Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Přehlídka studentských odborných prací na FEL

konaná dne 17. května 2002 pod záštitou prorektora ZČU doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc. a děkana FEL ZČU doc. Ing. Jiřího Masopusta, CSc.

pořádaná v odborných sekcích

Aplikovaná elektronika Elektrické stroje a přístroje Elektrické teplo a světlo Elektrotechnologie Energetické sítě Organizační garant doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. KET/ET, FEL, ZČU

Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2002

Slovo děkana FEL ZČU

Jedním z hlavních cílů naší fakulty je co nejlépe připravit naše absolventy pro budoucí povolání a maximálně zvýšit jejich konkurenceschopnost na budoucím trhu práce a činností. Studenty proto musíme mimo jiné vychovávat k tvůrčí odborné práci. Cesta, která vede k získání potřebných dovedností, není jednoduchá a vyžaduje kromě znalostí osvojených si na přednáškách, seminářích či cvičeních i samostatnou vědecko-odbornou práci. A zde má velice důležitou úlohu činnost, jejíž výsledky studenti předkládají v rámci přehlídky studentských prací. Jedná se většinou o jedny z prvních krůčků v této oblasti, při nichž studenti tvůrčím způsobem, zatím za asistence pedagogů, vědeckovýzkumných pracovníků, zkušenějších kolegů studentů či doktorandů, aplikují získané poznatky při řešení konkrétních projektů a úkolů. Při tom se učí volit postupy, formulovat cíle, aplikovat poznatky a zkušenosti, pracovat se zdroji informací, získané poznatky třídit, vyhodnocovat, prezentovat a veřejně obhajovat. Především možnost prezentace a obhajování výsledků práce před komisí a odbornou veřejností je důležitá, potřebná a ve standardním studiu je tomu věnována poněkud menší pozornost. Na tomto místě chci poděkovat všem autorům prací, ale i učitelům a pracovníkům fakulty, kteří jim pomáhali či s nimi spolupracovali. Jsem přesvědčen, že pro obě strany se jedná o mimořádně přínosnou záležitost. Současně chci poděkovat všem organizátorům a členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, která umožnila tuto přehlídku zorganizovat. Na závěr bych chtěl vyjádřit přesvědčení, že již tradiční přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU v Plzni přispěje ke zvýšení úrovně našich studentů, ke zlepšení jejich konkurenční pozice po ukončení školy a v neposlední řadě ke zvýšení prestiže nejen jich samých, ale i pracovišť, kateder a fakulty a v širším pohledu celé elektrotechniky a techniky jako celku.

Doc. Ing. Jiří MASOPUST, CSc. děkan FEL ZČU v Plzni


Obsah Sekce Aplikovaná elektronika

9

Připojení ATAPI zařízení k procesoru řady MCS 51

10 Jiří Janota - ES 5

Návrh a realizace MP3 přehrávače

11 Miloslav Kafka - ES 5

Univerzální rozhraní pro přenos dat a zvuku v síti AT

12 Miloš Klusal - ES 5

Simulační a verifikační prostředí pro univerzální rozhraní v síti ATM

13

Martin Mísař - ES 5

Návrh desky s mikrokontrolérem HC08

14 Martin Petrášek - ES 5

Návrh desky s mikrokontrolérem HC12

15 Martin Sklenář - KE 5

Inteligentní drivery pro buzení IGBT tranzistorů

16 Václav Šusta - PE 5

Připojení paměťové karty Compact Flash k procesoru řady x51

17 Martin Tošer - ES 5

Vytvoření programu pro elektromagnetický návrh synchronního stroje

18

Stanislav Vojta - SE 5

Databáze MySQL a tvorba WWW rozhraní pro databázový MySQL server

19

Martin Vondrák - KE 5

Víceúčelové využití sítí kabelové televize v obcích

20 Jan Zdeněk - ES 5

Sekce Elektrické stroje a přístroje

21

Návrh spínacích obvodů pro laboratorní měnič

22 Martin Brož - DE 5

Laboratorní měnič pro napájení střídavých motorů

23 Vladimír Holec - PE 5

Návrh rychlovypínače stejnosměrného napětí

24 Jan Horn - KE 5

Analýza kmitů napětí v obvodech vstupních filtrů lokomotiv

25 Jan Hrabáček - DE 5

Metody rozběhu asynchronních motorů

26 Karel Kaštánek - EE 5

Spínací jev na asynchronním stroji

27 Jiří Kohout - SE 5

Měření na třífázovém transformátoru

28 Vlastimil Kovář - KE 5

Odstranění rušení při měření rychlosti elektrického stroje

29 Bc. Zdeněk Křelovec - E 1

VARISTART – mikroprocesorem řízený SOFT START / STOP

30 Lubomír Kuchynka - E 2

Vliv harmonického zkreslení sinusovky proudu a napětí na funkci vytypovaných ochran v DS ZČE a.s.

31 Václav Potužák - EE 5

Měření na 3 fázovém trojvinuťovém transformátoru

32 Josef Veselý - KE 5

5


Sekce Elektrické teplo a světlo

33

Tepelná čerpadla v podmínkách České republiky

34 Daniel Franěk - TE 5

Optimální podmínky pro tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci

35

Jiří Hrubec - EE 5

Teplotní pole elektrických sálavých panelů

36 Zdeněk Chudáček - EE 5

Tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci

37 Jiří Kojzar - EE 5

Posouzení možností elektrického vytápění průmyslových objektů

38 Jan Lexa - KE 5

Návrh elektrického vytápění objektu

39 Martin Louženský - EE 5

Návrh osvětlovací soustavy průmyslového závodu

40 Jaromír Nový - KE 5

Optimální podmínky pro tavení litiny v indukční kelímkové peci

41 Václav Přibyl - EE 5

Tepelná čerpadla ekologicky, energeticky a ekonomicky

42 Zbyněk Štěpán - KE 5

Flicker způsobený výkonovými polovodičovými měniči

43 Zdeňka Tomková - PE 5

Modelování kogeneračních jednotek v podmínkách tržního hospodářství

44

Ivan Tůma - EE 5

Sekce Elektrotechnologie

45

Elektřina v odpadovém hospodářství

46 Jan Forst - TE 5

Vliv surovin na vlastnosti skelných laminátů

47 Jan Heidlberg - TE 5

Metodika pro ověřování kvality povrchu izolantů

48 Klára Maxová - SE 4

Návrh a vyhodnocování experimentů

49 Petr Netolický - KE 5

Srovnání vlastností savých pásek s různými nosiči pro tepelnou třídu H

50

Josef Pihera - KE 5

Měření vodivosti izolantů

51 Radek Polanský - KE 5

Vliv teploty na degradaci izolačních materiálů v transformátorech

52

Ladislav Prantner - KE 5

Zařízení pro ohřev vzorků při termomechanických zkouškách materiálů

53

Václav Roneš - ES 4

Možnosti likvidace nebezpečného odpadu

54 Michaela Zíková - TE 5

6


Sekce Energetické sítě

55

Návrh propojení uzlových oblastí 110 kV ZČE

56 Jaroslav Egrmajer - EE 5

Modelování soustavy měnič - kabel - motor z pohledu EMC

57 Martin Janda - DE 5

Model části elektrizační soustavy

58 Tomáš Kemr - EE 5

Napájení určené oblasti elektrickou energií

59 Vladimír Klápa - EE 5

Srovnání kvality a dodávky elektrické energie v nových průmyslových zónách

60

Zdeněk Kodalík - EE 5

Přenos dat po silové síti 230V/50Hz

61 Jiří Lán - ES 5

Generátor výpadků a poklesů síťového napětí

62 Patrik Průcha - ES 5

Energetický monitor na bázi LonWorks®

63 Libor Valeš - ES 5

Praktická aplikace výpočetní metody trojfázových výkonů při nelineárním zatížení distribuční soustavy a její využití v provozu distribuční soustavy Pavel Zeman - EE 5

7

64


8


Sekce Aplikovaná elektronika složení poroty předseda

doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc.

členové

Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D. Ing. Petr Weisar, Ph.D. Ing. Radek Holota Ing. Martin Řežáb

9


Připojení ATAPI zařízení k procesoru řady MCS 51 Jiří Janota - ES 5 lektor: Ing. Martin Poupa - KAE Tato práce se zabývá připojením ATAPI zařízením k procesoru řady MCS51 a vytvořením knihovny funkcí v jazyce „C“, pro jeho obsluhu. ATAPI zařízení zde představuje CD-ROM mechaniku. Tato mechanika je připojena pomocí navržené a sestrojené redukce k univerzální desce s procesorem řady „51“ (80C32). Procesor má připojenu vnější paměť programu (64 kB) a paměť dat (32 kB). K procesoru je dále připojen LCD displej a několik ovládacích tlačítek. LCD displej a ovládací tlačítka jsou určena především k testovacím účelům. Funkce v jazyce „C“, které obsluhují CD-ROM, zajišťují podporu základních audio funkcí mechaniky, a pak funkce pro práci se souborovým systémem dle normy ISO 9660. Norma ISO 9660 definuje způsob záznamu adresářové struktury a souborů na CD-ROM disku. Vytvořené funkce jsou obdobou funkcí FREAD, FSEEK, FOPEN, FINDFIRST a FINDNEXT běžně používaných v jazyce „C“. Základem této práce bylo vyřešit připojení 8-bitového procesoru k 16-bitovému rozhranní CD mechaniky, dále pochopení a zvládnutí takzvané „paketové komunikace s řadičem v CD-ROM“ a nakonec prostudování normy ISO 9660 a její implementace na toto navržené zařízení. Součástí vytvořených funkcí je i testovací program. Tento program nejprve zjistí, zda je vloženo zvukové nebo datové CD. Poté buď spustí přehrávání první skladby na zvukovém CD, nebo z datovém CD postupně přečte a vypíše všechny adresáře v kořenovém adresáři. Po tomto výpisu program otevře, pokud existuje, první soubor v kořenovém adresáři a přečte z něj 2 kB dat do paměti. ATAPI zařízení vychází z normy ATA. Norma ATA definuje fyzické rozhraní (IDE konektor), ale také soubor registrů a jim přiřazených signálů. ATA zařízením je například pevný disk v počítači. Zásadní odlišností mezi ATA zařízením a ATAPI zařízením je podpora paketové komunikace. S ATA zařízením lze komunikovat pouze standardními ATA příkazy, a to zapisováním 8-bitových slov do jeho registrů. ATAPI zařízení sice podporuje některé ATA příkazy, ale naprostá většina komunikace se děje pomocí složitějších, ale více flexibilních paketových příkazů. K této paketové komunikaci je bezpodmínečně potřeba používat 16-bitový vnitřní datový registr. Jednotlivé registry jsou adresovatelné pomocí tří adresových vodičů, dvou signálů „Chip select“ a signálů „Read“ a „Write“. Dále je třeba také kontrolovat signál „INTRQ“. Na IDE konektoru CD-ROM jsou dále vyvedeny signály DMA, IOCS16 a další, které ale nejsou bezpodmínečně nutné k základní paketové komunikaci. Protože k paketové komunikaci je bezpodmínečně potřeba používat 16-bitový vnitřní datový registr, bylo třeba zkonstruovat redukci obsahující mimo jiné záchytné registry, které zachycují horní bajt (8-bitů) 16-bitové ATAPI sběrnice. Adresování jednotlivých registrů v CD-ROM je vyřešeno namapováním těchto registrů do datového prostoru MCS51 nad 32 kB. K tomuto namapování je využit dekodér, který je součástí univerzální desky. Zařízení dokáže komunikovat s jakýmkoliv ATAPI kompatibilním řadičem. V jayzce „C“ jsem vytvořil projekt obsahující knihovnu funkcí (ATAPI.C) pro práci s CD-ROM a formátem ISO9660, dále jsem vytvořil knihovny funkcí pro práci s LCD displejem (LCD.C). Součástí projektu je ještě testovací testovací program (CDROM.C) a hlavičkové soubory knihoven (ATAPI.H a LCD.H). Program zabírá v paměti 10 kB. Rychlosti čtení dat jsem dosáhl 2,5 kB/s s procesorem 80C32 a krystalem 16 MHz. Tuto rychlost lze zvýšit například použitím rychlejšího procesoru např. Dallas 80C320, aj.

10


Návrh a realizace MP3 přehrávače Miloslav Kafka - ES 5 lektor: Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D. - KAE Vzhledem k masové rozšířenosti audio formátu MP3 (MPEG1 – Layer3), jsem se rozhodl navrhnout a zrealizovat přenosný, bateriově napájený, rozměrově malý, funkcemi velký přehrávač. Po několika měsíčním průzkumu trhu, jak s již vyráběnými přehrávači, tak s použitelnými součástkami, jsem došel k finální představě o výsledném produktu. Během návrhu obvodového řešení, bylo nutno vycházet z omezených možností českého trhu s elektronickými součástkami. Pro dekódování audio dat jsou použity čipy MAS3507D a DAC3550 od firmy Micronas. To se ukázalo jako šťastné řešení, jelikož firma Micronas v součastné době přichází na trh s dalšími čipy, které jsou pinově kompatibilní a rozšiřují možnosti dekódování audio dat o formát AAC, který by měl postupem času zaujmout místo MP3. Jako hlavní řídící čip byl použit TUSB3210 od firmy Texas Instruments, která materiálově podpořila stavbu tohoto zařízení svým programem zasílání testovacích vzorků jednotlivých součástek. TUSB3210 je mikrokontrolér založen na jádru 8052 s USB řadičem na jednom čipu. Dále obsahuje I2C Master řadič, který byl využit zejména k řízení čipů MAS3507D a DAC3550. Je taktován 12 MHz krystalem, jehož frekvence je, pro jádro, vnitřně vynásobena na 48 MHz. Hlavní vlastnosti jsou následující: - Připojitelnost k PC přes USB rozhraní - řízení pomocí PC, doprava audio dat z PC na úložné médium, přehrávání datového toku z PC. - Použití Smart Media Card jako média pro uložení audio dat – zařízení neobsahuje mechanické části (CD mechanika) a tím pádem je zcela odolné proti běžným otřesům vznikajícím při chůzi či běhu. Další výhodou vzniklou použitím SMC je redukce velikosti celého zařízení, která byla ještě podpořena technologií povrchové montáže většiny součástek. - Možnost napájení z několika nezávislých zdrojů elektrické energie - Baterie – 2×AA (NiMH, alkalické, nabíjecí, …), USB – 5V, vnější síťový adaptér s rozsahem napětí 6 – 12V. Implementace funkce Auto-Power-off, prodlužuje životnost baterií. - Použití grafického displeje s rozlišením 128x64 bodů, zejména z důvodů přehlednosti zobrazovaných údajů a také náročnosti dnešních uživatelů zhýčkaných mobilními telefony a možnostmi zobrazování vlastních obrázků. - Zařízení je schopno přehrávat MP3 stereo audio data se vzorkovacími frekvencemi 8, 11, 12, 16, 22.1, 24, 32, 44.1, 48 kHz při maximálním datovém toku 128 kbit/s. - Jednoduchost ovládání - Play/Pause, Next, Prev, Stop a Vol +/- Design tohoto zařízení byl navrhnut v high-end CAD programu CATIA V5R7 ve spolupráci s KKS FST. - Odhadovaná cena celého zařízení je přibližně o třetinu nižší než na trhu běžně prodávané konkurenční produkty firem Philips, Aiwa nebo Grundig.

11


Univerzální rozhraní pro přenos dat a zvuku v síti AT Miloš Klusal - ES 5 lektor: Ing. Martin Poupa - KAE Tato práce popisuje návrh univerzálního rozhraní pro přenos dat a zvuku v síti ATM podle specifikace vydané ATM fórem v roce 1994. Rozhraní je označováno zkratkou UTOPIA (Universal Test & Operations PHY Interface) z čehož vyplývá, že zajišťuje styk mezi fyzickou vrstvou referenčního modelu ATM a vyššími vrstvami v systémech založených na ATM. Důvodem pro použití standardizovaného rozhraní na této úrovni je možnost připojit různá zařízení fyzické vrstvy. Zmíněná zařízení mají za úkol přizpůsobit data použitému přenosovému médiu. Modul rozhraní UTOPIA byl navrhován v jazyce VHDL. Ten patří do skupiny jazyků sloužících pro popis číslicových obvodů a je využíván k navrhování zákaznických obvodů typu ASIC a programovatelných logických obvodů PLD. Architektura navrženého obvodu je naznačena v níže uvedeném schématu. Přenos dat zajišťují dvě datové větve, vysílací a přijímací. Každá z větví obsahuje vlastní rozhraní pro vysílání a příjem. Mezi obě rozhraní je ve větvích vložen blok paměti typu FIFO, sloužící pro oddělení různých systémů časování navazujících obvodů. Tyto bloky využívají dvoubránovou paměť, jejíž charakteristickou vlastností je schopnost současně provádět čtení i zápis dat. Pro nastavování konfigurace celého obvodu slouží blok nazvaný registrová mapa. Obsahuje tři osmibitové registry reprezentované klopnými obvody, do nichž jsou po obousměrné sběrnici vkládány informace o nastavení modulu. Připojení uvedeného bloku na sběrnici zajišťuje řídící rozhraní. V registrové mapě jsou také uloženy informace o chybách při přenosu. Přijímací rozhraní totiž vyhodnocuje HEC pole ATM buněk, obsahující cyklický redundantní kód (CRC) sloužící pro detekci chyb v záhlaví buněk. Přijímaná data jsou navíc zabezpečena paritním bitem. V případě zjištění chybné parity nebo CRC obvod zareaguje vysláním interruptového signálu. Na tento impuls reaguje nadřazené zařízení přečtením stavového registru, který je součástí registrové mapy a podle informací v něm obsažených vyhodnotí a jaký typ chyby se jedná. Obvod je pak schopen chybné buňky odstranit. Před zahájením výroby je vždy nutné provést ověření funkčnosti zařízení neboli verifikaci návrhu nástrojem nazvaným testbench. Ten byl zpracován v rámci jiné diplomové práce a potvrdil plnou funkčnost obvodu ve shodě se specifikací UTOPIA.

12


Simulační a verifikační prostředí pro univerzální rozhraní v síti ATM Martin Mísař - ES 5 lektor: Ing. Martin Poupa - KAE Tato práce vznikla pro ASIC centrum v Praze. Zabývá se převodem dat mezi rozhraním DMA (Direct Memory Access) a rozhraním UTOPIA (Utopia - Universal Test and Operations PHY Interface for ATM). Technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode – asynchronní způsob přenosu) používá přenos buněk o velikosti 53 oktetů. Práce na projektu spočívala v simulaci modulu a jeho návrhu (součást jiné diplomové práce) v jazyce VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language – programovací jazyk pro popis, simulaci a návrh obvodů). Verifikovaný návrh je ve VHDL popsán způsobem - RTL (Register Transfer Level) – tj. syntetizovatelný návrh, ze kterého jde vytvořit čip. Tato práce tento návrh ověřuje. Používá při tom behaviorální způsob popisu (popis chování), kterým je vytvořen testbench – testovací a verifikační prostředí. Obě práce byly vytvářeny odděleně podle stejné specifikace ATM fóra (UTOPIA Specification Level 1), aby bylo možné zajistit její dodržení. Testovaný RTL popis vzniklý v rámci jiné diplomové práce byl jakýmsi „black-boxem“, u kterého bylo třeba ověřit, že se chová podle dané specifikace. Vytvořený testbench používá vstupní a výstupní datové soubory datain.dat, datainr.dat a dataout.dat, vstupní ovládací soubor sim.cfg, a výstup simulace logerr.log do kterého jsou ukládány chyby a výsledky simulace (tj. které příkazy se provádějí, interrupty, konfigurace, kontrola CRC, chyba přenášených dat, chyba parity, …) s časy příslušných operací. Při testování je tedy testbench kolem RTL modelu a pomocí stimulů připojených na vstupy ovládá RTL model a ověřuje jeho výstupy. Testbench obsahuje generátor hodin a resetu, generátor CRC (zároveň i kontrola – 5. oktetu ATM buňky), paměť (FIFO – pro 2 ATM buňky) pro ověřování výstupů, paměť pro kontrolu stavu (stavový registr) funkce pro práci se soubory, interpreter načtených příkazů, procedury časování, ovládání vstupů a kontrolu výstupů RTL (realizována automatická kontrola dat, CRC, parity). Jména používaných souborů, frekvenci a střídu hodin je možné měnit v generické části souboru utp_dut.vhd. Pomocí testbenche se podařilo úspěšně modul UTOPIA otestovat a ověřit jeho shodu se specifikací podle níž byl vytvořen.

FIFO RX

FIFO TX

Generátor hodin a resetu

HOST časován Řídící soubor

Dekodér příkazů

DMA časován

Výstupní soubor PHY časován Datové soubory Řídící jednotka 13

UTOPIA modul (DUV)


Návrh desky s mikrokontrolérem HC08 Martin Petrášek - ES 5 lektor: doc. Ing. Milan Štork, CSc. - KAE Cílem mé práce bylo navrhnout a realizovat tři vývojové desky pro osmibitové mikrokontroléry MOTOROLA rodiny HC08, konkrétně pro 68HC908JK3, 68HC908KX8 a 68HC908GP32, a vyřešit způsob programování jejich FLASH pamětí. Použité mikrokontroléry patří mezi výkonné a cenově dostupné členy zmíněné rodiny a jsou konstruovány v architektuře typu von Neumann, tzn. mají paměťově mapované periférie. Na trhu jsou k dispozici s různými velikostmi a typy pamětí a v různých pouzdrech (PDIP, SDIP, SOIC, QFP). Ostatní rodiny mikrokontrolérů MOTOROLA jsou jednodušší osmibitová rodina HC05, vyšší osmibitová rodina HC11, šestnáctibitové mikrokontroléry rodiny HC16. Uplatnění těchto mikrokontrolérů lze zaznamenat ve spotřebním průmyslu, jako součást řídících jednotek například u myček, sušiček, sporáky, horkovzdušné trouby, praček. Hlavní výhodou zde pak je inteligentní řízení např. ohřevu topných těles nebo vody (díky přesnému měření teploty), otáček motoru, s ohledem na nízkou spotřebu energie na straně zákazníka. Další výhodu představuje používaná FLASH paměť (u modelů 68HC908 integrovaná v mikrokontroléru), která je vyvinuta technologií zajišťující energeticky nezávislou paměť, což poskytuje široké možnosti pro různé aplikace. FLASH paměť vyniká rychlými programovacími a mazacími dobami, schopností snést až 10 000 program./mazacích cyklů. Její kapacita se u uvažované rodiny mikrokontolérů HC908 pohybuje od 1,5 kB – 60 kB. Vlastní návrh vývojových desek byl realizován prostřednictvím návrhového systému FORMICA formou dvoustranných, prokovených desek s nepájivou maskou, a vycházel z konfigurace příslušných pinů mikroprocesoru včetně připojení vhodného zdroje vnějšího hodinového signálu nutné pro spuštění tzv. „monitor módu“. Funkci monitor módu zprostředkovává tzv. monitor ROM, která umožňuje kompletní testování mikrokontroléru pomocí "jedno-drátového" rozhraní s nadřazeným počítačem. Tento mód je také užíván pro programování a mazání FLASH paměti v mikrokontroléru. Monitor mód rozlišuje ještě dva stavy – naprogramovaný a nenaprogramovaný mikrokontrolér, což představuje dvě různé metody jeho spuštění. Zmíněná monitor ROM přijímá a provádí příkazy vyslané nadřazeným počítačem přes standardní rozhraní RS232. Tyto jednoduché monitor příkazy umožňují zpřístupnit různé paměťové adresy. V monitor módu může např. mikrokontrolér provádět program z nadřazeného počítače v RAM, zatímco ostatní piny setrvávají v normální funkci. Veškerá komunikace mezi nadřazeným počítačem a mikrokontrolérem je realizována prostřednictvím vyhrazeného pinu, dle typu mikrokontroléru. V rámci zmíněného návrhu byly tedy postupně vyvinuty tři desky. Jedna slouží jako tzv. programovací, která součastně obsahuje i nutné konfigurační zapojení mikroprocesoru 68HC908JK3, a zbylé dvě jsou tzv. univerzální, obsahující pouze nutná konfigurační zapojení příslušných mikroprocesorů 68HC908KX8 a 68HC908GP32. V první fázi, po oživení všech desek a uvedení do zmíněného monitor módu (s respektováním stavu mikrokontroléru - naprog./nenaprog.), byl proveden zkušební zápis a následné čtení dat z RAM paměti. V druhé fázi bylo provedeno uložení jednoduchého programu do RAM paměti a jeho spuštění. Proces zápisu, čtení a spouštění byl realizován prostřednictvím pevného sledu monitor příkazů (dle vypracovaného vývojového diagramu) vysílaných nadřazeným počítačem přes standardní rozhraní RS232. Tímto způsobem lze programovat i FLASH paměti u jednotlivých mikrokontrolérů. Zavedením tzv. programovacích a mazacích rutin, včetně nutných dat pro sektor, příznaků a parametrů, do RAM paměti a následné spuštění těchto rutin zajistí naprogramování resp. přeprogramování definované části FLASH paměti. Programování FLASH paměti je realizováno obecně po řádkách a proces mazání po stránkách. Navíc je ještě umožněno smazání celé FLASH paměti procesem "mass erase".

