sborník

Přehlídka
studentských odborných prací na FEL
konaná dne 18. května 2004
pod záštitou
prorektora ZČU
doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc.
a
děkana FEL ZČU
doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc.
pořádaná v odborných sekcích
Elektroenergetika
Elektronika
Elektrotechnologie
Elektrické stroje a pohony
Elektrické teplo
FEL, ZČU 2004
Slovo úvodem
Soutěž studentských odborných prací má na naší fakultě dlouholetou tradici. V letošním
roce je přihlášeno 60 příspěvků, což je oproti loňskému roku mírný pokles.
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
Obsah
Sekce Elektroenergetika
Možnosti a úloha paroplynového zařízení v elektrizační soustavě
10
Jitka Burdová - KE 5
Návrh kogenerační jednotky pro stávající kotelnu SVA Holýšov
11
Petr Dvorský - EE 5
Přechod elektroenergetické společnosti na liberalizovaný trh
12
Michal Fuka - KE 5
Posuzování řídícího systému JE z hlediska EMC
13
Lukáš Jaša - EE 5
Ocenění nedodané energie, charakteristika škod vzniklých krátkodobým poklesem napětí
14
Martin Kašpírek - EE 5
Paroplynové zařízení v ostrovním režimu provozu
15
Jitka Müllerová - EE 5
Program pro výpočet zkratových poměrů v ES určený pro výukové účely
16
Martin Němeček - EE 5
Stanovení optimální provozní skladby kotelních jednotek pro maximální výrobu elektrické
energie a uspokojení okamžitých potřeb distribuční tepelné soustavy města Ústí n. L
17
Jiří Petr - EE 5
Optimální konfigurace sítě při nasazování obnovitelných zdrojů energie
18
Miloslav Průcha - EE 5
Optimalizace provozu elektrických a tepelných komponentů a z toho vyplývajících úspor
elektřiny a tepla ve výrobě Teplárny Ústí nad Labem, a.s.
19
Jaroslav Souček - EE 5
Sekce Elektronika
Univerzální dvoukanálový čítač do 10 MHz
22
Martin Blahník - KE 5
Implementace vyšších protokolů typu DNS, DHCP a SNMP na vývojové desce
s procesorem C8051F226
23
Tomáš Hájek - ES 5
Připojení zařízení CompactFlash a HDD k SW procesoru NIOS
24
František Krupka - PE 5
Modul přijímače VKV-FM s PLL a RDS
25
Richard Linhart - ES 4
Jednoduchý www server na vývojové desce s obvodem Altera Cyclone
26
Luboš Majner - ES 5
Programovatelná logická pole
27
Zuzana Petránková - ES 5
Konstrukce modulu plynového pedálu s integrovaným bezkontaktním lineárním snímačem
polohy
28
Jan Průcha - KE 5
Ekvitermní regulace plynové kotelny - EkviReg
29
Jakub Režný - DE 5
Historické jádro Plzně - studie optické přístupové sítě
30
Radka Sosnová - ES 5
Přesný zdroj - zesilovač do 200 V
31
Oldřich Starý - PE 5
Lokalizace s užitím GPS a GSM
32
Ivo Veřtát - ES 5
Měřící modul se sériovým rozhraním
33
Jiří Vlasák - ES 5
5
Sekce Elektrotechnologie
Měření izolačního odporu transformátoru
36
Roman Dušek - SE 5
Vliv obsahu pojiva na vlastnosti mezilamelových izolací komutátorů
37
Renata Dvořáková - KE 5
Výběr vhodného regulačního diagramu pro řízení jakosti výroby
38
Lukáš Kupka - KE 5
Posouzení vlivu složení žárových flexibilních termikanitů na jejich vlastnosti
39
Klára Maxová - SE 5
Možnosti využití indukčního ohřevu jako náhrada za technologii cínovaných spojů
40
Petr Peroutka - SE 5
Ověření odolnosti silikonového impregnantu proti tropickým podmínkám
41
Tomáš Pokorný - KE 5
Využití programu Palstat při řešení přejímek vstupní kontroly
42
Renata Růžičková - KE 5
Metodika měření výkonnosti procesů
43
Radek Soukup - KE 5
Diagnostika uhlíkových kartáčů
44
Jaromír Suchý - SE 5
Ověření homogenity vlastností elastomerního materiálu se slídovým plnivem
45
Miloslav Toman - SE 4
Vliv technologie impregnace skleněné tkaniny na vybrané vlastnosti laminátů
46
Robert Vik - KE 5
Sekce Elektrické stroje a pohony
Algoritmy řízení napěťového střídače ve vybraných pracovních režimech
48
Pavel Durdil - DE 5
Řízené spínání 3f zátěže - výkonová část
49
Jan Frána - ELE 2
Návrh systému pro výuku analogové regulace
50
Adam Gabriel - PE 5
Multimetr DMK32
51
Hamáček Petr, Pilný Jan, Markvart Jan - KE 4
3fázový střídač 3 kW
52
Vladimír Chlad - PE 5
Řízené spínání 3f zátěže - řídící část
53
Petr Janeček - ELE 2
Přínos rekuperace elektrické jednotky řady 471 ke snížení energetické náročnosti
železniční dopravy
54
Zbyněk Kakeš - DE 5
Měření otáček synchronního generátoru s použitím čítače
55
Bc. Zdeněk Křelovec - SE 4
Tramvaj s přechodem na železnici 25 kV, 50 Hz
56
Jiří Kříbek - DE 5
Supravodivý trakční transformátor
57
Petr Valenta - SE 5
6
Sekce Elektrické teplo
Teplotní pole a účinnost sálavých panelů
60
Radek Bošek - KE 5
Rekonstrukce elektrické odporové pece
61
Petr Brabec - EE 5
Přednosti indukčního ohřevu dvojím kmitočtem
62
Miloslava Čepelová - KE 5
Elektromagnetické pole v dutinovém rezonátoru-mikrovlnný ohřev
63
Tomáš Černý - KE 5
Tepelné čerpadlo jako zdroj tepla i chladu
64
Veronika Fialová - TE 5
Návrh elektrické laboratorní pece pro výpal keramiky
65
Radim Hanzlík - EE 5
Energetická bilance pece na výpal keramiky
66
Petr Homolka - EE 5
Energetická bilance indukční kelímkové pece
67
Pavel Hynčík - EE 5
Možnosti snižování energetické náročnosti otopných systémů
68
Petr Kůstka - TE 5
Efektivita elektrického ohřevu užitkové vody v RD
69
Pavel Richter - EE 5
Efektivnost použití tepelných čerpadel k vytápění
70
Jan Skřivánek - EE 5
Ekonomická a energetická náročnost otopných systémů
71
Pavla Šafrová - KE 5
Návrh topných článků pro odporovou pec
72
Michal Šanta - EE 5
Možnosti sušení porézních látek elektrickými zdroji tepla
73
Petr Šimek - EE 5
Možnosti efektivního vytápění středně velkých poslucháren
74
Kateřina Šimková - TE 5
Návrh vysokoteplotní odporové laboratorní pece
75
Karel Zuska - EE 5
7
Sekce Elektroenergetika
složení komise
předseda
doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc.
členové
doc. Ing. Konstantin Schejbal, CSc.
Ing. Lucie Noháčová, Ph.D.
Ing. Ivan Tůma
9
Možnosti a úloha paroplynového zařízení v elektrizační soustavě
Jitka Burdová - KE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Výroba elektrické energie v ČR je založena především na hnědém energetickém uhlí
v parních elektrárnách s práškovými kotli s odsířením spalin. Současně však životnost těchto
bloků včetně odsíření se předpokládá do r. 2015. Ukazuje se, že optimalizovaná varianta
těžby energetického uhlí v ČR by umožnila realizovat ještě jednu generaci nových uhelných
technologií s životností 30 let, tj. do r. 2045. Předpokladem je však použití moderních
technologií s výrazně vyšší účinností využití paliva a šetrnějších k životnímu prostředí.
Vysokou účinnost přeměny a navíc snížení emisí a škodlivin, které uhelné technologie
provázejí, představuje paroplynový cyklus v kombinaci se zplyňováním uhlí (IGCC –
Integrated Gasification Combined Cycle). Ve zplyňovacím generátoru se vyrobený
energoplyn po vyčištění použije jako ušlechtilé palivo v plynové turbíně, která je obvykle
v sériovém zapojení s následujícím parním oběhem.
V práci se nejprve zabývám rozborem technických možností paroplynových zařízení,
inovacemi, které vedou ke zvyšování účinnosti paroplynového cyklu. Současná technologie
umožňuje dosažení celkové účinnosti systému IGCC na úrovni 45 ÷ 46 %. S novou generací
plynových turbín se vstupní teplotou spalin 1400 ÷ 1450°C je reálné překročení hodnoty přes
50 % kolem roku 2015. Tepelná účinnost tedy roste ročně v průměru jen o desetiny procenta,
i to však představuje obrovskou úsporu paliva a zmenšení ekologické zátěže.
Na příkladu paroplynové elektrárny se zplyňováním uhlí ve Vřesové jsem provedla
zhodnocení technických možností tohoto paroplynového cyklu z hlediska elektrizační
soustavy (ES) ČR, což znamená hlavně poskytování podpůrných služeb. Základním palivem
této paroplynové elektrárny je energoplyn, vyráběný tlakovým zplyňováním vlastního
hnědého uhlí kyslíkoparní směsí, doplňkovým palivem pak zemní plyn. Zemní plyn je
využíván převážně ke špičkové výrobě elektrické energie a k zajištění regulace vyvolané
zatížením soustavy.
Vzhledem ke svým dynamickým vlastnostem poskytuje elektrárna podpůrné služby pro
ČEPS, a. s. (provozovatel přenosové soustavy ČR). Povinností ČEPS, a. s. je kromě základní
úlohy přenosu elektrické energie také zajištění systémových služeb nezbytných pro bezpečný
a spolehlivý provoz ES a zajištění kvality elektřiny. K tomu využívá právě podpůrných služeb
nakoupených od jednotlivých dodavatelů.
Na srovnání jednoho bloku paroplynové elektrárny ve Vřesové s klasickým
hnědouhelným blokem téměř o stejném jmenovitém výkonu je z certifikovaných parametrů
dobře vidět rozdíly v dynamických vlastnostech obou bloků. Oba certifikované bloky
vyhovují parametrům Kodexu PS (přenosové soustavy), Vřesová však i při svém poměrně
malém výkonu poskytuje mnohem více podpůrných služeb s lepšími dynamickými
vlastnostmi z hlediska potřeb ES.
V závěru jsem provedla na reálných datech poskytnutých Sokolovskou uhelnou, a. s.
ekonomickou analýzu poskytovaných podpůrných služeb z paroplynové elektrárny Vřesová.
Výpočet je proveden pro květen 2003 jako typický letní měsíc a pro listopad 2003 jako
typický zimní měsíc. Tržby obsahují platby za skutečně prodanou elektrickou energii a platby
od ČEPS a. s. za poskytované podpůrné služby. Náklady uvažuji pouze palivové, neboť ty
mají z hlediska nákladů prioritu. Výnosy jsou pak rozdílem mezi tržbami a náklady.
Pro zhodnocení efektivity využívání zdrojů ve Vřesové jsem ještě provedla fiktivní
výpočet pro případ, že by elektrárna pracovala stále jen ve vysokém a nízkém tarifu a
veškerou vyrobenou elektrickou energii by prodávala jako silovou elektřinu. Podpůrné služby
pro ČEPS, a. s. by neposkytovala. Výsledkem je, že takový provoz paroplynové elektrárny by
byl značně neekonomický a vedl by k obrovským ztrátám.
10
Návrh kogenerační jednotky pro stávající kotelnu SVA Holýšov
Petr Dvorský - EE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
V této práci se zabývám možností přeměny stávající výtopny závodu SVA Holýšov na
kogenerační jednotku. To znamená doplněním stávajících kotlů o turbínu a generátor a
vyvedením elektrického výkonu do stávající rozvodny. Kogenerace, tedy kombinovaná
výroba elektrické energie a tepla, je všeobecně uznávána jako ekologicky šetrný způsob
získávání energie snižující nejen zátěž pro životní prostředí, ale i energetickou náročnost
celého hospodářství. Proto jsou otázky týkající se kogenerace v současnosti velmi aktuální.
V první části je vysvětlen pojem kogenerace a základní principy zařízení, které mohou
být při kogeneraci použity. Kogenerace je společná výroba elektrické a tepelné energie.
Kombinovaná výroba se vyznačuje nižší spotřebou paliva v porovnání s oddělenou výrobou
tepla ve výtopnách a výrobou elektrické energie v kondenzačních elektrárnách. Energetické
využití paliva je proto podstatně vyšší. Využívání kogenerace znamená významnou úsporu
neobnovitelných fosilních paliv a této úspoře odpovídající snížení emisí škodlivin ze zdrojů
energie v globálním měřítku. Kombinované výroby lze dosáhnout pomocí několika typů
zařízení, které se od sebe liší způsobem i stupněm přeměny primárního paliva na obě
sledované složky, tj. tepelnou a elektrickou energii. Jedná se o:
•
parní kogenraci
•
plynovou kogeneraci
•
paroplynovou kogeneraci
•
kogeneraci palivovýmí články
Ve druhé části práce je proveden návrh vhodné kogenerační jednotky, která by pokryla
energetické požadavky závodu. Z měření spotřeby tepelné a elektrické energie, kterou závod
skutečně spotřeboval za minulý rok, je možné vhodně navrhnou velikost kogenerační
jednotky. Jelikož je k dispozici stávající uhelná kotelna, která vyrábí středotlakou páru, bude
se v tomto případě jednat o parní kogeneraci. Z jmenovitých hodnot kotle (jmenovitý tlak,
jmenovitá teplota a průtočné množství) a požadavků na tepelnou energie (technologická pára,
teplá užitková voda) jsem stanovil maximální elektrický výkon, který může být dosažen.
Podle tohoto výkonu jsem zvolil vhodnou velikost turbosoustrojí (turbína + generátor) dle
aktuální nabídky výrobců těchto zařízení. Nejlepší volbou je vhodně navržená protitlaká
turbína. Dále v této části sleduji provoz kogenerační jednotky, a to ze tří hledisek:
1) kogenerační jednotka pokrývá tepelnou spotřebu závodu, přebytek (nedostatek)
elektrické energie je dodáván (odebírán) do (z) elektrické sítě
2) kogenerační jednotka pokrývá elektrickou spotřebu závodu, přebytek tepelné energie
je znehodnocen a nedostatek je vyráběn náhradním zdrojem
3) kogenerační jednotka pracuje na jmenovitý výkon, přebytek tepelné energie je
znehodnocen a přebytek elektrické energie je dodáván do elektrické sítě
Ve třetí části se zabývám ekonomickým zhodnocením jednotlivých variant, které
srovnávám se současným zásobováním závodu tepelnou a elektrickou energií. Ekonomická
výhodnost kogenerační jednotky spočívá v tomto případě ve výrobě elektrické energie, kterou
by bylo jinak nutné nakoupit od dodavatele. Jako nejvýhodnější z tohoto hlediska je provoz
kogenerační jednotky, která pokrývá elektrickou spotřebu závodu.
11
Přechod elektroenergetické společnosti na liberalizovaný trh
Michal Fuka - KE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Práce se zabývá přechodem elektroenergetické společnosti na liberalizovaný trh. Cílem
je provést analýzu společnosti při přechodu na liberalizovaný trh, což je podmíněno rozborem
legislativy nutné pro tuto oblast, poskytnutím základních informací o procesu
restrukturalizace společnosti a výkladem o situaci na trhu s elektřinou. Proto je práce
rozčleněna do šesti základních podtémat, jimiž jsou: analýza legislativy v oblasti
elektroenergetiky, analýza vnitřních potřeb společnosti a navržení procesů restrukturalizace,
analýza institucí nutných a podmiňujících liberalizovaný trh s elektřinou a identifikace dalších
systémových potřeb pro řádné fungování liberalizovaného trhu, analýza prostředí
a identifikace nových společností, určení podmiňující finanční stability a provedení analýzy
a segmentace společností v orientaci na cílovou skupinu obchodních partnerů.
V první části práce je uvedena potřebná legislativa obsahující poslední novelizace
souvisejících zákonů a vyhlášek. Zpracování této části práce je provedeno tak, aby bylo
možné snadno a rychle nalézt potřebný právní předpis. Legislativa je v této práci uváděna ve
znění platném k 30. 4. 2004. Důraz je kladen nikoli pouze na určení, ale i na rozbor hlavních
dokumentů, kterými jsou zákon č. 458/2000 Sb., ve znění novely 278/2003 Sb., zákon
č. 406/2000 Sb. a související vyhlášky. Podstatná část tohoto podtématu se však zabývá
zákonem č. 458/2000 Sb., ve znění novely 278/2003 Sb. a souvisejícími vyhláškami.
Druhá část je zaměřena na proces restrukturalizace společnosti. Je zde navržen obecný
postup, jak restrukturalizovat společnost, spolu s doporučeními, jakých chyb se při tomto
procesu vyvarovat. Jsou zde také jmenovány renomované poradenské společnosti působící
v oblasti energetiky.
Ve třetí části jsou uváděny instituce, jenž jsou označeny jako nutné a podmiňující
liberalizovaný trh s elektřinou. Takto provedené dělení je zavedeno z důvodu rozlišení
a určení důležitosti jednotlivých institucí. Pro rozdělení institucí je hlavním faktorem jejich
vztah k trhu. To znamená, jakým způsobem trh ovlivňují a jak významnou funkci hrají
rozhodnutí těchto institucí pro další účastníky trhu. Vybrané instituce jsou Ministerstvo
průmyslu a obchodu (pouze jako orgán státní správy), Energetický regulační úřad, Operátor
trhu s elektřinou, Státní energetická inspekce a Česká energetická agentura. Instituce
Energetický regulační úřad a Operátor trhu s elektřinou jsou označeny jako instituce nutné,
jelikož jejich rozhodnutí mají zásadní vliv na další vývoj trhu. Státní energetická inspekce
a Česká energetická agentura jsou označeny jako instituce podmiňující. Jejich vliv na trh lze
označit jako nepřímý nebo sekundární.
Ve čtvrté části práce jsou uvedeny společnosti působící na trhu s elektřinou. Společnosti
jsou rozděleny na výrobce, distributory – obchodníky a „čisté“ obchodníky. Z každé skupiny
těchto účastníků na trhu je zvolena společnost reprezentující celou skupinu. Za výrobce
Elektrárny Opatovice, a. s., za distributory – obchodníky ze Skupiny ČEZ Západočeská
energetika, a. s., z koncernu E.ON Jihomoravská energetika, a. s. a dále Pražská energetika,
a. s. jako samostatně stojící distributor. Za „čisté“ obchodníky je zvolena společnost Moravia
Energo, a. s. U těchto společností je provedena predikce jejich přežití na trhu a jejich další
role na trhu. Jako výrobce není zvolena společnost ČEZ, a. s., jelikož tu lze hodnotit o úroveň
výše, tj. v kontextu obchodníka s elektřinou na evropském trhu.
V páté části je proveden výpočet prostředků potřebných pro fungování jedné ze
společností na trhu. Završením práce je šestá část, v níž je provedena analýza a segmentace
jednotlivých společností v orientaci na cílovou skupinu obchodních partnerů. Jednotlivým
zástupcům, jejichž rozdělení je dáno ve čtvrté části, jsou doporučeny postupy, jak se dále na
trhu chovat a jaké obchodní partnery zvolit.
12
Posuzování řídícího systému JE z hlediska EMC
Lukáš Jaša - EE 5
lektor: doc. Ing. Jiří Laurenc, CSc. - KEE
Firma ŠKODA ENERGO s.r.o., závod CONTROLS se zabývá vývojem a realizací
řízení regulačních tyčí jaderných elektráren typu VVER 1000 a VVER 440. Modernizovaný
systém skupinového a individuálního řízení regulačních tyčí jaderného rektoru VVER 1000,
označovaný zkratkou SGIU-M (sistema gruppovogo i individuaľnogo upravlenija modernizirovannaja) nahrazuje stávající systém skupinového řízení SGIU. K dnešnímu dni je
úspěšně provozován již na třech blocích jaderných elektráren (dále JE) na Ukrajině. První
z nich byl uveden do provozu v roce 1996 na 1. bloku Jihoukrajinské JE, další v létě roku
1998 na 1. bloku Chmelnické JE a zatím poslední na podzim téhož roku na 2. bloku
Jihoukrajinské JE. Ve všech uvedených případech šlo o rekonstrukci již provozovaného bloku
záměnou původního systému SGIU (jiného výrobce) novým systémem SGIU-M. Při návrhu,
vývoji a realizaci těchto rozsáhlých a náročných systémů byla zúročena více než třicetiletá
tradice výroby elektronických zařízení ve společnosti ŠKODA Plzeň.
Systém SGIU-M je velmi rozsáhlé zařízení, sdružující prvky číslicového řídicího
systému a analogové řídicí a výkonové elektroniky. Zařízení systému je složeno z více než
1000 elektronických jednotek a je umístěno (v závislosti na konkrétní konfiguraci - podle
počtu regulačních tyčí v reaktoru) ve 43 nebo 52 skříních a ve třech speciálních konstrukcích.
V celém systému SGIU-M pro reaktor s 61 tyčí je použito 1062 mikropočítačů a
mikrokontrolérů typů Intel 80C186, 80C196 a 80C152.
Struktura systému SGIU-M je rozdělena do dvou základních úrovní. Dolní úroveň,
bezprostředně spojenou s pohony regulačních tyčí, tvoří skříně silového řízení (PSU) a skříně
vyhodnocení polohy (PKP). Horní úroveň tvoří skříň skupinového a individuálního řízení
(PGIU), skříně příjmu a zpracování signálů ochran (PPKZ), skříň diagnostiky (PD) a
prostředky spojení operátora se systémem, které tvoří blok ručního řízení (BRU) a zařízení
komunikace a indikace (UKI), umístěné na pultu operátora, a zařízení hrubé indikace polohy
(UGIP), umístěné na panelu hlavní blokové dozorny i nouzové blokové dozorny.
Hlavním cílem diplomové práce je posouzení řídícího systému SGIU-M z hlediska
elektromagnetické kompatibility podle norem ČSN 6000-1-1 a ČSN EN 55011. Základním
požadavkem pro zařízení takového stupně bezpečnosti jakou je jaderná elektrárna je splnění
funkčního kritéria A (viz ČSN 6000-1-1). To znamená, že všechna zařízení, která jsou
náchylná na vnější vlivy musí být odrušena, aby nedošlo k případnému falešnému
vyhodnocení povelu nebo k havárii celého řízení regulačních tyčí. Havárie by poté mohla
znamenat velké materiální škody a ztráty na životech. Rušivý signál může ovlivňovat
elektrické zařízení po vedení nebo formou vyzařování elektromagnetického pole. Přenos
informace datovými kabely v řídícím systému je ovlivňován okolními rušivými vlivy. Každý
typ rozváděcí skříně se podrobil náročnému testování podle nejpřísnějších kritérií.
Zajištění spolehlivosti - systém SGIU-M je podle pravidel jaderné bezpečnosti
klasifikován jako systém s vlivem na jadernou bezpečnost. Tomu odpovídají vysoké nároky
na spolehlivé zajištění funkcí systému.
