docsborník
download 
Stížnost Transkript
sborník
Přehlídka studentských odborných prací na FEL konaná dne 16. května 2003 pod záštitou prorektora ZČU doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc. a děkana FEL ZČU doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc. pořádaná v odborných sekcích Elektroenergetika Elektronika a sdělovací technika Elektrotechnologie Počítačové modelování v elektrotechnice Průmyslová elektronika Řízení technologických procesů FEL, ZČU 2003 Slovo úvodem Soutěž studentských odborných prací má na naší fakultě dlouholetou tradici. V některých obdobích zájem o soutěž poklesl a přihlašovalo se velmi málo studentů, takže se některé ročníky dokonce vůbec nekonaly. V roce 1996 byla na naší fakultě uspořádána studentská soutěž na mezinárodní úrovni, které se zúčastnili studenti elektrotechnických fakult z České i Slovenské republiky s vítěznými pracemi z fakultních kol. Od tohoto roku se soutěž na naší fakultě koná jako přehlídka odborných prací a zájem o ni neustále vzrůstá. Soutěžní práce jsou rozděleny do sekcí podle odborného zaměření. Počet těchto sekcí začínal na dvou a letos jich je již šest. Od roku 1999 je každoročně vydáván sborník soutěžních prací. Do soutěže byly přijímány odborné práce jak magisterského, tak i doktorského studia. Vzhledem k tomu, že fakulta začala pořádat samostatnou konferenci pro doktorandy, je nyní tato soutěž určena pouze pro studenty magisterského a bakalářského studia. V letošním roce je 64 příspěvků a vzrostl i počet studentů nižších ročníků oproti minulým letům, kdy se přehlídky zúčastňovali zejména posluchači posledních ročníků, kteří se věnovali odborné činnosti v rámci své diplomové práce. Na tomto místě chci poděkovat všem autorům soutěžních prací za příspěvek do přehlídky a pracovníkům fakulty za odborné vedení studentů. Ocenění patří zejména těm pedagogům, kteří pracují se studenty z nižších ročníků. Tato spolupráce je jistě přínosná pro obě strany. Současně chci poděkovat všem členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, kterou podpořili tuto přehlídku a umožnili její organizaci. Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, neboť člověk je tvor soutěživý a věřím že přispěje k odbornému rozvoji každého účastníka. Ing. Václav Boček, Ph.D. organizační garant Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Obsah Sekce Elektroenergetika Problematika šíření tepla v elektrotepelných zařízeních............................................................ 8 Jan Beň - EE 5 Koncepce chránění kabelové sítě 22 kV v areálu ŠKODA........................................................ 9 Jiří Calta - EE 5 Teplotní pole elektrických sálavých panelů ............................................................................. 10 Dana Hrůzová - EE 5 Analýza jevů vznikajících při elektrickém obloukovém svařování ......................................... 11 Vladimír Jelínek - EE 5 Indukční zařízení pro kontinuální tavení.................................................................................. 12 Luděk Karlovec - EE 5 Možnosti výstavby nového elektrárenského zdroje v lokalitě Vřesová ................................... 13 Kateřina Koblížková - EE 5 Možnosti sušení porézních látek elektrickými zdroji tepla...................................................... 14 Tomáš Petrů - EE 5 Systém chránění sítí ................................................................................................................. 15 Martin Procházka - EE 5 Indukční ohřev vsázky kuželovitého tvaru............................................................................... 16 Jiří Pustina - EE 5 Návrh konfigurace silnoproudé sítě rozvodny 110 kV Stříbro ................................................ 17 Petra Svobodová - KE 5 Simulátor nesouměrných stavů v ES........................................................................................ 18 Tomáš Tajtl - EE 5 Sekce Elektronika a sdělovací technika Liniové použití přepínačů ve funkci přístupové sítě ................................................................ 20 Tomáš Blecha - ES 5 Transformace mobilní komunikace u Českých drah................................................................ 21 Ivo Dušek - ES 5 Řešení problematiky konkurence hlasových a datových paketů v datové síti s implementovanou technologií VoIP ...................................................................................... 22 Karel Heindl - ES 5 Hardwarové a softwarové řešení přenosu dat mezi vybraným typem mikropočítače a řídící jednotkou.................................................................................................................................. 23 Jiří Heřmánek - ES 5 Vývoj aplikačního SW pro měřící modul UDAQ-1638........................................................... 24 David Hittman - PE 5 Návrh modulu analogových a digitálních vstupů a výstupů monitorovatelného a ovladatelného přes siť GSM. ........................................................................................................................... 25 Václav Chládek - ES 5 Návrh regulovatelné aktivní zátěžové karty pro PCI sběrnici ovládané externím modulem... 26 Karel Klouček - ES 5 Frekvenční syntezátory s obvody přímé digitální syntézy ....................................................... 27 Petr Palán - ES 5 Komponenty informačního systému Fakulty elektrotechnické................................................ 28 Václav Pikhart - ES 5 Návrh modulu k vývojové desce s FPGA APEX 20k200 pro zpracování videosignálu ......... 29 Pavel Pokorný - ES 5 Návrh komunikačního zařízení pro bezdrátový přenos dat...................................................... 30 Martin Vít - ES 5 3 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Elektrotechnologie Převodníky efektivní hodnoty U[V], I[A], P[W], Q[Var], zapojení a kalibrace...................... 32 Petr Hamáček - KE 3 Převod proudu na rotační část plazmatronu ............................................................................. 33 Daniel Jánský - KE 5 Dynamické změny rychlosti elektrického točivého stroje při přepnutí Y-D ........................... 34 Zdeněk Křelovec - E 2 Posouzení vybraných elektrických parametrů laminátů Lamplex FR 4 .................................. 35 Michal Kurtinec - KE 5 Spouštění asynchronních motorů pomocí elektronicky řízeného systému softstart ................ 36 Jan Markvart - KE 3 Diagnostika kompozitních materiálů - plastů, strukturální analýzy......................................... 37 Pavel Moravec - SE 5 Měřící převodníky napětí, proudu, jalového a činného 3f výkonu .......................................... 38 Jan Pilný - KE 3 Vliv technologie na povrchové vlastnosti laminátů typu FR4 ................................................. 39 Jiří Ryška - KE 5 Měření momentu setrvačnosti metodou torzních kmitů........................................................... 40 Petr Šafrata - KE 5 Perspektivní impregnační pryskyřice 3750 .............................................................................. 41 Petra Švátorová - KE 5 Kaučukové materiály plněné slídou ......................................................................................... 42 Miloslav Toman - SE 4 Sekce Počítačové modelování v elektrotechnice Optimalizace povrchového indukčního ohřevu neferomagnetického válce před jeho povrchovou úpravou................................................................................................................. 44 Karel Beneš - KE 5 Význam Parkovy transformace z hlediska soudobé výpočetní techniky ................................. 45 Jiří Lahoda - ES 3 Vliv parametrů asynchronního motoru na jeho provozní vlastnosti ........................................ 46 Jiří Lang - SE 5 Zhodnocení dlouhodobého zatížení miniaturního feromagnetického aktuátoru z hlediska jeho následného oteplení .................................................................................................................. 47 Martin Mach - SE 5 Matematický model asynchronního motoru pro nesymetrické režimy .................................... 48 Tomáš Preisinger - SE 5 Počítačové modelování indukčního ohřevu ............................................................................. 49 David Rot - KE 5 Výpočet oteplení točivého elektrického stroje v přechodném tepelném stavu Liebmannovo metodou .................................................................................................................................... 50 Jan Soukup - SE 5 Provoz asynchronního motoru s napěťovým střídačem při použití modulací založených na vektorovém zobrazování veličin .............................................................................................. 51 Karel Vaněk - PE 5 Indukční ohřev feromagnetických válcových těles pohybujícím se induktorem ..................... 52 Martin Vávra - SE 5 Optimalizace uspořádání feromagnetického akcelerátoru z hlediska tvaru jeho statické charakteristiky .......................................................................................................................... 53 Pavel Vejvara - KE 5 Optimalizace rozměrů rotoru synchronního reluktančního motoru pomocí metody konečných prvků......................................................................................................................................... 54 Richard Zach - SE 5 4 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Průmyslová elektronika Řízení napěťového střídače signálovým procesorem DSP 56F805 ......................................... 56 Petr Bárta – PE 5 Softwarové rozhraní pro DSP Motorola................................................................................... 57 Michal Daněk - PE 5 Návrh řídící jednotky střídače asynchronního pohonu se SW jádrem NIOS........................... 58 Milan Hubený - ES 5 Způsoby eliminace transientních přepětí v soustavě měnič – kabel – motor........................... 59 Martin Jedlička - PE 5 Problematika víceúrovňového řízení asynchronního motoru................................................... 60 Jan Kolář - PE 5 Moderní způsoby řízení napěťových střídačů - modulátor ...................................................... 61 Miroslav Lazebník - DE 5 Inteligentní přístrojový zesilovač ............................................................................................. 62 Zbyněk Princ - ES 5 Jednotka pro záznam měřených dat ......................................................................................... 63 Andrea Ronešů - ES 5 Výzkum možností měření velikosti materiálového toku ve vibračních podavačích................ 64 Luděk Sláma - ES 5 Řízení pulsního měniče procesorem ........................................................................................ 65 Martin Škala – PE 5 Velmi malý generátor elektromagnetického pole – nástroj k měření efektivity stínění .......... 66 Michal Špinka - KE 5 Sekce Řízení technologických procesů Příprava metrologického systému pro podnik LETELelektronik Přeštice............................... 68 Erika Balková - KE 5 Metrologický řád a jeho zařazení v systému jakosti podniku DONOV PLUS ........................ 69 Růžena Dobrá - KE 5 Optimalizace diagnostického systému elektrotechnického závodu ......................................... 70 Tomáš Drobílek - SE 5 Tepelná čerpadla a sušení......................................................................................................... 71 Petr Holata - EE 5 Návrh obvodu pro zkoušky elektrických přístrojů nn zkratovým proudem............................. 72 František Hrabec - KE 5 Problematika zatížení obyvatelstva nízkofrekvenčním hlukem............................................... 73 Jana Hyklová - TE 5 Zpracování přehledu zkoušek spínačů NN podle norem ČSN EN a dalších předpisů ............ 74 Jana Jiřičková - KE 5 Řízení technologických procesů............................................................................................... 75 Karel Moravec - KE 5 Inovace systému řízení jakosti zkušební laboratoře podle ČSN EN ISO/IEC 17025 .............. 76 Ladislav Toman - KE 5 5 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Elektroenergetika složení komise předseda prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. členové Ing. Emil Dvorský, CSc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. Ing. Antonín Podhrázký 7 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Problematika šíření tepla v elektrotepelných zařízeních Jan Beň - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Pro všechny výrobní procesy je nezbytná mechanická práce a technologické teplo. Obě tyto energie mají ve výrobě stejný a základní význam. Elektrické teplo podstatně zvyšuje produktivitu práce, jakost výrobků, zhodnocuje materiály a suroviny, snižuje výrobní náklady. Elektrotepelná zařízení jsou funkčně pohotová, velmi účinná, dosahují libovolných přesně řiditelných teplot a jejich průběhů, zajišťují naprostou reprodukovatelnost procesů. Zlepšují účinnost celého uzavřeného výrobního cyklu (méně zmetků a vratného materiálu, atd.). Obecně patří ohřev výrobku v pracovním prostoru pece k procesům značně složitým, neboť zahrnuje přestup tepla v tomto prostoru mezi třemi tělesy: atmosférou, ohřívaným materiálem a pecním zdivem. K tomuto sdílení tepla přistupuje ještě i šíření tepla uvnitř ohřívaného výrobku. Dle podmínek ohřevu se mění směr a způsob přenosu tepla mezi tepelným zařízením, přenosovým prostředím a výrobkem. Na výrobek se teplo přenáší buď sáláním nebo prouděním, kdežto mezi povrchem výrobku a jádrem výrobku se teplo přenáší vedením. Jestliže teploty zařízení resp. prostředí a výrobku jsou různé, potom přenesené množství tepla Q závisí na α Qv λ rozdílu uvedených teplot, na fyzikálních vlastnostech Q TVp TVj materiálu výrobku vyjádřených nejlépe tepelnou vodivostí λ, a na fyzikálních vlastnostech přenosového výrobek Tp prostředí charakterizovaných součinitelem přestupu přenosové prostředí tepla α, na tvaru výrobku, výkonových parametrech tepelné zařízení tepelného zařízení a na dalších faktorech. Schéma přenosu tepla. Praktická část této práce byla zaměřena na měření součinitele přestupu tepla α prouděním. Měření bylo provedeno v laboratoři elektrického tepla ZČU v Plzni. Měřeným objektem byla upínací stopka, která byla zahřáta v nádobě s vodou na teplotu 344 K, poté byla vyndána, otřena a uložena do stojanu. K měření teploty byli použity tři pyrometry, jimiž byla v daných intervalech snímána teplota stopky ve třech různých pozicích (horní a dolní okraj a střed). Z naměřených hodnot byly získány ochlazovací charakteristiky. Součinitel přestupu tepla α byl získán počítačovou simulací v programu Ansys. Součinitel přestupu tepla lze také měřit alfametrem. V rámci měření součinitele přestupu tepla jsem se pokusil zjistit tento součinitel výpočtem z výsledných ochlazovacích charakteristik. Z rovnosti energií jsem provedl odvození rovnice pro dutý válec, plný válec a stěnu. Vše bylo ověřeno počítačovou simulací v programu Ansys. Výsledná rovnice má obecný tvar: ρVc p (Tt1 − Tt 2 ) α= S (Tstr − Tref )(t 2 − t1 ) kde V je objem, S povrch, Tt1,Tt2 teploty v čase t1 resp.t2, cp je měrná tepelná kapacita, ρ je hustota.Vliv λ jsem eliminoval tvrzením, že vedení tepla je mnohokrát vyšší, než přestup tepla prouděním a tak teplota po poloměru se rovná konstantě, kdy v čase t2 je teplota rovna Tt2. Získané poznatky z provedeného měření jsou zhodnoceny v závěru. Teplo a energie obecně se bude stále více získávat z jiných zdrojů, zejména z jaderných reakcí. Tím bude dále rychle růst význam elektrotepelné techniky nejen ve výrobě, ale i pro vytápění prostorů. Je tedy zřejmý narůstající význam elektrotepelné techniky v národním hospodářství jako oboru. 8 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Koncepce chránění kabelové sítě 22 kV v areálu ŠKODA Jiří Calta - EE 5 lektor: prof. Ing. Miloš Beran, CSc. - KEE Jednou z mnoha důležitých opatření v elektroenergetice je chránění elektrických zařízení, která jako celek tvoří elektrizační soustavu. Cílem této práce je navrhnout nastavení ochran páteřní kabelové sítě 22 kV v areálu podniku Škoda. V roce 2001 odkoupila Západočeská energetika (dále jen ZČE) od podniku Škoda veškerá elektrická vedení a zařízení, která dodávají elektrickou energii jednotlivým částem zdejšího průmyslu. Po převedení majetku začala ZČE s rušením a rekonstrukcemi některých rozvoden, pokládáním nových kabelů atd. Všechny úpravy mají za následek změnu konfigurace provozního schématu, což si vyžádalo nutnost nového nastavení všech elektrických ochran chránících celý elektrický rozvod. V závěru roku 2002 se podařilo ZČE společně se společností Plzeňská teplárenská převzít od americké skupiny Cinergy po 50 procentech akcií Plzeňské energetiky, která vlastnila a provozovala teplárnu stojící v blízkosti Škodovky. Jedná se o teplárnu označenou ELU III – výroba elektrické energie třemi turboalternátory s instalovaným výkonem 38, 40, 44 MVA + výroba tepla pro vytápění a užitkovou teplou vodu. Další změnou, která bude aplikována na jednotlivé rozvodny, je zavedení dálkového ovládání vybraných rozvoden (označované jako pasivní). Z těchto rozvoden je dále voleno několik nejdůležitějších rozvoden (označované jako aktivní), a ty budou navíc opatřeny elektrickými ochranami. Protože ochrany na ostatních rozvodnách, jiných než aktivních, budou vyřazeny z provozu a demontovány, budou muset ochrany v aktivních rozvodnách chránit veškerá elektrická zařízení. První úkol spočívá v aktualizaci provozního schéma areálu Škoda a v návrhu nastavení nadproudových ochran v aktivních stanicích, které chrání kabelová vedení před tepelnými účinky zkratových proudů. Druhým úkolem je posouzení koncepce aktivních stanic. Zadanou problematiku jsem řešil následujícím postupem: - shromáždění zdrojových podkladů z různých oddělení ZČE, nastudování práce s programem SIAN pro analýzu elektrických sítí vn a vvn, - aktualizace provozního schéma; síť 22 kV provozovaná jako kompenzovaná s Petersenovými tlumivkami připojenými na sekundární straně napájecích transformátorů, - výpočet maximálních a minimálních zkratových výkonů; zdrojem zkratového výkonu jsou transformátory 110/23 kV a výše zmíněné turboalternátory, - výpočet impedancí zkratových obvodů – sousledná složka; zahrnuje náhradní impedance sítě, alternátorů, transformátorů a kabelových vedení, - výpočet maximálních a minimálních třífázových rázových zkratových proudů ve všech stanicích; výpočet ekvivalentního oteplovacího proudu, - návrh vypínacích časů ochran v aktivních stanicích vycházejících z vypočítaných maximálních časů zatížení kabelů zkratovým proudem; zachování selektivity, - návrh nastavení proudů na ochranách – vztaženo k průřezu kabelů, kontrola velikosti vypínacího a minimálního zkratového proudu: Ivyp < I“kmin. Závěr práce obsahuje zhodnocení nastavení ochran a posouzení a doporučení úpravy volby aktivních stanic. Posudek je podložen teoretickými výpočty a praktickým nadhledem vztaženým k reálnému stavu provozované páteřní kabelové sítě 22 kV ve Škodovce. Výsledky a hodnocení obsažené v této práci by měly Západočeské energetice (zadavateli problému) posloužit jako podkladový materiál, který bude rozhodovat o správnosti koncepce aktivních stanic v areálu Škoda. Případně z něho můžou být čerpány nové poznatky a doporučení pro spolehlivější chod a řízení celého elektrizačního systému v podniku Škoda. 9 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Teplotní pole elektrických sálavých panelů Dana Hrůzová - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Sálání je neviditelné elektromagnetické vlnění, které prostupuje vzduchem, aniž by ho ohřálo. Teprve při dopadu na pevné předměty se přemění v teplo. Jedná se tedy o transport energie od jednoho tělesa na druhé, kde není třeba žádného tepelného nosiče. Rozsah jeho vlnových délek je přibližně od λ = 760 nm do λ = 10 000 nm. Jako hlavní zdroj sálání běžně se vyskytující v přírodě lze uvést slunce. Jeho záření prochází vzduchoprázdnem vesmíru, atmosférou Země a při dopadu na její povrch ho ohřívá a od něj je ohříván vzduch. Zemský povrch je ohříván výhradně sálavým polem slunce. Schopnost materiálů vyzařovat nebo pohlcovat tepelné záření je závislá na mnoha faktorech, například na teplotě tělesa, jeho barvě, lesklosti, drsnosti povrchu a typu materiálu. Existuje tedy mnoho důvodů proč sálavá pole sledovat, ať již jde o použití vhodného izolačního materiálu, nebo naopak volbu povrchu, který co nejvíce tepla vysálá do okolí. Sálavé systémy rozdělujeme podle převládající vlnové délky jejich záření. Ta je přímo závislá na teplotě zářiče. Čím je větší teplota tělesa, tím je kratší vlnová délka. Tuto 2898 skutečnost vyjadřuje Wienův posunovací zákon λ = . Zářivá energie závisí na teplotě a Θ velikosti plochy zářiče. Sálavé panely patří mezi tmavé infrazářiče. Výrobci většinou sálavé panely dále dělí na vysokoteplotní a nízkoteplotní (podle dosahovaných teplot jejich topných ploch). Elektrické sálavé panely pracují na principu ohřevu činné plochy na teplotu 90 ÷ 400°C. Topným elementem panelu mohou být například topná fólie, výplet z izolovaného vodiče, topné tyče a další. Topná plocha je upravena tak, aby docházelo k maximálnímu předávání tepla sáláním. Ostatní plochy panelu jsou zevnitř izolovány od topného systému tak, aby docházelo k jejich minimálnímu ohřevu a tím se omezily ztráty sáláním a konvekcí. Elektrické sálavé panely se využívají například k vytápění, sušení, rozmrazování, vypalování a temperování. Značně příznivý vliv má sálání na tepelnou pohodu člověka - především z toho důvodu, že pociťovaná teplota je vyšší než teplota vzduchu. Téměř nedochází k cirkulaci vzduchu a k jeho nadměrnému vysušování. Je zde dosaženo rovnoměrnějšího rozložení teplot ve svislém profilu vytápěného prostou. Větší teploty jsou u podlahy a v místě pobytu osob. Nedochází k velkému teplotnímu rozdílu mezi podlahou a stropem. Ráda bych prezentovala výsledky měření teplotních polí sálavých panelů a výsledky měření teplot z hlediska zonálního vytápění, kde je jako model člověka použit kulový teploměr. Jako další uvedu výsledky výpočtů účinností měřených sálavých panelů určených pomocí jejich ztrát sáláním a konvekcí. Dále uvádím výsledky výpočtů minimálních výšek zavěšení panelů nad podlahou s ohledem na velikost teplotního toku v oblasti hlavy, jehož hodnota by neměla přesáhnout 200 W/m2. Poté budou následovat výpočty množství tepla sdíleného mezi plochou panelu a měřenou hladinou. Nakonec bych zhodnotila získané výsledky, jejich praktické využití a možnosti použití sálavých panelů z hlediska vytápění. 10 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Analýza jevů vznikajících při elektrickém obloukovém svařování Vladimír Jelínek - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Svařování je nerozebiratelné spojení dvou nebo více materiálů stejného nebo rozdílného chemického složení. Je založeno na meziatomové nebo mezimolekulární vazbě elementárních částic spojených materiálů. Metody svařování se dělí na svařování tavné a tlakové. Mezi tavné svařování patří především svařování elektrickým obloukem, plazmou, plamenem, elektrostruskové svařování atd. Svařování el. obloukem se dále dělí na ruční svařování obalenými elektrodami, svařování pod tavidlem a v ochranné atmosféře. Do tlakového svařování lze zařadit svařování tlakové za studena, odporové, indukční, třecí, výbuchové, kovářské atd. Elektrický oblouk je v současné době nejrozšířenějším zdrojem tepla pro tavné způsoby svařování. Sestává se ze sloupce oblouku, anodové a katodové oblasti. Vodivost sloupce oblouku způsobuje přítomnost elektronů a iontů vznikajících v důsledku termické disociace a ionizace. Teplota sloupce oblouku, elektrické pole a proudová hustota jsou nejvíce ovlivňovány ionizačním napětím plazmového plynu, které je dáno ionizační energií ochranných plynů a prvků obsažených v obalu elektrod. Elektrický oblouk má výrazné tepelné a mechanické účinky na své okolí. Rozdělení tepla na obě elektrody není rovnoměrné. Obecně je na kladné elektrodě více tepla než na záporné. Poměr rozdělení tepla na elektrodách závisí na materiálu elektrod, prostředí v němž oblouk hoří a použité metodě. Dalším jevem je foukání oblouku, což je odklánění oblouku od normálního směru. Vychylování je způsobeno nerovnoměrným rozdělením proudu ve svařenci a vznikem elektromagnetického pole různé intenzity. Při obloukovém svařování dochází k několika způsobům přenosu nataveného materiálu elektrody do svarové lázně. Rozlišujeme přenos kapkový, zkratový, sprchový, smáčivý a impulsní. Tyto způsoby přenosu kovu jsou závislé na druhu materiálu elektrody, proudové hustotě, délce oblouku a na druhu plynu, v němž oblouk hoří. Při přenosu kovu se uplatňuje složitý systém silového působení. Velikost, směr a výslednice sil jsou dány proudovou hustotou, průměrem elektrody, polaritou apod. Gravitace působí podle polohy svařování, povrchové napětí udržuje kapku kovu na konci elektrody a jeho snížení zlepšuje přenos kovu. Protékající proud obloukem vytváří magnetické pole, jehož silové účinky (Lorenzovy síly) působí v radiálním i axiálním směru. Vlivem radiální síly dochází k zaškrcování kapky nataveného přídavného materiálu a následně jejího odtržení. Axiální síla může při vhodných poměrech napomáhat pohybu kovu do svarové lázně. Obě tyto síly jsou úměrné druhé mocnině svařovacího proudu. Kapka přídavného materiálu je také podrobena aerodynamickému působení proudu par a plynů, jenž také napomáhají k přenosu kovu. 11 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Indukční zařízení pro kontinuální tavení Luděk Karlovec - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE V této práci se zabývám problematikou tavení niklového bronzu v indukční kelímkové peci. Princip indukčního zařízení pro tavení kovů je velmi jednoduchý. Induktorem obepínajícím vsázku, protéká střídavý proud jedné frekvence. Tento střídavý proud vyvolá válcové elektromagnetické vlnění, které vstupuje do ohřívaného materiálu a utlumuje se v něm. Vznikající indukované proudy se ohřívaným materiálem uzavírají a způsobují jeho ohřev. Obecně řečeno, pracují tato zařízení na principu vzduchového transformátoru, kde induktor je primární stranou a vsázka stranou sekundární spojenou nakrátko. Jako niklový bronz se zpravidla označují slitiny s nízkým až středním obsahem niklu ve většinové mědi. Nikl se může vyskytovat v mědi jako příměs z prvovýroby a je dokonale rozpustný v tekutém i tuhém stavu. Přísada niklu zlepšuje pevnost, tvárlivost a houževnatost mědi a dodává jí odolnosti vůči chemickým vlivům. Niklový bronz se v indukční kelímkové peci taví s vyšší účinností (η) než samotná měď, neboť tato slitina má vyšší měrný odpor (ρ). Vyšší měrný odpor (ρ) zvyšuje totiž hloubku naindukovaných proudů (a2) ve vsázce a tím dochází ke snížení argumentu cylindrické funkce (x2). Pokud pak neplatí, že a2 << r2 dochází ke snižování absorbované energie vsázkou a tím i ke snížení účinnosti (η). Měrný odpor (ρ) se zvyšuje s postupným zahříváním vsázky a snižuje se i absorbovaná energie. Proto se výpočet provádí pro roztavenou vsázku, kde absorbovaná energie do vsázky je nejmenší. Při použití indukční pece s nevodivým kelímkem nastává problém s určením minimální zrnitosti šrotu, která je určena množstvím naindukovaného tepla do vsázky. Naindukované teplo 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). Relativní permeabilita je dále závislá na intenzitě magnetického pole (H2). 