14


Návrh desky s mikrokontrolérem HC12 Martin Sklenář - KE 5 lektor: doc. Ing. Milan Štork, CSc. - KAE Úkolem mé práce bylo navrhnout a realizovat vývojovou desku s mikrokontrolérem MOTOROLA rodiny HC12, konkrétně šlo o typ 68HC912B32 a naprogramovat vnitřní paměť FLASH EEPROM. Navržená deska dále měla umožnit komunikaci s osobním počítačem pomocí sériového kanálu RS232. Použitý šesnáctibitový mikrokontrolér patří mezi výkonné členy zmíněné rodiny. Je konstruovaný v architektuře Von Neumann, tzn. má jeden společný paměťový prostor pro data a program a paměťově mapované periférie. Ostatní mikrokontroléry jsou osmibitové mikropočítače rodiny HC05, HC08 a HC11, šesnáctibitové mikrokrokontroléry řady HC16 a dvaatřicetibitové mikrokontroléry řady 683XX. Všechny zmiňované mikrokontroléry jsou konstruovány v architektuře Von Neumann, mají paměťově mapované periférie a stejnou filosofii programovacího modelu, byť je v rámci jednotlivých mikrokontrolérů různě bohatý. Uvedené mikrokontroléry nacházejí uplatnění v automobilovém průmyslu v systémech ABS či v řídících jednotkách vstřikování, v domácí a spotřební elektronice, v kancelářských přístrojích apod. Mikrokontroléry rodiny HC12B, mezi které se řadí i použitý typ 68HC912B32, se vyrábějí v provedení pro povrchovou montáž (SMD) v 80 vývodovém pouzdře QFP. Obsahují až 63 vstupně/výstupních vývodů. Vyznačují se nízkou spotřebou díky použité výrobní technologii HCMOS. Vynikají širokou škálou integrovaných periférií. Použitý mikrokontrolér obsahuje 16-bitovou centrální procesorovou jednotku (CPU), 32-kilobajtovou energeticky nezávislou paměť FLASH EEPROM umožňující až 10 000 cyklů programování/mazání, 768-bajtů enegeticky nezávislé paměti EEPROM, sériové rozhranní, 8-kanálový čítač-časovač, 4-kanálový pulzně-šířkový modulátor (PWM), speciální sériové rozhranní BDLC a další. Specialitou mikrokontrolérů MOTOROLA je „jednodrátové“ sériové rozhranní nazývané BDM (z angl. názvu Background Debug Mode) umožňující provozovat mikrokontrolér v tzv. „monitor módu“. Tento mód slouží pro testování a vývoj systému přímo v aplikaci. V tomto módu vykonává centrální procesorová jednotka (CPU) speciální program umístěný v monitor ROM (BDM ROM) a pomocí vyhrazeného vývodu (BKGD) přijímá a provádí příkazy vyslané nadřazeným počítačem. Monitor mód se také používá pro programování a mazání paměti FLASH EEPROM. Vlastní návrh dvouvrstvé desky s pokovenými otvory a nepájivou maskou byl proveden v návrhovém systému FORMICA. Navržená deska umožňuje provozovat mikrořadič ve třech normálních pracovních módech a dalších čtyřech speciálních módech používaných pro účely testování. Vývody mikrořadiče jsou vyvedené na konektory, nastavení pracovního módu se provádí prostřednictvím zkratovacích propojek. Sériové rozhranní RS232 realizované integrovaným budičem/přijímačem MAX232 umožňuje asynchronní sériový přenos mezi mikrořadičem a osobním počítačem. Prvotní naprogramování mikrořadiče bylo provedeno přes speciální sériové rozhranní BDM pomocí programátoru, který byl k dispozici, zavedením speciálních programovacích a mazacích rutin do paměti FLASH. V druhé fázi byl zaveden jednoduchý zkušební program do paměti RAM a provedeno jeho spuštění. Proces zavedení programu a jeho spuštění byl proveden prostřednictvím sledu příkazů vyslílaných počítačem přes standartní rozhranní RS232. Zavedení programovacích a mazacích rutin umožňuje provozovat mikrořadič v tzv. režimu bootload, který zajišťuje vymazání či naprogramování definované oblasti paměti FLASH EEPROM přes sériové rozhranní RS232 a následné spuštění aplikačního programu.

15


Inteligentní drivery pro buzení IGBT tranzistorů Václav Šusta - PE 5 lektor: Ing. Miroslav Hruška - KVE Dnešní doba vedoucí k integraci součástek do větších celků přímo souvisí s využíváním těchto modulů. Inteligentní driver je zařízení zpracovávající signál z regulátoru a na výstupu již produkují řídící signál pro IGBT tranzistory. Vnitřní zapojení driveru proto musí obsahovat nezbytné galvanické oddělení silové části od regulátoru, které se v dnešní době realizuje dvěmi způsoby. Jeden způsob využívá oddělení optrony, jenž jsou založeno na galvanickém oddělení optickou cestu. Druhý způsob je založen na oddělení signálu přes impulsní transformátory využitím indukční vazby. Inteligentní driver dále obsahuje výkonové budiče jenž zabezpečují dodávání potřebného výkonu do řídícího hradla IGBT tranzistoru. Tyto zdroje musejí být schopné dodat v impulsním režimu řádově jednotky ampér. Toto je vyžadováno z důvodu velké velikosti kapacity IGBT mezi hradlem a emitorem. Od zmíněných zdrojů je dále požadováno, aby zvládaly vypínání se zápornými hodnotami. Tento požadavek vyplývá z potřeby rychlého odvedení přebytečného náboje z oblasti, jenž by prodlužoval dobu vypnutí. Druhý důvod je, aby nedocházelo k opětovným zapnutím přes millerovu kapacitu. Výstupy pro zapínání a vypíná bývají zpravidla vyvedeny na různé piny driveru. Výkonové zdroje dále obsahují vývod pro takzvané pomalé vypínání, jenž je aktivován při zjištěním chyby a to z důvodu, aby nevznikala velká přepětí. Další součástí driveru je paměť v níž je zaznamenána informace o zjištěné chybě. V případě chyby je tato paměť nastavena do stavu chyby, který zabezpečí vypnutí všech tranzistorů a sdělí nadřazenému členu informaci o poruše. Tuto paměť je také možno nastavit z vnějšku, což je možné použít v případě, jestliže používáme sledování některé veličiny externími obvody. K standardnímu vybavení driveru také patří desaturační ochranná funkce pro IGBT tranzistory. Ta sleduje a vyhodnocuje úroveň napětí mezi kolektorem a emitorem, které se v zkratu nebo nadproud zvyšuje. Další funkcí jenž obsahují inteligentní drivery je sledovaní podpětí a to jak napájecího napětí tak napětí zajišťující spínání a vypínání IGBT tranzistorů. Na vstupu driveru je umisťován interface, který obsahuje obvody pro potlačení krátkých impulsů a nastavení minimálních zapínacích a vypínací dob. Najdeme zde také obvody pro nastavování mrtvých časů, které jsou nutné z důvodů prevence proti vzniku větvových zkratů. Posledním částí driveru, který zavedla firma Concept je blok PWM oscilátoru. Ten při prvním zjištění vysílá blokovací impuls na budící stupně IGBT tranzistorů. Po uplynutí tohoto impulsu je činnost driveru znovu obnovena. V případě že driver zjistí opětovnou chybu je PWM oscilátor vyšle PWM oscilátor další impuls ovšem již s delší šířkou. Toto se bude opakovat až do určitého počtu chyb, který je nastaven uvnitř driveru. Další funkcí interfacu, je že může přizpůsobovat napěťové hladiny mezi regulátorem a vlastním driverem.

16


Připojení paměťové karty Compact Flash k procesoru řady x51 Martin Tošer - ES 5 lektor: Ing. Martin Poupa - KAE Tato práce řeší fyzické propojení paměťové karty typu Compact Flash s procesorem řady x51 a knihovnu funkcí realizující práci se souborovým systémem FAT16 na kartách Compact Flash. Fyzické propojení je zajištěno pomocí standardního rozhraní IDE. Karta Compact Flash je provozována v módu „True IDE“ ve kterém se s ní zachází stejně jako se standardním IDE zařízením. Pro tento účel bylo nutno vyrobit speciální redukci, která převádí konektor karty CF na konektor IDE a připojuje vývody určené pro aktivaci „True IDE“ módu na příslušné úrovně. Na straně procesoru je rozhraní IDE zakončeno další redukcí. Tato redukce převádí 16-ti bitovou sběrnici používanou IDE rozhraním na 8-mi bitovou sběrnici připojenou na I/O bránu procesoru x51. Procesor byl pro účely této práce osazen na univerzální desce, využíval externí paměť RAM a externí paměť programu byla nahrazena simulátorem paměti EPROM připojeným k osobnímu počítači. Simulátor byl použit pro snadné odladění softwaru. Pro praktické využití by na místo simulátoru byla použita klasická naprogramovaná paměť EPROM. Pokusné zařízení dále obsahuje displej a čtyři tlačítka připojená k procesoru pro vizualizaci dat a ovládání demonstračního programu. Demonstrační program využívá knihovnu funkcí, napsanou v programovacím jazyce „C“, která obsahuje funkce pracující se souborovým systémem FAT16 na kartách Compact Flash. Funkce knihovny podporují práci s binárními soubory. Soubory je možno otevřít pro čtení (v tomto případě musel být soubor již dříve založen), pro zápis (jestliže soubor ještě nebyl založen, pak ze založí a byl-li založen, pak se přepíše) a také pro čtení se zápisem na konec souboru (nebyl-li soubor založen, pak se založí a u založeného souboru lze pokračovat se zápisem na jeho konec). Knihovna dále obsahuje funkce pro smazání souboru, zjištění aktuální a nastavení nové pozice pro čtení ze souboru, funkce pro vytvoření, zrušení a změny aktuálního adresáře, včetně funkcí pro zjištění obsahu aktuálního adresáře. Činnost těchto funkcí je pak předvedena demonstračním programem, který pohybem v jednoduchém menu pomocí čtyř tlačítek umožňuje uživateli vyzkoušet libovolnou funkci knihovny. Praktické využití této práce může být v možnosti archivace dat získaných procesorem, nebo naopak karta Compact Flash může být zdrojem vstupních dat pro procesor. Využití IDE rozhraní umožňuje snadné připojení paměťové karty k řadiči IDE v osobním počítači a tedy další zpracování dat na PC. Rozhraní IDE dovoluje také namísto karty Compact Flash k procesoru připojit klasické diskové zařízení (hard disk) pouze s nutností vyřešit napájení diskového zařízení (+5V, +12V). Blokové schéma propojení CF s x51: Zdroj 5V

PC Displej

karta CF

Redukce CF / IDE

Redukce IDE / x51

Procesor x51 Tlačítka

17

Emulátor EPROM


Vytvoření programu pro elektromagnetický návrh synchronního stroje Stanislav Vojta - SE 5 lektor: doc. Ing. Josef Červený, CSc. - KES Jako práci jsem si vybral úkol vytvořit program, který by provedl elektromagnetický návrh stroje. Tento program při výpočtu využívá asi 200 vzorců a veličin. Spočítané výsledky je možné použít pro další etapu návrhu z hlediska tepelné, mechanické, ventilační problematiky, kterými se tento program nezabývá. V povinných předmětech pro obor elektrické stroje a přístroje SES1, SES2, VPES jsme se touto problematikou zabývali formou semestrálních prácí. Každý ze studentů dostal vlastní zadání a postupně navrhoval celý stroj po několik semestrů. Nyní si budou moci studenti těchto předmětů celý elektromagnetický návrh zkontrolovat během několika minut. V praxi by se dal tento program použít také v oblasti konstrukce, kde je nutné provádět velký počet různých výpočetních variant a z nich vybrat tu nejvýhodnější, což je časově náročné. Použitý programovací jazyk je Turbo Pascal 7.0. Celý program je řešen v grafickém režimu. Celé programové vybavení se skládá z hlavního programu „SYNCH.EXE“ v tomto souboru je naprogramováno výpočet a menu. Další částí je „SOUBOR.TPU“ v této unitě je definováno čtení vstupních a vytváření výstupních souborů. Unita „TEXTY.TPU“ obsahuje veškeré textové popisy celého programu, jedná se především o názvy jednotlivých parametrů, jejich popisů, rozmezí a jednotek. Poslední unitou je soubor „PROG.TPU“, který obsahuje všechny pomocné procedury a funkce používané v hlavním programu a ostatních unitách. Program je také vybaven několika vstupními soubory, mají tvar „*.VLK“ jež zachycují grafické závislosti některých veličin, pro něž je problematické numerické vyjádření. Výstupní soubor je typu „*.VLV“, kde hvězdička je jméno volené uživatelem. Podobný program již na naší univerzitě vznikl před několika lety, ale pokud byl u stroje počet drážek a segmentů statorových plechů nevhodný, docházelo ke vzniku ložiskových proudů a nebylo možné ve výpočtu pokračovat. V mém vypracování není tato podmínka zadána a byl také kladen důraz na možnost vstoupit kdykoliv do výpočtu. To jsem vyřešil tím, že celý výpočet probíhá postupně dle pokynu uživatele.

18


Databáze MySQL a tvorba WWW rozhraní pro databázový MySQL server Martin Vondrák - KE 5 lektor: Ing. Petr Kropík - KTE Základním požadavkem na aplikaci bylo umožnit elektronické zadávání a kontrolu semestrálních prací. Aplikace komunikuje přes internet a z toho plyne použití architektury klient/server. Na straně klienta je použit webový prohlížeč pro prohlížení serverem vygenerovaných HTML stránek. Na straně serveru je použit operační systém Linux Redhat, webový server APACHE a pro generování HTML stránek skriptovací jazyk PHP. Tento skriptovací jazyk byl vybrán, protože je stejně jako Linux a APACHE, open source, je podporován pro mnoho platforem a je relativně jednoduchý a rychlý (vychází z jazyka C). Pro uchovávání dat používá aplikace relační databázi MySQL. Tato databáze byla zvolena, protože je také open source, má API pro PHP, je velice rychlá a snadno spravovatelná (např. pomocí open source řešení phpMyAdmin). Pro vlastní výpočet semestrálních prací byl zvolen systém MATLAB a databázový toolbox tohoto systému, který je schopen pomocí rozhraní JDBC/ODBC přistupovat do databáze MySQL. Aplikace používá k zabezpečení přenosu dat po internetu SSL pro identifikaci a ověřování uživatele session a hashování pomocí funkce MD5. Dále bylo nutno zabezpečit vlastní server a to jak na úrovni Linuxu a APACHE, tak PHP.

Popis základní funkce Po přihlášení do aplikace a prvním prohlédnutí zadaných semestrálních prací se vygenerují vstupní hodnoty (z předem nastavených intervalů sad hodnot) pro jednotlivé semestrální práce. Tyto hodnoty se zapíší do databáze spolu s příznakem určujícím, které semestrální práce se mají vypočítat. V nastavenou hodinu zajistí démon cron systému Linux spuštění matlabové souboru, který přes databázový toolbox načte vstupní hodnoty konkrétní práce, předá je systému MATLAB, spolu s funkcí určující výpočet této práce. Po vypočítání se opět přes databázový toolbox matlabu přenesou výsledky do databáze MySQL. Při kontrole práce student zadá své vypočtené hodnoty, které jsou porovnány (s určitou zadanou tolerancí) s hodnotami vypočítanými systémem MATLAB a zobrazí se výsledek této kontroly. Všechny tyto hodnoty jsou spolu s příznakem správnosti výsledku zaznamenány do databáze.

Funkce aplikace a rozdělení podle uživatelských práv • •

• •

V aplikaci jsou čtyři úrovně uživatelských práv s těmito funkcemi student: právo generovat své zadání semestrálních prací, kontrola semestrální práce, změna uživatelského hesla. učitel: student + zobrazení studenta a jeho semestrální práce s možností smazat studentovi zadání semestrální práce nebo možností přidat další pokusy pro kontrolu, změna datumu do kdy je možno tuto práci kontrolovat, vidí správné výsledky studentovy práce, možnost výpisu proběhlých kontrol, zobrazení přehledu všech semestrálních prací, všech předmětů, zapsaných studentů na konkrétní předmět, změna počtu pokusů pro konkrétní práci, možnost zobrazení předchozích školních roků. nižší administrátor: učitel + změna jména, příjmení a hesla uživatele, zapsání a odepsání předmětu uživateli, změna uživatelova kroužku u předmětu, editace zadání semestrální práce, prohlížení logů a errorlogů. administrátor: nižší administrátor + založení nové semestrální práce, založení a editace předmětu, založení nového školního roku, smazání semestrální práce, smazání předmětu.

19


Víceúčelové využití sítí kabelové televize v obcích Jan Zdeněk - ES 5 lektor: doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. - KAE Myšlenka využít rozvodů kabelové televize i k jiným účelům než jen k distribuci televizních programů není nijak nová. Teprve s mohutným rozšířením Internetu, ke kterému došlo v posledních letech, vznikl dostatečně veliký segment potenciálních uživatelů, pro něž tyto dodatečné služby začínají být zajímavé. Kabelové společnosti tak mohou relativně jednoduše ještě více zhodnotit své nemalé investice do vybudované infrastruktury. Využitím kabelových rozvodů pro poskytování datových či telefonních služeb se ovšem tyto společnosti dostaly také do nové role poskytovatelů připojení k Internetu, či telekomunikačních operátorů Práce se zabývá problematikou datových přenosů po rozvodech kabelové televize, nabízenými datovými službami a využitím sítí CATV jako přístupových sítí pro telefonické a internetové připojení. Dále pojednává o dalších možnostech služeb, které lze provozovat na sítích CATV; tedy o možnostech v rámci integrovaného záchranného systému; napojení do sítě internet, IP telefonii, videokonferencích; přenosech telemetrických dat, sběru dat; využití CATV pro bezpečnostní a dohledové stanice. Dalším cílem práce je návrh obousměrně komunikující sítě kabelové televize, vhodné pro datové přenosy na bázi protokolu TCP/IP. Třebaže spektrum možností, jak využít kabelových sítí je vcelku široké, zatím až na výjimky zcela dominuje připojování k Internetu, občas doplněné o telefonní služby. Pro operátory TKR je poskytování Internetu přes CATV (kabelová televize) o to zajímavější, že mohou z velké části využít již vybudovanou infrastrukturu a s relativně malými dodatečnými náklady jejím prostřednictvím nabídnout uživatelům další službu a zvýšit tak výnosy z jedné CATV přípojky. Na druhé straně však působí problémy některé starší sítě CATV, které kromě jiných nedostatků umožňují přenos dat (signálu) pouze směrem k uživateli. Je potřeba tedy tyto staré TKR přebudovat na tzv. obousměrné. Schéma moderní obousměrné sítě TKR, vhodné pro datové přenosy je na Obr. 1: Připojení k externí síti WAN (Ethernet, ATM, PDH, SDH...) HLAVNÍ STANICE - distribuce analogové TV - interaktivní služby - Internet a datové služby - telefonie - interaktivní video - distribuce digitální TV (MPEG...) - servery síťových služeb KABELOVÝ MODEM - management sítě OPTICKÝ OKRUH - 1310 (1550) nm účastnická zásuvka - analogový (či plně digitální) optický přenos Hub -směry přenosu odděleně po separátních SM vláknech -plně digit. přenosy odděleně od analogových po separ. vláknech SET-TOP-BOX

Hub

PC

telefon TV

TV - odbočení - účastnický rozvod Uzel

Uzel H L

- vícenásobný odbočovač připojení uživatelů s topologií hvězda

- typicky 1310 nm H L

dvoucestný koaxiální distribuční rozvod

Obr. 1 Topologie moderní hybridní opticko-koaxiální sítě HFC

20


Sekce Elektrické stroje a přístroje složení poroty předseda

prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.