Rozdělením funkcí systému mezi jednotlivé lokální podsystémy je dosaženo vysoké
celkové spolehlivosti. Výpadek jednoho lokálního podsystému buď vůbec nemá vliv na
zajištění požadované funkce (v případě redundance podsystémů), anebo způsobí omezení
funkce z hlediska rozsahu přípustné. Pro rychlou identifikaci poruchy je v celém systému
uplatněn princip dvouúrovňové diagnostiky.
Práce obsahuje i přílohu v podobě detailních fotografií vybraných rozváděcích skříní.
13
Ocenění nedodané energie, charakteristika škod vzniklých krátkodobým
poklesem napětí
Martin Kašpírek - EE 5
lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE
V budoucnu s sebou liberalizace trhu s elektrickou energií přinese penalizaci dodavatelů
elektřiny za nesplnění spolehlivostních limitů u odběratelů, jako je tomu již v některých
zemích EU. Cílem práce je vyčíslit peněžní ztráty, které odběrateli vzniknou při přerušení
dodávky elektřiny nebo při krátkodobém poklesu napětí, jakožto ukazateli její kvality .
Pro představu o charakteru výroby v podniku a výši škod byl pro odběratele vypracován
dotazník, který zjišťuje technickoekonomická data, jejichž znalost je nutná k vyčíslení
celkové finanční ztráty. Dále ZČE vybralo určitý reprezentativní okruh odběratelů
rozložených po celém území plzeňského a karlovarského kraje. Tito odběratelé byli vybráni
náhodným způsobem tak, aby v souboru byli významní odběratelé a také běžní odběratelé ze
sítě vn. Celkem bylo navštíveno 52 odběratelů.
U těchto odběratelů vznikaly podle charakteru výroby větší či menší ztráty, které je
možno rozdělit následujícím způsobem:
1) Základní ztráta fixní. Vznikne v důsledku časového nevyužití strojů a zařízení v důsledku
přerušení výroby vlivem přerušení dodávky elektrické energie. Jedná se vlastně o roční
výši odpisů výrobního zařízení vztažených na dobu přerušení včetně času potřebného na
návrat k normálnímu režimu výroby.
2) Zmařený materiál vlivem přerušení dodávky elektřiny nebo krátkodobého poklesu napětí.
Většinou se jedná o materiál použitý ke zhotovení výrobku, který je zmařen vlivem
nedokončení technologického procesu nebo vlivem špatné funkce například obráběcího
zařízení v okamžiku výpadku.
3) Prostoj ve výrobě. Jedná se o zjištění objemu personálních výdajů, které musel odběratel
vynaložit za dobu přerušení dodávky. Je třeba započítat také čas potřebný na obnovení
výroby po obnovení dodávky. Tento čas je různý a závisí na technologii výroby.
4) Penále a pokuty za pozdní dodávky, které je nutné zaplatit z důvodů nedodržení
smluvních limitů dodávek výrobků.
5) Ostatní náklady jako jsou náklady vzniklé nutností vyhlásit náhradní směnu ke
kompenzaci výroby, energetická ztráta která vznikne vychladnutím technologických
produktů, náklady na výrobu elektřiny ve vlastním nouzovém agregátu a jiné.
Vedle výše uvedených škod je možné také započítat do negativ ztrátu zisku úměrnou
době přerušení produkce v důsledku výpadku dodávky elektřiny.
Součet všech položek roční škody podle druhů a zisku pak můžeme vztáhnout na objem
nedodané energie. U krátkodobého poklesu napětí vztahujeme škodu na 1 incident. K znalosti
nedodané energie bylo třeba v databázi o poruchách ZČE vyhledat doby trvání výpadků u
jednotlivých odběratelů, z nich určit souhrnnou roční dobu trvání výpadku a dále určit střední
předpokládaný odebíraný výkon podniku. Tento střední výkon se určí z roční spotřeby
elektrické energie a roční doby využití výrobního zařízení.
14
Paroplynové zařízení v ostrovním režimu provozu
Jitka Müllerová - EE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Tématem této práce je rozbor potřeb a technických možností elektrárenského bloku
v ostrovním režimu z hlediska potřeb elektrizační soustavy a návrh potřebných úprav pro
využití paroplynového zařízení Vřesová pro ostrovní provoz.
V současné době je elektroenergetická soustava České republiky integrována do
západoevropské soustavy UCTE. V souvislosti s tím byly v naší soustavě zahájeny rozsáhlé
práce na zavedení primární regulace frekvence u většiny elektrárenských bloků, zlepšení
dynamiky a rozšíření regulačního rozsahu sekundární regulace. V souladu se základními
podmínkami pro propojení s UCTE probíhá řada činností zajišťujících spolehlivé chování
soustavy nejen v normálním provozním stavu, ale i v mimořádných stavech. V rámci
integrace je nutné řešit i obranné plány proti šíření systémových poruch a plány obnovy
soustavy po poruše typu black-out. Pomocí těchto opatření je možné omezit na minimum
dlouhodobé výpadky na rozsáhlých územích.Elektrárny tvoří součást elektrizační soustavy.
Jednotlivé prvky (paralelně pracující elektrárny, transformační stanice, přenosová vedení,
elektrické spotřebiče) se vzájemně ovlivňují a porucha jednoho celku působí na ostatní.
Nejzávažnější poruchou je rozpad velké synchronní soustavy na několik ostrovních oblastí s
nižší stabilitou.
Příčina vzniku těchto poruch je různá (těžké zkraty, nesprávná manipulace, nesprávné
působení ochran atd.) a je většinou v přenosové soustavě. Porucha se velmi rychle šíří a
výrazně zhoršuje provozní podmínky všech prvků elektrizační soustavy, včetně elektráren.
Vážná porucha vzniká jako důsledek vícenásobných nepříznivých náhodných událostí.
Pravděpodobnost výskytu takovéto situace můžeme určit pomocí pravděpodobnosti jednotlivé
události. Výsledkem jsou velmi nízké hodnoty, takže je obtížné porozumět, proč podobné
situace vznikají. Proto je každá porucha podrobně analyzována a jsou přijata nápravná
opatření. I přes uvedené skutečnosti dochází poměrně často k rozpadům elektrizační soustavy.
Příkladem je totální rozpad soustavy v Kalifornii a výpadek Itálie.
Při paralelním provozu elektrizační soustavy ČR se sítěmi sousedních států vznikají
poruchy, které ve svých důsledcích mohou vést k oddělení jisté části soustavy buď uvnitř
elektrizační soustavy ČR nebo i v rámci propojené soustavy UCTE, a tím k vytvoření
izolovaně pracujících ostrovních sítí.
Ostrovní provoz elektrizační soustavy je sice mimořádný, ale ze spotřebitelského i
ekonomického hlediska velmi významný provozní stav, neboť zvládnutý provoz v ostrovním
režimu umožní zkrátit celkovou dobu obnovení celé sítě, minimalizuje nebezpečí poškození
zařízení, a tím minimalizuje dobu výpadku dodávky elektrické energie spotřebitelům.
Ostrovní provoz klade značné nároky na regulační vlastnosti elektráren, vyžaduje specifický
způsob řízení a regulace výkonu bloku (zejména ve fázi přechodu) a vhodně nastavené
frekvenční odlehčování v oblasti ostrova. Schopnost bloků účastnit se provozu v ostrovní
oblasti je jedním z ukazatelů kvality elektrizační soustavy.
Obsahem této práce tedy je:
• rozbor potřeb a technických možností provozu elektrárenského bloku v ostrovním
režimu z hlediska potřeb elektrizační soustavy,
• porovnání technických možností velkého paroplynového zařízení a klasického
elektrárenského bloku,
• provedení návrhu potřebných úprav pro využití paroplynového zařízení pro ostrovní
provoz,
• provedení výpočtu ekonomického přínosu instalace regulátoru ostrovního provozu u
paroplynového zařízení Vřesová.
15
Program pro výpočet zkratových poměrů v ES určený pro výukové účely
Martin Němeček - EE 5
lektor: Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. - KEE
Cílem této práce je vytvoření programu pro výpočet zkratových poměrů v ES, který by
byl využíván při výuce předmětů zaměřených na obor elektroenergetika.
Program byl vytvořen v prostředí Borland Delphi a je určen pro operační systémy
Windows 95 a vyšší verze. Jeho účelem je poskytnout uživatelům (studentům) možnost
snadno namodelovat část schématu ES a provést detailní analýzu zkratových poměrů. Pro
algoritmus výpočtu byla použita metoda superpozice aktivní a pasivní sítě s využitím metody
souměrných složek. Síť byla modelována admitanční maticí, jednotlivé prvky ES byly
nahrazeny ekvivalentními dvojbrany typu Pí-článek, z nichž byla tato matice sestavena. Při
výpočtu se uvažují reálné i imaginární části impedancí prvků, počítá se s komplexními čísly
v poměrných jednotkách s přepočtem na vztažný výkon.
Výpočet vychází z některých zjednodušujících předpokladů, např. uvažují se fiktivní
převody transformátorů, neuvažuje se vliv zatížení sítě, zpřesnění výsledků je možno
dosáhnout dosazením hodnot předporuchových uzlových napětí získaných z měření nebo
z řešení ustáleného chodu sítě (tento výpočet již není součástí tohoto programu).
Schéma sítě lze zadávat v interaktivním editoru sítě, s plnou podporou technologie
Drag&Drop (jednotlivé objekty je možno přesunovat myší). Jednotlivé prvky sítě mají vlastní
formuláře, které značně usnadňují zadávání vstupních parametrů. Zadávání parametrů vedení
a transformátoru usnadňuje možnost volby daného typu vedení z předdefinované tabulky
typových prvků. V program je možno zvolit výpočet těchto druhů poruch: trojfázový,
dvojfázový a dvojfázový zemní zkrat a jednofázový zkrat/ zemní spojení. Uživatel si dále
může určit, v kterém uzlu zadaný typ poruchy chce řešit a zda chce při výpočtu uvažovat
případný odpor poruchy. Výstupy výpočtu jsou prezentovány jednak v textové formě (soubor
s výpisem výsledků) a jednak v grafické formě (zabudovaný prohlížeč výsledků, který
umožňuje vykreslení fázorových diagramů napětí v uzlech po poruše - fázové i složkové
veličiny- viz obrázek).
Výpočet byl navržen v souladu s normou ČSN 33 3020. Jednou ze základních
vypočtených hodnot je hodnota rázového zkratového proudu. Výstupem je tedy stav sítě
v prvním okamžiku po vzniku poruchy. Výsledky lze použít pro dimenzování zařízení ES.
Obrázek - ukázka prohlížeče výsledků - fázorový diagram zemního spojení v poruchovém uzlu
16
Stanovení optimální provozní skladby kotelních jednotek pro maximální
výrobu elektrické energie a uspokojení okamžitých potřeb distribuční
tepelné soustavy města Ústí nad Labem
Jiří Petr - EE 5
lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE
Prvotním úkolem provozu teplárny je výroba a distribuce tepelné energie do napájené
rozvodné sítě. Teplárna v Ústí nad Labem zásobuje jednu z největších tepelných soustav
v České republice. Provozovaná soustava je tvořena čtyřmi páteřními napáječi, její délka
přesahuje 100 km a počet odběrných míst se blíží k 27 000. Tepelná energie je distribuována
v páře a je využívána pro technologické účely, vytápění a ohřev teplé užitkové vody. Jako
druhořadý požadavek je stanovena výroba elektrické energie, která je na výrobě tepelné
energie závislá. Úkolem této práce je nalézt optimální kombinaci výkonů jednotlivých
kotelních jednotek, která při pokrytí potřeby tepelné energie do distribuční soustavy zajistí i
k maximální výrobu elektrické energie.
Velikost odebírané tepelné energie se odvíjí od venkovní teploty. Její závislost na
venkovní teplotě je v topné sezóně lineární a mimo topnou sezónu se určuje střední hodnota,
která představuje potřebu tepla na ohřev teplé užitkové vody a technologické účely. V topné
sezóně je tato hodnota zvýšena potřebou tepla pro vytápění. Prvním krokem bylo tedy
stanovení této závislosti. Ze získaných hodinových náměrů z období mezi 1.9.2002 - 1.9.2003
jsem vybral dny, které podle venkovní teploty spadaly do topné sezóny. Po jejich filtraci a
proložení regresní přímkou jsem získal hledanou lineární závislost. Z ostatních hodnot jsem
po odstranění redundantních prostým aritmetickým průměrem stanovil potřebu tepla mimo
topnou sezónu.
Pro pokrytí těchto požadavků je v teplárně v současné době instalováno šest kotelních
jednotek. Čtyři vysokotlaké kotle, dva o nominálním výkonu 50 t/h a dva s výkonem 145 t/h,
a dva teplárensky zapojené nízkotlaké kotle s výkonem 115 t/h. Pro výrobu elektrické energie
má teplárna k dispozici tři protitlaké turbiny s výkonem 16 MW a na zpracování přebytečné
nízkotlaké páry dvě kondenzační turbiny o výkonu 20 MW, zároveň tyto dvě turbiny slouží
k regulaci U a Q v pilotním bodě distribuční soustavy Koštov. Dalším zařízením, které se
v areálu teplárny nachází je paroplynový cyklus, sloužící jako dispečerská záloha ČEPS, a. s. .
Při svém plném výkonu dodává do společného parního rozvodu teplárny 109 t/h vysokotlaké
a 14 t/h nízkotlaké páry. Základním problémem bylo sestavení bilančního diagramu toků
jednotlivých energií a sestavení příslušného matematického modelu: součet energií
obsažených v páře vyrobené na jednotlivých kotlích, snížených o vlastní spotřebu, případný
součet s energií dodávanou v páře při provozu paroplynového cyklu a následné dělení na
tepelnou energii spotřebovanou pro tepelné účely, tvořenou vlastním otopem a energií
dodávanou do parovodu, a energii využitou pro výrobu elektrické energie na jednotlivých
turbosoustrojích. Jelikož je paroplynový cyklus majetkem jiné společnosti, je třeba v případě
jeho provozu provést určení podílu na výrobě elektrické energie v turbinách ústecké teplárny.
Výpočty mapují tři základní turbinové provozní stavy teplárny. Těmi jsou standardní provoz,
provoz bez jedné kondenzační turbiny a provoz bez jedné protitlaké turbiny. Pomocí
fiktivních cen je provedeno i ekonomické hodnocení jednotlivých provozů. Provedená studie
se snaží nalézt teoretické maximum výroby elektrické energie. Oproti reálnému plánování
výroby nezohledňuje nevhodnost provozu kotlů na výkonech blízkých minimálním
povoleným hodnotám. V závěru jsem porovnával svůj teoretický výpočet s reálným provozem
a prováděl studii nasazení nové kotelní jednotky jako náhrady ze dvě starší, již dosluhující,
které navíc plně nevyužívají výrobní možnosti turbosoustrojí, jež svou parou zásobují.
17
Optimální konfigurace sítě při nasazování obnovitelných zdrojů energie
Miloslav Průcha - EE 5
lektor: doc. Ing. Jan Mühlbacher, CSc. - KEE
Tato práce se zabývá obnovitelnými zdroji energie, které lze v podmínkách České
republiky připojit do elektrické sítě. Týká se to tedy malých vodních elektráren, větrných
elektráren, fotovoltaických elektráren a elektráren spalujících biomasu.
V této práci se snažím shrnout problematiku obnovitelných zdrojů energie z jejich
„elektrické“ strany, neboť tyto zdroje mají určité specifické vlastnosti, které jsou dány jejich
charakterem, zvláště závislost výroby elektrické energie na přírodních podmínkách. Pozornost
v této práci věnuji charakteristikám těchto zdrojů, které mají vliv na spolehlivost a kvalitu
dodávky elektrické energie. Dále chováním těchto zdrojů v síti provozovatele distribuční
soustavy, jejich možný vliv na regulaci napětí, vliv výkonových výkyvů těchto zdrojů na
napěťovou křivku v místě připojení a také posouzení různých variant konfigurací sítě, do níž
pracují tyto zdroje, z hlediska výhodnosti jejich provozu.
Současný trend energetické politiky Evropské unie směřuje k maximálnímu možnému
využití energie z obnovitelných zdrojů. Evropská Směrnice 2001/77/EC požaduje, aby byl
v roce 2010 podíl elektrické energie z obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě elektrické
energie v unii 21 %. Důvody vedoucí k tomuto rozhodnutí jsou hlavně dosažení co
nejefektivnějšího a šetrného využívání primárních energetických zdrojů, snižování zátěže
životního prostředí z energetických procesů a snížení závislosti na dovozu energetických
surovin. Pro Českou republiku platí zvýšení podílu elektrické energie vyrobené
z obnovitelných zdrojů na hrubé spotřebě elektrické energie do roku 2010 ze stávajících 3,8 %
na 8 %.
Pro splnění tohoto závazku je nutná určitá podpora těchto zdrojů, aby byly schopné
konkurence vůči konvenčním zdrojům. Ovšem obnovitelné zdroje energie dodávající do
distribuční soustavy elektrickou energii mohou negativně ovlivnit její provoz. Problémy
způsobují zejména odchylky výkonů, které plynou z přirozené povahy těchto zdrojů. Týká se
to především větrných elektráren, kde vznikají výkonové odchylky vlivem okamžitých změn
rychlosti větru. Podobnou vlastnost mají i fotovoltaické elektrárny, kde tyto odchylky
způsobuje změna oblačnosti, ale výkon těchto zdrojů se pohybuje v jednotkách až desítkách
kW a jejich počet v naší soustavě je zatím zanedbatelně malý. Největší zastoupení
obnovitelných zdrojů energie, které dodávají elektřinu do naší sítě, tvoří v současné době
malé vodní elektrárny, kde problémy s okamžitými změnami výkonu prakticky neexistují.
Elektrárny spalující biomasu jsou také z hlediska negativního působení na síť zcela
bezproblémové.
Chování obnovitelných zdrojů jsem vyšetřoval ve vytvořeném modelu části sítě kam
pracuje takový zdroj. Při vytváření modelů jsem uvažoval souměrnou síť, zanedbal jsem
veškeré nelinearity a počítal poměry pouze v jedné fázi.
Pokud do paprsku vložím malý zdroj, tak se změní průběh napětí podél vedení
v závislosti na výkonu a účiníku tohoto zdroje. Pokud výkon zdroje přesáhne určitou mez,
může napětí v některém z bodů podél vedení přesáhnout povolenou hodnotu. Při výkonových
změnách větrné elektrárny může dojít v závislosti na podmínkách k nežádoucímu ovlivnění
napěťové křivky. Jedná se o rychlé změny (výkyvy) napětí v místě připojení. Ty můžou
negativně ovlivnit provoz blízkých spotřebičů. Výkyvy napětí je možné zmírnit připojením do
místa s vyšším zkratovým výkonem (nižší impedancí), provozem dané sítě (místo
paprskového provozu budu síť provozovat s propojením – okružní síť), nebo použiji některý
moderní typ větrné turbíny, kde je technickými opatřeními zajištěno zmírnění výkonových
výkyvů (větrné elektrárny s proměnlivými otáčkami).
18
Optimalizace provozu elektrických a tepelných komponentů a z toho
vyplývajících úspor elektřiny a tepla ve výrobě Teplárny Ústí nad Labem,
a.s.
Jaroslav Souček - EE 5
lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE
V provozu Teplárny Ústí nad Labem, a.s. je v současné době provozováno velké
množství komponentů. Mezi tepelné patří kotelní jednotky, turbosoustrojí, napájecí nádrže a
další a mezi elektrické komponenty patří elektronapáječky, kouřové a spalinové ventilátory
atd. V úvodu práce je naznačen historický vývoj teplárny a je podrobně popsána současná
technologie. Dále je detailně sepsána vlastní spotřeba jednotlivých jednotek Celková velikost
vlastní spotřeby je stanovena jak výpočtovým způsobem, tak z přímého měření PHD teplárny.
V současnosti dosahuje vlastní spotřeba 18 % z celkové vyrobené elektrické energie.
Úkolem práce je provést opatření ke snížení vlastní spotřeby elektřiny. Největšími
elektrickými spotřebiči v provozu teplárny jsou elektronapáječky, které slouží k dopravě
napájecí vody do kotle, jejich jmenovité výkony dosahují až 2 MW, přičemž je u některých
z nich provedena nehospodárná regulace škrcením na jejich výtlaku.
Ve škrtící armatuře dochází k maření energie, pro nejvytíženější elektronapáječku
EN 102 dochází ke škrcení z hodnoty 160 t/h až na 60 t/h. Mnohem hospodárnější je regulace
otáček čerpadla, při které dochází ke změně výkonu čerpadla. Změnu otáček čerpadla je
možné provést více způsoby.
Použití frekvenčních měničů je v současné době moderním trendem v teplárenství i
v elektrárenství a dalších průmyslových oblastech, kde je potřeba regulovat hltnost čerpadel či
ventilátorů. Při změně otáček čerpadla dojde k přesunu pracovního bodu, čímž dojde ke
zmenšení pracovní oblasti a tím i ke zmenšení výkonu čerpadla. Frekvenční měnič pracuje na
principu změny napájecí frekvence motoru a tím i změny jeho synchronních otáček a tím i
otáček jmenovitých. Při vyčíslení úspor při nasazení frekvenčních měničů na nejvytíženější
spotřebiče v provozu, jsem dosáhl úspory až 1,7 MW. Ekonomická návratnost pro
ektronapáječku EN 102 dosahuje šesti let. Při nasazení na největší spotřebiče jsem dosáhl pro
dvojí míry inflace návratnosti cca. 4 – 5 let, což považuji za uspokojivé.
Další možností regulace otáček je použití hydrodynamických spojek, pracujících na
principu regulace stavu hladiny mezi dvěma otáčejícími se plochami – hnací a hnanou.
Instalační cena hydrodynamických spojek je obecně menší, ale dosahuji menší účinnost, což
se nepříznivě projeví na velikosti uspořené elektrické energie. Úspora při použití
hydrodynamických spojek dosahuje cca 100 kW pro stejné režimy jako pro výpočet
frekvenčních měničů. Snížení vlastní spotřeby elektrické energie není tedy tak výrazné,
ovšem dosáhnu mnohem rychlejšího návratu investice.
Optimalizace tepelných komponentů zahrnuje instalaci regenerativního VTO ohřevu
napájecí vody u dvou kotelních jednotek V práci uvádím výpočet energetické bilance ohřevu.
Při použití VTO ohřevu lze dosáhnout zvýšení parního výkonu kotle ze současných 145 t/h na
160 t/h, což způsobí navýšení výroby elektrické energie a snížení měrných nákladů na palivo.
Při instalaci ohřevu dojde ke zlepšení provozního cyklu kotle a k návratnosti investice cca
2 roky.
Další oblastí práce je zlepšení vlastností kondenzátorů u turbosoustrojí TG 4 a TG 5,
kde je v současnosti svedena ucpávková pára do kondenzátoru, což způsobuje zhoršení vakua,
které vede ke zmenšení podtlaku. Tato změna způsobuje změnu entalpie emisní páry, která
má za následek snížení výroby elektrické energie v kondenzačním turbosoustrojí. Navrhnutou
možností řešení je svedení ucpávkové páry mimo kondenzát a provést kontinuální čištění
kondenzátu.
19
20
Sekce Elektronika
složení poroty
předseda
doc. Ing. Milan Štork, CSc.
členové
Ing. Kamil Kosturik, Ph.D.
Ing. Václav Koucký, CSc.
