ověřována závislost povrchového odporu na ošetření touto kapalinou. Ke klasickým metodám se řadí čištění pomocí stlačeného vzduchu a rozpouštědel. Postupem času vznikaly nové metody, které využívají trichlorethan, unisolvent, tlakovou vodu, páru a ultrazvuk. Další možnost je používání abrazivních technologií. Tyto metody využívají silného proudu vzduchu nebo vody, který vrhá abraziva proti povrchu. Často je označována jako tryskání nebo pískování. Jako média se používají např. ořechové skořápky, skleněné korále a plastická hmota. K čištění je možno využívat i pelety suchého ledu, který je vyráběn z tekutého oxidu uhličitého. Poměrně novou metodou sloužící k údržbě a čištění zařízení je CT technologie. Tato metoda používá speciální CT kapaliny a vysokotlaké zařízení pro jejich nanášení. Prostředky vytvářejí na ošetřených částech jemný film sloužící jako ochranná vrstva. Při prvním měření bylo ověřováno, zda přípravek napadá povrch plastových výrobků a tím mění jejich elektrické vlastnosti. Za tímto účelem bylo použito osm reaktoplastických výlisků. Měření se provádělo za použití voltampérové metody. Byla provedena celkem čtyři měření, ve výchozím stavu a po expozici vzorků a to následovně: 24 hodin při teplotě 22 °C, dále 284 hodin při 22 °C a nakonec 166 hodin při teplotě lázně 40 °C. Cílem druhého měření bylo zjistit, jak se mění povrchový odpor vzorků po jednom a dvou nástřicích téhož přípravku. Jako testovaný materiál byl vybrán kartit, neboť má podobnou strukturu jako dříve testované výlisky. K měření byla opět použita voltampérová metoda. S postupem času vznikla za účelem čištění řada prostředků a metod. Při výběru metody je nutné velmi dobře zvážit, která bude nejvhodnější jak z hlediska ekonomického, tak pro čištěný prvek. Ne všechny metody jsou totiž vhodné na jakýkoliv materiál. Dále je při volbě vhodné mít na zřeteli také stupeň znečištění. Například pro jemné části není vhodné použít tvrdé abrazivní materiály, kdy by mohlo dojít k poškození povrchu, ale použijí se například pryskyřičná média, která jsou šetrnější. Je potřeba zvážit, zda se nám vyplatí použít levnější způsob, kdy se sice ušetří, ale může dojít k poškození nebo si vybrat dražší metodu, která je šetrnější a její účinek mnohdy vydrží déle. Z měření, kdy se ověřovalo působení CT přípravku a jeho účinků na povrch plastových výrobků vyplynulo, že nedochází k jeho poškození. Zároveň bylo ověřeno, že po aplikaci dochází k nárůstu izolačního odporu. Tato skutečnost však nebyla potvrzena při druhém měření, kdy se ověřovala závislost povrchového odporu na CT přípravku. Zde došlo po aplikaci kapaliny k jeho snížení.

37


Využití umělé inteligence v elektrotechnické diagnostice Tomáš Malý - KE 2 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET

Elektrotechnická diagnostika je poměrně široký obor, ve kterém se zkoumají nejrůznější aspekty a stavy elektrických zařízení. Z hlediska dlouhodobého používání právě těchto zařízení se klade velký důraz na jejich spolehlivost, bezporuchovost a bezpečnost při provozu. Pro zabezpečení těchto základních funkcí se vyvinuly diagnostické metody, které dokáží informovat o skutečném stavu diagnostikovaného zařízení a podle získaných informací předpovědět chování stroje do budoucna. Jelikož je dnes velký požadavek na rychlost, přesnost a dobrou výpovědischopnost získaných informací, zavádějí se do oboru diagnostiky metody umělé inteligence. Metody umělé inteligence, které se implementují do diagnostiky elektrických zařízení, jsou hlavní náplní této práce. Celá práce pak poskytuje přehled o možnostech využití těchto technologií v elektrotechnické diagnostice. Umělá inteligence je vlastnost, kdy nějaký „stroj“ dokáže napodobit do jisté míry chování člověka. To se také může chápat jako alternativa rozumového myšlení člověka. Právě tato rozhodovací schopnost a schopnost uvažovaní, na základě které se mohou efektivně řešit různorodé úkoly či problémy, je využívána v mnoha oblastech techniky. Základními metodami umělé inteligence jsou neuronové sítě, fuzzy systémy, genetické algoritmy a expertní systémy. Umělé neuronové sítě jsou založeny na principu biologických neuronových sítí, jejichž základem je právě biologický neuron. Snaha umělých sítí je, aby uměle vytvořené neurony dosahovaly maximální totožnosti s chováním neuronů biologických. Neurony se dále shlukují do určitých struktur, které jsou pak definovány jejich topologií. Navržené a odzkoušené neuronové sítě se v diagnostice elektrických zařízení používají především pro modelování soustav a prognózu dalšího vývoje systému. Proto jsou velmi dobře aplikovatelné například na hodnocení a prognózu stavu izolace elektrického zařízení. Fuzzy systémy jsou charakteristické svou neurčitostí a vágností. Základem jsou fuzzy množiny, které obsahují prvky s danou mírou příslušnosti. V této oblasti se vytvořila tzv. „fuzzy logika“, která je specifická svou neurčitostí. Je to logika vícehodnotová, tzn. že obsahuje více než 2 pravdivostní hodnoty z intervalu <0,1>. To se ve slovním podání dá definovat jako: pravda, částečná pravda, značně, zhruba, mírně, nedefinováno apod. Díky těmto vlastnostem se fuzzy systémy používají pro prognózu dalšího vývoje systému. Novým trendem je však zavádění fuzzy logiky do expertních systému, kdy vzniká nový fuzzy expertní systém. Další metodou umělé inteligence jsou genetické algoritmy. Jejich princip je odvozen od vývoje, který se uplatňuje v přírodě. Ve své podstatě jde o vyhledávací algoritmy založené na mechanizmu přirozeného výběru a principech genetiky. Pro svou jednoduchost jsou často využívány pro řešení úloh optimalizace, popř. optimalizace neuronové sítě či fuzzy systému. Poslední metodou umělé inteligence popisované v této práci jsou expertní systémy. Lze je charakterizovat jako počítačové programy, které s požadovanou kvalitou dokáží rozhodovat o problémech tak, jak by tyto problémy řešil odborník (specialista). Samotný expertní systém je složený z několika částí. Každá část zaručuje plnění specifické funkce. Mezi nejdůležitější části lze zahrnout inferenční mechanizmus, bázi znalostí a bázi dat. Tyto moduly jsou nezbytné pro návrh expertního systému a kvalita jejich návrhu následně určuje kvalitu celého expertního systému. Moderní expertní systémy jsou využívané pro diagnostiku elektrických zařízení a dokáží hodnotit stavy zařízení jak off-line tak on-line metodou. Postupným zdokonalováním výpočetní techniky se metody umělé inteligence použitelné pro elektrotechnickou diagnostiku budou stále zlepšovat a vyvíjet.

38


Obecné aspekty diagnostiky elektrických zařízení Miroslav Píša - KE 2 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET

V dnešní světě se bez kvalitních a přesných informací v podstatě neobejdeme a v tomto ohledu není situace odlišná ani v elektrotechnice. Proto vznikl obor nazývající se technická diagnostika, který se uceleně zabývá způsoby získávání těchto informací, jejich zpracováním a následným vhodným využitím. Diagnostika byla do nedávné doby uplatňována především u velkých elektrických strojů vzhledem k její cenové náročnosti. Dnes se však stává součástí stále větší skupiny elektronických přístrojů a také součástí malých a středně velkých točivých strojů. Zvláště na místech, kde by výpadek takovéhoto stroje ohrozil chod důležité výrobní linky nebo na jiných místech, kde by náhlá porucha měla za následek velké škody nebo mohla způsobit ohrožení lidských životů. Skrze diagnostiku také dochází k propojení jednotlivých odvětví podílejících se na konstrukci elektrických zařízení, neboť výsledky diagnostických měření dávají přehled o slabých místech v oblasti materiálů nebo konstrukčních řešeních. Proto se s jejími vlivy a působením setkáme v podstatě po celý životní cyklus elektrického zařízení od vývoje materiálu pro tato zařízení, přes mezioperační kontroly při výrobě až po následný provozní stav. Práce se zabývá popisem diagnostiky a její funkce v oblasti elektrotechniky se zaměřením na silnoproudá elektrická zařízení. První část práce se věnuje základním pojmům, na které v diagnostice narazíme a samotnému významu diagnostiky a jejím přínosům v elektrotechnice. V další části jsou popsány prostředky, ze kterých se skládá diagnostický systém, a kterých diagnostika využívá k plnění svého účelu. Mezi tyto prostředky patří volba přístupu k diagnostice, kdy volíme mezi fenomenologickým a strukturálním přístupem. Volba mezi řešením diagnostického systému off-line a on-line, kde každý z těchto systémů nám může nabídnout různé výhody, například u systému on-line je možno testovat sledovaný parametr na překročení stanovených mezí za provozu zařízení, naopak off-line systém nabízí kontrolu parametrů námi vhodně zvolenými vstupními signály. Dalšími diagnostickými prostředky jsou znalostní a zkušenostní potenciál personálu, metodologické postupy, nástroje potřebné pro vykonávání diagnostické činnosti, volba mezi destruktivními a nedestruktivními měřeními a diagnostické modely. Z těchto diagnostických modelů jsou v této kapitole dopodrobna rozepsány matematické modely a to konkrétně přenosová funkce, bloková schémata, logické modely a topologické modely. Třetí část práce je věnována prováděným měřením na točivých elektrických strojích malých a středně velkých výkonů. Tato měření lze zhruba rozdělit na měření prováděná ve výrobě, na zkoušky hotových strojů a na profylaktická šetření provozovaných strojů. Závěrečná část práce se zabývá možnostmi předpovědi budoucího chování zařízení, ze shromážděných dat o tomto zařízení. Takto získaná představa o budoucím vývoji parametrů sledovaného zařízení je velmi užitečná, i když nemusí být vždy stoprocentně přesná. Ale přesto díky ní dostáváme do rukou silný nástroj, který pomáhá naplánovat naše budoucí kroky s maximální elektivností a dává možnost předejít nečekaným poruchám včasnými opatřeními, např. výměnou nebo opravou zařízení. V této kapitole je také řešen příklad, který ukazuje dva způsoby výpočtu budoucích hodnot. První ze způsobů je vhodný pro parametry mající lineární trend a druhý pro parametry s exponenciálním trendem. Výpočtem získané parametry jsou posléze porovnány s parametry skutečně naměřenými.

39


Osvětlování zdravotnických zařízení Jaroslav Sadský - EE 5 lektor: doc. Ing. Josef Linda, CSc. - KEE

Osvětlování a elektroinstalace zdravotních zařízení patří mezi velmi specifické a z technického pohledu je velmi náročné disciplíny. Elektrické osvětlení se nemalou mírou dotýká nejen pracovních výkonů personálu, ale ovlivňuje psychický a následně i fyzický stav pacientů v těchto prostorech. Nesprávná intenzita osvětlení, oslňování a špatné podání barev mohou dokonce zapříčinit i ohrožení člověka na životě. Při projektování elektrického osvětlení jednotlivých místností je důležité zohlednit požadavky jednotlivých oddělení tak, aby mohla být přesně vykonávána daná činnost, a pokusit se vytvořit správnou zrakovou pohodu v místnosti. V rehabilitačních zařízeních tvoří správné osvětlení částečně součást léčby, kdy dopomáhá k příjemnému naladění a uvolnění pacienta. Proto je velmi přínosná možnost plynulé regulace a vytváření světelných scén. Tato diplomová práce se zabývá osvětlováním zdravotnických zařízení. V úvodní části jsou uvedeny základní parametry určující osvětlované prostředí. Dále je zaměřena pozornost na vyhodnocení požadavků zrakové činnosti, parametrů a požadavků na umělé osvětlení jednotlivých zdravotnických oddělení. V druhé polovině se práce zabývá konkrétním návrhem osvětlení v lázeňském sanatoriu hotelu Kriváň v Karlových Varech. Návrh je proveden pro tři místnosti, které nejvíce charakterizují dané zdravotnické zařízení. Projekt jedné vybrané místnosti je vypracován v několika variantách. Tyto varianty jsou vzájemně ekonomicky a technicky porovnány, aby bylo docíleno nejvýhodnější ekonomické a funkční varianty. Pro tuto vybranou variantu je vypracován návrh elektroinstalace a ovládání světelné soustavy. Závěrečná část práce je věnována možnostem a způsobu regulace osvětlovacích soustav. Návrh osvětlení je proveden ve výpočtovém programu Relux 2007. Tento program poskytuje mnoho speciálních funkcí, které například umožňují kompletní trojrozměrnou vizualizaci daného prostoru, výpočet denního i umělého osvětlení, výpočet hospodárnosti osvětlovací soustavy, výpočet udržovacího činitele osvětlovací soustavy, atd. Regulace osvětlovacích soustav klasickým spínáním vypínače je v dnešní době nedostačující, proto je v této práci vyprojektováno ovládání pomocí sběrnicového systému, který umožňuje plynulou regulaci pomocí řídícího modulu a digitálních předřadníků. Tento systém umožňuje jak dálkové ovládání pomocí GSM modulu, tak i časové nastavení jednotlivých světelných scén. Obr. 1 Vizualizace návrhu osvětlení rehabilitačního bazénu