členové

doc. Ing. Luděk Piskač, CSc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. Ing. Jiří Fořt Ing. Jakub Trejbal

21


Návrh spínacích obvodů pro laboratorní měnič Martin Brož - DE 5 lektor: Ing. Jiří Fořt - KVE V rámci diplomové práce se zabývám návrhem a realizací funkčního vzorku spínacích obvodů (driveru) pro nepřímý měnič frekvence s napěťovým meziobvodem s IGBT tranzistory. Jsou zadány tyto požadavky na driver: • spínání 7 IGBT (střídač + brzda) • blokování současného sepnutí obou IGBT prvků ve stejné větvi střídače (funkce tzv. „mrtvých dob“) • galvanické oddělení řídicího počítače od výkonového měniče • vyhodnocení ochran měniče přímo v driveru měniče (a to bez zásahu řídicího počítače) Úvodní část obsahuje teorii spínání IGBT tranzistorů, následuje popis a vysvětlení blokového schématu driveru, varianty koncových (výkonových) stupňů driverů a ochranné funkce driveru (blok logiky). IGBT se staly dalšími hlavními polovodičovými součástkami, jež jsou k dispozici pro mnoho aplikací výkonové elektroniky. Jsou vytvořeny kombinací MOS a bipolární technologie. Proto je vstupní charakteristika srovnatelná se vstupní charakteristikou MOSFETu a lze je řídit téměř bezvýkonově – napěťově. Z hlediska vstupních charakteristik je IGBT stejný jako výkonové bipolární tranzistory (BJT) a může tudíž spínat relativně vysoké napětí a také velký proud s vysokou spínací frekvencí. Při činnosti ve statickém stavu nepotřebují IGBT do báze (Gate) trvale přivádět budicí proud, protože jsou napěťově řízené. Ale při zapnutí a vypnutí prochází bází krátkou dobu proudový puls jako důsledek vstupní kapacity. Vypínání je principielně realizovatelné při přerušení kladného buzení a nastavení řídicího napětí hradlo – emitor VGE na nulu. Ale obvykle je s výhodou při řízení IGBT používáno záporné předpětí hradla VGE. Tímto způsobem je možné kompenzovat, vyrovnávat rušení, které působí na hradlo hlavně následkem parazitních kapacit. Moduly systému mikropočítače pracují vždy s nižší napěťovou úrovní od 5 V do 10 V a proto jakékoliv rušivé napětí může škodlivě ovlivňovat jejich funkci. Z těchto důvodů je výhodné umístit interface pro potenciální oddělení v řídicí části mezi počítač a budič. Možné varianty koncových (výkonových) stupňů budičů jsou: použití integrovaných obvodů v koncovém stupni (můj případ, používám integrovaný obvod IR2137, resp. IR2237), náhrada záporného buzení hradla spínačem MOSFET zkratujícím Gate a Emitor (dnes už se nepoužívá), hradlo buzené pomocí transformátorů. Výstupy obvodu IR2137 jsou posílené proudovým bufferem se čtyřmi tranzistory MOSFET (pro 1 „kanál“). Driver má tyto ochranné funkce: ochrana proti větvovému zkratu (možnost nastavení „mrtvých časů“ pomocí obvodu IXDP 630 dle parametrů použitých tranzistorů a zvolené spínací frekvence), ochrana proti mezifázovému zkratu na motoru, ochrana proti zkratu na kostru, ochrana proti nadproudu, ochrana proti tepelnému přetížení výkonového měniče, ochrana proti poklesu napájecího napětí driveru, ochrana proti nedefinovaným stavům při náběhu napájení. Napájení driveru je možné realizovat z nezávislých zdrojů (pomocí transformátorů), nebo s využitím Bootstrap techniky. Nábojová pumpa (tzv. Bootstrap) se může za jistých podmínek stát alternativou samostatného napájecího zdroje pro napájení budiče IGBT v horní pozici ve větvi můstku. Provedl jsem srovnání průběhů napětí, proudu teoretických a naměřených a zaznamenaných osciloskopem pro různé varianty obvodových řešení (např. nábojová pumpa / nezávislé zdroje) pro různé parametry. 22


Laboratorní měnič pro napájení střídavých motorů Vladimír Holec - PE 5 lektor: Ing. Jiří Fořt - KVE Úkolem této práce bylo navrhnout a realizovat výkonovou část nepřímého měniče frekvence s napěťovým meziobvodem určeného pro napájení střídavých motorů. Měnič je zapojen s můstkovým diodovým neřízeným usměrňovačem na vstupu, kondenzátorovou baterií ve stejnosměrném meziobvodu. Výstupní část je složena z můstkového zapojení IGBT tranzistorů pro střídač. Při návrhu je uvažováno i s tím, aby bylo možné do stejnosměrného meziobvodu doplnit vyhlazovací tlumivku. Hlavní částí návrhu je dimenzování jednotlivých výkonových částí. To znamená především výběr vhodných prvků z hlediska napěťového a proudového namáhání a výběr vhodného chladiče pro odvedení přebytečného tepla vzniklého na spínacích prvcích. Jako spínací prvky jsou použity IGBT tranzistory v modulu Sixpack. Tento modul obsahuje šest výkonových IGBT tranzistorů se zpětnými diodami v trojfázovém můstkovém zapojení. Dále je v modulu umístěn NTC termistor pro zjišťování vnitřní teploty modulu. Pro usměrňovač je použit modul obsahující šest diod zapojených jako trojfázový usměrňovač. Tento modul dále obsahuje NTC termistor a IGBT tranzistor s nulovou diodou pro brzdný odpor. Oba tyto moduly mají pouzdro určené pro montáž do desky plošných spojů. V této práci jsou dále uvažovány tři možnosti stejnosměrného obvodu měniče: - stejnosměrný obvod bez čidel nadproudu, čidla jsou umístěna v jednotlivých fázích - ve stejnosměrném obvodu je čidlo nadproudu na principu Hallových sond - ve stejnosměrném obvodu je čidlo nadproudu na principu bočník + komparátor + optočlen Pro realizaci byla zvolena varianta s čidlem na principu Hallových sond umístěných ve stejnosměrné meziobvodu. Při návrhu byly respektovány základní konstrukční zásady pro stavbu moderních měničů. Zejména bylo nutno navrhnout desku plošných spojů tak, aby ve stejnosměrném meziobvodu byla co nejmenší parazitní indukčnost vodivých cest. Tyto indukčnosti mají při spínání proudu za následek vznik přepětí, které může ohrozit především polovodičové prvky, stejně tak i ostatní prvky vystavené tomuto přepětí. Objeví-li se z nějakého důvodu v zapojení příliš vysoké napětí, je obvod doplněn o varistory, které mají za úkol případné přepětí svést, popřípadě svojí destrukcí uvést do činnosti pojistky, kterými musí být měnič na vstupu vybaven. Vznikla tedy výkonová část měniče kmitočtu, kterou lze nejen napájet z trojfázové sítě, ale též za jistých podmínek ze stejnosměrného zdroje napětí. Ve spojení s elektrochemickým zdrojem a měničem, který zajistí dostatečnou úroveň stejnosměrného napětí bychom třeba mohli dostat i trojfázový záložní zdroj s nastavitelnou frekvencí a amplitudou výstupního napětí.

23


Návrh rychlovypínače stejnosměrného napětí Jan Horn - KE 5 lektor: doc. Ing. Štěpán Rusňák, CSc. - KES Uplatnění rychlovypínačů v dnešní době je stále široké, používají se převážně v elektrické trakci, ale i v řadě jiných oborů (vypínače a jističe trakčního vedení, vypínače na vozidlech trakčních vozidlech, v elektrolýze a galvanickém pokovování, vypínače a jističe buzení pro synchronní alternátory). Rychlovypínače stejnosměrného proudu jsou jednopólové spínače, ovládané na dálku, určené k jištění stejnosměrných obvodů proti účinkům zkratových proudů. Jedná se o spínací a jistící přístroj, vypínající provozní a poruchové proudy ve stejnosměrném obvodě. Chrání elektrická zařízení proti tepelným a dynamickým účinkům nadproudů. Jeho účelem je omezení vzniklého zkratového proudu v dostatečně krátké době, dříve než dosáhne svého maxima. Vypnutí provází vznik elektrického oblouku, jehož energie se musí zmařit v zhášecí komoře. Na mechanickém vypínacím čase vypínače a na době zániku elektrického oblouku závisí přepětí v elektrickém obvodu. Přepětí namáhá izolaci přístrojů a působí nepříznivě na elektronické prvky připojené do tohoto obvodu. V mé práci se věnuji, vedle mechanického a tepelného návrhu rychlovypínače, právě této důležité problematice, sladění vypínacího času s vzniklým přepětím a návrhu zhášecí komory s magnetickým vyfukováním elektrického oblouku. V úvodu práce je popsána problematika vypínání stejnosměrného obvodu a hašení vzniklého elektrického oblouku. Dále jsem se věnoval návrhu a výpočtu hlavního kontaktního ústrojí. Po několika různých alternativách jsem zvolil koncepci jednoho páru kontaktů. Následně jsem metodou tepelné sítě určil oteplení kontaktních těles a proudové dráhy při předpokládaném zkratu. Vypočítal jsem elektrodynamické síly působící na kontakty a proudovou dráhu. Určil jsem potřebnou kontaktní sílu, která by měla být dostačující k dobré funkci vypínače. V další části se věnuji návrhu zhášecí komory s magnetickým vyfukováním elektrického oblouku. Při vypínání samočinného vypínače vzniká při pohybu pohyblivého kontaktu do vypnuté polohy mezi hlavními kontakty elektrický oblouk. Účelem zhášecí komory je zmařit energii vzniklou na oblouku a rozdělit ho na velké množství dílčích oblouků, jejichž součtové napětí je menší než tzv. zapalovací napětí oblouku. Takto rozdělený oblouk samovolně uhasne. Jelikož se v obvodu nacházejí vždy indukčnosti, nemůže proud zaniknout skokově. Na rychlosti zániku závisí vzniklé přepětí, jež se objeví na indukčnostech obvodu. Namodeloval jsem tuto situaci a snažil jsem se jí vyřešit pro zvolený obvod. Vycházel jsem z povoleného maximálního přepětí v obvodu a přes rychlosti pohybujícího se a natahovaného elektrického oblouku a tvaru opalovacích kontaktů jsem určil potřebné magnetické pole, kterým bude oblouk hnán do zhášecí komory. Navrhl jsem zhášecí cívku, jež potřebné magnetické pole vybudí. Při výpočtu jsem použil experimentálně zjištěné vztahy a grafické závislosti. Posléze jsem navrhl zhášecí komoru s deionizačním roštem, jehož železné lamely jsou ve tvaru „U“, což napomáhá k lepšímu vstupu oblouku do deionizačního roštu a jeho následné uhašení. Návrh je doplněn výkresem zhášecí komory a výkresem celkové sestavy rychlovypínače s uvedením základních rozměrů.

24


Analýza kmitů napětí v obvodech vstupních filtrů lokomotiv Jan Hrabáček - DE 5 lektor: Ing. Ondřej Mšal - KVE Při zkušební jízdě 2 elektrických jednotek 471 ČD bylo zjištěn vznik tlumených kmitů napětí mezi filtry vozidel o frekvenci cca 25 Hz. Ke vzniku kmitů došlo pouze v případě jízdy jednotek se stejnými otáčkami motoru. Jednotka 471 určená pro provoz na síti 3000 V ss je poháněna 4 asynchronními motory zapojenými do dvojité hvězdy. Motory jsou napájeny z napěťových střídačů. Zdrojem napětí je kondenzátor v meziobvodu. Řízení střídače je sinusové se složkou o kmitočtu 3.fs pro statorové otáčky do kmitočtu zhruba 100 Hz. Pro vyšší kmitočty je použito obdélníkové řízení. Ve své práci jsem simuloval a zkoumal průběhy proudu iz kondenzátoru. V prvním případě je motor nahrazen ideálním proudovým zdrojem. Proud je harmonický, posunutý o úhel ϕ za napětím V druhém případě je motor popsán stavovými rovnicemi transformovanými do souřadného systému rotujícího synchronní rychlostí. Napětí statoru je uvažováno harmonické. Simulaci jsem prováděl v programu Pascal. Grafické zpracování výsledků je v Excelu. Zkoumal jsem frekvenční spektrum obou motorových skupin jednotky v závislosti na statorové frekvenci fs. Dále jsem zjišťoval, jaký bude mít vliv posun řízení jedné motorové skupiny vůči druhé. Bylo zjišťeny určité frekvence spektra, na kterých amplituda proudu dosahovala nezanedbatelných hodnot. Nicméně tyto proudy spolehlivě utlumí vstupní filtr vozidla. Z výsledků plyne, že proud kondenzátoru při jakékoli rychlosti, či vzájemném posunu řízení obou skupin nezpůsobuje rozkmit napětí filtru.

Obr.: Elektrické schéma jednotky 471

25


Metody rozběhu asynchronních motorů Karel Kaštánek - EE 5 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KES Práce je zaměřena na metody rozběhu asynchronních motorů. Provádím zhodnocení všech metod rozběhu asynchronního motoru a jejich porovnání. Dále mám za úkol vyhodnotit a porovnat omezení záběrného proudu při rozběhu AM. Následující úkol je porovnání vlivu jednotlivých druhů rozběhu na momentovou charakteristiku a síť. Na závěr práce jsem provedl měření na soustrojí ASYNCHRONNÍ MOTOR - STEJNOSMĚRNÝ MOTOR, které je vybaveno snímačem otáček a momentu a umístěno ve školní laboratoři pohonů. Výsledky těchto měření mají za úkol demonstraci teoretických závěrů předchozích kapitol. Mimoto jsem provedl simulaci rozběhu AM na počítači (PC) v programu DYNAST. Výsledky tohoto matematického modelu potvrzují naměřené průběhy. Rozběh asynchronního motoru znamená urychlit hmotu rotoru AM a rotující části poháněného zařízení z klidu do pracovních otáček. To znamená změnu kinetické energie, kterou je nutno dodat (jakýmkoliv způsobem). Kinetická energie rotujících částí je

Ek =

1 Jω 2 2

K této energii je třeba připočítat ztráty vzniklé při rozběhu a výkon odebraný poháněným zařízením. Při čase, který je pro rozběh určen (není možno rozbíhat hodinu) dostáváme představu o nárocích kladených na elektrizační síť a přívodní vedení k vlastnímu AM. AM po připojení k síti začne odebírat proud o velikosti (5-10)x větší nežli je proud jmenovitý, u výkonově malých motorů, (3-5)x větší, u velkých strojů. Tento proud mírně klesá po celou dobu rozběhu AM a až při dosažení cca otáček zvratu jeho hodnota rychleji poklesne až k hodnotě proudu jmenovitého. Omezení tohoto nadproudu (proudového rázu), který je jalového charakteru, je možné zvýšením impedance na síť připojovaného motoru (nebo elektronicky). Každé omezení záběrného proudu má za následek omezení záběrného momentu, protože pro AM platí, že I = f(U) a M = f(U2). Pro vlastní rozhodnutí, který způsob omezení rozběhového proudu použijeme (je-li to nutné), musíme vzít v úvahu momentovou charakteristiku rozbíhané zátěže a vliv použité metody na momentovou charakteristiku AM. Pokud momentová charakteristika AM pokryje momentové nároky zátěže (s patřičnou rezervou) a vliv na dostupnou elektrizační síť je přijatelný, zbývá ještě pro úplnost provézt ekonomický rozbor, zda podobného efektu nelze dosáhnout jinou, méně nákladnou cestou. V praxi je vhodné, když se pro řešení zadaného problému stanoví několik alternativ, a pro konečné řešení je vybrána nejvýhodnější alternativa (výsledek je vždy kompromisem, protože neexistuje metoda která by při minimálních nákladech přinášela nejoptimálnější provozní vlastnosti). Metody rozběhu, kterými se zabývá moje práce: Přímé připojení na síť Přepínač Y/D Použití speciální kotvy (vírová, dvojitá) Připojení přes autotransformátor Změna odporu v obvodu vinuté kotvy Připojení přes reaktor Použití frekvenčního měniče Přepínání počtu pólů stroje Roztočení cizím pohonem

26


Spínací jev na asynchronním stroji Jiří Kohout - SE 5 lektor: prof. Ing. Václav Bartoš, CSc. - KES Při sepnutí asynchronního stroje vznikají proudové rázy, které způsobují přinejmenším výpadek jističů, a rázy momentové, které mohou například poškodit mechanické spojky. Tato práce řeší spínací jev na asynchronním stroji analyticky užitím teorie prostorových fázorů a Laplaceovy transformace, což umožňuje podrobnější rozbor děje. Postup umožňuje zádání rozdílného skluzu zvratu ze strany statoru a rotoru, dvojí napájení asynchronního stroje a taktéž jeho zpožděné připnutí. Předpokládají se bežná zjednodušení, parametry stroje se uvažují konstantní, přepočtené. Rychlost stroje během přechodného děje se uvažuje konstatní. Vychází se z napěťových rovnic užitím metody prostorových fázorů a rovnice pro vnitřní elmag. moment. Hledané řešení pro spřažené toky statoru (ψs) a rotoru (ψr) v soustavě synchronně rotujících souřadnic nabývá tvaru: ⎡ s + js (s mr + js + p1 )ep1 τ (s mr + js + p 2 )ep 2 τ ⎤ + + Ψ s1 (τ ) = us ⎢ mr ⎥ 2p1 (A ± jB) − 2p 2 (A ± jB) ⎦ ⎣ R (0) ⎡ s ms k r s ms k r ep1 τ s ms k r ep 2 τ ⎤ + + Ψ s2 (τ ) = u r ⎢ ⎥ ⎣ R (0 ) 2p1 (A ± j B) − 2p 2 (A ± j B) ⎦ ⎡s k s k e p1 τ s k ep 2 τ ⎤ + mr s Ψ r1 (τ ) = us ⎢ mr s + mr s ⎥ ⎣ R (0 ) 2p1 (A ± j B) − 2p 2 (A ± j B)⎦ ⎡ s ms + j (s ms + j + p1 )ep1 τ (s ms + j + p 2 )ep 2 τ ⎤ + + Ψ r2 (τ ) = u r ⎢ ⎥ 2p1 (A ± j B) − 2p 2 (A ± j B) ⎦ ⎣ R (0 )

Obr.: Vnitřní elektromagnetický moment v závislosti na čase a skluzu (stroj 32 kW)

27


Měření na třífázovém transformátoru Vlastimil Kovář - KE 5 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KES V této práci se zabývám měření na třífázovém transformátoru. V první časti je vypracován popis a rozdělení transformátorů. Nechybí zde ani princip činnosti transformátoru. Dále je popsáno náhradní schéma transformátoru a vypracovaný postup výpočtu parametrů náhradního schéma metodikou měření: Z měření transformátoru naprázdno a nakrátko získáme tyto hodnoty - napětí naprázdno P0, proud naprázdno I0, příkon naprázdno P0, napětí nakrátko Uk, proud nakrátko Ik a příkon nakrátko Pk. Dále potřebujeme znát převod transformátoru, který zjistíme ze štítku transformátoru nebo jej změříme. Pomocí těchto hodnot můžeme vypočítat již zmíněné parametry náhradního schéma transformátoru. R1

U1

X2σ´

X1σ

Xµ

Iµ I Fe

R2´

RFe

U2

Náhradní schéma transformátoru.

Při měření nakrátko tzn., že výstupní vinutí je zkratováno, odpadne při výpočtu příčná větev náhradního schéma transformátoru. Potom můžeme naměřené hodnoty použít pro výpočet činného odporu primárního vinutí a jeho rozptylové reaktance a činného odporu sekundárního vinutí a jeho rozptylové reaktance (přepočtené na primární stranu). A to za předpokladu, že použijeme poměry R1 : R2´ = 1 : 1 a X1σ : X2σ´ = 1 : 1. Při měření naprázdno zůstane výstupní vinutí rozpojeno a vinutím prochází proud naprázdno I0, který má činnou a jalovou složku. Činná složka IFe kryje ztráty v železe magnetického obvodu. Jalová složka proudu Iµ magnetizuje magnetický obvod a nazývá se magnetizační proud. Z tohoto měření vypočteme hodnoty Xk a RFe. Pro zjednodušení získání těchto hodnot jsem vypracoval program (v programovacím jazyku Pascal), z kterého po zadání naměřených hodnot získáme parametry náhradního schéma transformátoru. V další části se zabývám nesymetrickým zatížení transformátoru. Realizoval jsem zatížení jednofázové, dvoufázové pro skupinu spojení hvězda – hvězda a zatížení dvoufázové pro skupinu spojení hvězda – trojúhelník. Řešení nesymetrického zatížení třífázových transformátorů se provádí metodou souměrných složek. Obecnou soustavu napětí nebo proudů lze rozložit na tzv. souměrné složky – souslednou, zpětnou a netočivou. Sledoval jsem vliv třetí harmonické na průběh magnetizačního proudu. Vznik třetí harmonické záleží na způsobu spojení vinutí. Literatura: [1] Bartoš V.: Teorie a měření na elektrických strojích. Plzeň, VŠSE 1984. [2] Jizierski E.: Transformátory. Praha, Academica 1973. [3] Bartoš V.: Elektrické stroje I. a II. Plzeň, VŠSE 1986.

28


Odstranění rušení při měření rychlosti elektrického stroje Bc. Zdeněk Křelovec - E 1 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KES Při zkoušení elektrických točivých strojů je nutné dostatečně přesně a co nejjednodušeji získat veličiny potřebné pro celkové zhodnocení stavu stroje nebo určení měřené závislosti. Mezi základní veličiny patří proud a napětí, které lze velmi snadno měřit pomocí digitálních přístrojů (např. wattmetru s možností záznamu dat). Dalšími zjišťovanými hodnotami jsou otáčky, moment, zátěžný úhel, apod. Tyto zmíněné veličiny lze snadno měřit pomocí zařízení pro měření otáček a torzního zkrutu hřídele (problematice měření otáček elektrických strojů a realizaci zařízení se věnuje bakalářská práce [1], ze které se dále vychází). Toto zařízení je dále rozšiřováno a upravováno. Mezi úpravy patří odstranění rušení, nepřesnosti a zkreslení signálu vznikající při měření (viz obrázky níže). Tyto jevy nebyly odhaleny ani se nijak neprojevovaly (a to buď z důvodu nižší požadované přesnosti nebo způsobu měření) při prvotní realizaci, zkoušení a užívání zařízení bylo prováděno pouze odečítání pomocí digitálního multimetru. Toto zkreslení se neprojevuje při měření pomocí analogového ani digitálního (digitální multimetry vstupní veličinu integrují), ale pouze při snímání pomocí osciloskopu nebo měřící karty PC. Toto lze vyřešit pomocí digitálního filtru, ale to je velmi časově náročné zejména při vyšším počtu měření. Cílem je tedy dosažení tohoto efektu úpravou převodníku, aby bylo možno odečítat přímo. Dalším zdrojem případného rušení může být zemnění jednotlivých zařízení (ať už měřeného stroje, nebo zařízení používané pro měření. Špatným nebo rozděleným zemněním může docházet ke vzniku vyrovnávacích proudů mezi zařízeními a tím ke vzniku rušení. Toto lze odstranit rozdělením takto vzniklé „smyčky“ například vložením optického členu. Jiné rušení může vznikat souběhem měřících vodičů se silovými kabely. K odstranění je potřeba co nejspolehlivější oddělení těchto vedení. Celé zařízení by mělo ve své finální podobě umožňovat měření otáček, mechanického momentu, torzního zkrutu hřídele, kmitů soustrojí, zátěžného úhlu synchronního generátoru, změnu otáček při nepřesném nafázování stroje na síť a možná i další aplikace.