Ing. Martin Poupa, Ph.D.
21
Univerzální dvoukanálový čítač do 10 MHz
Martin Blahník - KE 5
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
Společnost TEDIA s.r.o. potřebovala vytvořit univerzální čítač, s velkým důrazem na
přesné měření dvou frekvencí a jejich poměru, hlavně pro oblast nad 1 kHz. Čítač je
realizován pomocí jednočipového mikroprocesoru od firmy CYGNAL, konkrétně
C8051F226, programovatelného hradlového pole typu FPGA a paměti typu flash. V obvodu
FPGA je realizováno v podstatě celé samotné měření. Mikroprocesor pak zpracovává a
vypisuje výsledky na LCD, dále zpracovává vnější nastavovací prvky a řeší komunikaci se
softwarem na osobním počítači přes rozhraní USB a COM.
Nastavení příslušných funkcí je obsluhováno pouze jedním otočným přepínačem, který
má v sobě umístěno potvrzovací tlačítko. Přepínač má možnost otáčení o 360° na obě strany a
funguje jako generátor dvou pulsních signálů, které zpracovává pole FPGA a pomocí
externích interruptů je předává mikroprocesoru.
Vypisování výsledků měření a výpočtů je realizováno pomocí displeje od firmy Data
Image Corporation rozložením znaků do čtyř řádek a dvaceti znaků na řádku. Velikost matice
jednotlivých znaků je zvolena na 5×8 bodů.
Další podstatnou částí zařízení je systém komunikace s osobním počítačem. Zařízení
umí komunikovat dvěma způsoby, a to přes USB port nebo přes rozhraní RS-485. Univerzální
čítač používá komunikační protokol AIBus2, který je standardním protokolem společnosti
TEDIA. Tento protokol umožňuje nastavit komunikační rychlost (600-115200Bd) a
komunikační adresu (0-255). Volba je implementována i v softwaru čítače. Volba se provádí
v komunikačním softwaru a je navržena tak, aby se dala případně rozšířit i na další
komunikace.
Blokové schéma univerzálního čítače:
Po vlastní realizaci zařízení jsem změřil výsledné parametry univerzálního čítače. Při
zaručených minimálních požadavcích na vstupní signály čítač spolehlivě pracuje na obou
kanálech až do 16 MHz. Ve spolupráci se zadavatelem jsem připravil ještě přídavný plošný
spoj, na kterém jsou osazeny nejen vstupní konektory, ale i vstupní zesilovače a tvarovače
signálu. Tak by měl čítač dosahovat ještě lepších parametrů i pro signály přesahujících
kmitočet 20 MHz i při střídách jiných než 50:50. Tento předpoklad bude ověřen v brzké době
dalším měřením po připojení těchto vstupních obvodů.
22
Implementace vyšších protokolů typu DNS, DHCP a SNMP na vývojové
desce s procesorem C8051F226
Tomáš Hájek - ES 5
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
Rozvoj a snižování cen jednočipových mikropočítačů mají za následek jejich hromadné
nasazování. Čím více máme takovýchto zařízení tím složitější je jejich údržba a řízení.
S rozsáhlým rozvojem počítačových sítí se naskýtá možnost připojení malých
mikroprocesorových zařízení do těchto sítí a jejich vzdálená správa přes síť.
Hlavní náplní této práce je implementace automatické síťové konfigurace malých
mikroprocesorových zařízení použitím protokolu DHCP a řešit s tím spojené problémy.
Jedním z problémů je obnova sítové konfigurace po vypršení doby její platnosti.
Zařízení musí v pravidelných časových intervalech kontaktovat DHCP server a sdělit mu, že
chceme původní konfiguraci používat i nadále. Jelikož DHCP protokol je založen na
komunikaci s UDP pakety, není zaručeno, že DHCP zpráva bude doručena, musí se v případě
vypršení určitého časového intervalu v němž nebyla odpověď obdržena vyslání zprávy
opakovat.
Dalším a mnohem složitějším problémem je nalezení zařízení v síti, jelikož předem
neznáme IP adresu, kterou DHCP server přidělí zařízení. A ani není předem známa IP adresa
nebo název počítače, se kterým se bude komunikovat. Tím nastává situace, kdy jsou na síti
minimálně dvě zařízení, které spolu potřebují komunikovat, a které neznají žádné údaje
o druhém zařízení.
Pro řešení problému s nalezením zařízení byl použit protokol SNMP. Nadřazený
systém, který například shromažďuje data z takovýchto malých zařízení, prohlédne síť
pomocí zpráv protokolu SNMP, které budou obsahovat dotaz na položku obsahující název
zařízení. Podle tohoto názvu se již dá určit jestli jde o zařízení, se kterým chceme
komunikovat nebo o nějaké jiné. Pomocí zpráv SNMP lze zjistit i dobu platnosti záznamů,
doba po kterou je zařízení v provozu a také lze vzdáleně provést reset zařízení, což se dá
použít v případě kdy chceme, aby zařízení načetlo novou konfiguraci z DHCP serveru.
DNS protokol nemá v této aplikaci přímé použití, účelem jeho implementace je pouze
zjištění jeho hardwarových nároků. Protokol DNS bude použit až v navazujícím projektu.
Výsledkem projektu jsou knihovní funkce pro obsluhu TCP/IP řadiče a pro práci
s jednotlivými protokoly. Součástí projektu je i návrh možného řešení programu využívajícího
tyto funkce pro zjištění své síťové konfigurace.
Jelikož má být program použit na malých mikroprocesorových zařízeních bylo nutné
vše provést s co nejmenšími nároky na hardware, hlavně s ohledem na velikost datové paměti.
V následující tabulce jsou uvedeny paměťové nároky jednotlivých realizovaných protokolů.
V položce datové paměti není zahrnuta paměť pro uložení přijatého paketu, která má velikost
400 B. U protokolů SNMP a DNS stačí velikost vyrovnávací paměti 100 B. Všechny hodnoty
v tabulce jsou v bytech.
Tabulka s paměťovými nároky realizovaných protokolů
Protokol
Paměť
DHCP
SNMP
Datová
40
40
Programová
1796
1745
23
DNS
36
1376
Hlavní program
574
6861
Připojení zařízení CompactFlash a HDD k SW procesoru NIOS
František Krupka - PE 5
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
Kapacity paměťových karet Compact Flash stále rostou, je dosahováno stále vyšších
přenosových rychlostí a ceny těchto karet přesto klesají. CF karty mají malou energetickou
náročnost a jsou mechanicky velmi odolné. CF karty lze provozovat v režimu True IDE,
ve kterém se chovají stejně jako ATA disky a to umožňuje jejich vzájemnou záměnu. Nabízí
se tedy myšlenka využití těchto karet v různých aplikací k ukládání velkého množství dat
a k přenosu dat mezi aplikacemi a PC. Při návrhu aplikace využívající CF kartu či ATA disk
však záhy narazíme na problém jak strukturovat uložená data na paměťovém médiu. Máme
dvě možnosti jak řešit tento problém.
Prvním řešením je vytvořit si vlastní formát dat. Velkou výhodou tohoto řešení je
možnost vytvořit si jednoduchý formát dat, který nebude náročný na výpočetní výkon
a velikost paměti procesoru. Velký nedostatek tohoto řešení se projeví při přenosu dat mezi
aplikací a PC. Paměťové médium se bude v operačním systému PC chovat nestandardně
a bude potřeba vytvořit speciální software pro práci s tímto médiem.
Druhé elegantnější řešení je využití běžně používaného souborového systému. Velkou
výhodou tohoto řešení je, že jej podporují operační systémy na PC, takže přenos dat mezi
aplikací a PC je bezproblémový. Nevýhodou je však větší nárok na výpočetní výkon
a velikost paměti.
Cílem této práce je realizovat druhé řešení. Vyřešit hardwarové připojení CF karet
a ATA disků k softwarovým procesorům NIOS a v programovacím jazyce C napsat knihovnu
(driver) realizující práci se souborovým systémem FAT12, FAT16 a FAT32 na těchto
paměťových médiích.
Driver pro zpřístupnění dat uložených na připojeném paměťovém mediu je rozdělen do
dvou knihoven FAT a FILES. Definice funkcí obou knihoven a jejich chování je řešeno tak,
aby se co nejvíce shodovaly s definicemi a chování funkcí v Borland C verze 3.1.
Obě knihovny obsahují definice několika konstant, jejichž změnou lze modifikovat
chování knihoven a jejich paměťovou náročnost.
Knihovna FAT zajišťuje činnosti od komunikace s ATA zařízením či CF kartou na
nejnižší úrovni až po práci s adresáři a soubory. S připojeným paměťovým mediem se pracuje
v módu PIO 0. Přístup k souborům je řešen přes rukojeť (handle) a je nebufferovaný.
Knihovna dokáže najednou pracovat až s dvěma fyzickými disky a až s osmi logickými disky.
Knihovna obsahuje dvě funkce pro inicializovaní a ukončení činnosti knihovny, devět funkcí
pro správu disku a práci s adresáři a jedenáct funkcí pro práci se soubory.
Knihovna FILES je nástavbou knihovny FAT. Umožňuje bufferovaný přístup
k souborům přes strukturu F_FILE (obdoba přístupu k souborům přes strukturu FILE v C).
Knihovna obsahuje dvanáct funkcí pro bufferovaný přístup k souborů. Výhodnost použití této
knihovny se projeví při čtení a zápisu malých bloků dat.
Dosažené výsledky:
Hardware
Zápis [kB/s] Čtení [kB/s]
CF karta PRETEC 1,5 GB, FAT 32
Pro srovnání počítač PC, režim PIO 0
747
2400
TM
APEX 20K200E, NIOS 32, 40 MHz
450
871
Cyclone EP1C20F400C7, NIOS 32, 50 MHz
475
952
24
Modul přijímače VKV-FM s PLL a RDS
Richard Linhart - ES 4
lektor: Ing. Kamil Kosturik, Ph.D. - KAE
Cílem bylo co nejjednodušší a nejlevnější cestou zpřístupnit obsah datových přenosů
RDS, které jsou dnes standardní součástí vysílání každé rozhlasové stanice v pásmu VKV.
V rozhlasovém pásmu VKV 88-108 MHz se přenáší FM modulací tzv. signál MPX,
který v sobě zahrnuje všechny složky signálu dané stanice. Obsahuje součtovou složku (L+P)
zvukového signálu (monofonní zvuk), rozdílovou složku (L-P) zvukového signálu sloužící
k rekonstrukci stereofonního signálu, dále pilotní signál stereofonního vysílání 19 kHz, který
zapíná na přijímačích režim stereo a konečně na nosné 57 kHz datový přenos RDS. Zde jsou
data se zakódována diferenciálním kódováním a přenášena s rychlostí 1187,5 bit/s
dvoustavovou fázovou modulací PSK. Šířka pásma datového toku RDS je omezena na šířku
která je k dispozici tj. 57 kHz ± 2,4 kHz.
Popisované zařízení představuje modul, který v sobě zahrnuje veškeré věci potřebné pro
příjem daných signálů. Obsahuje přijímač pro pásmo 88-108 MHz, PLL pro ladění stanice,
dekodér signálů RDS, PLL pro získání netypického hodinového kmitočtu vyžadovaného
dekodérem a jednoduchý elektronický přepínač funkcí. Celý modul je možné řídit i sledovat
jen pomocí elektrických signálů vyvedených na konektoru, nemá žádné ovládací prvky. Části
přijímače a dekodéru RDS lze provozovat i odděleně (signál MPX z přijímače vyvést ven,
jiný signál MPX zavést do vstupu dekodéru).
Přijímač sestává ze vstupního filtru, ze vstupního bloku (tovární výroby) obsahujícího
vstupní předzesilovač oscilátor a směšovač. Na tento blok se váže PLL s obvodem SAA1057
umožňujícím ladit v celém pásmu s krokem 10 kHz. Parametry práce PLL závisí na jeho
nastavení pomocí vnitřních registrů: proud nábojové pumpy ovlivňuje rychlost / přesnost
ladění, typ fázového detektoru má vliv na rychlost ustálení frekvence při ladění v dlouhých
skocích / spektrální čistotu signálu. Sekce obvodu pro přijímače s AM není využita.
Na výstupu vstupního bloku je MF signál 10,7 MHz, který dále prochází zesilovačem s
jedním tranzistorem a dvěma keramickými filtry (1 na vstupu a 1 na výstupu). Po zesílení je
dále zpracováván speciálním obvodem TA8132AN pro přijímače AM/FM. Sekce AM opět
není využita. Uvnitř obvodu se nachází další MF zesilovač a kvadraturní FM detektor, na
jehož výstupu už máme signál MPX. Zbytek obvodu tvoří dekodér stereofonního signálu,
odkud potom vyvádíme zvuk R, L. Obvod dále indikuje přítomnost silného signálu a
přítomnost stereofonního pilotního kmitočtu rozsvícením kontrolky. Tyto signály jsou
přítomny také na konektoru v úrovních vhodných pro číslicové obvody (např. pro automatické
hledání stanic).
Dekodér RDS obsahuje standardní obvod TDA7330 který zajišťuje vše potřebné, tj. filtr
se spínanými kapacitami pro „vyčištění“ signálu MPX a PLL, který se zavěsí na frekvenci
datového signálu. Výsledkem jsou dva číslicové signály: RDCL - hodinový signál přenosu a
RDDA - datový signál. Tyto signály je již možné zpracovat mikropočítačem dle norem pro
RDS. Zda dekodér „pracuje naprázdno“ nebo zda má zrovna kvalitní signál nelze určit
vizuálně z průběhu výstupních signálů. Velkým kamenem úrazu snad všech dekodérů RDS je
však potřeba hodinového signálu (násobek 75kHz), který se má získat z krystalu. Vhodné
krystaly však prakticky nejsou k dostání a vybroušení krystalu na zakázku je velmi drahé.
Nelze sehnat ani násobky (děličky nepomůžou) a nároky na toleranci jsou velké (nosná
75 kHz musí mít přesnost 0,1 Hz!). Nejjednodušší (a vlastně také nejlevnější) je použít nějaký
PLL. Zde byl použit obvod, který se zde náhodou hodil, ale v dnešní době již praktické
uplatnění nemá (šel by použít i jiný běžný PLL, třeba opět SAA1057, ale je ho škoda). Jedná
se o obvod SDA2112-2 snad jeden z prvních PLL pro ladění televizorů. Tento obvod dále
poskytuje 3 programovatelné signály které řídí přepínač funkcí.
25
Jednoduchý www server na vývojové desce s obvodem Altera Cyclone
Luboš Majner - ES 5
lektor: Ing. Petr Kašpar - KAE
Tato práce se zabývá realizací www serveru, jehož přednosti spočívají především
v malých rozměrech a nízké spotřebě. K realizaci práce byla použita vývojová deska
s obvodem Altera Cyclone, která byla k dispozici na KAE FEL ZČU v Plzni díky grantu
Ministerstva školství FRVŠ č. 2322/2003/G1.
Základem vývojové desky je FPGA programovatelné hradlové pole Altera Cyclone
EP1C20F400C7. Obsahuje 20.060 logických elementů, 294.919 bitů vnitřní RAM paměti a
dva PLL pro úpravu hodinového signálu. V obvodu je naprogramován softwarový procesor
Nios 3.0. Ten je díky své flexibilitě a široké parametrizovatelnosti v současné době
nejpoužívanějším procesorem se softwarovým jádrem. Pro návrh byl použit návrhový systém
SOPC Builder dodávaný spolu s deskou, který obsahuje softwarový balík nástrojů Red Hat
GNUPro Toolkit. Návrhový systém je k dispozici zdarma.
K serveru je připojeno několik periferií. Jsou to zkušební deska s plošnými spoji
(obsahuje 8 LED diod a 8 přepínačů) a 12-bitový A/D převodník. Nastavení přepínačů na
desce lze sledovat po TCP/IP síti pomocí klasického internetového prohlížeče, stav LED diod
lze jednoduše nastavit pomocí formuláře na www stránce. Navzorkované hodnoty z A/D
převodníku je možné zobrazit na www stránce (posledních 24 hodnot), četnost vzorkování lze
na příslušné www stránce operativně nastavit v intervalu 1 vteřina – 5 minut.
Vlastní www server je naprogramován v jazyce C s využitím knihoven pro TCP/IP
stack dodávaných spolu s vývojovou deskou. Signály z připojeného A/D převodníku jsou
zpracovávány pomocí uživatelské logiky, naprogramované v jazyce VHDL. Www stránky
byly programovány v jazyce HTML a jsou uloženy ve flash paměti umístěné na vývojové
desce.
Server je schopen zpracovávat a odpovídat na dotazy HTTP protokolu verze 1.0 nebo
1.1. K tomu je potřeba navázání spojení na úrovni aplikační vrstvy, což vyžaduje předchozí
navázání spojení na úrovni linkové, síťové a transportní vrstvy. Při vyřizování požadavků
týkajících se stavu periferií desky je generována část HTML kódu dynamicky přímo
v serveru. Pomocí www stránek naprogramovaných do serveru lze zjišťovat nejrůznější
informace o stavu serveru jako jsou uptime, počet odeslaných a přijatých bytů a pod. Server
také dokáže odpovídat na dotazy protokolu ICMP (echo reply).
Místo uvedených periferií je možné k serveru připojit v podstatě jakoukoliv logiku, tato
práce je tedy dobrým základem pro jiné konkrétní využití. Tím může být například
monitorování a nastavování teploty, regulace osvětlení, monitorování objektu spolu
s ovládáním poplašného zařízení, atd.
Navržený www server je možné použít nejen na Internetu, ale také v sítích typu LAN,
což zvyšuje možnosti jeho využití. Lze využít již existují ethernetové rozvody a připojit www
server prakticky kdekoliv bez nutnosti instalace nových rozvodů.
Zařízení je vhodné použít na místech se zvýšenými požadavky na malou spotřebu, malé
rozměry, popř. jednoduchost obsluhy. Dále také tam, kde nejsou kladeny nároky na velký
počet vyřízených požadavků v krátkém časovém okamžiku a kde nedochází k přenosu
citlivých informací, neboť tato realizace neřeší zabezpečení přenášených dat šifrováním.
Podstatná výhoda je také rychlé bootování, systém je schopen odpovídat na požadavky
prakticky už za několik vteřin po připojení napájení. Realizovaný návrh je možné použít
v budoucnu jako základ složitějších aplikací.
26
Programovatelná logická pole
Zuzana Petránková - ES 5
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
V současné době je na trhu polovodičových součástek velké množství firem,
nabízejících různé typy specializovaných programovatelných logických obvodů (PLD). Mezi
nejvýznamnější výrobce těchto obvodů patří firmy Xilinx a Altera. Dalšími výrobci jsou
Actel, Atmel, Latice, Vantis, Amd. Jednotlivé typy obvodů se dělí z hlediska vnitřní struktury
obvykle do dvou skupin. První skupina označovaná CPLD (complex programmable logic
device) zahrnuje rychlé obvody s relativně menším počtem logických buněk. Rozsah vnitřní
logiky dosahuje 50ti tisíc hradel. Druhá skupina označovaná FPGA (field programmable gate
array) zahrnuje obvody s obecnější logickou strukturou. Největších současné obvody FPGA
jsou vyráběny technologií CMOS 90 nm (Spartan 3) a jejich velikost dosahuje až pěti miliónů
ekvivalentních hradel. Současné obvody FPGA obsahují kromě programovatelných bloků a
propojení další specializované bloky. Většina obvodů obsahuje několik bloků rychlé statické
paměti RAM a několik obvodů pro úpravu, příp. dělení nebo násobení vnějších hodinových
signálů. Nejnovější obvody integrují další specializované bloky jako jsou např. rychlé
hardwarové násobičky, rozhraní pro velké vnější paměti DRAM a různé typy procesorových
jader.
Jednotliví výrobci PLD dodávají vývojové prostředky pro návrh, simulaci a
implementaci konkrétního obvodu. Dostupné vývojové prostředky umožňují realizovat návrh
obvodu několika způsoby. Pro obvody malé složitosti je možné použít návrhový vstup ve
formě schématu sestaveného z předem připravených bloků z knihoven elektronických prvků.
Pro obvody větší složitosti se tento způsob návrhu stává nepřehledným. Je nahrazován
vyššími programovacími jazyky vyvinutými pro popis logických systémů (HDL – hardware
description language). Obvykle jsou k dispozici normalizované jazyky VHDL a Verilog.
Kromě těchto jednoúčelových vývojových prostředků jsou k dispozici nástroje EDA
(electronic design automation) dodávané velkými softwarovými firmami. Mezi
nejzmámenější patří Mentor Graphic, Cadence a Synopsys. Tyto firmy dodávají návrhový
systém využívající technologicky nezávislý jazyk HDL, který umožňuje návrh, syntézu a
simulaci. Výrobci PLD k tomu dodávají software pro implementaci do konkrétního typu
obvodu.
Cílem této práce je navrhnout a zrealizovat jednoduchý vývojový modul, který by
umožnil bližší seznámení s programovatelnými logickými poli. Pro návrh vývojového modulu
byl zvolen programovatelný logický obvod FPGA Cyclone EP1C3 od firmy Altera. Tento
obvod má rozsah vnitřní logiky 2900 logických buněk. Obsahuje blokovou paměť RAM
s kapacitou 59904 bitů a jeden blok PLL (phase-locked loop).
Na trhu je několik vývojových desek, ale jejich ceny jsou poměrně vysoké. Návrh byl
realizován s ohledem na co nejnižší cenu a snadnou rozšiřitelnost. Deska obsahuje pouze
základní obvody. Libovolné periferní obvody mohou být připojeny přes dva 50ti vývodové
konektory. Modul umožňuje konfigurovat obvod FPGA přímo v sytému z paralelního portu
počítače přes programovací rozhraní JTAG nebo po zapnutí z naprogramované externí sériové
paměti.
Funkčnost vývojové desky byla ověřena návrhem obvodu realizujícího generátor
sinusového signálu na principu přímé číslicové syntézy. Návrh byl realizován v jazyce VHDL
pomocí volně dostupného vývojového prostředí Quartus II Web Edition, které je omezenou
verzí kompletního vývojového systému Quartus II. Vypočtené hodnoty vzorků sinusového
signálu byly uloženy v blokové paměti obvodu fpga. Pro realizaci blokové paměti byla
použita podpora automatického návrhu formu předem navržených bloků, které jsou součástí
vývojového prostředí a lze je snadno začlenit do navrhovaného systému.
27
Konstrukce modulu plynového pedálu s integrovaným bezkontaktním
lineárním snímačem polohy
Jan Průcha - KE 5
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Většina osobních automobilů je poháněna benzínovým motorem, jehož výkon je řízen
množstvím paliva, které se mísí se vzduchem v karburátoru. U běžného řízení motoru zadává
řidič svůj požadavek na zrychlení, konstantní nebo snižující se rychlost jízdy tím, že pedálem
akcelerace ovládá mechanicky přes lanovod nebo táhlo škrtící klapku zážehového motoru.
U elektronických systémů řízení motoru přebírá snímač pedálu akcelerace funkci
mechanického propojení. Snímá dráhu nebo úhel natočení pedálu a tuto informaci předává ve
formě elektrického signálu řídící jednotce.
V současné době se v elektronickém plynovém pedálu používají potenciometrické
snímače, které mají několik nevýhod. Patří sem hlavně změna elektrických parametrů
způsobená provozem, ke které dochází obrušováním kontaktů při pohybu.