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 (I2), který je teoreticky stejně velký (pro tavící pece) jako budící proud v cívce (I1). Objemové množství absorbovaného tepla se také zvyšuje s hodnotou frekvence. V hloubce 3a se přemění v teplo 99,76 % z celkového absorbovaného množství energie, a proto by minimální rozměr vsazovaných kusů do kelímku měl být teoreticky (5-6) a. Z této povrchové vrstvy se teplo dostává k ose vsázky vířením díky působením elektrodynamických sil, což je jedna z výhod indukční kelímkové pece. Při výpočtu kelímkové pece vycházíme z hmotnosti roztavené vsázky G [kg]. Z ní určíme její objem a pak vnitřní rozměry válcové dutiny kelímku. Dále odvodíme vnitřní průměr induktoru a délku induktoru. Správný počet závitů N1 určíme z podmínky, aby induktor odebíral ze zdroje právě plný výkon. Zásadně by induktor měl mít různý počet závitů pro jednotlivé teplotní stavy vsázky. Tuhá vsázka totiž je schopna absorbovat více energie P21 než vsázka roztavená. 12 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Možnosti výstavby nového elektrárenského zdroje v lokalitě Vřesová Kateřina Koblížková - EE 5 lektor: Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE Rozvoj lidstva směřuje ke stálému zvyšování spotřeby elektrické energie. Úsporná opatření na straně spotřeby budou mít za následek snižování temp a přírůstků spotřeby elektřiny. Přesto bude v prvé třetině 21. století nutné připravovat řešení pro náhradu dožívajících elektráren a krytí zvýšené spotřeby elektřiny pro zajištění dostatku výroby elektřiny v další perspektivě. Pro zachování přírodních zdrojů, popřípadě pro jejich účelnější využívání, je nutné zabývat se možnostmi nových zdrojů elektrické energie. Ve své diplomové práci se zabývám možností nových zdrojů v lokalitě Vřesová. V dané oblasti se již od 17. století těží hnědé uhlí. Proto jsem v úvodu práce zavrhla výstavbu jaderné a vodní elektrárny, popřípadě alternativních zdrojů. Přestože dochází k útlumu těžby v celém hnědouhelném revíru, nastává přebytek těženého uhlí. Pro využití tohoto přebytku se nabízí možnost nového zdroje. Hlavní otázkou nového zdroje je, jestli se nový zdroj uplatní na dnešním trhu s elektrickou energií. Tento trh je v současné době na cestě k liberalizovanému modelu trhu, legalizovaného podle zákona č. 458/2000 Sb. (Energetický zákon). Česká republika zvolila postupné otevírání trhu. V současné době (od 1. ledna 2003) si svého dodavatele mohou vybírat spotřebitelé s roční spotřebou elektrické energie vyšší jak 9 GWh. Podle výsledků studie EGÚ, která byla zaměřena na zajištění dlouhodobé rovnováhy mezi potřebami a zdroji elektrizační soustavy ČR, vychází, že v letech 2007 – 2014 bude deficit výkonu. A to je dostačujícím argumentem pro výstavbu nového zdroje. Optimální velikost bloku jsem stanovila na 300 MW. Na základě rozboru vlastností paliva jsem zvolila dvě technické varianty řešení. První je varianta fluidního kotle, druhou variantou je práškové spalování. Fluidní technologie se v dnešní době poněkud rozšiřují. Uhlí se spaluje ve fluidních kotlech s příměsí vápence, kterým se absorbuje během spalování až 90 % síry a díky nižší teplotě se omezí i vznik NOx. Spolu s palivem se spaluje také inert a sorbent. Účelem inertu (písek, štěrk, keramika) je vytvořit fluidizační vrstvu s požadovanými vlastnostmi. Účelem sorbentu (vápenec) je v průběhu spalování vhodnou chemickou reakcí se sírou z paliv omezit vznik oxidů síry. Prášková ohniště se dnes konstruují ve dvou variantách. Granulační, kde spalování prášku probíhá za relativně nižších teplot v ohništi, takže většina popeloviny nepřekročí teplotu tečení a odchází z ohniště v pevné fázi jako škvára a popílek. Výtavná, kde teplota je větší a popelovina se z ohniště odvádí z 50 % jako tekutá struska a zbytek ve formě popílku. Pro výpočet ekonomické efektivnosti jsem použila program, který mi byl zapůjčen od společnosti EKO – ENERGO CONSULT Praha. Software je určen pro ekonomickou a finanční analýzu podnikatelských záměrů a finanční plánování. Provedení této analýzy pak umožňuje výběr ekonomicky optimální varianty v daných nebo prognózovaných tržních podmínkách. Pro sestavení vstupních tabulek obou variant jsem využila údaje, které jsem měla k dispozici pro blok 125 MWe a 400 Mwe a to pro obě varianty. Závěrem celé práce se zabývám diskusí výsledků, které program spočítal a pro lepší vyhodnocení jsem ještě připojila citlivostní analýzu. Nejnepříznivější působení na ekonomiku projektu a tím i jeho realizovatelnost má úroveň dosahovaných tržeb, resp. nedosahování modelových tržeb. Výstavba nového zdroje je podřízena různým rizikům. Tyto rizika lze snížit nalezením vhodného strategického partnera, pro kterého budou tato rizika přijatelná, popřípadě nalézt partnera, který tato rizika dokáže eliminovat. Náročná investice, kterou bezesporu nový zdroj je, by měla být vhodně načasována tak, aby jeho doba návratnosti byla co nejkratší. 13 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Možnosti sušení porézních látek elektrickými zdroji tepla Tomáš Petrů - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE V této práci se zabývám sušením porézních látek elektrickými zdroji tepla a to několika fyzikálně odlišnými způsoby. Budu hodnotit nejefektivnější způsob sušení a na základě příslušných parametrů se pokusím vybrat nejoptimálnější způsob po stránce energetické, ekonomické a ekologické. Sušení je jeden ze základních pochodů chemické a potravinářské technologie, hraje stále významnější roli nejen v těchto oblastech průmyslu, ale i v dalších odvětvích spotřebního průmyslu a energetiky. Sušením rozumíme fyzikální děj, při němž se účinkem tepla snižuje obsah kapaliny v látkách, aniž se mění jejich chemické složení. Vlhkost se odstraňuje vypařováním, odpařováním nebo sublimací. Má práce je rozdělena do několika hlavních bodů dle zadání. Po úvodní části, kterou jsem věnoval obecnému popisu různých technologií sušení a jeho účelu. Následně jsem se zaměřil na popis fyzikálních jevů vznikajících při sušení. K tomu je třeba znát termodynamické vlastnosti vody a vodní páry, fyzikální vlastnosti vzduchu a vlastnosti sušené látky (respektive jakým způsobem je voda vázána v porézních látkách). Toto zde popisuji jak teoreticky, tak matematicky pomocí jednotlivých fyzikálních zákonů. V další části se postupně věnuji jednotlivým druhům sušení, které jsem detailněji rozpracoval. Je to hlavně vysoušení ve vlhkém vzduchu, ve vakuu, pomocí dielektrického a mikrovlnného ohřevu a dosoušení pomocí infrazářičů. Snažil jsem se vysvětlit jednotlivé principy a způsob využití v průmyslu. Princip sušení materiálů a typy sušáren jsem rozdělil: - dle způsobu přívodu tepla (konvekcí, kondukcí, sáláním, mikrovlny); - dle sušícího média kam se odvádí vlhkost (vzduch, spaliny, inerty, vakuum); - dle charakteru kontaktu proudění sušícího prostředí (fluidní lože, proudové); - dle pohybu sušeného materiálu (v klidu, mechanické či pneumatické přesouvání); - kontinuální / diskontinuální provoz. Pro dnes nejpoužívanější sušárny jsem přiložil jednotlivé parametry, jako jsou např. odpařovací výkon a spotřeba tepla. Dále jsem zhodnotil jednotlivé zdroje tepla používané pro sušení, jako jsou např. spalovací zařízení, sluneční kolektory, tepelná čerpadla či netradiční zdroje tepla (rotační rekuperátory, gravitační tepelné trubice). Zaměřuji se hlavně na účinnosti jednotlivých zdrojů. U tepelného čerpadla též uvádím dolní hranici jeho hospodárnosti (topný faktor). Praktická část diplomové práce je zaměřena na měření jednotlivých textilních vzorků. Mým úkolem bylo změřit křivku závislosti váhy (tj. střední měrné vlhkosti na čase u = f (t ) ). Měření bylo provedeno na pěti textilních vzorcích, pomocí tmavého a svítivého infrazářiče ve vzdálenosti 20 cm a 30 cm od sušeného vzorku. Výsledky měření a porovnání jednotlivých vzorků a zářičů jsem pro lepší názornost zpracoval do grafů. Na závěr jsem ze zjištěných poznatků hodnotil jednotlivé způsoby sušení dle kritéria 3E (ekonomické, energetické a ekologické) a navrhl, jak by se tyto poznatky daly využít v praxi. 14 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Systém chránění sítí Martin Procházka - EE 5 lektor: prof. Ing. Miloš Beran, CSc. - KEE Liberalizace trhu s elektřinou přináší stále vyšší požadavky na kvalitu dodávané energie. Jedná především o nepřetržitost dodávky a minimalizaci ztrát vlivem výpadku napájení. Dobře pracující systém chránění zabrání poškození některého zařízení a tím i neopodstatněnému prodlužování doby výpadku. V této spojitosti je třeba dodat, že cena systému ochran je v porovnání s hodnotou chráněného objektu a s cenou ztrát při poruše poměrně malá. Vedle vlastního chránění sítí poskytuje moderní systém chránění ještě další služby, jež zvyšují efektivitu prací na odstranění poruchy a zvyšují spolehlivost chodu sítě. V práci je na chránění sítí pohlíženo jako na samostatný systém, který spolupracuje s řídícím systémem a s dalšími jednotkami. Poskytuje jim funkce, jež zkvalitňují celkový provoz elektrizační soustavy. Popis systému se zaměřuje na chránění sítí 110 kV, nicméně uvedené principy lze zobecnit a použít i pro sítě vn. Protože systém chránění úzce spolupracuje s řízením soustavy, je třeba se zmínit o úloze chránění z pohledu řídícího systému. Využití výpočetní techniky umožňuje integrovat stále nové, kvalitnější funkce řídícího systému a zpracovávat v něm více údajů. Volba jejich přiměřeného počtu a druhu není jednoduchá úloha. Na jednu stranu řídící systém potřebuje pro svou činnost co nejvíce údajů ze sítě a o činnosti ochran, na druhé straně vysoký počet těchto údajů je kontraproduktivní a může vést k zahlcení systému či obsluhy. Moderní digitální ochrany umožňují získat údaje, na jejichž základě lze přesněji určit místo poruchy. Tuto hodnotu využívá jedna z nových úloh dispečerského systému, kterou je podpora izolace poruchy a obnovy napájení postižených odběratelů. Výsledkem je návrh posloupnosti manipulací, které vedou k nejefektivnějšímu obnovení dodávky výkonu. Funkci lze spojit s využitím geografického informačního systému a tím ještě víc zvýšit efektivitu prací na odstraní poruchy. Pro dosažení vysoké spolehlivosti elektrizační sítě je třeba správně nastavit ochrany jednotlivých prvků. V opačném případě hrozí nežádoucí výpadky dodávky, nebo naopak přetěžování vlivem nezapůsobení ochrany. V diplomové práci jsou popisovány, vzhledem k jejímu zaměření, zásady nastavení distančních ochran. Důraz je přitom kladen na použití digitální techniky. Mimo hlavích zásad, jsou zmíněny i některé aspekty ovlivňující nastavení. Každá z ochran v síti je jinak nastavená a proto je třeba mít přehled o jejich aktuálním nastavení. Jelikož informace o nastavení jsou potřeba i mimo systém chránění, je třeba se zmínit o budování vhodného databázového systému, který by umožňoval jejich sdílení. Důležitá funkce systému chránění zvyšující spolehlivost sítě je analýza poruchových stavů. Dojde-li k podezření na nesprávné chování některého prvku sítě, může rozbor poruchových zápisů z digitálních ochran odhalit, o který prvek se jedná a důvod jeho nesprávné funkce. Na základě toho je dán popud k nápravě kompetentnímu útvaru. Příklad takového rozboru popisuje poruchy, které se odehrály v létě roku 2002 v Toužimském regionu. Je vhodné pohlížet na chránění jako na jeden ucelený systém, protože takovýto přístup umožní pochopit vzájemné vazby s jinými systémy. Podaří tím se lépe definovat úlohy sytému a zajistit jejich neustálé zlepšování. Budování a zkvalitňování systému chránění má obrovský vliv na spolehlivost provozu elektrizační sítě. Následně je tím ovlivněna i ekonomická stránka provozu, neboť kvalitní chránění zmenšuje počet poruch. Tím se sníží i náklady na jejich odstraňování a zmenší se i objem nedodané energie. 15 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Indukční ohřev vsázky kuželovitého tvaru Jiří Pustina - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Tématem práce je indukční ohřev vsázky kuželovitého tvaru. Indukční ohřev je založen na indukovaných proudech střední nebo vysoké frekvence. Obvykle se používá induktoru, jehož tvar je přizpůsoben povrchu dané vsázky. Prochází-li induktorem střídavý proud, indukuje se ve vsázce střídavé magnetické pole a vznikají vířivé proudy. Při použití vyšší frekvence proudu v induktoru je intenzita výsledného magnetického pole i hustota vířivých proudů největší na povrchu součásti, která se přitom ohřívá Jouleovým teplem. V první části jsou uvedeny výhody a nevýhody indukčního ohřevu obecně. Výhodou ohřevu na principu indukovaných proudů je bezesporu vyšší účinnost než při nepřímém odporovém ohřevu. Dále je to při použití vysoké frekvence možnost povrchového ohřevu. Je tu i možnost zařadit indukční ohřev přímo do výrobní linky (např. indukční svařování trub). Nevýhodou je potřeba vysokofrekvenčního zdroje, se kterým jsou spojeny určité obtíže. Je zde nutnost pro každou vsázku (ohřívané těleso) volit i vhodný tvar induktoru. Další nevýhodou je i vyšší pořizovací cena. Druhým bodem je popis účelu ohřevu kuželovité vsázky. Konkrétně se jedná o ohřev upínacího přípravku pro vysokootáčkové obráběcí stroje. Je nutné zajistit dostatečnou a tvarově vhodnou dilataci v dutině přípravku, kam se vkládá nástroj sloužící pro obrábění, případně pro jiné pracovní operace. Volí se tedy vhodné parametry induktoru, tak aby se dosáhlo vhodné teploty upínacího přípravku. Po vložení nástroje do dutiny následuje samovolné chladnutí a tím nalisování nástroje v dutině. Musíme také brát ohledy na to, aby se nepřekročila maximální dovolená teplota. Pak by následovalo překročení mezí elasticity a následovala by nevratná, tedy trvalá, deformace což je nežádoucí. Ve třetím bodě se zabývám problémy souvisejícími s ohřevem ve válcovém induktoru. Využívám programu ANSYS, který je založen na principu numerických metod, konkrétně metodě konečných prvků. V tomto případě zjišťuji na elementárním modelu, který představuje válcový induktor a vsázku ve tvaru kužele, jak bude na změnu pracovní frekvence proudu induktoru reagovat Jouleovo vnitřní teplo. Posuzuji nejen absolutní velikost hodnot tepla, ale i oblast, tedy jak se změní poloha, maximálních hodnot tohoto tepla. Ze zhodnocení výsledků můžu vyvodit závěry. Ty se skutečně shodují s teorií ohledně válcového elektromagnetického vlnění, která je zde také uvedena. Čtvrtá část obsahuje volbu optimálního tvaru induktoru a jednotlivých parametrů. Volba se provádí právě pro přípravek určený k upínání pracovních nástrojů. Posuzoval jsem několik variant a to: různou pracovní frekvenci proudu induktoru (10 kHz a 20 kHz), magnetické napětí (3000 Az, 4000 Az a 5000 Az), dobu ohřevu (3 sec., 5 sec. a 7 sec.), zvětšení vzduchové mezery mezi induktorem a vsázkou (5mm a 10 mm), změnu tvaru induktoru (mírné zkosení). Simulaci jsem opět prováděl v programu ANSYS. Výsledkem jsou obrázky znázorňující teplotní pole, velikost radiální nebo celkové deformace. Také je možno získat grafy, které zaznamenávají průběh absolutních hodnot deformací vztažené k jednotlivý polohám bodů v ústí dutiny upínacího přípravku. Dalším grafem je tzv. relativní deformace, která určuje poměr aktuální hodnoty k hodnotě maximální deformace opět v závislosti na poloze. Podle tohoto průběhů můžeme určit rovnoměrnost deformací a posoudit tak vhodnost zvolených parametrů. V poslední části uvádím konečnou volbu induktoru, při které se nejvíce přiblížím optimálnímu stavu, kdy deformace je vhodná k upnutí nástroje. Musím brát ohledy, jak je zmíněno výše, na maximální dovolenou teplotu. Také je vhodné volit, je-li to možné, kratší dobu ohřevu z důvodu co nejmenších časových prodlev ve výrobním procesu. 16 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh konfigurace silnoproudé sítě rozvodny 110 kV Stříbro Petra Svobodová - KE 5 lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE Tato práce byla zadána v Západočeské energetice, a.s. Úkolem bylo navrhnout silovou konfiguraci sítě rozvodny 110 kV Stříbro. Podnětem pro zpracování návrhu bylo zastaralé technologické vybavení rozvodny. Oprava se bude provádět z důvodu zabezpečení kvalitního přenosu elektrické energie a zvýšení spolehlivosti dodávky. První část práce se zabývá výpočtem zkratových poměrů. Jelikož nadměrná proudová zatížení (zkratové proudy) mohou svým vývinem tepla poškodit vlastní elektrická zařízení nebo jejich okolí, musí se budovaná elektrická zařízení dimenzovat na účinky těchto proudů. Nejdůležitější hodnotou je počáteční rázový zkratový proud, který by tekl místem zkratu. Pro jeho výpočet se nejprve musí sestavit náhradní schéma a vypočítat celková impedance. Výpočet se provádí podle normy ČSN 33 3020. V druhé části práce je uveden návrh silové konfigurace. Z důvodu zastaralých přístrojů je nutná jejich výměna. Původní vypínače budou nahrazeny novými typu LTB 145, které používají jako zhášecí médium SF6. Odpojovače budou ponechány stávající, ale jejich vzduchové pohony budou nahrazeny novými elektrickými. Nově budou také osazeny kombinované přístrojové transformátory KOTEF 123 a přístrojové transformátory proudu JOF 123. Důležitou součástí opravy budou také nové ocelové pozinkované stoličky (pro ochranu živých částí polohou – 3350 mm nad terénem). Třetí část práce je zaměřena na výpočet tepelných a dynamických účinků zkratových proudů. Výpočet je proveden podle normy ČSN EN 60865 – 1. Je nutné zkontrolovat všechny průřezy vodičů, zda jsou dostatečně odolné vůči tepelnému namáhání zkratem. Dále se vypočítají dynamické síly, které působí na vodiče při zkratu. Jiný postup výpočtu je pro vodiče tuhé a jiný pro vodiče ohebné (podrobně je uvedeno v ČSN EN 60865 – 1). Ve čtvrté části práce je uveden návrh na použití ochran, provedení ovládání a signalizace. Staré analogové ochrany budou nahrazeny digitálními. Pro ochranu vývodů budou použity digitální distanční ochrany 7 SA 511. Ochrana transformátorů bude zajištěna rozdílovou ochranou 7 UT 51, nadproudovou ochranou 7 SJ 511 a kostrovou ochranou IOW 10. Ovládání bude možné z tlačítek silových přístrojů, z jednotek v ovládací skříni pole, z centrálního ovládacího pracoviště a v nejvyšší úrovni z rajónního dispečinku. Poslední část práce se zabývá ekonomickým zhodnocením celé opravy. Před uskutečněním opravy je třeba zhodnotit realizovatelnost projektu pomocí hodnocení ekonomické efektivnosti. K tomuto účelu je v ZČE, a.s. používán program v prostředí MS Excel – Model. Pomocí tohoto programu je možné určit základní ukazatele ekonomické efektivnosti: NPV (čistá současná hodnota), IRR (vnitřní výnosové procento), REN (rentabilita vloženého kapitálu) a doba návratnosti. Jako vstupní data se zadávají předem stanovené náklady a výnosy spojené s opravou. Podle výsledných hodnot ekonomických ukazatelů se stanoví, zda se jedná o projekt ziskový nebo ztrátový. 17 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Simulátor nesouměrných stavů v ES Tomáš Tajtl - EE 5 lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE V elektrizační soustavě je nutné uvažovat vznik poruch. Ve všech případech vzniká porucha, jejímž důsledkem je změna veličin I , U z provozních na poruchové. V těchto důsledcích může docházet k nesymetriím v síti. Nejčastější poruchou je jednofázový zkrat. Nelze ovšem zanedbat ani ostatní nesouměrné zkraty: dvoufázový a dvojfázový zemní. Zkraty jsou zvláštním případem obecné příčné nesymetrie, kdy impedance jednotlivých fází k zemi je nulová, nebo se blíží nekonečnu. Další nesymetrie jsou do elektrizační soustavy vnášeny podélnými poruchami, to je bezimpedanční přerušení jedné nebo dvou fází a obecná podélná nesymetrie. Jednotlivé příčné poruchy lze popsat admitanční maticí poruchy ve fázových souřadnicích i souměrné složkové soustavě, které se použijí k dalšímu výpočtu. Dobrá znalost napěťových a proudových poměrů v nesouměrné elektrizační soustavě má velký význam pro správnou volbu, nastavení ochran a dalších automatik pro chod a řízení elektrizační soustavy. Matematický popis dějů v nesouměrné trojfázové elektrizační soustavě bývá složitý a nepřehledný. Proto zavádíme do výpočtu složkové metody, pro dané výpočty se požívá metoda Fortescue. Jedná se o lineární transformaci vícefázových proudových a napěťových soustav. Podstatou je rozložení nesouměrného děje do několika dílčích a jednodušších dějů na sobě nezávislých, které podle principu superpozice můžeme opět skládat v děj celkový. Při výpočtu příčných poruch lze postupovat několika způsoby. Pro jednoduché sítě s příčnou nesouměrností lze použít výpočet propojením souměrných složkových soustav. Pro výpočet složitých elektrizačních soustav s příčnou poruchou se použije maticové metody. V této metodě nejdříve sestavíme jednotlivé uzlové impedanční matice dané sítě pro složkové soustavy Z (1) , Z ( 2 ) , Z ( 0 ) . Určíme uzlová napětí předporuchové sítě v souměrné ( 0) složkové soustavě U . Pro danou poruchu sestavíme matici poruchy Y k . Nyní se vypočtou hodnoty proudů a napětí v místě poruchy podle následujících vztahů: ( U q = J + Z qq ⋅ Y k Matice Z qq ) −1 (0 ) ⋅U q ( I q = Y k ⋅ J + Z qq ⋅ Y k ) −1 (0 ) ⋅U q . a v rovnicích je diagonální a je složena z prvků uzlových impedančních matic jednotlivých složkových soustav. Vypadá tedy následovně: ⎡ Z qq (1) 0 0 ⎤ ⎢ ⎥ 0 ⎥ Z qq = ⎢ 0 Z qq ( 2 ) ⎢ 0 0 Z qq ( 0 ) ⎥⎦ ⎣ Matice J je jednotková matice třetího řádu. Nakonec se vypočtou hodnoty uzlových napětí U i a hodnoty proudů v jednotlivých větvích I ij . Výsledné hodnoty se transformují zpět do fázových souřadnic. Simulátor nesouměrných stavů ve výukové podobě řeší příčné nesouměrnosti v navržené elektrizační soustavě. V simulátoru je možné modelovat zkraty i obecnou příčnou nesouměrnost, zadanou jejími impedancemi. Elektrizační soustava pro simulátor je navržena tak, aby bylo možné modelovat poruchu napájenou z jednoho i ze dvou míst. Program názorně zobrazuje napěťové a proudové poměry v jednotlivých uzlech a větvích navržené elektrizační soustavy. Simulátor k výpočtům používá metodu výpočtu nesouměrných stavů ve složitých elektrizačních soustavách. 18 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Elektronika a sdělovací technika složení poroty předseda doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. členové Ing. Kamil Kosturik, Ph.D. Ing. Petr Weissar, Ph.D. Ing. Jaroslav Fiřt 19 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Liniové použití přepínačů ve funkci přístupové sítě Tomáš Blecha - ES 5 lektor: doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. - KAE Jednou z možností propojení vzdálenějších uživatelů je použít liniovou topologii přístupové sítě. Liniová struktura se skládá z přepínačů, na které jsou připojeni jednotliví uživatelé. Přepínače jsou propojeny Fast Ethernetovými spoji. Na koncích každé struktury musí být vzájemně propojené směrovače, které zabezpečují směrování jednotlivých paketů v síti. Takto vytvořená struktura skrývá mnoho možností, ale také řadu problémů. Na moderních přepínacích prvcích lze vytvářet virtuální sítě VLAN, které umožňují řadit uživatele do skupin. Pro správnou funkci VLAN je nutné spoje mezi přepínači definovat jako trunkované s podporou standardu IEEE 802.1Q nebo ISL. Z hlediska jednodušší konfigurace lze rozdělit přepínače do VTP domén. Přepínače podporují různé směrovací protokoly. Vhodné je použít OSPF protokol, který zjišťuje stav jednotlivých spojů a přizpůsobuje tomu směrování jednotlivých paketů. Pro zvýšení spolehlivosti sítě lze na přepínačích spustit Spanning Tree protokol, který hlídá síť před vytvořením nežádoucích smyček. Tyto smyčky mohou mít za následek kolaps celé sítě. Protokol je funkční, jestliže je spuštěn pouze na sedmi přepínačích v celé liniové struktuře, jinak dochází k chybnému přepočítávání sítě. Velkým problémem je vznik poruch. V liniové struktuře se mohou vyskytnout jednoduché poruchy, násobné poruchy, porucha přepínače a porucha směrovače. Jednoduchá porucha, jako je přerušení jedné linky, nepředstavuje úplně závažný problém. Během poruchy lze vytvořit záložní spoj přes propojené krajní směrovače. Po vytvoření zálohy může dojít k omezení komunikace mezi stejnými virtuálními sítěmi VLAN, které jsou definovány na různých přepínačích. Směrovače v tomto případě nemohou směrovat zároveň stejnou VLAN do různých směrů. Při násobné poruše mohou uživatelé mezi poruchovými body komunikovat jen pokud jsou připojeny do stejné VLAN. Porucha přepínače má stejné následky jako jednoduchá porucha. Řešením je v tomto případě vytvoření zálohy přes krajní směrovače nebo vyřazení přepínače z provozu a jednotlivé konce Fast Ethernetových spojů propojit. Porucha směrovače způsobí výpadek komunikace části struktury, pro kterou zajišťuje směrování. Celou topologii lze vzdáleně monitorovat a provádět konfigurace. Mezi použitelný management sítě patří SNMP protokol a Telnet. Přepínače je možné konfigurovat také přes sériové rozhraní RS 232. Tato konfigurace je vhodná pro prvotní nastavení parametrů. Moderní přepínací prvky umožňují dohled a konfiguraci pomocí WWW prohlížečů. Některé uvedené problémy liniové struktury sítě lze vyřešit modifikací části topologie. Jednou z možností je vytvoření záložního spoje přes všechny přepínače. Podmínkou je spuštěný Spanning Tree protokol na koncových přepínačích. Během jednoduché poruchy tak dojde k okamžitému přesměrování paketů do záložního spoje. Další možností je segmentace liniové struktury pomocí směrovačů. Na jednotlivých segmentech lze použít bez problémů Spanning Tree protokol. Směrovače musí být propojeny záložními linkami, aby došlo během poruchy k automatickému přesměrování. Jednoduchá porucha ohrozí pouze komunikaci v postiženém segmentu. Poslední možnou modifikací je nahrazení L2 přepínačů L3 přepínači. Tyto přepínače plní zároveň funkci směrovačů. Během jednoduché poruchy dochází k okamžitému přesměrování. Výhodou tohoto řešení je minimální zásah do topologie sítě. Není nutný ani žádný záložní spoj. I přes uvedené problémy se liniová topologie sítě s využitím přepínačů jeví jako velmi výhodná, zejména z hlediska její snadné rozšiřitelnosti. Uživatelům je schopna poskytnout velice kvalitní připojení. 