Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Přehlídka studentských odborných prací na FEL

konaná dne 18. května 2007 pod záštitou prorektora ZČU prof. RNDr. Ivo Budila, Ph.D., DSc. a děkana FEL ZČU doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc. pořádaná v odborných sekcích

Elektrické stroje a pohony Elektroenergetika Elektronika Elektrotechnologie FEL, ZČU 2007

Slovo úvodem

Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni již tradiční akcí. Letošní přehlídky se účastní 34 prací, což je více než v loňském ročníku. Bohužel se toto číslo stále nevyrovná dřívějším ročníkům, například v roce 2004 to bylo 60 příspěvků. Potěšující je také účast většího počtu studentů, kteří nesoutěží se svými závěrečnými pracemi, bohužel ostatní prezentují výsledky své bakalářské nebo diplomové práce. Rád bych 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

Reaktance vodiče uloženého v drážce

6 Karel Hruška - PE 2

Vliv rozběhového kondenzátoru na tvar točivého magnetického pole asynchronního stroje

7

Vladimír Kindl - KE 2

Nová laboratorní úloha – měření na asynchronním stroji

8 Vojtěch Král - ELE 2

Řízení přímého měniče kmitočtu

9 Miroslav Los - PE 5

Vektorové řízení trakčního pohonu se synchronním motorem s permanentními magnety 10 Bc. Pavel Nováček - PE 5

Tepelný a ventilační model uzavřeného asynchronního motoru

11

Roman Pechánek - PE 2

Realizace výkonového obvodu jednofázového maticového měniče

12 Luboš Streit - PE 5

Stanovení ztrát v nádobě transformátoru

13 František Trs - PE 2

Nová laboratorní úloha - měření na asynchronním motoru

14 Michaela Vachtlová - ELE 2

PWM generátor pro řízení napěťového měniče

15 David Vošmik - PE 5

Sekce Elektroenergetika

16

Analýza systému měření spotřeby elektrické energie

17 Václav Černohorský - EE

Šíření flikru v distribuční soustavě a opatření k jeho omezení

18 Stanislav Dudlíček - EE 5

Návrh nastavení ochran generátoru

19 Petr Janeček - EE 1

Návrh a konstrukce zařízení pro měření parametrů elektromagnetického pole 20 Oldřich Kroupa - EE 5

Návrh uzemňovací soustavy v elektrárně

21 Marek Palguta - KE 1

Multikriteriální analýza při správné volbě otopného systému

22 Zdeněk Pipa - EE 2

Návrh fotovoltaického generátoru pro potřeby budov administrativního charakteru

23

Tomáš Ronovský - TE 2

Měření a provoz sítě VN se zemním spojením v distribuční společnosti E.ON

24

Tomáš Rotbauer - EE 2

Vliv tvaru induktoru a elektrických parametrů na účinnost ohřevu při indukčním 25 vaření Václav Valm - KE 2

3

Sekce Elektronika

26

Vkládání obrazu do TV signálu

27 Petr Burian - EI 2

Návrh a konstrukce laboratorního zdroje

28 Miroslav Hošek - EAT 3

Multiplexer pro kalibrátor Meatest M-141

29 Jan Krpálek - EI 2

Funkční generátor

30 Petr Křibský - EAT 3

Tester kapacity akumulátorů

31 Milan Mráz - EAT 3

Problematika návrhu výkonových zesilovačů ve třídě D

32 Petr Štál - DE 5

Návrh a konstrukce zesilovače ve třídě D

33 Lukáš Valda - EAT 1

Sekce Elektrotechnologie

34

Dielektrické nanomateriály v silnoproudé elektrotechnice

35 Jiří Boček - SE 5

Elektrické vlastnosti plastových izolátorů

36 Pavel Hanzlík - EE 2

Návrh a realizace snímače pro měření kapacity kondenzátorů

37 Karel Hejra - KE 5

Analýza teplotních závislostí dielektrických parametrů s ohledem na možnosti určení teploty skelného přechodu Tg 38 Lenka Kolářová - KE 5

Aspekty aplikace Diferenční skenovací kalorimetrie DSC při vývoji a testování elektroizolačních materiálů 39 Zdeněk Kopta - SE 5

Pulzní namáhání izolantů

40 Ondřej Tábořík - SE 5

Nová metoda vyšetření dynamických charakteristik nelineárního akčního členu mechatronické soustavy 41 Jan Veleba - EE 1

Kombinované izolační systémy

42 Petra Vitoušová - KE 5

Teplotní roztažnost laminátů

43 Zdeněk Vrátný - SE 5

4

Sekce Elektrické stroje a pohony složení komise předseda

prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.

členové

doc. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. Ing. Jan Molnár

5

Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2007

Reaktance vodiče uloženého v drážce Karel Hruška - PE 2 lektor: Ing. Jindřich Valenta Reaktance vodiče uloženého v drážce z feromagnetického materiálu je jedním z faktorů, které ovlivňují chování synchronního generátoru v prvních okamžicích zkratu. V počáteční fázi zkratu dochází k uzavírání magnetického toku statorového vinutí převážně vzduchovou mezerou stroje a přes drážky v jeho statoru, ve kterých je uloženo vinutí. Reaktance drážky je závislá na rozložení magnetického pole v oblasti této drážky. Rozložení magnetického pole z převážné části udává rozložení magnetické pole v samotném vodiči, který toto pole budí. Z hlediska analytického výpočtu tedy problém přechází v řešení magnetického pole ve vodiči, který je uložen v drážce z feromagnetického materiálu a prochází jím elektrický proud. V závislosti na požadované přesnosti řešení pak je možno výpočet provést zjednodušeně, tedy bez uvažování vířivých proudů, nebo v jeho plné šíři s uvažováním vířivých proudů. Původní výpočet s uvažováním vířivých proudů pochází již z roku 1905, kdy jej vyřešil A. B. Field. Díky pokroku ve výpočetní technice lze nyní více než 100 let staré analytické řešení konfrontovat s výsledky z matematických modelů Obr. 1: Vodič v drážce počítaných metodou konečných prvků. Jejich vzájemným porovnáním lze zároveň dospět k upřesnění některých výsledků z praxe či určit další charakteristiky reaktance vodiče v drážce, které nebylo možné dosud přesně vypočítat. Numerický model vodiče v drážce byl proveden v programu FEMM 4.0.1. Pro porovnání analytického a numerického výpočtu bylo numerické řešení rozděleno na několik jednotlivých problémů, které se různým způsobem odlišovaly od ideálního případu vodiče v drážce v jeho formě, ve které je řešen analytickým výpočtem. Porovnávána byla analytická řešení a výsledky z numerického modelu pro obě možnosti řešení, tedy bez vířivých a s vířivými proudy, a v případě reálného geometrického uspořádání vodiče v drážce s přítomností rotoru byla též porovnána řešení pro masivní a permutovaný vodič. Pro oba typy vodiče vodič byly dále získány charakteristiky závislosti reaktance vodiče na frekvenci elektrického proudu, který vodičem prochází, a charakteristiky závislosti velikosti reaktance vodiče v drážce na velikosti proudu, který tímto vodičem prochází. Výsledkem konfrontace analytického a numerického výpočtu bylo potvrzení původních analytických výpočtů, které se od numerických liší pro reálný turbogenerátor o cca 13%. Obr. 2: Magnetické pole turboalternátoru 6


Vliv rozběhového kondenzátoru na tvar točivého magnetického pole asynchronního stroje Vladimír Kindl - KE 2 lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Třífázové asynchronní motory, zvláště pak s kotvou na krátko, jsou již řadu let nejrozšířenějšími akčními členy ve většině provozů. Až do konce 70. let se však výhradně používaly s konstantní otáčivou rychlostí přímým připojením na síť. V případě absence třífázového napájení 3x220/380V (dnes 3x230/400V) a nutnosti použít stávající akční jednotku, bylo nevyhnutelné počítat s provozem zařízení s jistými omezeními. Motor lze připojit dle následujícího:

platí, že s rostoucí kapacitou se impedance Z c snižuje a ϕ Zc zvyšuje. Paralelní spojení Zc Z2

se dostává do rezonance dle podmínky:

⎫ ⎧1 1 B ⎨ + jωC + ⎬=0 R + jωL ⎭ ⎩ Rc

R + jωL + jωRC − ω 2 LC + 1 RcR − jωRcL Rc ( R 2 + R + ω 2 L2 ) + j (ωR 2 RcC + ω 3 RcL2 C − ωRcL) 1 1 . + jω C + = = Rc R + jω L RcR + jωRcL RcR − jωRcL R 2 Rc 2 + ω 2 Rc 2 L2 L ⇒ ωR 2 RcC + ω 3 RcL2 C + ωRcL = 0 ⇒ C = 2 R + ω 2 L2

Y Z 2C =

Porovnáme-li susceptanci admitance

Zc Z2

s nulou, získáme vztah pro výpočet

rezonanční kapacity rozběhového kondenzátoru, kdy dojde ke vzájemné rovnosti proudu kondenzátorem a vinutím fáze. Tato hodnota pak odpovídá nejpřijatelnější kapacitě pro “hladký“ průběh rozběhu motoru s ohledem na velikost proudů tekoucích stat. vinutím a tím i nadměrnému oteplování stroje. Kapacita ovlivňuje nejen záběrný moment motoru (velikost mag. proudu), ale i úhel natočení osy eliptického (vlivem napájení) magnetického pole vůči reálné ose x, který má téměř lineární průběh. Vyneseme-li do grafu závislost úhlu vektoru mag. proudu na kapacitě, zjistíme, že pro malé hodnoty je průběh téměř obdélníkový, což také vysvětluje pulzační charakter točivého pole ve statoru. Naopak vyšší hodnoty C prodlužují vedlejší poloosu eliptického pole a závislost se zjevně linearizuje. To dává točivému poli vlastnosti podobné poli vinutí napájeného z 3f soustavy (kruhové točivé magnetické pole). Na obrázku je vidět deformace pole pro různé C:

7


Nová laboratorní úloha – měření na asynchronním stroji Vojtěch Král - ELE 2 lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Cílem mé práce je oprava asynchronního motoru, který bude využíván jako učební pomůcka v prostorách katedry elektromechaniky a výkonové elektroniky a dále změření ztrát tohoto motoru při chodu naprázdno. Zmíněný elektromotor slouží jako pohonná jednotka radiálního nízkotlakého ventilátoru s jednostranným sáním. Oběžné kolo je nasazeno na společné hřídeli s motorem a je umístěné v kovové konstrukci, tvořící vlastní tvar ventilátoru.

Obr.1: Radiální nízkotlaký ventilátor před opravou. Za účelem vyhodnocení výsledků opravy bylo před plánovanou demontáží provedeno několik měření z důvodu určení ztrát v asynchronním motoru naprázdno a pro určení závislosti otáček na výkonu. Měření proběhlo při různém stupni zatížení motoru, které bylo vytvořeno kombinací otevřeného resp. uzavřeného sání a výfuku ventilátoru. Pro měření jsme použili dva odlišné měřící systémy se záměrem jejich vzájemného porovnání. Prvním systémem je analyzátor výkonu a harmonických C.A 8310, který provádí rozbor třífázových vyvážených a nevyvážených sítí. Pomocí proudových převodníků dodávaných s tímto přístrojem lze měřit proudy až do velikost 3000 A a hodnota napětí na které může být tento přístroj připojen bez měřícího napěťového transformátoru je 600 V. Jako druhý systém byl zvolen ScopeWin. Jedná se o počítačový software který pomocí převodníků umožňuje měřit střídavé a stejnosměrné veličiny, analyzovat poruchy v síti či dlouhodobě monitorovat signál v reálném čase. Pro měření otáček jsme zvolili přístroj C.A 27 snímající rychlost otáček motoru pomocí odrazů od reflexní plochy, umístěné na lopatce ventilátoru, chladící motoru. Před měřením byl motor ponechán hodinu spuštěný na jmenovitém napětí, čímž bylo dosaženo změření odporu teplého statorového vinutí zapojeného do hvězdy a tedy i přesnějšího určení Jouleových ztrát. V dalším kroku následovalo změření veškerých veličin potřebných pro určení jednotlivých ztrát za pomocí obou systémů. Ztráty v asynchronním motoru při chodu naprázdno jsou dány součtem ztrát Jouleových způsobených proudem na prázdno, v železe magnetického obvodu statoru a ztrát mechanických. Měření bylo provedeno pro všechny zmíněné stupně zatížení a po opravě asynchronního motoru bude znovu uskutečněno ve stejném rozsahu. Oprava ventilátoru bude spočívat v kompletní demontáži stroje na jednotlivé konstrukční součásti. Poté bude následovat důkladné vyčištění všech částí, výměna ložisek motoru a po kompletaci se ventilátor umístí do zhotovené nosné konstrukce, která bude společně s ventilátorem opatřena nátěrem. Nakonec se ventilátor opatří na výstupu klapkou, která umožní provádět měření s různou úrovní zatížení hřídele motoru. Určené ztráty budou sloužit jako kontrola hodnot naměřených studenty při laboratorních cvičení.