Cílem této práce bylo nalézt a otestovat jiný systém snímání, který bude lineární a
bezkontaktní, takže u něj nebude docházet k mechanickému opotřebení. Při porovnávání
vlastností jednotlivých systémů se jako nejvhodnější ukázal tenzometrický snímač. Tento
snímač je umístěn pod vratnou pružinou a měří sílu stlačení pedálu, která odpovídá poloze.
Vzhledem k nízkému výstupnímu napětí s tenzometrického snímače bylo třeba výstupní
signál zesílit, aby dosáhl požadované hodnoty.
28
Ekvitermní regulace plynové kotelny - EkviReg
Jakub Režný - DE 5
lektor: Ing. Petr Weissar, Ph.D. - KAE
Jedná se o vývoj aplikace s mikrokontrolérem 89C55WD. Regulátor musí dokázat
obsloužit šestnáct výstupních relé (zapínání kotlů v kaskádě, obsluha čerpadel a
elektronických regulačních ventilů, blokování sahar, signál chyby a uživatelský výstup) a
vyhodnotit šest 24V vstupů (kotle ready, nízký tlak, přehřátí prostoru, únik plynu a únik topné
vody). Dále musí regulátor zpracovávat sedm čidel teploty a obsloužit komunikační sběrnici
RS232. V srdci regulátoru musí pracovat přesný obvod reálného času a paměť k uchování dat
(ekvitermní křivky, nastavení, apod.).
Tento regulátor řídí teplotu v jednotlivých topných okruzích přímo změnou teploty
topné vody v závislosti na změnách venkovní teploty. Zásah regulátoru do systému spočívá
v zapínání a vypínání provozu kotlů, čerpadel a nastavuje poměr na regulačních směšovacích
ventilech. Tato regulace je vhodná pro topné systémy s velkým obsahem vody, kde se při
regulaci pouhým termostatem uplatňují tepelné ztráty ze setrvačnosti ochlazování a
opětovného nahřívání topného systému. Zdroj tepla je díky této regulaci provozován
v teplotách nad bodem nízkoteplotní koroze. Navržený regulátor umožňuje regulaci třech
samostatných topných okruhů na různé teploty, nabíjení stanice TUV a spínání
programovatelného uživatelského výstupu. Každý regulační okruh má svůj programovatelný
časový program v týdenním cyklu a svou programovatelnou ekvitermní křivku, tj. závislost
teploty topné vody okruhu na teplotě venkovní. Regulátor též umožňuje povolení a blokování
sahar s vlastním termostatem, aby nedošlo k jejich soustavnému chodu při vyřazené kotelně.
Podkladem pro vznik této práce byla reálná kotelna a její topný systém, která byla sestrojena
na základě projektu vypracovaného firmou Terms CZ, kde jsou uvedeny i doporučené
parametry pro nastavení regulátoru.
Regulátor pracuje tak, že snižuje teplotu topné vody a tím také výkon topné soustavy.
Hlavní snahou regulátoru je najít rovnováhu mezi dodávaným výkonem a tepelnou ztrátou
objektu, tj. snaží se najít optimální teplotu topné vody. Prostorová teplota je potom důsledkem
cirkulující teploty topné vody. Protože tepelná ztráta objektu není zatím měřitelná veličina,
musí se nahradit jinou veličinou. Pokud ji nahradíme venkovní teplotou, na které je závislá,
mluvíme o regulátoru s ekvitermní řízením.
Výsledek regulace s ekvitermním řízením je závislý na topné křivce. Topná křivka je
závislost mezi venkovní teplotou a teplotou topné vody a fyzikálně popisuje vytápěný prostor
a topný systém. Existuje množství topných křivek, které jsou charakterizovány svou strmostí.
Ta se potom zadává do regulátoru. Pokud je zadaná strmost topné křivky vyšší než vyžaduje
vytápěný prostor, dochází k trvalému přetápění vytápěného objektu. Tato vlastnost se používá
u předregulace pro větší počet uživatelů, přičemž prostory jsou dodatečně doregulovány např.
termostatickými ventily na topných tělesech.
Srdcem regulátoru je mikrokontrolér standardu 51/52, jehož programové vybavení je
napsáno v jazyce C. Různá nastavení, tabulky ekvitermních křivek a časových programů jsou
čteny za paměti typu flash 29C256 (32k*8). Výstupy a vstupy regulátoru jsou obslouženy
programovatelnou bránou 8255A. Přesný čas, datum, rok a den v týdnu procesor získává
z obvodu reálného času firmy Epson RTC72421, který má pro své časování vlastní
integrovaný krystalový oscilátor. Pro snadnou obsluhu je k regulátoru připojen znakový LCD
displej 4×20 firmy Elatec, na kterém jsou v pohotovostním režimu vypisovány údaje
z regulátoru (např. teploty, stav vstupů/výstupů, atd.). Pomocí maticové klávesnice lze
vyvolat menu, ve kterém lze většinu parametrů regulátoru měnit. Parametry lze též upravovat
připojeným PC, s nainstalovaným ovládacím programem. Komunikace s perifériemi je
paralelní, k jejich výběru slouží logika CS realizovaná prog. logickým polem GAL.
29
Historické jádro Plzně - studie optické přístupové sítě
Radka Sosnová - ES 5
lektor: doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. - KAE
Výměna informací je základním pilířem rozvoje moderní společnosti. S rozvojem
informačních technologií vysokým tempem narůstají požadavky na množství zpracovávaných
dat a na jejich zabezpečení. Těmto vysokým požadavkům vyhovuje datový přenos
uskutečněný pomocí kabelů s optickými vlákny. Optické spojení se realizuje na vzdálenost od
desítek µm, například v integrovaných obvodech, až do vzdálenosti desetitisíců km, například
v mezinárodních sítích a mezikontinentálních sítích.
Pokud by se realizoval datový spoj od více klientů z jedné lokality spojením typu point
to point, bylo by to řešení jak technicky tak i ekonomicky značně obtížné ne-li téměř
nemožné. Proto se vytvářejí datové sítě, jež mají za úkol přenášet datový tok po společné
trase. Toto řešení značně zjednodušuje, zpřehledňuje a zhospodárňuje datové přenosové cesty.
Optické sítě je možné dělit dle několika kritérií, např. dle typu přenosového vlákna, dle
topologie optické sítě, dle lokality nasazení, a dalších.
Práce řeší ideový návrh metropolitní optické sítě v historické části města Plzně. Práce se
skládá z vyhledání potencionálních klientů, návrh topologie sítě a orientační výpočet nákladů.
Součástí je též popis pasivních prvků optické sítě se zaměřením na mikrotrubičkový systém.
Oblast, ve které je navrhována optická síť, má své specifické vlastnosti. Je přirozeně
ohraničená řekou Mží a řekou Radbuzou, Kopeckého sady, Smetanovými sady a Sady
Pětatřicátníků. Velikost oblasti je zhruba 1 km2. Předpokládaní uživatelé optické sítě sídlí
v 78 budovách, do kterých musí být přivedena přístupová síť. V celé lokalitě je vybudovaná
síť kabelovodů. Tyto kabelovody byly budovány již od roku 1937 a dle potřeby se
dobudovávají i dnes. Velkou výhodou těchto kabelovodů je možnost rychlé a pružné inovace
telekomunikační sítě. Kapacita kabelovodů je však omezená, a proto se přechází na
mikrotrubičkový systém, který lépe využívá kapacitu kabelovodů.
Mikrotrubičkový systém je tvořen řadou trubiček zafouknutých do ochranné HDPE
trubky. Do těchto trubiček se následně zafukují speciální mikrokabely. Což umožňuje
realizovat na sobě nezávislé optické trasy v jedné HDPE trubce. Nevyužité mikrotrubičky lze
použít jako rezervu pro případné další klienty. Nasazení mikrotrubičkového systému
umožňuje realizovat v jedné HDPE trubce přístupovou i distribuční část sítě. V případě
potřeby lze kdykoliv a kdekoliv z ochranné HDPE trubky odbočit, jakýmkoliv optickým
mikrokabelem, bez použití optické odbočné spojky, přičemž distribuční trasa bude nedotčena
a bude zachována i její ochrana. Odbočení mikrokabelu se realizuje za pomocí jedné
mikrotrubičky a odbočného členu. Tento systém má za následek úsporu kabelových spojek,
příloží ochranných HDPE trubek pro připojování jednotlivých objektů a snížení pořizovacích
nákladů na výstavbu sítě. Síť je kompatibilní s konvenčními optickými sítěmi.
Navrhovaná síť je členěna na páteřní, distribuční a přístupovou část. Páteřní část je
rozdělena na dvě trasy. Obě trasy jsou kruhové topologie a jsou připojeny do ústředny v Solní
ulici. První trasa je dlouhá 2,5 km a je tvořena čtyřmi kabely o 288 vláknech. Na trase je
umístěno osm optických spojek. Druhá trasa je dlouhá 1,1 km a je tvořena taktéž čtyřmi
kabely o 288 vláknech na trase je umístěno pět optických spojek.
Distribuční část je tvořena 22 distribučními trasami. Trasy jsou zapojeny do kruhu, nebo
mříže, mimo jedné trasy, která je zapojena do hvězdy. Na těchto trasách je umístěno 24
optických spojek. Devět tras je připojeno na první páteřní okruh a devět je připojeno na druhý
páteřní okruh. Dvě trasy jsou připojeny mezi první a druhý páteřní okruh.
Pro vybudování navrhované sítě je nutné vystavět přibližně 1,2 km kabelovodu.
Celkové předpokládané náklady na výstavbu optické sítě činí přibližně 27,5 mil. Kč. Do
těchto nákladů nejsou započítány náklady na montáž, které tvoří asi 25 % z ceny materiálu.
30
Přesný zdroj - zesilovač do 200 V
Oldřich Starý - PE 5
lektor: Ing. Aleš Voborník, Ph.D. - KET
Práce se zabývá návrhem, stavbou a změřením přesného zdroje – zesilovače do 200 V.
Přístroj slouží k měření dělícího poměru odporových děličů a dynamických vlastností sond
k osciloskopu. Přístroj umožňuje nastavení výstupního stejnosměrného napětí v rozsahu
0 – 200 V pomocí víceotáčkového potenciometru, anebo může sloužit jako vysokonapěťový
zesilovač 20×. V prvním případě je využit přesný zdroj referenčního napětí 10 V osazený
stabilizátorem MAB 399 s vyhříváním v termostatu. V druhém případě jsou na místo
reference připojeny vstupní svorky a přístroj pracuje jako zesilovač.
Další funkcí přístroje je možnost z nastaveného výstupního napětí pomocí impulsní
části vytvořit obdélníkový průběh napětí s minimální náběžnou a sestupnou hranou (dosaženo
7,2 ns). Ten slouží jako posloupnost napěťových skoků pro měření přechodové
charakteristiky dynamických soustav. Přepínačem lze zvolit ze třech vnitřně generovaných
kmitočtů (100 Hz, 1 kHz, 10 kHz), nebo v případě potřeby jiného kmitočtu lze přivést na
příslušný vstup vnější signál. Možnost volby kmitočtu je umožněna především proto, že je tím
vlastně dána doba od jedné hrany do následující, během níž se výstup měřeného objektu
ustálí. Jedná se tedy o volbu doby, po kterou má měřený objekt možnost ustálit výstup.
Dalším důvodem je univerzálnost (vn generátor). Vstup vnějších kmitočtů je napěťově
omezen diodami a tvarován rychlým komparátorem MAC 160. Činnost impulsní části je
možné pomocí přepínače funkcí zablokovat, používá – li se jen lineární část. Činnost impulsní
části je signalizována svítivou diodou.
Proudová zatížitelnost zdroje je 200 mA, přístroj je vybaven nadproudovou ochranou
s obnovením činnosti hned po odstranění přetížení nebo zkratu.
Přístroj se skládá z napájecího zdroje, z lineárního stabilizovaného zdroje s napěťovou
referencí 10 V a impulsní části. Dosažení vysokého výstupního napětí si vyžádalo neobvyklé
zapojení stabilizátoru s pomocným tranzistorem a s regulačním tranzistorem MOSFET.
Impulsní část vytváří zmiňované kmitočty dělením kmitočtu krystalového oscilátoru
dekadickými čítači, jejich volbu zajišťuje multiplexor ovládaný přepínačem s diodovou
logikou, která vytváří pro multiplexor adresu. Impulsy vhodné ke spínání dvojice výkonových
tranzistorů MOSFET generuje budič IR 2110.
Přístroj je jako vysokonapěťový realizován proto, aby byla zajištěna dobrá měřitelnost
výstupních napětí měřených objektů. Jedná se především o odporové děliče s vysokým
dělícím poměrem a sondy k osciloskopu, u nichž se očekává velmi malý překmit.
Součástí práce je také simulace vybraných jevů v programu Pspice. Jedná se hlavně o
dynamické vlastnosti lineární části mezi které patří např. odezva výstupu na změnu
referenčního napětí, na skok zátěže a na změny napětí na vstupu. Pozornost byla zaměřena
hlavně na stabilitu, kmitání, a dobu ustálení výstupu.
V současné době je přístroj ve funkčním stavu, těsně před zabudováním do skříně.
Sestavený přístroj bude podroben dalšímu testování, a to:
- měření zatěžovací charakteristiky,
- měření korekční křivky,
- měření linearity, šumů, atd.
Přesnost zdroje je dosažena použitím kvalitních rezistorů (nízká tolerance odporu, malý
teplotní drift) na kritických místech, kterými jsou hlavně odporové děliče. Linearita převodu
vstup / výstup nebo stupnice potenciometru / výstup je zajištěna silnou zápornou zpětnou
vazbou.
31
Lokalizace s užitím GPS a GSM
Ivo Veřtát - ES 5
lektor: doc. Ing. Jiří Masopust, CSc. - KAE
Konkurenční prostředí v oblasti automobilové přepravy nutí firmy pohybující se na
tomto trhu ke snižování nákladů, dodržování přesných termínů a nabídce doplňkových služeb.
To si klade vysoké nároky na organizaci vozového parku autodopravce. Základním
předpokladem pro poskytování moderních služeb je zařízení AVL (automatic vehicle
location). Neslouží pro přímou navigaci řidiče dopravního prostředku, ale umožňuje centrálně
monitorovat pohyb na území pokrytém technickými prostředky nutnými pro AVL, a to
nepřetržitě 24 hodin denně.
Takovéto zařízení se skládá ze systému pro určení polohy, systému pro přenos dat
a systému pro řízení jednotky AVL. Pro určení polohy se nejvíce využívá GPS, jež poskytuje
přesnost v řádu několika desítek metrů za přijatelnou pořizovací cenu. Pro přenos dat je
využita síť GSM, která poskytuje služby na velkém území a umožňuje záložní lokalizaci
pomocí identifikačních čísel základnových stanic a měření vzdálenosti k mobilnímu telefonu.
To je důležité při nedostupnosti signálu GPS (např. tunely, garáže, hustá zástavba). Řízení
jednotky nevyžaduje velký výkon, procesor zpracovává textové řetězce přicházející po
sériovém komunikačním kanálu a pracuje s pamětí EEPROM přes rozhraní SPI.
Řídící
jednotka
Mobilní
jednotka
Řídící
jednotka
GPS
jednotka
GSM
jednotka
GSM
jednotka
Zpracování
a
vizualizace
dat
Dohledová
jednotka
Obr.1 Struktura AVL
Hlavními důvody pro nasazení AVL jsou především zvýšení bezpečnosti, možnost
asistence a možnost monitorování. Zařízení nalezne uplatnění v bankovních a poštovních
vozech v případě krizové situace, kdy lze odeslat polohu s žádostí o pomoc. Dále
v soukromém sektoru může sloužit k vyhledání odcizených automobilů, kde účinnost zvýší
záložní lokalizace pomocí sítě GSM. Takto vybaveným vozidlům jsou poskytovány slevy na
pojistném. Pomocí hlasové komunikace se lze rovněž spojit s dispečinkem. Rovněž může
odesílat údaje o stavu vozidla, rychlosti, množství pohonných hmot, atd.
V rámci mé této práce je navrženo zařízení s 12-ti kanálovým přijímačem GPS ET-240,
GSM modulem MC-35i a řídícím procesorem AT 89C51RD2. Zajišťuje následující funkce:
- odesílání dat o poloze z GPS a záložní lokalizaci pomocí GSM,
- hlasovou komunikaci a připojení přenosného počítače k síti Internet pomocí GPRS,
- připojení přenosného počítače s digitální mapou,
- monitorování dvou logických vstupů a dálkové ovládání dvou logických výstupů,
- změnu konfigurace pomocí SMS.
32
Měřící modul se sériovým rozhraním
Jiří Vlasák - ES 5
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Cílem práce je realizovat měřící modul, který bude součástí specializovaného měřícího
systému, který je určen k měření parametrů kolejí. Jednotlivé parametry kolejí jsou snímány
měřícími potenciometry a čidlem pro měření náklonu, libelou. Úkolem měřícího modulu je
zajistit A/D převod výstupních analogových signálů jednotlivých senzorů, provést filtraci dat,
která reprezentují výstupní analogové signály jednotlivých senzorů po A/D převodu a zajistit
přenos těchto dat po sériovém komunikačním rozhraní směrem k nadřazenému mikropočítači,
který zajistí jejich ukládání pro pozdější zpracování a vizualizaci. Systém je konstrukčně
řešen tak, že měřící modul i nadřazený mikropočítač jsou připevněny na vozík, který je
posunován po kolejích. Jednotlivé parametry kolejí jsou pak měřeny v závislosti na
vzdálenosti od místa počátku měření. K odměřování vzdálenosti je použito čidlo pro
odměřování vzdálenosti, jehož výstupy jsou rovněž připojeny k měřícímu modulu. Pro
vyhodnocení parametrů kolejí jsou důležité hodnoty výstupních analogových signálů
jednotlivých senzorů v takových vzdálenostech od místa počátku měření, které jsou
rovny celistvým násobkům jisté základní vzdálenosti. Hodnoty analogových signálů v jiných
vzdálenostech jsou určeny pouze k vizualizaci.
Hlavní součástí měřícího modulu je jednočipový mikropočítač ADuC831, který
obsahuje na čipu integrovaný, osmikanálový, dvanáctibitový A/D převodník. Výstupní
analogové signály jsou připojeny k jednotlivým vstupním kanálům A/D převodníku. Celkem
se předpokládá připojení čtyř potenciometrů a dvou libel, z nichž je v současné době
používána pouze jedna a možnost připojení druhé je rezervou pro budoucí doplnění systému.
Předpokládá se, že libely mají vlastní zesilovače. Dále se předpokládá připojení dvou čidel
pro odměřování vzdálenosti, z nichž je jedno požito pro odměřování vzdálenosti od místa
počátku měření a možnost připojení druhého je opět rezervou pro budoucí rozšíření systému.
Měřící modul zajišťuje také napájení jednotlivých senzorů.
Čidlo pro odměřování vzdálenosti převádí posuvný pohyb vozíku na otáčivý pohyb
dvou skupin vzájemně překrývajících se permanentních magnetů, který je poté snímán dvojicí
Hallových sond. Výstupní signály čidla jsou signál směru a impulzní výstupní signál, na jehož
výstupu je jeden impulz při otočení čidla o 360°, které odpovídá posunu vozíku o vzdálenost
rovnou obvodu čidla. Tyto výstupní signály se získají zpracováním výstupních signálů
Hallových sond. Existuje ale několik typů posloupností změn výstupných signálů Hallových
sond, které mohou být chybně vyhodnoceny jako otočení o 360°. Proto byly výstupní signály
Hallových sond zpracovány pomocí mikrokontroléru, který zajistí dostatečně spolehlivé
výstupy.
Měřící modul komunikuje s nadřazeným mikropočítačem pomocí sériového rozhraní
RS232. Použité rozhraní realizuje pětivodičové bezmodemové spojení. Pro řízení toku dat
jsou použity signály RTS a CST. Komunikace s nadřazeným mikropočítačem probíhá pomocí
paketů o konstantní délce 18 bytů. V paketu je nesena informace o vzdálenosti od místa
počátku měření a o hodnotách výstupních analogových signálů jednotlivých senzorů.
Zabezpečení je realizováno pomocí kontrolního součtu. Pro komunikaci je použita modulační
rychlost 38400 Bd, při které je paket odeslán přibližně za 5 ms. Dále je ponechána
mezipaketová prodleva 5 ms, která poskytuje nadřazenému mikropočítači čas na zpracování
dat a také společně s kontrolním součtem a hlavičkou paketu zajišťuje paketovou
synchronizaci. Měřící modul tedy zahajuje vysílání paketu každých 10 ms. Měřící modul
může být po sériovém rozhraní inicializován a chová se pak jako po resetu řídícího
mikrokontroléru ADuC831, čímž je vyloučen vliv minulosti na měření.
33
34
Sekce Elektrotechnologie
složení komise
předseda
prof. Ing. Václav Mentlík, CSc.
členové
doc. Ing. Olga Tůmová, CSc.
Ing. Josef Pihera
Ing. Jiří Tupa
35
Měření izolačního odporu transformátoru
Roman Dušek - SE 5
lektor: Ing. Václav Boček, Ph.D. - KET
Obsah mé práce je věnován problematice diagnostiky výkonových transformátorů, a to
konkrétně metodám měření izolačního odporu.
Měření izolačního odporu patří mezi nejstarší metody ověřování stavu izolační soustavy
transformátoru a v současné době se měří společně se ztrátovým činitelem tg δ a kapacitou
vinutí C. Při měření izolačního odporu se vždy snažíme o vytvoření kondenzátoru, jehož
dielektrikum tvoří právě samotný izolační systém výkonového transformátoru. Elektrody
kondenzátoru jsou tvořeny jednotlivými vinutími a nádobou.
Izolační odpor se měří stejnosměrným napětím o napěťové hladině v rozmezí 1 – 5 kV,
přičemž normou ČSN 35 1090 je doporučena hodnota napětí 2,5 kV. Hodnota izolačního
odporu je značně teplotně závislá veličina (s rostoucí teplotou klesá), a proto značně závisí na
podmínkách při měření. Na správnost měření může mít také velký vliv výběr použitých
přístrojů. Teplotní závislost izolačního odporu se snažíme částečně eliminovat výpočtem
teploty stroje ze stejnosměrného odporu vinutí. Velikost izolačního odporu je prvním
signálem, který nás upozorňuje na fakt, že izolace může být navlhlá nebo provozně
znehodnocena.
Tato skutečnost je vyhodnocována pomocí minutového polarizačního indexu, který je
podílem hodnot izolačního odporu naměřeného v čase 15 a 60 sekund od přiložení měřícího
napětí. Velikost polarizačního indexu musí být vždy větší než 1. Přibližuje-li se hodnota
polarizačního indexu značně hodnotě 1, je velká pravděpodobnost, že izolační systém
obsahuje velké množství vody, a proto je potřeba provést další diagnostické měření
aplikované na vzorky olejové náplně odebrané z transformátoru.
To, že izolační odpor citlivě reaguje na nejslabší místo v dielektrické soustavě, může
být v extrémních případech příčinou chybných závěrů o stavu elektrického stroje. Např.
trhlinka v porcelánové průchodce, která je uzemněna, bezprostředně provoz stroje neohrožuje.