20 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Transformace mobilní komunikace u Českých drah Ivo Dušek - ES 5 lektor: doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. - KAE V současné době stojí České dráhy před zásadní modernizací v oblasti systémů pro mobilní komunikaci. Cílem této modernizace je zvýšení efektivity a bezpečnosti dopravy a v neposlední řadě i hlubšího začlenění ČD do celoevropského železničního systému. Úkolem bylo zhodnotit stav mobilní komunikace na Českých drahách a to především komunikace trakčních vozidel s traťovým zázemím. Prozkoumal jsem vlastnosti u ČD nejpoužívanějšího rádiového systému TRS (Traťový Rádiový Systém) a definoval jsem v čem je tento systém vzhledem k trendům v EU nevyhovující. Dále jsem nastínil cíle připravované transformace a pravděpodobný postup při její realizaci. Cílem by mělo být pokrytí mezinárodních tratí rádiovým systémem, který by v celoevropském měřítku zaručil interoperabilitu, tj. kompatibilitu drážních sítí v jednotlivých státech. Tento rádiový systém je odvozen od technologie GSM a je označován jako GSM-R. V práci jsem se soustředil na nadstandardní služby, o které je tento systém oproti GSM rozšířen. Méně frekventované lokální tratě by bylo zbytečné pokrýt signálem GSM-R jehož výstavba je investičně náročná, zde se nabízí možnost využít infrastrukturu GSM veřejných providerů. Rádiové systémy samy o sobě však nemohou zajisit bezpečnost traťového provozu, mají pouze poskytnout potřebnou přenosovou kapacitu aplikacím které tuto bezpečnost zajistí. Na evropské úrovni je to systém manažerského řízení traťového provozu ERTMS/ETCS pro který by měl zajistit potřebnou přenosovou kapacitu systém GSM-R. Pro lokální tratě je vyvíjen zjednodušený zabezpečovací systém využívající přenosy GSM. V rámci projektu transformace byla řešena právě datová komunikace mezi mobilním účastníkem a privátní sítí ČD jak prostřednictvím GSM-R tak s využitím veřejných služeb GSM, které se jeví jako perspektivní. U obou možností byla zhodnocena výhodnost realizace virtuální privátní sítě pomocí standardního komutovaného spojení nebo prostřednictvím technologie GPRS s využitím principu tunelování a použitím protokolů PPTP a L2TP. Na závěr bylo provedeno testování datového spoje mezi mobilním terminálem a privátní sítí ČD, a to jak pomocí komutovaného spoje tak spoje GPRS s tunelem vytvořeným PPTP protokolem. 21 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Řešení problematiky konkurence hlasových a datových paketů v datové síti s implementovanou technologií VoIP Karel Heindl - ES 5 lektor: doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. - KAE Chceme-li mít v dnešní době stále populárnější multimediální síť, musíme si uvědomit konkurenci jednotlivých poskytovaných služeb. Na datovou síť je kladen požadavek na spolehlivost doručení paketů a nevadí nám zde zpoždění, kdežto v hlasové síti lpíme na včasnosti doručení paketů, kde zpoždění nesmí přesáhnout dobu 200 ms. Zde se přímo nabízí možnost, jak tento problém řešit - použít rychlou datovou síť. Samozřejmě, rychlá síť může vyřešit problém se zpožděním, ale ani nejrychlejší sítě nedokážou na 100 % zajistit, že vyslaný paket dorazí k cíli do stanoveného zpoždění. Je zde totiž problém týkající se zablokování uzlu pakety vyslanými jinými procesy. To je možno řešit vhodnou fragmentací paketů, ale nevýhodou tohoto dělení je zvýšení provozní režie v síti. Další možností je preferování hlasových paketů před datovými. Toto je řešitelné v síti, která poskytuje odpovídající služby pro zvolený síťový provoz. Zde byl zaveden pojem kvalita služeb – Quality of Services – QoS. Prvotním cílem QoS je zajistit potřebnou šířku pásma, řídit zpoždění při dodání a jitter a zlepšit charakteristiky v oblasti ztrát dat. Základní architektura QoS se skládá ze dvou prvků QoS. Prvním prvkem je QoS realizované v rámci jednoho síťového prvku. To se týká hlavně způsobu řazení příchozích paketů do výstupních front síťového prvku a plánovače, který podle určitého algoritmu odesílá data z výstupních front dál do sítě. Druhým prvkem je signalizace QoS pro koordinování QoS mezi koncovými stanicemi a síťovými prvky. V IP síti je tato signalizace zajištěna na druhé a třetí vrstvě RM OSI. K nastavení priority paketů na druhé vrstvě jsou v hlavičce vyhrazeny 3 bity. Tímto způsobem je možno rozdělit pakety do 8 úrovní důležitosti, kde 0 je nejnižší a 7 nejvyšší. Tato služba je označována CoS (Class of Service). Priorizací paketů na druhé vrstvě se zabývá standard Q802.1p. K nastavení priority paketů na třetí vrstvě jsou také vyhrazeny 3 bity, tentokrát ovšem v IP hlavičce v záhlaví ToS (Type of Service). Aby byla zajištěna spolupráce mezi druhou a třetí vrstvou, je zde použito mapování ToS ↔ CoS (L3 ↔ L2). Podle signalizace QoS jsou v síťovém prvku rozdělovány pakety do výstupních front. Nejpoužívanější metodou řazení do front u IP telefonie je vážené řazení s rovnoměrným přidělováním provozu. Tento algoritmus byl aplikován např. firmou CISCO pod označením WFQ. Algoritmus je schopen detekovat pakety s nastaveným QoS a tak může naplánovat jejich vyřízení rychleji a to tak, že přiřazuje váhu každému datovému toku, a ta stanovuje pořadí přenosu. V tomto schématu jsou nižší váhy obsluhovány jako první, a proto slouží priorita ve váhovém faktoru jako dělitel. Algoritmus WFQ není ovšem vhodný pro zpracování paketů odesílaných na pomalé linky (do 2 Mb/s). Zde se musí v síťových prvcích použít jiná metoda zpracování prioritních paketů. První odlišnost je již při rozdělování paketů do výstupních front, protože pakety s nejvyšší nastavenou prioritou jsou řazeny do prioritní fronty (PQ) a ostatní provoz je řazen jako v dřívějším případě. Toto řazení paketů do front je označeno LLQ (Low-Latency Queuing). Je-li přenosová kapacita ještě nižší (768 kb/s) musí se navíc použít fragmentace paketů a jejich následné prokládání. Toto je označeno LFI (Link Fragmentation and Interleave). Aby bylo možno provozovat IP telefonii, je nutno skloubit obě popsané metody. Musíme mít tedy dostatečně rychlou datovou síť, která poskytuje QoS. Dále musíme vhodně nastavit prioritu. Uživateli je umožněno nastavit prioritu pouze do šesti tříd, protože dvě nejvyšší jsou vyhrazeny pro interní použití sítí. Firma CISCO doporučuje nastavit prioritu pro datové pakety na 0 a pro hlasové pakety na 5. 22 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Hardwarové a softwarové řešení přenosu dat mezi vybraným typem mikropočítače a řídící jednotkou Jiří Heřmánek - ES 5 lektor: Ing. Pavla Holejšovská - KAE Tato práce se zabývá návrhem a konstrukcí pracovní jednotky a vytvořením komunikačního protokolu s nadřízenou jednotkou. Do pracovní jednotky měl být vybrán vhodný typ mikroprocesoru. Pracovní jednotka je řešena jako modulární, s možností připojit další periferie. Dále je zde uvedeno řešení jedné z periferií. Hlavní modul je osazen procesorovou jednotkou ATmega s redukovaným instrukčním souborem (RISC). Tento systém je schopen pracovat samostatně, vzorkuje analogové signály, zpracovává je a naměřená data odesílá do nadřízené jednotky. Nadřízenou jednotku v tomto případě představuje počítač, který funguje jako zobrazovací monitor. Současně umožňuje nastavování důležitých parametrů podřízené jednotky a ukládání dat do souboru v grafické nebo datové podobě. Komunikační protokol se skládá z osmi příkazů, pomocí nichž se nastavují parametry, hlídající maximální a minimální hodnoty, počet kanálů a spouští se nebo zastavuje vzorkování dat. Příkazy mají jednotnou délku 4 bytů – první obsahuje identifikaci příkazu, druhý a třetí obsahují parametry příkazu jako je číslo kanálu a nastavované hodnoty a poslední byte je redundantní a slouží jako zabezpečovací. Naměřená data odesílaná do nadřízené jednotky jsou sdružována do paketu o délce osmi bytů, z nichž je sedm významových a osmý zabezpečovací. Obr.1 Blokové schéma pracovní jednotky Pracovní jednotka zpracovává navzorkovaná data a vyhodnocuje je. Při překročení mezních stavů se spustí alarm. Ten se skládá z bzučáku a optické signalizace pomocí LED diod. Toto zpracování funguje i v případě, že se navzorkovaná data odesílají do nadřízené jednotky. Nadřízená jednotka může pracovat ve dvou režimech – buď přijatá data ukládá do souboru k dalšímu zpracování, nebo je současně vykresluje na obrazovku. Vykreslená data na obrazovce lze uložit jako obrázek do grafického bitmapového souboru typu BMP. Jako příklad periferie je na obr.1 uvedena deska s předzesilovači, jejíž součástí je i pulsní buzení čidel, antialiasing filtr se spínanými kondenzátory a napěťově řízený oscilátor, který generuje kmitočet potřebný pro filtr. Funkce pracovní jednotky byla nejdříve odladěna na vývojovém kitu a poté přímo ověřena ve funkčním prototypu. Při experimentálních pokusech jsem zjistil určitá omezení možností mikroprocesoru, která spočívala zejména v přenosové rychlosti, nemožnosti synchronního odečítání dat, které by se případně muselo zajistit externě, a závislosti rychlosti vzorkování na počtu vzorkovaných kanálů. Práce vznikla v rámci projektu FR VŠ 2328/2003/G1 23 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Vývoj aplikačního SW pro měřící modul UDAQ-1638 David Hittman - PE 5 lektor: Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D. - KAE Cílem této práce bylo realizovat firmware pro měřící modul UDAQ-1638. Toto spočívalo v napsání základního programového vybavení pro obsluhu karty (různé režimy měření, komunikační protokol s nadřazeným počítačem) a dále implementace základních algoritmů číslicového zpracování signálů (průměrování naměřených dat, FFT). Druhá část programového vybavení byla napsána pro nadřazený počítač (PC) s operačním systém Windows. Programem v PC můžeme nastavovat parametry měřícího modulu, spouštět a zastavovat měření. Naměřená data jsou kontinuálně ukládána do souboru na pevném disku. Zadavatelem práce je firma Tedia spol. s r.o., u níž se realizovalo obvodové řešení (schéma zapojení a návrh DPS). Základní technické údaje měřícího modulu Počet analogových vstupů: 6 (omezeno velikostí modulu) Rozlišení analogových vstupů: 16 bitů Vstupní rozsah: ± 10 V Odolnost proti přepětí: ± 32 V Vzorkovací frekvence: 250 kHz max. Datový zásobník: 16k WORD Typ připojení k PC: USB rev. 1.1, USB rev. 2.0 (režim full speed) Antialiasing filtry: přídavný modul Napájení: + 7,5 ÷ 12 V Režimy měření: softwarové spouštění, spouštění časovačem Popis modulu Měřící modul UDAQ-1638 je koncipován jako externí zařízení připojitelné k PC přes sériové rozhraní USB. Má k dispozici šest analogových vstupů s rozsahem ± 10 V, které jsou multiplexovány na AD převodník AD7663 (SAR, 16-bitů, 250 kSPS, paralelní výstup). Srdcem měřící desky je ADSP-2191M, jedná se o 16-bitový signálový procesor pracující s pevnou desetinou čárkou a dosahující rychlosti 160 MIPS, výrobce obou součástek je Analog Devices. Driver pro USB rozhraní byl použit obvod FT245B, který se chová jako převodník z USB na paměť typu FIFO a naopak. Programové vybavení Nadřazený počítač komunikuje s měřícím modulem pomocí povelů. Těmito povely nastavujeme parametry měření (počet měřených analogových vstupů, vzorkovací perioda) a způsob měření analogových vstupů, který můžeme realizovat několika způsoby: měření spouštěné časovačem, externím pulsem (dosud neimplementováno) a softwarové měření. Měření časovačem: Spuštěním tohoto měření karta začne vysílat datový tok na USB rozhraní. Karta je vybavena 32 kB vyrovnávací pamětí (buffer) pro naměřená data, jestliže PC dostatečně rychle neodebírá naměřená data, tento buffer přeteče a měření se ukončí. Maximální datový tok na USB v.1.1. je udáván 12 Mb/s, což pro tento typ karty vyhovuje. Softwarové měření: Tento příkaz vrátí uživateli okamžité hodnoty všech analogových vstupů a je vhodný pro aplikace nevyžadující přesnou časovou souslednost naměřených vzorků. Tato deska je prototyp, jejím hlavním úkolem bylo se prakticky seznámit se signálovým procesorem ADPS-2191M, z tohoto důvodu zde nejsou k dispozici některé běžné funkce (DIN, DOUT, DAC), které budou k dispozici ve finální „ostré" verzi. 24 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh modulu analogových a digitálních monitorovatelného a ovladatelného přes siť GSM. vstupů a výstupů Václav Chládek - ES 5 lektor: Ing. Radek Rajchl - KAE Tato práce popisuje návrh univerzálního modulu použitelného v široké škále aplikací. Jeho použití je především k dálkovému (pomocí sítě GSM) monitorování, ovládání a zabezpečení. Konkrétně může být použit pro dálkový sběr dat, řízení jednodušších procesů, doplněk k alarmům pro zabezpečení objektů a vozidel. Ovládání modulu je realizováno pomocí SMS zpráv. GPS modul rozšiřuje jeho použitelnost i na lokalizaci, měření rychlosti, nadmořské výšky a dalších údajů. Modul lze rovněž propojit s osobním počítačem a použít pro navigační účely. Práce obsahuje návrh kompletního funkčního prototypu, tzn. návrh hardwaru i softwaru. Základní vlastnosti I/O modulu jsou následující: - - vstupní napětí 6-60 V hlavní procesor Texas Instruments MSP430 16-bit low power RISC procesor možnost volby mezi - RAM 1kB, FLASH 32kB - RAM 2kB, FLASH 48kB - RAM 2kB, FLASH 60kB 1 JTAG sběrnice pro programování a debugging 6 digitálních opticky oddělených vstupů 4 releové výstupy (2× přepínací relé, 2× spínací relé), dimenzovány na proud 0,5 A 2 analogové vstupy (12 bit AD převodník) 2 analogové výstupy (0 - 3,3 V) výstup pro 2 externí indikační LED 3 interní indikační LED 2 interní jumpry, možnost volby režimu 1 audio výstup pro externí reproduktor 1 audio vstup pro externí mikrofon GSM rozhraní realizováno pomocí modulu Sony Ericsson GM47 GSM rozhraní je možno realizovat i mobilním telefonem, např. siemens C35i, M35i, S35i, C45, … možnost osazení GPS možnost použití SD nebo MMC paměťovou karty standardní RS232 rozhraní Aby byla dosažena vysoká univerzálnost modulu, je zde možnost „téměř“ libovolné kombinace výše uvedených vlastností. Kombinace je realizována formou konektorů nebo formou osazení či neosazení dané komponenty na plošném spoji. Software je psán jako projekt obsahující jednotlivé moduly pro obsluhu daných periférií, čímž je dosažena vysoká dynamičnost programování při realizaci změn softwaru nutných pro dosažení požadovaných vlastností. 25 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh regulovatelné aktivní zátěžové karty pro PCI sběrnici ovládané externím modulem Karel Klouček - ES 5 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE Práce je zaměřena na návrh, vývoj a realizaci aktivní zátěžové karty určené pro PCI sběrnici. Byla vypracována dle zadání firmy KONTRON ECT Design s.r.o. Cílem vývoje bylo nahradit pasivní zátěžovou kartu obsahující výkonové rezistory, ovládanou pomocí mechanických přepínačů a regulovatelnou pouze ve 3 stupních, aktivní zátěžovou kartou. Ta umožňuje nastavení s jemnějším krokem a je ovládaná externím přenosným řídícím modulem. Řídící modul je použitelný i pro jiné zátěžové karty. Každý výrobce nebo dovozce výrobků (v tomto případě výrobce průmyslových počítačů) od kterého je zákazníkem nebo managementem firmy požadován výrobek, ke kterému je vystaveno prohlášení o shodě, musí toto prohlášení vystavit správně a v souladu s platnými technickými předpisy a normami. Směrnice prohlášení o shodě nařizují testovat určený systém na elektrickou bezpečnost a elektromagnetickou kompatibilitu. Normy určují provádět tyto testy za přesně daných podmínek (a to i extrémních), které mohou nastat při běžném používání systému. Bez těchto testů nemá výrobce nebo dovozce oprávnění vystavit prohlášení o shodě a označit výrobek značkou shody a získat tím větší důvěru ve vlastnosti výrobku. Cílem posuzování shody je ujištění veřejných orgánů, že výrobky uváděné na trh jsou bezpečné a vyhovují požadavkům směrnic. Realizovaná zátěžová karta (obr. 1) je určena k testování a certifikaci průmyslových počítačů vyráběných zadavatelem. Úkolem karty je simulovat zátěž připojenou na PCI sběrnici a odebírat z napájecích větví této sběrnice až maximální možný výkon. Karta konkrétně zatěžuje napájecí větve +3,3 V; +5 V a +12 V sběrnice PCI. Maximální zatížení uvedených větví je přesně určeno ve specifikaci PCI sběrnice. Jednotlivé větve jsou zatěžovány pomocí tranzistorů N – MOSFET pracujících v lineárním režimu, pomocí nichž se simulují odporové zátěže nahrazující výkonové rezistory. Celá PCI karta je navrhnuta a realizována tak, aby její elektrické a mechanické vlastnosti odpovídali specifikaci PCI sběrnice, revizi 2.2. PCI karta je nastavována a ovládána pomocí externího modulu (obr. 1), který je připojen pomocí sériové linky. Z důvodu nutnosti zobrazování aktuálního nastavení karty a požadovaného nastavení je ovládací modul opatřen dvouřádkovým maticovým LCD displejem. Obr. 1: Zátěžová karta pro PCI sběrnici a ovládací modul 26 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Frekvenční syntezátory s obvody přímé digitální syntézy Petr Palán - ES 5 lektor: doc. Ing. Milan Štork, CSc. - KAE Syntezátory frekvence jsou obvody sloužící ke generování signálu vyznačující se velkou stabilitou frekvence a fáze, nezkresleným signálem a s možností rychlého přeladění ve velmi širokém rozsahu frekvencí. Syntezátory frekvence mohou pracovat podle dvou základních principů: Metoda přímé syntézy - kde se výstupní frekvence získává přímo pomocí násobení a dělení referenčního signálu a následném převodu na příslušnou frekvenci Metoda nepřímé syntézy - výstupní signál se vytvoří za pomoci plynule přeladitelného oscilátoru, jehož frekvence je porovnávána s frekvencí referenční Syntezátory frekvence mohou být realizovány analogově nebo digitálně. Přímá digitální syntéza je jednou z možností jak daný problém, jak generovat žádaný signál, vyřešit. Je výhodnou alternativou pro obvody, které využívají ke své činnosti fázový závěs, přímá digitální syntéza má i v mnoha parametrech daleko lepší vlastnosti. Realizace těchto syntezátoru může být provedena několika způsoby, nejjednodušší je použít obvodů, které jsou tomuto účelu sériově vyráběny, tyto obvody umožňují nejen generování určité frekvence, ale i další funkce jako například různé typy modulací, rozmítání. Získání příslušného signálu probíhá digitální cestou. Vypočtená diskrétní hodnota je na výstupu pomocí D/A převodníku transformována na analogový. K řízení mají tyto obvody paralelní nebo sériové rozhraní, kterým jsou nastavovací data posílaná do příslušného registru. To může být prováděno například z osobního počítače nebo mikrokontroleru. Maximální výstupní frekvence těchto obvodů je desítky až stovky MHz, je závislá na rychlosti A/D převodníku, ale umožňují velmi jemné nastavení. Vlastnosti obvodu využívající přímou digitální syntézu byly odzkoušeny na obvodu fy. Analog Device AD9854. Tento obvod dokáže pracovat s vnitřní hodinovou frekvencí až 300 MHz, má 48 bitové nastavení výstupní frekvence a 12 bitový D/A převodník, také umí generovat modulovaný nebo rozmítaný signál. Pro tento obvod byla navržena deska plošného spoje, která vychází z doporučeného zapojení, avšak ke komunikaci je použito sériového rozhraní. To má výhodu v tom, že není zapotřebí tolik součástek, ale pokud chceme použít osobní počítač, je nutné udělat komunikační program, který zajišťuje odpovídající signály na pinech a řídí všechny funkce, nebo je možno použít mikrokotroleru se standardním rozhraním SPI. Byly zkoušeny všechny funkce a měřeny různé vlastnosti, jako například spektrum výstupního signálu a vliv použití výstupního filtru, chyby D/A převodníku. Praktické využití obvodu přímé digitální syntézy je tam, kde je třeba stabilní frekvence, v různých vysílačích, telekomunikační technice a nebo tam kde je třeba nastavit výstupní frekvenci z velké vzdálenosti. 27 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Komponenty informačního systému Fakulty elektrotechnické Václav Pikhart - ES 5 lektor: Ing. Petr Weissar, Ph.D. - KAE Práce je zaměřena na návrh inteligentního terminálového zařízení s LCD displejem a nezbytnými ovládacími prvky s důrazem na jednoduchost ovládání pro zobrazování informací v rámci informačního systému FEL (dále jen terminál). Úkolem dále bylo vytvořit rozhraní pro připojení stávajícího intranetového informačního systému na bázi WWW a sítí terminálů prostřednictvím běžného PC. Dále pak navrhnout vhodný protokol pro přenos informací mezi hlavní stanicí (distribuční stanicí) a jednotlivými terminály. Pro přenos dat měl být preferován formát XML. Terminály jsou navrženy pro umístění k učebnám nebo ke kancelářím. Terminál umístěný u učebny zobrazuje aktuální rozvrh učebny pro daný týden. Pro ovládání terminálu je k dispozici tlačítko ENTER a tlačítka posunu (nahoru, dolu, doprava a doleva). Pomocí tlačítek posunu je možné nastavit kurzor na požadovanou vyučovací hodinu v rozvrhu. Stisknutím tlačítka ENTER se zobrazí podrobné informace o předmětu, na kterém je umístěn kurzor displeje. Terminál umístěný u kanceláře zobrazuje seznam vyučujících v dané kanceláři. Pro ovládání terminálu jsou k dispozici tlačítka posunu (nahoru a dolu) a tlačítko ENTER. Pomocí tlačítek posunu je možné vybrat požadovaného vyučujícího a stiskem tlačítka ENTER nechat zobrazit jeho konzultační hodiny. Jednotlivé terminály jsou připojeny pomocí datové komunikační sítě (sběrnice) k distribuční stanici. Pro komunikaci na síti byl zvolen protokol CAN. Z toho vyplývá omezení počtu připojených terminálů k jedné distribuční stanici dané normou ISO 11898, která popisuje specifikaci protokolu CAN. Z tohoto důvodu jsou terminály rozděleny do segmentů (každý segment obsluhuje jedna distribuční stanice) tvořících například patro budovy. Mezi distribuční stanicí a jednotlivými terminály v rámci jednoho segmentu jsou data přenášena pomocí vytvořeného přenosového protokolu. Protokol CAN definuje pouze první dvě vrstvy referenčního modelu ISO/OSI (fyzická a linková vrstva). Vytvořený přenosový protokol zajišťuje funkce zbylých vrstev (síťová, transportní, relační, presentační, aplikační) pro přenos dat mezi distribuční stanicí a terminálem. Rozhraní mezi stávajícím intranetovým informačním systémem na bázi WWW a sítí terminálů tvoří distribuční stanice. Distribuční stanice je připojena přes rozhraní RS232 k běžnému PC, které je připojené do intranetového informačního systému a posílá data pro terminál na distribuční stanici. Pokud se jedná o data určená pro některý z terminálů v daném segmentu jsou data vyslána z distribuční stanice na daný terminál. K vývoji a následnému testování byly k dispozici vývojové mikropočítačové kity sloužící k výuce mikroprocesorové techniky na katedře aplikované elektroniky a telekomunikací Fakulty elektrotechnické ZČU v Plzni. Tyto přípravky jsou vybaveny potřebným základem (procesor, paměti, CAN a sériové rozhraní), modul uživatelského rozhraní (tlačítka + LCD) je připojen na vstupně-výstupní konektory desky. Pro finální zařízení jsou připraveny příslušné podklady (schémata apod.). Celý systém byl vyzkoušen v modelovém provozu na vzorových datech získaných z informačního systému fakulty a požadovaná funkčnost tak byla ověřena prakticky. 28 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh modulu k vývojové desce s FPGA APEX 20k200 pro zpracování videosignálu Pavel Pokorný - ES 5 lektor: Ing. Radek Holota - KAE Práce je zaměřena na návrh a realizaci videomodulu s videodekodérem SAA7113H, který umožňuje digitalizovat analogový videosignál (kompozitní nebo S-video.) K ovládání je použita vývojová deska s programovatelným logickým obvodem. Ten poskytuje možnost realizovat složité logické funkce pomocí jednoho integrovaného obvodu. Práce byla vypracována dle zadání katedry aplikované elektroniky, Fakulty elektrotechnické ZČU v Plzni jako diplomová práce. Jako vstup analogového signálu je použit konektor pro kompositní video a S-video konektor. Použitý vstupní videosignál je v normě PAL. Videodekodér poskytuje celou řadu možností využití, jako např. dekódování signálů v normách PAL, SECAM a NTSC, zpracování obrazu i teletextu a to jak pro 50 Hz, tak i 60 Hz.. Videodekodér je nastavován a řízen pomocí I2C sběrnice a to nastavením 51 registrů, každý o velikosti 8 bitů. Digitalizovaná data se objevují na 8-bitovém výstupu ve formátu YUV 4:2:2. Zpracování dat se provádí pomocí vývojové desky s FPGA APEX 20k200 od firmy Altera. Tato deska umožňuje pomocí soustav dvouřadých headerů připojit navržený videomodul. Jádrem vývojové desky je programovatelný logický obvod typu FPGA. Ten byl programován pomocí jazyka VHDL. Součástí desky jsou také dvě SRAM paměti o celkové kapacitě 256 kB, které budou v budoucnu využity pro ukládání digitalizovaného signálu. Z těchto pamětí se budou moct data opět vybírat a zpětně zobrazovat na monitoru příp. na nich provádět další operace zpracování obrazu. Práce je v současnosti ve stavu vývoje. Prozatím se podařilo analogový signál z videokamery digitalizovat a pomocí osciloskopu ho vyhodnotit. Tím získáváme přehled např. o vertikálních a horizontálních synchronizačních impulzech. Zařízení je po hardwarové stránce hotové a je ukázáno spolu s vývojovou deskou na Obr.1 pod textem. Na druhém obrázku (Obr.2) je videomodul ukázán v detailu. Dále je napsán kód v jazyce VHDL umožňující nakonfigurovat obvod po I2C sběrnici. Obr.1 Celkový pohled na vývojovou desku Obr.2 Detail videomodulu 29 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh komunikačního zařízení pro bezdrátový přenos dat Martin Vít - ES 5 lektor: Ing. Kamil Kosturik, Ph.D. - KAE Práce se zabývá návrhem zařízení pro měření vstupních analogových signálů a jejich bezdrátový přenos na zobrazovací terminál, který může data nadále poskytovat počítači PC. Vysílací část umožňuje pomocí 12 bitového a 12 kanálového A/D převodníku měřit až 12 nezávislých vstupních veličin. Naměřené hodnoty sestavuje do 32 bytových paketů dat, které jsou zabezpečeny 16 bitovým polynomickým kódem CRC. Tyto pakety se pak vysílají prostřednictvím rádiových modulů, pracujících ve volném pásmu 433 MHz s digitální frekvenční modulací 2FSK. Přijímací terminál, umožňuje „On-line“ zobrazování měřených hodnot na znakovém LCD displeji s 2×16 znaky. Tento terminál je vybaven funkčním menu, které umožňuje jeho snadné ovládání, nastavení apod. Je možno nastavit jaký, měřený kanál bude na displeji zobrazován, jazyk jaký bude použit pro nápisy menu (anglický a český), ozvučení kláves apod. Součástí práce je návrh HW, který využívá velice moderní 16bitové mikrokontroléry MSP430F149 s RISC jádrem. Pro tuto aplikaci je jejich výhodou především malá spotřeba (pracují s napětím od 1,8 V), integrovaný 12 bitový a 12 kanálový A/D převodník, 2 sériová rozhraní USART a rozhraní JTAG, což je sériová testovací sběrnice, pomocí které lze snadno odlaďovat firmware, neboť umožňuje hardwarové krokování programu a programování obvodů v systému. HW je realizován na dvou deskách plošného spoje, které obsahují maticovou klávesnici 3×4, piezoměnič, rozhraní RS232, podsvětlený LCD 2×16 znaků, stabilizátor 5 V a nastavitelný stabilizátor 1,8 – 3,6 V, anténu, a rozhraní pro radiové moduly, sériovou paměť se sběrnicí I2C a konektor I2C, rozhraní JTAG pro programátor, testovací LED, univerzální patici, budiče sběrnic 3 V/5 V atd. Obě desky jsou oboustranně osazeny SMD + THD součástkami. Součástí návrhu HW je i programátor a emulátor Flash pamětí mikrokontrolérů MSP430x, který je realizován rovněž na DPS, ve velikosti krytky konektoru Canon 25, oboustranně osazené SMD součástkami. Tento programátor v podstatě představuje rozhraní