8


Řízení přímého měniče kmitočtu Miroslav Los - PE 5 lektor: Ing. Pavel Drábek, Ph.D. - KEV Tato práce se zabývá různými způsoby řízení 1f maticového měniče. Vytváří teoretické podklady a základní simulace pro maticový měnič sestavený v rámci diplomové práce Lubošem Streitem. Cílem tohoto zapojení je zvýšení frekvence z 50 Hz na 400 Hz, čímž dosáhneme možnosti použití středofrekvenčního transformátoru. Dále je možnost vhodným vkládáním nulových vektorů částečně řídit fázi. Pro preciznější řízení fáze je mezi TR a výstupní obvod vložen pulsní usměrňovač s dvouhodnotovým řízením. Na vstupu měniče je kondenzátor vstupního filtru a na výstupu induktivní zátěž, vstupní svorky tedy nemůžeme zkratovat a výstupní naopak rozpojit. Počáteční simulace byly prováděny v programu Matlab (Simulink + Plecs). Později byl základním simulačním programem zvolen programovací jazyk C pro lepší implementaci do procesoru. Možnost začít simulovat řízení maticového měniče zpočátku spočívá ve správném sestavení matematického modelu obvodu. Vycházíme při tom z toho, že proud na indukčnosti, stejně jako napětí na kondenzátoru, se nemůže měnit skokově. Dále je třeba určit veličiny měnící se skokově v závislosti na sepnuté kombinaci maticového měniče. Nejjednodušším řízením mm je obdélníkové. Víceméně přepínáme mezi stavy s0167 a s2345. Tedy stavy, kdy na transformátor připojujeme pouze napětí ucf, nebo -ucf. Nepoužíváme zde vkládání nulových vektorů. Přepínání mezi polohami probíhá podle spínací frekvence. Tedy doba připojení ucf je stejná jako doba připojení -ucf. V našem případě je spínací frekvence 400 Hz, tzn. po dobu 0,00125 s je připojeno ucf a na dalších 0,00125 s je připojeno -ucf. Při tomto řízení a zapojení maticového měniče nemůžeme samozřejmě nijak regulovat fázi vstupního proudu. Další možností je obdélníkové řízení s proměnnou délkou přepínání. U tohoto řízení stále ještě nepoužíváme vkládání nulových vektorů. Mění se délka přepínání mezi ucf a -ucf. Tedy doba připojení ucf není stejná jako doba připojení -ucf. Tímto řízením již lze řídit fázi, ale problém vzniká ve velké složce 50 Hz, která prochází přes transformátor, což znemožňuje použití středofrekvenčního TR. Při vhodném nastavení regulátoru můžeme 50Hz složku snížit na hodnoty kolem 5 %, ale řízení poté nemá velký vliv na zlepšení fáze. Nejlepší řízení fáze mm bez PU se ukázalo pomocí vkládání nulových vektorů. Nulovým vektorem rozumíme stav sepnutí s0123, případně s4567, kdy je vstup mm odpojen a výstup zkratován. Vkládáme je buďto na začátek, nebo konec pulsinusovky. Při vkládání nul. vektorů na začátek fáze roste, na konec klesá. Nejprve byly vyzkoušeny metody regulace s pevnou šířkou nulových vektorů a proměnnou dobou, po kterou jsou nulové vektory vkládány. Poté se jako lepší varianta ukázalo nastavení pevného času vkládání nulových vektorů a regulace trvání nulového vektoru pomocí PS regulátoru. Ovšem i zde jsme omezeni určitým maximálním časem nulového vektoru a od jisté chvíle již nulové pulsy nemůžeme prodloužit, tzn. nemůžeme již zlepšit fázi. Při tomto spínání je však proud dosti zvlněný. Nejlepší provedení se ukázalo za pomoci řízení mm s pulsním usměrňovačem, kdy je maticový měnič řízen obdélníkově frekvencí 400 Hz a pulsní usměrňovač je řízen dvouhodnotově na frekvenci cca 2 kHz. PU řídíme podle stavů sepnutí mm na „rozsekanou sinusovku“. Ze vstupního filtru před mm je tedy odebírán přibližně sinusový proud ± tolerance. Velikost požadované amplitudy proudu je zadávána PS regulátorem, kdy jako vstupní hodnoty regulátoru slouží požadované napětí na kondenzátoru pulsního usměrňovače a skutečná hodnota tohoto napětí. Byl vyzkoušen i provoz s rekuperací. Chceme-li řídit fázi, je nutno ji řídit na vstupní napětí/proud, ovšem na vstupním filtru vzniká určitý fázový posuv.

9


Vektorové řízení trakčního pohonu se synchronním motorem s permanentními magnety Bc. Pavel Nováček - PE 5 lektor: doc. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV Práce se zabývá simulací trakčního pohonu se synchronním motorem s permanentními magnety a návrhem algoritmů řízení a regulace, včetně problematiky odbuzování. Pro regulaci motoru je použita varianta vektorového řízení, při které jsou regulovány jednotlivé složky statorového proudu v souřadném systému rotoru. Souřadný systém rotoru je vázán na magnetický tok permanentních magnetů. Motor je napájen z napěťového střídače s uvažováním úbytků napětí na výkonových spínačích a mrtvých časů. Jedním z hlavních bodů je také analýza vybraných jevů PMSM, jako je například přechod z režimu řízení napětím do režimu řízení odbuzováním, reverzace motoru, řízení motoru při sníženém napětí stejnosměrného meziobvodu nebo letmý start motoru. Základem simulačního programu jsou čtyři diferenciální rovnice, jimiž se vypočítávají skutečné hodnoty regulovaných veličin. Z těchto rovnic je pomocí Eulerovy metody vytvořen matematický model motoru, kromě těchto čtyř rovnic jsou využity i rovnice pro přepočet vektoru ze stojícího souřadného systému statoru (x-y) do souřadného systému rotoru (d-q), který rotuje rychlostí ωme. Dále byla vytvořena regulační smyčka jednotlivých složek proudu statoru (Isd, Isq) použitím dvou PS regulátorů. Pilový signál pulsně šířkové modulace je symetrický a typu integer. Následně byla doplněna regulační smyčka úhlové rychlosti ωme, jejíž výstupem je požadovaná hodnota q-složky statorového proudu Isqw, pro tuto regulaci je také použit PS regulátor, jako u proudové smyčky. U napěťového střídače jsou doplněny úbytky napětí na výkonových tranzistorech a na diodách. Tyto úbytky jsou vytvořeny pomocí voltampérové charakteristiky, která je zadána tabulkou a přesná velikost úbytku napětí je dopočítána lineární interpolací. Implementovány jsou i mrtvé časy tranzistorů, které mají hodnotu 3µs. Pro implementaci mrtvých časů je vytvořen druhý pilový signál, který je totožný s prvním pilovým signálem, je pouze posunut přesně o tři mikrosekundy vůči prvnímu pilovému signálu. Na závěr byla vyřešena problematika odbuzování. Jsou použity čtyři varianty odbuzování, první varianta spočívá ve výpočtu poměrného napětí a použití PS regulátoru tohoto napětí. Výstupem regulátoru poměrného napětí je požadovaná hodnota dsložky statorového proudu Isdw, která je omezena do záporných hodnot. Druhá varianta odbuzování je totožná s první, jen je použit filtr s časovou konstantou 0,01 sekundy, který má za úkol odfiltrovat vyšší frekvence signálu poměrného napětí. Třetí varianta odbuzování je založena na stejném principu jako varianta první, ale zde je přímo regulováno napětí motoru. Čtvrtá varianta je odlišná od předchozích, u této varianty není použit PS regulátor, ale požadovaná hodnota d-složky proudu je vypočtena přímo z d-složky magnetického toku statoru. Magnetický tok je určen poměrem napětí stejnosměrného meziobvodu a úhlové rychlosti statoru, výpočet požadované velikosti d-složky proudu je prováděn z absolutní hodnoty magnetického toku, aby byla zajištěna možnost reverzace. Hlavní přínos práce: - Sestavení simulačního modelu trakčního pohonu s PMSM s vektorovým řízením. - Návrh a simulační ověření algoritmů řízení a regulace založených na vektorovém řízení orientovaném na rotorový magnetický tok. - Analýza a porovnání různých variant odbuzování pohonu s PMSM. - Analýza vybraných dějů – především start pohonu, reverzace, odbuzování, letmý start. - Možnost implementace programu do mikroprocesoru po převedení do pevné řádové čárky.

10


Tepelný a ventilační model uzavřeného asynchronního motoru Roman Pechánek - PE 2 lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV V současnosti je chlazení a ventilace elektrických strojů nedílnou součástí návrhu. Na základě požadavků zákazníka je nezbytné získat celkový přehled o chlazení stroje, již v etapě elektromagnetického návrhu. Jen tak je možné sestavit optimální ventilační systém. To je také jedna z příčin vzniku této práce. Práce je zaměřena na ventilační a tepelný výpočet uzavřeného asynchronního trakčního motoru firmy ŠKODA ELECTRIC s.r.o. Výpočtová simulace je provedena v programovacím jazyce Visual Basic. Program je volně dostupný jako součást programu Excel, ve kterém jsou zadávána vstupní data a do kterého jsou také vypsány výsledky výpočtové simulace. Program umožňuje měnit jednotlivé vstupní parametry a sledovat tak jejich vliv na konečné oteplení (teplotu). Ventilační výpočet Modelování ventilačního výpočtu je provedeno pomocí ventilační sítě. Tato metoda spočívá ve vytvoření náhradní ventilační sítě, s jejíž pomocí lze sledovat proudění chladícího média ve stroji. Množství chladicího média, které je do stroje přiváděno, se ve stroji odvádí k jednotlivým chlazeným místům. Přitom se chladivo různě dělí do dílčích toků a opět spojuje. Cesty chladícího média strojem lze schématicky znázornit sítí. Jednotlivé větve sítě představují toky chladícího média v jednotlivých částech stoje. Místa kde se tok chladiva rozděluje nebo naopak spojuje si lze představit jako uzly sítě. Každá dílčí větev je složena z hydraulických odporů a tlakového zdroje. Hydraulické odpory charakterizují ventilační kanály a vzduchovody, vytvářející účelné cesty pro průtok chladiva strojem a odvádění tepla z chladících ploch. Mezi zdroje tlaku patří ventilátory a i jiné mechanické části elektrického stroje vyvíjející ventilační účinek. Takovýto model umožňuje sledovat vliv jednotlivých parametrů sítě na průtok jednotlivými částmi stroje. Také lze sledovat vliv rychlosti otáčení stroje na celkový ventilační účinek. Pro daný stroj jsou vytvořeny dvě ventilační sítě. Jedna pro vnitřní uzavřený oběh chladiva a druhá pro vnější ventilační obvod. Tepelný výpočet Východiskem pro tepelný výpočet je rozklad stroje na vhodné menší části, které jsou snadněji řešitelné. Přitom vazba na ostatní části stroje nebo prostředí je zajištěna okrajovými podmínkami různého druhu. Problém je řešen pomocí metody náhradní tepelné sítě, jejíž princip je v nahrazení elektrického stroje soustavou těles odpovídajících jednotlivým částem stroje, jež jsou různě propojeny mezi sebou. Taková soustava těles představuje v podstatě tepelný model stroje. Tepelná síť se skládá ze zdrojů tepla, uzlů, větví a nor. Každý tepelný zdroj, uzel nebo nora jsou charakterizovány svým středním oteplením, zdroje ještě navíc velikostí svých ztrát. Každá větev je pak definována hodnotou svého tepelného výkonu. Pro daný stroj byla sestavena síť o 46 uzlech. Ve výpočtu je také zahrnuto oteplení vnitřního chladícího vzduchu a oprava zrát s teplotou, což je nezbytné, neboť ztráty vznikající ve vinutí stroje nejsou konstantní. Výsledky výpočtových simulací Z porovnání výsledků výpočtové simulace a oteplovací zkoušky vyplývá, že pro teplotu statorového vinutí se výsledky liší o 5,5 %. Výsledky ostatních středních teplot uzlů také souhlasí s měřením samozřejmě s určitou odchylkou. Výsledek lze pro daný problém považovat za dostatečný, jelikož relativně věrně popisuje rozložení teploty ve zkoumaném stroji.

11


Realizace výkonového obvodu jednofázového maticového měniče Luboš Streit - PE 5 lektor: Ing. Pavel Drábek, Ph.D. - KEV Tato práce se zabývá návrhem a konstrukcí výkonového obvodu jednofázového maticového měniče a ovládacího obvodu „driveru“ pro IGBT prvky, dále zvolením vhodných ochran pro toto konkrétní zapojení. Tento měnič je navrhován na výstupní frekvenci 400 Hz pro středofrekvenční transformátor určený pro trakci. Jako spínací prvky jsou použity IGBT moduly SK 60 GM 123 od firmy SEMIKRON a pro obvody driverů byly vybrány obvody HCPL 316 od firmy Agilent Technologies. Tento výkonový obvod je určen pro připojení k DSP od firmy Texas Instruments. Celý výkonový obvod se skládá ze silového obvodu a ovládacího obvodu, mechanicky jsou desky plošných spojů připevněny distančními sloupky k hliníkovému chladiči. Celá sestava je posazena na pertinaxové desce. Pro návrh desek plošných spojů, byl použit program Formica 4.4Jmenovité napětí použitých IGBT modulů je 1200 V a jmenovitý proud je 60 A (40 A při teplotě pouzdra 80°C). Na chladící plochy modulů je nanesena teplovodná silikonová pasta, která snižuje tepelný odpor mezi chladičem a chlazenou součástkou. DPS silového obvodu je osazena IGBT moduly SK 60 GM 123, SMD odpory a trisily pro svedení případného elektrostatického výboje na hradle IGBT modulu, trisily a varistory pro omezení přepětí na spínacích prvcích a snubberové kondenzátory pro kompenzaci parazitních indukčností. Všechny součástky jsou kromě modulů montovány shora. Deska má rozměry 150 x 145 mm, jsou do ni vyvrtány otvory pro distanční sloupky M3 a pro šrouby spojující moduly s chladičem. Otvory pro šrouby musí být minimálně o průměru hlavy šroubu připevňující modul k chladiči. Na DPS ovládacího obvodu jsou všechny součástky osazeny na vrchní straně kromě dutinkových dvouřadých lišt (konektory k silové části) a filtračních SMD kondenzátorů. Většina součástek je v provedení SMD. Signálové spoje jsou tloušťky 0,3 mm, pro spoje rozvádějící napájení a pro více namáhané spoje je použita tloušťka 0,6 mm. Protože výstupy driveru HCPL jsou spojeny s výkonovou částí, může se mezi jednotlivými obvody objevit plné napětí sítě nebo i vyšší vlivem přepětí během spínání. Proto je důležité mezi těmito obvody dodržovat jistou izolační vzdálenost, v tomto případě je minimální izolační vzdálenost 6 mm. Pro snížení rušení v signálové části byla opět použita funkce programu Formica „rozlévání mědi“, na vrchní straně byla rozlita zem a na spodní straně bylo rozlito +5 V.

12


Stanovení ztrát v nádobě transformátoru František Trs - PE 2 lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV Úkolem této práce je vypočítat ztráty, které vznikají ve stroji a v transformátorové nádobě za použití metody konečných prvků (MKP). Pro výpočet ztrát v nádobě, byly použity 2D a 3D modely třífázového olejového transformátoru o výkonu 25 MVA. Cílem těchto modelů je zjistit rozložení magnetického pole uvnitř transformátoru a z rozložení tohoto pole vypočítat ztráty vznikající ve stěnách transformátorové nádoby. Je známo, že ztráty vzniklé v nádobě transformátoru tvoří 3 % z celkových ztrát vznikající ve stroji. Tyto ztráty jsou způsobeny rozptylovými toky, které se neuzavírají magnetickým obvodem, ale mimo něj a procházejí stěnami nádoby a způsobují ztráty. Vytváření 2D a 3D modelů elektrických strojů je velmi perspektivní obor, vyskytující se při vývoji nových zařízení. Tyto modely ve spojení s výpočetní technikou jsou výbornými pomocníky, kteří nám pomáhají obecně simulovat provozní stavy, které mohou u takového to navrženého zařízení vzniknout. Pod slovem provozní stav si můžeme představit například: rozložení magnetické indukce uvnitř stroje, rozložení elektrického pole nebo oteplení jednotlivých částí stroje včetně sil, které mohou působit na tyto konstrukční části. Proto z toho to důvodu je použití 2D a 3D modelů zcela nenahraditelné v prvotních návrzích zařízení. Modely nám pomohou ověřit různé předpoklady návrhu bez nutnosti výroby zkušebního prototypu.