Signál rychlosti na výstupu převodníku a po odstranění rušení digitálním filtrem

[1] Křelovec, Z.: Bezkontaktní měření otáček elektrických strojů. Bakalářská práce, ZČUFEL Plzeň, 2002

29


VARISTART – mikroprocesorem řízený SOFT START / STOP Lubomír Kuchynka - E 2 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KES Nejčastěji užívaným typem motoru je pro svoji robustní konstrukci, snadnou údržbu a vysokou spolehlivost asynchronní motor. Zařízení VARISTART slouží zejména k měkkému rozběhu asynchronních strojů s kotvou nakrátko. Používá se tam, kde je nevyhovující přímé připojení na elektrickou síť a kde nelze zabránit nepříznivým účinkům vysokého rozběhového proudu ani přepínáním mezi zapojeními hvězda - trojúhelník. Přístroj VARISTART je osazen dvojicí antiparalelně zapojených tyristorů v každé fázi, která je vložena mezi napájecí síť a motor. Tyristory jsou řízeny zapalovacím obvodem a mikroprocesorem. Vybrané charakteristické vlastnosti: Nastavitelná rozběhová rampa 0,5 s – 60 s Nastavitelná doběhová rampa 0,5 s – 60 s Nastavitelné proudové omezení 200 % - 500 % jmenovité hodnoty Nastavitelné startovací napětí Nastavitelný razantní start Všechny parametry se nastavují potenciometry umístěnými na přístroji.Přístroj je vybaven LED indikací, která ukazuje aktuální stav spouštění. Po proběhnutí rozběhového cyklu se VARISTART překlene pomocí stykače, aby nedocházelo k úbytkům napájecího napětí a tím i ke zbytečným činným ztrátám. Je možné také rozbíhat motory s vyšším jmenovitým výkonem než je hodnota maximálního obsluhovatelného výkonu uvedená na VARISTARTu ovšem s jistým omezením: Hodnota okamžitého přenášeného výkonu (resp. energie) nesmí být vyšší, než je zmiňovaná maximální hodnota výkonu soft startu. Dojde-li k porušení této podmínky, celé zařízení bude vypnuto proudovou ochranou. Pomocí VARISTARTu lze realizovat tyto typy rozběhů: Měkký rozběh - Charakteristickou vlastností je pozvolný nárůst napětí z počáteční nastavené hodnoty (cca 30 % - 70 % napájecího napětí) po dobu nastavenou uživatelem. Prodloužením této doby dojde k výraznému snížení rozběhového proudu. Rozběh s proudovým omezením – Používá se v případě měkké napájecí sítě, nebo při jiných aplikacích, kde je zapotřebí snížit rozběhový proud a prodloužit čas rozběhu stroje (ventilátory, setrvačníky, atd…). Startovací rampa je automaticky prodlužována vlivem proudového omezení. Dosáhne-li se nastavené hodnoty proudu mikroprocesor zastaví nárůst napětí dokud proud neklesne pod nastavenou úroveň vlivem vzrůstu impedance rozbíhaného motoru. Razantní rozběh (KICK START) – Jedná se prakticky o měkký rozběh, kterému předchází napěťový impuls (uživatel sám nastaví hodnotu) a pak proces rozběhu dál pokračuje jako standardní měkký start. Brzdění motoru je možno realizovat buď reverzací nebo postupným snižováním momentu motoru. Systém pracuje na principu časovače, nebo je možné jej doplnit o čidlo nulových otáček. Je možné zapojit k soft startu i více motorů najednou. Pak je však kladena podmínka na vyváženost jejich zátěže, motory by také proto měly být stejného typu.

30


Vliv harmonického zkreslení sinusovky proudu a napětí na funkci vytypovaných ochran v DS ZČE a.s. Václav Potužák - EE 5 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE Toto téma vzniklo na základě požadavku firmy ZČE a.s. v rámci pokračování analýzy sítí vzhledem k obsahu vyšších harmonických a hlavně potřeby zkoumání vlivu vyšších harmonických proudů a napětí na funkci elektrických zařízení. Jelikož je monitorování napětí a proudu v sítích vzhledem k harmonickému zkreslení v podstatě novou tématikou, začíná se nejprve zjišťovat vliv tohoto zkreslení u zařízení jenž se podílejí na bezpečnosti a kontinuitě dodávky elektrické energie a dále u zařízení, které hlídají a měří toky proudů a energií. Tato práce je tedy jistým druhem pokračovaní ve zkoumání měřicích zařízeni (elektroměrů nízkého napětí), které již ZČE a.s. uskutečnila. Do napájecí sítě jsou ve stále větší míře připojovány spotřebiče, které navzdory sinusovému napájecímu napětí odebírají ze sítě proud nesinusového průběhu. Tyto spotřebiče se všeobecně označují jako nelineární spotřebiče. Proud odebíraný nelineárními spotřebiči lze stejně tak jako každou periodickou nesinusovou funkci vyjádřit součtem sinusových složek (popř. i složky stejnosměrné), které mají různou amplitudu a jejichž frekvence je celistvým násobkem frekvence nesinusové funkce, tzv. Fourierovou řadou. Sinusová složka o frekvenci shodující se s frekvencí nesinusové funkce (50 Hz), se nazývá základní harmonická. Ostatní sinusové funkce, jejichž frekvence je celistvým násobkem základní harmonické, se nazývají vyšší harmonické nebo zkráceně jen harmonické řádu h. Vlivem kolísavého odběru nelineárních spotřebičů se ve spektru odebíraného proudu mohou vyskytnout i složky, jejichž frekvence není celočíselným násobkem frekvence sítě. Tyto složky se nazývají mezilehlé harmonické nebo také interharmonické. Nelineární spotřebiče lze podle teoretických rozborů i praktických zkušeností považovat za proudové zdroje vyšších harmonických. Harmonické proudy tečou směrem od rušícího zařízení do sítě a na impedanci sítě vyvolávají úbytky napětí příslušející danému řádu harmonické. Tyto harmonické úbytky se superponují na průběh napětí a způsobují tak deformaci křivky síťového napětí ve společném napájecím bodě. Vlivem deformované křivky napájecího napětí je ovlivněn provoz ostatních připojených zařízení v síti, zvláště zařízení citlivých na tvar napěťové křivky. Úroveň napětí harmonických v napájecí oblasti je výslednou hodnotou, k níž přispívají všechna zařízení odběratelů svými emisemi harmonických proudů, úroveň harmonických napětí v síti závisí zejména na: - impedanci sítě pro danou harmonickou, - amplitudě a fázi harmonických proudů emitovaných každým odběratelem, - počtu zařízení odběratelů připojených současně k síti. V rámci spolupráce firmy ZČE a.s. proběhlo měření na vytypovaných ochranách. Mým cílem při tomto měření bylo, abychom mohli porovnat vliv harmonického zkreslení napájecí sítě na ochrany různých výrobců, ale zároveň ochran, jejichž použití v DS je shodné. Dále jsem při volbě ochran vycházel z možností ZČE a.s., která mi ochrany pro samotné měření zajišťovala. Pro toto měření jsem měl k dispozici 4 ochrany používané v současné době v distribučních sítích ZČE a.s. Dvě digitální ochrany nadproudové od výrobců ABB a SIEMENS a dále dvě ochrany rozdílové, z nichž jedna byla digitální od výrobce SIEMENS a druhá ochrana byla staršího reléového typu od výrobce ZPA Turnov.

31


Měření na 3 fázovém trojvinuťovém transformátoru Josef Veselý - KE 5 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KES Transformátor je jedním z nejdůležitějších strojů. Základní funkcí je měnit daný výkon jednoho napětí na napětí druhé. Tím se mění i proud, přičemž přenesený výkon zůstává přibližně stejný. To umožňuje například přenášet veliké výkony v energetických systémech při vysokých napětích a nízkých proudech. Kromě transformace napětí a proudu lze transformovat i počet fází. Tato funkce se nejčastěji vyskytuje u transformátorů napájejících usměrňovače nebo při napájení vícefázových střídavých komutátorových motorů. K tomu aby mohlo k transformaci vůbec dojít, musí existovat magnetický obvod a alespoň dvě vinutí. Transformátory mohou mít více vinutí než dvě. Některá z nich jsou vinutími vstupními (výkon se jimi do transformátoru přivádí), ostatní jsou vinutími výstupními (výkon se jimi odvádí). Vinutí mohou během provozu svoji funkci měnit. V silnoproudé elektrotechnice se nejčastěji z transformátorů s několika vinutími vyskytuje transformátor se třemi vinutími a tím se zabývám ve své práci. Kde se vlastně trojvinuťové transformátory používají? Nejčastěji je lze najít zejména v elektrárnách, kde vstupní vinutí přijímá energii od generátoru a jedno výstupní vinutí odvádí energii do sítě a druhé výstupní vinutí slouží k pokrytí vlastní spotřeby elektrárny, nebo naopak mohou být vstupní vinutí dvě, odebírají-li energii od dvou generátorů a třetí vinutí pak odvádí energii do sítě. Dále se poměrně často trojvinuťové transformátory používají v rozvodnách, když je třeba propojit tři sítě o různých napěťových hladinách. Náhradní schéma trojvinuťového transformátoru se liší od klasického náhradního schématu uváděného pro dvojvinuťové transformátory (viz obr.1). Kde impedance z1 = r1 + jξ1, r je odpor vinutí a ξ nahrazuje funkci rozptylové reaktance. Totéž platí pro z2 a z3. Proudy, napětí a výkony potřebné k výpočtu impedancí získáme měřením dvojic vinutí, z nichž vždy jedno je napájené a druhé v zapojení nakrátko. Magnetizační proud je u technických transformátorů malý, takže se většinou zanedbává. Náhradní schéma nevyhovuje při chodu naprázdno. Tento nedostatek lze odstranit zavedením magnetizační impedance, která se zpravidla umisťuje mezi uzel a zem.Dalším měřením je měření zatížení jednotlivých fází při nesymetrickém rozložení zátěže. Po změření různých zapojení (trojúhelník, hvězda, lomená hvězda, jedno z možných zapojení je uvedeno na obr.2.) lze vyhodnotit, které zapojení je nejvhodnější pro provozování transformátoru při nesymetrické zátěži.

32


Sekce Elektrické teplo a světlo složení komise předseda

prof. Ing. Jiří Kožený, CSc.

členové

doc. Ing. Zbyněk Martínek, CSc. Ing. Emil Dvorský, CSc. Ing. Petr Bruner Ing. Pavel Prosman

33


Tepelná čerpadla v podmínkách České republiky Daniel Franěk - TE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Energie spotřebovávaná lidstvem prudce stoupá. Zatímco ještě v šedesátých letech dvacátého století se o zásobách fosilních paliv hovořilo jako téměř o nevyčerpatelných, dnes už je jasné, že využívání celosvětových zásob je značně omezeno. Nemalá část energetických zdrojů je spotřebovávána na vytápění obytných nebo průmyslových budov a ohřev teplé užitkové vody. Právě pro tento účel může velmi výhodně sloužit tepelné čerpadlo (TČ). PRINCIP A SYSTÉMY TČ Každé tepelné čerpadlo odebírá zdroji energie (např. půdě, vzduchu, vodě), nízkopotenciální teplo, které se pak pomocí ušlechtilé energie (většinou elektrické) přečerpává na vyšší teplotní úroveň, při které je již možné vytápět dům nebo ohřívat vodu. Elektrická energie představuje jen 25 – 35 % z celkové využité tepelné energie, čímž se výrazně sníží provozní náklady tohoto zařízení, i když investiční náklady jsou vyšší. Základem zařízení je cirkulační okruh, ve kterém proudí pracovní látka, která při odpaření ve výparníku při nízkém tlaku (díky expanznímu ventilu) odebere teplo vnějšímu prostředí. V kompresoru se stlačí a zvýší tak svou teplotu; zkapalněním v kondenzátoru tuto energii předá topnému systému, který by měl být pro co nejefektivnější chod TČ nadimenzován na co možná nejnižší teplotu topné vody. Existuje několik systémů TČ, podle toho odkud je nízkopotenciální teplo čerpáno a do čeho je předáváno. Ty základní jsou „země-voda“, „vzduch-voda“ a „voda-voda“. Nejefektivnější je systém „voda-voda“, ale vyžaduje náročné geologické podmínky. V našich klimatických podmínkách a při současných technologiích je velmi výhodný systém „vzduchvoda“, který má celkové investiční náklady relativně nízké a při tom je provozně srovnatelný, většinou i efektivnější, než systém „země-voda“. PODMÍNKY V ČR Instalace tepelných čerpadel u nás jsou známy už ze 70. let, kdy ale šlo v podstatě jen o demonstraci toho, že tato zařízení skutečně fungují. Teprve na počátku 90. let se některé firmy začaly touto problematikou významně zabývat. Česká republika oproti jiným evropským státům stojí teprve na počátku uplatnění tepelných čerpadel. V současné době je instalováno zhruba 1500 TČ, potenciál je až 500 tisíc. V našich podmínkách je poměr ceny tepelných čerpadel a kupní síly obyvatelstva přece jen odlišný od vyspělých Evropských zemí. Nelze předpokládat, že ten kdo má problémy zaplatit nakupovanou energii, bude mít na to, aby si z úsporných důvodů pořídil tepelné čerpadlo. Zde musí finanční dotací přispět stát, který tak podpoří rozvoj tepelných čerpadel a přispěje k úsporám energie. V současnosti lze o 30 % finanční podporu žádat u Státního fondu životního prostředí, který po splnění všech podmínek (některých až nelogických) uvolní příslušnou částku. Obyčejný řadový občan ovšem tuto dotaci získá dost těžko. Proto většina firem, zabývajících se problematikou tepelných čerpadel, nabízí téměř 100 % výpomoc při tomto až byrokratickém postupu žádosti o finanční podporu. Mezi hlavní bariéry zabraňující vývoji tepelných čerpadel v ČR patří především: - nedostatečná osvěta mezi laickou, ale i odbornou veřejností, která ve většině případů neví co to vlastně tepelné čerpadlo je; chybí důsledné školení - projektanti ze setrvačnosti navrhují topné systémy pro vysokou teplotu, což je pro tepelná čerpadla absolutně nevyhovující - doposud dotované ceny některých energetických paliv relativně znevýhodňují TČ - již zmíněná komplikovanost při získávání státní dotace.

34


Optimální podmínky pro tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci Jiří Hrubec - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Indukční kelímkové pece jsou v současném metalurgickém, slévárenském i elektrotechnickém průmyslu základními a nejčastěji využívanými zařízeními k tavení oceli, litiny a neželezných kovů. Jejich základním úkolem je nejčastěji roztavení tuhé vsázky, uskladnění tekutého kovu, přimíchání stopových přísad a také přihřívání na licí teplotu. Pro tavení neželezných kovů, a to zejména tavení mědi, hliníku a jejich slitin se dodnes využívají indukční kanálkové pece, které pracují na stejném principu dodání tepla do taveného materiálu, kdy elektromagnetické vlnění vyzařované z induktoru dopadá na elektricky vodivou stěnu, do níž vstupuje a vyvolává naindukovaný proud, jehož průchodem se stěna zahřívá. Pece kanálkové mají ale odlišnou konstrukci než-li pece kelímkové. Právě tato odlišná konstrukce kanálkové pece přináší několik nevýhod a nežádoucích jevů, které při procesu tavení neželezných kovů vznikají. Jelikož v kanálkové peci se teplo do vsázky dodává pouze v prostoru kanálku, je prvotní podmínkou vzniku naindukovaných proudů uzavřený sekundární obvod tj. přítomnost již roztavené vsázky v kanálku. Proto v případě opakovaného tavení, se v peci ponechá část taveniny z předchozí tavby, která zaplňuje prostor kanálku a části nístěje, čímž je podmínka vzniku naindukovaných proudů splněna. V případě první tavby je třeba do pece dodat roztavený materiál, který se předem roztaví například v kelímkové peci. Dalším nežádoucím účinkem je tzv. „uskřipovací jev“, ke kterému dochází při překročení jisté kritické hodnoty proudu ve vsázce, kdy vzniklé elektrodynamické síly, působící v radiálních rovinách všemi směry kolmo k povrchu tekutého vodiče, přeruší souvislý prstenec roztaveného kovu, následně zanikne elektrodynamické působení, prstenec se znovu spojí a jev se opakuje, přičemž vznikající rázy znemožňují řádný chod pece. Při tavení hliníku dochází na povrchu taveniny ke vzniku kysličníku hlinitého, který vytváří souvislou vrstvičku. Vlivem působení elektrodynamických sil může dojít k nadměrnému víření taveniny. Souvislá vrstvička kysličníku se potrhá, kov pohlcuje vzduch a dále oxiduje. Kysličník je těžší, klesá tedy ke dnu, usazuje se v kanálcích a způsobuje jejich „zarůstání“. Ukazatelem, který signalizuje potřebu vyčištění kanálků, je zvýšení účiníku cos ϕ. Po té je nutné kanálky čistit. Čištění trvá cca 20 minut. Svislé části kanálků se čistí 2 až 3krát za směnu, při vsázce v peci pomocí zvláštních nástrojů. Horizontální části kanálku se čistí asi jednou za směnu, kdy je třeba vylít všechnu vsázku a otevřít příslušné zátky. Trvá-li čištění příliš dlouho, zchladnou stěny kanálku a po nalití roztaveného kovu vznikají na povrchu trhlinky, které výrazně zkracují životnost vyzdívky. Při tavení mědi v kanálkové peci se dosahuje účinnosti 60 až 72 %, při tavení hliníku a jeho slitin dosahujeme účinnosti 65 až 85 %. V mé diplomové práci řeším optimální podmínky pro tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci, kde z výsledků plyne, že tavení probíhá při menší účinnosti cca 50 až 60 %. Tudíž z energetického a ekonomického hlediska jsou indukční kanálkové pece pro tavení neželezných výhodnější, ale i přesto se v některých případech volí tavení neželezných kovů a jejich slitin v kelímkové peci i za cenu nižší účinnosti a to z výše uvedených nevýhod kanálkových pecí, kdy ekonomické ztráty vzniklé prostoji při čištění kanálků a náklady na vyrobení vyzdívky jsou vyšší než náklady při tavení v kelímkové peci. V případě již stávajícího zařízení kelímkové pece a požadavku podniku pro tavení neželezných kovů, je nutné zvážit, zda tavení neželezných kovů v této peci, by nebylo ekonomicky výhodnější než nákup nové pece kanálkové a jejího příslušenství. Návrh kelímkové pece je velmi zdlouhavý a tudíž pro řešení tohoto problému jsem sestavil program v programovacím jazyku Visual Basic 6, který návrh velmi urychluje. V případě zájmu jsem tento program ochoten předvést. 35


Teplotní pole elektrických sálavých panelů Zdeněk Chudáček - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Vytápění elektrickými sálavými panely je progresivní a stále více oblíbený způsob, jak vytápět bytové i nebytové prostory. Tento způsob vytápění neohřívá vzduch, nýbrž podlahu, stěny a ostatní předměty, na než tepelné záření dopadá. Vzduch se ohřívá sekundárně od sáláním zahřátých povrchů. Vzduch díky tomu neproudí, a proto nevíří prach ani mikroorganismy. Největší výhodou tohoto způsobu vytápění je jeho vysoká úspornost a přizpůsobivost. Velikosti panelů lze přizpůsobit přesně na míru, která je zapotřebí. Provoz panelů je zcela tichý a bezodpadový. Má dlouhou životnost a vyžaduje pouze minimální údržbu.V mé práci se zabývám teplotním polem elektrických sálavých panelů. Jedná se o prostorové rozložení teplot v okolí sálavého panelu v závislosti na výkonu a vzdálenosti od sálavého panelu. Velikost a rozložení teplot jsou rovněž závislé na vzdálenosti od otopných ploch, tj. poloze místa ve sledovaném objektu a na rozměrech objektu. Teplota vzduchu ohřátého od podlahy, předmětů a okolních stěn roste v závislosti na výšce od podlahy podstatně pomaleji, než je tomu u klasických otopných systémů. K největším rozdílům dochází v oblasti pohybu člověka, tzn. do 2 metrů nad podlahou. Velké rozdíly teplot v této oblasti působí velice nepříznivě na dosažení tepelné pohody. Nohy a hlava člověka jsou pak v rozdílných mikroklimatických podmínkách. Tento nepříznivě působící jev je u sálavého vytápění zavěšenými sálavými panely výrazně potlačen. Změnami parametrů jako je výkon sálavého panelu, výška instalace a účinnost panelu lze docílit optimální rozložení teplot v pracovní oblasti a tím dosažení tepelné pohody člověka v daném prostoru. Důležitým bodem diplomové práce je analýza teplotního pole na základě měření tohoto pole sálavého panelu. Měření proběhlo u firmy Fenix s.r.o. sídlící v Jeseníku, která se zabývá výrobou nízkoteplotních i vysokoteplotních elektrických sálavých panelů. Abych vyhověl požadavkům firmy, tak měření proběhlo na vysokoteplotním panelu Ecosun S 3600. Elektrický výkon panelu 3,6 kW, napájecí napětí 400 V. Doporučené použití těchto panelů je u vytápění průmyslových hal, tělocvičen, sálů, dílen a podobných prostor. Pro měření byl panel zavěšen pod stropní konstrukcí, což je v praxi typické. Výška zavěšení se pohybovala od 2,8 do 3,2 m nad podlahou. Většina měření proběhla ve výšce 1,8 m nad podlahou, která odpovídá pohybu hlavy člověka. Změřeny byly také teploty těsně nad zemí a 1 m nad podlahou. Druhá část měření byla zaměřena na možnost použití zavěšení panelů pod různým úhlem do vytápěné zóny. Měření teplot proběhlo ve výšce 1,8 m nad podlahou a pod úhly zavěšení 15, 30, 45 a 60 stupňů. Všechna měření jsou důležitá pro praktické navrhování sálavého vytápění těmito panely. Z naměřených hodnot lze určit například optimální vzdálenost mezi sousedními sálavými panely nebo vhodný úhel zavěšení pro konkrétní vytápěnou zónu.Teoretická část práce se zaměřuje na princip působení sálaní na tepelnou pohodu člověka a aplikací přenosu tepla sáláním na sálavé panely.