mezi paralelním portem PC a sériovým testovacím rozhraním JTAG. Další částí práce je návrh firmware pro tyto mikrokontroléry, který byl psán ve vývojovém prostředí firmy IAR systems, a zdrojové kódy jsou napsány v jazyce C a assembleru. Firmware krom jiného realizuje SW výpočet 16 bitového CRC s generujícím polynomem G = x16 + x15 + x 2 + 1 , který se používá např. k zabezpečení dat na HDD. Záměrně jsem nepoužil generující polynom CRC označovaný jako CCITT, neboť jeho implementace pomocí sofistikovaného tabulkou řízeného algoritmu zabírá větší množství paměti. Celý terminál pracuje na základě konečného stavového automatu, jehož stavy mění uživatel prostřednictvím menu. Běh stavového automatu, je přerušován obsluhou dvouúrovňového přerušovacího systému. Aktivaci přerušovacího systému způsobuje stisknutí tlačítka klávesnice, kterému je nadřazeno přerušení od rádiového přijímače. Firmware zajišťuje také řízení znakového LCD zobrazovače, a zajišťuje také definici českých znaků, a je tedy na displeji možno psát opravdu česky s háčky a čárky. Uvedené zařízení je předmětem mojí diplomové práce. Předpokládá se jeho použití pro bezdrátovou mobilní telemetrii, tedy napájení bude bateriové a proto byl při návrhu brán zřetel i na proudový odběr. Praktické zkoušky ukázaly, že dosah tohoto zařízení je ve volném prostoru až 720 m, v zastavěném prostoru max. 100 m a v budovách max. 40 m v závislosti na počtu zdí, kterými signál prochází. Což je při vysílaném výkonu 10 mW slušný výsledek. V době psaní tohoto dokumentu, jsem ještě neměl dopsaný aplikační software pro PC, který programuji v Delphi. Nicméně, záměrem je, aby aplikace umožňovala zpracování dat z terminálu - načítání a ukládání změřených dat do souboru a jejich grafické znázorňování, řízení terminálu z PC apod. 30 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Elektrotechnologie složení komise předseda prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. členové doc. Ing. Zbyněk Kraus, CSc. Ing. Petr Řezáček, Ph.D. Ing. Radek Polanský Ing. Pavel Prosr 31 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Převodníky efektivní hodnoty U[V], I[A], P[W], Q[Var], zapojení a kalibrace Petr Hamáček - KE 3 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Měřící karta PCA 1248 Pro kompletní 3f měření pomocí převodníků moderní (SMD) konstrukce je potřeba sbírat data z celkem 8 kanálů. S výhodou byla použita rychlá měřící karta PCA 1248. Karta realizována na bázi moderních A/D a D/A převodníků.Jde o 12bitovou měřící kartu s vlastní pamětí o velikosti až 8MB, která nachází uplatnění zejména v náročných aplikacích měření rychlých přechodových stavů. Karta je schopna měřit 8 analogových kanálů a může být i rozšiřována přidáním dalších měřících karet. Při měření jsme využili uživatelského ovladače v programu ScopeWin. Standardně lze měřit vzorkovacím kmitočtem do 1 MHz na jednom kanálu. Zapojení Nejprve bylo třeba vyřešit problém s rozdílnými rozsahy mezi výstupem měřících převodníků a vstupem A/D převodníků měřící karty. Konkrétně výstupní napětí měřících převodníků je 10 V a vstupní rozsah A/D měřící karty je max. ± 5 V. Tento problém jsme vyřešili zařazením napěťového děliče do měřícího řetězce. Dělič je řešen jednoúčelovým plošným spojem a je připevněn ke skříni přístroje, před výstupním konektorem. Převodníky jsou umístěny na DIN liště vedle sebe a vstupy mají vyvedeny vně na svorky. Výstup je realizován pomocí CANON 25 konektoru, kterým je vybavena i měřící karta. Blokové schéma zapojení při kalibraci proudových převodníků pomocí referenčních ampérmetrů Kalibrace měřícího řetězce Ke správnému měření pomocí měřící karty je třeba definovat offset výstupního signálu převodníků. Signál je z principu činnosti převodníků symetrický. V dalším kroku je nutné provést kalibraci všech kanálů podle referenčního (nejlépe kalibrovaného) přístroje. Vzhledem k tomu, že doba ustálení výstupu převodníků je asi 500 ms, je vzorkovací kmitočet měřící karty 250 Hz dostačující. Vzniklým měřícím řetězcem lze přesně měřit i kvazistacionární přechodové děje pomocí PC. Projekt byl realizován za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím GA ČR 102/02/D094. 32 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Převod proudu na rotační část plazmatronu Daniel Jánský - KE 5 lektor: prof. Ing. Zdeněk Vostracký, DrSc. - KEE Cílem této práce je navrhnout, vyzkoušet a zhodnotit inovační řešení kontaktního systému pro převod proudu z pevné části na rotační elektrodu plazmatronu. Mezi touto rotační elektrodou a pevnou elektrodou na těle plazmatronu vzniká plazmový výboj, do kterého se přidávají různé příměsi k nanesení velice tvrdého a odolného povlaku, při nízkém zahřátí objektu, na kterém povlak provádíme. Tento systém je vyvíjen v ústavu fyziky plazmatu v Praze. Je třeba určit materiál, povrchové vlastnosti hřídele i klece, dále tvarové a rozměrové vymezení převodních elementů. Problém jsem formuloval jako projekt a ten jsem rozdělil do následujících fází: zadání projektu, přípravná fáze, fáze návrhu, fáze zhotovení prototypu, fáze zkoušek, fáze dokončení. Časovou a logickou souslednost jsem si zpracoval jako Gantův diagram v programu MS Project 2000. V předchozím řešení byl kontakt zajišťován pomocí měděného multikontaktu. Tento způsob byl nevyhovující, časem došlo k jeho selhání. Proto využijeme kontaktní soustavu na principu technického uhlíku. Tato varianta má mimo své výhody, i nevýhody. Mezi největší výhody technického uhlíku patří vznik samomazného filmu, který zmenšuje tření,vibrace a opotřebení kontaktních plošek. Největší problém způsobuje malý prostor, který je na zařízení k dispozici a velký proud, který je nutno převádět. Z toho důvodu se musí najít materiál o vysoké proudové hustotě. Tyto podmínky splňuje kovografit N51, který má proudovou zatížitelnost 40A/cm2, nízký koeficient tření a malý úbytek napětí. Materiál hřídelky je měď, vzhledem k jejím dobrým elektrickým vlastnostem. Vlastní kontaktní soustava je tvořena 12 kontaktními segmenty, rozmístěných ve dvou řadách po obvodu rotační hřídelky. Tyto segmenty jsou rozepřeny pružinami a prostřednictvím plochy o úhlu 35° tato síla působí přítlak kontaktních segmentů na hřídelku rotační elektrody. Ideální přítlak je mezi 3-4 N na segment. Na tento přítlak je třeba navrhnout pružiny. Na konstrukční návrh je využit program AutoCAD 2002, jak na výkresy tak i na 3D model prostorového uspořádání. Podle výkresové dokumentace byl zhotoven prototyp kontaktní sestavy. Jde o speciální uspořádání, kde jsou 2 kontakty v sérii. Na tomto uspořádání budeme provádět elektrické i mechanické zkoušky. Při zkouškách se ověřuje hlavně úbytek napětí, teplota, koeficient tření a opotřebení kontaktu. Vzhledem k velkým proudům je nutné mít na zkušebně dostatečně dimenzovaný zdroj stejnosměrného proudu. Vzorek budeme pohánět dynamometrem, abychom zjistili koeficient tření. K vytvoření samomazného filmu je nutné učinit záběh po dobu 17 hodin při 70 % proudového zatížení. Poté provádíme vlastní zkoušky při různých proudech. Maximální proud na který je zařízení dimenzováno je 550 A. Z výsledků zkoušek je možné namodelovat teplotní pole v programu Fluent. Vlastní kontakt, který bude umístěn na plazmatronu, je chlazen vodou o teplotě 25 °C, která protéká hřídelkou rychlostí 9 l/min. Na zkoušeném modelu toto chlazení není možné, proto musíme opět použít softwaru k namodelování situace, která bude chlazení zahrnovat. 33 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Dynamické změny rychlosti elektrického točivého stroje při přepnutí Y-D Zdeněk Křelovec - E 2 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Přepínání Y-D Přepínač hvězda - trojúhelník se používá tam, kde nelze stroj přímo připojit na síť v zapojení do trojúhelníka. Moment je závislý na druhé mocnině napětí. V tomto případě dostává každá fáze napětí U S = 3 , takže moment s vinutím do hvězdy má pouze 1/3 hodnoty při původním zapojení do trojúhelníku. Poměr záběrných proudů při spojení do trojúhelníka ado hvězdy pak je: US I IY 1 neboli I Y = D = Z 3 = 3 ID US 3 3 Z Záběrný proud je v tomto případě třikrát menší, stejně jako záběrný moment. Je možno rozbíhat i stroj zatížený, ale musí dojít k rychlému přepnutí, aby prodleva mezi spojením z Y do D byla co nejmenší. V případě delší prodlevy by mohlo dojít k velkému poklesu otáček a v extrémním případě až k zastavení stroje. Hysterezní rotor a rotor klasické konstrukce Hysterezní rotor je vyroben z jednolitého kusu materiálu, takže jeho výroba je jednodušší než výroba klasické kotvy nakrátko. Má velký záběrný moment, který ale po rozběhu rychle klesá. Proto je tento rotor vhodný pouze pro běh naprázdno, nebo s malým zatížením. Používá se například pro pohon malých ventilátorů. Měření jednotlivých veličin Pro měření zrychlení je použit snímač ACC 70 na jehož výstupu je napětí úměrné zrychlení. Pro měření otáček je použit inkrementální snímač fy. LARM Netolice IRC 323/1024 a jím produkovaná frekvence úměrná rychlosti otáčení je pomocí převodníku f-U převáděna na napětí. Moment je snímán TM 210. Napětí a proudy jednotlivých fázích jsou snímány LEM čidly a převáděny na napětí s velikostí umožňující jejich záznam pomocí měřící karty PC. Zaznamenané zrychlení integrací přepočteme na rychlost rotoru a podle velikosti naměřených otáček lze určit polohu takto získaného průběhu. Průběh získaný integrací poskytuje větší (lepší) přehled o dynamických změnách při běhu stroje, ale může být nepřesný v ustálených stavech, ve kterých získáme lepší představu o chování elektrického stroje ze signálu inkrementálního čidla. Porovnání průběhů získaných IRC čidlem a integrací signálu zrychlení při Y-D přepnutí. Tato práce vznikla za podpory projektu FR VŠ č.2330/2003/G1. 34 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Posouzení vybraných elektrických parametrů laminátů Lamplex FR 4 Michal Kurtinec - KE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET Ani intenzivní zušlechťování tradičních materiálů jakými jsou dřevo a kov nemohlo v minulosti dále vyhovět náročným materiálovým požadavkům, které s sebou nejrůznější nové aplikace přinášely, a tak se pozornost obrátila k vývoji nových, perspektivnějších materiálů a technologií. Typickým příkladem jsou skelné lamináty, které se poměrně rychle po zvládnutí technologie jejich výroby staly surovinovou základnou téměř všech průmyslových odvětví. Lamináty jsou zařazovány mezi reaktoplastické kompozitní materiály složené ze dvou, případně ze tří fází (výztuže, pojiva a plniva). Výztuž je nosným prvkem v laminátech a určuje její mechanické vlastnosti (pevnost, houževnatost, modul pružnosti apod.). Jako výztuže jsou používány zpravidla vláknité materiály, u skelných laminátů jde logicky o výztuže tvořené skleněnými vlákny. Pojivo je polymerní materiál, kterým se impregnuje výztuž. Pojivo rozvádí mechanické namáhání rovnoměrně na všechna vlákna výztuže a chrání je před mechanickým nebo chemickým poškozením. Skelné lamináty našly v elektrotechnice nejširší uplatnění v podobě izolačního materiálu v deskách plošných spojů. Práce vznikala ve spolupráci s výrobcem těchto laminátů – firmou Lamitec Czech s.r.o., která rozšířila vyráběný sortiment o lamináty z tenkých tkanin, čímž vznikl důvod k ověření vybraných elektrických parametrů těchto tenkých laminátů. Dodala proto vzorkový materiál čítající čtyři typy laminátů o třech různých tloušťkách a dvou druzích skleněných tkanin. Hodnocení laminátů je provedeno na základě měření ztrátového činitele, relativní permitivity a elektrické pevnosti kolmo na vrstvy. Poslední jmenovaná zkouška vyhodnocovala dodané materiály po různých dobách expozice v teplé destilované vodě. Všechna měření byla provedena v souladu s platnými elektrotechnickými normami a s dostatečnou četností. Hodnoty ztrátového činitele jsou přímoúměrné velikosti nežádoucích dielektrických ztrát, a proto se výrobci izolačních materiálů snaží dosáhnout co možná nejnižších hodnot tohoto parametru. Měření jsem prováděl na modifikovaném Scheringově můstku s tříelektrodovým systémem, vhodným pro daný frekvenční rozsah (50 Hz až 100 kHz). Za jakousi pomyslnou hranici mezi dobrými a horšími dielektriky je považována hodnota tangenty ztrátového úhlu v řádu 10-2, přičemž je vztahována k průmyslovým frekvencím. V tomto případě vyhovují všechny čtyři zkoumané materiály této hranici a to až do frekvencí okolo 10kHz, což svědčí o jejich výborné kvalitě z hlediska dielektrických vlastností. Jako trvale nejlepší z hlediska velikosti ztrátového činitele se jeví materiál nejtenčí 0,1 mm (0/18), o ostatních třech materiálech 0,3 (0/18), 0,3 (35/35) a 0,7 (0/35) se dá říct, že z hlediska ztrátového činitele se liší jen minimálně a vykazují prakticky shodnou velikost dielektrických ztrát ve sledovaném frekvenčním rozsahu. Totéž platí i pro měření relativní permitivity, kde se εr těchto materiálů pohybovalo okolo hodnoty 3,5, zatímco nejtenčí laminát se hodnotami okolo hranice 2,5 výrazněji lišil. Měření elektrické pevnosti patří k diagnostickým metodám s nejvyšší výpovědní schopností o daném izolačním materiálu a hraje klíčovou roli při dimenzování dielektrických obvodů. Z grafu je vidět, že doba expozice nijak výrazně neovlivnila elektrickou pevnost žádného z dodaných vzorků. Snad jen u nejtenčího laminátu můžeme zaznamenat jakousi mírně klesající tendenci v hodnotách průrazného napětí. Výsledkem je tedy fakt, že skelné lamináty používající jako matrici epoxidovou pryskyřici obecně netrpí ani po delším vystavení účinkům teplé vody její sorpcí. Po statistickém zpracování výsledků lze za nejlepší z pohledu všech provedených zkoušek jednoznačně označit nejtenčí laminát 0,1 mm (0/18). Nastupující trend výroby tenkých laminátů se tedy jeví přinejmenším perspektivním a z hlediska elektrických parametrů lze pokračování ve výrobě jen doporučit. 35 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Spouštění asynchronních motorů pomocí elektronicky řízeného systému softstart Jan Markvart - KE 3 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Asynchronní motory s kotvou nakrátko jsou v oblasti pracovních strojů bezpochyby nejrozšířenějším druhem pohonů. K jejich výhodám patří poměrně jednoduchá konstrukce, z čehož vyplývají i nízké pořizovací náklady. Vzhledem k faktu, že kotva nemá žádné pohyblivé kroužkové kontakty, vyznačují se asynchronní motory jednoduchou údržbou a vysokou provozní spolehlivostí. Nevýhodou tohoto druhu pohonu, je problematika spouštění. V okamžiku připojení k síti totiž asynchronní motor odebírá 5ti-8mi násobek proudu jmenovitého, což zejména při větších výkonech způsobuje v síti proudové rázy. V případech, kde nevyhovují klasické metody spouštění, jakožto přímé připojení k síti nebo přepínání „hvězda-trojúhelník“, lze použít spouštění pomocí výkonové elektroniky, tzv. „softstart“. Principiálně jde o tři dvojice „antiparalelně“ řazených tyristorů (v každé fázi jedna dvojice), pro které generuje zapalovací pulsy mikroprocesorem řízená jednotka. Systém „softstart“ je zapojen mezi síť a motor. Odebíraný proud udržuje řídící jednotka v limitních hodnotách a rozběh pak probíhá bez nežádoucích proudových rázů. Softstartery jsou vyráběny v širokém rozmezí výkonu pohonů (standardně 7,5 – 650 kW). Optimální přizpůsobení „softstartu“, pro daný druh pohonu lze dosáhnout pomocí uživatelem volitelných funkcí. Pokud je asynchronní pohon provozován s kondenzátory pro kompenzaci účiníku, nelze je řadit mezi softstart a pohon, ale mezi přívod a softstart. Zapojení výkonového obvodu SOFT-STARTu a připojení stroje zapojeného do hvězdy a do trojúhelníka. Nasazení „softstartu“ není vhodné pro aplikace s extrémními nároky na záběrný moment. Důvodem je skutečnost, že po dobu rozběhu je omezeno napětí, z čehož plyne i nižší záběrový moment, který je pro asynchronní motory na napětí závislý kvadraticky. Pro běžné aplikace je systém „softstart“ perspektivním způsobem spouštění některých pohonů s asynchronním motorem. Tato práce vznikla za podpory výzkumného záměru MSM 232200008. 36 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Diagnostika kompozitních materiálů - plastů, strukturální analýzy Pavel Moravec - SE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET Jedním z perspektivních odvětví materiálového inženýrství je oblast polymerních kompozitních materiálů. Kompozitní materiály jako takové se začaly výrazněji rozvíjet a používat během druhé světové války a jsou tedy vzhledem k jiným materiálům mladší. Kombinaci dvou materiálů nelze jednoduše označovat jako kompozit, je třeba stanovit přesnější definici tohoto heterogenního materiálu. Obecná definice kompozitních materiálů by potom mohla znít takto: kompozit je každý materiálový systém, který je složen z více (nejméně dvou) fází, z nichž alespoň jedna je pevná s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, a který dosahuje vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoli složkou (fází) samostatně ani prostou sumací. Nestačí zajistit, aby si jednotlivé složky ponechaly své vlastní vlastnosti, ale v novém materiálu musí být spojeny a uspořádány tak, aby byly využity jejich přednosti a ne- dostatky byly redukovány. Tyto materiály zaznamenaly v posledních desetiletích nebývalý rozmach, protože v této oblasti výzkumu materiálů došlo k významnému pokroku a již splňují náročné požadavky spotřebitele. Názvem plasty nebo dříve plastické hmoty označujeme materiály, jejichž podstatnou složkou jsou makromolekulární organické sloučeniny, které jedním slovem nazýváme polymery. Makromolekulární látky mohou být původu syntetického nebo přírodního. Další složky, tvořící společně s organickou makromolekulární látkou plasty, bývají označovány jako příměsi (plniva, změkčovadla, inhibitory, aj.). Příměsi obvykle významným způsobem ovlivňují zpracovatelské nebo užitkové vlastnosti makromolekulárních látek. Rozeznáváme tři druhy chemických reakcí, které vedou k vytvoření makromolekulární látky. Jsou to polykondenzace, polymerace a polyadice. Počet základních molekul obsažených v makromolekule označujeme jako stupeň polymerace. Pro jednoduchou možnost tváření činí náklady na zpracování plastů jen asi 15 až 40 % nákladů na zpracování kovů. Hlavním problémem plastů je ovšem jejich regenerace a zpracování použitých plastů. Diagnostické metody lze rozdělit na klasické a instrumentální. Instrumentální metody nazývané také jako strukturální analýzy a ty se obecně rozdělují na optické, elektrochemické, separační, radiochemické a termické. Řada těchto měření vychází z klasických metod a jejich rozdělení souvisí, jak již napovídají jednotlivé názvy, s jejich fyzikálně-chemickou podstatou měření. Pro tyto metody platí společné vlastnosti resp. výhody jako jsou vysoká citlivost, rychlost, vysoká selektivita a snížený vliv subjektivních faktorů lidské obsluhy. Mezi nevýhody strukturálních analýz patří to, že se jedná o destruktivní zkoušky, dále poskytují informace o chemických reakcích a fyzikálních transformacích na molekulární úrovni a neodhalí jevy na nadmolekulární úrovni, je nutná speciální aparatura, a to také souvisí s vyššími pořizovacími náklady na přístrojové vybavení příp. jednotlivé metod. Význam těchto metod vzrostl s rostoucí potřebou zvyšování jakosti a řízení v laboratořích a ve výrobě. Jejich využití je rozšířeno do mnoho oborů lidského zkoumání nebo monitorování životního a pracovního prostředí, chemického či fyzikálního výzkumu a je za-stoupeno ještě v mnoha dalších oblastech lidského snažení. Elektrotechnický průmysl se rozsahem použití kompozitních materiálů řadí mezi největší spotřebitele. V elektrotechnice a také elektronice se nejčastěji využívají jako elektroizolační nebo konstrukční materiály. Kromě elektroizolačních vlastností požadujeme i dobré mechanické a tepelné vlastnosti. Potřebná je též odolnost vůči klimatickým a chemickým vlivům, stárnutí, navlhavost nebo nasákavost. Zajímá nás jejich zpracovatelnost, elektrická pevnost, ztrátový činitel, polarizační index, intenzita a povaha částečných výbojů vznikajících v nehomogenitách a v neposlední řadě také cena. 37 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Měřící převodníky napětí, proudu, jalového a činného 3f výkonu Jan Pilný - KE 3 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Použití Měřící převodníky představují novou generaci převodníků kompaktní konstrukce na bázi technologie SMD. Převodníky měří efektivní hodnoty sinusových střídavých proudů, napětí, činného a jalového výkonu a převádí je na vnucený stejnosměrný proudový a napěťový signál. Tento výstupní signál může být indikován ukazovacím měřícím přístrojem, cejchovaným v jednotkách měřené veličiny, nebo může být použit pro průmyslové měření a regulaci. Pokud se dodrží maximální, popřípadě minimální povolená zátěž, může být připojeno i několik vyhodnocovacích přístrojů současně (ukazovací přístroj regulátor, zapisovač atd.). Přístroje mohou být umístěny v místě měření nebo ve vzdálených velínech. Vstup, výstup a pomocné napájení jsou vzájemně galvanicky odděleny. Výstupy jsou odolné proti zkratu a rozpojení . Popis funkce A) Převodníky U/I Vstupní střídavý proudový / napěťový signál je po galvanickém oddělení usměrněn a elektronickým koncovým stupněm převeden na úměrný vnucený stejnosměrný proud. Paralelně s výstupním proudem je k dispozici i vnucené stejnosměrné napětí. Výstupy nesmí být vzájemně propojeny. Při současném připojení obou výstupů na jednu zátěž je třeba, aby zátěž napěťového výstupu byla ≥ 1,5kΩ. Bude-li připojen pouze napěťový výstup, musí se zkratovat proudový výstup. Blokové schéma zapojení napěťového převodníku B) Převodníky P/Q Měřící převodníky činného jalového výkonu obsahují analogovou násobičku. Předřazené měniče proudové a napěťové větve galvanicky oddělí silové obvody od elektroniky a zároveň je přizpůsobují vstupu na násobičce, která provádí součin analogových hodnot. Integrace pomocí dolní propusti.Výstupní signál integračního členu je přiveden přes převodník U/I na koncové stupně, které jej zesilují na unifikovaný vnucený ss I a ss U. Výstupy nesmí být vzájemně propojeny. Převodníky jsou vyráběny v různých variantách, pro 3 i 4 vodičové sítě, symetrické i nesymetrické. Tato práce vznikla za podpory výzkumného záměru MSM 232200008. 38 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Vliv technologie na povrchové vlastnosti laminátů typu FR4 Jiří Ryška - KE 5 lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET Tato práce vznikla ve spolupráci s firmou Lamitec Czech s.r.o. Pardubice a zabývá se vlivem technologie na povrchové vlastnosti laminátů typu FR4, používaných v elektrotechnice pro výrobu plošných spojů. Lamináty jsou převážně mnohovrstvé kompozitní materiály. Jsou tvořeny výztuží a pojivem. Výztuže jsou nosnými prvky v laminátech a určují jejich mechanické vlastnosti jako jsou pevnost, houževnatost, modul pružnosti apod. Jsou to vláknité nebo textilní látky na bázi papíru, skla, kovu grafitu či syntetických polymerů. Pojivo rozvádí mechanické namáhání rovnoměrně na všechna vlákna výztuže. Dodává laminátu odolnost proti tepelným, chemickým a jiným vlivům. Jako pojiva se v elektrotechnice používají reaktoplastické pryskyřice, jako jsou epoxidové pryskyřice, polyesterové pryskyřice, fenolformaldehydové, močovinoformaldehydové, melaminoformaldehydové pryskyřice, silikonové pryskyřice či pojiva na bázi polyimidů. Úkolem této práce bylo určení odolnosti laminátů typu FR4 proti plazivým proudům (CTI), v závislosti na druhu separační fólie použité při jejich výrobě. Dále případný návrh dalších metod, vhodných pro posouzení vlivu separačních fólií na povrchové vlastnosti těchto laminátů. Firma Lamitec Czech s.r.o. dodala pět vzorků skelného laminátu typu Lamplex FR4 o tloušťce 1,5 mm. Vzorky byly pro účely měření označeny A, C, D, E a F. Vzorek A byl vyroben bez použití separační fólie a byl oboustranně plátován mědí. Vzorek C byl vyroben s použitím separační fólie Forco, vzorek D s použitím separační fólie Tacphan (180 °C), vzorek E s použitím separační fólie Tacphan (160 °C). Tyto vzorky byly jednostranně plátované mědí. Vzorek F byl vyroben s použitím separační fólie Tresphaphan. Z vzorků plátovaných mědí bylo třeba před měřením měděnou fólii odleptat. Separační fólie se při výrobě laminátů používají k oddělení prepregů od lisovacího plechu. Při vyšších teplotách mohou způsobit zhoršení povrchových vlastností laminátu. Fólie vykazují vysokou odolnost proti přetržení, proti průrazu a vysokou pevnost v rázu. Jsou průsvitné, málo smrštivé, odolné vůči vodě a mastnotám. Dále mají znamenitý odpor ke vzniku trhlin a lomů. Z měření odolnosti vzorků proti plazivým proudům byl zjištěn index CTI 100 a to pro všech pět dodaných vzorků skelného laminátu Lamplex FR4. Z toho vyplývá, že separační fólie nemají zásadní vliv na odolnost vůči plazivým proudům. Největší tendenci odolávat plazivým proudům měl laminát, vyrobený bez použití separační fólie. Z ostatních vzorků nejlépe odolával laminát s použitou separační fólií Tacphan (180 °C), naopak nejméně odolný byl laminát s použitou separační fólií Tresphaphan. Další metody, které by mohly být vhodné k posouzení vlivu separační fólie na povrchové vlastnosti laminátu jsou měření povrchové rezistivity, měření odolnosti proti plazivým proudům ve stížených podmínkách okolního prostředí, měření odolnosti vůči elektrickému oblouku nebo měření izolačního odporu při zvýšených teplotách. Z těchto navržených metod byly zjištěny orientační hodnoty povrchové rezistivity dodaných vzorků. Největší hodnotu povrchové rezistivity měl skelný laminát, vyrobený za použití separační fólie Tacphan (160 °C), druhý nejkvalitnější byl vzorek vyrobený bez použití separační fólie. 39 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Měření momentu setrvačnosti metodou torzních kmitů Petr Šafrata - KE 5 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Metoda torzních kmitů se má přednostně používat pro stanovení momentu setrvačnosti točivých částí strojů o výkonu do 100 kW. Závěs je proveden z kovu nebo jiného pevného materiálu s izotropní strukturou. Měření momentu setrvačnosti metodou torzních kmitů spočívá ve svislém zavěšení zkoumané součásti, vychýlení maximálně o 25° a změření délky periody. K měření délky periody byl použit digitální bezkontaktní otáčkoměr. Kromě hmotnosti zkoumané části a délky závěsu bylo pomocí PC změřeno několik desítek period torzních kmitů s následným SW vyhodnocením průměrné délky jedné periody včetně výpočtu vlastního momentu setrvačnosti dle vztahu: mr 2 2 g .T . 