40


Výpočet provozních a poruchových stavů v ES pomocí PC - ustálené stavy Jan Veleba - EE 2 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE

Elektrizační soustava ES je soubor energetických zařízení pro výrobu, přenos, rozvod, akumulaci a spotřebu elektrické energie, slouží tedy pro zásobování obyvatelstva elektrickou energií. Zajišťuje zásobování obyvatelstva elektrickou energií v požadovaném čase, množství a místě, dále pak v požadované kvalitě při maximální spolehlivosti (minimální počet výpadků) a s co nejvyšší hospodárností. Pro splnění všech těchto podmínek je nezbytné znát v každém uzlu a v každé větvi elektrizační soustavy napěťové, proudové, resp. výkonové poměry v oblasti provozních i poruchových ustálených stavů. Znalost těchto poměrů je klíčová pro dimenzování vedení proudově (dimenzování průřezu) i napěťově (určování izolačních vzdáleností), a nastavení koordinace izolace a nastavení nadproudových i jiných ochran. Z hlediska dodržení daných úbytků napětí a velikostí ztrát na vedení pak lze provést analýzu záložních režimů provozu elektrizační soustavy za provozních i poruchových stavů, a dále také analýzu budoucího rozšiřování částí ES. Při samotném výpočtu napěťových a proudových poměrů v provozních i poruchových ustálených stavech vycházíme z matematického modelu ES s využitím tzv. uzlové admitanční matice A . Elektrizační soustava je pak popsána následující soustavou nelineárních algebraických rovnic s obecně komplexními koeficienty: I = A ⋅U kde I - sloupcový vektor proudů injektovaných do uzlů sítě

U - sloupcový vektor sdružených napětí v jednotlivých uzlech sítě A - čtvercová uzlová admitanční matice Při řešení této soustavy rovnic je vyloučeno použití standardních analytických postupů, je tedy potřeba na daný problém aplikovat některou ze dvou dále v práci uvedených numerických metod (Gauss-Seidelova, Newton-Rapsonova). K výpočtu hledaných neznámých (sdružená napětí v uzlech řešené sítě) patří také zajištění stability a konvergence numerického řešení. V oblasti poruchových stavů je zde kladen důraz na výpočet obecné příčné poruchy v jednom uzlu řešené sítě s ohledem na globální projevy poruchy na celou ES. Vzhledem k složitostem při realizaci těchto výpočtů jsem sestavil program v Matlabu (verze 7.0), který řeší všechny tyto složité výpočty a to pro obě oblasti výpočtů (provozní/poruchové stavy). PC program provádí tyto výpočty pro elektrizační soustavy tvořené pouze vedeními a transformátory, přičemž uzly řešené sítě jsou definovány pouze jako PQ uzly (odběrové). Kromě výpočtu sdružených napětí provádí také výpočet zbylých uzlových i větvových výkonů dané sítě, v poruchových stavech pak propočítává napěťové poměry ve všech fázích a uzlech soustavy. Sestavený program umožňuje snadné ovládání díky uživatelskému rozhraní vytvořené GUI knihovnou Matlabu, dále pak umožňuje přehlednost číselných i grafických výstupů a také možnost aplikace na řešení elektrizačních sítí od nejjednodušších až po ty nejrozsáhlejší. Jeho jediná slabina spočívá ve zvýšených nárocích na obsluhu při tvorbě vstupních dat. Stávající verze vytvořeného PC programu je vhodná zejména pro výukové účely. Druhá možnost budoucího rozvoje PC programu je spjata s možným rozšířením o další prvky ES (generátory, kompenzační zařízení, apod.), dále o další možné výstupy (výpočet fázových proudů a činných ztrát na jednotlivých vedeních) a zejména rozšířením o řešení provozních a poruchových přechodných dějů ES pro hlubší analýzu nejrůznějších dynamických procesů v ES. Touto cestou se s největší pravděpodobností bude vytvořený program ubírat.