36


Tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci Jiří Kojzar - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Tavení různých kovů pomocí elektromagnetické indukce se využívá již desítky let. V současné době nachází široké uplatnění při tavení i při ohřívání či kalení kovového materiálu. Indukční ohřev je prakticky možný jen u elektricky vodivých materiálů. Indukční kelímková pec je principiálně vzduchový transformátor. Cívkou prochází střídavý proud a ve vsázce se díky elektromagnetické indukci uzavírají naindukované proudy, které způsobí její roztavení. Energie elektromagnetického vlnění vyzařovaná cívkou se spotřebuje na uvolnění elektronů, které pak narážejí na další atomy. Tím se jejich kinetická energie přemění na tepelnou energii. Pro vznik tepla je určující reálná složka impedance vsázky. Tavit neželezné kovy (měď, hliník a jejich slitiny) lze v indukční kelímkové peci s nevodivým nebo vodivým kelímkem či v indukční peci kanálkové. V této diplomové práci se zabývám posouzením vhodnosti tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci s vodivým a nevodivým kelímkem na základě konkrétního výpočtu. Použijeme-li indukční pec s nevodivým kelímkem, pak musíme vědět, že materiály s velkým měrným odporem (ρ) se indukčně zahřívají s vyšší účinností. Příkladem těchto kovů mohou být např. ocel nebo litina. Navíc zde vyvstává problém s určením minimální zrnitosti šrotu, která je určena množstvím naindukovaného tepla do vsázky. To je závislé na fyzikálních vlastnostech vsázky, relativní permeabilitě (µr) a elektrické vodivosti (γ), které jsou rozdílné pro železné a neželezné kovy a jejich slitiny. U neželezných kovů je stále relativní permeabilita rovna jedné, zatímco u železných je do Curieho bodu (pro uhlíkovou ocel 760 °C) závislá na teplotě (t). Navíc je relativní permeabilita závislá i na intenzitě magnetického pole (H2). Tyto aspekty mají vliv na hloubku vniku naindukovaných proudů (a) při počátečním ohřívání železných kovů, přičemž musíme brát v úvahu také závislost elektrické vodivosti (γ) na teplotě železných i neželezných kovů. Ta klesá se stoupající teplotou. Současně klesá i množství absorbované elektromagnetické energie, zejména pak u železných kovů, kdy relativní permeabilita při teplotě nad Curieho bodem klesá na hodnotu rovné jedné. Proto se výpočet provádí pro roztavenou vsázku, kdy je množství absorbované elektromagnetické energie pro daný kmitočet nejmenší. Množství tepla vyvinutého ve vsázce nezávisí jen na vlastnostech vsázky, ale i na elektrických parametrech zdroje elektromagnetického vlnění – na jeho frekvenci (f) a na velikosti intenzity (H2) a tedy i na naindukovaném proudu ve vsázce (I21), který je teoreticky stejně velký (pro tavicí pece) jako budicí proud v cívce (I11). Objemové množství absorbovaného tepla se také zvyšuje s hodnotou frekvence. Vzhledem k těmto problémům a k nízké elektrické účinnosti tavení dobře vodivých materiálů je výhodnější indukční kelímková pec s vodivým kelímkem. U indukční pece s vodivým kelímkem se elektromagnetické vlnění přemění v teplo přímo v kelímku. Takto zahřátý kelímek pak předává teplo vsázce. Odpadá tedy problém se zrnitostí šrotu. Vodivost kelímku musí být taková, aby se většina elektromagnetického vlnění utlumila přímo v kelímku - tedy nepříliš vysoká. Důležitá je i tloušťka kelímku. Víme-li, že ve stěně o tloušťce 3a se všechna dopadající energie prakticky utlumí a přemění se v teplo, pak jí do samotné vsázky projde minimálně. Pro použití indukční pece s vodivým kelímkem pro tavení neželezných kovů hovoří nejen větší elektrická účinnost a bezproblémovost se zrnitostí šrotu, ale též snížení vzdutí vsázky nebo snadnější odstraňování usazených nečistot oproti indukční peci kanálkové. Širší zastoupení pecí s vodivým kelímkem však v praxi zatím nenajdeme, neboť je problém určit materiál tohoto kelímku. Např. tavení mědi probíhá za vysokých teplot a dochází k vzájemnému působení s roztavenou vsázkou. 37


Posouzení možností elektrického vytápění průmyslových objektů Jan Lexa - KE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Při projektování otopného systému budov je třeba vytvořit předpoklady pro jejich pozdější žádoucí provoz. A to nejen z hlediska vytvoření tepelné pohody, ale také z pohledu energetického, ekonomického a ekologického. Poměrně velká část lidstvem využívané energie se v konečném důsledku mění a využívá jako tepelná energie. Předpokládá se, že tato část činí zhruba osmdesát procent z veškeré energie a zhruba šedesát procent energie elektrické. Z pohledu ekologie, energetiky a ekonomiky není tato statistika ani zdaleka uspokojivá. Bylo by všeobecně výhodnější, kdyby došlo ke snížení spotřeby tepla. Největším problémem je vytápění velkoplošných objektů s vysoko umístěnými stropy. Této charakteristice nejvíce odpovídají výrobní haly, velké tělocvičny a sportovní stadiony. Návrhem otopné soustavy výrobní haly se zabývám ve své diplomové práci – „Posouzení možnosti elektrického vytápění průmyslových objektů“. Chceme-li snížit náklady na vytápění, můžeme k tomuto úkolu přistupovat ze dvou základních hledisek: snížením tepelných ztrát objektu, využitím finančně nenákladného zdroje energie. Nejvýhodnější se jeví skloubení obou těchto přístupů, to jest vytvoření komplexního otopného systému, který bude pracovat s co možná nejlevnější energií a bude ji co nejépe využívat. Takový systém bude přijatelný podle všech hlavních kritérií (3E). V našich současných poměrech, kdy pouze ve vzácných případech máme dostatek potřebných zdrojů, musíme uvedeným kritériím přidělovat preference. Ve většině případů je pak rozhodujícím faktorem hospodárnost projektu, a to zejména jeho finanční návratnost. Tepelné ztráty jsou způsobeny dvěma zásadními příčinami. Vlivem vytápění dochází uvnitř objektu ke zvyšování teploty, a tím i k nárůstu teplotního rozdílu mezi teplotami uvnitř a vně objektu. Vlivem nenulové tepelné vodivosti pláště přechází energie z teplejšího prostředí do chladnějšího. Máme-li snížit tepelnou ztrátu objektu, můžeme toho docílit aplikováním dvojího přístupu: zmenšením rozdílu mezi teplotami uvnitř a vně objektu nebo zlepšením tepelně izolačních vlastností pláště budovy. V diplomové práci jsou podle základních ekonomických, ekologických a technických kritérií porovnány následující alternativy užití otopných systémů: rekonstrukce stávajícího otopného systému, vytápění sálavými panely napájenými elektrickou energií, vytápění sálavými panely vyhřívanými zemním plynem, tepelné čerpadlo. Po zhodnocení jednotlivých variant a po konzultaci se zadavatelem diplomové práce, jsem jako nejvýhodnější vyhodnotil variantu, kdy je hala vytápěna sálavými panely napájenými plynem. Důvodem je skutečnost, že tato varianta v sobě spojuje nejvýhodnější systém vytápění a nejlevnější pořízení systému. Provozně nejvýhodnější je tepelné čerpadlo. To však pouze za cenu enormně zvýšených nákladů na pořízení systému. Návratnost této investice je při současném nastavení cen energií cca 50 let. Zkrácení této doby je možné dosažením státní dotace na pořízení ekologického systému vytápění. Tato dotace se však netýká ekonomických subjektů podnikajících za účelem dosažení zisku. Využití tepelného čerpadla je z ekonomického pohledu nejvýhodnější u neziskových organizací, které mohou obdržet dotaci na pořízení až do výše 70 % z ceny tepelného čerpadla.

38


Návrh elektrického vytápění objektu Martin Louženský - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Cílem mé práce je ukázat, jaké jsou možnosti elektrického vytápění a uvést ho jako jednu z velmi zajímavých variant, především v nových, ale i rekonstruovaných objektech. Při volbě otopné soustavy je potřeba posoudit nejen současné podmínky na trhu s energií, ale i to, jak se tyto podmínky budou pravděpodobně vyvíjet v dalších desetiletích. Ve světě se již koncem první třetiny tohoto století začne projevovat dočerpání únosně těžitelných zásob ropy, což bude ovlivňovat nejen její ceny, ale i ceny ropných produktů a zároveň zemního plynu. Únosně těžitelné světové zásoby zemního plynou jsou sice větší než zásoby ropy, přesto světové studie odhadují jejich dočerpávání už během poslední třetiny 21. století. Zásoby českého energetického uhlí vystačí také asi po první třetinu století a proto je vhodné zamyslet se nad tím, jaký otopný systém zvolit do novostaveb. Zejména z toho důvodu, abychom ho nemuseli během životnosti této stavby z důvodů vysokých provozních nákladů měnit. Přestavba vytápění z jednoho systému na jiný, by mohla být finančně velice náročnou záležitostí. Již dnes jsou náklady na vytápění plynem a elektřinou srovnatelné. Dále je zde ekologické hledisko, které nelze přehlédnout. Při vytápění elektřinou, přesouváme exhalace, vyvolané spalováním paliv z měst a obydlených území do elektrárenských lokalit. Mimo to je v elektrárně, nebo v teplárně, spálení stejného množství paliva mnohem (asi 200 krát) méně škodlivé, než jeho spálení v lokálních topeništích. Vytápění elektřinou je z hlediska uživatelů velmi komfortní, dokonale regulovatelné, čisté a nenáročné na obsluhu a údržbu. Úkolem vytápění je zajistit tepelnou pohodu člověka. To znamená takový stav, kdy člověk nemá pocit přílišného chladu, ani tepla, tj. okolí odebírá člověku právě tolik tepla, kolik jeho organismus vyprodukuje. Jelikož vnímání tepelné pohody je pro každého člověka jiné, nedá se obecně říci jaké parametry by prostředí mělo mít pro vytvoření pocitu tepelné pohody u všech pobývajících lidí. Elektřinou je možno vytápět buď přímo předáváním vytvořeného tepla v topných článcích konvekcí či zářením, nebo elektrokotlem, který ohřívá vodu přiváděnou do výměníků tepla. Při návrhu otopné soustavy s jakýmkoli zdrojem tepla vycházíme z tepelných ztrát objektu, závisejících především na materiálové skladbě jeho konstrukcí. V mém konkrétném případě jsem programem Protech, který vychází z normy ČSN 06210, určil hodnotu tepelných ztrát Q = 26,8 kW. Podle dílčích ztrátových hodnot jednotlivých místností, jsem navrhl počet a výkony vytápěcích přímotopných jednotek. Volil jsem mezi sálavými a konvekčními a rozhodl se pro konvekční tělesa. Celkový navržený výkon všech konvektorů je 28,5 kW. Porovnáme-li investiční náklady navržené soustavy s ostatními vytápěcími systémy na jiná paliva vychází nejlevněji. Nejdražší na pořízení vychází vytápění LTO. Co se týká provozních nákladů, je navržená soustava, po vytápění LTO, nejnákladnější. Pro značnou úsporu je možné konvektory od firmy FENIX doplnit o časovou regulaci, pro případ obývání jednotlivých částí budovy jen v určitém čase. Provozně nejlevnějšími variantami jsou vytápění dřevem a uhlím, náklady na jejich provoz jsou asi čtvrtinové oproti vytápění elektřinou. Jako nejdražší varianta se ukázalo vytápění na LTO.

39


Návrh osvětlovací soustavy průmyslového závodu Jaromír Nový - KE 5 lektor: doc. Ing. Josef Linda, CSc. - KEE Při manuální práci člověka je zrak nejčastěji využívaným smyslem pro získávání informací o předmětu činnosti i okolním prostředí. Pro optimální zrakový výkon je třeba vytvářet odpovídající podmínky z hlediska fyziologie zraku, je však nutné respektovat i mnoho dalších faktorů. K těm patří zejména technologická a ekonomická omezení. Návrh osvětlovací soustavy je vždy kompromisem, kdy se snažíme v rámci únosných investičních a provozních nákladů realizovat osvětlení maximální užitné hodnoty vzhledem k účelu osvětlovaného prostoru. Hlavním vodítkem pro volbu parametrů osvětlovací soustavy je soustava příslušných norem. Ve své práci „Návrh osvětlovací soustavy průmyslového závodu“ se zabývám návrhem osvětlovací soustavy v prostorech pro strojírenskou výrobu a v kancelářích. Pro správný návrh osvětlení v kancelářských prostorech je důležitá důkladná znalost účelu prostoru, popř. i rozmístění pracovišť. Pro umělé osvětlení těchto prostorů jsou nejčastěji využívána zářivková svítidla. Při návrhu osvětlení v prostorech pro výrobu narážíme na více úskalí. Hlavním problémem v průmyslových prostorech, zejména pro strojírenskou výrobu je zvýšená produkce nečistot a tím rychlejší degradace parametrů všech osvětlovacích zařízení. Častým omezením je též problematické umístění svítidel z technologických důvodů (pojezdy jeřábů, manipulace s rozměrnými předměty apod.). Proto se pro osvětlování těchto prostorů využívají zejména vysokovýkonná výbojková svítidla. Tento druh osvětlení je výhodný z hlediska spotřeby elektrické energie a provozních nákladů osvětlovací soustavy. Z bezpečnostního hlediska je nutné důsledně dbát zamezení vzniku stroboskopického jevu. Tento problém řeší střídavé připojení svítidel na všechny tři fáze napájecího rozvodu nebo moderní svítidla s vysokofrekvenčními předřadníky. Výrazný vliv na ekonomiku provozu osvětlovací soustavy má způsob regulace osvětlení. Zejména v případech, kdy není trvale využíván celý osvětlovaný prostor, je možné vhodným způsobem regulace výrazně snížit spotřebu elektrické energie. Kvalita osvětlení v průběhu provozu a užívání osvětlovací soustavy však není určena pouze počátečním návrhem a jeho realizací. Častou příčinou nevyhovujícího stavu osvětlení je zanedbání údržby osvětlovacích zařízení a dalších souvisejících činností. Po srovnání několika variant návrhu a konzultaci s uživatelem objektu jsem jako nejvýhodnější variantu zvolil pro osvětlení výrobních prostor závěsná svítidla osazená vysokotlakými výbojkami a pro osvětlení kancelářských prostor stropní zářivková svítidla. Tato volba se jeví jako nejvýhodnější z hlediska vložených investic i nákladů na provoz a údržbu osvětlovací soustavy. Pro optimální funkci osvětlovací soustavy jako celku je vhodné doplnit celkové osvětlení správně umístěnými místními svítidly. To se týká především pracovních prostorů obráběcích strojů. Investice vložená do rekonstrukce osvětlovací soustavy přináší kromě optimálních podmínek pro činnost zraku další příznivé efekty jako je zvýšení bezpečnosti práce, kvality výroby.

40


Optimální podmínky pro tavení litiny v indukční kelímkové peci Václav Přibyl - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Indukční ohřev je možný jen u elektricky vodivých materiálů. Energie střídavého elektromagnetického pole se vyzařuje z cívky (induktoru) na vodivou vsázku, kde se indukují vířivé proudy. Tyto proudy vsázku zahřívají. Teplo vzniká přímo ve vsázce, z čehož je zřejmé, že má nejvyšší teplotu v celé soustavě indukčního ohřevu (vše ostatní může být studené). Toto je velká výhoda indukčního ohřevu. Další výhodou je, že vsázka je galvanicky oddělená od všech částí soustavy. V této práci se zabývám tavením litiny v indukční kelímkové peci. Pec tohoto typu je v principu vzduchový transformátor. Primární vinutí tvoří válcová cívka z měděné trubky obdélníkového průřezu a sekundární vinutí je vsázka, která je spojena nakrátko. Vodič induktoru je trubkového průřezu proto, že jeho dutinou prochází chladící médium (voda). Voda musí odvést elektrické ztráty v cívce (asi 20 až 25 % příkonu) a dále teplo, které projde do cívky ze vsázky stěnou kelímku. Hlavní výhodou indukčních kelímkových pecí je, že v nich vlivem působení elektrodynamických sil dochází k intenzivnímu víření roztavené vsázky v kelímku, které nastává vždy při průchodu proudu cívkou. Výsledkem je dokonalá homogenita slitiny roztaveného kovu. Při průchodu střídavého proudu cívkou se vzniklé magnetické pole uzavírá vně cívky (přes ocelové konstrukce pece). Tím by se konstrukce zahřívaly, zvýšily by se ztráty a snížila by se účinnost pece. Proto je cílem snížit magnetický tok vně pece na minimální hodnotu. Tohoto lze dosáhnout stíněním pece a to buď válcovým pláštěm souosým s cívkou z dobře vodivého materiálu, nebo se vně cívky umístí svazky transformátorových plechů. Při návrhu indukční kelímkové pece je nutné se také zabývat problematikou tavení tříděného šrotu. Zde je problém v tom, že vsázka není válcová, ale kusová, kdy mají kusy různý tvar a velikost. Je proto velmi pravděpodobné, že by některé kusy šrotu byly elektromagneticky průzařné, proto je třeba šrot třídit také podle velikosti kusů a pro tavení použít zdroje s vhodnou frekvencí. V průběhu tavení železných kovů pomocí elektromagnetické indukce mění vsázka svoje parametry. Na začátku tavení až do teploty magnetické přeměny (pro ocel ~ 760 °C) je vsázka magnetická, pevného skupenství. Od teploty magnetické přeměny až do teploty tavící (pro ocel ~ 1500 °C) je vsázka nemagnetická, pevného skupenství. Nad teplotu tavící je vsázka tekutá a nemagnetická. To znamená, že při návrhu indukčního ohřevu magnetických materiálů je nutné se zabývat také problematikou konečné teploty ohřevu, z čehož vyplývá různá magnetická permeabilita. Volbou frekvence proudu, jenž napájí induktor, se ovlivňuje rozdělení tepla vyvíjeného ve vsázce. Toto je dáno tím, že je hloubka vniku a naindukovaných proudů mimo jiné závislá na frekvenci napájecího napětí a ve vrstvě na povrchu vsázky o tloušťce a vzniká přibližně 86 % z celkového množství naindukovaného tepla do vsázky.

41


Tepelná čerpadla ekologicky, energeticky a ekonomicky Zbyněk Štěpán - KE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Tepelná čerpadla využívají obnovitelné zdroje energie, které se nacházejí všude kolem nás. Jde o energii Slunce dopadající na zemský povrch, případně geotermální energii zemského jádra. Obrovské množství energie, které máme k dispozici, aniž bychom museli pro účely vytápění spalovat fosilní látky, lze efektivně využívat tepelnými čerpadly pro vytápění a ohřev užitkové vody. Tepelná čerpadla odebírají nízkoteplotní energii půdě, vodě nebo vzduchu a předávají ji otopné soustavě. Energie není získávána spalováním, ale odebírána okolnímu prostředí, proto jsou tepelná čerpadla velice ekologická. Skutečnost, že energii z obnovitelných zdrojů máme k dispozici a nemusíme ji vyrábět, jen ji efektivně převést do využitelné podoby, znamená pro uživatele významný ekonomický přínos, neboť značnou část potřebné energie nemusí vůbec nakoupit. Současný technický pokrok je na takové úrovni, že tepelná čerpadla, která jsou mimořádně vhodným zařízením pro účely vytápění a ohřevu vody, dokáží z 1 kWh elektrické energie dodané pro pohon tepelného čerpadla získat troj až čtyřnásobné množství tepelné energie z okolí vytápěného objektu. V práci je popsán princip tepelného čerpadla, způsoby a zdroje pro získávání tepla, jednotlivé části tepelných čerpadel, chladiva, zapojení systémů tepelných čerpadel. Myšlenka odebírání tepla tepelnými čerpadly je stará více než 140 let a v současné době růstu cen energií a energetických úspor nabývá velkého významu použitím těchto zařízení v bytovém hospodářství a v průmyslu – zapojení tepelného čerpadla do otopného systému, příprava teplé užitkové vody, klimatizace, sušení a mnoho dalších způsobů využití TČ. Použití tepelných čerpadel v ČR je zvýhodňováno v rámci omezených možností státního rozpočtu. Státní fond životního prostředí (SFŽP) poskytuje podporu pro využívání obnovitelných zdrojů energie, do nichž patří i vytápění tepelnými čerpadly. Výhodou při použití TČ je i výhodnější sazba za elektrickou energii. Hlavním bodem práce je příklad na němž je stanovena výhodnost použití tepelného čerpadla. Jedná se o objekt dílny, a proto je výhodnost nižší, neboť podnikatelským subjektům nejsou dotace ze SFŽP poskytovány. Součástí příkladu je určení návratnosti investice do tepelného čerpadla a porovnání s klasickým zdrojem vytápění. Příklad je zhodnocen kriteriem 3E a jsou z něho vyvozeny závěry pro praxi.

42


Flicker způsobený výkonovými polovodičovými měniči Zdeňka Tomková - PE 5 lektor: doc. Ing. Václav Kůs, CSc. - KVE Nejzávažnějším negativním jevem způsobeným kolísáním napětí je tzv. flikr (blikání). Jedná se o změnu zrakového vnímání vyvolanou časovou změnou světelného toku svítidel. Tento jev má vliv na zrakovou pohodu a tudíž přímo ovlivňuje stav lidské psychiky (únava, pracovní výkon). Negativně může být ovlivněn i provoz televizorů, počítačů apod. Kolísání napětí (flikr) je třeba charakterizovat nejen změnou velikosti napětí, ale i četností jeho změn. V praxi se proto pro posuzování flikru používají veličiny: míra vjemu blikání P a činitel flikru A. Pro ověření jednoho zdroje rušení je vhodná krátkodobá míra vjemu blikání Pst (stanovuje se pro interval 10 minut). Pro ověření skupiny zdrojů rušení jako například skupiny zátěží s delším a proměnným pracovním cyklem, se používá dlouhodobé míry vjemu blikání Plt (stanovuje se pro interval 2 hodin s využitím hodnot Pst). Přípustné hodnoty flikru v distribučních sítích jdou dány normou. Pro síť nn nesmí krátkodobá míra vjemu blikání překročit hodnotu 1 a dlouhodobá míra vjemu blikání hodnotu 0,75. Součástí této práce je 1 fázové měření v laboratoři a 3 fázové měření v praxi. Výsledky pro krátkodobou míru vjemu blikání jsou uvedeny v následujících grafech.

Měření flikru v lab.podmínkách 2,5

Pst

2 1,5 1 0,5 0 11:42:23 25.3.2002

15:42:23 25.3.2002

19:42:23 25.3.2002

23:42:23 25.3.2002

3:42:23 26.3.2002

7:42:23 26.3.2002

11:42:23 26.3.2002

10:56:26 16.4.2002

14:56:26 16.4.2002

Datum a čas

Pst

Měření flikru v praxi 1.fáze 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 14:56:26 15.4.2002

18:56:26 15.4.2002

22:56:26 15.4.2002

2:56:26 16.4.2002

Datum a čas

43

6:56:26 16.4.2002


Modelování kogeneračních jednotek v podmínkách tržního hospodářství Ivan Tůma - EE 5 lektor: Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE Kogenerace, tedy kombinovaná výroba elektrické energie a tepla, je v současnosti podporována jako ekologicky šetrný způsob získávání energie. Tato ekologická šetrnost je dána velkým využitím energie obsažené v primárním palivu (až 90 %) ve srovnání s oddělenou výrobou elektrické energie a tepla. Kogeneraci lze rozdělit podle použité technologie na parní, plynovou, paroplynovou a kogeneraci s využitím palivových článků. Pojmem kogenerační jednotka rozumíme zařízení, které pracuje na bázi plynové kogenerace. Jedná se o spalovací pístový motor, příp. spalovací turbínu, které pohánějí generátor (zdroj elektrické energie). Teplo je získáváno v případě spalovacího motoru chlazením bloku motoru a odvodem tepla ze spalin, v případě použití turbíny ze spalinového kotle. Elektrická účinnost zařízení dosahuje až 40 %. Vzhledem k přetrvávajícím deformacím na trhu s energiemi (křížové dotace, chybějící konkurence) jsou ekonomické podmínky pro využití kogenerace mnohdy nevýhodné. Pro kompenzaci těchto negativ jsou proto nutné zásahy státu, které po zlepšení situace na trhu ve prospěch kogenerace zřejmě zmizí. Jedná se např. o dotace na výstavbu kogeneračních zdrojů či stanovení povinnosti distributorů elektřiny nakupovat elektrickou energii z kogeneračních zdrojů za minimální určenou cenu. Produkty kogenerace musí být na trhu s energiemi konkurenceschopné, proto je nutné kogenerační zdroje navrhnout tak, aby přinášely co nejvyšší zisk, resp. aby minimalizovaly náklady na dodávku energií. Je tudíž nezbytné znát co nejpřesněji rozložení spotřeby energií během roku, průběhy zatížení během dne a v neposlední řadě provést důslednou analýzu situace na trhu v dané lokalitě (ceny energií, dostupnost paliva, konkurenční technologie). Za účelem zvýšení ekonomické efektivnosti kogeneračních zdrojů lze často jejich provoz různým způsobem optimalizovat (využití tepelných akumulátorů, doprovodné technologie). Hlavním přínosem mé práce je vytvoření uživatelského programu, který usnadňuje nalezení ekonomicky nejvýhodnějšího způsobu pokrytí vlastní spotřeby energií daného subjektu na základě znalosti měsíčních spotřeb elektrické energie a tepla. Uživatel si může zvolit z dostupných kogeneračních jednotek, příp. kotlů, zdroje v požadované skladbě a rovněž způsob krytí spotřeby (zda se sleduje primárně spotřeba elektrické energie nebo tepla a jak se druhý produkt využívá). Při volbě počtu a výkonů kogeneračních jednotek je nutné si uvědomit, že jejich elektrická účinnost při poklesu zatížení klesá (roste měrná spotřeba paliva), což program samozřejmě respektuje. Se znalostí těchto vstupních údajů včetně prodejních a nákupních cen elektrické energie, program graficky zobrazí aproximovaný roční průběh spotřeby a vypočítá roční energetickou a ekonomickou bilanci, která vypovídá o ekonomické výhodnosti zvoleného způsobu řešení. Tento výpočet lze několikrát zopakovat s větší či menší obměnou libovolných vstupních údajů (spotřeba, skladba zdrojů, způsob krytí, ceny energií), až nalezneme optimální variantu. Možnost měnit vstupní parametry pro zvolené řešení je velmi výhodná a oceníme ji tehdy, pokud chceme zjistit citlivost celkových nákladů na změny některých vstupů (zejména cena paliva, ceny elektrické energie). Při nalezení nejvýhodnějšího způsobu krytí spotřeby pomocí mého programu si musíme uvědomit, že v praxi je nutné takto navržené řešení podrobit analýze při respektování průběhu zatížení během dne, resp. týdne, které jsou zpřesněním modelu zohledňujícího pouze měsíční spotřeby. Tuto variantu, tedy volbu krytí spotřeby energií na základě denního, resp. týdenního průběhu zatížení, však můj program neumožňuje. Rovněž je nutné si uvědomit, že optimální řešení z hlediska ekonomického ještě nemusí splňovat specifické požadavky na spolehlivost dodávky energií, která může být v některých případech velmi významným faktorem, ovlivňujícím počet a skladbu zdrojů.