2 J= 4π l kde m r l T g [kg.m ] 2 hmotnost zkoušené točivé části vzdálenost od závěsů k ose točivé části v metrech délka závěsu v metrech perioda torzního kmitání točivé části v sekundách 9,81 m.s-2 normální tíhové zrychlení Bifilární závěs zkoušené části Těžší točivé části mohou být zavěšeny na dvou (popř. třech) paralelních závěsech připevněných symetricky k ose otáčení, rovnoběžně s jeho osou. Takto provedený závěs lze nazvat bifilární (popř. trifilární apod.). Mechanická pevnost závěsu (závěsů) musí odpovídat hmotnosti točivé části. Délku závěsu l a vzdálenost od závěsu k ose točivé části r je třeba volit tak, aby perioda torzního kmitání T netrvala méně než 1 s. Trifilárního závěsu s výhodou použijeme, potřebujeme-li stanovit moment setrvačnosti např. větrné turbíny, která má tři lopatky. Rotor je souměrný a zavěšení provedeme za každou lopatku. Metoda měření momentu setrvačnosti pomocí torzního kyvadla je vhodná pro široké spektrum nejrůznějších konstrukčních součástí a současně je na vybavení pracoviště celkem nenáročná. Poskytuje velice přesné výsledky a má výbornou opakovatelnost. Zejména u jednodušších homogenních částí lze její výsledky snadno kontrolovat matematickým výpočtem. Moment setrvačnosti válce lze stanovit dle vztahu J= 1 2 mr . 2 Tato práce vznikla za podpory projektu FR VŠ 2330/2003/G1. 40 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Perspektivní impregnační pryskyřice 3750 Petra Švátorová - KE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET Dielektrické obvody elektrických točivých strojů se sestávají z vodičů vytvarovaných do tvaru cívek vzájemně odizolovaných jednak z důvodu oddělení míst různých potenciálů a dále pro lepší odvod tepla vzniklého při provozu strojů. Kromě vlastní izolace vodičů se vinutí dále impregnuje pro další zlepšení vlastností vinutí jak mechanického, tak elektrického a teplotního charakteru. Stroje do zvláště obtížných podmínek se impregnují tzv. vakuově tlakovou impregnací (VPI – vacuum pressure impregnation), která je jednou ze špičkových technologií. Tato impregnace se provádí ve speciálních zařízeních za určených podmínek. Její význam spočívá v poměrně jednoduché technologii, kterou lze vytvořit kvalitní izolaci. Do izolačního systému vstupují v tomto případě jako základní komponenty tzv. suché slídové pásky (eventuálně další materiály) a patřičný druh pryskyřice, kterým je suchý základ izolačního systému prosycen - impregnován. Impregnanty musí splňovat určité požadavky. Musí při impregnačním procesu dobře smáčet a vnikat do základních materiálů, nesmí napadat vodiče a ostatní zúčastněné materiály, musí prosychat do hloubky i v silných vrstvách, musí mít výbornou lepivost apod. V neposlední řadě musí mít velmi dobré elektrické vlastnosti. Jako impregnanty se dříve používaly olejové laky, které byly později nahrazeny laky na bázi syntetických pryskyřic. V současnosti se plně používají laky bezrozpouštědlové a to hlavně na bázi epoxidových, polyesterových či silikonových pryskyřic. Neustále se zvyšující požadavky na vlastnosti impregnantů vedou výrobce k výzkumu a vývoji nových druhů impregnačních látek. Na český trh se nyní dostává nový druh impregnační pryskyřice, který je nabízen pod označením EP TRÄNKHARZ 3750. Dodává ji německá firma RHENATECH GmbH z Kempenu. Tato jednosložková epoxidová pryskyřice se vyznačuje vynikající teplotní odolností a odolností vůči chemikáliím. Její nízká viskozita ji předurčuje k použití při impregnaci vinutí točivých strojů, transformátorů i v technologii elektroniky. Na trh se dodává v tekuté formě v konvích o hmotnosti 25 kg nebo v sudech o hmotnosti 200 kg. Její povrchová rezistivita je 2,1·1014 Ω, vnitřní pak při teplotě 25 °C 1,5·1015 Ωm. Další informace o jejích vlastnostech lze najít na internetových stránkách www.rhenatech.com. Tuto impregnační pryskyřici ve své výrobě hodlá využít také plzeňský podnik ŠKODA – Trakční motory, s. r. o. Ten v současnosti používá pro VPI systém zejména izolační lak H 62 C. Jedná se o silikonový lak, který je zvláště vhodný pro náročné aplikace - provoz při teplotách třídy F a H. Jeho výborným vlastnostem odpovídá pochopitelně vyšší cena. Pro méně náročné aplikace bude tedy po ověření vlastností používán výše zmíněný lak 3750, který je ve srovnání s lakem H 62 C značně ekonomicky výhodnější. Jeho cena je totiž 5× nižší. Nový impregnační lak však může být do výroby zaveden, jak bylo zmíněno výše, až po ověření jeho vlastností a zejména jeho odolnosti vůči působení klimatických podmínek, aby ho bylo možné použít i ve stížených např. tropických podmínkách. Zavedení uvedeného laku do výroby bude pro podnik znamenat značné ekonomické úspory při splnění požadavků kladených na vyráběné stroje. 41 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Kaučukové materiály plněné slídou Miloslav Toman - SE 4 lektor: prof. Ing. Václav Menltík, CSc. - KET Slída, jako elektrotechnický materiál, má velmi významný a nezastupitelný vliv v průmyslu, zejména díky její vysoké elektrické pevnosti, teplotní odolnosti a lze říci i chemické inertnosti. Největší uplatnění nalézá zvláště ve vysokonapěťové technice. Používá se ve formě mikanitů nebo remikanitů. Někdy je nutné, pro danou aplikaci, použít slídu dezintegrovanou, zvláště má-li být použita jako plnivo. Dezintegrace se provádí zejména Bardetovým kalcinačním nebo Heymannovým nekalcinačním způsobem. Při výrobě přesných mikanitů vzniká „obrus“, který je vlastně odpadovým materiálem. Tento materiál lze také s výhodu použít jako plniva. Pozornost však musí být věnována velikosti částic, neboť ta má vliv na konečné vlastnosti materiálu. Tato práce se zabývá posouzením vlivu obsahu slídy na elektrické vlastnosti materiálů na bázi kaučuku. Měřené vzorky obsahovaly pouze nejnutnější chemické přísady, podmiňující stálost materiálu a různé množství slídy. Voleny byly tyto typy kaučuku: CR – chloroprenový kaučuk, NBR – nitrilový kaučuk, SBR – butadienstyrenový kaučuk, EPDM – ethylenpropylenový kaučuk, MVQ – silikonový kaučuk. V první fázi byly dodány vzorky SBR s obsahem slídy od 0 % do 80 % pro posouzení, zda má slída vliv na zlepšení elektrických vlastností daného materiálu. U těchto vzorků byla měřena frekvenční závislost ztrátového činitele tg δ, relativní permitivita a elektrická pevnost. Ukázalo se, že u tohoto materiálu je nejvýhodnější plnění dvaceti procenty slídy. Při tomto obsahu materiál vykazoval nejmenší ztráty (tg δ = 0,003-0,01 pro f = 50 Hz - 300 kHz) a největší elektrickou pevnost (Ep = 46,4 kV/mm). Relativní permitivita se pohybovala v rozmezí 1,82 – 2,68 pro obsah slídy od 0 % do 60 %. S ohledem k tomuto zjištění byly dále vyráběny vzorky s obsahem 0, 10, 20, 30, 40 % slídy. V druhé fázi byly dodány vzorky: SBR, NBR, CR, EPDM a MVQ s výše zmíněným obsahem slídy. U těchto vzorků byla měřena frekvenční závislost ztrátového činitele tg δ, relativní permitivita a vnitřní rezistivita. Elektrickou pevnost nebylo možno změřit díky malým rozměrům vzorků. Lze však usuzovat, na základě předešlých měření, že se pohybuje v rozmezí 40 – 60 kV/mm. Měřením se prokázalo, že nejlepší elektrické vlastnosti z těchto materiálů má EPDM s plněním okolo 10 % slídy (tg δ = 0,0002 – 0,0006 pro f = 50 Hz – 300 kHz). Vnitřní rezistivita se pro všechny obsahy slídy pohybovala v rozmezí 2,22.1016 Ωm - 3,60.1018 Ωm. Jako druhý je SBR s 20 % slídy. Na základě tohoto zjištění byly provedeny mechanické zkoušky u materiálu EPDM s 10 % slídy, které ukázaly, že takto konstruovaný materiál je z mechanického hlediska nevyhovující. Byly provedeny úpravy chemického složení a to dotací 10 % SiO2 a blíže nespecifikovanými aditivy. Na těchto, z mechanického hlediska již vyhovujících, vzorcích EPDM s 10 % slídy, 10 % SiO2 a 2 – 4 % aditiv, byla provedena měření frekvenční závislosti ztrátového činitele tg δ, relativní permitivity a vnitřní rezistivity. Elektrickou pevnost nebylo možno změřit ze stejných důvodů jako v předešlém případě. Měření ukázalo, že materiál dosahuje optimálních elektrických i mechanických vlastností při obsahu aditiv 3 %. Prokázalo se, že slída může u materiálů na bázi kaučuku výrazně ovlivnit jejich elektrické vlastnosti a to jak v pozitivním slova smyslu, tak i negativně – vyšší obsahy slídy vedou ke zvýšení ztrát, snížení vnitřní rezistivity a snížení elektrické pevnosti. 42 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Počítačové modelování v elektrotechnice složení komise předseda prof. Ing. Václav Bartoš, CSc. členové doc. Ing. Bohuš Ulrych, CSc. Ing. Martin Janda Ing. Michaela Klímová 43 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Optimalizace povrchového indukčního ohřevu neferomagnetického válce před jeho povrchovou úpravou Karel Beneš - KE 5 lektor: doc. Ing. Bohuš Ulrych, CSc. - KTE Práce se zabývá numerickým modelováním optimálního uspořádání indukčního zařízení na ohřev neferomagnetického válcového tělesa. Požaduje se pokud možno rychlý ohřev povrchu tělesa na zadanou teplotu a současně pokud možno nízké hodnoty magnetické indukce v okolí uvažovaného zařízení. V souvislosti s tím je ve zmíněné práci nejdříve v úvodu stručně pojednáno o obecné problematice indukčního ohřevu a poté je podrobně popsán princip práce uvažovaného indukčního zařízení. Toto zařízení je znázorněno na obr.1 ve čtvrtinovém modelu. obr.1 Ω1- vsázka Ω3- stínění Ω2- cívka Ω4- vzduch Následuje matematický model daného problému, což představuje: ⎛1 ⎞ ∂A pro vektorový potenciál A(r,z,t) a) rovnice rot⎜⎜ rotA ⎟⎟ = J ext − γ ∂t ⎝µ ⎠ ∂T − w j pro nestacionární teplotní pole T(r,z,t). b) Fourierova rovnice div(λ grad T ) = ρ ⋅ c ∂t Tyto rovnice (spolu s příslušnými okrajovými a počátečními podmínkami) jsou pak řešeny prostřednictvím profesionálních programů QuickField a Relax 2002, přičemž v dané diplomové práci jsou popsány nejen ony programy ale i numerická metoda (metoda konečných prvků), která je nich použita. Joule Heat Q Těžiště práce spočívá v ilustrativním příkladu, kde je naformulován konkrétní technický problém indukčního ohřevu neferomagnetického válečku, je provedeno jeho numerické řešení a jsou uvedeny a zhodnoceny obdržené výsledky. Ukázkou takových výsledků je obr.2., kde je zobrazen průběh Jouleových ztrát na hraně HGF (viz obr.1), při frekvenci f = 104 Hz a amplitudě proudu I = 300 A. ( 10 6 3 W/m ) 4 3 2 1 0 0.000 0.010 0.020 0.030 L (m) H G obr.2 44 F Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Význam Parkovy transformace z hlediska soudobé výpočetní techniky Jiří Lahoda - ES 3 lektor: prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc. - KTE Matematický model synchronního generátoru, na němž lze význam Parkovy transformace ukázat, zanedbává vliv sycení, vliv drážkování rotoru a také nepředpokládá tlumicí vinutí. Po tomto zjednodušení lze synchronní stroj popsat soustavou čtyř lineárních diferenciálních rovnic s periodicky proměnnými koeficienty. Parkova transformace převádí původní soustavu rovnic ze souřadnic R, S, T do otáčejících se souřadnic d, q, 0. Výsledkem je soustava čtyř lineárních diferenciálních rovnic s konstantními koeficienty, jejichž řešení do původních souřadnic převedeme zpětnou transformací. Transformovanou soustavu lze vyřešit i analyticky, avšak mnohem rychlejší je numerické řešení s využitím běžně dostupného softwaru, např. pomocí Matlabu. To nás vede k myšlence, zda je Parkova transformace nutná - srovnejme numerické řešení původní soustavy rovnic v souřadnicích R, S, T a řešení pomocí Parkovy transformace. Jako příklad uvažujeme symetrický trojfázový zkrat na svorkách generátoru z chodu naprázdno. Řešení získané oběma způsoby si v našem příkladě budou odpovídat (viz obr. 1), avšak jen do určité doby. Na delším časovém úseku dochází při řešení v souřadnicích R, S, T k nestabilitě (viz obr. 2), stabilní řešení navíc nezískáme ani jednou standardní funkcí, jež jsou v Matlabu k dispozici, což je velmi neobvyklé. Řešení získané pomocí Parkovy transformace je však i na delších časech stabilní spolehlivě. obr. 1 Řešení průběhu proudu fáze R pomocí Parkovy transformace a přímé řešení jsou prakticky shodné obr. 2 Nestabilita průběhu proudu fáze R při řešení bez použití Parkovy transformace Při analýze nestability prozkoumáme citlivost obou soustav rovnic na počáteční podmínky. Zjišťujeme, že při drobném „rozladění“ (v řádu 10-7) počátečních podmínek dostaneme oběma způsoby řešení stejné, a to včetně nestability řešení. V souřadnicích d, q, 0, tedy bez zpětné transformace, je však nestabilní je jedna složka, která odpovídá řešení rovnice pro proud i0. Tato rovnice není provázaná s ostatními, lze ji řešit samostatně. Při všech symetrických dějích je její řešení přesně nulové a při zpětné transformaci se stává součástí průběhů statorových proudů, které jsou nestabilní při přímé integraci. Obecné řešení této rovnice má tvar i0 = C.et/τ . I nepatrná změna počáteční podmínky způsobí to, že se vzrůstajícím časem t začne tato exponenciála nabývat na významu. Nestabilitu řešení soustavy rovnic v původních souřadnicích způsobuje právě tato složka jejich obecného řešení, která se nedá ze soustavy vyjmout, jako je tomu u transformované soustavy rovnic. Vlivem zaokrouhlovacích chyb se v průběhu řešení tato exponenciála „odnuluje“ a řešení posléze zcela znehodnotí. Ačkoliv tedy třetí souřadnice 0 v Parkově transformaci působí jako formální součást transformace, její význam pro numerické řešení rovnic synchronního generátoru je zásadní. Osamostatňuje tu složku řešení, jež způsobuje špatnou podmíněnost původní úlohy. 45 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Vliv parametrů asynchronního motoru na jeho provozní vlastnosti Jiří Lang - SE 5 lektor: prof. Ing. Václav Bartoš, CSc. - KEV Práce pojednává o matematickém modelu asynchronního stroje, citlivostní analýze a řešení ustálených a přechodových stavů. Asynchronní stroje jsou dnes nejrozšířenější a zároveň nejjednodušší a nejlevnější točivé stroje, nemají budiče, jsou magnetovány ze statoru připojeného k síti, proto mají pokud možno co nejmenší vzduchové mezery. V této práci jsou odvozeny rovnice popisující asynchronní stroj v přechodovém i ustáleném stavu. Při analýze chování asynchronního stroje používáme matematických modelů, které nutně představují určitou idealizaci. Ve skutečnosti však reálný systém nemůže být nikdy úplně identifikován vzhledem k nepřesnosti měření, teoretické záměry projektanta nemohou být splněny přesně vzhledem k výrobním tolerancím, chování každého reálného systému se v čase mění díky vlivům prostředí, vlastnostem materiálů a změnám pracovních bodů a matematické modely se často záměrně idealizují či zjednodušují vzhledem k potřebě jednoduchosti řešení. Mnohé úlohy nelze řešit bez zjednodušení modelu. Z těchto důvodů může analýza systému vést mnohdy k nesprávným závěrům a to i tehdy, jsou-li chyby měření nebo identifikace parametrů v „rozumných“ mezích několika málo procent. Znalost citlivosti na změnu parametrů by měla být součástí každé úlohy identifikace, analýzy, syntézy i optimalizace. Pomocí citlivostní analýzy je v práci řešen vliv parametrů asynchronního stroje na ustálený stav. Matematická analýza přechodových stavů asynchronního motoru vyžaduje řešení diferenciálních rovnic. Lineární diferenciální rovnice lze relativně snadno řešit analyticky, ale řešení nelineárních diferenciálních rovnic vyžaduje numerické metody a použití počítače. Diferenciální rovnice popisující přechodové stavy jsou lineární jestliže otáčky stroje jsou během těchto stavů konstantní. V případě, že změnu otáček není možno zanedbat nebo je uvažován vliv magnetického sycení se řeší nelineární diferenciální rovnice. Pomocí vytvořeného matematického modelu jsou zde řešeny vybrané přechodové stavy. Při ustáleném chodu přenáší obvykle hřídel točivý moment, který se v čase nemění. V takovém případě nemůže dojít k buzenému kmitání. Přesto je nutné zabezpečit, aby kritická otáčivá rychlost nesouhlasila se jmenovitou. To proto, že je téměř nemožné, aby spojkou přenášený moment byl konstantní, ať už je spojka tuhá, či poddajná. Vždy se musí počítat s tím, že ke konstantnímu točivému momentu se přičítají (třeba pouze nepatrné) kmitající složky momentu o kmitočtu, který je zlomkem otáčivé rychlosti, a které mohou vyvolat rezonanci. Dále práce obsahuje řešení vlivů parametrů asynchronního stroje na torzní moment při rozběhu stroje. K řešení matematického modelu s určitými parametry je použito počítače a programu MATLAB, je to program, jímž lze řešit problémy mnoha oborů aplikované techniky a matematiky. Matlab je interpretační jazyk, který umožňuje efektivní práci s maticemi. Je vysoce optimalizován, základní funkce jsou zapsány v jazyce C a některé části i ve strojovém kódu k dosažení maximální rychlosti výpočtu. Složitější funkce jsou zapsány pomocí základních funkcí tedy přímo v MATLABu. Vyšší verze MATLABu umožňují řešení obyčejných diferenciálních rovnic pomocí vestavěných funkcí ODE23 a ODE45, které používají numerické metody Runge-Kutta druhého a třetího řádu resp. čtvrtého a pátého řádu. Aby bylo možné tyto funkce použít musí být diferenciální rovnice zapsány v samostatné funkci v explicitním tvaru y / = f (t , y ) . 46 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Zhodnocení dlouhodobého zatížení miniaturního aktuátoru z hlediska jeho následného oteplení feromagnetického Martin Mach - SE 5 lektor: doc. Ing. Bohuš Ulrych, CSc. - KTE Práce se zabývá numerickým modelováním silových poměrů ve feromagnetickém válcovém aktuátoru z hlediska jeho následného oteplení. V souvislosti s tím je ve zmíněné práci nejdříve v úvodu stručně pojednáno o obecné problematice feromagnetických aktuátorů, působících ať již jako akcelerátory či jako dlouhodobé zdroje síly (přídržné elektromagnety) a poté je podrobně popsán princip práce uvažovaného aktuátoru. Toto zařízení je schematicky znázorněno na obr. 1. 1 budící cívka 2 pevný magnetický obvod 3 pohyblivý magnetický obvod 4 ochranná obálka 5 izolace budící cívky 6 bezpečnostní pružina 7 ložisko 8 vodící trn Obr. 1: Základní uspořádání zkoumaného aktuátoru Následuje matematický model daného problému, což představuje Poissonovu, příp. Laplaceovu rovnici pro vektorový potenciál a Fourierovu rovnici pro teplotní pole. Uvedené rovnice (spolu s příslušnými okrajovými a počátečními podmínkami) jsou pak řešeny prostřednictvím profesionálního programu Quick Fie1d. Tento program je následně v dané práci popsán spolu s numerickou metodou, na jejímž základě program pracuje. Těžiště práce spočívá v ilustrativním příkladu, kde je naformulován jeden konkrétní technický problém: určení silových poměrů v jednom konkrétním přídržném elektromagnetu se sledováním jeho následného ohřevu v důsledku dlouhodobého průchodu proudu jeho budící cívkou. Je provedeno numerické řešení daného problému a uvedeny a zhodnoceny obdržené výsledky. Ukázkou takových výsledků je obr. č. 2., kde je uvedena závislost výsledné přídržné síly Fm na čase t200, za který dosáhne teplota aktuátoru maximální povolenou teplotu Tmax = 200°C. 2500 F m [N] 2000 1500 1000 500 0 0 50 100 150 t 200 [min] Obr. 2: Závislost síly Fm čase t200 47 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Matematický model asynchronního motoru pro nesymetrické režimy Tomáš Preisinger - SE 5 lektor: prof. Ing. Václav Bartoš, CSc. - KEV Asynchronní motory mohou pracovat v sítích, která nemusí vždy odpovídat přesně podmínkám symetrické napájecí soustavy a to může ovlivnit parametry motorů, takže tyto parametry nejsou vždy v každé fázi stejné. Každá odchylka napájecí soustavy má vždy nepříznivý vliv na vlastnosti motoru a může někdy dokonce znemožnit jejich činnost. Podobně mohou působit i nesouměrnosti ve vinutí nebo magnetickém obvodu. Proto je potřeba poznat, co udělají tyto nesymetrické podmínky s chováním stroje. Abychom měli konkrétní představu o tom jak se stroj chová, je třeba vytvořit jeho matematický model pro tyto nesymetrie. Pro potřebu matematického modelování lze asynchronní motor popsat soustavou několika diferenciálních rovnic, vycházejících z teorie prostorových fázorů. Tato metoda popisu spočívá v tom, že veličiny jsou nahrazeny rotujícími vektory a statorové i rotorové veličiny jsou převedeny do jednotného souřadného systému, ve kterém jsou pak počítány. Práce obsahuje odvození základních rovnic pro model tohoto motoru. Tento model je třeba ještě upravit tak, abychom mohli zadáváním parametrů do jednotlivých rovnic způsobit nesymetrický režim. To je vytvořeno tak, že ze základních rovnic jsou úpravou vyjádřeny rovnice pro každou fázi a to statoru i rotoru. V jednotlivých rovnicích je pak možné místo společného odporu vinutí a rozptylové indukčnosti psát jejich hodnoty pro jednotlivé fáze. V těchto rovnicích je také respektována nelineární magnetická charakteristika železa. Po úpravách je matematický model vhodný pro simulaci nesymetrických stavů a přechodových stavů. V této práci jsou simulovány změny parametrů vinutí asynchronního motoru a nesymetrie napájecí soustavy a to vždy pouze v jedné fázi motoru. Pro potřebu simulace nesymetrických režimů jsou zde zvoleny odchylky od symetrického stavu a to – 10 % a + 10 % hodnoty veličiny v jedné fázi. Měněné veličiny jsou - odpor statoru, - rozptylová indukčnost statoru, - odpor rotoru, - rozptylová indukčnost rotoru. Nesymetrie napájecí soustavy je namodelována pomocí zpětné složky napětí. Zde byla pro simulaci zvolena amplituda zpětné složky rovna ± 10 % efektivní hodnoty normálního fázového napětí. Simulace asynchronního motoru byla provedena pomocí programu Dynast. Důsledky zadávaných nesymetrií byly sledovány na průbězích elektromagnetického momentu, otáček a na průběhu torzního momentu mezi motorem a zátěží. Získané výsledné závislosti jednotlivých sledovaných veličin jsou využity ke srovnání s průběhy těchto veličin za zachování symetrických podmínek. 48 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Počítačové modelování indukčního ohřevu David Rot - KE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Pojem počítačové modelování představuje nové způsoby zkoumání fyzikálních jevů pomocí výpočetní techniky a specializovaného softwaru. Podstata počítačového modelování spočívá ve vytvoření matematicko-počítačového modelu, který bude respektovat fyzikální vlastnosti a geometrické uspořádání daného problému. Po vyřešení modelu numerickou metodou, nejčastěji FEM (metoda konečných prvků) získáme představu o rozložení a velikosti zvolených fyzikálních veličin (např.: magnetické intenzity u elektromagnetického pole) zkoumaného problému. Nelze však opomenout, že žádné počítačové modelování fyzikálních procesů, např.: indukčního ohřevu, by nebylo možné bez konzultování poznatků získaných počítačovou simulací s poznatky experimentálními. Teprve na experimentálním základě si lze utvořit více či méně přesnou představu o budoucím počítačovém modelu zkoumaného problému. Zanedbat či respektovat jeho určité aspekty. Stanovit mantinely pro očekávaný výsledek. Tímto způsobem lze získat „dokonalou“ představu o přesnosti počítačového modelu a z nových skutečností řešení problému modifikovat. Na základě možností, které přináší současný stav výpočetní techniky, je možné vytvářet různé počítačové modely. Počítačové modelování je právě ve stádiu, které umožňuje poměrně přesně řešit i sdružené problémy, což znamená postupné řešení více polí (např.: elektromagnetického, teplotního a termoelastického v případě počítačového modelování indukčního ohřevu obruče turborotoru pro případ montáže či demontáže). S ohledem na podstatu problému se volí stupeň sdruženosti. Existují tři stupně sdruženosti (silně sdružený, kvazi sdružený a slabě sdružený). Výběr stupně sdruženosti záleží na tom, jakou měrou se budou daná pole vzájemně ovlivňovat po dobu jejich zkoumání. Silně sdružená formulace, jak již napovídá její název, se používá v případech, kdy dochází k velkému zpětnému ovlivňování polí, např.: budeme-li indukčně tavit či kalit magnetickou ocel, bude během tohoto procesu s rostoucí teplotou oceli klesat její permeabilita, která ovlivní hloubku vniku naindukovaných proudů do vsázky (magnetické oceli). Dojde tedy k zpětnému ovlivňování magnetického pole v důsledku rostoucí teploty, které musíme v počítačovém modelu respektovat. Tento algoritmus klade největší nároky na hardware a řešení je velice časově náročné oproti kvazi a slabě sdružené formulaci. Kvazi sdružená formulace se používá pro podobné případy jako silně sdružená. Kritériem výběru formulace je rychlost, s jakou se pole navzájem během zkoumání ovlivňují. Slabě sdružená formulace se používá v případech, kdy během zkoumání daného problému nedochází k ovlivňování polí navzájem či jen k ovlivňování zanedbatelnému, např.: v případě indukčního ohřevu obruče turborotoru, která je vyrobena z nemagnetické oceli, což znamená, že nemůže docházet ke změně její permeability vlivem rostoucí teploty. Počítačové modelování pomocí profesionálního programu ANSYS v případě slabě sdruženého problému je rozděleno do tří fází. První fáze (pre-processing) se skládá z několika úkonů: výběr typu elementu, zadání geometrie problému, nastavení materiálových parametrů, vytvoření sítě, následuje zadání okrajových a počátečních podmínek problému a výběr typu analýzy (statická, harmonická apod.). Druhá fáze (solution) spočívá ve vyřešení problému na základě zadaných kritérií. Třetí fáze (post-processing) umožňuje prohlížení získaných výsledků (zobrazování výsledků v celém modelu či jen v jeho částech, na grafech, na animacích, apod.). Se stále rostoucím výkonem výpočetní techniky lze očekávat i větší rozvoj počítačového modelování, jelikož hranice pro jeho použití jsou závislé právě na výkonu hardwaru. 49 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Výpočet oteplení točivého elektrického stroje v přechodném tepelném stavu Liebmannovo metodou Jan Soukup - SE 5 lektor: doc. Ing. Josef Červený, CSc. - KEV Tato práce popisuje vytvoření programu pro výpočet přechodného tepelného stavu elektrického stroje Liebmannovo metodou. V programu nejprve proběhne ustálený a poté přechodný tepelný výpočet. Za programovací prostředek byl zvolen aplikační nástroj DELPHI. Simulace byla provedena na hydroalternátoru 11 MVA. K programu je vypracována uživatelská dokumentace. Řešení problematiky spojené s odváděním ztrátového tepla zaujímá první místa v konstrukčním návrhu elektrického stroje. Úkolem chlazení je odvedení ztrátového tepla z jednotlivých částí stroje tak, aby se nepřekročila jednotlivá oteplení, určená tepelnou třídou izolace. Nadměrné zvýšení teploty může způsobit snížení elektrické a mechanické pevnosti izolace. Izolační materiál má vliv nejen na odvod tepla, ale rovněž na elektromagnetický a konstrukční návrh stroje. Chlazení ovlivňuje jednak provozní spolehlivost elektrického stroje a jednak rozhoduje o použití aktivních materiálů elektrického stroje. Výpočet chlazení se dělí na ventilační a tepelný. Tepelný výpočet navazuje bezprostředně na výpočet ventilační, z něhož přijímá velikosti průtočného množství a místních rychlostí proudění chladiva ve stroji, na základě toho se určují součinitele přestupu tepla, tj. chladící účinek. Výchozím bodem diplomové práce je právě stav, kdy známe parametry elektrického stroje a proběhl ventilační výpočet. Předpokládá se kombinované sdílení tepla vedením a prouděním do pohybujícího se chladícího média. U aktivních částí elektrického stroje se uvažuje nucené proudění chladiva, které bude probíhat v oblasti turbulentní (pak se může zanedbat sdílení tepla sáláním). Při ustáleném tepelném výpočtu se využije analogie mezi elektrickými a tepelnými veličinami a řeší se tzv. náhradní tepelný obvod (metoda tepelné sítě), jehož výsledkem jsou střední teploty částí elektrického stroje. Přechodný tepelný výpočet popisuje tzv. Liebmannova metoda, což je vlastně modifikovaný náhradní tepelný obvod (tepelný odpor, tep. kapacita, tep. tok, ztrátový výkon, teplota okolí), jehož výsledkem jsou průběhy středních teplot a časové konstanty částí elektrického stroje (oteplovací a ochlazovací). Možnosti aplikace, vše ustálené nebo přechodné tepelné výpočty: - poměry ve stroji se nahradí tepelnou sítí maximálně 20-ti uzlů, v rozšíření maximálně na 10 stavů (pracovních režimů) - kontrola navržené třídy izolace - rozběh, doběh, změna zatížení, tj. změna ztrátového výkonu - změna teploty okolí, změna rychlosti proudění chladícího média, tj. změna tepelných odporů - kombinace obou výše uvedených, tj. trakční stroje - provozní režimy S1÷S8, jako např. trvalé zatížení S1, krátkodobý chod S2, přerušovaný chod bez vlivu rozběhu na oteplení S3, přerušovaný chod s rozběhem ovlivňujícím oteplení stroje S4, přerušovaný chod s rozběhem a elektrickým bržděním ovlivňujícím oteplení stroje S5, přerušované zatížení S6, krátkodobé přetížení, atd. - výpočet oteplení pro dimenzování motoru – kritérium oteplovací - simulace strojů s cizí ventilací, s povrchovým chlazením a s ventilátorem na hřídeli - citlivost jednotlivých parametrů na chování tepelné sítě jako celku - velmi rychlá modifikace vstupních parametrů a geometrie elektrického stroje, uložení jednotlivých projektů, výsledky v grafech, uložení a tisk grafů, celá řada nástrojů pro graf. Na základě dosažených výsledků je možno získaný program a poznatky uplatnit v široké praxi pro jakýkoliv elektrický stroj. 