Výpočet ztrát v nádobě transformátoru za použití 2D modelu pomoci software FEMM

13


Nová laboratorní úloha - měření na asynchronním motoru Michaela Vachtlová - ELE 2 lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Cíl práce Cílem této práce je tvorba nové laboratorní úlohy výukového kurzu +ES pro bakalářské obory Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni. Postup práce Na asynchronním motoru z roku 1957 typ OR270s+2 se štítkovými hodnotami P=0,6kW, M>1,75, N=2610 min-1, UD=380V, UY=220V, ID=2,77A, IY=1,6A jsme provedli měření při různých zatíženích ventilátoru před generální opravou. Dále jsme provedli generální opravu a měření za shodných podmínek po generální opravě bude provedeno v dohledné době. Generální oprava spočívala v demontáži a rozebrání celého radiálního ventilátoru, jeho vyčištění a kontroly stavu jeho mechanických částí. Mechanické části byli v pořádku. Ložiska rotoru byla vyčištěna, vizuálně zkontrolována kvalita povrchu valivých elementů, kontaktních ploch a klece. Poté byla naplněna novou tukovou náplní. V rámci generální opravy byl navržen a zhotoven stojan pro radiální ventilátor s pohonem. Dosavadní uložení bylo nevhodné z praktického i provozního hlediska. Ventilátor je totiž uložen na boku, ale pro tuto polohu nebyl motor navržen a ani ložiska hřídele dimenzována. Po generální opravě radiálního ventilátoru s pohonem bude provedeno měření ve stejném rozsahu a za stejných podmínek jako před generální opravou.

Obr.1: Radiální ventilátor s pohonem před generální opravou. Úkoly měření nové úlohy Na úloze bude možné měřit: - rozběhový proud - Y-D rozběhy - bez časové prodlevy - s jedním časovým relé - s dvěmi časovými relé - změny parametrů vstupních veličin při spojení stroje do Y a D - změny parametrů veličin při různém zatížení stroje - kompenzaci účiníku pro různá zatížení stroje - brždění stejnosměrným nabuzením - chod 3f asynchronního stroje na 1f síti - generátorový režim

14


PWM generátor pro řízení napěťového měniče David Vošmik - PE 5 lektor: Ing. Pavel Drábek, Ph.D. - KEV Tato práce se zabývá návrhem a stavbou frekvenčního měniče s napěťovým střídačem s důrazem na vytvoření levného řídícího systému. Jako řídící obvod byl vybrán monolitický integrovaný obvod od firmy Freescale s názvem MC3PHAC. Tento obvod zajišťuje skalární řízení třífázového asynchronního motoru, které je jednoduché a levné. Řídící obvod generuje šest PWM signálů pro jednotlivé IGBT tranzistory a dále jeden signál pro řízení brzdového odporníku. Parametry modulace lze nastavit vnějšími obvody na bázi napěťových děličů. Lze nastavit například spínací frekvence v rozsahu od 5,291 kHz až 21,164 kHz, dále velikost kompenzace úbytků napětí na statorových odporech v oblasti nízkých otáček a další. Velikost výstupní frekvence pro motor je zadávána v rozsahu 1 až 128 Hz pomocí potenciometru. Dalším potenciometrem lze volit velikost zrychlení, respektive zpomalení při brzdě. Z hlediska konstrukčního je celá řídící struktura rozdělena do tří modulů. První obsahuje samotný řídící obvod a obvody pro nastavení parametrů modulace. Pomocí kabelu je spojen s druhým modulem který zajišťuje galvanické oddělení řídících signálů od inteligentního modulu a dále zajišťuje zpracování chybových signálů pomalé ochrany od driverů. Třetím modulem je napájecí modul pro napájení obou a předešlých. Výkonový meziobvod je tvořen usměrňovačem, inteligentním modulem PM75CSA od firmy Mitsubishi a dále sadou elektrolytických kondenzátorů firmy EPCOS. Z důvodů omezení indukčností přívodů mezi usměrňovačem kondenzátory a modulem byl tento spoj vytvořen sandwitchovou konstrukcí z plechů z pocínované elektrovodné mědi jak je vidět na Obr. 1. Na tomto měniči lze provozovat dynamicky nenáročný pohon s asynchronním motorem do výkonu 15 W.

Obr. 1.: Model frekvenčního měniče

15


Sekce Elektroenergetika složení komise předseda

prof. Ing. Jiří Kožený, CSc.

členové

doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. Ing. Lucie Noháčová, Ph.D.

16


Analýza systému měření spotřeby elektrické energie Václav Černohorský - EE lektor: Ing. Petr Kropík - KET Práce se zabývá analýzou systému měření spotřeby elektrické energie. Pro analýzu spotřeby elektrické energie byly použity systémy SAP, Converge a MyAvis. Pro vytvoření dokumentací k transakcím v systému SAP je důležité zjistit možnosti použití transakce a její návaznost na ostatní transakce. Na získávání dálkových odečtů se s návazností na systém SAP aplikuje systém Converge. Pro analýzu ručně získávaných odečtů se použije systém MyAvis, který komunikuje v terénu s terminály Symbol. Na základě vytvořených analýz se porovnají výsledky nových způsobů získávání odečtů se staršími způsoby. Cílem analýzy systému měření spotřeby elektrické energie je rozbor stávajícího systému sběru a zpracování dat o naměřené spotřebě elektrické energie. Rozborem se rozumí zmapování cesty naměřených hodnot od vzniku k použití, tedy od fyzického elektroměru až po využití naměřených dat. Konečný výsledek mé práce je podrobná analýza systému měření a zpracování údajů o spotřebě elektrické energie zákazníků ČEZ a.s. Je v ní zachycen celý průběh získávání údajů o spotřebě počínaje odečtením hodnoty z elektroměru, přes zpracování systémem Converge, který odpovídá dálkovému odečtu hodnot spotřeby oprávněných zákazníků. Myslím si, že systém je velmi dobře propracovaný a jeho návaznost na ostatní systémy je spolehlivá a přehledná. Pro maloodběratele se hodnoty odečítají ručně pomocí mobilních terminálů Symbol a předávají se do subsystému MyAvis a SAP. Podle mých získaných informací je zvolení terminálů Symbol velmi nevhodné a nespolehlivé. Malá kapacita baterií v terminálu, která nevystačí na odečítání v terénu a musí se často měnit, je jejich velkou nevýhodou. Systém MyAvis patří do rozvíjejících se subsystémů a podle mých poznatků se jedná o spolehlivý a velmi přehledný pracovní nástroj pro exportování a importování dat. Systém obsahuje i hodně šikovné nástroje pro filtrování dat. Systém SAP „R4“ byl spuštěn v ČEZ a.s. minulý rok a plně nahradil SAP „R3“ a předchozí systém Kompakt. Přínosem nového systému SAP je značně zvětšená přehlednost sběru a zpracování dat. Koncovými částmi analyzovaného řetězce činností je využití naměřených dat pro fakturaci, rozšíření služeb zákazníkům, plánování obchodních strategií ČEZ a.s., pro informovanost ostatních distribučních společností a plánování optimálního pokrytí celé ČR dodávkou elektrické energie. Míra podrobnosti analýzy ovšem závisela na množství a charakteru získaných informací z ČEZ a.s. Proto není analýza propracována u všech subsystémů analyzovaného systému na přesně stejnou úroveň. Přesto si myslím, že uspokojivě obsáhla celý zkoumaný systém. Snažil jsem se i o nastínění návaznosti analyzovaného systému na okolní systémy. Tzn. spolupráci zkoumaného systému s ostatními systémy ČEZ a.s. i se systémy vnějších subjektů. To obohacuje informaci o zasazení systému měření a zpracování údajů o spotřebě elektrické energie do kompletního systému činností ČEZ a.s.

17


Šíření flikru v distribuční soustavě a opatření k jeho omezení Stanislav Dudlíček - EE 5 lektor: Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. - KEE Tato práce pojednává o problematice změn napětí v distribuční síti vlivem připojení elektrického spotřebiče, který ovlivní kvalitu elektrické energie. Změny zatížení způsobují změny napěťových úbytků na impedanci sítě a tím i změny napájecího napětí. Mezi nejzávažnější jevy způsobující energetické rušení patří kolísání napětí. Kolísáním napětí se rozumí sled rychlých změn napětí následujících těsně po sobě nebo rychlé periodické změny napětí. Nejzávažnějším negativním jevem způsobeným změnou napájecího napětí je flikr. Flikr je změna zrakového vnímání vyvolaná časovou změnou světelného toku svítidel. Obtěžování způsobené flikrem je subjektivní (různá intenzita vnímání osob) a může se měnit v závislosti na příčině blikání a délce doby, po kterou se vyskytuje. Proto jsou definovány krátkodobá míra vjemu flikru Pst a dlouhodobá Plt. Negativně může být ovlivněn i provoz televizorů, počítačů apod. Flikr je způsoben časově proměnlivou zátěží, jejíž frekvence změn je nižší než frekvence sítě. Hlavními zdroji kolísání napětí jsou obloukové i odporové svářečky, elektrické obloukové pece, rozběh velkých motorů, větrné elektrárny, řízené topné soustavy, katry, drtiče kamení, výtahy. Flikr se omezuje použijí-li se tato opatření: motory s nízkým rozběhovým proudem nebo s omezením rozběhového proudu při jeho spouštění, rovnoměrné rozdělení jednofázového zatížení na všechny fázové vodiče, připojení zařízení pro dynamickou kompenzaci jalového výkonu. Lze také použít opatření na straně sítě tzn. zvýšením zkratového výkonu v přípojném bodě a to způsoby: zvláštní přívod z bodu sítě s vyšším zkratovým výkonem, výměna transformátoru za trafo s vyšším jmenovitým výkonem nebo nižším napětím nakrátko, připojení k vyšší napěťové úrovni nebo posílením přívodů Flikr se směrem k napájecí síti zmenšuje, jelikož velikost zkratových výkonů směrem ke zdroji stoupá. Při šíření flikru směrem od napájecí sítě (ke spotřebičům) je hodnota flikru od místa rušení nezměněná. V této práci řeším 3 případová studie. Cílem první studie je posouzení připojitelnosti 3 fázového tepelného čerpadla k distribuční síti z hlediska zpětných vlivů. Pod zpětnými vlivy na síť se rozumí, jak vzájemné ovlivňování provozních prostředků (přístrojů a zařízení) přes síť, tak i od těchto provozních prostředků vycházející ovlivňování sítě samotné. Zpětné vlivy na síť poškozují především kvalitu napájecího napětí, ale mohou také postihovat síťové impedance a přenosy signálů po síti. Cílem je sledování dlouhodobé míry vjemu flikru Plt a úbytku napětí ∆Un. Tyto veličiny popisují kvalitu elektrické energie v jednotlivých uzlech distribuční sítě. Jejich hodnoty porovnávám s limitními hodnotami, které jsou uvedeny v příslušných normách. Celou situaci řeším pomocí modelování ve výpočtovém programu E-vlivy, který používá daná distribuční společnost, a následném ověření manuálním výpočtem. V druhé studii se zabývám posouzením připojitelnosti 1 fázového tepelného čerpadla k distribuční síti z hlediska zpětných vlivů. Postup vyhodnocování je stejný jako v první studii. Cílem třetí studie je navrhnout nápravné opatření ve stávající napájecí síti, kde byla překročena míra vjemu flikru Plt, charakterizující kvalitu napájecího napětí a provést technicko-ekonomické zhodnocení jednotlivých variant. Jako řešení zvolím 2 způsoby rekonstrukce sítě, jednak vystavění nové trafostanice a posílení průřezu přívodních vedení. Jednotlivé varianty nápravných opatření modeluji opět ve výpočtovém programu.

18


Návrh nastavení ochran generátoru Petr Janeček - EE 1 lektor: Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. – KEE Dnes si již ztěží dokážeme představit život bez elektrické energie. S rostoucí životní úrovní roste i její spotřeba a požadavky na bezpečný a spolehlivý provoz elektrizační soustavy. To klade zvýšené nároky i na elektrické ochrany. Abychom dnes dokázali kvalitně a efektivně chránit prvky složité elektrizační soustavy před vnitřními a vnějšími poruchami, používáme moderní digitální ochrany. Hlavní cíl této práce je návrh nastavení multifunkčí digitální ochrany řady 7UM62 firmy Siemens. Tato ochrana umožňuje výběr požadovaných ochranných funkcí z jejich široké nabídky. Správná volba ochranných funkcí umožňuje multifunkčním terminálem 7UM62 bezpečně chránit transformátory, asynchronní a synchronní stroje malých, středních a velkých výkonů. V úvodu práce jsem provedl stručný popis struktury této ochrany. V další části práce uvádím vybrané důležité parametry generátoru, blokového transformátoru, reaktoru a sítě. Tyto hodnoty budou potřeba pro zkratový výpočet a vlastních návrh některých ochranných funkcí. Následující část práce se zabývá volbou ochranných funkcí pro zadaný generátor. Tato volba je provedená dle normy ČSN 33 3051. Na základě této normy a zkušeností firmy invelt elektro s.r.o. je proveden konečný návrh souboru ochranných funkcí. Poznatky jsou shrnuty do vypínacích tabulek pro jednotlivé ochrany. Na základě zadaných hodnot jsem provedl přibližný výpočet zkratových poměrů na bloku pro dva pracovní stavy generátoru, naprázdno a při jmenovitém zatížení. Výpočet neuvažuje činný odpor prvků a fázové posuny vlivem hodinového čísla transformátoru. Získané výsledky slouží pro správné nastavení nadproudových ochran generátoru a k základní analýze chování systému při zkratových poruchách. V další části práce se zabývám nastavením základních parametrů ochrany, které jsou společné pro většinu ochranných funkcí a slouží k přizpůsobení ochrany danému chráněnému objektu a příslušnému blokovému zapojení. Následující pasáže popisují důvod použití zvolené ochranné funkce. Dle logického blokového schéma je vysvětlena činnost ochranného algoritmu ochrany 7UM62. Na základě těchto poznatků jsem provedl konkrétní nastavení jednotlivých parametrů ochranného algoritmu pro zadaný generátor. Takto jsou popsány všechny použité ochranné funkce. V příloze jsou uvedeny technické parametry použité ochrany a programy pro výpočet zkratových poměrů na bloku pro generátor naprázdno a při jmenovitém zatížení. Tato práce byla na moji žádost vypsána firmou invelt elektro s.r.o., která se zabývá výrobou řídících systémů, systémů elektrických ochran, budících a synchronizačních souprav a systémů regulace.