44


Sekce Elektrotechnologie složení komise předseda

doc. Ing. Zbyněk Kraus, CSc.

členové

doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. Ing. Václav Boček, Ph.D. Ing. Jan Drobílek Ing. Lenka Lešnerová

45


Elektřina v odpadovém hospodářství Jan Forst - TE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Veškerá výrobní i nevýrobní činnost je doprovázena vznikem odpadů. Otázka jejich využití nebo zneškodnění představuje dnes prvořadý úkol z hlediska ochrany prostředí i z hlediska ekonomického. Odpad se dělí podle kategorií na nebezpečný a ostatní, podle těchto kategorií je s ním také nakládáno. Nejrozšířenější metodou zneškodňování odpadů je u nás skládkování (na jeden okres připadají v průměru dvě skládky), hlavně pro snadnou dostupnost a příznivou cenu, kterou ale nový Zákon č.185/2001 Sb. zvýšil a v průběhu několika let bude postupně zvyšovat, ve snaze zvýhodnit jiné, ekologičtější metody zpracování odpadu, ale to vše nám poví až nedaleká budoucnost. Z hlediska ochrany životního prostředí se spalování odpadů jeví vhodnější než skládkování. Nevýhodou této metody jsou vysoké investiční i provozní náklady a vznikající emise plynných škodlivin, které nelze dokonale odstranit ze spalin. Náklady na spalování v nově nabízených spalovnách se u nás pohybují kolem 1600 Kč/t a více. Dalšími metodami zneškodňování odpadů jsou kompostování, anaerobní fermentace, fyzikální a chemické metody. V odpadovém hospodářství jsou používány různé elektrotechnologie, které jsou užitečné především v oblasti recyklace hodnotných látek. Zájem je také o získávání energie z odpadu. Některé z následujících metod elektrické likvidace a recyklace jsou již léta využívány, ale větší část se teprve zavádí nebo je v provozu pouze několik let. Modernizace již používaných zařízení, která je ale většinou dosti nákladná, někdy nevyhnutelná, je ve většině případech výhodná investice do budoucna. Spalování poskytuje možnost využití tepla, tepelné energie pro ohřev teplé užitkové vody, vytápění vlastního objektu nebo přilehlých objektů, či možnost přeměny tepelné energie na elektrickou energii. Možná je také kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (kogenerace). Bioplyn (metan+oxid uhličitý), který se získává z anaerobní fermentace (nejčastěji: anaerobní čištění odpadních vod, skládkování tuhých odpadů), je velice výhodně zpracováván, spalován nejvhodněji v kogenerační jednotce, která poskytuje teplo a elektrickou energii. Tendence ke zvyšování podílu recyklovaných odpadů je markantní zejména v případě odpadů kovových a kovonosných, poněvadž produkce a spotřeba kovů se zvyšuje od počátku 20. století exponenciálně při poměrně značném omezené kapacitě rudných ložisek. Proto je nutno omezovat využívání přírodních zdrojů a požadované množství kovů a i jiných materiálů zajišťovat zvýšenou recyklací odpadů. Základem recyklace je separace odpadu a čistota materiálu. Separace magnetických dílů je prováděna pomocí permanentních magnetů nebo elektromagnetů. Metody pro separaci nemagnetických kovů v závislosti na velikosti a podílu těchto kovů v drti jsou: Elektrodynamická separace, Detekce v proměnném elektromagnetickém poli, Koronový separátor. Separace skleněných střepů, plastů od nežádoucích příměsí (keramiky, porcelánu a kamene) je prováděna pomocí optických detektorů. Novou metodou pro třídění plastů na jednotlivé druhy plastů je Triboelektrická separace. Pro odstraňování nečistot (např. těžkých kovů, uhlovodíků) z odpadních vod, či opětovné získávání mědi a čištění leptacího roztoku, mohou být se stejně hodnotnými výsledky čištění (bez chemikálií) docíleny elektrolýzou.

46


Vliv surovin na vlastnosti skelných laminátů Jan Heidlberg - TE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET Na lidskou civilizaci mají kromě přírodních podmínek nezanedbatelný vliv také rozmanitost a vlastnosti materiálů, které se společnost rozhodla využívat. Při neustále vzrůstajícím počtu obyvatel naší planety se dnes stávají limitujícím ukazatelem omezené zdroje surovin a energií. To je hlavním důvodem, proč se v celém světě věnuje prvořadá pozornost výzkumu nových výrobních technologií a materiálů. V současné době vzrůstá využití kompozitů používaných původně pouze pro snížení výrobních nákladů. Jejich velká rozmanitost je umožněna množstvím známých druhů plniv, matricí, způsobů jejich spojení, různorodostí geometrického a strukturního uspořádání a jejich kombinací. Kompozity jsou dvou či vícesložkové heterogenní materiály, u nichž jedna složka představuje spojitou fázi a plní úlohu matrice, zatímco druhá složka tvoří zpravidla diskontinuální fázi a plní úlohu výztuže. Jako lamináty označujeme mnohovrstvé vláknové kompozity, kde vyztužující složka (dlouhá vlákna v různé textilní formě – pramence, tkaniny, rohože) je nositelem pevnostního chování a nese převážnou část namáhání. Polymerní matrice působí jako spojovací materiál vláken, slouží k přenosu zatížení mezi vlákny a současně je nositelkou dalších specifických vlastností, jako jsou chemická a tepelná odolnost, elektrické a optické vlastnosti, odolnost vůči abrazi atd. Pro efektivní využití jakéhokoliv materiálu je nezbytná znalost jeho vlastností fyzikálních, chemických, elektrických a v neposlední řadě také fyziologických. Ve firmě Lamitec Czech s.r.o. byla ukončena výroba laminátu typu FR-4 Umatext 222 pro desky plošných spojů a zahájena výroba materiálu pod označením Lamplex FR-4. Vlastní technologický proces zůstal téměř beze změny, ale používané suroviny jsou z části od původních a zčásti od nových dodavatelů. Proto je náplní mojí práce porovnání vybraných elektrických vlastností tří dodaných laminátů (vzorky poskytnuté firmou Lamitec Czech s.r.o.), které bude použito pro porovnání kvality produkce. Vyhodnocované materiály jsou shodné tloušťky. Liší se výrobcem použité epoxidové pryskyřice (firma Bakelite a firma Leuna Harze) a výrobcem použitých aditiv (firma CIBA a firma Leuna Harze) a jejich typem (UV aditivum XB 4399-3A 70 a UV aditivum EPILOX M 912). UV aditivum se používá z důvodu snížení propustnosti laminátu pro UV záření. Výhody takto upraveného materiálu spočívají v možnosti automatické optické inspekce (na laminátu lze po dopadu UV záření lépe rozeznat vodivé cesty) a nanášení nepájivé masky fotoprocesem (materiál není prosvícen a tedy ani exponován na nežádoucí straně). U laminátů se vyhodnocovalo průrazné napětí podél vrstev, elektrická pevnost kolmo na vrstvy, povrchová a vnitřní rezistivita, redukované resorpční křivky (RRK), poměrná permitivita a ztrátový činitel. Vlastnosti materiálů jsou ovlivněny také prostředím, kterému jsou vystaveny. Kompozity s vláknitou strukturou podléhají ve většině případů navlhání. Množství absorbované vlhkosti závisí na tlaku par (při konstantní teplotě je tlak par přímo úměrný relativní vlhkosti). Při stoupající vlhkosti prostředí se zvyšuje i obsah vlhkosti absorbované v materiálu. Proto se výše uvedené elektrické vlastnosti vyhodnocovaly pro výchozí stav materiálu, stav po expozici v 50 °C teplé destilované vodě a stav po expozici ve vlhkém teple.

47


Metodika pro ověřování kvality povrchu izolantů Klára Maxová - SE 4 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET Kompozitní materiály jsou důležitou, v elektrotechnice velmi používanou materiálovou skupinou. Jejich vlastnosti mají klíčový význam pro jednotlivá aplikační použití. Souborně jsou jejich všeobecné vlastnosti definovány katalogovými listy jednotlivých materiálů. Zde se ovšem uvádějí jen základní informace nevyhovující pro speciální případy. Takovým je např. stav povrchu materiálů, který má klíčový význam zejména v elektrotechnických aplikacích. Vzhledem k této skutečnosti jsem se rozhodla věnovat se problematice studia stavu povrchu kompozitů, zejména z elektrotechnického hlediska (použití kompozitu jako izolantu). Nejprve jsem shromáždila informace týkající se ověřování kvality povrchu izolantů. Vyhledala jsem tak soubor metod, jejichž principy, metodiky a provádění se staly základem pro sestavení diagnostického systému pro tuto oblast. Praktickým ověřováním vyhledaných metod jsem se seznámila jednak s přímým prováděním vlastních měření, dále pak s klasifikací těchto metod vzhledem k jejich aplikovatelnosti. Prováděla jsem měření odolnosti izolantu proti plazivým proudům a měření povrchového odporu. Plazivé proudy pozorujeme při vzniku vodivých cest, které se tvoří na povrchu tuhého izolačního materiálu za kombinovaného působení elektrického namáhání a elektrolytické kontaminace na tomto povrchu. U materiálu dochází k elektrické erozi, což je opotřebení povrchu izolačního materiálu působením elektrických výbojů. Vznik plazivých proudů je podporován vlhkostí vzduchu a elektrolyty adsorbovanými v povrchové bláně vody smáčející izolant. Bezpečnost izolantu proti plazivým proudům je dána jeho odolností proti nim, tvarem izolantu a hlavně vzdáleností elektrod. Cílem měření je určení CTI - porovnávacího indexu odolnosti proti plazivým proudům, což je číselná hodnota maximálního napětí ve voltech, při kterém nedojde ke vzniku vodivých cest. Základem měřícího zařízení jsou dvě elektrody obdélníkového průřezu, které jsou symetricky uspořádány ve vertikální rovině pod úhlem 60° a jejich konce jsou vzdálené (4 ± 0,1) mm na vodorovném povrchu zkušebního tělesa. Elektrody jsou napájeny střídavým napětím (100 ÷ 600) V. Nadproudové relé ve zkušebním obvodě vypne, stoupne-li proud na 0,5 A nebo více po dobu 2 s. Plocha mezi elektrodami je zvlhčována kapkami zkušebního roztoku (0,1 ± 0,002) % hmotnosti NH4Cl v destilované vodě v intervalech (30 ± 5) s. CTI je hodnota maximálního napětí, při kterém materiál vydrží 50 kapek zkušebního roztoku bez porušení. Povrchový odpor charakterizuje stav nosičů volného elektrického náboje, tj. obsah nečistot a polovodivých příměsí na povrchu izolantu, jejichž disociované částice vznikají interakcí povrchu izolantu s okolním prostředím. K měření povrchového odporu se používá tříelektrodového systému. Byly použity kovové kruhové elektrody. Vzorek materiálu se vloží mezi uzemněnou elektrodu a dvě sousředné, mezi nimiž je mezera 1 mm. Povrchový odpor je dán poměrem napětí a proudu procházejícího po povrchu izolantu mezi těmito dvěma elektrodami. Odpor se stanoví z proudové hodnoty po jedné minutě od přiložení napětí, i když proud nedosáhl ustálené hodnoty. Povrchová rezistivita je poměr intenzity stejnosměrného elektrického pole a proudové hustoty v povrchové vrstvě izolantu – jedná se o povrchový odpor redukovaný na jednotku plochy. Uvedená měření jsem aplikovala na tři typy povrchů osmi druhů kompozitů. Měření jsem prováděla na původním povrchu materiálu, dále na opracovaném povrchu a nakonec na opracovaném povrchu přelakovaném lakem Epoxylite H 2001 (modifikovaná epoxidová pryskyřice ve vodní bázi). Tyto úpravy povrchu mají za následek rozdílné hodnoty naměřených veličin. Vliv opracování povrchu na různé materiály se však liší. Získané výsledky umožnily porovnání jednotlivých materiálů mezi sebou.

48


Návrh a vyhodnocování experimentů Petr Netolický - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET V každém vědním oboru a odvětví průmyslu je nezbytné při experimentální práci zabývat se souvislostmi mezi daným oborem a teorií experimentu. Vzájemné souvislosti pak pomáhají snadněji identifikovat prvky systému a jejich vzájemné vazby potřebné pro experimentální práci. Každá experimentální práce však klade na experimentátora požadavek znalosti prostředí, podmínek a vzájemných vazeb, ve kterém je daný systém realizován. To je předpoklad kvalitního návrhu a správného vyhodnocení experimentu. Právě návrhem a vyhodnocením experimentu se zabývá tento příspěvek vzniklý na základě zpracované diplomové práce. Zpracovaná práce se zabývá návrhem a vyhodnocováním experimentů ve společnosti HOB CerTec spol. s r.o., výrobcem keramických válečků pro průchozí vypalovací pece. Samotná práce (její aplikační část) je rozdělena do dvou částí. V první části se zaměřuje na popis výroby, v druhé části jsou navrhnuty a vyhodnoceny některé experimenty. První část, zaměřená na popis výroby, charakterizuje všechny výrobní operace důležité pro vznik výrobku – keramického pecního válečku. Popis výroby vychází z procesního pohledu na výrobu, tzn. jednotlivé operace (procesy výroby) mají svůj definovaný vstup, výstup, činnost. Těmito procesy jsou: proces přípravy materiálu, proces odležení předtažků, proces lisování, sušící proces, vypalovací proces, proces finální úpravy a proces balení a expedice. Při popisu výroby je věnována pozornost zejména těm procesům, které jsou důležité pro jakost výrobku a procesům důležitým pro návrh experimentů. V druhé části je na základě znalosti prostředí, podmínek a vzájemných vazeb z první části vybráno 9 faktorů, ze kterých jsou navrhnuty 4 faktorové experimenty. Jednotlivé návrhy se provádějí z neplánovaných pokusů, tj. na základě změřených dat v průběhu výroby, o kterých se primárně nepředpokládalo budoucí zahrnutí do experimentů. Navrhnuté faktorové experimenty jsou vyhodnocovány metodou analýzy rozptylu (v každém experimentu se vždy provádí čtveřice dílčích analýz). V případě dalšího testování, které je nutné v případě nepříznivých výsledků analýzy rozptylu, se využívá Scheffého metoda pro mnohonásobná pozorování. Tato metoda je vhodná zejména pro zde použitá nevyvážená třídění. Modelem experimentu je nevyvážený dvoufaktorový experiment s opakováním bez interakcí. Pro vyhodnocování je použit statistický systém STATGRAPHICS Plus for Windows. Výsledky jednotlivých experimentů ukazují na vysokou statistickou významnost několika faktorů, které ovlivňují výsledný jakostní znak keramického válečku – parametr TIR /mm (tolerance v rotaci – největší odchylka podélné osy válečku od ideální). Při porovnání s předchozími dvěma analýzami provedenými ve společnosti v minulých letech se výsledky při porovnání potvrzují,že u některých faktorů je možné sledovat jejich posun v závislosti na čase. Též při srovnání s analýzou provedenou profesionální firmou jsou závěry obdobné. Přínosem práce je pro společnost HOB CerTec spol. s r.o. její možné využití vrcholovým vedením (včetně úseku jakosti) při plánování a zlepšování jakosti svých výrobků. Popisnou část výroby je možné využít při seznamování nových zaměstnanců s výrobou.

49


Srovnání vlastností savých pásek s různými nosiči pro tepelnou třídu H Josef Pihera - KE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET Důležitou součástí trakčních pohonů je jejich izolační systém, který určuje podmínky a životnost jejich provozování. Na izolační systémy jsou kladeny stále větší technické požadavky. Je požadována velmi vysoká tepelná odolnost, dostatečná elektrická pevnost, odolnost vůči navlhání a působení chemikálií (zejména soli v zimních podmínkách). Dříve používané izolační systémy na bázi resin-rich izolantů se silikonovými pojivy tyto podmínky v řadě případů nesplňují z důvodu malé kompaktnosti izolačního systému. Podstatně lepších výsledků se dosahuje s použitím technologie vakuově tlakové impregnace VPI. Požadavky na izolační savé pásky používané pro technologii VPI se soustřeďují zejména na: dobré elektroizolační vlastnosti, schopnost rychle se nasytit impregnační pryskyřicí, a to i v několika vrstvách současně, dobré mechanické vlastnosti, umožňující jak ruční, tak strojní izolování cívek, dobrou soudržnost nosiče se slídovým papírem, dostatečnou elasticitu. Pro diagnostiku vlastností byly vybrány materiály Remikapor 46.012 se skleněným nosičem a Remikapor PEN s polyetylenaftalátovým nosičem. Nezbytnou součástí izolačního systému jsou impregnační pryskyřice. Ty dodávají izolačnímu systému konečné vlastnosti, proto se musí z technologického hlediska vyznačovat: dostatečnou tepelnou odolností, velmi nízkou viskozitou při relativně nízkých teplotách (40 – 60 °C), relativně krátkým časem gelace pojiva, dostatečnou životností pryskyřice v zásobním tanku, nesmí obsahovat rozpouštědla a samozřejmě musí mít dobré dielektrické a mechanické vlastnosti. V současné době se pro aplikace v tepelné třídě H a C používají pryskyřice epoxidové a silikonové. Pro posouzení charakteristických vlastností materiálů s různými nosiči (sklo, PEN fólie) jsou prováděny aplikační testy, a to následujícím způsobem. Modelové trny rozměru 500×25×5 byly ručně izolovány páskami šíře 20 mm ve třech vrstvách s 50 % překrytím. Dále proběhla impregnace VPI následovně: vzorky vloženy do předehřátého impregnantu 50 °C (Wacker H62C, Epoxylite 347), zavedeno vakuum 1 mbar po dobu 2 h, zrušeno vakuum a zaveden tlak 4 bar po dobu 3 h. Po celou dobu impregnace byly teploty impregnantů stabilizovány na 50 °C. Po ukončení procesu byly vzorky vytvrzeny po dobu 16 h při teplotách: Wacker H62C 200 °C, Epoxylite 347 165 °C. Takto připravené vzorky byly dále vystaveny tepelné expozici 220 °C. Charakteristickou porovnávací vlastností bylo zvoleno průrazné napětí, měřené v dodaném stavu, po 20 a 40 dnech tepelné expozice. Dosažené výsledky nám představuje graf. Průrazná napětí

U (kV)

40 46.012 s W

30

46.012 s E po 20

20

PEN s W po 20

46.012 s W po 40

10 0

46.012 s E

PEN s W

46.012 s W po 20

46.012 s E po 40

PEN s W po 40

Z grafu je patrné, že savá páska s polyetylenaftalátovým nosičem dosahuje mnohem vyšších hodnot průrazného napětí než pásky se skleněným nosičem. Porovnáme-li pásky se skleněným nosičem, tak vyšších hodnot průrazného napětí v dodaném stavu dosahuje páska s epoxidovým impregnantem. Pokles těchto hodnot po 40 dnech stárnutí je však rapidnější, než u silikonového impregnantu.

50


Měření vodivosti izolantů Radek Polanský - KE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET Elektrickou vodivost (konduktivitu) považujeme všeobecně za jev, který není pro izolanty příznivý. Elektrická vodivost je v přímém rozporu s hlavní vlastností izolantů, tou je izolovat dvě místa s rozdílným potenciálem a zabránit tak průtoku proudu mezi nimi. Každý izolant obsahuje vázané i volné nosiče elektrického náboje. Vložíme-li izolant do elektrického obvodu stejnosměrného proudu, začnou se početnější vázané náboje vysunovat ze svých rovnovážných poloh. Volné náboje pomalu putují materiálem. Elektrická konduktivita souvisí právě s těmito jevy. Je závislá na skupenství, typu nosičů elektrického náboje, teplotě apod. Obecně ji lze vyjádřit vztahem: γ = n0 ⋅ q ⋅ b kde no je počet nosičů elektrického náboje v jednotce objemu [cm-3], q [C] elementární náboj nosiče a b [cm-2.V.s-1] je pohyblivost nosiče elektrického náboje. V ideálním případě by měla být vodivost izolačních materiálů nekonečně malá a rezistivita nekonečně velká. Toto je pouze teoretický předpoklad, ke kterému se můžeme v praxi pouze přiblížit. Měření elektrické vodivosti izolantů je předmětem normy ČSN IEC 93 (Měření vnitřní a povrchové rezistivity tuhých elektroizolačních materiálů), která doporučuje pro její určení tři metody: voltampérmetrovou metodu, metodu Wheatstonova můstku a ampérmetrovou metodu. Jako optimální se jeví voltampérmetrová metoda, která je jednoduchá a navíc poměrně přesná. Při použití kvalitního elektrometru lze měřit odpory až do hodnoty 1016 Ω. Vzhledem k hodnotám odporu dnešních elektroizolačních materiálů je tato metoda nejvhodnější. Její podstatou je měření proudu protékajícího vzorkem, na který je připojeno stejnosměrné napětí. Citlivost metody je dána citlivostí měřícího přístroje proudu. Z tohoto předpokladu plyne hlavní účel mé práce - porovnat citlivost této metody v závislosti na typu použitého ampérmetru. Díky oddělení elektrotechnologie KET jsem měl možnost vyzkoušet tuto metodu se třemi různými ampérmetry (picoammeter NC 0102 firmy Mikrotechna Modřany; elektrometr 610C firmy Keithley; systém 65 firmy Keithley). Jako zkušební vzorky jsem použil dva materiály: kartit (pod označením Kartit K firmy Kablo Malacky) a sklotextit (pod obchodním označením Isoval 11 firmy Isovolta AG Wiener Neudorf). Vycházel jsem z předpokladu, že kartit je obecně materiál, který se svými vlastnostmi řadí k elektroizolačním materiálům horších kvalit. V praxi se používá spíše jako konstrukční materiál. Naopak sklotextit je na druhé straně této pomyslné čáry a řadí se k velmi dobrým izolačním materiálům. Vodivost je jedna z vlastností izolačních materiálů, která je při vývoji nových (nebo při diagnostikování již používaných) materiálů sledována. Znalost nejen vodivosti, ale i ostatních vlastností izolantů a jejich změn mají v praxi pro projektanta, konstruktéra a zejména technologa základní význam.