Pomocí měření izolačního odporu není možno indikovat poruchu dielektrické soustavy olej –
papír, která vznikla vytvořením vodivé dráhy v pevné izolaci, neboť velikost měřícího napětí
nepostačuje k opakovanému průrazu kapalného dielektrika.
Platí tedy, že zmenšení hodnoty izolačního odporu izolační soustavy ukazuje na její
zhoršení, které však nemusí ohrožovat provoz stroje, a naopak neznamená, že velký izolační
odpor je zárukou jakosti. Rozhodnutí o stavu izolace podle hodnoty izolačního odporu je
v praxi možné pouze tehdy, jsou-li známi výsledky z předchozích měření, se kterými můžeme
porovnat o jak velké změny izolačního odporu se jedná. Další chybou při vyhodnocení
výsledků je určení paušální hodnoty izolačního odporu pro různé stroje podle jejich
jmenovitého napětí. V praxi se však používá pro vyhodnocení izolačního stavu kriterium,
které bylo stanoveno normou ČSN 35 108, kde 1 kV odpovídá 1 MΩ u provozovaných strojů
a u nových strojů 1 kV odpovídají 3 MΩ.
V mé práci jsou uvedeny hodnoty získané při srovnávacím měření nového
transformátoru 110 / 27 kV. Z uvedených výsledků naměřeného izolačního odporu je dobře
patrná jeho závislost na atmosférických podmínkách okolí, teploty stroje a použitém přístroji.
Skupiny, které měřily na nejchladnějším stroji mají naměřené hodnoty izolačního odporu
větší než skupiny, které měřili na stroji, který byl pouze o 2 °C teplejší. Další značné rozdíly
jsou patrné při použití analogového přístroje, kterým se do měření vnáší značná chyba
odečtem hodnot z nelineární stupnice. Negativní vliv na naměřené hodnoty také mělo
nedodržování vybíjecích dob mezi jednotlivými měřeními.
36
Vliv obsahu pojiva na vlastnosti mezilamelových izolací komutátorů
Renata Dvořáková - KE 5
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Izolanty jsou jedním ze dvou základních elektrotechnických materiálů, bez kterých se
neobejde žádné elektrotechnické zařízení. V technické praxi se však s ideálními absolutně
nevodivými izolanty setkat nelze, obsahují vždy malé množství iontů a elektronů, které se
mohou působením vnějšího elektrického pole pohybovat, jsou tedy za normálních podmínek
nedokonalé a v malé míře vodivé. Izolační systémy elektrických strojů jsou v poslední době
stále více namáhány, ty se tak stávají místem s nejvyšší četností poruch elektrického stroje.
Důvodem jsou stále zvyšující se požadavky na efektivitu, hospodárnost a životnost
elektrických zařízení. Mezi nejstarší izolační materiály používané v elektrotechnice patří
slída. Její význam dodnes nepoklesl a pro vysokonapěťové a teplovzdorné izolace je dosud
nenahraditelná. Výrobcem slídových izolantů v ČR je EIT a. s. v Táboře. EIT a. s. je členem
COGEBI Group, největšího výrobce slídových materiálů pro elektrotechnický průmysl na
světě. Tento druh izolantů má vynikající elektrické a mechanické vlastnosti, je vyráběn
v širokém sortimentu a vysoké kvalitě.
Z firmy EIT a. s. byl též poskytnut zkušební materiál pro ověření vlastností
mezilamelových izolací komutátorů právě v závislosti na obsahu pojiva. Jedná se o dva
základní typy komutátorových remikanitů (dále jen KR) KR 25.000 a KR 25.002 dodané ve
třech variantách, tj. se standardním, se sníženým a se zvýšeným obsahem pojiva. KR musí
splňovat řadu požadavků, jako je jednotná tvrdost bez měkkých a cizích částic, použité pojivo
musí být odsouhlaseno dodavatelem a odběratelem a materiál musí odpovídat požadavkům
normy, podle které je materiál zkoušen. Dalšími důležitými požadavky jsou jmenovitá
tloušťka, složení, tj. obsah slídy a obsah pojiva ve výrobku, jeho měrná hmotnost, pevnost
v ohybu, skluz slídy a výron pojiva, rozvrstvení při stříhání, elektrická pevnost, elastická a
plastická stlačitelnost. Materiály používané pro mezilamelovou izolaci komutátorů jsou tuhé,
vyrobené ze slídy muskovit nebo flogopit vytvořením ze slídových lístků nebo slídového
papíru s použitím vhodného pojiva. Na kvalitu vyrobeného KR na vliv řada faktorů. Tím je
hlavně množství pojiva použitého při vlastní výrobě a na základě kterého jsou v této práci
jednotlivé typy materiálů a jejich vlastnosti porovnávány. Pojivo zde působí jako spojovací
materiál a rozvádí mechanické namáhání. Má i jiné specifické vlastnosti, jako jsou ochrana
před dalším mechanickým nebo chemickým poškozením, tepelná odolnost, elektrické
vlastnosti a další. Vliv na kvalitu materiálů má také druh použité výrobní technologie.
V tomto případě se jedná o použití kalcinovaného a nekalcinovaného papíru při výrobě KR.
Součástí práce je také stanovení diagnostického systému pro vyšetřování vlastností KR.
Vlastnosti jednotlivých izolantů závisí nejenom na výrobní technologii izolačního materiálu,
ale také na vnějších podmínkách, jejichž působením se jeho vlastnosti samozřejmě mění.
Mezi tyto vlastnosti, týkající se dodaného experimentálního materiálu, patří např. pevnost
v ohybu, trvalá a pružná stlačitelnost, odolnost proti plazivým proudům, elektrická pevnost a
další. Tyto důležité vlastnosti bylo proto třeba porovnat a na základě stanovených závěrů
určeno, jaký vliv má dané složení na celý izolační systém a vyhodnoceno jaký typ materiálu
se jeví jako nejlepší či nejhorší. Pro sledování těchto důležitých vlastností se využívá
diagnostiky izolantů. Diagnostický systém zahrnuje nedestruktivní a destruktivní zkoušky,
které jsou být dostatečně výpovědischopné. Zahrnují zkoušky důležitých vlastností nebo
zkoušky, na jejichž základě bylo možné vlastnosti stanovit nebo vypočítat. Pro izolační
materiály KR 25.000 a 25.002 všech modifikací byl zvolen diagnostický systém tak, aby
výsledky měření byly na základě porovnání v závislosti na obsahu pojiva a odlišné výrobní
technologii, co nejvíce výpovědischopné.
37
Výběr vhodného regulačního diagramu pro řízení jakosti výroby
Lukáš Kupka - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
Regulační diagramy jsou základním nástrojem statistického řízení jakosti. V podstatě
jsou regulační diagramy řídícím nástrojem, který slouží k určení, zda je proces stabilní nebo
zda se změnil. Poskytují jednoduchou grafickou metodu pro zhodnocení, zda proces dosáhl či
nedosáhl statisticky zvládnutého stavu, nebo zda v něm i nadále setrvává. Regulační diagramy
napomáhají při odhalování nepřirozených rysů kolísání údajů z opakujících se procesů a
poskytují kritéria pro odhalení nedostatků zjištěných při statistické regulaci. Regulační
diagramy jsou použitelné jak na řídících úrovních, tak pro operátora při řízení na pracovišti.
Jejich hlavní předností je snadnost použití a konstrukce.
Existuje celá paleta specifických regulačních diagramů, přičemž každý z nich je navržen
pro typy rozhodnutí, která se mají učinit, pro typy údajů a pro typy použitých statistik.
Mezi nejpoužívanější regulační diagramy patří: klasické Shewhartovy regulační diagramy,
regulační diagramy pro aritmetický průměr s výstražnými mezemi, přejímací regulační
diagramy, regulační diagramy CUSUM a regulační diagramy CUSUM s koeficienty H a K.
Klasické Shewhartovy regulační diagramy jsou nejuniverzálnější regulační diagramy ze
všech. Pro spojité veličiny je nejběžnější regulační diagram pro průměr ( X ) a regulační
diagram pro rozpětí (R) nebo směrodatnou odchylku (s). V případě ustálené výroby je možné
použít regulační diagram pro individuální hodnoty (X) a z hlediska jednoduchosti je
nejvhodnější regulační diagram pro mediány (Me), používaný např. v dílenských provozech.
Pro diskrétní hodnoty lze vybírat z těchto 4 typů regulačních diagramů: p, np, c, u. Volba
závisí na tom, zda sledujeme podíl nebo počet neshodných jednotek v podskupině, a zda
předpokládáme konstantní rozsah podskupin.
Regulační diagramy pro aritmetický průměr s výstražnými mezemi jsou modifikací
klasických Shewhartových regulačních diagramů. Obsahují navíc výstražné meze, takže jsou
schopny odhalit menší posuny střední hodnoty regulovaného ukazatele jakosti a také
neočekávané velké posuny úrovně procesu. Tento typ regulačních diagramů je použitelný
především tam, kde svou citlivostí klasický Shewhartův regulační diagram nestačí.
Přejímací regulační diagramy jsou specifické v tom, že proces obvykle nemusí setrvávat
ve statisticky zvládnutém stavu. Tento typ regulačního diagramu úmyslně toleruje určitý
posun úrovně procesu, aby se proces zbytečně často nereguloval, což je výborné z finančního
hlediska, a také, aby se zbytečně neměnila variabilita procesu. Tento typ regulačních
diagramů se uplatní především v oblasti statistické přejímky.
Regulační diagramy CUSUM jsou založeny na kumulativních součtech. Jejich hlavní
výhodou je velmi rychlá detekce relativně malého posunutí střední hodnoty procesu.
Ve srovnání s Shewhartovými diagramy je tato detekce až o řád rychlejší. Ke konstrukci
těchto diagramů se používá postupných součtů odchylek měřené veličiny od předepsané nebo
očekávané konstantní cílové hodnoty µ0. Klasické CUSUM diagramy s V-maskou jsou spíše
již minulostí a v současné době je díky rozmachu měřicí a výpočetní techniky úspěšně
vytlačují CUSUM diagramy s koeficienty H a K. Používání metody CUSUM diagramů
s koeficienty H a K je velmi snadné a velice často se také používá její modifikace
s klasickými Shewhartovými diagramy pro zvýšení citlivosti pro velká posunutí. Regulační
diagramy CUSUM je vhodné používat tam, kde chceme detekovat malou nebo středně
velikou odchylku, která pokud není co nejdříve odhalena, vede k relativně vysokým ztrátám
spojeným s produkcí neshodných výrobků a tam, kde jednoduchost regulačních postupů není
rozhodující.
38
Posouzení vlivu složení žárových flexibilních termikanitů na jejich
vlastnosti
Klára Maxová - SE 5
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Volba elektroizolačního materiálu má rozhodující význam pro bezpečný a dlouhodobý
provoz každého elektrického zařízení. Kromě základní funkce, kterou je oddělení elektrických
potenciálů je na materiál zároveň kladeno velké množství dalších požadavků: elektrických,
mechanických, tepelných, chemických a dalších. Elektroizolační materiály je proto třeba
posuzovat a vzájemně porovnávat z těchto rozdílných hledisek.
Technická diagnostika je vědní obor zabývající se metodami a prostředky zjišťování
technického stavu objektu. Organizovaný systém tvořený diagnostikovaným objektem,
diagnostickými prostředky (metodologie, instrumentální vybavení) a obsluhou je tzv.
diagnostický systém, jehož cílem je určení technického stavu diagnostikovaného objektu.
Chování diagnostikovaného objektu lze analyzovat dvojím způsobem, a to fenomenologickým nebo strukturálním přístupem. Fenomenologický přístup se používá u
neprozkoumaných objektů, u nichž nejsou známy procesy probíhající v jejich struktuře.
Sledují se tak pouze vztahy mezi vnějším působením a odezvami objektu. Strukturální přístup
je naopak založen na znalosti procesů probíhajících uvnitř diagnostikovaných objektů.
Zjišťuje tak změny ve struktuře vyvolané vnějšími signály a vysvětluje příčiny odezev na
úrovni změn vazeb a částic tvořících strukturu objektu.
Termikanity jsou skupinou tepelně odolných vrstvených izolačních materiálů. Jejich
základem je slída, přičemž se může jednat o jakýkoliv z četných druhů mikanitů, nebo o
slídový papír. Vysoké tepelné odolnosti je dosaženo pojivem, kterým je nejčastěji silikonová
pryskyřice. Termikanity jsou tak určeny k aplikaci v zařízeních, u nichž je současně
požadována vysoká tepelná odolnost zároveň s dobrými elektroizolačními vlastnostmi.
Použití nachází v indukčních pecích, ale i v domácích elektrospotřebičích. K hlavním
představitelům této skupiny izolantů patří řada žáruvzdorných materiálů s obchodním názvem
Thermikanit, které jsou výrobky společnosti EIT a.s. a jimiž se budu ve své práci zabývat.
Bází Thermikanitů je nekalcinovaný slídový papír v obou základních typech (muskovit
a flogopit). Pojivem je vysoce kvalitní silikonová pryskyřice, která se vyznačuje trvalou
odolností do 800 °C. K zajištění vysoké mechanické odolnosti je většina z řady Thermikanitů
vyztužena nosičem, kterým je nízkogramážní nebo vysokogramážní skleněná tkanina,
skleněná netkaná textilie, nebo kalciumsilikátový papír.
Abych mohla posoudit vliv těchto jednotlivých složek na vlastnosti Thermikanitů,
stanovila jsem diagnostický systém, podle kterého byly sledovány nejdůležitější vlastnosti.
Kvalitu izolantu po stránce elektrické charakterizuje vnitřní a povrchová rezistivita, odolnost
proti plazivým proudům a elektrická pevnost. Mechanické vlastnosti, určující vhodnost
materiálu pro mechanické namáhání jsou především pevnost v tahu a ohybu, pevnost
v natržení a tuhost. Obsah těkavých látek je důležitou tepelnou vlastností vzhledem k faktu, že
Thermikanity jsou určeny k použití při vysokých teplotách. Z fyzikálních vlastností jsem pak
sledovala nasákavost.
Tyto vlastnosti byly ověřovány fenomenologickým přístupem, který vyžaduje velké
množství experimentálního materiálu a dostatečnou četnost zkoušek. Získala jsem tak obsáhlý
soubor dat, podle kterého posoudím vliv složek na vlastnosti Thermikanitů. Je zřejmé, že
každý materiál lze posuzovat z mnoha hledisek - vzhledem k variaci jednotlivých složek i
množství provedených zkoušek. Složka vynikající určitou vlastností může být nevyhovující
z jiného hlediska. Splnění množství požadavků, které jsou na materiál kladeny (viz výše),
nemusí být současně optimálně splnitelné. V praxi se tak při výběru materiálu musí často volit
kompromisní řešení.
39
Možnosti využití indukčního ohřevu jako náhrada za technologii
cínovaných spojů
Petr Peroutka - SE 5
lektor: Ing. Václav Boček, Ph.D. - KET
Tato práce se zabývá technologií pájení vývodů u transformátoru pomocí indukčního
ohřevu.
Při pájení se spojují kovové součásti působením tepla, přičemž pájené plochy se netaví,
ale jsou smáčeny roztavenou pájkou. Pájka je odpovídající kov nebo slitina kovů vybrané pro
vytvoření spoje. Podle teploty při pájení dělíme pájky na měkké (teplota do 450 °C) a tvrdé
(teplota nad 450 °C). Měkké pájky jsou slitiny těžkých kovů, které se taví při nízkých
teplotách, např. Sn, Pb, Cd, Sb. Tvrdé pájky se používají pro spoje, které jsou vystaveny
vyššímu mechanickému namáhání nebo pracuje-li pájená součást za zvýšených teplot. Hlavní
složkou tvrdých pájek bývá Cu a Ag. Jako přísady se používá P, Zn, Cd atd. Stříbrná pájka
s nejnižší teplotou, sníží se tak náklady na ohřev, je Ag40CuZnCd (pracovní teplota 640 –
680 °C). Užitečnější vlastnost má však pájka Ag15CuP. Při pájení mědi touto pájkou odpadá
nutnost použít tavidlo, neboť fosfor působí jako dezoxidační činitel. Tato pájka je navíc
vzhledem ke svému nízkému obsahu Ag poměrně levná.
Indukční pájení je založeno na technologii kapilárního pájení. Kapilární vzlínavost
pájky je závislá na druhu pájky (povrchovém napětí, měrné hmotnosti a především na
velikosti mezer spoje). Kapilární tlak hyperbolicky klesá se zvětšující se mezerou. Velikost
mezery má být v rozmezí 0,05 mm až 0,2 mm.
Hlavní předností indukčního ohřevu při pájení je rychlý ohřev v přesně ohraničeném
místě pájené součásti, krátká doba pájení (povrchová vrstva se nestačí pokrýt oxidy),
povrchové vrstvy nejsou ohroženy chemickými změnami jako při ohřevu plamenem a má
dobré pracovní podmínky pro obsluhu. Princip vysokofrekvenčního ohřevu je v podstatě
takový, že při průchodu proudu o frekvenci (f > 10 kHz) cívkou (induktorem) se vytvoří
střídavé elektromagnetické pole. Přiložíme-li induktor k elektricky vodivému předmětu,
indukují se v předmětu vířivé proudy. Množství tepla Q vzniklé v součásti je závislé na
elektrickém odporu R, druhé mocnině indukovanému proudu I v součásti a na době ohřevu t
(Q = R.I2.t). Tento způsob ohřevu se někdy zjednodušeně přirovnává k principu
transformátoru. Primární vinutí představuje induktor a ohřívaná součást je sekundární vinutí
s jedním závitem spojeným nakrátko. Hustota indukovaného proudu se v ohřívaném předmětu
rozdělí nerovnoměrně – exponenciálně klesá s hloubkou vniku. Čím vyšší je kmitočet proudu,
tím je hloubka vniku proudu do středu vodiče menší. Tloušťka vrstvy, ve které klesne
amplituda hustoty proudy na 37 % své původní hodnoty na povrchu, se nazývá hloubka vniku
δ. V této vrstvě vzniká přibližně 86 % tepla. Optimální je, když je tloušťka materiálu 3,5 ×
větší než hloubka vniku.
Zařízení pro indukční pájení je složeno z induktoru a generátoru. Generátor obsahuje
usměrňovač, střídač a oscilační obvod (kondenzátorová baterie, primární vinutí
vysokofrekvenčního transformátoru). Střídač je většinou vybaven tranzistory IGBT. Účinnost
takového zdroje je 93 – 95 %. Celková účinnost celého zařízení především závisí na vazbě
mezi induktorem a ohřívaným materiálem. Pro ohřev vývodů přicházejí v úvahu pouze plošné
induktory jednostranné s účinností 15 – 30 % a dvojstranné s účinností 40 – 80 %. Se
zvětšující se vzduchovou mezerou účinnost klesá. Vzdálenost mezi induktorem a ohřívanou
součástí má být v rozmezí jen 1 až 2 mm. Proto je dobré konstruovat induktor v závislosti na
rozměrech pájených spojů.
Negativní stránkou této metody jsou velké pořizovací náklady. Cena zdroje o výkonu
12 kW se pohybuje na hranici 30 000 €. Cena induktoru s jedním závitem začíná od 700 €.
40
Ověření odolnosti silikonového impregnantu proti tropickým podmínkám
Tomáš Pokorný - KE 5
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Zvolený izolační systém, který byl určen pro ověření jeho odolnosti proti tropickým
podmínkám, byl tvořen silikonovým impregnačním lakem H62C a izolační slídovou páskou
Poroband 2294. Impregnační lak H62C má vysokou tepelnou odolnost (je zařazen do teplotní
třídy H a 200), neobsahuje organická rozpouštědla a je proto vhodnou ekologickou náhradou
za používaný rozpouštědlový lak Lukosil 4101. Izolační slídová páska Poroband 2294 je
flexibilní a vhodná pro ruční i strojní navíjení. Skládá se z absorbujícího jemného slídového
papíru a skleněné tkaniny. Úkolem diagnostického měření bylo ověřit vlastnosti tohoto
izolačního systému po vystavení vlivu vlhkého tepla cyklického.
Zkušební vzorky byly vystaveny vlivu tropických podmínek dle normy ČSN 34 5791.
Účelem této normy je stanovit vhodnost součástí, zařízení nebo jiných výrobků pro jejich
skladování nebo provoz v podmínkách se zvýšenou vlhkostí. Přesně specifikuje postup
namáhání vzorků a to jak během zatěžovacího cyklu, tak i před zahájením namáhání, kdy je
třeba zkušební vzorky stabilizovat. Dále také uvádí technické požadavky na zkušební
klimatickou komoru.
Při přípravě izolačního systému byla použita technologie vakuově tlakové impregnace
(VPI). Ta představuje jednu ze špičkových impregnačních technologií. Tímto způsobem
impregnace lze vytvořit velice kvalitní izolace pro stroje vysokých napětí a výkonů (toho se
využívá hlavně u trakčních motorů). Vakuově tlaková impregnace umožňuje dokonale vyplnit
všechny póry a vzduchové dutiny impregnační látkou. Tím se dosahuje zvýšení odvodu tepla
z namáhaného izolačního systému a minimalizování rozměrů impregnované součásti.
Pro stanovení vhodného diagnostického systému bylo nutné vzít v úvahu
výpovědischopnost jednotlivých diagnostických metod. Tyto metody musely podávat
jednoznačné výsledky, na jejichž základě bylo možné provádět konkrétní závěry o
dosažených výsledcích. S ohledem na tyto požadavky byly zvoleny dvě zkoušky ze skupiny
nedestruktivních metod. Konkrétně se jednalo o měření absorpčních a resorpčních
charakteristik a ztrátového činitele. Měření absorpčních a resorpčních charakteristik současně
podalo vstupní data pro zpracování vývoje charakteristik vnitřního odporu, vnitřní rezistivity,
polarizačního indexu a redukovaných resorpčních křivek. Z měření ztrátového činitele byly
vypočteny hodnoty relativní permitivity. Zástupcem destruktivních metod byla zkouška
elektrické pevnosti. Touto zkouškou byly získány hodnoty průrazného napětí a vypočteny
hodnoty elektrické pevnosti. Zmiňovaná diagnostická měření probíhala vždy po uplynutí
normou stanového expozičního cyklu. Vzhledem k možnosti znovupoužití zkušebních vzorků
při aplikaci nedestruktivních zkoušek, probíhala jednotlivá měření v dodaném stavu a dále
pak po 3, 6, 10, 20, 30 a 50 zatěžovacích cyklech. V případě destruktivních zkoušek byl
použit delší interval expozice a proto měření probíhala v dodaném stavu a dále pak po 6, 20 a
50 cyklech.
Změny naměřených veličin se sledovaly v závislosti na délce doby, po kterou byly
zkušební vzorky vystaveny namáhání tropickým prostředím ve zkušební klimatické komoře.
Po vyhodnocení všech naměřených výsledků lze konstatovat, že se všechny sledované
diagnostické veličiny velice výrazně zhoršily. To svědčí o destruktivním vlivu tropických
podmínek na sledovaný diagnostický systém. Tento výsledek lze vysvětlit zvýšenou
navlhavostí silikonového impregnačního laku H62C, který byl použit ve zkoumaném
izolačním systému.
Všechny naměřené hodnoty byly zpracovány do tabulek a grafů pomoci programu
Microsoft Excel XP.