19


Návrh a konstrukce zařízení pro měření parametrů elektromagnetického pole Oldřich Kroupa - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Úkolem mé práce byl návrh a konstrukce zařízení pro měření parametrů elektromagnetického pole a ověření měření numerickým a analytickým výpočtem. Cílem bylo vytvoření komplexního návrhu úlohy pro laboratorní měření. V mé práci se zaměřuji na metody zjišťování válcového elektromagnetického pole kolem indukčního zařízení v závislosti na jeho uspořádání – induktor, vsázka, stínění elektromagnetického pole. Výsledky vyplývající z měření na fyzikálním modelu jsem ověřil počítačovou simulací na základě zadaných hodnot odpovídajících fyzikálnímu modelu v programu RillFEM a dvěma způsoby analytického výpočtu. Výpočet, simulace a měření se týká induktoru, který se nachází v laboratořích elektrotepelné techniky. Úvodní část 1.0 a Příloha 1 popisuje problematiku elektromagnetického vlnění a rozložení elektromagnetického pole ve válcovém induktoru včetně možného analytického řešení. Část 2.0 popisuje návrh a konstrukci fyzikálního modelu. Část 3.0 se zabývá analytickým způsobem výpočtu. Část 4.0 pojednává o numerickém způsob výpočtu v programu RillFEM. Část 5.0 popisuje měření na fyzikálním modelu. V poslední části 6.0 je uvedeno zhodnocení a porovnání výsledků. Výsledky získané různými metodami se liší pouze nepatrně, uvědomíme-li si všechny zjednodušující předpoklady a rovněž chyby měření a použitých metod. Celá práce je komplexně koncipována jako návrh úlohy pro laboratorní měření. Potom je možno zredukovat obsáhlý rozsah dané laboratorní úlohy dle přiděleného počtu výukových hodin na ni vyčleněných. Z výsledků jednotlivých metod je v příslušných kapitolách vidět rozložení elektromagnetického pole kolem zařízení. Především je patrný rozdíl při srovnání případu se stíněním a bez stínění svazky transformátorových plechů, případu se vsázkou a bez vsázky a konečně při srovnání vsázky hliníkové a vsázky ocelové. V práci přehledně zobrazuji výstupy ve formě různých grafů a obrázků a zaměřuji se na celkové zhodnocení výsledků a výhod a nevýhod všech použitých metod. Analytický výpočet se běžně používá v praxi pro kontrolu a zběžné výpočty, můžeme téměř konstatovat, že je nejrozšířenější metodou výpočtu. V mé práci se ovšem analytický výpočet nejvíce odlišuje od ostatních tří metod výpočtu (jejichž výsledky se navzájem téměř rovnají), a to např. o +25% od měření indukční sondou (horní hranice ostatních výsledků měření) v případě bez stínění a bez vsázky (dále bezSTbezVS). Velkou výhodou analytického výpočtu je jeho rychlost, přístupnost a není zde třeba užití výpočetní techniky. Numerický výpočet v porovnání s měřenými hodnotami pro případ bezSTbezVS se liší maximálně o 2,5% (např. pro případ seSTseVS), což mohu označit za shodu. Nevýhodou tohoto řešení jsou některé speciální předpoklady dané tvůrci programu, které do výpočtu mohou vnášet numerické chyby. Projevuje se to například při tvorbě 2D grafů u intenzity magnetického pole H, která je počítána z magnetické indukce B. Zřetelnou výhodou je rychlé zobrazení výstupů a názornost, možnost zkoumat objekty složitějších tvarů, aniž bychom museli zavádět některé zjednodušující předpoklady. Díky poslední vlastnosti tedy můžeme získat informace o hodnotách a rozložení žádaných veličin v celé zkoumané oblasti. Změnu konfigurace a parametrů můžeme provádět velmi rychle a s minimálními finančními náklady, což je především při navrhování nových zařízení nespornou výhodou. Výsledky měření měřící cívečkou odpovídají měření indukční sondou a rovněž metodě numerického výpočtu. Získání i zpracování výsledků je však značně časově náročné a volil bych ho až jako poslední možnost. Naproti tomu nejpřesněji odpovídá realitě. Daná problematika je dokumentována výkresovou dokumentací, fotografickými a obrazovými materiály. 20


Návrh uzemňovací soustavy v elektrárně Marek Palguta - KE 1 lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE Má práce se zabývá návrhem uzemňovací soustavy v elektrárnách pro různé hodnoty základních parametrů. A to jak z hlediska bezpečnostního, jako je velikost výsledného odporu uzemnění, tak i z hlediska ekonomického. V první kapitole jsem shrnul základní informace z různých oblastí, které se týkají uzemňovací techniky a které souvisí s mou prácí. Tato oblast je velmi rozsáhlá, proto uvádím jen ty informace, které považuji za důležité. V další části jsem popsal postup návrhu uzemňovací soustavy dle platných norem ČSN. Na tuto část pak navazuje i vlastní návrh podle parametrů, které vychází ze zadání, a které jsem rozdělil do čtyř kapitol. Návrh uzemňovací soustavy je počítán tak, aby vyhověl hlavně velikostem dovolených dotykových napětí, které jsou předepsané normami. Navržené uzemňovací soustavy těmto požadavkům vyhovují pro všechny varianty. Z návrhu vyplývá, že je nutné docílit malého zemního odporu R. Toho jsem docílil použitím zemnícího pásku FeZn 30×4 mm a zemnících tyčí 2000×25 mm, které jsem umístil po okraji uzemňovací soustavy. V návrhu jsem nepočítal například s použitím náhodných zemničů, které způsobí další pokles zemního odporu. Dosažená hodnota zemního odporu závisí také na vlastnostech půdy. Měl jsem ze zadání určenu rezistivitu půdy konstantní a neměnnou na celé rozloze uzemňovací soustavy. Plocha 100×100 m je z hlediska návrhu nejnepříznivější. Jelikož je plocha malá, dosahuje se vyšší hodnoty celkového zemního odporu a tím i vyššího dotykového napětí. Proto je návrh složitější než u ostatních variant. Plocha 250×250 m je pro návrh příznivější. Je zde větší rozloha, a proto lze použít větší plochu zemnící mříže a tím dosáhnout menší hodnoty celkového zemního odporu. Plocha 500×500 m je pro návrh ještě vhodnější. Zemnící plocha se ještě zvětšuje, celkový zemní odpor klesá a tím klesá i dotykové napětí. Plocha 1000 × 1000 m je pro návrh nejvhodnější ze všech variant. Je zde dostatečná velikost zemnící mříže, a tím pádem i dostatečně malá hodnota celkového zemního odporu. V poslední kapitole jsem zpracoval finanční analýzu jednotlivých návrhů. Jestliže porovnám výsledné ceny uzemňovacích soustav, lze říct, že se vzrůstající plochou vzrůstají i náklady, neboť největší finanční prostředky je nutno vynaložit na výkopové práce a na nákup zemnícího pásku. Růst nákladů těchto položek je přímo úměrný rostoucí ploše uzemnění. Výsledkem práce je komplexní pohled na řešení uzemnění, který by mohl posloužit jako přehled o technickém řešení a ekonomické náročnosti jednotlivých návrhů. Návrh v mé práci je obecný. V praxi se pro konkrétní požadavky na uzemňovací soustavu musí zohlednit konkrétní podmínky. Avšak neexistuje záruka, že navržená uzemňovací soustava bude mít přesně vypočtené hodnoty, proto musí být vždy všechny důležité hodnoty změřeny na místě. A to jak přesná rezistivita půdy, potřebná pro návrh, tak i dotyková napětí a velikosti zemních odporů na již vybudované uzemňovací soustavě. Samozřejmostí je i výchozí revize. Na základě této práce pak bude možné podle počátečních parametrů zjistit, jak může být návrh řešen, co vše bude potřeba zajistit, nebo jak bude návrh vypadat po finanční stránce.

21


Multikriteriální analýza při správné volbě otopného systému Zdeněk Pipa - EE 2 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Rozhodnutí o tom, čím budeme svou domácnost vytápět, patří mezi ty nejdůležitější. Každá zpráva o zdražení čehokoli je nepříjemná a při současné tendenci nárůstu cen energií touží všichni uživatelé domácností po levném vytápění (přitom pohodlném, plně automatickém, které bude co nejvíce šetrné k životnímu prostředí a současně s minimálními pořizovacími náklady). V našich klimatických podmínkách se vytápí a přitápí v průměru 7 až 8 měsíců v roce. Přitom pro byty a rodinné domy se vytápění na celkové spotřebě energie podílí 60 až 75 %. Vzhledem k uvedeným skutečnostem je žádoucí věnovat zvýšenou pozornost způsobu vytápění i přípravě teplé vody. Při správné volbě zdroje tepla, optimalizaci otopné soustavy a dodržování zásad energeticky úsporného chování je možné snížit spotřebu energie, vynaloženou na vytápění až o 30 %. Problém vytápění tedy neřešíme pouze z hlediska tepelné pohody, ale také z hlediska energetické náročnosti, z hlediska ekonomického a z hlediska vlivu na životní prostředí. Při volbě otopného systému jsem často postaveni před problém, ve kterém se máme rozhodnout mezi několika alternativami řešení vytápění na základě jejich vlastností, kterých je obecně více. Úlohy, které se snaží řešit tento problém jsou úlohy o multikriteriálních výběrech. Na počátku existují nějaké alternativy, mezi kterými jsme nuceni si vybrat (zpravidla pouze jednu). Každou alternativu můžeme posuzovat podle řady kritérií. Naším úkolem je vybrat tu alternativu, která je z hlediska kritérií nejlepší. Kritéria mohou mít diametrálně odlišný charakter, ať už z pohledu jejich extremalisace nebo z pohledu jednotkového systému. „Alternativa“ - každé řešení z výběrové sestavy „Kritérium“ - posuzovaná vlastnost u dané alternativy Určitou nevýhodou multikriteriální analýzy (MCA) je potřeba zjišťování vah jednotlivých kritérií. Stanovení váhy je vždy problematické, neboť je do určité míry subjektivní. Váhy mohou být také zkresleny nevhodným postupem jejich výpočtu. V úvodu mé práce jsem popsal jednotlivé otopné systémy s uvedenými přednostmi a nedostatky. Zaměřil jsem se zejména na elektrické otopné systémy. Dále jsem stanovil obecná kritéria pro správnou volbu otopných systémů. Mezi nejdůležitější kritéria patří celkové náklady na energie pro vytápěný objekt za rok (vytápění, příprava TUV, elektrická energie na ostatní spotřeby), pořizovací náklady, nároky systému na prostor (např. potřeba skladovat tuhá paliva), čistota provozu (manipulace s palivem, popelem, kouř, hluk), náklady na údržbu. S ohledem ke globálnímu oteplování a znečistění ovzduší se stále více klade důraz na snižování emisí skleníkových plynů a znečisťujících látek při vytápění. Proto jsem také jako jedno z kritérií zvolil negativní dopad provozování systému na životní prostředí. Pomocí těchto kritérií jsem provedl multikriteriální analýzu vybraných otopných systémů. K řešení úloh tohoto typu existuje několik metod MCA. Jsou to například - metoda váženého součtu (WSA), analýza ideálních bodů (IPA), metoda minimalizace vzdálenosti od ideální varianty (TOPSIS) a analýza shody a neshody (CDA). Ukazuje se, že výsledky multikriteriální analýzy výrazně ovlivňuje použitá vyhodnocovací metoda, metodologie výpočtu vah i kvalita hodnot pro jednotlivá kritéria. Je nutné podrobněji uvážit, jakou formu by konečné rozhodnutí mělo mít. Chceme-li skutečně vybrat jedinou optimální variantu určenou k realizaci, měli bychom si být jisti, že máme spolehlivé a dostatečné informace o celé situaci. Svým způsobem je totiž každý dům jedinečný, tak jako jsou jedineční jeho obyvatelé, nebo místo na němž je postaven a volba otopného systému se musí vždy řešit individuálně.

22


Návrh fotovoltaického generátoru pro potřeby budov administrativního charakteru Tomáš Ronovský - TE 2 lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE Obsahem této práce je návrh fotovoltaického systému pro budovu administrativního charakteru. Tomuto aspektu předchází zpracování energetického auditu a výpočet tepelných ztrát konkrétního objektu. Práce je rozčleněna do tří velkých částí. Uvedeným aspektům jsou věnovány první dvě části. První část pojednává pouze teoreticky o různých aspektech energetického manažerství v budovách, druhá část je věnována energetickému auditu konkrétního objektu. Nejprve teoretickému základu a pak výpočtům tepelných ztrát a spotřeby energie v objektu. Třetí část se zabývá solární energií a oborem fotovoltaiky. Obsahuje teoretickou část výpočtů dopadající energie a samotný výpočet. V závěru třetí části jsem se věnoval návrhu fotovoltaického systému na konkrétní objekt. Opět jsem v této části nejprve uvedl poznatky a teoretické základy z oboru fotovoltaiky, potom jsem přistoupil k samotným výpočtům a návrhu FV systému. Na závěr jsem provedl ekonomickou a environmentální bilanci výsledků. Budova, kterou jsem si pro tuto práci vybral, se nachází v obci Nevid a funguje zde jako obecní úřad, požární zbrojnice a prodejna potravin. Objekt není trvale využíván, a to s jeho polohou a stavebně-technickými aspekty činí instalaci FV sytému účelně využitelnou. Cílem této práce je navrhnout efektivní fotovoltaický systém, který bude možno plně realizovat a částečně tak přispět k ochraně životního prostředí. Během řešení jsem dospěl k názoru, že objekt, který jsem si zvolil, je pro instalaci fotovoltaického systému velmi vhodný. Navržené fotovoltaické pole o výkonu 3,5 kWP bude ročně vyrábět přibližně 4204,7 kWh. Orientace směrem na jihovýchod (jen 25° odklon od čistě jižního směru) je pro fotovoltaiku zcela příznivá. Jedinou nevýhodou, kterou bych objektu vytkl je jeho nepříznivý sklon střechy na jižní straně (20°), díky kterému není plně využit potenciál solární energie tak, jako by tomu bylo v případě sklonu 45°. I přes tento aspekt se však instalace fotovoltaického systému pro tento objekt vyplatí. Je to především díky tomu, že je elektrickou energii možno prodávat do sítě za pevnou výkupní cenu (13,46 Kč/kWh bez DPH). Oproti minulým letem (6,40 Kč/kWh bez DPH) tato cena výrazně stoupla a tím Energetický regulační úřad velmi podpořil využívání fotovoltaiky v ČR. Toto ekonomicko-politické rozhodnutí tak pomůže plnit závazky vůči Evropské Unii a navíc, a v tom je jeho hlavní přínos, bude pomáhat šetřit životní prostředí. Nehledě k tomu, že dotační program umožňuje výrazně zkrátit dobu návratnosti investice do FV systému. V tomto případě je tomu na 6,5 roku. K tomu je však třeba, aby byl objekt do elektrizační sítě již připojen, o čemž u budov administrativního charakteru nemůže být pochyb. Myslím si, že takováto podpora fotovoltaiky a obnovitelných zdrojů vůbec ze strany státu, zvýší jejich popularitu a rozšíří se tak jejich využití. Čím více bude tento naprosto ekologický zdroj výroby elektrické energie popularizován a využíván, tím větší bude kladen důraz na vyšší stupeň technologického vývoje a účinnosti FV systémů. I když zatím v žádném případě nemůže plně nahradit výrobu elektrické energie z fosilních paliv, díky své nízké účinnosti přeměny energie a vysoké energetické náročnosti na výrobu samotných FV článků, je fotovoltaika obor, který si bezesporu zaslouží naši pozornost.