50 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Provoz asynchronního motoru s napěťovým střídačem při použití modulací založených na vektorovém zobrazování veličin Karel Vaněk - PE 5 lektor: doc. Ing. Karel Zeman, CSc. - KEV Vlastnosti pohonu jsem zkoumal na základě simulací. Zabýval jsem se výběrem vhodné modulace pro daný pohon a potlačením nežádoucích jevů, které při ní nastávají. Napětí na motoru má charakter pulsů, vytvářených střídačem. Modulace určuje délku pulsů na základě první harmonické napětí dodávané řízením. Zde popsané modulace jsou založené na vektorovém zobrazování veličin. Vektor napětí motoru může mít buď skutečnou polohu, nebo fiktivní polohu. Skutečnou polohu má, jestliže jej tvoří jedna kombinace spínačů střídače kdy do motoru dodáváme energii, nazvěme ji zátěžová kombinace. Každé zátěžové kombinaci je v komplexní rovině přiřazen úhel σ, který svírá i skutečná poloha vektoru napětí. Fiktivní polohu je určíme na základě vektorového součtu délek sepnutí dvou zátěžových kombinací. Porovnával jsem dva typy modulací, lišící se od sebe pořadím sepnutí zátěžových kombinací při vytvoření fiktivní polohy. U prvního typu zkoumané modulace se navíc mezi dvě zátěžové kombinace vloží kombinace, kdy jsou svorky motoru zkratovány. Zjistil jsem, že první modulace je náročnější na spínací frekvenci. Proud odebíraný z kondenzátoru má harmonickou rovnou šestinásobku frekvence statoru, která při statorové frekvenci kolem 9,5 Hz značně rozkmitává napětí na kondenzátoru. Pro realizaci bych tedy doporučil spíše druhý typ modulace,pomocí které lze dosáhnout menšího zvlnění proudu a momentu motoru. Abych dosáhl co nejmenšího zvlnění momentu a proudu motoru je vhodné používat co největšího počtu fiktivních poloh. Během rozjezdu musíme počet poloh snižovat, aby nedošlo k překročení maximální spínací frekvence střídače. Pro omezení přechodových dějů po těchto změnách jsem upravil délku sepnutí tak, že jednotlivé kombinace kontaktů jsou sepnuty stejně dlouho. Zde uvedené poznatky lze využít k zlepšení vlastností celého pohonu. Tato modulace je moderní variantou pulsně šířkové modulace a odstranění nežádoucích jevů je tedy nutné pro její bezproblémové použití v praxi. 51 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Indukční ohřev induktorem feromagnetických válcových těles pohybujícím se Martin Vávra - SE 5 lektor: doc. Ing. Bohuš Ulrych, CSc. - KTE Práce se zabývá numerickým modelováním indukčního ohřevu feromagnetických válcových těles pohybujícím se induktorem s jejich následným ochlazováním vodní sprchou, což v podstatě představuje problém indukčního posuvného kalení. V souvislosti s tím je ve zmíněné práci nejdříve v úvodu stručně pojednáno o obecné problematice indukčního ohřevu a poté je podrobně popsán princip práce uvažovaného indukčního zařízení. Toto zařízení je schematicky znázorněno na obr. 1. Obr. 1: Zařízení pro indukční ohřev pomocí pohybujícího se induktoru 1 ohřívaný feromagnetický váleček 2 induktor sestávající se ze dvou smyček z měděné trubky, chlazený vodou 3 vodní sprcha 4 okolní vzduch Následuje matematický model daného problému, což představuje: a) Helmholtzovu rovnici rot rot A + j ⋅ ωγµ A = µ J ext b) Forierovu rovnici ∂T div(λ ⋅ gradT ) = ρc − wJ ∂t pro fázor vektorového potenciálu A(r,z) pro nestacionární teplotní pole T(r, z, t) Výše uvedené rovnice (spolu s příslušnými okrajovými a počátečními podmínkami) jsou pak řešeny prostřednictvím profesionálního programu Quick Fie1d a uživatelského programu Teplo. Tyto programy jsou následně v dané práci popsány spolu s numerickými metodami (metoda konečných prvků a konečných diferencí), na jejichž základě programy pracují. Těžiště práce spočívá v ilustrativním příkladu, kde je naformulován jeden konkrétní technický problém indukčního ohřevu feromagnetického válečku posuvným induktorem s následným ochlazováním vodní sprchou. Dále je provedeno jeho numerické řešení a jsou uvedeny a zhodnoceny obdržené výsledky. Ukázkou takových výsledků je obr. 2, kde je patrno rozložení teplot na povrchu ohřívaného válečku v různých časových hladinách. t =360s r [mm] r [mm] Obr. 2: Rozložení teplot ve válečku v závislosti na poloze induktoru resp. čase 52 T [°C] 15 9 285 0 122 z [mm] 203 447 367 610 529 T [°C] 960 480 17 13 5 122 285 960 480 0 41 z [mm] 203 447 367 610 529 T [°C] 15 9 41 0 203 0 122 367 z [mm] 285 610 529 447 960 480 t =720s 41 0 t =60s r [mm] Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Optimalizace uspořádání feromagnetického akcelerátoru z hlediska tvaru jeho statické charakteristiky Pavel Vejvara - KE 5 lektor: Ing. Martin Škopek, Ph.D. - KTE Práce se zabývá numerickým modelováním silových poměrů ve feromagnetickém válcovém aktuátoru z hlediska optimalizace průběhu jeho statické charakteristiky. V souvislosti s tím je ve zmíněné práci nejdříve v úvodu stručně pojednáno o obecné problematice feromagnetických aktuátorů, působících ať již jako akcelerátory či dlouhodobé zdroje síly (přídržné elektromagnety) a poté je podrobně popsán princip práce uvažovaného aktuátoru (v daném případě akcelerátoru) . Toto zařízení je schématicky znázorněno na obr. 1. 1 5 4 2 1 6 3 1 7 Obr.1. 1 - vzduch 2 - nepohyblivé feromagnetické jádro 3 - pohyblivá feromagnetická kotva 4 - obal elektromagnetického obvodu 5 - cívka 6 - bronzové třecí ložisko 7 - tyč z magneticky nevodivé oceli Následuje matematický model daného problému, což představuje Poissonovu rovnici pro vektorový potenciál A(r, z): 1 µ rot (rot A) = J Tato rovnice (spolu s příslušnými okrajovými podmínkami) je pak řešena prostřednictvím profesionálního programu Quick Field, přičemž v dané práci je popsán nejen onen program ale i numerická metoda (metoda konečných prvků), která je v něm použita. Těžiště práce spočívá v ilustrativním příkladu, kde je naformulován konkrétní technický problém – určení optimálního uspořádání jednoho konkrétního elektromagnetu tak, aby jeho statická charakteristika byla konstantní. Je provedeno numerické řešení daného problému a jsou uvedeny a zhodnoceny obdržené výsledky. Ukázkou takových výsledků je obr. 2., kde je uveden tvar statické charakteristiky v závislosti na kuželovém uspořádání čela jádra akcelerátoru. 700 600 F[N] 500 400 300 200 100 0 0 0 ,0 0 1 0 ,0 0 2 0 ,0 0 3 0 ,0 0 4 0 ,0 0 5 0 ,0 0 6 0 ,0 0 7 0 ,0 0 8 m e z e ra [m ] p ro u h e l 8 0 s tu p ň ů F [N ] p ro u h e l 7 0 s tu p ň ů F [N ] p ro u h e l 6 0 s tu p ň ů F [N ] p ro u h e l 5 0 s tu p ň ů F [N ] Obr.2. 53 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Optimalizace rozměrů rotoru synchronního reluktančního motoru pomocí metody konečných prvků Richard Zach - SE 5 lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV Neustálý vývoj elektrických strojů je spojený s rozvojem elektrotechnických materiálů, výkonové elektroniky, diskrétního způsobu řízení elektrických pohonů s proměnlivou rychlostí, ale především se snahou vytvořit elektrické stroje, které by pracovali s vyšší účinností, dobrým účiníkem, nízkými ztrátami a rychlou odezvou momentu. Velmi důležitým hlediskem ve vývoji elektrických strojů je snaha snížit rotorové ztráty motoru a vyloučit tepelně závislý odpor rotorového vinutí. V tomto ohledu se v poslední době jeví být perspektivní dva druhy pohonů – spínaný reluktanční motor (SRM) a synchronní reluktanční motor (RSM). RSM je synchronní stroj s vyniklými póly , který pracuje bez buzení a který má rotor zkonstruovaný tak, aby využil princip reluktančního momentu na přeměnu elektrické energie na mechanickou. Na rozdíl od SRM má stroj v našem případě vyniklé póly pouze na rotoru, zatímco vnitřní povrch statoru je válcový a navinutý stejně jako asynchronní nebo klasický synchronní stroj. RSM si tak udržuje mnohé z výhod spínaných reluktančních strojů a současně i eliminuje i jeho některé nevýhody. Problémy s hlukem a pulsací momentu, které se jen těžko odstraňují u SRM, je možné odstranit u RSM poměrně jednoduchým vinutím statoru, které neustále vytváří rotující magnetické napětí. V prezentované práci se tedy zabývám jedním druhem elektrického pohonu a to synchronním reluktančním strojem RSM. Cílem této práce je provedení optimalizace rozměrů rotoru synchronního reluktančního motoru pomocí metody konečných prvků MKP. Sledovanou veličinou, pro kterou byla optimalizace prováděna, je statický moment. Princip těchto strojů využívá tzv. efekt vyniklosti, tj. využívání změny magnetické vodivosti v závislosti na poloze rotoru. Jedná se tedy o stroje bez budícího vinutí s rotorem upraveným tak, aby se maximálně lišily magnetické vodivosti v osách d, q. Pro jejich moment platí : mpU 12 ⎛⎜ 1 1 ⎞⎟ sin 2 β M =− − ω1 ⎜⎝ X q X d ⎟⎠ Protože platí: X − Xq 1 1 − = d , Xq Xd Xd Xq Λ max je maximální moment závislý na rozdílu magnetických vodivostí − Λ min . Aby se získali uspokojivé provozní charakteristiky, mělo by být Λ max ≅ 7 ÷ 10 . Λ min Tomuto požadavku je nutné přizpůsobit konstrukci rotoru, která může být technologicky obtížná. 54 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Průmyslová elektronika složení komise předseda doc. Ing. Luděk Piskač, CSc. členové Ing. Jiří Fořt, Ph.D. Ing. Martin Poupa, Ph.D. Ing. Jiří Skála, CSc. 55 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Řízení napěťového střídače signálovým procesorem DSP 56F805 Petr Bárta – PE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka – KEV Motivací této práce bylo vytvořit moderní řídící sytém pro střídavý regulovaný pohon, pro měření přechodových dějů, vlastností navržených filtrů výstupního napětí střídače a ověření vlastností moderních algoritmů modulace napěťových střídačů. Cíle práce: - Popis použitého hardwaru - Návrh a realizace algoritmů pro snímání regulačních veličin - Návrh a realizace algoritmů pro řízení otáček asynchronního motoru a měření vybraných přechodových dějů pohonu s napěťovým střídačem - Komunikace s nadřazeným řídícím systémem Popis použitého hardwaru Základem je digitální signálový procesor (dále jen DSP) firmy Motorola DSP56F805, který je osazen ve vývojové desce stejného výrobce. Procesor má už přímo na čipu integrovánu většinu potřebných periferiích (např. PWM modul, analogově digitální převodník (dále jen A/D převodník), čítače a časovače, rozhraní pro komunikaci atd.). Procesor je softwarově podpořen programem CodeWarrior firmy Metrowerks. Tento program umožňuje psát zdrojový kód ve vyšších programovacích jazycích (např. C, C++, Basic) a zajišťuje programování DSP a ladění napsaného programu. Dále je vývojová deska doplněna interfacem pro galvanické oddělení vstupních a výstupních signálů, interfacem pro přizpůsobení PWM výstupů driverům střídače a interfacem pro úpravu signálu z napěťových a proudových čidel. Tyto doplňující interfacy byly vyrobeny na katedře KEV. Návrh a realizace algoritmů pro snímání regulačních veličin Pro snímání otáček motoru je použito optické čidlo otáček. Výstup čidla je přiveden na interface pro galvanické oddělení signálů a odtud na vstup čítače DSP. Měření je realizováno inkrementací čítače po přesně stanovenou dobu (určuje jiný čítač) a následným přepočtem počtu impulsů na frekvenci. Pro snímání statorových proudů a napětí ve stejnosměrném meziobvodě je použito čidel firmy LEM. Výstupní napětí čidel je ± 5 V. Toto napětí je upraveno na hodnotu 0 ÷ 3,3 V a přivedeno na vstup A/D převodníku. A/D převodník pak vzorkuje své vstupy konstantní frekvencí fvzork = 10 kHz. Návrh a realizace algoritmu pro řízení otáček asynchronního motoru a měření vybraných přechodových dějů pohonu s napěťovým střídačem Jako algoritmus pro řízení otáček bylo vybráno Napěťově kmitočtové řízení se zpětnou vazbou otáček. Toto řízení je sice nejjednodušší a proto nejvíce nepřesné, ale pro dané účely použití plně dostačující. Algoritmy pro měření přechodových dějů jsou pak jen doplněny o generování měřících signálů (např. synchronizační impuls pro osciloskop, řízení stykače ve stejnosměrném meziobvodě) a řízením přechodového děje. Komunikace s osobním počítačem Pro komunikaci s ostatními řídícími jednotkami je DSP vybaveno rozhraním RS232C a CAN. Pro komunikaci s osobním počítačem (dále jen PC) je použito rozhraní RS232C. Komunikaci lze rozdělit na dvě části. První část obsahuje příkazy pro řízení napěťového střídače (zadané otáčky motoru, modulační frekvence atd.). Druhá část zajišťuje přenos části časového průběhu regulačních veličin do PC. Pro tuto část je vytvořena vyrovnávací paměť, která kompenzuje relativně pomalou přenosovou rychlost tohoto rozhraní. Algoritmy komunikace jsou napsány tak, aby byly kompatibilní se softwarem pro PC navrhnutým panem Daňkem. Práce vznikla v rámci projektu FR VŠ 2328 / 2003 /G1. 56 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Softwarové rozhraní pro DSP Motorola Michal Daněk - PE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka - KEV Velmi rychlý rozvoj výkonové elektroniky, spolu s elektrickými pohony přinesl nutnost jejich regulace. S následným nástupem digitálních signálových procesorů se regulace zjednodušila, komfort se zvětšil, ale pro snadnou obsluhu a rychlé testování bylo třeba přikročit k propojení regulátoru s počítačem, který v průmyslu nejčastěji zastává notebook. Právě spojení pohon – regulátor – PC přináší do oblasti řízení snadnější přístup k parametrům regulátoru, lepší prodejnost a tím v neposlední řadě vyšší ekonomické zisky. Ve své práci se zabývám návrhem způsobu komunikace mezi digitálním signálovým procesorem (DSP) v roli regulátoru a nadřazeným procesem v roli testovacího a ovládacího objektu. Součástí návrhu je také vytvoření onoho nadřazeného programu, který dokáže s DSP komunikovat, ovládat jej a efektivně tak řídit průmyslový pohon a tím výrobní proces. Protože komunikační protokol je velmi obecný, lze pomocí něj ovládat také jiné procesory a to bez ohledu na jejich účel. Můžeme tak tímto způsobem diagnostikovat a ovládat jiné součásti výrobního procesu. Součástí mého programu je i možnost ovládaní měniče a to buď v režimu zdroje napětí anebo zdroje proudu. Takto navržený protokol umožňuje obecné využití pro různé účely a lze jej modifikovat a upravovat pro konkrétní problém. Vytvořili jsme tímto obecnou platformu, která je využívána pro všechny nově vznikající řídící systémy na katedře. Samotný program se skládá z několika částí. Velmi důležitým prvkem je komunikační část, která má za úkol vysílat a přijímat data, přičemž velmi důležitým úkolem je možnost zpětné kontroly, že byl poslední příkaz přijat. Vzájemné propojení s hlavním programem je řízené událostmi. Pokud tedy například komunikační část přijme data, vyvolá v hlavním programu příslušnou událost. Hlavní program má pak za úkol zprostředkovávat komunikaci mezi uživatelem a vláknem pro zpracování přijatých a vysílaných dat. Kromě toho také umí zobrazovat naměřená data, což lze využít v součásti pro měření přechodových dějů. Pokud například změníme u pohonu rotorovou frekvenci, můžeme měřit odezvu otáček, napětí a proudů. Současně lze tak měřit několik veličin. Omezení plyne pouze z použitého přenosového zařízení. V práci jsme použili pouze rozhraní RS232, při komunikační rychlosti 19200 Bd. Protokol je však obecný pro jakékoliv komunikační zařízení. Pokud bychom využili lepší průmyslovou sběrnici (například CANBUS), byl by dosažený výsledek mnohonásobně lepší a rychlost by vzrostla. Největším problémem RS232 je malá rychlost, která se projeví při přenosu většího objemu dat, například dat přechodového děje, nebo naměřené vzorky fázových proudů, kdy dosahuje v lepším případě až několika sekund. RS232 tak můžeme považovat pouze za prostředek k řízení, nikoliv přenášení naměřených dat, která bychom chtěli zobrazit. Součástí protokolu je také mód, který umožňuje testovat a diagnostikovat cílovou desku, funkčnost komunikačního kanálu a tím snadno odhalovat chyby. Navržený univerzální protokol, který je vybaven detekcí přenosových chyb, jež je zejména v oblasti pohonů velmi důležitá v důsledku velkých rušivých vlivů, se na základě provedených testů osvědčil. Vytvořený program díky otevřenosti a flexibilitě představuje perspektivní platformu pro další vývoj. Práce ukázala, že i v dnešní době lze vytvořit kvalitní a při tom jednoduchý komunikační protokol. Práce vznikla v rámci projektu FR VŠ 2328/2003/G1. 57 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh řídící jednotky střídače asynchronního pohonu se SW jádrem NIOS Milan Hubený - ES 5 lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE Pokroky v technologii výroby programovatelných logických obvodů (PLD) a samozřejmě i ve vývoji potřebného návrhového softwaru, umožnily navrhovat číslicové systémy o složitosti stovek tisíc až milionů logických hradel. PLD obvody lze snadno opakovaně modifikovat, přeprogramovat či konfigurovat tak, aby co nejlépe vyhovovaly požadavkům zadání. Do těchto obvodů je dnes možné zaimplementovat i několik procesorových jader. Tyto obvody se postupně dostávají do všech odvětví elektroniky. Firma ŠKODA ENERGO a.s. se mimo jiné zabývá vývojem a výrobou frekvenčních měničů pro pohony s asynchronními motory, které jsou dále využívány v trakci. Do této doby byly v měničích využívány PLD obvody, které zajišťovaly pouze některé části celého řídícího systému (např. modulátor) a zbývající část řídící a regulační jednotky byla realizována standardními mikropočítači. Díky možnostem, které dnešní PLD obvody poskytují vznikla myšlenka realizovat kompletní regulační a řídící jednotku včetně modulátoru pomocí jediného PLD obvodu Altera řady ACEX se softwarovým procesorovým jádrem NIOS. Pro návrh regulační jednotky byl vybrán algoritmus „napěťově kmitočtového řízení“ se zpětnou vazbou od otáček motoru, který má dobré dynamické vlastnosti a oproti některým druhům vektorového řízení je velmi jednoduchý. Navržené řízení umožňuje práci pohonu v obou směrech otáčení a brždění do odporu. Řízení lze velice snadno upravit na „momentové řízení“ (nejsou zadávány požadované otáčky motoru, ale požadovaný moment), které je v oblasti trakce téměř výhradně používáno. Navrhnutý modulátor umožňuje zadávat frekvenci v rozsahu 0 až 300 Hz s přesností 0,01 Hz a splňuje všechny standardní vlastnosti: pulzně šířková modulace sinusovým signálem s vloženou 3. harmonickou a s plynulým přechodem na „obdélníkové řízení“ od předem nastavené frekvence. Pomocí inteligentního driveru IR2132 a IGBT tranzistorů IRG4PH30K byl realizován napěťový střídač, který byl doplněn o snímání napětí na stejnosměrném meziobvodu pomocí ADC0804, dále driverem IR2121 pro buzení brzdového tranzistoru a magnetickým inkrementálním snímačem otáček. Toto zařízení bylo přes galvanické oddělení připojeno k vývojové desce s PLD obvodem ALTERA řady APEX a celý algoritmus byl otestován a vyladěn na tří fázovém asynchronním motoru, jak naznačuje obrázek. Program pro 32-bitové procesorové jádro NIOS byl vytvořen v jazyce C modulárním způsobem. Tzn. Jednotlivé moduly programu lze jednoduše přetvářet, ubírat a doplňovat, přičemž všechny základní parametry celého algoritmu jsou obsaženy v jediném souboru. Tento program může být využit při vývoji nových řídicích systémů pro asynchronní motory v trakci. Nová generace PLD obvodů s procesorovým jádrem NIOS se ukázala jako plně vyhovující prostředek pro kompletní realizaci řídící a regulační jednotky pro pohony s asynchronními motory. 58 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Způsoby eliminace transientních přepětí v soustavě měnič – kabel – motor Martin Jedlička - PE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka – KEV Strmé napěťové hrany na výstupu rychle spínajících součástek ve výkonových měničích s sebou přinesly nutnost vyrovnat se s novými problémy napájení elektrických pohonů. Jedná se především o vznik transientních přepětí na motoru, nerovnoměrné namáhání vinutí motoru, poruchy ložisek v důsledku ložiskových proudů a problémy s EMC. Jednou z metod zamezení těchto nepříznivých vlivů je použití sinusového filtru na výstupu měniče. Filtr nejenže odstraní strmé napěťové hrany, ale výrazně též sníží zkreslení výstupního napětí, což má příznivý vliv na chod motoru. Cílem práce bylo: • provést rozbor používaných eliminačních prostředků, • podrobně analyzovat zapojení sinusového filtru s transformátorem, • na základe předchozího zkoumání navrhnout sinusový filtr, • realizovat a změřit vlastnosti navrženého filtru. Bylo nutné určit nejvhodnější model vedení pro simulaci přepětí v použitém simulačním softwaru (Dynast) – byla provedena řada simulací. Zpracováním je pak grafická závislost vlastností modelu vedení na sledovaných parametrech výstupního napětí (velikost přepětí, doba náběhu, maximální derivace du/dt). Z nich je možno vybrat nejvhodnější model pro simulaci. Výsledky mají obecně platnou hodnotu a je možno je použít i v jiných pracích. Obr 1. Fázové napětí modulované PWM na vstupu filtru (nahoře), Detailně byly simulovány a analyzovány závislosti hodnot součástek na kvalitu sinusového filtru s transformátorem (měřítkem kvality byla sada kritérií: výstupní zkreslení, odebíraný proud, proud kondenzátorem, ztráty filtru). Výsledkem je sada grafů, z nichž plynou nejvýhodnější hodnoty pro návrh filtru. Pozornost byla věnována velikosti tlumícího odporu, který se doporučuje používat v zapojeních filtrů. Závěrem tohoto zkoumání je, že navzdory doporučením, v tomto typu filtru ho není nutno použít a pro správnou funkci je postačující hodnota odporu vinutí transformátoru. Navržený filtr byl vyroben a připojen do soustavy měnič-filtr-kabel-motor. Byla prakticky ověřena jeho funkčnost a tím i učiněné závěry. Práce vznikla v rámci projektu FR VŠ 2328/2003/G1. 59 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Problematika víceúrovňového řízení asynchronního motoru Jan Kolář - PE 5 lektor: Ing. Martin Pittermann, Ph.D. - KEV Víceúrovňové řízení znamená, že výstupní napětí střídače nabývá více než dvou úrovní. U zapojení s upínacími diodami může napětí nabývat tří úrovní, z čehož plyne název tříúrovňový střídač. Výstupní napětí může nabývat kromě kladného a záporného napětí kondenzátorů i napětí nulové, kterého se dá docílit tak, že upínací diody a IGBT moduly budou připojeny na střed kondenzátorů. Výkonové zapojení střídače obsahuje dva stejně velké kondenzátory zapojené do série. Napětí přivedené na tyto kondenzátory se teoreticky rozdělí na polovinu. Střed kondenzátoru představuje pro výstupný napětí nulu. Kondenzátor připojený na kladný pól (budeme mu říkat horní) přivedeného napětí, představuje kladnou úroveň a kondenzátor připojený na záporný pól (budeme mu říkat dolní) představuje úroveň zápornou. Z uvedeného vyplývá, že pro chod střídače je velmi důležité, aby napětí na kondenzátorech bylo rozložené rovnoměrně a nedocházelo k potenciálnímu „cestování“ středu kondenzátorů (jeden z kondenzátorů bude více nabitý). K tomuto cestování dochází jestliže chceme nulovou úroveň na výstupu střídače. Protože se připojený motor chová jako R, L zátěž, lze tuto zátěž v prvním okamžiku považovat za zdroj proudu. V okamžiku, kdy je jedna z fází asynchronního motoru připojená na střed kondenzátorů, proud do kondenzátorů se rozdělí na dvě stejné části. V tom okamžiku se jeden z kondenzátorů vybíjí zatímco druhý se přebíjí. Tím dochází k nerovnoměrnému rozdělení potenciálu na kondenzátorech. Dále bude záležet na tom, jestli proud připojené fáze motoru bude do středu kondenzátorů vtékat nebo vytékat. Jestliže proud do středu kondenzátorů vtéká, horní kondenzátor se vybíjí a dolní přebíjí. Bude-li proud ze středu vytékat nastane situace opačná. Potenciál na kondenzátorech se rovnoměrně rozdělí jedině tehdy, když budou proudy vtékající a vytékající ze středu kondenzátorů naprosto stejné. Jestliže bude splněna předchozí podmínka, nebude zapotřebí na kondenzátorech regulovat napětí. V opačném případě se napětí na kondenzátorech rozloží nerovnoměrně a potom bude regulace tohoto napětí nutná. Tuto regulaci lze realizovat takovým způsobem, že při vhodných stavech střídače, lze připojit všechny tři fáze motoru na jeden ze dvou kondenzátorů a tím jeho napětí regulovat. Jaký z kondenzátorů vybereme bude záviset na tom jaké bude napětí na zmíněných kondenzátorech a hlavně na tom jaký bude směr statorových proudů. Je zřejmé, že když na horním kondenzátoru bude vyšší napětí než na dolním, bylo by vhodné na horním kondenzátoru snížit napětí na stejnou hodnotu jako na dolním kondenzátoru. První co nás napadne je, že by jsme na tento kondenzátor připojili asynchronní motor, který by z něj odčerpal energie a tím na něm napětí snížil. Může se ovšem stát, že v okamžiku připojení na kladný pól horního kondenzátoru bude z fáze, popřípadě z fází (záleží na spínání střídače) proud vytékat. V tomto případě se náboj na horní kondenzátor přivede a nikoliv neodvede. Z uvedeného vyplývá, že se napětí na horním kondenzátoru ještě zvýší a situace se zhorší. V takovém to případě by jsme měli fáze motoru připojit na dolní kondenzátor. Tím by se na něm napětí zvýšilo a rozdíl napětí na kondenzátorech by se snížil resp. vyrovnal. Při požadavku využívat plného napětí střídače je nutné si uvědomit, že tyto regulační zásahy nemohou být plně využity, jelikož na každém z kondenzátorů je poloviční napětí a my chceme využívat plné napětí. Jinou z možností, kterou je pro tento účel možno realizovat, je zmenšit napětí na výstupu a právě na toto zmenšení je možno využít polovičního napětí na kondenzátorech. I když se zdá, že toto zmenšení napětí u střídače je z hlediska menšího výkonu nevhodné, běžně se realizuje z důvodu příznivějších vyšších harmonických. Zmenšené napětí lze vysvětlit tak, že prostorový vektor se při plném napětí pohybuje po šestiúhelníku. Vhodným zkrácením těchto vektorů dosáhneme pohybu po kružnici. Jakým způsobem se prostorový vektor zkracuje a vypočítává je řešením této práce. 