41
Využití programu Palstat při řešení přejímek vstupní kontroly
Renata Růžičková - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
Hlavním cílem statistické přejímky je zjistit, zda dodavatel předkládá odběrateli
výrobky (materiály, díly, komponenty, …), jejichž jakost je na vzájemně dohodnuté úrovni,
nebo je lepší než tato úroveň. Dodavatel a odběratel mohou být dvě různé společnosti, části
jedné společnosti nebo dokonce dílny uvnitř téhož závodu. Přejímací plány ISO jsou založeny
na teorii pravděpodobnosti, ale kromě nich existují i jiné možné postupy. Výrobky se
k přejímce nabízejí ve skupinách, tzv.dávkách. Nesplňuje-li kontrolovaná dávka kritéria
statistické přejímky, není přijata. Podle konkrétního případu může být dávka vrácena
dodavateli, stoprocentně zkontrolována a neshodné jednotky buď opraveny nebo nahrazeny
shodnými, přijata za sníženou cenu, nebo přijata k jiným účelům.
Současné normy ČSN ISO, které se týkají metod statistické přejímky, se zabývají
statistickou přejímkou při kontrole měřením a statistickou přejímkou při kontrole
srovnáváním.
Při kontrole měřením se měří znak výrobku na každé jednotce souboru nebo výběru
odebraného z tohoto souboru. Měřením zjistíme skutečnou hodnotu znaku a zda-li je měřený
znak v určitých stanovených mezích. Rozhodnutí o přijetí dávky se učiní na základě výpočtu
průměru a variability měření.
Kontrola srovnáváním spočívá ve zkoušení jednotky nebo jejich znaků a v následném
označení jednotky za „shodnou“ nebo „neshodnou“. Metoda srovnávání je založena na sečtení
všech neshodných jednotek nebo počtu neshod v náhodném výběru. Rozhodnutí o přijetí
dávky se provede porovnáním s přejímacím a zamítacím číslem získaným z příslušné normy.
Počítačová podpora jakosti Palstat CAQ je navržen jako integrovaný informačně řídící
systém a dělí se na jednotlivé oblasti a následně moduly, které pokrývají velkou část
požadavků mezinárodních norem pro management jakosti. Jednotlivé moduly jsou spolu
stavebnicově propojeny na úrovni společných databází. Pro řešení přejímek vstupní kontroly
se stačí omezit pouze na oblast „Plánování jakosti“ (modul „Díly“ a „Kontrolní plán“ ) a
„Monitorování jakosti“ (modul „Vstup“).
Oblast „Plánování jakosti“ obsahuje soubor procesů, který definuje požadavky
zákazníka na výrobek a je zaměřena na podporu managementu jakosti od vývoje nového
výrobku až po zahájení výroby. Modul „Díly“ slouží pro evidenci, definování a přiřazení
základních parametrů jakosti k jednotlivým dílům. Modul „Kontrolní plán“ je základním
programem pro řízení jakosti a obsahuje databázi dílů, ke kterým jsou jednotlivé kontrolní
plány vázané. Program hodnotí dva typy znaků jakosti: variabilní (měřitelné) a atributivní
(neměřitelné).
Oblast „Monitorování jakosti“ slouží pro aplikaci metod pro monitorování a měření
procesů systému managementu jakosti a tím ověřit, zda jsou splněny požadavky kladené na
výrobek. Modul „Vstup“ je určen pro tvorbu, hodnocení a evidenci přejímek vstupní kontroly.
Spolu s hodnocením jakosti dodávky se případně hodnotí včasnost dodání a množství
dodaného materiálu. Hodnocení, které se používá v tomto modulu je založeno na přiřazení
slovního a bodového hodnocení ke každému vyhodnocovanému znaku jakosti, přičemž
atributivní i variabilní znaky se hodnotí stejným způsobem. Rozhodování o přidělení
správného hodnocení je ponecháno na samotném uživateli, takže slovní a bodové hodnocení
si uživatel definuje sám a záleží tedy na každém, jaký žebříček si zvolí. Program automaticky
vyhodnocuje pouze normu pro přejímky měřením.
Cílem softwaru Palstat je zjednodušit a zefektivnit plnění požadavků norem týkajících
se managementu jakosti, především ušetřením času a nepohodlné práce s informacemi.
42
Metodika měření výkonnosti procesů
Radek Soukup - KE 5
lektor: Ing. Jiří Tupa - KET
Řízení procesů je velice širokou oblastí s vysokým potencionálem rozvoje, ve které se
uplatňují a kombinují poznatky z řady vědeckých disciplín. Jedná se zejména o matematiku,
kybernetiku, informatiku, statistiku, spolehlivost, ekonomiku, management podniků,
metrologii, systémové inženýrství a v neposlední řadě i o technologické disciplíny. Procesní
způsob řízení má i velké uplatnění v elektrotechnice, kde velké nadnárodní společnosti díky
tomuto modelu dokázaly zvýšit efektivnost fungování svých závodů a rapidně snížit
chybovost výrobků a náklady ve výrobě.
Pro efektivní tvorbu systémů řízení v oblasti výrobních podniků je vhodné jednoznačně
vymezit strategické konkrétně měřitelné cíle a hledat vhodný způsob, jenž by vedl
k uskutečňování vizí a poslání organizace. Z toho vyplývá potřeba znalosti stavu, jestli se
podnik přiblížil či vzdálil od daných cílů, což může být zjištěno pomocí měření výkonnosti
procesů. Výkonnost procesů musí být měřena průběžně a skutečné hodnoty, které podnik
v dané chvíli dosahuje, musejí být srovnávány s cílovými pomocí vybrané metody měření.
Z hlediska kybernetiky měření výkonnosti procesů má funkci zpětné vazby, která umožňuje
vlastníkovi procesu, jenž je za proces zodpovědný, operativně ovlivňovat další průběh
procesu na základě získaných dat.
Metoda měření by měla určit konkrétní metodiku měření výkonnosti procesů a stanovit
vhodné metriky a ukazatele, které budou odvozeny od konkrétních definovaných cílů
podniku. Navržené metriky by měly být zavedeny nejen ve všech důležitých procesech, ale i
mimo stanovených procesů pro sledování stavu jednotlivých zdrojů, které mají nějakou
příčinou souvislost s danými procesy.
Cílem této práce bylo účelně zrekapitulovat jednotlivé obecné i aplikační poznatky
z oblasti řízení procesů pro pochopení základních zákonitostí. Dále navrhnout metodiku
měření výkonnosti procesů, která je nutná pro stanovení efektivnosti procesů a jejich další
optimalizaci. Navrženou metodiku pak aplikovat na konkrétních procesech společnosti
s elektrotechnickou výrobou.
První kapitola se zabývá konfrontací dvou pohledů na procesní řízení. První perspektiva
nahlíží na procesní řízení skrze kybernetiku jako na stochastické dynamické systémy. Druhý
pohledem je nahlížení na proces prostřednictvím všech lidí, jenž nějakým způsobem
participují na procesu tzv. stakeholderů, které lze rozdělit do jednotlivých skupin. Každá tato
skupina má odlišný zájem na procesu, definuje rozdílně úspěch procesu a získává prospěch
z procesu odlišnými způsoby.
V druhé kapitole jsou shrnuta východiska a obecné zákonitosti měření výkonnosti
procesů. Nachází se zde popis metod pro měření výkonnosti procesů od nejjednodušších až po
nástroje Balanced Scorecard a Six Sigma, které se v současné době dostávají do popředí
zájmu nejen v oblasti řízení procesů, ale i v oblasti řízení jakosti.
Metoda Six Sigma je nový vylepšení druh komplexního pojetí kvality, která je založena
na měření a detailní statistické analýze. Tato metoda byla vyvinuta společností Motorola, jenž
s ní dosahuje pozoruhodných úspěchů. Metoda Balanced Scorecard (BSC) hodnotí organizací
čtyřmi základními pohledy (finanční, zákaznická, procesní a znalostní perspektiva). BSC není
náhradou denně používaných měřících systémů. Měřítka BSC jsou navržena tak, aby poutala
pozornost manažerů a zaměstnanců k faktorům, od nichž se očekává, že povedou k průlomu
konkurenceschopnosti podniku.
V třetí a čtvrté kapitole práce je umístěna praktická část, v níž je navržena vhodná
metodika měření výkonnosti procesů pro danou firmu s elektrotechnickou výrobou a
doporučení pro využití navržené metodiky v praxi.
43
Diagnostika uhlíkových kartáčů
Jaromír Suchý - SE 5
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Každý výrobce si velice bedlivě chrání vlastní technologické postupy zdokonalené
dlouholetou zkušeností v oboru. V tomto směru je výroba uhlíkových kartáčů velice
specifická a značně odlišná od běžné strojírenské výroby, přičemž převážná většina firem má
své kořeny a mateřské závody v zahraničí.
Firma MONS PLUS s.r.o. je ryze českou firmou zabývající se výrobou uhlíkových
kartáčů. Některé poznatky byly získané při dřívějších kontaktech s EK Topolčany, bohužel
však při reklamačních jednáních. Plzeňská firma proto vypracovala vlastní technologii výroby
za použití jednoúčelových strojů. Cílem mé výzkumné práce je posoudit kvalitu výroby
zejména s ohledem na platné technické normy. Tyto normy byli vypracovány v dřívější době
a zahrnují poměrně drastické zkoušky pěchovaného spoje uhlík-lanko pomocí tzv. šokování.
Šokové zkoušky byly vyvinuty v době kdy u pomocných trakčních motorů docházelo ke
hromadnému výskytu poruch pěchování u uhlíkových kartáčů z EK Topolčany, které byly
v té době monopolním výrobcem v rámci Československa. V té době také začalo docházet
k bezprostředním kontaktům s tehdy západními firmami, zejména se jednalo o společnosti
RINGSDORF a SCHUNK. Především firma RINGSDORF, jejíž materiály RE59N1 byly
hodně používány u trakčních motorů, měla velký zájem, aby problém pěchování lanka byl
úspěšně vyřešen. Od té doby se u uhlíkových kartáčů sleduje zejména přechodový odpor mezi
základním materiálem a měděným lankem. Dnes existuje několik způsobů zapěchování lanka,
lišící se zejména co se týče vývrtu (rozměry, hloubka vrtání, …) pro spoj. Také vlivem vývrtu
se ve své práci zabývám.
Šokování je ve své podstatě tepelná zkouška, při které se uhlíkový kartáč ohřeje na
vyšší teplotu (dle použitého způsobu v rozmezí 140 ÷ 150 °C) a po normou doporučené době
se prudce zchladí v chladícím mediu, kterým bývá nejčastěji voda. Tento případ se v praxi
nevyskytuje, nicméně byl stanoven jako zkušební metoda. Moje práce se nezabývá kvalitou
obrábění těla kartáče (drsnost povrchu, rozměry a tolerance, kolmost atd.), ale soustřeďuje se
na přechod uhlík-lanko. Kvalita zapěchování společně se správnou volbou základního
materiálu a použitého průměru lanka mají rozhodující vliv na spolehlivost uhlíkového kartáče,
a tím i celého stroje. Měření přechodových odporů po pěchování a po šokových zkouškách
má potvrdit správnost zvoleného technologického postupu popř. napomoci tento postup
zlepšit a zdokonalit.
Neméně důležitá zkouška je měření mechanického upevnění lanka. Zvolil jsem normou
předepisovanou trhací zkoušku a výsledky jsem porovnával jak s tabulkovými hodnotami, ale
především také s teoretickými předpoklady. Provedená měření mimo jiné osvětlují děje
probíhající v zapěchovaném stykovém
místě. Vyhodnocením naměřených hodnot
společně s teoretickými a dlouholetými
praktickými znalostmi má za účel pomoci
uvedené
firmě
obstát
v tvrdém
konkurenčním prostředí. Očekávám dobrý
výsledek v rámci daných možností.
V neposlední řadě se zde otevírá prostor
na další spolupráci, vývoj a výzkum
v tomto specifickém a nepříliš známém
oboru, ve kterém došlo v šedesátých letech
ke značnému rozvoji, nicméně je zde stále
ještě prostor pro další vývoj.
44
Ověření homogenity vlastností elastomerního materiálu se slídovým
plnivem
Miloslav Toman - SE 4
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Tato práce se zabývá posouzením reprodukovatelnosti výroby při zachování
homogenity elektrických vlastností materiálu EPDM (ethylenpropylenový kaučuk) s deseti
procenty slídového obrusu (materiál, který vzniká při výrobě přesných mikanitů jako odpad),
třemi procenty aditiv a deseti procenty SiO2.
Předchozí etapy prací byly zaměřeny na ověření, zda přítomnost slídy positivně ovlivní
elektrické vlastnosti kaučukových materiálů a později na vytipování nejvhodnějšího materiálu
určeného pro dotaci slídou a jejího optimálního množství ve vztahu k elektrickým
vlastnostem. Měření elektrických vlastností za účelem nalezení nejvhodnějšího materiálu pro
dotaci slídou probíhalo na těchto materiálech: CR – chloroprenový kaučuk, NBR – nitrilový
kaučuk, SBR – butadienstyrenový kaučuk, EPDM – ethylenpropylenový kaučuk, MVQ –
silikonový kaučuk. Na základě provedených měření byl, jako nejvhodnější materiál vybrán již
zmíněný EPDM s deseti procenty slídového obrusu, třemi procenty aditiv a deseti procenty
SiO2 (aditiva a SiO2 zlepšují mechanické vlastnosti tohoto materiálu – materiál konstruovaný
pouze jako EPDM se slídovým obrusem nevyhovoval z hlediska mechanických požadavků),
jehož typické hodnoty ztrátového činitele jsou tgδ = 0,002 – 0,006 pro f = 50 Hz – 300 kHz,
relativní permitivity εr = 2 – 2,3 a vnitřní rezistivity ρv = 2,2.1016 - 3,6.1018 Ωm.
Pro ověření homogenity elektrických vlastností byly dodány tři řady vzorků
pocházejících ze tří po sobě vyrobených šarží stejného složení a postupu výroby, každá
v počtu několika kusů. Z každé řady byly proměřeny tři vzorky a to tak, že jeden dodaný
vzorek byl rozdělen na čtvrtiny (z důvodu ověření homogenity elektrických vlastností daného
materiálu v různých geometrických částech vzorku) a další dva vzorky určené k proměření
pocházely ze dvou různých dodaných vzorků téže řady. Toto bylo provedeno pro vzorky
všech tří řad. Volba počtu proměřovaných vzorků byla zvolena jako optimum s odpovídající
výpovědischopností při zvážení časové náročnosti.
Jak již bylo zmíněno, z každé řady bylo vybráno šest vzorků pro měření ztrátového
činitele tgδ s následnými výpočty relativní permitivity εr a pro měření vnitřní rezistivity ρv
s navazujícími výpočty polarizačního indexu a RRK (redukovaných resorpčních křivek).
Elektrická pevnost byla měřena na třech vzorcích z každé řady, v počtu pěti průrazů na
vzorku. Pro měření ztrátového činitele byl použit modifikovaný Scheringův můstek
Rhode&Schwarz s příslušným elektrodovým systémem, RC generátorem a selektivním
nulovým indikátorem. Měření vnitřní rezistivity probíhalo s použitím elektrodového systému
Keithley Instruments, pikoampérmetru 610 C a zdroje stejnosměrného napětí SKS C 245.
Ztrátový činitel byl měřen ve frekvenčním pásmu 50 Hz až 300 kHz a jeho velikost se
pohybuje v řádu několika tisícin s variačním koeficientem menším než deset procent pro
všechny vzorky ze všech řad. Ztrátový činitel pro frekvenci 50 Hz je roven 0,0064 (průměrná
hodnota) pro všechny vzorky ze všech řad. Relativní permitivita je v rozmezí 2,1 až 2,2
s variačním koeficientem pohybujícím se na hranici deseti procent. Vnitřní rezistivita (měřena
při 500 V=) po jedné minutě je rovna hodnotě 1,14.1018 Ωm (průměrná hodnota) s variačním
koeficientem pohybujícím se na hranici deseti procent, polarizační index je roven 3,09
(průměrná hodnota) s variačním koeficientem pohybujícím se na hranici tří procent..
Elektrická pevnost materiálu byla zjištěna 35,1 kV/mm (průměrná hodnota) s variačním
koeficientem 2,96 %.
Výsledky měření elektrických vlastností prokázaly reprodukovatelnost výroby tohoto
materiálu a hodnoty ztrátového činitele, vnitřní rezistivity, relativní permitivity a
polarizačního indexu ho řadí mezi výborné izolanty.
45
Vliv technologie impregnace skleněné tkaniny na vybrané vlastnosti
laminátů
Robert Vik - KE 5
lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET
Vliv materiálů na člověka je jistě nezanedbatelný. V celém světě jsou dnes při
vzrůstajícím počtu obyvatel limitujícím faktorem omezené zdroje surovin a energií. To je také
hlavním důvodem, proč se dnes stále více klade důraz na vývoj nových materiálů a výrobních
technologií.
V posledních desetiletích došlo k prudkému nárůstu využívání kompozitních materiálů,
používaných původně pouze ke snížení výrobních nákladů. Poměrně rychle po zvládnutí
technologie výroby, a zejména po rozmachu polymerních materiálů po druhé světové válce,
se staly jednou ze základních surovin téměř ve všech průmyslových odvětvích. Jejich
ohromnou výhodou je velká šíře používaných pojiv, matric, způsobů jejich spojení,
geometrických a strukturních uspořádání, která nám umožňuje naprosto přesně zvolit materiál
podle požadovaných vlastností.
Jedním z mnoha představitelů kompozitních materiálů jsou lamináty. Jedná se o
vrstvený materiál vzniklý spojením několika vrstev výztuže impregnovaných reaktoplastickou
pryskyřicí. Jako výztuží se v mnoha případech používá skleněných vláken, která mají velmi
dobré elektrické i mechanické vlastnosti při zachování příznivé ceny.
Spolu s rozšiřováním aplikací těchto materiálů však také vzrůstá potřeba sledování
vývoje jejich fyzikálních, elektrických, chemických a v neposlední řadě i fyziologických
vlastností. S tím souvisí také rozvoj diagnostických metod.
Jedinou firmou, která v naší republice vyrábí lamináty pro elektrotechnické aplikace je
Lamitec Czech s.r.o. Pardubice. Zde vyrobené lamináty se používají převážně pro desky pro
plošné spoje. Na základě spolupráce oddělení Elektrotechnologie s touto firmou byla zadána
tato práce. Jejím úkolem bylo zjistit a porovnat vliv různých technologií výroby prepregů na
výsledné elektrické a mechanické vlastnosti laminátu. Čtyři dodané vzorky se lišily použitou
technologií impregnace prepregu. První materiál byl vyroben standardním postupem, u
druhého nebylo použito předmáčení tkaniny, při výrobě třetího materiálu byla zvýšena
rychlost linky a u čtvrtého byl snížen obsah pryskyřice v materiálu. Při výrobě bez
předmáčení totiž dochází ke zhoršené adhezi pryskyřice ke skleněnému vláknu a tím pádem
ke zhoršení parametrů laminátu. Stejný případ nastává i v případě rychlejšího posuvu tkaniny
ve výrobní lince.
Vzhledem k aplikacím, v nichž jsou uvedené lamináty používány, jsou rozhodující
zejména elektrické a mechanické vlastnosti. Proto byla u všech materiálů měřena elektrická
pevnost podél a kolmo na vrstvy laminátu, ztrátový činitel tg δ při frekvencích 50 Hz na
čtyřkapacitním můstku a při 1 MHz na Q metru a mechanická pevnost v ohybu. Materiály
byly měřeny jednak v dodaném stavu a jednak po expozici 24, 48 a 72 hodin v destilované
vodě o teplotě 50 °C.
Po vyhodnocení všech měření jsem zjistil, že po stránce elektrické pevnosti jsou
všechny čtyři lamináty v dodaném stavu v podstatě rovnocenné. Po expozici ve vodě dochází
u všech materiálů k určitému snížení pevnosti.
Z výsledků měření vyplynulo, že jako nejhorší se jeví laminát s vyšší rychlostí posuvu
tkaniny při výrobě. Tento materiál měl vůbec nejhorší ztrátový činitel při frekvenci 50 Hz, při
1 MHz měl druhý nejhorší výsledek a při měření elektrické pevnosti kolmo na vrstvy
vykazoval nejnižší hodnoty. Naopak jako nejlepší materiál vyšel laminát vyráběný standardní
technologií, který kromě ztrátového činitele při frekvenci 1 MHz, kde dopadl nejhůře,
dosahoval nejlepších hodnot.
46
Sekce Elektrické stroje a pohony
složení komise
předseda
doc. Ing. Luděk Piskač, CSc.
členové
doc. Ing. Karel Zeman, CSc.
Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.
Ing. Bohumil Skala, Ph.D.
47
Algoritmy řízení napěťového střídače ve vybraných pracovních režimech
Pavel Durdil - DE 5
lektor: Ing. Martin Janda - KEV
V této práci je rozebráno chování asynchronního motoru a analyzován proud odebíraný
měničem při různých způsobech řízení. Pozornost je věnována zejména přechodu z pulzně
šířkové modulace na obdélníkové řízení. Jsou zde zobrazeny průběhy významných veličin při
různých způsobech řízení asynchronního motoru pomocí napěťového střídače. Je provedena
také harmonická analýza proudu odebíraného měničem.
Pozornost je věnována zejména přechodu z pulzně šířkové modulace na obdélníkové
řízení. Na obdélníkové řízení se přechází při vyšších rychlostech motoru, jednak kvůli
jednoduchosti obdélníkového řízení, ale také kvůli vyššímu požadovanému napětí, které
obdélníkové řízení poskytuje. Příkladem využití je předměstská jednotka 471, u které se
přechází na obdélník při kmitočtech střídače větších než 100 Hz kvůli nepříznivým průběhům
u PWM s frekvencí pily 760 Hz.
Je zde použitá klasická pulzně šířková modulace (pulse width modulation) s pilovitým
(modulačním) signálem, využívajícím koincidenci tohoto napětí s řídícím napětím pro změnu
sepnutí tranzistorů.
Modernějším způsobem PWM je hvězdicové řízení (space-vektor modulation), které
využívá prostorový vektor pro určení okamžiků a délky sepnutí jednotlivých spínačů
v závislosti na délce a směru tohoto vektoru. Podle výkonového schématu napěťového
střídače je zřejmé, že je možno realizovat pouze osm kombinací sepnutí střídače, kterým
odpovídá osm stavů. Těchto osm stavů lze rozdělit na šest stavů během nichž je ze vstupního
filtru odebírána energie a dodávána přes střídač asynchronnímu motoru. Při plném otevření
střídače tyto takty vyjadřují šest poloh vektoru napětí v komplexní rovině o délce 2/3·UC
vzájemně posunuté o 60°. Při zbylých dvou stavech, které nazýváme jako nulové, jsou svorky
motoru zkratovány a energie se do motoru nedodává. Tyto stavy leží v průsečíku os
komplexní roviny a vektory napětí, které jim přísluší, mají nulovou délku.
Pokud se stavy mění od stavu 1 do stavu 6 postupně, jedná se o tzv. obdélníkové
řízení. Může být mezi nimi vložen případně i nulový takt, který zkracuje vektor napětí a tím
snižuje hodnotu první harmonické výstupního napětí střídače. Při malých rychlostech ω by
však mohlo docházet ke krokování motoru. Proto je vhodné zvětšovat velikost q dalšími
improvizovanými mezipolohami, které se nazývají fiktivní polohy. Tyto polohy nejsou
realizovatelné jednou kombinací sepnutí střídače jako u obdélníkového řízení. Při vytváření
této fiktivní polohy je proto nutné použít kombinaci délek působení dvou přilehlých stavů.