Voltampérmetrová metoda

51


Vliv teploty na degradaci izolačních materiálů v transformátorech Ladislav Prantner - KE 5 lektor: Ing. Václav Boček, Ph.D. - KET V období od září do května probíhalo v laboratoři KET testování vybraných materiálů používaných při výrobě transformátorů. Cílem těchto zkoušek bylo zjistit stav degradace vybraných materiálů. Vzorky materiálů byly dodány ze Škoda Energo s.r.o. Plzeň a jednalo se o hrubou transformátorovou lepenku (trafoboard), lesklou lepenku a Kartit KE. Kvůli destruktivní diagnostice vzorků při měření elektrické pevnosti byly připraveny dva druhy vzorků. Vzorky o rozměrech 10 × 10 cm, pro měření ztrátového činitele tg δ, relativní permitivity a povrchové rezistivity a vzorky 30 × 30 cm pro měření elektrické pevnosti. Pracovní hodnoty teplot jsou pro všechny vzorky 80 °C, maximální teplota, při které jsou transformátory odstaveny z provozu je 100 °C. Vzorky byly uloženy do horkovzdušné sušky při teplotě 120 °C, po určitých časových intervalech byly vyjímány a měřeny. To znamená, že byla prováděna zrychlená zkouška degradace. Časové intervaly nebyly pevně stanoveny, protože nebylo časově, ani organizačně možné dodržet pevné termíny. Pro měření tg δ a εr bylo používáno zařízení Tettex 2821, pro měření povrchové rezistivity klasické V-A zapojení s picoammetrem NC 0102 a pro měření průrazného napětí vysokonapěťový transformátor napájený z regulačního autotransformátoru TüR WPT 4,4/100. Počátečním odzkoušením průrazného napětí jednotlivých vzorků, bylo zjištěno, že bude nutné měřit vzorky Kartitu v transformátorovém oleji. Kartit jako jediný materiál má vysokou elektrickou pevnost a docházelo vlivem klouzavých výbojů k přeskokům výboje mimo materiál. Výsledkem měření ztrátového činitele je charakteristika, která vyšla naprosto přesně podle předpokladů. V časech mezi 2 ÷ 4 hodinou došlo k vysušení vzorků a tedy i k poklesu hodnoty tg δ řádově sedmkrát a to jak pro lesklou tak i pro hrubou lepenku. V časech od 4 do 610 hodin se hodnoty pro hrubou lepenku příliš nelišili od hodnoty 0,0086, pro lesklou lepenku od hodnoty 0,0065. Vzorky Kartitu vykazovaly hodnoty poněkud jiné. Zde nebyl pokles tak znatelný (3×) a od 4 hodiny se hodnota ztrátového činitele neodchýlila od hodnoty 0,0145. Rozbor hodnot měření povrchové rezistivity ukázal značnou odchylku od předpokladů, kdy se hodnota povrchového odporu zvýšila v čase 4 hodiny o 2 řády. Toto zvýšení bylo zřejmě způsobeno tím, že vzorky byly vyjmuty z pece den před měřením a došlo k jejich navlhnutí. Pokles povrchového odporu vlivem degradačních jevů se začíná projevovat u hrubé lepenky už při překročení hranice 172 hodin. Oproti tomu lesklá lepenka a Kartit mají svoji hranici odolnosti posunutou až na hodnotu 933 hodin. Při měření elektrické pevnosti se jednoznačně prokázalo, že nejvyšší hodnotu Ep má Kartit (v dodaném stavu 94 kV.mm-1), druhá v pořadí je hrubá lepenka (v dodaném stavu 23 kV.mm-1) a nejmenší elektrickou pevnost má lesklá lepenka (v dodaném stavu 14 kV.mm-1). Degradace se u těchto materiálů, z hlediska měření elektrické pevnosti, začíná projevovat poměrně brzy, a to pozvolným poklesem hodnot. Čas, kdy se v grafech začíná projevovat pokles Ep, je pro hrubou lepenku 247 hodin, pro Kartit 353 hodin. Jediný materiál, který se liší, je lesklá lepenka, která si drží vyrovnané hodnoty i přes to, že doba degradace je 610 hodin. Výsledkem celého měření bylo zjištění, že teplotní degradace se projevuje poměrně značně u všech sledovaných materiálů. Tyto parametry jsou velice důležité při volbě materiálů pro transformátory. Nejvýraznější je vliv teplotního stárnutí na hodnoty elektrické pevnosti a povrchového odporu. Povrchový odpor vykazuje změny již při čase stárnutí 172 hodin a elektrická pevnost již v časech 247 hodin. Hodnoty tg δ nedoznaly větších změn ani při překročení 610 hodinové hranice.

52


Zařízení pro ohřev vzorků při termomechanických zkouškách materiálů Václav Roneš - ES 4 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Termomechanické zkoušky materálů spočívají v mechanickém a tepelném namáhání vzorku materiálu se současným měřením vzniklých deformací. K tomuto účelu slouží stroj, který umožňuje mechanické namáhání testovaného vzorku tahem, tlakem a krutem a dále zařízení, které po celou dobu testování zajišťuje požadovanou teplotu vzorku. Kromě statického režimu ohřevu na konstantní teplotu musí zařízení umožňovat též dynamický režim, při němž je vzorek vystaven teplotním cyklům. Požadované parametry přístroje pro ohřev jsou: dosahovaná teplota min. 1100 °C s chybou menší než ± 5 °C, strmost náběhu teploty při dynamickém testu min. 200 °C/s, doba trvání testů neomezená (běžně několik hodin). Vstupem přístroje má být zadaná teplota, výstupem kromě vlastního ohřevu i změřená okamžitá teplota vzorku. K měření teploty je přímo na vzorku navařen termočlánek. Mým úkolem je takové zařízení pro ohřev navrhnout a realizovat. Prvním úkolem byl výběr metody ohřevu vzorku. Vzhledem k požadavku na malé rozměry a snadnou přenositelnost zařízení a s přihlédnutím ke konstrukčnímu uspořádání zkušebního stroje, byl zvolen elektrický ohřev vzorku. A to varianta přímého ohřevu vzorku průchodem proudu. Výkon potřebný k ohřevu největšího z testovaných vzorků s požadovanou strmostí náběhu teploty se pohybuje kolem 1 až 2 kW. Tomu odpovídá proud vzorkem asi 500 A. Dalším úkolem tedy bylo navrhnout zdroj, který bude schopen trvale dodávat takový proud a výkon. V tomto okamžiku se výzkum rozdělil na dvě varianty. První variantou je použití transformátoru pro kmitočet 50 Hz napájeného ze sítě 230 V s vhodně dimenzovaným sekundárním vinutím. Takový transformátor s výkonem kolem 2 kW je již poměrně veliký a jeho hmotnost značná. Řízení výkonu je též problematické. Regulace pouhým vynecháváním period síťového napětí na primární straně transformátoru pomocí spínacího prvku (např. optotriaku), se ukázala být příliš hrubá a kolísání teploty vzorku nepřijatelné. Možností jak tuto regulaci vylepšit je použít na primární straně transformátoru usměrňovač se střídačem a výkon transformátoru regulovat řízením velikosti napájecího napětí. Takový zdroj je však již značně složitý a jeho cena vysoká, také velké rozměry a hmotnost transformátoru hovoří proti. Proto bylo úsilí obráceno ke druhé variantě. Druhá varianta spočívá v použití vysokofrekvenčního transformátoru, jehož rozměry a hmotnost jsou při stejném přenášeném výkonu několikanásobně menší než u transformátoru pro 50 Hz. Ve vyvíjeném funkčním vzorku je transformátor napájen z napěťového střídače obdélníkovým napětím o kmitočtu 40 kHz. Střídač je realizován jako jednofázový můstek se čtyřmi tranzistory MOSFET typ IRFP460 (500 V/25 A), buzenými dvojicí budičů IR2112. Řídicí jednotku tvoří jednočipový mikropočítač Atmel AVR AT90S2313, který zároveň obstarává měření teploty vzorku a její regulaci na požadovanou hodnotu. Problémem této druhé varianty je nedostupnost kvalitních jader pro vysokofrekvenční transformátory výkonů nad 400 W. Řešením může být složení jádra transformátoru z několika menších jader. Opomenout nelze ani problematiku návrhu pohyblivých přívodů od zdroje k testovanému vzorku. Vzhledem k požadavku na neomezenou dobu trvání testu musí být provozní oteplení přívodů minimální. Jako nejvhodnější se jeví být měděné splétané pásy o průřezu minimálně 300 mm2. Taktéž dosažená účinnost samotného zdroje by měla být s ohledem na oteplení co nejvyšší a je potřeba dobře zajistit jeho chlazení. Závěrem lze říci, že práce na celém tomto úkolu není zdaleka u konce a jeho dovedení do stavu funkčního prototypu si vyžádá ještě mnoho času a úsilí.

53


Možnosti likvidace nebezpečného odpadu Michaela Zíková - TE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Otázka omezení vzniku odpadů a způsobů jejich bezpečného, ekologicky a ekonomicky výhodného zneškodnění patří dnes k nejpalčivějším hospodářským i politickým problémům na celém světě. Přestože ve výrobní a společenské sféře množství produkovaných odpadů, které mnohdy jsou již příčinou ekologického kolapsu, stále narůstá, teprve v posledních 25 letech se začaly průmyslově vyspělé země intenzivně zabývat jejich zneškodňováním i možnostmi omezování jejich vzniku .U nás byl teprve v roce 1991 přijat zákon o odpadech, který dává této závažné, a u nás dosud zcela opomíjené problematice, závazný právní podklad. Nový zákon o odpadech č. 185/2001 Sb. platí od 1. 1. 2002. „Odpad jsou všechny látky a suroviny, které byly objevené, prozkoumané, přeměněné nebo vyrobené lidskou činností, ale v dané době nemají z technických důvodů přímé využití ve výrobě. Jde o zbytky látek využívaných v rámci výrobního procesu nebo předmětu spotřeby, které v daném kontextu svého vzniku a původního využití již nemají užitnou hodnotu.“ Tato definice není však zcela výstižná, protože odpady zná i příroda např. ložiska uhlí či akumulace schránek bezobratlých aj. To vše jsou zcela běžné přírodní odpady, materiál, který příroda není schopna v daném okamžiku využít. Tyto, řekněme přirozené odpady však životnímu prostředí nevadí. Další definice,vysvětlující pojem odpad, je ze zákonu č. 185/2001 Sb. „Odpad je každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl nebo povinnost se jí zbavit a přísluší do některé ze skupin odpadů uvedených v příloze č. 1 k tomuto zákonu.“ Odpady se podle míry rizika pro životní prostředí dělí do dvou kategorií, tj. na odpady nebezpečné a na odpady ostatní. Nebezpečným odpadem je odpad vykazující jednu nebo více nebezpečných vlastností uvedených v příloze č. 2 zákona o odpadech č. 185/2001 Sb. Odpady je v současné době možné likvidovat několika způsoby. Nejrozšířenějším způsobem je skládkování. Nevýhody skládkování jsou známé: potřeba velkého množství půdy, pozvolná emise škodlivých látek a v neposlední řadě ohrožení pitné vody dlouhodobým zatížením škodlivými látkami, což představuje ekologickou hrozbu pro nás i naše budoucí generace. Další možností likvidace odpadů je jejich spalování. Zahraniční zkušenosti z provozu technologických celků pro spalování komunálních a průmyslových odpadů dnes jednoznačně ukazují, že pokud je kvalitní technologie spalování s moderní odlučovací technikou a správně řízen spalovací proces, je možno hovořit o ekologicky bezpečné technologii. Termicky je přitom možno zpracovávat jak komunální, průmyslové, zemědělské, nemocniční a další problémové druhy odpadů. Dnes již je standartní, že moderní termické zneškodnění odpadů je spojeno s využitím energetického potenciálu a s výrobou druhotné energie. Další výhodou spalování je silná redukce objemu odpadů a tomu odpovídající malý prostor pro skládkování a termické zničení některých toxických složek odpadu. Pro zlepšení vlastností vzniklých odpadů, pro manipulaci, skládkování, ale i další využití, regeneraci a recyklaci se odpady ještě upravují. Úpravou odpadů rozumíme změnu jejich fyzikálních, chemických nebo biologických vlastností s cílem dalšího využití či zneškodnění. Zneškodňování odpadu je zaměřeno na zbavení odpadů nebezpečných vlastností a zabránění jejich následným nebezpečným vlivům na životní prostředí. Hlavním úkolem mé diplomové práce je zabývat se možnostmi likvidace nebezpečného odpadu a navrhnout elektrické metody likvidace nebezpečného odpadu.

54


Sekce Energetické sítě složení komise předseda

doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc.

členové

Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. Ing. Václav Koucký, CSc. Ing. Pavla Holejšovská Ing. Petr Šálek

55


Návrh propojení uzlových oblastí 110 kV ZČE Jaroslav Egrmajer - EE 5 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE V této práci se zabývám distribuční sítí 110 kV ZČE. Po popisu současného stavu stanovím kritická místa a popisuji jejich současná řešení. Jde především o jižní přeštický kruh a spojku mezi oblastmi Střed a Sever. Současný stav se zlepší po vybudování nových vedení mezi rozvodnami Horažďovice-Strakonice a rozvodnami Plzeň Jih-Nová Hospoda. K výstavbě těchto vedení dojde pravděpodobně v roce 2004. Další slabá místa jsou na vedeních, která jsou provozována paprskově. Na těchto vedeních není splněné základní kritérium pro spolehlivou dodávku elektrické energie N-1. Nejslabším místem z tohoto pohledu jsou vedení V1279 a V1280. Vedením V1280 je z rozvodny Toužim napájena rozvodna Drmoul, z které je vedením V1279 napájena rozvodna Planá. Při poruše na těchto vedeních dojde k výpadku v daných rozvodnách, a to až to doby než se provede manipulace v rozvodně Tachov. V práci porovnávám dvě varianty propojení rozvodny Drmoul s rozvodnou Jindřichov (varianta A-jednoduché vedení, varianta B-dvojité vedení) a zasmyčkování rozvodny Drmoul do vedení V377 (varianta C). Při každé z těchto uvažovaných variant dojde ke splnění kritéria N-1 na vedení V1280. Teoreticky lze splnit toto kritérium i provozováním propojených oblastí. Všechny tyto možnosti jsou v této práci zvažovány. Dále se zabývám i možnostmi zvýšení spolehlivosti propojením uzlů sítě 110 kV. Možnosti jsou v rozvodně Tachov spojení oblastí Vítkov a Přeštice I, v Přešticích spojení oblasti Chrást s oblastí Přeštice I nebo Přeštice II a poslední možností je spojení v Toužimi oblasti Chrást s oblastí Vítkov popř. Přeštice I. Podle vypočítaných schémat by se zdálo, že by bylo možné jednotlivé oblasti provozovat propojeně, ale ve skutečnosti je tento problém podstatně složitější. Z pohledu dispečerského řízení je téměř nepřípustné provozovat propojeně soustavy napájené z různých nadřazených sítí (400 a 220 kV). Tímto způsobem lze pouze eliminovat vznik poruchových událostí. Při provozování propojených oblastí napájených ze stejných nadřazených soustav nastávají problémy s regulací napětí. I při malých rozdílech napětí na sekundárních stranách napájecích transformátorů z nadřazené soustavy dochází k poměrně velkým změnám v rozložení výkonů. Důsledkem těchto výkonových změn dojde opět k navýšení ztrát. Z těchto důvodu není výhodné trvale provozovat propojené oblasti, a tedy není vhodné tímto způsobem zvyšovat spolehlivost sítě 110 kV. Vznik nového vedení (varianty A, B i C) ovlivňuje síť i v jeho okolí. U všech těchto variant dochází ke změně přerozdělování výkonu. Důsledkem těchto změn dochází při každé variantě ke snížení ztrát. Vlivem přerozdělení výkonu dochází také ke změně napěťových poměrů. K největším změnám dochází v rozvodnách Drmoul a Planá. Menší změny napětí jsou i v rozvodnách Toužim a Jindřichov. Z tohoto pohledu je nejvýhodnější varianta C. Při této variantě jsou nejvhodnější poměry pro připojení transformátoru 110 kV/vn v Tachově z oblasti Vítkov. Naopak rozpojení vedení V377 u varianty C má za následek největší pokles napětí v rozvodně Jindřichov. Z pohledu zálohování je nejvýhodnější varianta C, která umožňuje zálohování rozvodny Drmoul jak z Jindřichova, tak i z Vítkova, protože by v základním provozním stavu byla napájena ze tří linek. V závěru práce jsem provedl ekonomické porovnání jednotlivých variant, podle něhož v současné době není ekonomicky opodstatněná žádna z uvažovaných variant.

56


Modelování soustavy měnič - kabel - motor z pohledu EMC Martin Janda - DE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka - KVE DEFINICE PROBLÉMU Významným problémem moderních elektrických pohonů s polovodičovými měniči jsou transientní přepětí namáhající izolační systém motoru, který je připojen k měniči delším kabelem (doba šíření napěťového pulsu kabelem je srovnatelná s dobou náběhu tohoto pulsu). Při současných dosahovaných spínacích rychlostech součástek je daný problém aktuální již u kabelu dlouhého řádově metry, týká se tedy téměř každého pohonu. Hlavním cílem práce bylo sestavení modulárního modelu soustavy napěťový střídač – kabel – asynchronní motor, model experimentálně ověřit v laboratoři a využít jej pro návrh opravných prostředků. SESTAVENÍ MODELU Zjednodušený model pro základní představu byl sestaven v Simploreru, pro práci byl vybrán program DYNAST. Model je koncipován stavebnicově, aby byla možná snadná záměna částí (přidání filtru, zkoušení různých verzí modelů jednotlivých prvků). Střídač - je realizován jako napěťový zdroj lichoběžníkového průběhu, který svými parametry (malá výstupní impedance, časový průběh hran) odpovídá reálnému střídači. Kabel – vzhledem k dynamice jevů musí být modelován jako soustava s rozprostřenými parametry. Z možných způsobů byla zvolena realizace konečným počtem RLC článků. Asynchronní motor – 1. variantou modelu je popis soustavou rovnic v souřadném systému statoru, 2. varianta vychází ze zjednodušeného náhradního schématu pro ustálený stav Lσ, R1+R2 (skluz s → 1 ). V obou případech jsou doplněny parazitní kapacity. HLAVNÍ PŘÍNOS PRÁCE − Posouzení a výběr vhodného legálně dostupného SW pro simulování regulovaných pohonů s polovodičovými měniči. − Sestavení modulárního modelu, který umožňuje snadnou aktualizaci jednotlivých komponent podle právě zkoumaného systému. − Ověření tohoto modelu porovnáním experimentů se simulacemi (viz obr.1). − Posouzení vlivů různých opravných prostředků na soustavu (500 simulací). − Použití modelu pro rychlý a přesný návrh opravných prostředků (viz obr.1). 2

u/Ud

1.5 1 0.5

t[us]

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

vstupní napětí z měniče bez opravných prostředků (simulace) RL filtr za měničem (simulace) bez opravných prostředků (měření)

Obr. 1: Detail časových průběhů na konci kabelu l=50m, vstupní puls ton=240ns. Tato práce byla vytvořena s podporou projektu FRVŠ 1601/2002/G1.

57


Model části elektrizační soustavy Tomáš Kemr - EE 5 lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE Charakteristickým schématem zapojení, používaným často u stanic vvn/vn v ČR, je spojení do H. Program vytvořený pro schéma zapojení tohoto typu je koncipován jako trenažér, na kterém je možné simulovat změny zapojení v základním schématu a to manipulací jednotlivými spínacími prvky. Dále pak je v programu možné provádět výpočet napěťových poměrů v jednotlivých uzlech schématu pro danou konfiguraci a zadané hodnoty. Řešení daného problému se neobešlo bez zahrnutí problematik těsně souvisejících s tímto tématem, které zde budou postupně zmíněny. Vliv způsobu provozu uzlu transformátoru se podílí nejen na typu zemní poruchy, ale zejména na velikosti poruchového (zkratového) proudu. Každý ze způsobů provozu uzlu transformátoru má svá specifika, výhody a nevýhody. Ty se hlavně týkají způsobu kompenzace (eliminace) poruchového (zkratového) proudu. Postupem času se ukázalo, který ze spůsobů provozu uzlu transformátoru je vhodný pro příslušné napěťové úrovně a druh přenosu elektrické energie (venkovním vedením či kabelem). Napěťové a proudové poměry jsou základním kamenem pro výpočet programu a jsou v podstatě popsány vlnovými rovnicemi. Po postupném zjednodušení schématu a následném sestavení admitanční matice je možné pro řešení napěťových poměrů v n-uzlových sítích použít některou z matematických metod. Velice často užívanou metodou řešení, která se obejde bez počítání s komplexními hodnotami, prováděnou za pomocí výpočetní techniky, je Newton-Rapsonova (N-R) metoda. Ta je také použita při řešení zadaného problému. Metoda využívá N-R algoritmus pro řešení nelineárních rovnic. Při každé iteraci N-R metody je problém aproximován lineární maticovou rovnicí. Po sestavení Jacobiho matice, která vychází z admitanční matice a zpočítání odchylek výkonů, činných a jalových, již nic nebrání samotnému výpočtu, po kterém získáme napěťové poměry ve všech uzlech sítě. Jak již bylo dříve zmíněno, program je jakousi formou trenažéru. Nutnost vytváření trenařérů obecně vzešla proto, že činnost řízení nelze nacvičit přímo na funkčním zařízení, jelikož chyba by v takovémto případě mohla znamenat ohrožení zdraví osob, veliké škody na zařízení a tím i značné finanční ztráty. Z tohoto důvodu je nutné příslušný řídící proces nejprve simulovat, popřípadě se seznámit s tím, jaké hodnoty lze při řešení daného problému očekávat. Většina trenažérů by měla být konstruována tak, aby se jejich funkčnost co nejvíce přibližovala danému skutečnému systému. Čím je trenažér kvalitnější, tím více jsou jeho vlastnosti a jeho funkčnost totožné se skutečným systémem v praxi, avšak s věrností celého systému rapidně narůstají náklady na trenažér. V práci jsou také popsány řídící systémy elektrických stanic, které s daným problémem souvisejí. Už proto, že výše zmiňované schéma zapojení elektrických stanic H je velice často užívané, tak také proto, že program v podstatě simuluje zapojení a ovládání spínacích prvků v takovéto stanici. Při řešení problematiky řízení elektrických stanic je nutné si uvědomit, z jakých částí, z hlediska provozu (elektrické rozvodné zařízení, společná a pomocná zařízení, dozorna), se elektrická stanice skládá a zvolit tak optimální způsob řízení. V dnešní době již většinou probíhá řízení elektrické stanice výpočetní technikou, ovládání bývá řešeno za pomocí monitoru a periferních zařízení (myš, klávesnice, atd.). Řídící systém obsahuje dvě vzájemně spolupracující části. Informační systém zajišťující sběr, zpracování, vyhodnocení, předávání a zobrazování informací. Logický řídící systém, který zajišťuje manipulační a regulační procesy. Byly zde ve zkratce postupně popsány všechny kapitoly práce, ve které byly detailněji popsány problémy, se kterými bylo nutné se při řešení zadaného problému vypořádat, nebo se s nimi seznámit.