60 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Moderní způsoby řízení napěťových střídačů - modulátor Miroslav Lazebník - DE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka - KEV U [V] U [V] Cílem této práce je: - analýza dnes nejpoužívanějších metod řízení napěťových střídačů, které se používají ve střídavých regulovaných pohonech, - návrh algoritmů moderních metod pulsně šířkové modulace a Sigma-Delta modulací, - podrobné vysvětlení jejich vlastností, výhod a nevýhod, jejich elektromagnetické kompatibility a celkové kvality pohonu (ztráty, elektromagnetické záření, hluk). Jsou zde popsány principy jednotlivých Obr. 1 – Schéma napěťového střídače se modulačních technik od technik, které jsou založeny na porovnávání nosného pilového signálu a modulační křivky, až po techniky s přímým výpočtem dob spínání jednotlivých spínacích prvků střídačů, jako je metoda s prostorovým vektorem či sigma-delta modulace. 300 Nejjednodušší metodou, která je 200 založena na porovnávání pilového a 100 modulačního signálu, je modulace se 0 sinusovou modulační křivkou. Další zde -100 uvedené metody využívají upravené původní sinusové modulační křivky pomocí -200 tzv. netočivé složky napětí. Tyto upravené -3000 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t[s] signály mohou být jak spojité tak nespojité. 200 Je zde podrobně popsán způsob jejich generování a použití. Tyto metody -2000 s upravenou modulační křivkou jsou jedny 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t [s] z nejpoužívanějších v dnešní době. Používají se k získání nejlepších hodnot Obr.2 – Princip jedné z nespojitých metod pulsně šířkové modulace spínacích ztrát nebo nejmenšího zkreslení proudu či napětí nebo dosažení nejvyššího výstupního napětí střídače. U metod přímého výpočtu spínacích dob střídače, je popsán algoritmus jejich fungování, jejich vlastnosti, parametry pro jejich vhodné použití s ohledem na spínací ztráty či zkreslení napěťových křivek, a jsou porovnány s jejich analogovými ekvivalenty. Chování a vlastnosti jednotlivých modulačních technik v oblasti přemodulování je také popsáno. Přemodulování je stav, kdy řízení střídače již není schopno zajistit lineární nárůst napětí a dochází k tomu, že ve velkých časových intervalech modulace nefunguje. Jsou zde popsány jednotlivé úpravy algoritmů tak, aby byl zajištěn vhodný průběh modulace. Vlastnosti jsou také závislé na různých vlivech a proto jsou zde zmíněny postupy při eliminaci tzv. mrtvých časů, které jsou způsobeny přechodem reálných spínacích prvků střídače ze stavu vypnutého do sepnutého nebo naopak, způsoby eliminace úzkých napěťových pulsů, kdy délka pulsu je tak krátká, že se spínač nestačí ještě plně otevřít a už je zavírán. Nezanedbatelnou vlastností je schopnost omezování a eliminace harmonických napětí, která střídač sám generuje. V rámci práce byly vypracovány algoritmy jednotlivých typů modulací a byly experimentálně ověřeny pomocí DSP Motorola. Práce vznikla v rámci projektu FR VŠ 2328/2003/G1. 61 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Inteligentní přístrojový zesilovač Zbyněk Princ - ES 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Předmětem této práce je zařízení, zajišťující zesílení signálů, získaných např. z výstupů měřících čidel, senzorů a akčních členů. Toto zařízení dále umožňuje odstranění rušivých složek obsažených v měřených signálech pomocí číslicového filtru. Takto upravené signály pak předává v analogové podobě na svém výstupu a zároveň tyto hodnoty přenáší po sériové lince do řídícího počítače. Práce popisuje možnosti pro návrh tohoto zařízení, samotný návrh a realizaci zařízení včetně jeho programového vybavení. Zařízení je postaveno na bázi jednočipového mikropočítače od firmy Analog Devices AduC812. Díky svým integrovaným perifériím se přímo nabízí pro tuto aplikaci, a to i pro jeho malé rozměry, snadné programování přímo na desce plošného spoje a nízkou cenu. Inteligentní zesilovač obsahuje čtyři kanály vstupních zesilovačů, umožňuje tedy připojení až čtyřech analogových signálů. Dále obsahuje jeden analogový výstup v podobě proudové smyčky 4 – 20 mA napájené z nezávislého zdroje 12 – 30 V a rozhraní pro komunikaci s řídícím počítačem PC. Všechny jeho vstupy, výstup i budiče komunikační linky jsou galvanicky odděleny. Napájení galvanicky oddělených částí (s výjimkou výstupní proudové smyčky) je zajištěno pomocí DC-DC měničů. Každý z kanálů vstupních zesilovačů je realizován jako kaskáda diferenčního zapojení operačního zesilovače, odporového děliče pro nastavení potlačení vstupního signálu přepínaného pomocí analogového multiplexeru. Za děličem následuje izolační zesilovač, na jehož diferenčním výstupu je připojen další diferenční zesilovač, který přizpůsobuje signál z izolačního zesilovače pro vstupní A/D převodník mikrokontroleru. Číslicový filtr za A/D převodníkem vzorkuje vstupní signál frekvencí 600 Hz na kanál a odstraňuje jeho rušivé složky. Analogový výstup z mikrokontroleru, vyvedený na budič proudové smyčky, představuje součet hodnot všech vstupních kanálů. Přenos analogového signálu proudovou smyčkou na delší vzdálenost přispívá k omezení rušivých vlivů na přenášenou informaci. Každý kanál umožňuje nastavení čtyř různých hodnot zesílení, dále je možno na každém kanálu nastavit parametry číslicové filtrace, vypnout či připojit vybrané kanály. Komunikační linka mezi řídícím počítačem a inteligentním zesilovačem je sériová asynchronní. Komunikační sběrnici je možno připojit dvěma způsoby. První způsob je takový, že komunikační sběrnice je připojena k internímu obvodu UART řídícího mikrokontroleru přímo a komunikace probíhá v úrovních logických signálů TTL. Toto řešení umožňuje na krátkou vzdálenost přímé spojení s jiným obvodem UART, nebo připojení externích modulů budičů linek jiných komunikačních standardů. Slouží též pro připojení budiče linky standardu RS-232, který se používá pro programování mikrokontroleru AduC812. Druhý způsob je takový, že komunikační sběrnice je vedena přes budiče sběrnice RS-485 a je galvanicky oddělena od řídícího mikrokontroleru optočleny. Komunikační protokol a standard komunikační linky (RS-485) umožňují připojení až šestnácti zařízení k jednomu řídícímu počítači. Přenášené pakety mají různou délku a komunikační rychlost je 9600 b/s. Nastavení parametrů zařízení a monitorování měřených hodnot je možné pomocí speciálně vytvořeného uživatelského softwaru. Z hlediska obvodového lze celé zařízení rozdělit na část analogovou a digitální. Analogovou část tvoří vstupní zesilovače s galvanickými oddělovači a výstupní galvanicky oddělené budiče proudových smyček. Do skupiny analogových obvodů můžeme ještě zařadit obvod napěťové reference A/D a D/A převodníků. Vlastní A/D a D/A převodníky pak tvoří rozhraní mezi analogovou a digitální částí. Digitální část je tvořena mikrokontrolerem AduC812, a budiči komunikační linky. Celé zařízení je napájeno ze zdroje +5V a jeho proudový odběr je max. 350 mA. 62 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Jednotka pro záznam měřených dat Andrea Ronešů - ES 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Předmětem této práce je jednotka sloužící k záznamu měřených dat. Mým úkolem bylo toto zařízení navrhnout a realizovat ve formě funkčního vzorku. Zařízení lze rozdělit na tři logické bloky. Prvním blokem je vstupní část sloužící k měření dat, druhým blokem je část pro vlastní záznam dat a třetím blokem je část řídící činnost celého systému a starající se o komunikaci s PC. Vstupní část umožňuje měřit až čtyři analogové signály, 16 číslicových signálů a 8 impulsních signálů. Pro záznam dat je použit IDE harddisk. Naměřená a zaznamenaná data je možno za účelem dalšího zpracování přenést do PC pomocí obousměrného paralelního rozhranní CENTRONICS, případně přes sériové rozhranní RS-232. Sériové rozhranní slouží též k nastavování parametrů zařízení. Kromě jiného je jednotka vybavena i 8 pomocnými číslicovými výstupy. Jádrem zařízení jednočipový mikrokontrolér AT90S8515 z rodiny AVR od firmy Atmel. Jedná se o 8-bitový mikrokontrolér s 8 KB interní programové paměti typu FLASH. K němu je přes externí sběrnici připojena datová paměť o kapacitě 512 KB, číslicové vstupy a výstupy, obvod reálného času (RTC) a rozhranní CENTRONICS a ATA-2. Přes SPI rozhranní je připojena dvojice dvoukanálových A/D převodníků. Použité A/D převodníky jsou převodníky se Σ−∆ modulací s galvanicky odděleným modulátorem. Vstupy jsou diferenční a lze jimi vzorkovat vstupní signály až rychlostí 50 tis. vzorků za sekundu. Rozlišení je nastavitelné na 8÷14 bitů. Číslicové vstupy jsou realizovány jako dva 8-bitové paralelní porty. Impulsní vstupy jsou přes číslicový multiplexer přivedeny na řídicí vstup interního 16-bitového čítače mikrokontroléru. Čítač pracuje v režimu zachytávání hodnoty (capture mode) a umožňuje tak měřit délku, střídu periodu a jiné parametry zvoleného impulsního vstupu. Minimální rozlišitelný úsek je 135ns. Rozhranní ATA-2 umožňuje připojit IDE harddisk o kapacitě až 128 GB. Eventuelně je možno připojit jiné velkokapacitní médium schopné komunikovat přes rozhranní ATA, jako například Compact Flash paměťové karty apod. K datům na disku je přistupováno s využitím LBA adresovacího režimu. K organizaci dat na disku slouží modifikovaná a zjednodušená struktura typu FAT16 a jednoúrovňová adresářová struktura. Alokační jednotky mají velikost 8 MB, souborů lze vytvořit celkem 64. Maximální rychlost záznamu na disk dosahuje hodnoty 1,5 MB/s. Doba záznamu se při vzorkování všech digitálních i analogových vstupů rychlostí 10 ksps pohybuje dle kapacity připojeného disku od cca 3,5 hodiny pro 4 GB HDD až po 110 hodin při 120 GB disku. Do PC je možno data přenášet přes rozhranní CENTRONICS v režimu EPP až rychlostí 400 KB/s, případně rychlostí 115,2 kb/s přes rozhranní RS-232. K nastavování parametrů zařízení přes RS-232 lze použít libovolný sériový terminál. Pro vizualizaci měřených dat, jejich přenos a další zpracování na PC slouží vytvořený software. 63 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Výzkum možností měření velikosti materiálového toku ve vibračních podavačích Luděk Sláma - ES 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Tato práce se zabývá problematikou přenosu materiálu vibračními podavači a měření velikosti toku materiálu podavačem. Začátek práce je věnován popisu základních typů vibračních podavačů používaných v praktickém životě. Je zde nastíněna problematika přenášený vibrací od pracujících vibrátorů do okolí. Zmiňuji se zde o vibračním podavači pro dřevěné odřezky, který jsem měl možnost prohlédnout si v provozu. Teoretická část práce popisuje základní typy a rozdělení senzorů pro měření neelektrických veličin, jako např. zrychlení, rychlosti, síly, tlaku a pod. Vysvětluje jejich základní principy a příklady použití. Také informuje čtenáře o základních pojmech a jednotkách, se kterými se při měření neelektrických veličin může setkat. Další kapitola popisuje již konkrétní použité senzory. Tyto popisované senzory již byly aplikovány přímo na sestrojeném modelu vibračního podavače. Tato kapitola dále pojednává o použitých integrovaných obvodech použitých při realizaci celého zařízení. Pro řízení pohybu podavače byl použit mikropočítač firmy Atmel AT89S8252. Tento mikropočítač je oproti klasické 8050tce vybaven například sériovým rozhraním SPI a trojicí čítačů/časovačů. Signály pro akční členy podavače jsou generovány dvojicí D/A převodníků DAC08, které daty zásobuje již zmiňovaný Atmel. Původně použitý 6-ti bitový, 8-mi kanálový D/A převodník TDA 8444 se sběrnicí I2C nebyl příliš vhodný. Ukázalo se, že pro generování potřebných průběhů není dostatečně rychlý. Pro zesílení generovaných průběhů z D/A převodníků byla použita dvojice výkonových zesilovačů LM3886T. Tyto zesilovače mají vnitřní ochranu proti zkratu a přehřátí. Jejich celkové vlastnosti jsou velice postačující. Jako vyhodnocovací člen byl opět použit mikropočítač AT89S8252. Pro A/D převod měřených veličin byl použit vysoce kvalitní převodník od firmy Maxim, který nese označení MAX199. Tento převodník má 8 analogových vstupů. Jeho digitální výstup je připojen do vyhodnocovacího mikropočítače. Popsány jsou zde také obvody pro úpravu měřených signálů převodníkem. Napěťový sledovač/zesilovač, přesný usměrňovač a jednotka ofsetu. Kapitola řešení diplomové práce popisuje konstrukci modelu podavače. Nejprve jsou zmíněny první, nepříliš úspěšné, modely podavačů. Zde je probrána především mechanická stránka celého zařízení, použití sielentbloků namísto pružin a pod. Dále se zde zmiňuji o konstrukci akčního členu. Ten byl pro můj účel speciálně vyroben. Je zde také popsána problematika vybraného typu jádra pro akční člen. Důležitou částí této kapitoly je část, která nese název “zkoušené typy senzorů”. Tato část přímo poukazuje na problémy spojené s připojením senzorů na korýtko podavače. Z testovaných senzorů byly nadále používány jen akcelerometry firmy Analog Devices a indukční snímač, který byl pro měření speciálně vyroben. Ostatní senzory nebyly příliš vhodné pro měření na sestrojeném modelu podavače. Následuje kapitola která popisuje funkci programu pro řízení podavače a programu pro měření. Celé zařízení, tj. řídící a měřící část, nebylo možné obsloužit jedním mikropočítačem, proto každou část obsluhuje jeden mikropočítač Dále jsou zde uvedeny celková, bloková schémata pro měřící a řídící část. V další kapitole se již zmiňuji o výsledcích měření a citlivosti na změnu přenášeného množství materiálů. Tato kapitola je doplněna údaji z A/D převodníku. Jsou zde také zobrazeny průběhy z osciloskopu pro různá zatížení podavače. V poslední kapitole práce je zveřejněna použitá literatura. V příloze jsou uvedeny fotografie modelů podavačů a výpis programu pro mikropočítače. 64 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Řízení pulsního měniče procesorem Martin Škala – PE 5 lektoři: Ing. Petr Šálek – KEV, Ing. Zdeněk Peroutka – KEV Hlavním úkolem této práce bylo vytvořit mikroprocesorový řídící systém pro řízení pulsního měniče. Vzhledem k tomu, že řízení měniče není z hlediska výpočtů tolik náročné, je zbytečné používat signálový procesor. Pro řízení je použit 8-bitový mikrokontrolér Atmel AVR, typ ATmega16, který pro danou aplikaci plně vyhovuje. Řídící systém umožňuje činnost měniče ve dvou různých režimech. Zaprvé může měnič pracovat jako řízený zdroj proudu při definované zátěži typu RLUi. V tomto režimu plní řídící systém funkci PI regulátoru, do kterého vstupuje informace o požadované hodnotě proudu a informace o skutečné hodnotě proudu. Výstup regulátoru je modulován na PWM signál, kterým je spínán tranzistor měniče. Zadruhé může měnič pracovat jako řízený zdroj napětí s nastavitelným proudovým omezením. V tomto pracovním režimu musí být mezi výstupní svorky měniče připojen LC filtr. Zátěž se poté připojuje paralelně ke kondenzátoru (Obr.1). Řídící systém plní funkci dvou PI regulátorů. Regulátor 1 slouží k regulaci napětí na kondenzátoru na požadovanou hodnotu. Regulátor 2 zajišťuje, aby výstupní proud měniče nepřekročil zadanou hodnotu maximálního povoleného proudu IMAX. V případě, že výstupní proud je menší než hodnota IMAX, je regulátor 2 nasycen a řídící veličina UR je omezována na maximální hodnotu (regulační smyčka proudu nepracuje). Jakmile výstupní proud I dosáhne hodnoty IMAX, regulátor 2 se začne odsycovat, hodnota URI klesá a tím se snižuje hladina omezení UR. Regulační smyčka napětí je pak vyřazena z činnosti a výstupní proud je regulován na hodnotu IMAX. UW R1 IMAX UR Pulsn í URI L I UC C Z R2 Obr.1: Regulační schéma v režimu napěťového zdroje. Součástí práce jsou také simulační programy napsané v jazyce C, které umožňují simulovat chování soustavy řídící systém + pulsní měnič + zátěž v obou pracovních režimech. Tyto programy je možné použít pro upřesnění hodnot parametrů jednotlivých regulátorů. Parametry regulátorů se řídícímu systému zadávají po sériové lince. V případě proudového zdroje stačí řídícímu systému zadat hodnoty R,L zátěže a systém parametry regulátoru spočítá sám. Pro komunikaci s uživatelem je řídící systém vybaven LCD displejem, signalizačními LED diodami, třemi tlačítky a dvěma potenciometry. Tlačítka jsou určena pro pohyb v menu zobrazovaném na displeji a k zapínání a vypínání řídícího signálu pro měnič. Potenciometry slouží k nastavování požadovaných hodnot napětí a proudu. Kromě toho je možné řídící systém ovládat z nadřazeného systému prostřednictvím rozhraní RS-232. Řídící systém byl testován na katedře KEV při řízení pulsního měniče s IGBT tranzistorem. Práce vznikla v rámci projektu FR VŠ 2328/2003/G1. 65 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Velmi malý generátor elektromagnetického pole – nástroj k měření efektivity stínění Michal Špinka – KE 5 lektor: Ing. Jiří Skála, Ph.D. - KAE V rámci mé diplomové práce „Přístrojová skříň s malým vyzařováním elektromagnetického pole“ vyvstala nutnost sestrojení velmi malého zdroje elektromagnetického pole, který by vytvářel tok rušivé energie proti zkoumanému stínění. Tento zdroj by se používal ve dvou popsaných (A,B) situacích. A. Zdroj je umístěn v konkrétní přístrojové skříni – měřením velikosti pole prošlého ze stínění lze určovat účinnost prováděných úprav ve stínění. B. Zdroj je součástí měřícího přípravku k měření efektivity stínění jednotlivých prvků stínění, jako jsou např. vodivá těsnění a vodivé nástřiky na plastové skříně. Na zdroj jsem stanovil mj. následující požadavky: • zdroj musí vytvářet elektromagnetické pole s převažující magnetickou složkou, protože takové pole je charakteristické pro rušivé vyzařování běžných elektronických obvodů; • zdroj musí být možné napájet z baterie, neboť je nutné zabránit vyzařování z případných napájecích vodičů, které by výrazně snížilo vypovídací schopnost naměřených údajů, napájecí vodič by také bránil korektnímu umístění ve skříni; • zdroj (i s baterií) musí mít malé rozměry, aby ho bylo možné umisťovat do různých míst měřených přístrojových skříní. Na základě těchto požadavků jsem navrhl a sestrojil zdroj elmg. pole podle znázorněného zapojení. Hradla NAND jsou v provedení s otevřených kolektorem – cívka (anténa) je tedy umístěna na místě kolektorového odporu. V mém případě pracoval oscilátor na frekvenci 24 MHz, díky umístění v patici jej lze nahradit oscilátory pracujícími na jiných frekvencích. Velikost magnetického pole jsem měřil pomocí řetězce: sonda blízkého magnetického pole – zesilovač – spektrální analyzátor. Ve výše uvedených situacích použití (A,B) měl navržený zdroj následující výhody. A. Díky svým malým rozměrům a bateriovému napájení je možné zdroj umísťovat i do malých přístrojových skříní. Na trhu nejsou dosud dostupné zdroje takových rozměrů – to souvisí s tím, že obtížná problematika testování stínění malých skříní není dosud upravena žádnou uznávanou normou. Přitom je tato problematika velmi aktuální – viz např. rostoucí množství malé osobní elektroniky (mobilní telefony, handheld počítače…). B. Jednoduchá konstrukce (a nízká cena) umožňuje použití navrženého zdroje elektromagnetického pole pro měření efektivity stínění i na pracovištích, jejichž hlavní oblastí činnosti není elektromagnetická kompatibilita. Měření lze provádět i na malých vzorcích stínění a tak získat informace o kvalitě prvku stínění (vodivé těsnění, vodivý nástřik…) ještě před jeho použitím nebo (lépe) před jeho nákupem, což má při vysokých cenách těchto prvků velký význam. Na údaje výrobců nelze v tomto spoléhat, neboť „díky“ neustálené situaci v normalizaci měření efektivity stínění těchto prvků ji výrobci často měří svým vlastním způsobem (výsledky tedy nelze porovnávat), případně ji neudávají vůbec. Mezi nejzajímavějších výsledky měření patří zjištěná výrazná závislost efektivity stínění vodivého těsnění na míře stlačení těsnění a její nelineární průběh nebo zjištěná míra stínění vodivých stínících vrstev (z vodivých sprejů), kterou výrobci zpravidla neuvádějí. 66 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Sekce Řízení technologických procesů složení komise předseda doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. členové Ing. Jiří Švarný, Ph.D. Ing. Jiří Čengery Ing. Vít Strnad 67 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Příprava metrologického systému pro podnik LETELelektronik Přeštice Erika Balková - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET Tato práce se zabývá zavedením metrologického řádu podle zákona č. 505/1990 Sb., o metrologii, ve znění zákona č. 119/2000 Sb. a zákona č. 137/2002 Sb., pro společnost LETELelektronik Přeštice. Všeobecně seznamuje s právními předpisy v České republice, týkajících se metrologie. Výše zmíněná organizace sídlící v Přešticích vznikla 3. června 1992. Od svého vzniku se zaměřuje především na služby zákazníkům v oblasti osazování, pájení a testování desek plošných spojů. Díky velikosti podniku a dlouhodobé zkušenosti se zákazníky ze SRN dokáže reagovat na požadavky zákazníků velice pružně, kvalitně a v přijatelných cenových relacích, včetně expresních termínů pro vzorková množství. Firma je schopna realizovat zakázku kompletně, včetně návrhu, přípravy výroby a celkového materielního zabezpečení. Pro účinné řízení firmy má organizace vybudovaný samostatný informační systém, který je zabezpečován pevnými telefonními linkami, mobilními telefony a elektronickou poštou. Vysokou operativnost firmy garantuje tedy díky tomuto komunikačnímu vybavení. V první kapitole je souhrn všech norem a předpisů, které se vztahují k metrologii v daném podniku. Tento přehled obsahuje: zákon č. 505/1990 Sb., o metrologii, ve znění zákona č. 119/2000 Sb. a zákona č. 137/2002 Sb., zákon č. 20/1992 Sb., o zabezpečení výkonu státní správy v oblasti metrologie a jeho novely, zákon č. 20/1993 Sb., o zabezpečení výkonu státní správy v oblasti technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví, Vyhlášku Ministerstva průmyslu a obchodu č. 262/2000 Sb., ve znění vyhlášky č. 344/2002 Sb., kterou se zajišťuje jednotnost a správnost měřidel a měření, Vyhláška Ministerstva průmyslu a obchodu č. 263/2000 Sb., ve znění vyhlášky č. 345/2002 Sb., kterou se stanoví měřidla k povinnému ověřování a měřidla podléhající schválení typu a soubor norem ČSN ISO řady 9000, dále 10012. Na tento přehled navazují určité zásady, které slouží při tvorbě metrologického řádu, samotná náplň a postup při zpracování. Následuje Návrh Metrologického řádu pro podnik LETELelektronik s.r.o. s jeho grafickou úpravou, včetně evidenčního seznamu používaných měřidel a přístrojů. Návrh Metrologického řádu pro podnik LETELelektronik s.r.o. Obsah: 1. Účel a použití směrnice 2. Rozsah platnosti směrnice 3. Odpovědnosti a pravomoci 4. Dokumentace související se směrnicí 5. Metrologické názvosloví 6. Vymezení práv a povinností dle funkcí v oblasti metrologie 7. Zabezpečení metrologie 8. Přílohy 68 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Metrologický řád a jeho zařazení v systému jakosti podniku DONOV PLUS Růžena Dobrá - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET Řada podniků se v současné době střetává na mezinárodních i domácích trzích s ostrou konkurencí, kde velmi důležitou roli hraje otázka jakosti výrobku. Aby podnikatelský záměr byl úspěšný, stává se systematická péče o jakost neodmyslitelnou součástí všech dlouhodobějších podnikatelských záměrů. Z celkového řízení jakosti tvoří metrologie 40 %, oblast metrologie je tak nedílnou součástí celé oblasti řízení jakosti. Pro tvorbu jakýchkoli závěrů a rozhodnutí během výrobního procesu je nezbytné zabezpečit dostatečné měření jednotlivých fází výroby. V metrologii se navzájem prolínají čtyři oblasti – měřicí metody a metodiky (včetně ověřování a kontrol); metrologické veličiny (veličiny fyzikální, technické aj.); měřicí prostředky (všechny prostředky potřebné k měření) a samozřejmě také vliv lidského činitele na proces měření. S rostoucími požadavky na jakost, se zároveň i zvyšuje význam metrologie a to vede k hledání nových technologických procesů pro zvýšení přesnosti měření. DONOV PLUS s.r.o. je strojírenská firma, která se zabývá poskytováním služeb v oblasti výroby a oprav kluzných kompozicových ložisek a jejich příslušenství. Pro strojírenství má základní význam metrologie geometrických veličin. Požadovanou jakost výrobku udává rozměrová přesnost, vedle délky a úhlu jsou ještě udávány další technické veličiny jako je drsnost povrchu, odchylky tvaru a polohy (rovinnost, kruhovitost, kuželovitost). Nejvýznamnější složkou metrologie geometrických veličin je metrologie délky, skládá se ze tří oblastí: normální, přesná a ultrapřesná. Dalším způsobem rozdělení metrologie může být obor legální metrologie a obor podnikové metrologie. Legální metrologie se zabývá zákonnými aspekty metrologického charakteru na národní a mezinárodní úrovni. Podniková metrologie řeší problematiku metrologie v organizacích - zabezpečování Metrologického pořádku v rámci konkrétních podmínek organizace. Protože do této doby ve firmě DONOV PLUS s.r.o. žádný předpis týkající se podnikové metrologie neexistoval, zpracovala jsem na žádost podniku návrh a grafickou úpravu Řádu podnikové metrologie. Vycházela jsem přitom z podkladů firmy, které se týkají zabezpečování jakosti při výrobě. Součástí Řádu podnikové metrologie je také způsob evidence měřidel, do této doby byla evidence tvořena kalibračními protokoly měřidel. Pro novou evidenci jsem zavedla i nový systém evidenčních čísel. Metrologický řád obsahuje 8 kapitol. V první je vymezen jeho cíl a účel, kapitola číslo dvě stanovuje rozsah platnosti a ve třetí kapitole jsou definovány některé důležité pojmy z oblasti metrologie. Zodpovědnost a pravomoci jsou stanoveny v následující kapitole. V kapitole číslo pět je popsáno rozdělení měřidel, jejich ověření a kalibrace, technické náležitosti měřidel, schéma návaznosti měření, evidence měřidel, postup při vyřazování měřidel, aj. Kapitola číslo šest uvádí související dokumentaci, předposlední kapitola je seznam změn a úprav Metrologického řádu, poslední kapitola obsahuje přílohy – rozdělení měřidel, evidenční systém, evidenční list měřidla, matice odpovědnosti za dodržování Metrologického pořádku, schéma návaznosti délkových měřidel a schéma návaznosti měřidel napětí. Hlavním cílem mé práce bylo zpracování návrhu Metrologického řádu pro konkrétní organizaci s ohledem na neustále se měnící zákony a vyhlášky v oblasti metrologie. Předpokládám, že při uvedení Řádu podnikové metrologie do běžného provozu může dojít k určitým změnám v některých jeho částech, což je ale zcela běžné. Teprve při využívání v praxi se odhalí některé nedostatky, které při pouhém teoretickém návrhu nejsou zcela zřetelné. 