23


Měření a provoz sítě VN se zemním spojením v distribuční společnosti E.ON Tomáš Rotbauer - EE 2 lektor: Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. - KEE K nejčastějším poruchám, ke kterým v distribučních soustavách vzhledem k přenášené elektrické energii dochází, je porucha vedení, kterou nejčastěji představují přetržené vodiče a zkraty. Vzhledem k tomu byla již v minulosti uzpůsobena vedení VN, na kterých dochází nejčastěji k těmto poruchám tak, aby se dala provozovat i při vzniku poruchy. Tato diplomová práce se zabývá měřením a provozem sítě VN se zemním spojením v regionu jižních Čech. Hlavním cílem je rozebrat teoretické a praktické zkušenosti s provozováním sítě VN se zemním spojením. Vzájemně je porovnat na základě zkušeností a příkladů měření. Ucelit obecný pohled na tuto problematiku. Posoudit reálné možnosti zlepšení stávajících metod a použitých zařízení pro provoz kompenzované a odporově uzemněné sítě VN ve společnosti E.ON. V úvodní části uvádím základní pojmy. Popisuji proudové a napěťové poměry v sítích VN. Jejich rozdělení na základě způsobu uzemnění uzlu transformátoru. Dále seznamuji se základním principem vyhodnocování zemních poruch. Uvádím kritéria, podle kterých se v daném způsobu uzemnění uzle vyhodnocuje porucha. V další části popisuji podrobnější princip detekce zemního spojení v kompenzované síti. Na základě principu funkce zařízení A-eberle popisuji nastavení kompenzační tlumivky. Způsob, jakým zařízení reaguje na změny rozsahu sítě. Uvádím konkrétní způsoby a nastavené veličiny používané ve společnosti E.ON. Další problematikou, kterou rozebírám jsou ochrany. Funkce, umístění a nastavení ochran, které slouží pro indikaci a vyhledání vývodu se zemním spojením. Propojení ochran s ladícím zařízením. Nastavení pracovní oblasti ochran ve společnosti E.ON. Popis nejpoužívanější ochrany od firmy Siemens Siprotec 7SJ62. Podobně jako u kompenzované sítě se věnuji ochranám v kabelové síti 22kV v zastavěné městské části České Budějovice. Volba velikosti zemnícího odporu a nastavení ve společnosti E.ON. Postup dispečinku při zjištění a odstranění zemního spojení. V další části práce uvádím nové a jiné způsoby provozu zemního spojení. Detekce zemního spojení na základě konduktančního a admitančního principu. Jiné druhy zařízení pro ladění tlumivky. Ochrany, které vyhodnocují přechodné děje. Na závěr práce navrhuji možné zlepšení nebo odstranění potíží s provozem sítě VN ve společnosti E.ON. Na základě zkušeností společnosti E.ON posuzuji používané zařízení a postupy při provozu sítě VN se zemním spojením. V příloze jsou uvedeny naměřené rezonanční křivky, naměřené průběhy při zemním spojení, složitější zapojení ochran a schéma rozvoden 110/22kV. Tato diplomová práce byla na mou žádost vypsána společností E.ON Č.R., s.r.o.

24


Vliv tvaru induktoru a elektrických parametrů na účinnost ohřevu při indukčním vaření Václav Valm - KE 2 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Při indukčním ohřevu hraje opracovávaný předmět roli zkratované cívky a tok proudu v ní vede k zahřátí materiálu. Prostoupí-li cívka magnetickým střídavým polem, indukuje se v něm napětí. Teoreticky se dají indukčním polem zahřát všechny elektricky vodivé látky, v praxi se indukčně ohřívají především kovy. Průmyslový indukční ohřev je znám již více než sedmdesát let, avšak jeho využití pro vaření se začíná ve větší míře rozšiřovat až v dnešní době. U indukčního vaření jsou pod sklokeramickou deskou zabudovány induktory, které napájí měnič proudu. Při položení nádoby nad induktor se ve dně kovové nádoby indukují vířivé proudy a ohřívají přímo dno nádoby. Protože vířivé proudy vznikají jen v kovových materiálech, povrch varné desky zůstává i při zapnutém ohřevu chladný. Hlavní výhodou totoho způsobu ohřevu je především vysoká účinnost. Většina elektrické energie je přeměněna na teplo ve dně varné nádoby. Vaření probíhá rychleji při podstatně menší spotřebě elektrické energie. Předmětem práce je pomocí matematického modelování navrhnout optimální tvar induktoru a ověřit vliv elektrických parametrů na účinnost indukčního ohřevu. Součástí práce je také ověření výstupních dat z matematického modelu a jejich porovnání s výsledky laboratorního měření. Pro matematické modelování byl použit program RillFEM_2D. V tomto programu se nakresli geometrie problému, vybere se typ řešené úlohy a po nastavení potřebných parametrů se úloha řeší. V tomto případě jsem řešil sdružené úlohy pro elektromagnetické a teplotní pole. Hlavní výhodou matematického modelování je možnost studie i pro extrémní stavy, které by v laboratorních podmínkách bylo obtížné ověřit. Další výhodou je, že je nedestruktivní. V práci jsou uvedeny výsledky matematického modelování pro různé tvary induktoru napájeného budícím proudem o frekvenci 15 kHz, 20 kHz a 25 kHz. Je zkoumán vliv tvaru induktoru, frekvence a budícího proudu na účinnost indukčního ohřevu. Dále je také ověřen vliv stínění induktoru na účinnost.

Obr. Ukázky zkoumaných tvarů induktoru V závěru práce je porovnání zkoumaných parametrů a zvolen nejvhodnější tvar induktoru. Práce také ukazuje na možnost použití matematického modelování pro řešení různých problémů.

25


Sekce Elektronika složení komise předseda

doc. Ing. Milan Štork, CSc.

členové

Ing. Martin Poupa, Ph.D. Ing. Jaroslav Fiřt, Ph.D. Ing. Radka Sosnová

26


Vkládání obrazu do TV signálu Petr Burian - EI 2 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE Při razantně stoupajících nárocích na elektronické systémy, a to hlavně na objemy datových toků, se stále častěji uplatňují obvody programovatelné logiky, a to především obvody typu FPGA. Ty mají v poslední době velké uplatnění také v oblasti digitálního zpracování obrazu. Tato práce se zabývá návrhem systému, který je schopen zpracovat TV kompozitní signál, následně do něho vložit druhý obraz (statický či dynamický) a v konečné fázi ho poskytnout přes VGA rozhraní pro další zobrazení. Celé řešení je provedeno v obvodu FPGA s využitím návrhových systémů firmy Altera a jazyka VHDL. Celý systém je realizován na poměrně moderní vývojové desce Altera DE2, jejímž základem je obvod FPGA Cyclone II 2C35. Tato vývojová deska je vhodná především proto, že obsahuje všechny potřebné obvody, a to TV dekodér a VGA D/A převodník. K dispozici jsou i paměti typu SDRAM, SRAM a FLASH atd. Nejprve bylo nutné vytvořit modul pro uložení dekódovaného TV obrazu do paměti. Vstupní kompozitní obrazový signál je přiveden do TV dekodéru ADV7181B, tento obvod se postará o převod analogového signálu do digitální formy dle specifikace ITU-R BT.656. Signál bylo nutné dále zpracovat z důvodu, že obraz z TV dekodéru je stále v režimu prokládaného řádkování, tzn. v půlsnímcích a ve vzorkování YCrCb 4:2:2. Za použití IP komponent pro zpracování video signálu, je tento signál převeden na neprokládaný obraz ve formátu 4:4:4 v RGB reprezentaci. Tento signál pak již stačí uložit do paměti RAM. K tomu se používá rozhraní Avalon. Protože se předpokládá, že obraz bude potřeba zároveň i číst, musí být tedy zapisovací modul vybaven mechanismy jako FIFO, arbitráž atd. pro řešení situací, kdy je paměť využívána jinou periférií a není aktuálně přístupná pro zápis. Návrh modulu pro vkládání obrazu a jeho následné zobrazování ve formě VGA využívá pro převod digitálního obrazu na analogový obvod ADV7123 (VGA DAC). Nejprve jsou data obou obrazů načtena (TV obraz z SDRAM, vkládaný obraz ze SRAM). Následně jsou do sebe obrazy „prolnuty“. A to na základě klíčovací barvy jednoho z obrazů. Systém nabízí i funkci AplhaBlendingu, tzn. že vložený obraz může být průhledný, a je „pod“ ním vidět původní obraz. Stupeň průhlednosti je možné měnit. Pro kompletní VGA obraz je ještě potřeba vygenerovat synchronizační impulsy, a pak je možné obraz již zobrazovat. Modul pracuje s výstupním rozlišením 800x600 bodů při snímkové frekvenci 75 Hz. Vytvořené moduly jsou vybavené rozhraním Avalon a jsou ve formě komponent pro SOPC Builder, což je vývojový nástroj firmy Altera. Pomocí tohoto „zapouzdření“ je možné jednoduše moduly implementovat do nového či existujícího systému. Moduly jsou koncipovány tak, aby bylo možné je používat i samostatně. Pro prezentaci funkce těchto modulů byla vytvořena konkrétní aplikace (viz obrázek), která do TV signálu vkládá statické obrazy (bitmapy), uložené v paměti FLASH. Pro konfiguraci modulů a přesuny dat mezi FLASH a video pamětí se využívá softwarový procesor NIOS II firmy Altera. Tyto moduly jsou využitelné pro mnoho dalších aplikací, počínaje od klasického VGA výstupu, až po systémy pro digitalizaci videa a jeho přesunu do PC, pro sdílení obrazu po ethernetu či vkládání titulků do obrazu v reálném čase atd.

Obr.1: Schéma systému 27


Návrh a konstrukce laboratorního zdroje Miroslav Hošek - EAT 3 lektor: Ing. František Krupka - KAE Úkolem této práce je navrhnout a odměřit napájecí zdroj se spínaným předregulátorem s možností libovolného nastavení výstupního napětí v rozsahu 0 – 30 V a proudového omezení v rozsahu 0 – 2 A. Hlavní výhodou tohoto typu napájecího zdroje je především jeho větší účinnost a z toho plynoucí nižší nároky na chlazení výkonových prvků v porovnání s lineárními zdroji. Při této konstrukci byl použit spínaný regulátor typu STEP DOWN od firmy National Semiconductor LM 2576, který se vyznačuje konstantní spínací frekvencí 52 kHz, výstupním napětím regulovatelným v rozmezí od referenčního napětí 1,23 V do 37 V a maximálním dodávaným proudem 3 A. Pro tento zdroj tedy velmi dobré hodnoty. Během realizace tohoto zdroje vyvstal ale jeden problém, a to v dosažení výstupního napětí 30 V při plném zatížení. Problém spočívá v poklesu napětí na transformátoru, v úbytku napětí na usměrňovači a na výkonovém tranzistoru. Proto jsem výstupní maximální napětí snížil na 25 V, při tomto napětí již zdroj pracuje stabilně a bylo možné změřit jeho parametry (účinnost, dynamické vlastnosti a zatěžovací charakteristiky). Referenční napětí

Regulace napětí a proudu s komparátorem

LC filtr UVST

Trafo

AC DC

Vstupní filtr

Spínaný regulátor

R Výkonový tranzistor UVÝST

Obvody ZV

Blokové zapojení zdroje se spínaným předregulátorem Na vstupu je transformátor o výkonu 80 VA, dále následuje standardní můstkový usměrňovač a vyhlazovací vstupní filtr. Následuje spínaný regulátor a hned za ním LC akumulující filtr, který má za úkol akumulovat energii při sepnutí regulátoru. Při rozepnutí regulátoru se akumulovaná energie uzavírá přes diodu do zátěže. V dalším bloku je výkonový N-MOS tranzistor typu IRF540N, který je ovládán obvody pro regulaci výstupního napětí a proudu. Tyto obvody obsahují komparátory, které porovnávají výstupní napětí zdroje pro regulaci napětí a úbytek napětí na výkonovém odporu pro regulaci proudu, s referenčním napětím. Posledním blokem jsou obvody ZV, které snímají úbytek na výkonovém tranzistoru a odporu (velikost tohoto úbytku musí být alespoň 4,5 V, jinak hrozí rozkmitání zdroje při jeho větším zatížení), a tím ovládají střídu spínání spínaného regulátoru. Uvýst [V] Účinnost [%]