Harmonická analýza proudu odebíraného střídačem, provedená v programu
SIMPLORER, nám odhalí spektrum harmonických, které je provedeno pro různé způsoby
řízení. U klasické PWM je přechod na obdélníkové řízení řešen postupným zvyšováním
amplitudy řídícího napětí.
Abychom mohli analyzovat proud, odebíraného napěťovým střídačem, je nutné nejdříve
stanovit matematický model asynchronního motoru, který zmíníme v úvodu. Dále si řekneme
o principu klasické pulzně šířkové modulace a rozebereme princip hvězdicového řízení.
Zmíníme se o Fourierově transformaci a harmonické analýze, která je použita pro analýzu
zmíněného proudu. Ukážeme si harmonickou analýzu u obdélníkového řízení, u klasické
PWM a přechod mezi nimi. Dále si ukážeme, jak přejít na obdélník při hvězdicovém řízení a
na závěr porovnáme rozdíly mezi zmíněnými typy PWM.
48
Řízené spínání 3f zátěže - výkonová část
Jan Frána - ELE 2
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Předmětem úkolu je zpracování návrhu silové části zařízení spínání zátěže dle průběhu
amplitudy a sestavení tohoto zařízení.
Ovládací část není předmětem tohoto návrhu. Její zpracování řeší jiný student (Petr
Janeček).
Požadavky na sepnutí zátěže jsou:
- sepnutí 3-f zátěže při průchodu nulou každé fáze,
- sepnutí 3-f zátěže po určitém časovém intervalu od průchodu nulou první fáze.
V návrhu zapojení bude použit tyristorový blok W3C – SKUT 230 od fy. Semikron.
Tento blok obsahuje 3× dva antiparalelně zapojené tyristory na jmenovitý proud 215 A,
špičkový proud 1,95 kA po dobu 10 ms. Tyristorový blok bude pasivně chlazen.
Tyristory budou ovládány třemi spínacími moduly APTT841M – výrobek stejné fy.
K modulům budou přivedeny spínací signály z ovládací části.
Po sepnutí budou tyristory přemostěny paralelně zapojenými stykači.
Celý obvod bude jištěn polovodičovými pojistkami.
Zařízení bude umístěno v laboratoři a bude používáno pro řízené spínání asynchronních
motorů.
Práce je podporována projektem FRVŠ č. 1303/2004/G1.
49
Návrh systému pro výuku analogové regulace
Adam Gabriel - PE 5
lektor: Ing. Martin Pittermann, Ph.D. - KEV
V rámci této práce byly vytvořeny dva funkčně nezávislé systémy, které mají sloužit
jako pomůcka k výuce analogové regulace na elektrotechnické fakultě.
První z nich je program Bloky napsaný v jazyce Delphi a určený pro užívání pod
operačním systémem Windows 9x a vyšším. Tento program využívá možností objektově
orientovaného programování a umožňuje uživateli, aby si sám vytvořil simulační schéma
s pomocí dostupných bloků. Každý typ bloku reprezentuje některý prvek, který se používá
v teorii regulace pro modelování chování reálných systémů. Bloky, jejichž chování je
popsatelné diferenciální rovnicí, jsou simulovány s využitím dvou numerických metod –
Eulerovy a modifikované Eulerovy metody prvního řádu, z nichž je možné si jednu vybrat. Po
sestavení virtuálního blokového schématu a nastavení parametrů použitých bloků může
uživatel nastavit parametry výpočtu a provést simulaci. Vypočítané výsledky je možné
sledovat v grafické podobě nebo je uložit do souboru a později opět z tohoto souboru vyvolat.
Program umožňuje také uložení a zpětné vyvolání vytvořeného blokového schématu. Součástí
adresáře, ve kterém se program nachází je několik souborů s uloženým blokovým schématem,
tyto soubory jsou vytvořeny jako vzorové a zároveň také sloužily k simulacím, jejichž
výsledky jsou součástí dokumentu popisujícího tuto práci.
Druhý systém je stavebnice realizovaná s pomocí operačních zesilovačů. Tato
stavebnice je tvořena samostatnými moduly, každý z těchto modulů reprezentuje opět určitý
typ bloku, který se vyskytuje v modelech reálných systémů. Vzájemným pospojováním těchto
bloků vznikne model celé regulační smyčky. Pro svou činnost tato stavebnice potřebuje
symetrické napájení ± 15 V (k napájení OZ). Dále jako zdroj signálu je vhodné požít funkční
generátor, který umí generovat signál kmitočtů řádově jednotek až desetin Hz. Ke sledování
průběhů lze doporučit použít dvoukanálový osciloskop s možností záznamu. Protože se jedná
o výukovou pomůcku, je stavebnice navržena s určitými úpravami, které mají ochránit
jednotlivé součásti před zničením vlivem nešetrného zacházení.
Součástí práce jsou přílohy, v nichž jsou porovnány průběhy získané simulací ve
vytvořeném programu Bloky, v programu DYNAST a naměřené průběhy na zkušebním
vzorku stavebnice. Dále přílohy obsahují výukové texty, které mají sloužit studentům jako
výuková pomůcka při seznámení se s oběma systémy a se základními principy analogové
regulace a masky, které lze použít při leptání plošných spojů a tím zrychlit a zjednodušit
jejich výrobu.
Oba systémy obsahují následující bloky: aperiodický člen, integrační člen, součtový
člen, PI-regulátor, nelinearitu typu nasycení a nelinearitu typu hystereze. Program Bloky
zároveň obsahuje navíc zdroj jednotkového skoku a sinusového signálu, zatímco stavebnice
z operačních zesilovačů takový blok neobsahuje a využívá externího zdroje signálu (funkční
generátor). Program ještě navíc obsahuje blok zpětné vazby, který je pro softwareovou
realizaci zapojení zpětnovazební smyčky nezbytný. Během vytváření obou systémů bylo od
začátku pamatováno na možnost budoucího rozšíření obou systémů o nové prvky a tato práce
také naznačuje jak další rozšiřování realizovat.
50
Multimetr DMK32
Hamáček Petr, Pilný Jan, Markvart Jan - KE 4
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Multimetr byl vyvinut na základě požadavků moderních systémů pro distribuci energie
a elektrické instalace. Může být též použit v systému kogeneračních, záložních zdrojů
s generátorem nebo výrobních zdrojů. Kritické změny zkresleného průběhu křivky, jakož i
napětí a proudy s obsahem vyšších harmonických a proměnlivou frekvencí neovlivňují
vysokou přesnost měření s multimetrem.
Jde o multimetr od firmy Lovato Electric s analýzou sítě, programovatelnými výstupy a
komunikačním portem pro připojení PC nebo předávání naměřených dat po sériové sběrnici
v modu MODBUS. Měří efektivní hodnotu, lze odečíst až 230 hodnot včetně výkonové
analýzy. Zvládá harmonickou analýzu až po dvaadvacátou harmonickou pro napětí i proud.
Zaznamenává maximální i minimální hodnoty, měří spotřebovávaný i dodávaný výkon.
Umožňuje zapojení třífázové i jednofázové, třífázová zapojení lze realizovat v zapojeních
s nulovým vodičem, bez nulového vodiče, bez nulového vodiče se vstupním proudem
v Aronově zapojení, bez nuly se vstupem přes napěťové trafo, s nulou a napěťovým vstupem
s transformátorem napětí.
Zapuštěná montáž DIN 43700. Komunikační port RS 485, izolovaný s proměnnou
rychlostí 2400 – 19200 bps, napájecí napětí (85 – 156 VAC), měřená napětí (20 – 830 VAC),
měřené proudy (0,02 – 6 A) a provozní teploty (-20 až +60 °C).
Jedním přístrojem lze nahradit všechna klasická ručková měřidla a přepínače fází a
zároveň je vysoce výkonným analyzátorem sítě. Možno jej využít pro přesnou diagnózu
problémů a havarijních stavů.
Práce je podporována projektem FRVŠ 1303/2004/G1.
51
3fázový střídač 3 kW
Vladimír Chlad - PE 5
lektor: doc. Ing. Karel Zeman, CSc. - KEV
Jedná se o 3fázový střídač pro napájení asynchronního motoru o výkonu 3 kW. Zařízení
je napájeno ze sítě 230 V a odebíraný proud je omezen standardním jištěním 16 A. Z toho
také vyplývá omezení výkonu na cca 3 kW. Toto zařízení se uplatní všude tam, kde je třeba
napájet 3fázový asynchronní motor a k dispozici není 3fázová síť nebo je třeba plynule řídit
otáčky motoru. Plnohodnotně lze napájet motory navržené pro připojení k síti 3×380
v zapojení do hvězdy a 3×220 v zapojení do trojúhelníku, což je převážná část dnešních
motorů. Toto je podmínka pro dosažení 100 % jmenovitého výkonu.
Výkonová část střídače je realizována šesticí tranzistorů IGBT a jedním IGBT
tranzistorem pro funkci brzdy. Vstupní část napájení stejnosměrného meziobvodu tvořeného
filtračním kondenzátorem tvoří neřízený usměrňovač s ochranou proti proudovému přetížení
při připojení zařízení k síti. V režimu brzdy, což zde spočívá ve snižování výstupní frekvence
výstupního napětí se napětí kondenzátoru zvyšuje nad jmenovité provozní. Toto je řešeno
spínáním napětí kondenzátoru do odporu pomocí brzdného IGBT tranzistoru.
Řízení spínání je realizováno jednočipovým mikroprocesorem RISC architektury AVR
od firmy ATMEL typu AT90S8515, který je použit na universální vývojové desce. Pro
sériovou výrobu bude použit procesor AT90S2313. K procesoru je připojen alfanumerický
displej o velikosti 2*16 znaků na kterém je zobrazována výstupní frekvence a směr otáčení.
Ovládání výstupní frekvence je pomocí dvou tlačítek kterými se nastavená frekvence mění
(přidává a ubírá) a při přechodu přes nulovou hodnotu se mění směr otáčení. Ovládací
program je napsán v programovacím jazyku BASCOM-AVR firmy MCS Electronics. Jedná
se o jazyk vycházející ze starého jednoduchého basicu doplněného o řadu velice užitečných
funkcí specifických pro tento procesor, jeho periferie a zařízení k tomuto jednočipovému
procesoru nejčastěji připojovaných, jako je LCD displej, čtečka magnetických karet atd.
Program má celkem 4 funkční bloky:
a) Obsluha stisknutých tlačítek
b) Zobrazení na displeji
c) Výpočet dob sepnutí jednotlivých prvků
d) Vlastní spínání tranzistorů a časování dob sepnutí, pro které je použito interního
časovače procesoru a je obsluhováno takzvaně pod přerušením.
Řízení spínání je realizováno tzv. vektorovým řízením, které se nejsnáze realizuje
pomocí procesoru, protože nevyžaduje výpočty hodnoty funkce sinus (což je výkonově
náročné) a nebo použití tabulky hodnot této funkce.
Pro jednoduchost a finanční nenáročnost celého zařízení není použito galvanického
oddělení výkonové části od řídící. To umožňuje použít velice jednoduchých driverů pro
tranzistory. Zařízení je konstruováno jako prototyp pro odladění a optimalizaci konstrukce
sériového zařízení určeného pro výrobu. Proto zde bylo použito součástek, které jsou pro
tento účel předimenzovány a po zkušenostech s provozem zařízení, bude jejich volba
optimalizována pro co nejlevnější výrobu.
52
Řízené spínání 3f zátěže - řídící část
Petr Janeček - ELE 2
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Požadavky:
1) Spínání obecné 3fázové zátěže dle amplitudy první fáze
a) Při průchodu „napěťovou nulou“
b) V určitém čase měřeném od průchodu napěťovou nulou
2) Spínání obecné 3fázové zátěže v napěťové nule dle průběhu amplitudy v každé fázi
Předpokládané řešení „slaboproudé“ části:
Zařízení je ve stádiu vývoje a hledání vhodného konstrukčního řešení.
Celé zařízení se bude skládat ze tří hlavních modulů. Všechny moduly budou napájeny
12 V=, abychom omezili vliv rušení (Větší mezera mezi logickými úrovněmi).
MODUL 1: Snímání amplitudy
Tento modul bude galvanicky oddělen od řídící logiky pomocí optočlenů a vlastního
napájení. Pomocí dvou odporových děličů a komparátoru TL 074 se bude hlídat průchod
nulou. Bude možno přesně nastavit komparační úroveň a tím i „čas“ a velikost výstupního
impulsu pro každou fázi zvlášť. Jelikož ostatní zpracování signálu se bude provádět v Modulu
2, který bude mít (sice minimální) zpoždění, nebude tedy problém toto zpoždění
kompenzovat.
MODUL 2: Zpracování vstupních impulsů a časování
Tento modul bude postaven na obvodech CMOS. Pomocí přepínačů (viz za a, b) bude
možno nastavit různé režimy chodu (viz požadavky). Do modulu budou přivedeny následující
impulsy:
a) Start/Stop
b) Spínání podle napěťové nuly pro 3 fáze/Časování podle 1. fáze
c) Signály indikující průchod napěťovou nulou (pro každou fázi samostatný)
d) Požadovaný čas časování
e) Časování PC/manuál
Výstupní impulsy:
- 3 × 12 V= vývod pro ovládání silových tyristorových modulů
Vlastní časování se bude provádět pomocí čítače, který bude počítat hodinové impulsy
(sestupně) od zadaného čísla. Při dosažení nuly dojde k sepnutí. Požadovaný čas bude možno
nastavit pomocí potenciometru nebo přes datovou sběrnici z PC.
(Modul bude konstruován tak, aby se případně v budoucnu mohla logika typu CMOS
nahradit mikroprocesorem).
MODUL 3: Zobrazovací jednotka
Tato jednotka bude zobrazovat stavy v obvodu (viz body a, b, c, d, e) a celkový stav
zařízení (zapnuto vypnuto)
Práce je podporována projektem FRVŠ č. 1303/2004/G1.
53
Přínos rekuperace elektrické jednotky řady 471 ke snížení energetické
náročnosti železniční dopravy
Zbyněk Kakeš - DE 5
lektor: Ing. Jaroslav Škubal - KEV
Hlavním cílem této práce je určit celkovou spotřebu elektrické energie elektrické
jednotky 471 s uvažováním rekuperace na konkrétním traťovém úseku. Zvolil jsem si traťový
úsek na zmodernizovaném I. železničním koridoru tratě 011 od zastávky Praha-Běchovice do
zastávky Kolín. Jedná se o 50 km dlouhý úsek dvoukolejné, místy i tříkolejné tratě. Tento
úsek je elektrizován stejnosměrnou proudovou soustavou 3 kVss. Na tomto úseku se nachází
tři napájecí stanice. Jedná se o napájení oboustranné, kde jednotlivé napájecí úseky jsou mezi
sebou propojeny. Příčné propojení traťových kolejí se provádí pouze ve výjimečných
případech (výluky, poruchy). Spotřebovat vyrobenou energii elektrickou jednotkou při
brždění mohou tedy pouze vlaky nacházející se na téže koleji.
Mluvíme-li o rekuperaci v železniční dopravě, mluvíme o vracení elektrické energie
zpět do troleje. Jelikož trakční napájecí stanice jsou vybaveny diodovými usměrňovači, není
možné vracení elektrické energie z troleje zpět do distribuční sítě. Pro vrácenou energii musí
být zajištěn odběr jiným hnacím kolejovým vozidlem. Pokud odběr energie zajištěn není,
vyrobená energie se maří v brzdovém odporníku. Elektrická jednotka 471 je vybavena
měřícím přístrojem, který měří napětí v troleji. Pokud toto napětí přesáhne povolenou hodnotu
(pro rekuperovanou energii není zajištěn odběr jiným hnacím vozidlem), dochází
k nehospodárnému zmaření rekuperované energie v odporníku. Pro hospodárný provoz je
tedy výhodné, aby se na trati, společně s jednotkou 471, pohybovalo co nejvíce hnacích
kolejových vozidel, které by zajišťovaly odběr rekuperované energie při brždění.
Firma Škoda dopravní technika společně s firmou Moravskoslezká vagónka Studénka
v roce 1998 vyrobili první elektrickou předměstskou jednotku řady 471, která umožňuje při
brždění vracet energie zpět do trakční sítě. Elektrická předměstská jednotka řady 471 je v
současné době jedním z nejmodernějších vozidel na síti ČD a je určena pro příměstský
provoz. Jedná se o vozidla se dvěma podlažími s integrální hliníkovou stavbou skříně pro
rychlost do 140 km/h. Konstrukční rychlost je 160 km/h. Trakční výzbroj včetně podvozků a
řízení dodává Škoda dopravní technika. Jde o první sériově vyráběné vozidlo v síti ČD, kde
jsou použity asynchronní trakční motory a v sekundárním stupni pneumatické vypružení.
Elektrická předměstská jednotka může být složena z různých kombinací tří typů
čtyřnápravových vozidel v patrovém provedení:
• elektrického motorového vozu s označením 471, který je kromě prostoru pro cestující
vybaven stanovištěm a úplnou trakční výzbrojí
• řídicího vozu s označením 971, který má stanoviště pro strojvedoucího a prostory pro
cestující
• vloženého vozu s označením 071, pouze s prostorem pro cestující.
Práce obsahuje i program pro simulaci jízdy vlaku (tachogram) včetně stanovení
výkonu a spotřeby elektrické energie. Výstupem programu jsou hodnoty v binárním kódu a
v textové podobě.
Rekuperace energie se v současné době hodně využívá v provozu MHD u tramvají a
trolejbusů, kde při rekuperaci energie je velká pravděpodobnost, že se jiné vozidlo bude
rozjíždět a odebírat rekuperovanou energii do troleje. Pro snížení energetické náročnosti
v železničním provozu je výhodná příměstská doprava, kde při brždění před stanicí nebo
zastávkou může docházet k rekuperaci energie.
54
Měření otáček synchronního generátoru s použitím čítače
Bc. Zdeněk Křelovec - SE 4
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Cílem práce je sestrojit zařízení pro dostatečně přesné (přesnost asi 1 ot/min) měření
otáček synchronního turbosoustrojí umístěného v nových laboratořích KEV.
Konstruované zařízení by mělo nahradit stávající měřič otáček. Tento je realizován ze
starších součástech a při případné poruše je prakticky neopravitelný (součástky z bývalého
SSSR). Dalším důvodem je fyzické umístění snímače a zobrazovače otáček. V původní
variantě byla tato zařízení v bezprostřední blízkosti. V nových laboratořích však soustrojí je
umístěno ve zdrojovně, ale vlastní měření probíhá v oddělených laboratořích. Kabel od
vlastního čidla otáček musí být veden ve společném kabelovém kanálu se silovými vodiči
(souběh asi 25 m) a vlivem rušení by mohlo dojít k selhání.
•
•
•
Základní požadavky na konstruované zařízení jsou:
co nejvyšší spolehlivost
maximální přesnost
co největší omezení rušení
Z původního měřiče otáček bude použita jeho mechanická část (kotouč se šedesáti
zářezy upevněný na hřídel a držák snímacích optosoučástek). Schéma zapojení je nakresleno
na obrázku. Signál optoelektrického převodníku je přenášen pomocí proudových impulzů,
jejichž frekvence odpovídá otáčkám stroje. Protože kotouč má 60 zářezů tak na displeji čítače
je přímo zobrazována rychlost v otáčkách za minutu. Přenos proudovým impulzem byl zvolen
pro větší odolnost oproti rušení, než jakou lze dosáhnout pomocí napěťového signálu).
Jednoduchost zapojení by měla přispět ke zvýšení jeho životnosti a spolehlivosti. V případě
problémů s vyhodnocováním přenášeného signálu bude snímací část vybavena invertorem a
přenos bude realizován dvěma vzájemně opačnými signály. Tyto signály pak budou na straně
čítače vyhodnoceny diferenciálně komparátorem. Protože je kabelový kanál hluboký asi 60
cm, lze signálový kabel připevnit na jeho boční stranu, těsně pod podlahové plechy. Tím bude
maximálně vzdálen od silových kabelů, ležících na dně kabelového kanálu.
Obrázek 1: Schéma zapojení.
Obdobně je nutno vybavit měřičem otáček i další soustrojí a zmíněné turbosoustrojí
představuje nejnepříznivější případ nasazení (délkou i umístěním signálového vodiče), bude
na něm ověřena jeho použitelnost.
Práce byla vykonána za podpory projektu FRVŠ č. 1030/20004/G1.
55
Tramvaj s přechodem na železnici 25 kV, 50 Hz
Jiří Kříbek - DE 5
lektor: doc. Ing. Jiří Danzer, CSc. - KAE
V současné době dochází k rozvoji dopravy což je způsobeno nutností dopravovat velké
množství osob na krátké a střední vzdálenosti. Z důvodu přeplněnosti automobilové dopravy
ve městech se může předpokládat do budoucna s využitím speciálních vozidel, které budou
schopny využívat systému městské hromadné dopravy a systému vedlejších železničních tratí.
Tyto vozidla budou schopna rychle dopravovat velkého množství osob jak ve městě tak i po
periferiích.
Tento problém by mohla řešit navrhovaná tramvaj, která je tématem této práce. Jde o
řešení středo nebo nízkopodlažní článkové tramvaje s přechodem na železnici o rozchodu
1425 mm. To znamená navrhnout elektrickou výzbroj tak, aby umožňovala provoz na
systémech 750 V stejnosměrná síť a 25 kV / 50 Hz střídavá síť. Provoz těchto tramvají se
předpokládá v městských a příměstských oblastech. Důraz je kladen na návrh výkonové části
a rozmístění elektrovýzbroje na vozidle ve spolupráci se studentem FST, který řeší navazující
téma.
Navrhované vozidlo je vidět na obrázku.
Nejdříve zmíníme, kde se tato vozidla mohou využít, a jaké jsou požadavky na
koexistenci těchto vozidel se stávajícími vozidly. Dále se budeme zabývat návrhem vozidla
které je na obrázku. V prvním kroku navrhneme schéma zapojení vozidla tak, aby byla
umožněna jízda ze stejnosměrné troleje 750 V a střídavé troleje 25 kV, 50 Hz. V dalším kroku
určíme motory, které budou toto vozidlo pohánět, dle obvyklých požadavků na dynamiku
vozidla. Z toho důvodu musíme navrhnout trakční charakteristiku vozidla a zní tachograf pro
oba režimy jízdy (tramvaj, vlak). Následně podle toho nadimenzujeme navrhované výkonové
součástky vozidla a odhadneme jejich rozměry a hmotnosti podle již vytvořených výrobků.
Rozmístění na vozidle provedeme podle informací o vozidle, které nám dodal kolega
z fakulty strojní. Ten také vybral z několika variant toto vozidlo. Dále se také zmíníme o
chlazení námi navržených součástek. Na závěr porovnáme navrhované vozidlo s již
vyrobenými vozidly podobného typu.
56
Supravodivý trakční transformátor
Petr Valenta - SE 5
lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV
Tématická náplň tohoto článku vyplývá z všeobecné tendence úspor elektrické energie
snižováním ztrát v celém systému výroby, rozvodu a využití elektrické energie. U
transformátorů se nabízí možnost podstatného snížení ztrát ve vinutí využitím supravodivosti.