41


Vyjadřování nejistot měření odolností ve zkušební EMC laboratoři Václav Žák - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET

Kvalitativně určovat přesnost měření je proces starý jako měření samo. Po dlouhá léta se používá k určení přesnosti měření chyb měření. S tím, jak rostly nároky na kvalitu, docházelo ke změnám a vývoji i v oblasti určování přesnosti měření. Novým přístupem se tak staly nejistoty měření. Zmínky o nejistotách měření lze najít v normách řady ISO 9000 a ISO 10012. Pro nás je pak důležitá především norma ISO/IEC 17025, která se zabývá požadavky na akreditované laboratoře – zkušebny. Mluvíme-li o nejistotě měření, mluvíme vlastně o parametru, který je k výsledku měření přidružený a vyjadřuje rozsah, v němž se výsledek měření nachází s danou pravděpodobností. Cílem práce je analyzovat vývoj problematiky nejistot měření, vypracovat metodiku vyjadřování nejistot měření u EMC zkoušek odolnosti prováděných v laboratoři, provedení výpočtů nejistot konkrétních měření ve zkušební laboratoři TQA-EMC Panasonic, výsledky analyzovat a provést doporučení pro ostatní zkoušky. Při sestavování metodiky, která by se dala používat pro testy v EMC laboratoři, jsme vycházeli z platných norem a technického předpisu metrologického. Výsledné metodiky se pak liší podle typu měření, zda se jedná o měření přímá či nepřímá. Nepřímá měření jsou dále rozdělena podle počtu měřených veličin. Při bližším zkoumání vypracovaných metodik je zřejmé, že problematika vyjadřování nejistot u nepřímých měření je velice složitou záležitostí. Vyžaduje totiž obrovské znalosti problematiky, experimentátor musí mít test zvládnutý do sebemenších detailů a dále je zde požadavek na velice dobrý matematický aparát. Obtížnost vyjadřovaní nejistot u konkrétních testů se v některých případech dost liší, což jen poukazuje na skutečnost, že každý test je jinak složitý. Výsledky jednotlivých testů jsou vždy okomentovány. Test S5 je jediný, v kterém jsme provedli i výpočet nejistot typu A. Již před výpočtem samotným bylo zřejmé, že nejistoty typu A kombinovanou resp. rozšířenou nejistotu ovlivní minimálně, ale pro potvrzení předpokladů jsme výpočet provedli. Ten naše domněnky jen potvrdil. V dalších testech pak již výpočet nejistot typu A prováděn není. Vypočítané hodnoty nejistot pro tento test se pohybují v předpokládaných mezí. Test S1 patřil mezi složitější test, u kterého byly prováděny výpočty nejistot. V závislosti na testované televizi (zda byla vybavena digitálním či analogovým tunerem) byl použit generátor analogového nebo digitálního signálu. Pro oba případy pak musely být nejistoty stanovovány zvlášť. Z výsledků je patrné, že vypočítané nejistoty dosahují lepších hodnot v případě testování za pomoci digitálního signálu. V případě použití analogového signálu výsledné hodnoty dosahují horní hranice předpokládaných mezí. Test S7 lze označit jako nejjednodušší test, kterému se věnuje tato práce, a vypočítané hodnoty nejistot jsou jednoznačně nejnižší ze všech testů. Je to dáno počtem použitých přístrojů resp. množstvím zdrojů nejistot měření. Velice obecně lze říci, že čím větší byl počet zdrojů nejistot, byla i hodnota výsledné nejistoty větší. Zlepšení hodnot vypočítaných nejistot lze dosáhnout nákupem přesnějších přístrojů, častější kalibrací a použitím dokonalejších měřicích metod. Je však důležité zvážit, zda by se tyto kroky vyplatily i z ekonomického hlediska. Například vylepšování hodnot nejistot měření u testu S7 lze považovat za skoro bezpředmětné. O nápravných opatření by se však dalo uvažovat v testu S1, a to především v jeho části, kde je používán generátor analogového signálu, který také tvoří nejslabší článek celého měřicího řetězce.

42

Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Recommend Documents