10 46,7

15 52,5

25 66,9

Naměřená účinnost celého zdroje včetně transformátoru při proudu 2 A

28


Multiplexer pro kalibrátor Meatest M-141 Jan Krpálek - EI 2 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE Úkolem mé práce bylo navrhnout a realizovat zařízení, které bude schopno za pomoci připojeného kalibrátoru Meatest M-141 a současně připojeného PC, které celý proces řídí, kalibrovat moduly firmy Tedia s.r.o. Jedná se zpravidla o moduly série MicroUnit s více než jedním měřícím napěťovým nebo proudovým vstupem s několika měřícími rozsahy. Vzhledem k velikým odlišnostem mezi těmito moduly, bude potřeba vytvořit pro každý typ modulu unikátní řídící program pro PC. Mým úkolem je vytvořit řídící program pro modul MU-411. Tento modul má 4 vstupy. Každý tento vstup může být nastaven jako proudový (rozsah 0 – 20 mA), nebo jako napěťový (rozsahy 1V; 2V; 5V a 10V). Mezi napěťovým a proudovým rozsahem se volí pomocí přepínače umístěného na modulu, tzn. při kalibraci je nutný zásah obsluhy. Tento modul komunikuje s PC přes standardní rozhraní RS-485 a protokol AIBus 2 firmy Tedia. Kalibrátor komunikuje přes rozhraní RS-232, stejně jako multiplexer. Celá koncepce vzájemného propojení výše uvedených zařízení je navržena následovně. Kalibrovaný modul má všechny 4 vstupy spojeny s výstupy multiplexeru. Vstup multiplexeru je připojen na výstup kalibrátoru. Z toho je patrné, že v této úloze přepínáme 1 vstup na 4 výstupy. Všechna zařízení jsou připojena k PC. Kalibrační program v PC pak postupně nastaví hodnoty kalibrátoru pro jednotlivé rozsahy napětí, vyčte hodnoty z kalibrovaného modulu a přepočítá kalibrační konstanty, které pak do modulu zapíše. Tato operace se opakuje pro všechny vstupy modulu, přičemž přepínání mezi nimi zajišťuje multiplexer ovládaný programem v PC. Po kalibraci všech napěťových vstupů je obsluha vyzvána k přepnutí na proudové rozsahy a kalibrace pokračuje obdobně, ale na místo napětí je na vstup multiplexeru přiveden proud z kalibrátoru. Přepnutí zajišťuje řídící program v PC. Multiplexer se skládá ze dvou hlavních částí. Řídící karty a reléové karty. Řídící deska zprostředkovává komunikaci mezi multiplexerem a PC pomocí speciálního protokolu. Protokol jsem navrhl tak, aby v krajním případě byl multiplexer s kalibrátorem schopen pracovat na stejné lince, proto je protokol podobný jako protokol kalibrátoru. Jedná se o zprávu o délce 139 znaků, kde první dva znaky jsou rozpoznávací, další 4 znaky slouží jako nastavovací, pak následuje 128 znaků matice pro přepnutí relé, 4 znaky CRC a jeden znak ukončovací. Multiplexer pak reaguje pouze na zprávy jemu určené, ostatní zprávy zahazuje a nijak na ně nereaguje. Po přijetí zprávy mikroprocesor zkontroluje souhlasí-li CRC, pak celou zprávu transformuje a odešle do registrů reléových karet jako 64 po sobě jdoucích bytů. Kde každý bit této zprávy představuje stav jednoho relé. Tuto zprávu se pokusí znovu přečíst. Pokud je zpráva přečtená správně, relé jsou přepnuta, a karta pošle do PC zprávu o úspěšném přepojení relé. Pokud tomu tak není, relé nejsou přepnuta, a do PC je poslána zpráva o chybě. Řídící karta je schopna obsluhovat až 8 reléových karet. Ty jsou navrženy tak, že každá karta má dva vstupy, které lze přepojit na 32 výstupů. Pak je tedy možné vytvořit multiplexer, který bude schopen přepínat 8 vstupů na 64 výstupů. Každá z těchto karet má propojky, pomocí kterých lze nastavit adresu karty. Tzn. zpracovává-li karta prvních 32 bytů (resp. výstupů) zprávy, nebo posledních 32 bytů a které 2 bity (resp. vstupy) jsou vybrány (resp. zapojeny). Reléová karta zpracovává zprávu z řídící karty pomocí dvou registrů, z toho první registr je posuvný. Oba registry jsou realizovány v jednom CPLD. Při zápisu je posuvný registr nastaven na zápis a je do něj zapsáno celkem 64 krát. Po zapsání celé zprávy je registr přepnut na čtení a celá zpráva je opět vyčtena zpět do mikroprocesoru. Je-li vše v pořádku, je zpráva přesunuta do druhého registru, který je připojen na budiče relé. Vyvinuté zařízení je schopno zkrátit dobu kalibrace přibližně na desetinu dříve potřebného času.

29


Funkční generátor Petr Křibský - EAT 3 lektor: Ing. Radka Sosnová - KAE Mým úkolem je navrhnout funkční generátor pro školní využití pro předměty UET a ZEK, které spadají pod katedru KAE. Tento generátor by měl být schopný generovat sinusový, obdélníkový, pilový a TTL signál. Původní frekvenční rozsah měl být od jednotek Hz do desítek kHz, ale po konzultacích s cvičícím výše zmiňovaných předmětů mi bylo doporučeno rozšířit tento rozsah na 0,1 Hz ÷ 100 kHz. Dále jsem k tomuto generátoru přidal funkci nastavení offsetu, neboť při některých měřeních je tato funkce poměrně důležitá. Když jsem začal pracovat na této bakalářské práci a porozhlédnul jsem se, co to asi bude obnášet a jaké jsou možnosti, zjistil jsem, že na trhu je řada výrobců monolitických generátorů, ke kterým se již zvenčí připojí jen malé množství diskrétních součástek a funkční generátor se základními funkcemi je na světě. Původně jsem chtěl tento generátor stavět na monolitickém generátoru od firmy EXAR a to na XR 8038, ale ukázalo se, že tento monolitický generátor je hůře dostupný. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl stavět funkční generátor založený na monolitickém generátoru XR 2206, pocházejícím od stejného výrobce. Pro mne by nebyl sice problém počkat měsíc na XR 8038, ale jelikož se má tento generátor vyrábět v několika kusech do školní laboratoře, mohla by jeho nedostupnost být problém. K tomuto monolitickému generátoru jsem dále připojil 4 operační zesilovače sloužící pro oddělení uživatelských výstupů od výstupů samotného monolitického generátoru, neboť chyba lidského faktoru by neměla zničit poměrně drahý monolitický generátor, ale v nejhorším případě jen tyto operační zesilovače, které jsou mnohem levnější. Dále pomocí těchto operačních zesilovačů lze snadno realizovat nastavení offsetu výstupního signálu, což samotný monolitický generátor nemá příliš dobře vyřešené. Správné úrovně TTL signálu dále zaručují 3 paralelně zapojené Schmidtovy klopné obvody, které vlivem své vnitřní hystereze jsou odolnější vůči případným zákmitům na výstupu z monolitického generátoru. Celý generátor se ovládá celkem 7 ovládacími prvky umístěnými na předním panelu. Mezi tyto prvky patří 2 otočné přepínače, z čehož jeden slouží pro výběr jednoho ze 3 tvarů výstupního signálu a druhý přepínač slouží pro výběr dekády frekvenčního rozsahu, kterých je celkem 6. Ke každému z těchto přepínačů jsou ještě připojeny LED diody umístěné na tomto ovládacím panelu. Tyto LED diody signalizují vybraný tvar signálu a dekádu, ve které se nachází výstupní frekvence. Takováto signalizace pak zamezuje přetočení ovládacího knoflíku, jak je tomu známo u některých měřících přístrojů, a následující nejistoty kam vlastně je tento přepínač přepnutý. Dalšími ovládací prvky jsou 4 potenciometry, které slouží pro nastavení amplitudy (amplituda je nastavitelná od nuly zhruba do 20VPP), frekvence (v rozsahu dané dekády vybrané otočným přepínačem), offsetu (v rozsahu zhruba ±10V) a střídy. Pro povolení manuálního nastavení střídy je zapotřebí ještě přepnout vypínač, který je také umístěn na tomto ovládacím panelu. Výstupy z tohoto generátoru jsou řešeny přes dva klasické BNC konektory z nichž jeden konektor slouží pro výstup signálu splňující normy TTL logiky a druhý slouží pro výstup vybraného signálu a je impedančně přizpůsoben na 600 Ω. Celý generátor je navržen tak, aby ven nekoukal žádný šroub či matka, po jejímž odšroubování by se dal vyjmout či zamáčknout jakýkoli ovládací prvek. To by mělo zamezit nudícím se žákům poškozování tohoto generátoru.

30


Tester kapacity akumulátorů Milan Mráz - EAT 3 lektor: Ing. Radka Sosnová - KAE Se zařízeními, která pro svou činnost nevyžadují přímé připojení k rozvodné napájecí síti, se dnes setkáváme doslova na každém kroku. Neustále rostoucí obliba přenosných elektronických zařízení vyžaduje důkladnou pozornost výrobců i uživatelů v oblasti zdrojů elektrické energie. Jako náhradu primárních nedobíjitelných článků obvykle volíme niklkadmiové nebo nikl-metal-hydridové hermeticky uzavřené články. Na akumulátory má však výrazný vliv způsob, jakým je vybíjíme, v jakých podmínkách je provozujeme a jak pečlivě je znovu nabíjíme. Postupem času zjistíme, že údaj o jmenovité kapacitě uvedený na akumulátoru již neodpovídá skutečnosti. Zkonstruované zařízení slouží k otestování daných typů akumulátorů a stanovení jejich využitelné kapacity. Tester určuje kapacitu dle normy jako součin velikosti protékaného proudu při vybíjení akumulátoru proudem 0,1C a doby, po kterou vybíjení trvalo. Po spuštění testovacího cyklu se článek nejprve rychle vybíjí konstantním proudem o velikosti 1C, aby nedocházelo ke snižování kapacity nabíjením nedostatečně vybitých akumulátorů jako u nekvalitních nabíječek. Poté následuje rychlé nabíjení rovněž proudem 1C. Stav úplného nabití je detekován metodou „∆V“. Po nabití je zahájen proces testování, při kterém je akumulátor pozvolně vybíjen proudem 0,1C. Naměřenou kapacitu přístroj zobrazí na displeji. Udržování konstantního proudu během nabíjení i vybíjení zajišťuje regulační smyčka s unipolárním výkonovým tranzistorem a regulátorem typu P realizovaným operačním zesilovačem. Požadovanou referenční hodnotu dodává mikrokontrolér Atmel ATmega8 prostřednictvím PWM výstupů. Aktuální hodnoty napětí v regulované soustavě jsou snímány pomocí jednotlivých multiplexovaných vstupů A/D převodníku. Výkonový obvod je napájen napětím z jednoho sekundárního vinutí transformátoru usměrněným pomocí jednofázového dvojpulzního usměrňovače. Symetrické napájení operačních zesilovačů zajišťuje Greinacherův zdvojovač připojený na druhé sekundární vinutí. Protože se očekává testování spíše starších akumulátorů, je tester vybaven teplotním senzorem DS18B20, se kterým mikrokontrolér komunikuje prostřednictvím sběrnice 1-wire. Pokud by teplota akumulátoru z jakéhokoli důvodu překročila 50 °C, dojde automaticky k ukončení testu. Teplota je spolu s dalšími důležitými údaji neustále zobrazována na displeji. Kromě grafického displeje z mobilního telefonu Nokia 3310 slouží k výstupu dat také sériový port. Data lze pomocí programu Testercom napsaného v jazyce C++ ukládat do počítače ve formátu .txt nebo .xml.

Obr. 1: Návrh desky plošných spojů 31


Problematika návrhu výkonových zesilovačů ve třídě D Petr Štál - DE 5 lektor: Ing. Jiří Stifter - KAE Základní principy zesilovačů ve třídě D jsou známy již řadu let. Postupem času byla upravována a zdokonalována topologie těchto zařízení až do dnešní podoby. S využitím moderní součástkové základny a vylepšených modulačních technik je v současné době možné sestavit spínané audio-zesilovače v podobě velmi kompaktního celku o vysoké účinnosti. Použití integrovaných zesilovačů ve třídě D je velmi výhodné pro řadu komerčních aplikací převážně určených pro práci z bateriově napájených systémů (uveďme např. notebooky, MP3 přehrávače, mobilní telefony, atd...). Cílem mé odborné studentské práce bylo provést rozbor základních částí audiozesilovačů pracujících ve třídě D a analyzovat prvky na současném trhu použitelné pro optimální realizaci těchto částí. Dále pak provézt syntézu, konstrukci (optimálně využívající dostupných komponent, které skýtá současný trh) a odměřit základní parametry výkonového audio-zesilovače ve třídě D v diskrétní verzi. Spíše než na konkrétní výběr prvků vhodných pro realizaci výkonových zesilovačů jsem důraz kladl na obecný rozbor problematiky návrhu dílčích částí výkonových audio zesilovačů pracujících ve třídě D. V prvé části práce je proveden pomocí Laplaceovy transformace detailní popis často používaných modulátorů (pulsně-šířkového, vylepšeného pulsně-šířkového a sigma-delta modulátorů 1. i vyššího řádu) a odvozeny význačné vlastnosti těchto modulátorů (jako je např. „noise shaping“ efekt u sigma-delta modulátorů). Popis význačných parametrů aktivních výkonových prvků a způsobu jejich řízení na vysokých spínacích kmitočtech je předmětem následující kapitoly. Prvou část práce lemuje výběr vhodných komponent výstupního dolnopropustného filtru a teoretický rozbor účinnosti spínaných zesilovačů. Druhá část práce definuje vhodné metody pro měření parametrů výkonových zesilovačů ve třídě D (např. lineárního a nelineárního zkreslení, výstupního výkonu, atd...). Je zde pojednáno i o možnostech řešení měřicího dolno-propustného filtru, který je potřeba užít při měření zesilovačů ve třídě D, a to v případech, kdy koncová část zesilovače není díky použití vylepšeného modulátoru opatřena výstupním filtrem (tzv. „filterless“ zesilovače). Poslední, praktická, část práce se zabývá problematikou návrhu a praktickou konstrukcí výkonového modulu audio-zesilovače ve třídě D o výstupním výkonu 450 W. Rozložení součástek a dílčích bloků výkonového modulu audio-zesilovače na desce plošného spoje, které je velmi kritické vzhledem k vysokému spínacímu kmitočtu koncového stupně a výstupnímu výkonu zesilovače, je uvedeno na následujícím obrázku.