69 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Optimalizace diagnostického systému elektrotechnického závodu Tomáš Drobílek - SE 5 lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET V rámci boje o každého zákazníka, firmy v jakémkoliv podnikatelském odvětví naráží na vzrůstající nároky na kvalitu, bezpečnost i komplexnost služeb poskytovaných k danému výrobku. Podniky, které své podnikatelské aktivity rozvíjejí především v oblasti elektrotechniky se proto pochopitelně snaží maximálně vyjít vstříc svým odběratelům a přitom být co nejméně závislý na službách konkurentů či subdodavatelů. Právě proto je klíčem k úspěchu celého podniku navržení, uvedení do provozu a stálé zlepšování diagnostického systému výrobků. Návrhem takového diagnostického systému, který by přesně dopovídal nárokům akciové společnosti První Elektro, se zabývá právě moje práce. Společnost První Elektro a.s. se rozhodla v rámci výstavby nové výrobní haly v průmyslové zóně v Chomutově vybudovat zkušebnu elektrických strojů a zařízení, která bude dokonale prověřovat kvalitu celého spektra firmou vyráběných zařízení a poskytovaných služeb. Ze širokého spektra výrobků a služeb, které firma poskytuje veřejnosti, chce primárně prověřovat kvalitu následujících skupin elektrických strojů a zařízení: - VN rozváděče; - NN rozváděče; - točivé elektrické stroje (asynchronní a stejnosměrné); - netočivé elektrické stroje (suché i olejové transformátory). Pro přesné nastavení diagnostického systému jsem nejprve musel vyhledat v příslušných normách všechny předepsané zkoušky pro dané kategorie výrobků a ty dále protřídit. Při selekci zmiňovaných zkoušek jsem vytvořil následující systém zkoušek. Prozatímní výsledky, kterých jsem dosáhl se pokusím shrnout v následujících odstavcích. Asynchronní stroje: základní mechanické zkoušky, měření izolačního odporu, měření činného odporu za studena, zkouška závitové izolace, měření proudu a ztrát naprázdno, měření rotorového napětí. Stejnosměrné stroje: základní mechanické zkoušky, měření izolačního odporu, měření činného odporu za studena, zkouška závitové izolace, zkouška mechanické odolnosti, měření charakteristiky naprázdno a ztrát naprázdno. Transformátory: měření izolačního odporu vinutí, měření odporu vinutí za studena stejnosměrným proudem, měření převodu napětí naprázdno na všech odbočkách, kontrola skupiny spojení a natočení fází, zkouška přepínače nebo přepojovače odboček, zkouška oleje u transformátorů s olejovou náplní. Rozváděče nízkého napětí: prohlídka rozváděče včetně kontroly elektrického zapojení, kontrola způsobu ochrany a celistvosti ochranných obvodů, kontrola izolačního odporu. Rozváděče vysokého napětí: zkouška elektrické pevnosti izolace hlavního obvodu, zkouška elektrické pevnosti izolace řídících a pomocných obvodů, měření elektrického odporu hlavního obvodu, kontrola správného zapojení, zkoušky mechanické funkce, zkoušky pomocných elektrických, pneumatických a hydraulických zařízení, zkoušky na místě po montáži, kontrola dokumentace a vizuální prohlídka. Jelikož jsem při této písemné prezentaci omezen rozsahem jedné stránky, není v mé moci Vás obeznámit se všemi výhodami, které mnou navržený diagnostický systém přináší. 70 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Tepelná čerpadla a sušení Petr Holata - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Pro konvekční sušení můžeme s výhodou využívat TČ vzduch – vzduch. Jejich předností je poměrně snadné dosažení vhodných vlastností sušícího vzduchu , tj. teploty a vlhkosti, v tomto sledu: 1. Sušení produktu, při němž vlhkost přechází do sušícího vzduchu; 2. Ochlazení sušícího vzduchu ve výparníku TČ a vykondenzování vlhkosti; 3. Ohřev chladného plynu v kondenzátoru TČ a tím prudké snížení jeho relativní vlhkosti na hodnotu vhodnou pro další vysoušení. Trendy v oblasti sušící techniky jednoznačně směřují ke zkrácení sušící doby při nízkých energetických nárocích a samozřejmě při zachování požadované kvality sušeného materiálu. Doplníme-li sušičku s TČ sekundárním zdrojem tepelné energie, dostáváme tzv. hybridní sušičku s tepelným čerpadlem (HSTČ), která odpovídá těmto zvýšeným nárokům. Mezi sekundární tepelné zdroje použitelné v praktických aplikacích se řadí zdroje infračerveného záření a zdroje pro dielektrický ohřev. Tepelné čerpadlo v kombinaci s infračerveným ohřevem Teplo potřebné pro odpar vody ze sušeného produktu je předáváno v sušící komoře dvěma způsoby. Elektromagnetické vlnění sálavých panelů dopadá na sušený produkt, kde se utlumí a přemění v tepelnou energii. Druhý způsob je klasický – předávání tepla konvekcí ze sušícího vzduchu. Ten proudí v komoře a odnímá zvýšenou produkci povrchové vlhkosti sušenému materiálu. Kombinované sušení vede ke zkrácení sušící doby. Provoz sálavých panelů má velký přínos v počáteční fázi sušení, kdy je v sušeném materiálu vázáno nejvíce vody. Tudíž existuje vyšší poptávka po dodání tepelné energie pro její odpaření, v zájmu urychlení sušícího procesu. Dále lze provozovat sálavé panely v přerušovaném chodu. Konvekční sušení s přerušovaným sálavým sušením podstatně snižuje vysoušecí čas, za minimální degradace barev sušeného produktu. Přerušovaný sušící provoz sálavých panelů lze tedy úspěšně aplikovat pro teplotně choulostivé materiály. Pro materiály méně citlivé je možný nepřetržitý provoz sálavých panelů. Pro kvalitní sušení je zapotřebí, aby se teplo, předané sušenému materiálu konvekcí a útlumem elektromagnetického vlnění, šířilo v sušeném materiálu rovnoměrně. Z tohoto požadavku plyne, že kombinace TČ s infračerveným ohřevem je vhodná pro sušení materiálů s vyšší tepelnou vodivostí. Tímto způsobem lze sušit dřevo, zemědělské produkty, čaj apod. Tepelné čerpadlo v kombinaci s dielektrickým ohřevem Teplo potřebné pro odpar vody ze sušeného produktu je předáváno obdobně jako v předchozím případu dvěma způsoby. Vznik tepla při dielektrickém ohřevu lze vysvětlit následovně. Molekuly sušeného materiálu vloženého do elektrického pole se chovají jako elektrické dipóly. Snaží se sledovat změny elektrické polarity (natáčet se), přičemž překonávají vzájemné tření. To má za následek vznik dielektrického tepla v sušeném materiálu. Druhý způsob je opět klasický, tzn. předávání tepla konvekcí ze sušícího vzduchu. Další jeho funkce spočívá také v exportu vlhkosti ze sušící komory. Oproti předchozímu typu HSTČ, je tento vhodný pro materiály s nízkou tepelnou vodivostí. Např. keramické a skleněné materiály, které jsou značně problematické na ohřívání a sušení. Dielektrickým ohřevem jsou ohřívány všechny části hmoty rovnoměrně na teplotu, která by obvykle neměla přesáhnout 82 °C (Thomas, 1996) z důvodu zachování kvality sušeného produktu. Voda při tomto druhu ohřevu opouští sušený materiál ve větší míře v plynném skupenství, než vzlínáním ve skupenství kapalném. Tím se zabraňuje uvolňování pevných částí a jejich následnému usazování na povrchu. Tzn. zabránění narušení vnitřní struktury materiálu a tvorby nežádoucích „map“ na povrchu sušeného produktu. 71 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Návrh obvodu pro zkoušky elektrických přístrojů nn zkratovým proudem František Hrabec - KE 5 lektor: doc. Ing. Štěpán Rusňák, CSc. - KEE V průběhu školního roku 2002/2003 jsem pracoval na studii, která se týkala návrhu obvodu pro zkoušky elektrických přístrojů nn zkratovým proudem. Tento obvod se má realizovat v průběhu příštích několika let v nových laboratořích Fakulty elektrotechnické, ZČU v Plzni na Borských polích. Hlavním cílem této studie bylo navržení optimální varianty zkušebního obvodu a stanovení nákladů na provoz a pořízení zkušebního zařízení. Hlavní účel navrhovaného obvodu je provedení dvou základních typových zkoušek el. přístrojů nn. Jedná se o tyto zkoušky: - zkoušky zkratové zapínací a vypínací schopnosti - zkoušky schopnosti vést jmenovitý krátkodobý výdržný proud Zkušební obvod má dále sloužit pro provedení celé řady výzkumných, vývojových a jiných zkoušek, kde bude moci být využit zdroj elektrické energie s poměrně velkým výkonem (např. zkoušky na el. kontaktech, oteplovací zkoušky trvalým průtokem proudu apod.). Obvod může sloužit i jako demonstrativní ukázka přechodných dějů vznikajících v elektrických strojích při zkratu na výstupních svorkách stroje. Pro účely návrhu jsem nejdříve musel provést detailní rozbor Českých technických norem, které souvisejí s provedením zkoušek při zkratových poměrech. Norma, která se zabývá touto problematikou je norma ČSN EN 60947-1 a zde je uvedeno: jaké je schéma zkušebního obvodu, jaké jsou všeobecné požadavky na provedení zkoušek a na jednotlivé části zkušebního obvodu, jaký je postup zkoušky a její vyhodnocení. Návrh zkušebního obvodu jsem zpracoval tak, aby odpovídal požadavkům této normy a zároveň byl splněn zadaný požadavek na velikost efektivní hodnoty zkratového proudu (Ikt = cca 20 kA, 1 s). Určitým zjednodušením bylo to, že obvod jsem po domluvě s lektorem navrhl jen pro elektrické přístroje na jmenovité napětí 230 V resp. 400 V, protože většina běžných přístrojů nn je vyráběna právě v této napěťové hladině. Všem těmto požadavkům vyhovovaly dvě alternativy zkušebního obvodu, kterými jsem se dále zabýval. Hlavní rozdíl obou alternativ byl v použití zdroje zkratového proudu. První alternativa spočívala v použití zkratového generátoru a druhá transformátoru napájeného ze sítě 22 kV. U obou alternativ jsem zpracoval rozbor hlavních částí zkušebního obvodu a navrhl jsem jejich hlavní technické parametry. Důležitou součástí studie bylo porovnání obou alternativ z hlediska technických výhod či nevýhod a z hlediska nákladů na pořízení a provoz zkušebního zařízení. Výsledkem studie bylo to, že pro naše účely je mnohem více výhodná alternativa zkušebního obvodu s transformátorem napájeným ze sítě 22 kV. Tato alternativa má oproti alternativě se zkratovým generátorem celou řadu výhod, mezi které patří např.: - mnohem menší pořizovací náklady; - menší provozní náklady; - velké technické výhody - odpadá olejové hospodářství a potřeba chlazení; - odpadá potřeba mohutných základů a velkého prostoru; - při zkouškách vzniká minimální hluk; - výsledný průběh zkratového proudu více odpovídá skutečnosti; - možnost trvalého napájení. Hlavní nevýhody této alternativy (nerovnoměrný odběr ze sítě a špatná regulace výstupního napětí) nemají pro naše účely velký význam. 72 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Problematika zatížení obyvatelstva nízkofrekvenčním hlukem Jana Hyklová - TE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET Přirozeným projevem přírodních jevů, technologických procesů, práce většiny technických zařízení a samozřejmě také životní aktivity člověka je zvuk. Podstatou zvuku je mechanické vlnění plynů, kapalin nebo pružných pevných látek. Mechanické vlnění s frekvencemi nižšími než 16 Hz se nazývá infrazvuk, mezi 16 Hz a 20 kHz se nachází slyšitelné pásmo a vlnění s frekvencemi vyššími než 20 kHz se nazývá ultrazvuk. Zvuk je důležitou součástí života člověka, protože slouží jako prostředek k dorozumívání. Je důležitým výstražným signálem, ale může být také součástí relaxace. Sluchem člověk přijímá významný podíl informací o světě. Nežádoucí, obtěžující a rušivý zvuk je běžně označován jako hluk. Při hodnocení hluku velmi záleží na tom, jaký k němu má člověk vztah. Pro určitou skupinu lidí může být daný hudební projev vnímán jako hudba a na jinou skupinu může působit spíše nepříjemně. Ve vnímání a prožívání hluku existují velké individuální rozdíly. Je pro něj typické, že v populaci nalézáme skupinu velmi citlivých a skupinu relativně velmi odolných jedinců. Nevýhodou hluku je, že ho nelze z pracovního a životního prostředí zcela odstranit. Dá se pouze redukovat na přijatelnou hodnotu. Určité nebezpečí také spočívá ve skutečnosti, že lidský organismus prakticky nemá proti působení hluku výraznější obranné mechanismy. Působí-li například na lidské oko nepříjemné světlo, může ho člověk zavřít. Ale u zvuku bohužel taková ochrana není. Ve většině vyspělých zemích si již uvědomují, že nadměrný hluk zaujímá stále důležitější místo v řadě faktorů, které ohrožují životní prostředí a také samotný lidský organismus. V programech ochrany prostředí se tedy hluk zpravidla řadí hned za znečištěné ovzduší a ochranu povrchových vod. U nás tomu zatím bohužel ve většině případů není. Proto se ve své práci podrobněji zabývám vlivem nízkofrekvenčního hluku a infrazvuku na lidský organismus a snažím se poukázat na jeho účinky, které bývají často opomíjeny. Práce vychází z definic nízkofrekvenčního hluku a infrazvuku, které jsou uvedeny v příloze č. 1 k nařízení vlády č. 502/2000 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. Nízkofrekvenční hluk je slyšitelný hluk s výraznými frekvenčními složkami v oblasti kmitočtů nižších než 50 Hz, infrazvuk jsou kmity a vlny v pružném prostředí, jejichž kmitočet je pod pásmem slyšitelných kmitočtů (NV č. 502/2000 Sb.). V první části práce jsou uvedeny základní pojmy a veličiny všeobecně charakterizující zvuk. Například je zde definován zvuk, dále základní veličiny jako jsou akustický tlak, intenzita nebo výkon, ale také mechanismus slyšení. V následující části jsou zmíněny účinky hluku a vibrací na okolí. Vibrací proto, protože infrazvuk úzce souvisí s mechanickými vibracemi a jejich vlivem na okolí a člověka. Další kapitoly přesně definují nízkofrekvenční hluk a infrazvuk. Popisují zdroje nízkofrekvenčního hluku a také působení infrazvuku na organismus. Praktická část práce je věnována měření hluku různých zařízení, která mohou být zdrojem nízkofrekvenčního hluku. Úkolem měření bylo mimo jiné porovnat frekvenční spektra klasické a moderní hudby s ohledem na oblast nízkých kmitočtů, analyzovat hluk v praxi používaných ventilátorů nebo malé vodní elektrárny. Závěrem jsou zde navrhnuty možnosti ochrany před nepříznivým hlukem. O nedostatečném prozkoumání problematiky biologických účinků infrazvuku a především jeho působení na člověka svědčí i skutečnost, že u nás, podobně jako v řadě dalších států není určená norma pro nejvyšší přípustné hladiny nízkofrekvenčního hluku a infrazvuku životním prostředí. Nařízení vlády č. 502/2000 Sb. obsahuje pouze limity pro pracovní prostředí. 73 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Zpracování přehledu zkoušek spínačů NN podle norem ČSN EN a dalších předpisů Jana Jiřičková - KE 5 lektor: doc. Ing. Štěpán Rusňák, CSc. - KEE Zkouškami obecně ověřujeme, zda vyrobený přístroj odpovídá svými funkčními parametry výpočtům, zda vyhovuje všem předpisům a normám a zda splňuje požadavky zákazníka. Zkoušky můžeme konat přímo u výrobce přístrojů nebo v autorizované zkušebně.Účelem všech zkoušek u výrobce je zjistit jakost výrobku se zřetelem k technickým a provozním požadavků sestaveným podle dlouhodobých zkušeností v továrnách, technických podmínkách, státních normách nebo přímo v objednávkách. Požadavky mohou být určeny bezpečností, hospodárností provozu nebo charakteristickými vlastnostmi, sleduje se dodržování technologických postupů mezioperačními a výstupními zkouškami, aby byly včas objeveny výrobní nedostatky. Přitom normy jsou důležitým podkladem nejen pro konstrukci, ale i pro elektrické, mechanické a tepelné zkoušení. Spínače NN se podrobují zkouškám dle norem ČSN EN 60947-1 a ČSN EN 60947-3. V těchto normách je popsán postup a sled typových a kusových zkoušek, kterým se má spínač NN podrobit. V tabulce 9 normy ČSN EN 60947-3 je seznam typových zkoušek, které se na daném spínači jako typu musí provést. Na provedení všech zkoušek je potřeba větší množství vzorků zkoušeného spínače. Typové zkoušky jsou seřazeny v několika zkušebních pořadích, jak je uvedeno v tabulce 10 normy ČSN EN 60947-3. Řada problémů, kdy spínač nevyhoví požadavkům normy, je způsobena vlastnostmi kontaktu v elektrickém obvodu, proto je výzkum směřován do oblasti vlastností stykového odporu proudových drah elektrických přístrojů. Výzkumné, modelové a vývojové zkoušky mají ověřit vlastnosti výrobků, získat podklady pro další vývoj a zdokonalování nových konstrukcí, ověřovat předpoklady pro zlepšování jakosti zlevňování výroby, zmenšování pracnosti a zlepšování funkčních vlastností přístroje. Spínač je natolik důležitým prvkem elektrické soustavy, že se vyplatí věnovat jeho zkoušení maximální pozornost. Správná zkušební metodika musí potom vycházet jednak z dokonalých znalostí vypínacího pochodu, jednak ze znalosti požadavků vypínaných sítí. To je specifické pro zkušebnu, protože ta tvoří mezičlánek mezi výrobou přístrojů a jejich provozem v energetické soustavě. Zkušební technik proto musí mít v optimálním případě podrobné znalosti o namáhání spínačů, o fyzikálních a zhášecích pochodech ve spínačích různých provedení. Musí bezpečně zvládnout teorii elektrických obvodů a přechodných spínacích dějů probíhajících v obvodech, musí aplikovat a stále zdokonalovat novou složitou měřící techniku nutnou ke kontrole zkoušek. K tomu přistupuje nutnost řešit všechny provozní záležitosti zaváděním nových zkušebních obvodů vyhovujících zpřísňujícím se požadavkům norem včetně vývoje nových potřebných přístrojů pro zkušební obvody. V současné době se můžeme setkat s novými, moderními metodami normalizace, hovoří se o harmonizaci norem, normalizaci doprovázející vývoj a normalizaci podmiňující vývoj. Harmonizace norem spočívá v tom, že jednotlivé požadavky určité normy jsou zavedeny jednotně v několika státech, kteří mezi sebou obchodují. Normalizace doprovázející vývoj je metoda, kdy zároveň s prací na vývoji výrobku probíhá tvorba technické normy, která výrobek nebo technologii popisuje. V okamžiku, kdy se dostane výrobek na trh, je k dispozici norma s parametry výrobku. Tím je usnadněna certifikace výrobku. Tento postup má mnoho výhod a v podstatě staví konkurenci do nezáviděníhodné role. 74 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Řízení technologických procesů Karel Moravec - KE 5 lektor: Ing. Jiří Tupa - KET Pojem proces se vyskytuje v různých oblastech lidského činění. Zaměříme-li se na procesy související s realizací výrobků a služeb nalézáme zde procesy které označujeme jako technologické nebo podnikové. Tyto procesy lze dekomponovat na jednotlivé podprocesy vhodného počtu hierarchických úrovní. Hierarchizace může jeden proces rozdělit na subproces, dále činnost, operaci a krok. Mezi procesy se určí jejich vzájemné vazby a uspořádání z hlediska celkového postupu výroby. Z tohoto hlediska se procesy dělí na tvrdé (pořadí činností výrobního procesu je závazně určeno) a měkké (pořadí činností může být libovolně měněno). Hlavním úkolem je přesné stanovení základních atributů procesu - jeho vstup, výstup, zdroje (výrobní, personální a finanční), vlastní činnosti procesu a vlastník procesu. Podnikové procesy se dělí z hlediska vztahu ke konečnému výrobku na hlavní (produkční), řídící a podpůrné procesy. Procesy jsou řízeny a ovlivňovány s ohledem na požadovaný cíl podniku. Tímto cílem může být získání a udržení loajálního zákazníka. Aby bylo možné procesy řídit je nutné zavést zpětnou vazbu mezi výstupem procesu a jeho vstupem. Zpětná vazba by měla obsahovat vhodný systém sledovaní vybraných ukazatelů, které nejlépe charakterizují chování procesu. V oblasti technologických a podnikových procesů tím ukazatelem může být přidaná hodnota procesu. Přidaná hodnota je zákazníkem oceněná vlastnost produktu. Na přidanou hodnotu se lze dívat ze dvou různých pohledů. První pohled je přidaná hodnota vlastníka procesu. Jak výrobek postupuje technologickým postupem od operaci k operaci, tato přidaná hodnota se zvyšuje. Druhý pohled na přidanou hodnotu, zcela zásadní, je přidaná hodnota vzniklá naplněním potřeb zákazníka. Zákazníkovi jsou lhostejné údaje o vnitřních operacích, nákladech na procesy či způsob řízení procesů. Z toho vyplývá, že součástí řízení by mělo být získávat potřebné informace a získávat zpětnou vazbu od zákazníka, vyhodnocovat jeho spokojenost. Na základě jak velkou přidanou hodnotu z pohledu zákazníka procesy vytvářejí, lze procesy rozdělit do skupiny s nízkou nebo vysokou přidanou hodnotou. Hlavním smyslem tohoto rozdělení je vyjmutí procesů s nízkou přidanou hodnotou z celkového řetězce či přinejmenším snížení jejich vlivu a naopak, zvýšení přidané hodnoty procesů, které byly shledány jako užitečnými a které budou přinášet hodnotu pro zákazníka. Tyto procesy lze označit za klíčové procesy. Vybrané klíčové procesy je vhodné analyzovat, pro zjištění jejich vlastností, parametrů a možností ovlivňování těchto procesů. Analýzu jednotlivých procesů lze provést na všech úrovních řízení z pohledu měřitelnosti a řiditelnosti procesu. Analýza měřitelnosti procesu slouží ke zjištění všeho, co lze v procesu měřit a sledovat. Ne všechny měřitelné parametry je ale možné v provozních podmínkách použít k řízení procesu. Příčinou může být nedostatečně přesné měřicí zařízení nebo neúměrně vysoké náklady nutné na analýzu určitého parametru. Analýza řiditelnosti procesu se věnuje vyšetření uskutečnitelných způsobů řízení procesu včetně možnosti řízení zdrojů, kterých daný proces využívá. Vhodným řízením klíčových procesů bude možné zvyšovat jejich přidanou hodnotu pro zákazníka. Lze předpokládat, že cílevědomým ovlivňováním a řízením procesu povedeme proces směrem k žádanému cíli, tedy k naplnění potřeb a očekávání zákazníka. 75 Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2003 Inovace systému řízení jakosti zkušební laboratoře podle ČSN EN ISO/IEC 17025 Ladislav Toman - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET Při nákupu celé řady výrobků nebo služeb jsme neustále různými způsoby ujišťováni o jejich kvalitě, bezpečnosti, zdravotní nezávadnosti, spolehlivosti a výkonnosti. Mezi tyto způsoby ujišťování patří např. prohlášení výrobce nebo různé druhy certifikátů deklarujících, že výrobek nebo služby splňují veškeré požadované předpisy a plní očekávání zákazníků. Certifikáty jsou zpravidla vydávány orgány působícími v oblasti posuzování shody (patří sem např. certifikační orgány pro certifikaci výrobků, certifikační orgány pro certifikaci systémů jakosti, certifikační orgány pro certifikaci systémů jakosti pracovníků, inspekční orgány a v neposlední řadě také zkušební a kalibrační laboratoře). Aby se výrobce mohl spolehnout na prohlášení příslušného orgánu, je nutné určitým způsobem zajistit, aby tento orgán postupoval v souladu s určitými pravidly. Tato pravidla jsou obsahem mezinárodně uznaných předpisů a norem, které zaručí, že certifikát o prokázání shody výrobku nebo služby vydaný příslušným orgánem, bude platný pokud možno v nejširším prostoru trhu (např. v prostoru trhu EU). Nástroj, který slouží k prokazování způsobilosti a nestrannosti orgánů poskytujících služby v oblasti posuzování shody na základě kritérií a pravidel obsažených v mezinárodních normách a normativních dokumentech se nazývá akreditace. Pokud příslušný orgán prokáže, že činnosti v oblasti, na kterou se specializuje, provádí podle těchto zmíněných předpisů (norem), získá od státem pověřeného subjektu osvědčení o akreditaci (v ČR je to Český institut pro akreditaci o. p. s.). Způsobilost zkušebních laboratoří v ČR se řídila požadavky normy ČSN EN 45001 Všeobecná kritéria pro činnost zkušebních laboratoří (je současně i normou evropskou). Tuto normu však v současnosti nahradila norma ČSN EN ISO/IEC 17025 Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří (mezinárodní norma). Zkušební i kalibrační laboratoře, které si chtěly udržet statut akreditovaného subjektu, musely své dosavadní systémy řízení jakosti sladit s požadavky této nové normy, kterými jsou např. požadavky na organizaci, pracovníky, zkušební prostory, zajišťování návaznosti měření, řízení dokumentů, službu zákazníkovi atd. Některé z těchto požadavků jsou pro zkušební laboratoře dosti ekonomicky náročné. Příkladem může být kalibrace měřicího zařízení zkušební laboratoře, pokud bude zajišťována externími kalibračními laboratořemi. Jelikož je zkušební laboratoř Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni provozována jako laboratoř akreditovaná, bylo nutné inovovat její systém řízení jakosti. Tato inovace si vyžádala upravení a sladění zavedených politik, systémů, programů a postupů ve zkušební laboratoři tak, aby byly ve shodě s platnou normou. Dle požadavků normy ČSN EN ISO/IEC 17025 musí být všechny prvky systému jakosti laboratoře dokumentovány, což si vyžádalo přepracování stávající dokumentace systému jakosti – příručky jakosti (vrcholového dokumentu o jakosti) a ostatní podpůrné dokumentace. Dalším důležitým prvkem bylo vypracování systému řízení dokumentace, který zajistil identifikaci, členění, aktualizaci, stahování a umisťování veškerých dokumentů souvisejících se systémem jakosti laboratoře. Ve své práci popisuji průběh vypracování nové příručky jakosti, související dokumentace systému jakosti, problémy, které vznikly s přechodem na nový systém řízení jakosti a jejich následná řešení. Pro získání ucelené představy v oblasti akreditovaných zkušebních laboratoří byla práce doplněna o kapitoly týkající se inovace mezinárodních a Českých technických norem v oblasti požadavků na způsobilost zkušebních laboratoří a charakteristiku akreditované zkušební laboratoře. 76
Podobné dokumenty
Zesilovače pro výkonné aktivní subwoofery
případné zájemce svou přílišnou složitostí, jiné cenou použitých součástek a některé jednodušší, na první pohled bezproblémové konstrukce
v sobě skrývají záludnosti, se kterými se začínající či má...
Obrábění technických plastů dle dokumentace zákazníka
do evropských zemí i do zámoří. Zároveň realizuje dovozy speciálních materiálů pro vlastní výrobu i
obchodní komodity (např. deskové materiály, vodiče pro elektrická vinutí).
Od roku 1996 sídlí ARC...
Reluktanční motor a elektromobil
Dalším technickým problémem, který je třeba vyřešit, je regulace proudu do budícího vinutí
statoru. Jestliže chceme mít galvanicky oddělený řídicí obvod od silové části, musíme řešit
galvanicky odd...
MKP a MHP - Matematika pro inženýry 21. století
Vážený čtenáři, text, který právě čtete, vznikl v rámci řešení projektu „Matematika pro
inženýry 21. století - inovace výuky matematiky na technických školách v nových podmínkách rychle se vyvíjejí...
CLClíTRoPoHol|{ spol. s r.o.
mezi napětíma proudem motoru a automaticky
nastavují zapa|ovací Úhe| tyristorů (tj. i napětí
motoru) tak, aby ja|ová s|oŽka proudu by|a
minimaIizována.
Ve|ikost Úspor závisí na době běhu motoru
v o...
Kontrolní otázky ke zkoušce MIP
Paměťové buňky a uspořádání pamětí SRAM, dvoubránové paměti, paměti FIFO.
Jak se chová paměť FIFO po svém zaplnění, pokud nejsou přiváděny čtecí impulsy?
Jak lze zjistit aktuální stav paměti FIFO? ...
99 Kč - Fotolab
adresu účtujeme ke každé fotozakázce poštovné a balné ve výši 129,90 Kč. Příplatek za design v programu FOTOLAB Můj fotosvět 29 Kč. Příplatek za Disney design 29 Kč (malý), 49
Kč (střední) a 99 Kč ...
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 d...