58


Napájení určené oblasti elektrickou energií Vladimír Klápa - EE 5 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE Práce se zabývá problematikou napájení dynamicky se rozvíjející lokality podél dálnice D1 v úseku mezi Prahou Jižním městem, městem Říčany a obcí Průhonice. Zde byl od roku 1989 zaznamenán prudký nárůst spotřeby elektrické energie. Ten je dán především velkým zájmem zahraničních investorů o výstavbu nových rozsáhlých komplexů na lukrativních pozemcích v blízkosti dálnice nedaleko od Prahy. Se zvyšujícím se výkonovým zatížením bylo samozřejmě nutno rozšiřovat i distribuční síť tak, aby bylo možno elektrickou energii dodávat v požadovaném množství a kvalitě. Proto během roků 1999 a 2000 byly uvedeny do provozu 2 nové transformovny 110/22 kV a tak je nyní tato lokalita napájena ze čtyř transformoven. Vzhledem k tomu bylo třeba řešit zapojení nových zdrojů do systému a upravit provozní stav sítě. Toto bylo vždy provedeno pouze odborným odhadem pracovníků společnosti Středočeská energetická a.s. bez provedení jakýchkoliv výpočtů ztrát a úbytků napětí. Tato práce hodnotí současné provozování systému. Hodnocení chápu jako vícekriteriální úlohu. Důležitým hlediskem jsou celkové ztráty v systému, které vypovídají o ekonomičnosti napájení. Neméně důležitým faktorem jsou napěťové podmínky v jednotlivých odběrových uzlech. Podle normy nesmí napětí v sítích vn klesnout pod hranici 95 % ze jmenovité hodnoty, což představuje 20,9 kV. Proto jsem provedl kontrolu, zda je napětí ve všech uzlech soustavy s dostatečnou rezervou nad touto kritickou hranicí. Nezanedbatelné kritérium je i to, zda je síť rozpojena na dobře a rychle přístupném místě. Pokud dojde v určité části systému k poruše, se kterou není možné síť provozovat, většinou se pomocí sekčních vypínačů změní topologie systému, tak aby byla oblast bez dodávky elektrické energie co nejmenší. V tomto případě se většinou spínají ty sekční vypínače, které jsou za normálního provozu vypnuty. Doba bezproudí větších částí systému je tedy závislá i na tom, za jak dlouho jsme schopni změnit zapojení systému. Proto je důležité, aby sekční vypínače, které v normálním provozu síť rozpojují byly dobře a rychle přístupné. V dalším bodě jsem navrhl 2 výhodnější varianty zapojení sítě. V obou případech spočívá zlepšení ve výhodnějším rozložení odběrů na jednotlivá vedení se zřetelem na totální ztráty s přihlédnutím k možnosti rychlého přístupu k důležitým sekčním vypínačům. V prvním případě se toto děje pouze změnou topologie systému sekčními vypínačemi bez nutnosti fyzické úpravy sítě, ve druhé variantě přistupuji k jednoduché fyzické změně sítě, jakou je přetažení odbočky z dvojnásobného vedení z jednoho potahu na druhý. Dále se zabývám náhradním napájením oblasti, přičemž předpokládám vždy vyřazení jedné transformovny z provozu. K tomuto stavu vede porucha na vedení 110 kV nebo na transformátoru, případně revize v transformovně nebo práce na vedení 110 kV, které nelze provádět pod napětím. V těchto případech je nutné změnit topologii systému a odběratele, kteří byli původně napájeni z vyřazené transformovny nově napájet z jiného zdroje. Při této změně samozřejmě dochází ke zhoršení napěťových poměrů v síti a ke značnému zvýšení ztrát. Nejdůležitější je, aby se při tomto náhradním provozu napětí pohybovalo v normou stanovených mezích. Na ztráty se vůbec nehledí, jelikož se předpokládá, že oblast bude napájena tímto způsobem jen zanedbatelný počet hodin v roce. Druhým důležitým kritériem je, aby přechod na náhradní napájení byl jednoduchý a přehledný, je-li to kvůli dodržení napětí u odběratelů možné. Nakonec jsem zpracoval výkonovou bilanci s výhledem do roku 2010 a to jednak na základě znalosti konkrétních rozpracovaných projektů a jednak díky znalosti trendu nárůstu spotřeby elektrické energie v posledních letech. Pro tento výhled jsem dále navrhl přiměřené rozšíření stávajícího systému.

59


Srovnání kvality a dodávky elektrické energie v nových průmyslových zónách Zdeněk Kodalík - EE 5 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE Cílem předkládané práce je uvést základní údaje, které charakterizují kvalitu dodávky elektrického napětí v předávacích místech podle nových předpisů a norem a přispět k definování povinnosti provozovatelů DS i prostředků, kterými lze parametry kvality měřit a zlepšovat. Parametry kvality elektrického napětí jsou posuzovány podle normy ČSN EN 50160. Norma ČSN EN 50 160 popisuje charakteristiky napájecího napětí za normálních provozních podmínek mezi distributorem a odběratelem. Norma nepopisuje typickou situaci pro odběratele, ale udává meze nebo hodnoty, jaké může za normálních provozních podmínek očekávat kterýkoliv odběratel. Norma se nevztahuje na mimořádné provozní podmínky a může být celá nebo její části nahrazeny smlouvou mezi jednotlivým odběratelem a dodavatelem elektřiny. Předmětem této normy je popis charakteristik napájecího napětí zahrnujících velikost, kmitočet, tvar vlny a symetrii třífázových napětí. Tyto jednotlivé parametry jsem v diplomové práci podrobně charakterizoval a popsal z normy povolené meze nebo směrné hodnoty, ve kterých se tyto parametry mohou pohybovat. Norma ČSN EN 50 160 se vztahuje na dodávky elektrické energie až do napětí 35 kV. Ve svoji diplomové práci jsem provedl kontrolu dodávky elektrického napětí šesti odběratelům ve dvou průmyslových zónách. Vytypované nové průmyslové zóny, ve kterých byla u jednotlivých odběratelů provedena kontrola dodávaného napětí jsou Borská pole Plzeň (3 odběratelé), průmyslová zóna v Klatovech (2 odběratelé) a jeden odběratel v Chanovicích. Charaktery odběrů těchto zón jsou dány především použitím strojů při výrobě a provozu jednotlivých provozoven. Pět odběratelů je připojeno na hladinu 22 kV, pouze jeden odběratel z průmyslové zóny v Klatovech je napájen ze sítě nízkého napětí. Jednotlivé odběratele jsem podrobně charakterizoval a popsal jejich odběry. Samotné měření se provádělo analyzátorem elektrických sítí UNILYZER 900F. UNILYZER 900F byl osazen na hladině 3×22 kV, (pouze odběratel v Klatovech je osazen na hladině napětí 3×230/400 V) 50 Hz a přes měřicí transformátory proudu a napětí ve skříni USM (univerzální skříň měření). Konfigurace měření záleží na typové skříni USM a jejím vybavení dále záleží na měřicích transformátorech proudu a napětí. Naměřená data byla přenesena do počítače a vyhodnocena pomocí programu PowerProfile. Monitorování poklesů a přerušení napětí se provádělo pomocí monitoru poklesu napájení MKN. Monitor poklesu napájení MKN umožňuje sledování poklesů a zvýšení napětí v trafostanicích s běžným tvarovým zkreslením měřených napětí. Monitorování kvality u jednotlivých odběratelů probíhalo týden ve dvou různých ročních období. Z naměřených dat jsem určil zda kvalita dodávaného napětí vyhovuje stanovené normě ČSN EN 50160. Dále jsem provedl porovnání kvality dodávky u jednotlivých odběratelů. V závěru jsem celé měření zhodnotil, určil prostředky, kterými lze kvalitu zlepšovat a stanovil meze rezervovaných příkonů, o které je možné rozšířit odběr v jednotlivých zónách. V součastné době, ve které se ve stále větší míře využívá výpočetní techniky a jiných na kvalitu elektrického napětí citlivých spotřebičů musí kvalitu dodávaného elektrického napětí distribuční společnosti kontrolovat a preventivními opatřeními omezovat její zhoršování.

60


Přenos dat po silové síti 230V/50Hz Jiří Lán - ES 5 lektor: Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D. - KAE V tomto příspěvku bych chtěl poukázat na problematiku přenosu dat po silovém vedení, tato technologie přenosu je označována jako PowerLine (také PLC – Power Line Communication). Vyjdu zde z mé diplomové práce zpracované na KAE v tomto roce. Práci jsem rozdělil do čtyř kapitol, o kterých se v následujícím textu stručně zmíním. První kapitola poukazuje na důvody použití PowerLine technologie. Základní myšlenkou zavedení PLC technologie je úspora finančních prostředků na budování nových datových sítí. PLC technologie využívá již stávajících silnoproudých energetických sítí. Využití tohoto vedení však vyžaduje instalaci přídavných zařízení (modemů, opakovačů). Tato zařízení zajišťují přenos datového signálu a jeho bezpečné oddělení od síťového napětí. Důležitou součástí PLC je zvolená modulace přenášeného signálu. Proto jsem se v druhé kapitole zabýval základním rozdělením modulací, jejich popisem a znázorněním jak v časové, tak i frekvenční oblasti. Záměrně jsem uvedl všechny dnes používané modulace, po prostudování této kapitoly by tedy mělo být zřejmé, pro kterou aplikaci je jaká modulační metoda vhodná. Modulace jsou rozděleny na analogové a diskrétní. Z diskrétních modulací jsou pak podrobněji zpracovány modulace s klíčováním, tedy ASK, FSK a PSK. PLM (Power Line Modem) dnes ve většině případů pracují s modulací FSK. Zda se jedná o dvou stavovou nebo vícestavovou FSK modulaci záleží na konkrétním provedení PLM. Zadání mé diplomové práce zní Knihovna funkcí pro DSP určených pro komunikaci po silovém vedení. Využil jsem vývojovou desku DSP Starter Kit (DSK) od firmy Texas Instruments osazenou procesorem TMS320C542. DSK je určena pro zvukové aplikace (kmitočtové pásmo 0 - 22 kHz), A/D a D/A převodníky osazené na DSK jsou tedy pro mou aplikaci nepoužitelné. Proto jsem navrhl rozhraní s rychlejšími převodníky, tímto návrhem se zabývám v kapitole třetí. Rozhraní obsahuje filtr pro oddělení číslicového napájecího napětí +5V (získávaného z DSK) od analogového napětí, dále ochrany na vstupu A/D převodníku a operační zesilovače, které umožnují připojení rozhraní na vazební obvod. Vazební obvod umožňuje připojení PLM do sítě 230 V / 50 Hz. Zajišťuje odfiltrování silového signálu na 50 Hz a zároveň umožňuje vysílat datový namodulovaný signál do silové sítě. Největší problém při návrhu vazebního obvodu je přizpůsobení jeho výstupní impedance na impedanci sítě. Impedance silové sítě je totiž proměnná nejen s kmitočtem, ale mění se také podle místa připojení, např. pro kmitočet 100 kHz se impedance sítě pohybuje v tolerančním pásmu 1,5 Ω – 100 Ω. Nepřizpůsobení výstupní impedance vazebního obvodu a vstupní impedance silové sítě tedy způsobí útlum signálu. Zpětné obnovení signálu se na přijímací straně řeší filtrací a zesílením. Odolnost proti rušení pak zajišťuje vhodně zvolená modulační metoda, chybovost je snižována použitím zabezpečovacích kódů. V poslední kapitole se zabývám vlastním návrhem modulačních a demodulačních algoritmů pro přenos dat. Zvolil jsem modulace ASK, FSK a PSK. U modulace ASK se při log.1 odvysílá desetibodový sinus na kmitočtu 70 kHz, při log.0 se nevysílá. Přijímací algoritmus pak rozliší přítomnost / nepřítomnost signálu a podle toho zpětně složí z osmi bitů jeden byt, který uloží do bufferu. Modulace PSK pracuje obdobně, při změně bitu se však mění polarita vysílaného sinu. U modulace FSK (dvoustavové) se při log.1 odvysílá deset sinů o kmitočtu 83 kHz a při log.0 pak deset sinů o kmitočtu 60 kHz. Odvysílat deset sinů za sebou je nutné z důvodu bezpečného rozpoznání kmitočtu na přijímací straně. Testované algoritmy pracují na sníženém kmitočtu, než je definováno normou. Jejich úprava na vyšší kmitočet však znamená nepatrný zásah do programu, v podstatě jde pouze o změnu hodnoty v čítači, určující periodu přerušovací rutiny. Z hlediska obvodového řešení by to znamenalo buď použít výkonnější DSP, nebo některé softwarové části řešit hardwarově. 61


Generátor výpadků a poklesů síťového napětí Patrik Průcha - ES 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Úkolem mé práce bylo sestrojit generátor výpadků a poklesů síťového napájecího napětí (dále jen generátor), který by bylo možno použít i jako nestabilizovaný zdroj střídavého napětí sinusového průběhu. Zadaný nebyl způsob realizace, ale pouze očekávaný výsledek, tudíž rozhodnutí, jakým způsobem realizovat zadání, bylo na mě. V principu může být toto zadání realizováno dvěma způsoby. Vytvořením vlastního zdroje napětí, nebo použitím napětí síťového. Pro první variantu hovoří možnost regulace napětí pomocí PWM. Bylo by tedy možné plynule regulovat výstupní napětí s minimálními ztrátami. Použití spínaného zdroje ale s sebou přináší rozhodně i svá úskalí. U připojovaného testovaného zařízení nelze určit charakter jeho vstupní impedance a tudíž zdroj musí být schopen napájet induktivní, rezistivní i kapacitní zátěž. Dále musí být schopen napájet například spotřebič pracující pouze při půlvlnách jedné polarity, nebo další spínaný zdroj, jehož odebíraný proud tvoří špičky, jejichž délka závisí na úhlu otevření usměrňovače ve spínaném zdroji. Musíme počítat také s tím, že u testovaného zařízení může nastat poruchový stav, jako je například zkrat, nebo rozpojení zátěže induktivního charakteru a zdroj nesmí ani při těchto poruchových stavech havarovat. To je obtížné docílit použitím spínaného zdroje a návrh takového zdroje by pravděpodobně přesahoval čas i finanční možnosti, který bylo možné této práci věnovat. Proto jsem zvolil variantu druhou, tj. použití síťového napětí. Toto napětí je přivedeno na primární svorky transformátoru a požadované napětí je nastaveno pomocí kombinace sekundárních vinutí transformátoru. Výhody této varianty jsou nesporné v tom, že je možné napájet zátěž jakéhokoli charakteru bez nebezpečí havárie zdroje. Je pouze nutné zabezpečit přepínání sekundárních vinutí. Mezi nevýhody tohoto řešení patří určitě nemožnost plynule regulovat výstupní napětí, nemožnost ovlivnit zkreslení - průběh výstupního napětí, který je závislý na kvalitě sítě a to, že nelze dostatečně ovlivnit vrcholový zapínací proud, protože je omezený vnitřní impedancí rozvodné sítě. Požadované napětí, popřípadě druh zkoušky je zadán pomocí klávesnice a mikroprocesor následně provede odpovídající nastavení kombinace spínačů. Ke spínání spínačů dochází vždy v nule napětí a k rozpínání v nule proudu. Jako spínače jsou použita solid state relé S216S02 od firmy Sharp. Mají již integrován optoelektronický vazební člen, tudíž je zajištěno galvanické oddělení řídícího obvodu. Řídící signál pro spínání v nule napětí je generován obvodem s komparátorem a je přiveden přes optoelektronický vazební člen na vstup přerušení řídícího obvodu. Výstupní napětí, proud, popřípadě druh prováděné zkoušky jsou zobrazovány na displeji. Generátor byl navrhován s ohledem na normu ČSN 61000-4-11 Krátkodobé poklesy napětí, krátká přerušení a pomalé změny napětí – zkoušky odolnosti. Tato norma definuje metody zkoušek, rozsahy preferovaných zkušebních úrovní a požadavky na testovací generátor. Týká se elektrických a elektronických zařízení připojovaných do rozvodných sítí nízkého napětí, jejichž fázový proud není větší než 16 A. Generátor však nesplňuje některé požadavky kladené normou. Jedná se zejména o jeho proudovou zatížitelnost a schopnost vybuzení vrcholového zapínacího proudu. Je tedy určen pouze pro orientační testy zařízení s odebíraným proudem max. 4 A a jako regulovatelný nestabilizovaný zdroj střídavého napětí sinusového průběhu od 0 do 278 V s frekvencí 50 Hz.

62


Energetický monitor na bázi LonWorks® Libor Valeš - ES 5 lektor: Ing. Radek Rajchl - KAE Jedná se o energetický monitor, který komunikuje s inteligentním elektroměrem po silových vodičích pomocí sběrnice LonWorks a slouží k dálkovému odečtu jednotlivých složek elektrické energie. LonWorks je průmyslová sběrnice vyvinuta firmou Echelon. Používá se např. v oblasti řízení automatizačních prostředků v budovách, jako jsou klimatizace, osvětlení, výtahy, apod. Síť LonWorks se skládá ze dvou nebo více inteligentních uzlů. Uzly spolu komunikují pomocí společného protokolu po jednom nebo více přenosových vedeních (silové vodiče, kroucené dvojlinky, optické kabely, apod.). Srdcem každého uzlu je součástka nazývaná Neuron Chip, která obsahuje LonTolk protokol. Tento protokol je 7-vrstvý podle ISO/OSI modelu. Jak jsem uvedl v úvodu, použil jsem jako přenosové médium silové vodiče. Pro tuto komunikaci vyvinula firma Echelon speciální integrovaný hybridní obvod, který nazvala PLT-22. Jedná se o přijímač / vysílač, který komunikuje ve frekvenčním pásmu podle normy CENELEC a to 110 kHz až 140 kHz. PLT-22 obsahuje digitální signálový procesor, vstupně / výstupní analogové obvody, A/D a D/A převodník. PTL-22 je spojen s Neuron Chipem pomocí komunikační sběrnice. Pro komunikaci se používá speciální komunikační protokol nazvaný special-purpose. K PLT-22 se připojuje vazební obvod, který slouží jako pásmová propust pro komunikační frekvenci a obsahuje oddělovací transformátor a kondenzátory. Problém v návrhu uzlu sítě není většinou v návrhu hardwaru, ale ve vytvoření softwaru. Naprostá většina funkcí je hardwarově realizována pomocí NEURON CHIPU. Elegantní hardwarová realizace však překvapivě pokračuje i vytvořením uživatelsky velice pohodlného programovacího jazyka. Hlavním programovacím jazykem pro psaní aplikací na Neuron Chipu je programovací jazyk NEURON C. NEURON C je založen na standardu ANSI C, rozšiřuje však podporu pro vstupně / výstupní operace, událostní řízení, posílání zpráv a distribuované datové objekty. Uživatelská „přítulnost“ spočívá hlavně v implementaci funkcí do firmwaru Neuron Chipu. Asi největší výhodou aplikačního programu je, že jeho chod řídí hardwarový scheduler. To umožňuje v aplikačním programu deklarovat tzv. klauzule when, které specifikují reakci na danou událost nebo podmínku. Po sběrnici LonWorks se dá komunikovat dvěma způsoby. Jeden způsob je komunikace pomocí síťových zpráv a druhý pomocí síťových proměnných. Já jsem použil komunikaci pomocí síťových zpráv ke konfiguraci energetického monitoru. Síťové proměnné používám ke komunikaci mezi energetickým monitorem a elektroměrem. Vlastní energetický monitor je naprogramovaný, aby se po připojení k silovým vodičům sám nakonfiguroval. Konfigurace probíhá tak, že energetický monitor nejdříve vyšle zprávu všem připojeným elektroměrům. Tato zpráva se nazývá BROADCAST. Elektroměry, které tuto zprávu dostanou, pošlou odpověď, která obsahuje číslo elektroměru (neuron ID). Vybráním požadovaného elektroměru se vyšle další zpráva o zaslání adresy elektroměru (subnet_node). S elektroměrem by samozřejmě šlo komunikovat pomocí neuron ID, ale toto číslo je dlouhé 6 byte. Vzhledem ke komunikační rychlosti 4 kb/s je snaha o co možná nejkratší adresu, aby bylo možno přenést více dat a proto jsem zvolil adresaci pomocí subnet_node. Dále se volí subnet_node pro energetický monitor. Potom je zapotřebí nakonfigurovat síťové proměnné. Po konfiguraci síťových proměnných může začít komunikace energetického monitoru s elektroměrem. Energetický monitor obsahuje LC-displej 2×16 znaků a čtyři tlačítka. Pomocí tlačítek se dá nastavovat jakou informaci chceme zobrazit. Zobrazovat se dá např. činný výkon, činná energie, jalový výkon, jalová energie, napětí ve fázi, proud ve fázi, účiník, frekvence, apod. Energetický monitor ještě obsahuje LED diodu, která signalizuje tarif (denní / noční proud).

63


Praktická aplikace výpočetní metody trojfázových výkonů při nelineárním zatížení distribuční soustavy a její využití v provozu distribuční soustavy Pavel Zeman - EE 5 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE Vědecký a technický vývoj v posledních letech vyvolal celou řadu nových problémů a úkolů souvisejících s měřením a hodnocením elektrické energie a výkonů. Je známo, že rozvoj polovodičové techniky umožňující provoz zařízení výkonové elektroniky, která způsobuje zkreslování průběhů proudů a napětí od základní harmonické, značně ovlivnil způsob a kvalitu odběru elektrické energie, a tím i hodnocení přenosu, odběru a ztrát při jejím přenosu. Přibývá odběratelů, kteří svým odběrem generují vyšší harmonické do sítě nebo zatěžují soustavu nesymetricky či nestejnoměrně. Ti pak způsobují deformaci proudů a napětí od harmonického průběhu. Tyto deformace si pak vyžadují netradiční přístupy jak v teorii, tak i při praktickém měření a způsobují chyby v klasickém měření a určování výkonů, ztrát a odebrané energie. Klasický způsob měření a hodnocení odběru elektrické energie zde pak nestačí. Nesouměrnost, nevyváženost či vyšší harmonické v proudové soustavě jsou totiž příčinou newattových výkonů, které doprovázejí přenos činného výkonu a které stejně jako jalový výkon zvětšují ztráty v pasivních odporech soustavy. Toto navýšení se ale většinou neuvažuje a bývá opomíjeno. Vzniká tak otázka, zda je navýšení ztrát díky deformaci soustavy tak velké, že je nutné se jimi podrobněji zabývat. Tato práce se zabývá odlišností a specifičností odběru elektrické energie, výkonů, ztrát a jejich hodnocení v soustavě deformované a nedeformované, je zde uvedena metoda, kterou se dá zjistit jakou částí se na ztrátách při přenosu elektrické energie v deformované soustavě podílejí newattové výkony. Práce je rozdělena na několik částí. V první části je popsána klasická teorie trojfázových obvodů a uvádí nás do problému výpočtů v trojfázových soustavách. Druhá část je věnována metodě pro výpočet ztrát při nelineárním a nesymetrickém zatížení distribuční soustavy. Zde je popsána teorie výpočtu výkonu elektrického proudu v deformované soustavě, zdánlivého výkonu nelineárního proudu, účiníku v deformované soustavě a teorie výpočtu ztrát v pasivních odporech deformované soustavy a jejich rozdělení. Spolu s těmito kapitolami zabývajícími se problematikou teoreticky jsou zde další kapitoly s konkrétními výpočty. Třetí kapitola se zabývá ověřením teoretické metody na několika vzorových příkladech. Další kapitola z prakticky naměřených hodnot na lince 110 kV: Přeštice-Stříbro, na kterou je připojena trakční transformovna ČD-Vranov, určuje deformaci v lince danou vyššími harmonickými produkovanými ČD a navýšení ztrát při přenosu elektrické energie v této deformované soustavě oproti soustavě bez deformací. Na závěr je pomocí programu Matlab proveden návrh jednoduchého výpočetního programu pro určení podílu jednotlivých newattových výkonů na ztrátách v deformované soustavě.

64

Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Recommend Documents