32


Návrh a konstrukce zesilovače ve třídě D Lukáš Valda - EAT 1 lektor: Ing. František Krupka - KAE Práce má za úkol, navrhnout, postavit zesilovač ve třídě D (T) a následně změřit jeho vlastnosti. Zesilovač po dohodě s vedoucím práce měl splňovat přibližně následující parametry: - integrovaný obvod - výkon 10 až 15 W do zátěže 4 ohmů Volba tedy padla na jeden z výkonových zesilovačů ve třídě T firmy Tripath Technology, konkrétně TA1101B. Jedná se o firmou Tripath zavedené označení pro skupinu digitálních zesilovačů, ačkoli tyto zesilovače pracují na shodném principu jako zesilovače ve třídě D, jen s využitím modernějších způsobů řízení a zpracování signálu, využívajících adaptivních a prediktivních metod převzatých z telekomunikační techniky. Tím dosahují tyto zesilovače vynikajících zvukových parametrů zároveň s velmi vysokou energetickou účinností přesahující až 90 %. Obvod TA1101B je monolitický integrovaný zesilovač zahrnující i samotný výkonový stupeň z FET tranzistorů (u zesilovačů vyšších výkonů se jedná o budič výkonových tranzistorů). Je vhodný pro aplikace v multimediálních systémech, DVD přehrávačích, TV přijímačích a bateriově napájených zařízeních. Vlastnosti: - vysoká účinnost - 81% při 15W/ 4ohm, 88% při 10W/8ohm - vysoká zvuková kvalita – 0,04% THD+N/9W/4ohm, 0,18% IHF-IM/1W/4ohm - můstková koncepce s nesymetrickým napájením (max. 16V) - dynamický rozsah 102dB, odstup s/š (SNR) 89dB

33


Sekce Elektrotechnologie složení komise předseda

prof. Ing. Václav Mentlík, CSc.

členové

doc. Ing. Ján Poljak, PhD. Ing. Roman Hamar, Ph.D. Ing. Radek Polanský, Ph.D.

34


Dielektrické nanomateriály v silnoproudé elektrotechnice Jiří Boček - SE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. – KET V posledních několika letech se prudce zvyšuje zájem o technologie a materiály, jejichž funkční části mají rozměry v řádu jednotek či desítek nanometrů. Při těchto rozměrech dochází k dramatickým změnám vlastností, které jsou zapříčiněny tím, že hlavní roli přestávají hrát samotné makroskopické materiály, ale určujícími se stávají jejich fázová rozhraní. Jsme teprve na počátku zkoumání těchto nových materiálů a již nyní můžeme předpokládat jejich použití v mnoha oborech lidské činnosti. Tato práce se zaměřuje na možnosti využití nanomateriálů v elektrotechnice, zvláště v oblasti izolační techniky. Zatím nejzajímavějším užitím těchto materiálů jsou polymerová kompozitní dielektrika plněná malým množstvím (jednotky hmotnostních procent) nanoplniv. Nejčastěji zkoumané systémy jsou na bázi základu – epoxidové pryskyřice, polyamidu, silikonových pryží a nanoplniv – jílů, křemičitanů a oxidů hliníku, titanu, zinku. Nezanedbatelný vliv na funkční vlastnosti má průběh zpracování i obsah nečistot a příměsí. Dále tato práce ukazuje několik elementárních rovnic, které nejlépe vyhovují popisu elektrických vlastností nanoplniv a nanokompozitů. První dielektrické systémy již byly zkoumány několika týmy, a proto zde již mohou být prezentovány výsledky měření několika základních ukazatelů těchto systémů, jako jsou permitivita, ztrátový činitel, elektrická pevnost, prostorový náboj a odolnost vůči částečným výbojům. Také jsou zmíněny další vlastnosti, mechanické a tepelné. Polymerové nanokompozity jsou díky svým výborným vlastnostem slibná dielektrika blízké budoucnosti. Nejprve je nutné vyvinout nejen vhodné laboratorní přístroje, ale i průmyslové metody výroby. To pomůže k tvorbě reprodukovatelných a hodnověrných výsledků potřebných pro další rozšiřování pole bádání. Nyní je nutné základním způsobem objasnit vzájemné působení mezi nanočásticemi a polymerovou matricí. Toto vzájemné působení závisí na druhu materiálu nanočástice a samotného základu, fyzických a chemických vlastnostech jejich povrchů, druhu vazeb přemosťujících anorganické a organické látky (chemicky i fyzicky), druhů a obsahu kompatibilizérů a/nebo disperzantů. Zapomenout by se nemělo ani na zkoumání změn v jejich mechanických a tepelných vlastnostech. Nanokompozity mají následující čtyři vlastnosti. Zaprvé je molekulový pohyb omezen silnou vazbou mezi nanoplnivem a základem. Zadruhé je pozorován tzv. účinek bariéry v důsledku klikatých struktur, které způsobují zvýšení transportních vzdáleností nosičů náboje. Dále je to tvorba nanometrických paprsčitých útvarů a zachytávání nábojů nabitými slídovými plnivy, které má pravděpodobně za následek, na rozdíl od mikromateriálů, zmenšení volných cest a potlačení nárazové ionizace. Díky těmto vlastnostem vykazuje mnoho polymerových nanokompozitů lepší dielektrické vlastnosti. Například polyamidové nanokompozity jsou velmi odolné vůči částečným výbojům, ale naopak jejich elektrická pevnost je téměř nezávislá na obsahu nanoplniva, což je způsobeno rovnováhou mezi zvýšením intenzity pole při vysoké permitivitě slídy a posílením rozhraní slída/pryskyřice. Mezi další odlišnosti od běžných kompozitů patří podstatné rozdíly v hromadění vnitřního prostorového náboje, což je důležitý parametr při návrhu stejnosměrných kabelů. Za další směry postupu v této oblasti považuji podrobnější zkoumání struktury a zákonitostí uvnitř nanokompozitů a zvládnutí technologie jejich přípravy pro další laboratorní zkoumání. Dalším krokem by, podle mého názoru, měla být snaha o jejich nasazení do průmyslově vyráběných produktů některé z firem a zvládnutí komerční technologie výroby. Avšak toto snažení by mělo být posuzováno kriticky a reálně, bez zbytečného spěchu a přílišného nadšení, neboť zatím ani dnes nejsou přesně známy veškeré vlastnosti a zákonitosti těchto složitých, ač velmi nadějných, materiálů.

35


Elektrické vlastnosti plastových izolátorů Pavel Hanzlík - EE 2 lektor: Ing. Václav Boček, Ph.D. - KET V souvislosti s rozvojem techniky je kladen velký důraz na vývoj nových materiálů. Nároky na izolační materiály se při projektování zařízení velkých výkonů stále zvyšují. Požaduje se, aby tyto látky odolávaly vysokým teplotám, byly mimořádně pevné a tvrdé, měly vysokou dielektrickou pevnost, minimální dielektrické ztráty a předepsané elektrické, chemické a mechanické hodnoty. Plasty doplnily v elektroprůmyslu řadu dosud používaných materiálů. Vedle jejich vlastností elektroizolačních se zároveň uplatňují i vlastnosti mechanické a využívá se možnosti volit nové typy konstrukcí. Plasty přinesly v elektroprůmyslu nové možnosti elektroizolační a konstrukční. Jako konstrukčního materiálu s dobrými elektroizolačními vlastnostmi se v silnoproudé i slaboproudé elektrotechnice používá epoxidové pryskyřice. Právě kvůli výborným elektrickým a mechanickým vlastnostem jsou v současnosti keramické a skleněné izolátory nahrazovány izolátory z epoxidové pryskyřice. S výhodou lze upravovat vlastnosti vybraného epoxidu do konkrétních podmínek změnou složení licího systému a vyrobit tak vhodný izolátor i do extrémních podmínek. Izolátory z epoxidové pryskyřice mají moderní design, nízkou hmotnost a velkou variabilitu výroby. Díky těmto vlastnostem lze navrhnout a vyrobit izolátor s ohledy na přání zákazníka. Úkolem této práce je posoudit vliv úpravy povrchu na vzorcích epoxidové pryskyřice pomocí měření povrchové rezistivity. Vzorky byly postupně ošetřeny silikonovým olejem, jarem, acetonem a odmašťovacím přípravkem Univerzal 50L a v závislosti na těchto postupech je porovnávána hodnota povrchové rezistivity. Úpravy povrchu: 1 – čisté vzorky z výroby, 2 – ošetření silikonovým olejem, 3 – umytí jarem, 4 – ošetření silikonovým olejem po mytí jarem, 5 – opakované umytí jarem po kontaminaci směsí kaolínu a NaCl, 6 – ošetření silikonovým olejem po umytí jarem, 7 – očištění přípravkem Univerzal 50L, 8 – očištění Acetonem, 9 – ošetření silikonovým olejem po očištění přípravkem Univerzal 50L, 10 – ošetření silikonovým olejem po očištění Acetonem.

Povrchová rezistivita [Ω]

1E+18

CY228

1E+17

R1 R2 Araldit F 1E+16

XV3

1E+15 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Úprava povrchu

Obr.1: Závislost povrchové rezistivity na úpravě povrchu materiálů pro různé materiály

36


Návrh a realizace snímače pro měření kapacity kondenzátorů Karel Hejra - KE 5 lektor: Ing. Václav Kubernát - KET Každý elektrotechnik potřebuje pro svou práci přesné přístroje. V dnešní době je na trhu veliké množství měřicích přístrojů. Neplatí to zcela přesně pro měřiče kapacit. Měřiče kapacit můžeme rozdělit do dvou velkých skupin. Do první skupiny řadíme měřicí přístroje, které mají měření kapacit jen jako doplňkovou funkci. Jejich výhodou je nízká cena, ale značnou nevýhodou nepřesnost měření. Tyto přístroje jsou použitelné jen pro kontrolní měření. Druhou skupinu tvoří přístroje, které jsou určeny výhradně k měření kapacit. Tyto RLC měřiče poskytují komfortní ovládání, dosahují velké přesnosti, umožňují čtyřsvorkové až pětisvorkové připojení kvůli kompenzaci a dovolují měřit kapacitu, ztrátový činitel a mnoho dalších parametrů v širokém spektru frekvencí. Nevýhodou je však vysoká pořizovací cena. Cílem mé práce je dosáhnout přijatelné přesnosti s nízkými pořizovacími náklady. Pro návrh měřiče kapacit, který je zobrazen na obrázku byl vybrán jednočipový mikrokontrolér firmy Microchip PIC16F74. Měřič má dvojřádkový alfanumerický displej, šest indikačních LED, dva typy napájení a ovládání třemi tlačítky. Umožňuje měření kapacit v rozsahu devíti řádů od 10 pF do 10 mF. Měření probíhá na principu RC oscilátoru s obvodem NE 555N. Vyhodnocování periody zajišťuje mikrokontrolér.

37


Analýza teplotních závislostí dielektrických parametrů s ohledem na možnosti určení teploty skelného přechodu Tg Lenka Kolářová - KE 5 lektor: Ing. Radek Polanský, Ph.D. - KET

Tg / °C

Tg / °C

Teplota patří mezi základní degradační činitele všech izolačních částí elektrických strojů. Tepelné stárnutí materiálu je pomalý degradační děj, jehož výsledkem může být až destrukce materiálu a ztráta jeho elektroizolačních schopností. Z tohoto pohledu je významným parametrem teplota skelného přechodu Tg, která charakterizuje každý materiál. Při této teplotě dochází k výrazným změnám mechanických (např. modul pružnosti) i elektrických vlastností dielektrika (např. el. vodivost, el. pevnost, dielektrické ztráty atd.) Teplota skelného přechodu Tg tvoří rozhraní mezi sklovitým a kaučukovitým stavem materiálu. Kvůli zmiňovaným změnám mnoha vlastností materiálu je nutné, aby byl materiál provozován nejlépe pod touto teplotou. Zjištění a vyhodnocení teploty skelného přechodu Tg je proto nutné. Teplota skelného přechodu Tg se běžně určuje pomocí některých termických analýz (např. TMA, DMA, DSC), které jsou finančně velmi nákladné, a proto je třeba hledat také jiné možnosti stanovení této teploty. Jednou z možných cest stanovení teploty skelného přechodu Tg je analýzou teplotních závislostí dielektrických parametrů. Jako vhodná se pro tyto účely jeví teplotní závislost elektrického proudu R (resp. elektrického proudu I) a dielektrických ztrát tg δ. Měření probíhalo na předem vytvrzených 10ti vzorcích elektroizolačního materiálu Relanex 45.011 (vytvrzování: 165 °C po dobu 3 hodin). Jejich vlastnosti byly nejprve změřeny v dodaném stavu, následně bylo aplikováno zrychlené tepelné stárnutí při 200 °C a vlastnosti byly opět změřeny v těchto časech: po 8, 16, 32, 48 a 95 hodinách expozice. Pro měření elektrického odporu R byla použita metoda stupňovitého zvyšování teploty (v souladu s normou ČSN IEC 345), která byla aplikována v teplotním rozmezí 30 – 200 °C (v desetistupňových krocích). Polarizační napětí bylo 500 V a k odečtu proudu docházelo vždy po jedné minutě polarizace. Měření teplotní závislosti dielektrických ztrát probíhalo stejným způsobem jako u měření elektrického odporu. 165,00 160,00 155,00

170,00 165,00 160,00

150,00

155,00

145,00

150,00

140,00

145,00

135,00 130,00

140,00

125,00

135,00

120,00

130,00

dodaný stav

8

16 Tg

32

48

95

dodaný stav

doba expozice / hodin

8

16 Tg

32

48

95

doba expozice / hodin

Obr. 2: Závislost Tg na době expozice pro Obr. 1: Závislost Tg na době expozice pro lnR = f(T) tg δ = f(T) Výsledkem jsou dva velmi zajímavé grafy závislostí teploty skelného přechodu Tg na době expozice (viz obr. 1 a obr. 2). Jak je z obou obrázků patrné, nejstrmější křivka této závislosti je mezi prvním a druhým bodem (tedy mezi dodaným stavem a 8 hod expozice), kterou lze chápat jako dovytvrzování materiálu. Obě křivky Tg mají shodný průběh do bodu 32 hodin, poté křivka Tg zjištěná ze ztrátového činitele tg δ stále roste - viz obr. 2, na obr. 1 je znatelné maximum při expozici 32 hodin, poté křivka Tg pozvolna klesá.

38


Aspekty aplikace Diferenční skenovací kalorimetrie DSC při vývoji a testování elektroizolačních materiálů Zdeněk Kopta - SE 5 lektor: Ing. Radek Polanský, Ph.D. - KET Se vzrůstajícími nároky, kladenými na elektroizolační materiály rostou i požadavky na kvalitu diagnostiky těchto materiálů. Strukturální analýzy, potažmo termické analýzy jsou pro tyto účely ideální, protože poskytují informace o pochodech uvnitř struktury látky a tím umožňují sledovat změny jinými metodami nezaznamenatelné. Jednou z termických analýz je i diferenční skenovací kalorimetrie, jejíž princip spočívá v měření tepla dodaného vzorku při jeho ohřevu či ochlazování. Toto změřené teplo je porovnáváno s teplem dodaným normálu, který je vystaven stejnému teplotnímu programu jako zkoumaný vzorek. V okamžiku, kdy ve vzorku dojde k fyzikální nebo chemické změně (obecně k tepelnému přechodu), dojde zároveň k odchylce tepelného toku měřeného vzorku od tepelného toku spojeného s normálem. Tento rozdíl je vyhodnocen a na základě velikosti a směru tepelného toku lze určit mohutnost a charakter proběhlé změny. Termogram, tedy graf zaznamenávající průběh tepelného toku zpravidla v závislosti na teplotě, je zdrojem dat pro vyčerpávající popis materiálu. Lze s jeho pomocí určit mj. tepelnou kapacitu analyzovaného materiálu, rozsah teplot, v nichž probíhá skelný přechod, teplotu krystalizace a další charakteristické teplotní body a tepelné toky. Stejně jako u všech měřících metod, i u DSC ovlivňuje výsledek mnoho faktorů. Mezi nejdůležitější patří příprava vzorku, která se odvíjí od požadovaného cíle měření, požadované citlivosti a rozlišení, charakteru materiálu a dalších okolností. Stejně tak je důležitý zvolený teplotní program, teplotní rozpětí měření, rychlost teplotního programu a průběh ochlazování. Nelze opomenout vliv složení a rychlosti proudění plynné atmosféry, v níž měření probíhá. Pro zlepšení efektivity metody a rozšíření jejího uplatnění bylo vyvinuto několik modifikací této termické analýzy. Mezi nejzásadnější patří uvedení teplotně modulované DSC, jejíž princip spočívá v přidání superponované, zpravidla sinusově modulované složky k lineárnímu teplotnímu programu. Díky této změně je získán nejen celkový tepelný tok jako v případě konvenční DSC, ale také jsou určeny odděleně vratné a nevratné tepelné toky. To v důsledku vede k detailnější analýze tepelných změn a také k umožnění separace překrývajících se tepelných přechodů. Další modifikace byly vytvořeny zvláště pro účely užší specializace a zjišťování specifických vlivů na chování materiálu. Jedná se například o foto-DSC nebo tlakovou DSC. Velmi často je využíváno současného průběhu více analýz současně za účelem zvýšení efektivity měření a vydatnosti naměřených dat. DSC je nejčastěji simultánně prováděna spolu s termogravimetrickou analýzou nebo s analýzou uvolněných plynných složek. Diferenční skenovací kalorimetrie nachází uplatnění v širokém rozpětí oborů. V elektrotechnice je jí používáno nejčastěji při měření entalpie, úrovně vytvrzení reaktoplastů, již zmíněného skelného přechodu nebo pro zrychlené testy stárnutí. Praktické ověření vhodnosti DSC pro účely elektrotechnologické diagnostiky bylo provedeno na analýze vzorků materiálu Relanex 45.011 a jeho vývojově novější varianty Relanex 45.031. Oba materiály se od sebe odlišují použitým tvrdidlem, které by v případě Relanexu 45.031 mělo umožňovat rychlejší vytvrzovací režim při zachování požadovaného stupně konverze. Na těchto izolačních materiálech bylo provedeno měření vytvrzovacích charakteristik, protože právě správné vytvrzení materiálu je nutnou podmínkou pro jeho bezchybnou funkci. Při prováděné analýze byla srovnána hodnota entalpie u částečně vytvrzených vzorků a vzorku nevytvrzeného. Poměr ploch pod DSC křivkou vedl na určení procenta vytvrzení a tím zhodnocení vytvrzovacího programu. Vyhodnocením DSC křivek vzorků vytvrzených při různé teplotě a po různé vytvrzovací časy byly získány informace velmi užitečné při určování vhodného a zároveň ekonomického vytvrzovacího procesu. 39


Pulzní namáhání izolantů Ondřej Tábořík - SE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET Tato práce vznikla za podpory výzkumného záměru Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České Republiky, MSM 4977751310 – Diagnostika interaktivních dějů v elektrotechnice. Jedná se studium změn vlastností elektroizolačních materiálů vystavených vlivům simulujícím skutečné podmínky v točivých strojích řízených frekvenčními měniči. Vysokofrekvenční pulzy způsobené činností měničů kmitočtu, způsobují rychlou degradaci hlavní izolace elektrických točivých strojů. Následkem je zkracování životnosti izolačních systémů točivých strojů. Jedna z hlavních příčin zrychlené degradace pulzním namáháním je zvýšená aktivita částečných výbojů. Práce se zabývá studiem výbojové činnosti během procesu stárnutí izolačních materiálů - dvou typů skloslídových třísložkových kompozitů Obr. 1: Materiál A – běžné provedení skelné tkaniny, materiál B – tkanina z plochých vláken technologie Resin-rich lišících se pouze nosnou složkou. Na obrázku 1 vidíme řez oběma materiály. Vzorky obou izolantů byly v definovaných dobách vystavovány sinusovému elektrickému namáhání 11 kVmm-1, 50 Hz a pulznímu namáháním (pulzní spínač DEI PVX4500 4110) s následujícími parametry: 4000 ±2 250 16 1 1

kV ns kVµs-1 kHz µs

3500 3000

q /pC

napětí doba náběhu strmost náběhu frekvence šířka pulzu

2500 2000 1500 1000 500

A pulz B pulz A sinus

tgδ /-

Provedená studie poukazuje na 0 B sinus rozdíl chování dvou variant izolačního 0 228 258 300 systému Resin-rich, lišících se t /h uspořádáním a provedením skleněných Obr. 2: Velikost zdánlivého náboje v závislosti na čase expozice vláken, při expozici sinusovým a pulzním napětím. Výsledky vypovídají o vyšší kvalitě nové koncepce uspořádání skleněných vláken materiálu B. Na obrázku 2 je zachycen průběh „zahořování“ charakterizovaný poklesem zdánlivého náboje, jehož hodnoty v dodaném 0,2 stavu hovoří ve prospěch materiálu B. Za účelem potvrzení výsledků měření částečných výbojů 0,16 byly během expozice sledovány absorpční a resorpční charakteristiky, polarizační index, 0,12 vnitřní odpor, paralelní kapacita a relativní permitivita, směrnice redukovaných resorpčních 0,08 křivek a ztrátový činitel, jehož vývoj na obrázku 3 B sinun rovněž odpovídá vyšší kvalitě materiálu B. A sinus 0,04 Výzkum deteriorizace izolantů pokračuje, Lineární (A sinus) Lineární (B sinun) exponované materiály jsou nadále studovány. 0 Komplexní znalosti o vlivu pulzního namáhání na 0 100 200 300 400 500 průběh degradace izolačních materiálů přinese t /h sledování deteriorizace rozdílnými tvary pulzního Obr. 3: Růst ztrátového čísla při sinusovém namáhání napětí na dalších napěťových hladinách.

40


Nová metoda vyšetření dynamických charakteristik nelineárního akčního členu mechatronické soustavy Jan Veleba - EE 1 lektor: prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc. - KTE Jednou z intenzívně se rozvíjejících moderních technologií je stavba inteligentních mobilních robotů. V předložené práci se zkoumá metoda analýzy dynamického stavu pohybových komponent mobilního robotického systému. Jako akční člen mobilního robotického systému je uvažován aktuátor s bezhysterézním nelineárním magnetickým obvodem podle obr. 1. Metodou stavových proměnných byl formulován matematický model této mechatronické soustavy ve tvaru kanonické soustavy nelineárních diferenciálních rovnic 1. řádu: di R 1 dL 1 =− i− vi + u0 dt L L dx L Fp F ( x ) dv B1 K1 B K =− v− + x − c( x) 2 v − c( x) 2 ( x − δ1 ) − p( x) dt M M M M M M dx =v dt

Obr. 1. Model elektromechanického obvodu Výpočet indukčnosti L(x) a síly F(x) působící na jádro určíme z energie magnetického pole. Tento výpočet je komplikován skutečností, že síla závisí na proudu i a na poloze jádra x a na nelinearitě magnetizační křivky B = B(H). Nový postup spočívá v použití aproximace magnetizační charakteristiky analytickou funkcí B(H) = a.arctg(b.H), kde a, b jsou konstanty. Spočtením permeability v jednotlivých časových okamžicích získáme příslušné hodnoty L(x) a Fm(x) potřebné pro další postup. Matematický model byl numericky řešen programovým souborem MATLAB 7.0, s použitím knihovny „Curve Fitting“. Ukázka časových odezev stavových proměnných i (proud v cívce), v (rychlost pohybu jádra aktuátoru) a x (výchylka jádra aktuátoru) je na obr. 2. Při realizaci numerického řešení bylo třeba se vypořádat s numerickou nestabilitou a konvergencí. Obr. 2. Ukázka dynamických charakteristik mobilní komponenty robotického systému. V přiloženém dokumentu byla navržena, počítačově implementována a na několika příkladech odzkoušena metoda analýzy modelu mobilní komponenty robotického systému. Při návrhu mechatronické elektromechanické soustavy je však zapotřebí vyprojektovat takový systém, jehož chování splňuje dané požadavky, tj. je nutno provést syntézu tohoto systému. Tímto směrem se bude ubírat další výzkum. 41


Kombinované izolační systémy Petra Vitoušová - KE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET Izolační systém je nedílnou součástí všech elektrických zařízení. Jeho správné dimenzování zaručí nejen bezporuchový, ale i bezpečný provoz. Nároky dnešní doby se dotkly i této oblasti. Jedná se o neustále se zvyšující požadavky na kvalitu výrobků s pokud možno co nejmenšími náklady na jejich výrobu. Proto je třeba izolanty zkoumat a popisovat jejich chování pomocí vhodně sestaveného diagnostického systému. V aplikacích, kde již svojí kvalitou nevyhovují lepenky či různé papíry, nacházejí své uplatnění kombinované izolace. Ty jsou složeny ze dvou až tří vrstev plošných elektroizolačních materiálů, které se spojují lepením. Jedním parametrem, podle kterého si zvolíme, jaké materiály pro daný účel použijeme, je teplotní třída. Kombinované izolace se používají v rozsahu teplotních tříd od 130 (B) do 220. Úkolem této práce je shrnout základní informace o kombinovaných izolačních systémech. Nejdříve bylo nutno vyhledat materiály, které jsou v těchto systémech používány nejčastěji a následně popsat jejich vlastnosti. Bylo nalezeno osm základních matriálů. Obecně se jedná o různé papíry, fólie, tkaniny a rohože. Dále jsou zde uvedeny kombinace těchto materiálů, které spolu tvoří kombinované drážkové izolace. Dalším úkolem bylo sestavení diagnostického systému, který by umožnil sledování kvality kombinovaných drážkových izolací při jejich napěťovém exponování. Bylo stanoveno, že na první části vzorků bude provedeno měření absorpčních a resorpčních charakteristik a ztrátového činitele. Měření proběhlo jak na vzorcích v dodaném stavu, tak i po každé jejich expozici. Ostatní parametry (plocha pod absorpční křivkou, vnitřní rezistivita, minutový a desetiminutový polarizační index, relativní permitivita a životnostní křivka) byly dopočteny z naměřených hodnot. Na druhé části vzorků bylo naměřeno průrazné napětí a dále dopočtena elektrická pevnost izolace. Důležitá je také aplikace sestaveného diagnostického systému na konkrétní drážkovou izolaci NEN 220/125 od firmy EKOBAL Rožnov s. r. o. Ta nám umožnila naměřit a vypočítat parametry této izolace a sestavit její životnostní křivku. Díky tomu bude možno materiál NEN 220/125 kdykoli porovnat s jinou drážkovou izolací. Na základě tohoto porovnání bude možno rozhodnout, kterou izolaci je výhodnější v dané aplikaci použít. Životnostní křivka 1000000 100000

t/s

10000 životnost vzorků

1000

životnostní křivka

100 10

y = 2E+06e

-0,1714x

1 0

10

20

30

40

50

60

70

80

-1

E / kV·mm

Obr.1: Životnostní křivka drážkové izolace NEN 220/125 42


Teplotní roztažnost laminátů Zdeněk Vrátný - SE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET Tato práce je zaměřena na zjištění délkové teplotní roztažnosti a teploty skelného přechodu u tenkých laminátů, které nachází uplatnění především v elektronice. Teplotní roztažnost a teplota skelného přechodu jsou jedněmi z kvalitativních faktorů laminátů a jiných polymerních materiálů, které určují jejich následné použití. Většina proměřovaných vzorků laminátů pochází od společnosti Lamitec Czech, s. r. o. Pardubice (Lamplex FR-4). K porovnání byly zjišťovány i parametry materiálu Isola FR-5 od firmy Elektroisola, a. s. K určení výše zmíněných veličin byla zvolena metoda termomechanické analýzy. Touto metodou se u měřeného materiálu zjišťují změny v rozměrech, ať už délkových a nebo objemových, v závislosti na zadaném teplotním režimu. Na měřený vzorek může měřicí sonda vyvíjet určité zatížení. Takto může být namáhán staticky nebo periodicky na ohyb, krut, stlačení, napětí nebo na tah. Měření bylo prováděno moderním přístrojem TMA Q400EM od firmy TA Instruments. Vzhledem k citlivosti měření na okolní vibrace, byl pro měření nejtenčích vzorků použit antivibrační stolek TS150 od firmy HWL Scientific Instruments GmbH, kterým byl měřicí přístroj podložen. Průběh měření se dá rozdělit do tří fází. První fázi představovalo ohřátí vzorku na 170 °C, při kterém se projevuje teplotní a mechanická historie vzorku. Jejím charakteristickým projevem je zvlnění křivky, které ji znehodnotí pro další analýzu. Druhou fázi představující ochlazení na 30 °C následuje fáze třetí, při které vzorek opět zahřejeme na 170 °C. Tento ohřev již není zatížen teplotní a mechanickou historií a je tedy použitelný k dalšímu zpracování. Naměřená data byla nejprve analyzována programem TA Instruments Universal Analysis 2000 a po importu analyzovaných dat z tohoto programu i programem Microsoft Office Excel. Změřené a spočítané hodnoty byly statisticky zpracovány a vyhodnoceny. Výsledky měření mohou pomoci ke zvolení vhodných technologií a materiálů pro konkrétní aplikace.

zvlnění

1. ohřev na 170°C

zchlazení na 30°C

2. ohřev na 170°C

43

Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Recommend Documents