V současné době je supravodivost omezena na kryogenní oblast teplot, zprávy o
supravodičích, pracujících při normální teplotě (okolo 300 K) nejsou potvrzeny. Máme
k dispozici dvě skupiny supravodičů:
Nízkoteplotní, pracující při teplotě L4He (4,2 K)
Vysokoteplotní, pracující při teplotě LN2 (77 K)
Supravodivé vinutí musí být tedy tepelně izolováno od okolí, prakticky je to provedeno
jeho vložením do kryostatu s dvojitými vakuovanými stěnami, mezi nimiž jsou navíc vloženy
stínící fólie, omezující tepelné záření. Tepelný tok přivedený do kryostatu, ať z okolí přes
stěny kryostatu nebo přívody proudu, či způsobený ztrátami uvnitř kryostatu, způsobuje
odpařování chladícího média, na jehož zkapalnění je potřeba mnohonásobně vyšší výkon.
Např. výkon 1 W odpaří 1,24 l kapaliny na jejíž znovuzkapalnění je potřeba k-kráte větší.
Činitel k se někdy nazývá účinností zkapalňovací soustavy, záleží na její dokonalosti a
velikosti, běžně k dosahuje hodnoty 400 pro He, avšak jen 10 pro N2. Zkapalňovací proces
tedy k-násobně zvyšuje ztráty v kryostatu, které je proto třeba minimalizovat. Protože tepelné
izolace kryostatu a konstrukce přívodů proudu je dokonale vyvinuta, jsou přivedené ztráty
minimální. Úkolem výpočtáře a konstruktéra transformátoru je tedy minimalizovat ztráty
uvnitř kryostatu. Tyto ztráty dělíme běžným způsobem na:
Ztráty ve vinutí
Ztráty v železe
Ztráty v konstrukčních částech
Ztráty dielektrické
Je známo, že Jouleovy ztráty v supravodiči jsou v podkritickém stavu nulové jen
v případě, že jím protéká stejnosměrný proud. Při průtoku střídavého proudu však určité ztráty
vznikají vlivem vířivých proudů a diamagnetické hystereze.
Vlastnosti elektrotechnických plechů, používaných v magnetických obvodech
transformátorů mají při kryogenních teplotách následující tendenci:
Ztrátové číslo se zvyšuje zesílením vířivých proudů vlivem snížení měrného odporu
Magnetizační charakteristika se mění jen nepatrně
Pokud bychom umístily celý transformátor, včetně magnetického obvodu, do kryostatu,
byly by ztráty v železe zvýšeny zkapalňovací soustavou zvýšeny k-krát, což by zcela
eliminovalo snížení ztrát ve vinutí. Tato situace má v zásadě dvojí řešení:
Umístit magnetický obvod mimo kryostat, který má pak prstencový tvar a obepíná
hlavní jádro
Navrhnout transformátor bez feromagnetického obvodu.
Zatímco první možnost je vcelku přijatelná, druhá přináší řadu problémů. Její nespornou
výhodou bude úplné odstranění ztrát v železe, avšak rozměry transformátoru a jeho cena
budou značné. Dále je třeba počítat se zvýšeným magnetizačním proudem.
Ze ztrát v konstrukčních částech zřejmě budou největší ve stěně kryostatu (obdoba ztrát
v nádobě olejového transformátoru). Jejich redukci je možno provést vhodným uspořádáním
vinutí, případně magnetickým či elektrodynamickým stíněním vnitřní stěny kryostatu.
Supravodiče jsou izolovány skelným vláknem a impregnovány syntetickou pryskyřicí.
Tento izolační systém má nepatrné dielektrické ztráty. Kapalný plyn má podobné izolační
vlastnosti jako olej, je však nutno zabránit tvoření bublinek, v nichž vznikají parciální výboje.
57
58
Sekce Elektrické teplo
složení komise
předseda
prof. Ing. Jiří Kožený, CSc.
členové
doc. Ing. Zbyněk Martínek, CSc.
doc. Ing. Josef Linda, CSc.
Ing. David Rot
59
Teplotní pole a účinnost sálavých panelů
Radek Bošek - KE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Vytápění sálavými panely je založeno na jiném fyzikálním principu, než je tomu u
běžných otopných systému, a to na sdílení tepla sáláním (zářením). Funkce sálavého panelu je
následující: zářivý tok dopadá na předměty ve vytápěném objektu (stěny, nábytek apod.) a na
nich se pohltí a dojde k přeměně energie zářením v tepelnou energii. A jelikož tyto předměty
mají vyšší teplotu oproti vzduchu, pak se teplo odvádí konvekcí a je jím ohříván vzduch ve
vytápěné místnosti.
Cílem mé práce bylo provést měření na mramorovém, sálavém panelu typu MR 800 a
stanovit jeho účinnost. Měřil jsem náběh teploty na přední i zadní straně panelu a rozložení
teplotního pole na stěnách panelu. Poté jsem provedl výpočet tepla vysálaného a odvedeného
konvekcí vzduchu. Ačkoliv je panel konstruován jako nástěnný, vyhotovil jsem měření i pro
jeho vodorovnou polohu z důvodu srovnání výsledků. Vypočtená účinnost pro svislou polohu
panelu činí 68 % a pro vodorovnou 72 %, tento rozdíl plyne již ze samotného principu
přenosu tepla prouděním.
Předností sálavého vytápění je zajištění požadované tepelné pohody při nižší teplotě
vzduchu a nižší energetická náročnost oproti konvekčnímu vytápění. Sálavé panely se
využívají v soustavném režimu vytápění (např. výrobní haly) či v přerušovaném topném
režimu, kdy je nutné zajistit téměř okamžitý účinek tepelné pohody.
Obr 1: Podíly vysálaného tepla a tepla přeneseného konvekcí z jednotlivých stran panelu a
střední hodnoty teploty pro svislou polohu panelu
konvekční složka
28%
sálavá složka
sálavá složka
68%
72%
Obr. 2: Poměr sálavé a konvekční složky
pro vodorovnou polohu panelu
konvekční složka
32%
Obr. 3: Poměr sálavé a konvekční složky
pro svislou polohu panelu
60
Rekonstrukce elektrické odporové pece
Petr Brabec - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Odporové pece patří mezi elektrotepelná zařízení s nepřímým odporovým ohřevem, kde
teplo potřebné pro ohřev vsázky vzniká v topných článcích. Podstata vzniku tepla u
odporových pecí vychází z Joulova zákona Q = R⋅I2ef ⋅t.
Přes širokou nabídku elektrických odporových pecí na trhu se stále provádějí
rekonstrukce starších pecí. Spojí se tak dřívější, praxí osvědčené uspořádání pece s použitím
nových, kvalitnějších materiálů. Porovnáme-li náklady na nákup nového zařízení, pak
rekonstrukce zpravidla přináší i značné finanční úspory.
Ve své práci se zabývám rekonstrukcí dvoukomorové elektrické odporové pece, kterou
dříve využívala katedra metalurgie k nejrůznějším laboratorním experimentům. Při návrhu
každé pece je nutné řešit otázku návrhu vyzdívky pece, způsobu vytápění a regulace pece.
Skladba vyzdívky musí respektovat způsob provozu pece. Jiné požadavky jsou kladeny na
vyzdívky u pecí, které jsou v nepřetržitém provozu, a jinak je tomu u pecí s občasným
přerušovaným provozem. Vždy je ale nutné, aby vyzdívka pece splňovala hlavní zásady, mezi
které patří: dostatečná mechanická pevnost a stabilita i při vysokých teplotách, nízká tepelná
vodivost, vhodná tepelná setrvačnost vyzdívky, dlouhá životnost a nízká cena. Jednotlivá
hlediska často stojí vzájemně proti sobě, a proto se za účelem výběru nejvhodnější varianty
provádí optimalizace.
Řešil jsem tepelný výpočet pro varianty s dvouvrstvou vyzdívkou. Vnitřní vrstva, na
kterou jsou kladeny (z důvodu dvoukomorového uspořádáni pece) zvýšené pevnostní
požadavky, je ze středně těžkého šamotu a je pro všechny varianty shodná. Jednotlivé
varianty se lišily tloušťkou druhé, tepelně izolační vrstvy z keramického vláknitého materiálu.
Pro výběr vhodné varianty vyzdívky bylo nutné řešit tepelný výpočet v ustáleném i
neustáleném stavu. Ztráty odvedené povrchem pece, povrchové teploty i množství
akumulovaného tepla v peci byly v ustáleném stavu řešeny na modelu pece v programu
QUICKFIELD. Metoda simulace neustáleného teplotního pole vycházela z analogie mezi
tepelným a elektrickým polem. Tím bylo možno převést složité řešení Fourierovy
diferenciální rovnice na jednoduchý problém řešení přechodového jevu v elektrickém obvodu.
Elektrický obvod byl analyzován v programu TINA. Z vypočtených hodnot se pro zvolenou
skladbu vyzdívky a uvažovaný způsob provozu pece sledoval vliv tloušťky vyzdívky na
velikost ztrát a množství akumulovaného tepla. Varianta s nejlepší tloušťkovou vyzdívky byla
určena kritériem minimálních celkových nákladů na vyzdívku. Kritérium do celkových
nákladů zahrnuje náklady na ztráty tepla zdivem i náklady na vyzdívku.
Nejen vyzdívka, ale i způsob vytápění a regulace pece musí být navrženy tak, aby
vyhovovaly požadavkům kladeným na způsob tepelného zpracování ohřívané vsázky.
Vhodnou volbou výkonu a rozmístěním topných článků v peci je možné dosáhnout
dokonalejší rovnoměrnosti teploty uvnitř celého pracovního prostoru pece. Pro spodní komoru
s pracovní teplotou 1350 °C byly navrženy silitové topné tyče. Horní komora s teplotou
960 °C je vytápěna topnými články Kanthal A.
Pro regulaci teploty v peci je použit programový PID regulátor MT 825. Regulátor
umožňuje naprogramovat a uložit do paměti teplotní křivky, podle kterých se řídí ohřev
vsázky. Regulační výstup regulátoru ovládá polovodičová spínací relé SSR, které střídavě
připojují a odepínají topné články k elektrické síti.
61
Přednosti indukčního ohřevu dvojím kmitočtem
Miloslava Čepelová - KE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
V dnešní době se stále více hledí na ekonomii provozu elektrotepelných prohřívacích
zařízení. Snažíme se o zvýšení účinnosti, omezení ztrát a snížení doby ohřevu na
požadovanou teplotu. Tyto vlastnosti zlepšují efektivitu provozu a zvyšují produkci výroby.
Jedním z takových ohřevů je indukční ohřev. Přenos tepla do vsázky u indukčního ohřevu se
neděje tepelným spádem, jako u zařízení např. odporových (s nepřímým ohřevem). Indukční
teplo vzniká přímo v elektricky vodivé vsázce, která je vystavena působení střídavého
elektromagnetického pole a to je příčinou velmi rychlého ohřívání. Vznik tepla přímo ve
vsázce, přičemž vsázka není mechanicky s ničím vázána, patří k největším výhodám
indukčního ohřevu. Tento způsob ohřevu umožňuje nezvykle vysoké měrné příkony do
vsázky. Vhodnou volbou kmitočtu napájecího zdroje můžeme ovlivnit nejen dobu ohřátí
vsázky, ale i tloušťku vrstvy u povrchu vsázky, ve které teplo vzniká, resp. rozdělení tepla
vyvíjeného ve vsázce.
Při ohřevu válcové vsázky dvojím kmitočtem je třeba zvolit vhodný kmitočet f1 do
dosažení bodu magnetické přeměny – tzv. Courieova bodu (u konstrukční oceli je teplota
bodu asi 760 °C) a vhodný kmitočet f2 po překročení tohoto Courieova bodu tak, aby byla
dosažena požadovaná teplota k tváření za tepla (u oceli asi 1250 °C) a rovnoměrné prohřátí
v celém průřezu válcové vsázky. Při použití nevhodného kmitočtu může dojít k tzv.
elektromagnetické průzařnosti materiálu. Při tomto jevu elektromagnetické vlnění projde
vsázkou, ale v teplo se přemění jen částečně.
K simulaci tohoto ohřevu válcové vsázky dvojím kmitočtem byl použit profesionální
program ANSYS, ve kterém je názorně vidět přechod z kmitočtu f1 na kmitočet f2 během
ohřevu na tvářecí teplotu a také jev, který je označován jako elektromagnetická průzařnost
materiálu. Dále tento program dokáže zobrazit rozložení Jouleova tepla a proudové hustoty
v celém průřezu vsázky aj.
Na obr.1 je znázorněn ohřev plné válcové ocelové vsázky o průměru 10 cm za použití
dvojího kmitočtu. Na obr. je dobře vidět přechod z kmitočtu f1 (50 Hz) na kmitočet f2
(1000 Hz). Křivka a – představuje teplotu na povrchu ocelové vsázky, křivka b – je teplota
v ose ocelové vsázky. Na obr.2 je znázorněná tzv. elektromagnetická průzařnost při použití
pouze kmitočtu f1 (50 Hz).
Obr.1
Obr.2
62
Elektromagnetické pole v dutinovém rezonátoru-mikrovlnný ohřev
Tomáš Černý - KE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Dielektrický ohřev je speciálním druhem ohřevu dielektrik, který je realizován pomocí
proměnného vysokofrekvenčního elektrického pole, respektive prostřednictvím dielektrických
ztrát, které jsou důsledkem interakce proměnného elektrického pole vysoké frekvence a
ztrátového dielektrika. Dielektrický ohřev je využíván především pro svou vysokou rychlost a
rovnoměrnost ohřevu. Je proto používán všude tam, kde jsou kladeny vysoké nároky na
kvalitu ohřevu, např. ve zpracováni potravin, dřeva, v textilním průmyslu, ve farmaceutickém
průmyslu, pro vulkanizaci, k léčebným účelům nebo ke svařováni. Pojmem dielektrický ohřev
často označujeme pouze tu část dielektrického ohřevu, která je realizována nižšími
frekvencemi (do 300 MHz – tzv. radiové frekvence). Pro vyšší frekvence používáme pojem
mikrovlnný ohřev. Každý z těchto typů ohřevu můžeme dále dělit např. na dielektrický ohřev
celé vsázky nebo selektivní ohřev, mikrovlnný přímý nebo nepřímý ohřev apod. Přestože se
jednotlivé druhy ohřevu od sebe značně liší, zakládají se všechny na stejném principu vzniku
tepla. Ztráty, které se účinně podílejí na vzniku tepla v dielektriku jsou svázány s jevem
dipólové polarizace dielektrika.
Mikrovlnné záření vzniká v magnetronu
(obr.1), který bývá, díky využití křížícího se
elektrického a magnetického pole, též
označován
jako
„cross
fiel
device“.
Vysokofrekvenční záření vzniká v dutině
magnetronu mezi žhavenou katodou a anodou.
Příčné trajektorie elektronů emitovaných
katodou jsou měněny konstantním axiálním
Obr.1: Magnetron: a) pohyb elektronu,
magnetickým polem, které tak „nutí“
b) vytvořeni mg. pole, c) vliv kombinace prostřednictvím Lorentzovych sil elektrony
el. a mg. pole na pohyb elektronu uvnitř k oscilaci kolem katody. Rezonanční frekvence
magnetronu
vznikajícího vlnění v anodě je pak určována
především jejím vnitřním uspořádáním. Vlnění
je vyvedeno buď vazební smyčkou (coupling loop) zavedenou do dutiny magnetronu nebo
přímo vlnovodem. Mikrovlnný ohřev je dnes znám již téměř z každé domácnosti, probíhá
nejčastěji v dutinovém rezonátoru, který
představuje usek obdélníkového vlnovodu, který je
zakončen zkratem. Dutinové rezonátory lze
výhodně využívat s frekvencemi v rozmezí 109 až
1011 Hz. Pro tepelné procesy bylo mezinárodně
stanoveno kmitočtové pásmo kolem 2,45 GHz.
Rozložení elektromagnetického pole v rezonátoru
musí respektovat vznik stojatých vln, které mají za
následek vznik maxim (kmiten) a minim (uzlů)
elmg. energie. Tyto nehomogenity představují
nejzávažnější problém mikrovlnného ohřevu.
Obr.2: Elektrické pole v rezonátoru
K jejich „rozptýlení“ se využívají různé
metody, jako je například točivé těleso uvnitř
rezonátoru, otočný talíř nebo speciálně upravené vnitřní stěny rezonátoru, které zajišťují
zvýšenou reflexi mikrovlnného záření. Pro podrobný popis rozloženi elektromagnetického
pole uvnitř dutinového rezonátoru (obr.2) byla použita metoda konečných prvků (FEM)
v podobě profesionálního výpočetního programu Ansys-emax společnosti Ansys Inc.
63
Tepelné čerpadlo jako zdroj tepla i chladu
Veronika Fialová - TE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Dnes se věnuje stále větší pozornost tématu životního prostředí i v případě, kdy se
uvažuje o nákupu zařízení pro vytápění. Asi 75 % veškeré spotřeby energie v domácnosti se
protopí, což je dostatečným důvodem k tomu, aby zde s ohledem na ŽP nastala v budoucnosti
podstatně jiná orientace při volbě topného systému.
Tepelná čerpadla využívají tepelné energie okolního prostředí (vzduch, spodní voda,
zemní teplo) a přeměňují ji na teplo vhodné k vytápění budov a ohřevu TUV. Skládají se ze
čtyř základních částí – výparníku, kompresoru, kondenzátoru a expanzního ventilu. Ve
výparníku odnímá chladivo teplo zdroji nízkopotenciálního tepla při nízkém tlaku a teplotě a
dochází k varu. Páry chladiva jsou stlačeny, zahřívají se a v kondenzátoru předávají
kondenzační teplo ohřívané látce. Tím se opět ochlazují a zkapalňují. Celý oběh je uzavřen
odvodem chladiva do výparníku přes expanzní ventil, který snižuje tlak kapalného chladiva.
Efektivnost pracovního cyklu tepelného čerpadla vyjadřuje topný faktor. Je to poměr
elektrického příkonu kompresoru a tepelného výkonu, který z tepelného čerpadla získáme.
Závisí na teplotě nízkopotenciálního zdroje tepla – čím je teplejší, tím je faktor vyšší). V praxi
se hodnota topného faktoru pohybuje mezi 3,5 až 4,5. To znamená, že tepelná čerpadla
mohou při 1 kW příkonu přečerpat 3,5 až 4,5 kW využitelné energie.
Podle zdroje nízkopotenciálního tepla dělíme TČ na voda/voda, země/voda, vzduch/
voda a vzduch/vzduch. Dále můžeme TČ dělit podle způsobu odsávání par z výparníku a
zvýšení jejich tlaku na kompresorová, absorpční a hybridní.
Tepelná čerpadla se v převážné většině případů používají na vytápění a ohřev TUV.
Předpokladem pro použití je možnost napojení na nízkoteplotní vytápěcí systém, proto je
nejvýhodnější kombinace TČ s podlahovým vytápěním, kde stačí teplota topné vody 40 °C.
Tepelná čerpadla je možné navrhovat jako monovalentní zdroj tepelné energie (jediný zdroj),
nebo jako bivalentní zdroj. Při bivalentní zapojení TČ pokrývá pouze část tepelné ztráty
objektu a zbytek je v případě potřeby pokryt jiným zdrojem tepla (cca 10-20 %). Tím klesnou
pořizovací náklady jak na tepelné čerpadlo, tak i na jeho vlastní provoz.
Výhodnější je použití TČ pro kombinované vytápění a chlazení. Každé chladící zařízení
je v podstatě tepelné čerpadlo, které převádí teplo z určité nízké teplotní úrovně na vyšší.
Prvotní funkcí chladícího zařízení je výroba chladu, která je vždy spojena s druhotnou funkcí
– výrobou tepla. Většinou se dosud využívá jen první funkce a druhá je v podstatě nežádoucí.
Chladící zařízení využívající obě funkce, nebo druhotnou jako funkci základní, jsou pak
tepelným čerpadlem v pravém slova smyslu. Efektivnost chladícího oběhu se posuzuje
topným faktorem a chladícím výkonem, který vyjadřuje poměr tepla odvedeného chlazené
látce a vynaložené práce. Při návrhu je důležité uvažovat vzájemnou vazbu mezi oběma
funkcemi chladícího okruhu, protože druhotná funkce (topení) nemá většinou přímou časovou
souvislost s funkcí prvotní (chlazení). Tohoto zapojení se s výhodou využívá v chladírnách,
skladech, pivovarech, atd., kde jsou požadavky zároveň jak na chlazení, tak na vytápění a
TUV. Dále může být TČ použito jako zdroj chladu i pro klimatizaci, kde může zajišťovat
větrání, chlazení i vytápění.
V závěru práce jsem se soustředila na vlastní projekt kombinace chladícího zařízení a
tepelného čerpadla. Návrh předpokládá využití odpadního tepla z chladícího zařízení zimního
stadionu pro vytápění a ohřev vody v bazénu. Projekt je založen na reálných podkladech ze
zimního stadionu v Třemošné a bazénu SK Radbuza v Plzni.
64
Návrh elektrické laboratorní pece pro výpal keramiky
Radim Hanzlík - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Laboratorní pec využívá k ohřevu vsázky nepřímého odporového ohřevu, kdy teplo
vzniká v topných článcích. Ty jsou umístěny v pecním prostoru a od nich se ohřívá vyzdívka
a atmosféra v peci. Teplo se do vsázky přenáší sáláním topných článků, vyzdívky, ale i
prouděním atmosféry v peci. Přenos tepla vedením je malý a je možno ho zanedbat.
Úkolem mé práce je navrhnout elektrickou laboratorní pec pro výpal keramiky
s pracovní teplotou 1200 °C. Vzhledem k nutnosti univerzálního využití je zvolena pec
komorová. Tento druh odporové pece je konstrukčně jednoduchý se širokou škálou využití a
patří mezi nejčastěji používané pece. Výpal keramiky má svá specifika, jako je např. potřeba
odvádět vodní páru uvolňující se během výpalu ze vsázky, což sebou nese problém
s odvětráváním pece. Dále je také nutné dodržet správný časový teplotní průběh při výpalu,
protože keramika je velice náchylná k popraskání při rychlých změnách teploty.
Dle pracovní teploty a způsobu zpracování keramické vsázky jsou navrženy tři varianty
vyzdívky. Všechny varianty mají vnitřní vrstvu z žáruvzdorných lehčených šamotových cihel,
sloužící jako nosná část vyzdívky. Tyto materiály musí mít dostatečnou mechanickou
pevnost, aby vydržely mechanické namáhání a rázy, kterým jsou během provozu vystaveny.
Dále musí mít dobré izolační vlastnosti jak tepelné tak i elektrické. Chemická stálost a
inertnost za vysokých teplot jsou další požadované vlastnosti. Důležitá je také jejich snadná
dostupnost a nízká cena. Další vrstvy jsou tepelně izolační s horšími mechanickými
vlastnostmi, ale s lepšími tepelně izolačními, mezi které patří nízká tepelná vodivost λ a
tepelná kapacita c. Tyto vrstvy jsou hlavně k omezení tepelných ztrát pece.
Pro optimalizaci vyzdívky a taktéž provedení tepelného výpočtu je určen výkon pece,
dostatečný pro kvalitní zpracování vsázky. Výpočet ztrát je proveden jak pro ustálený stav,
tak pro stav nestacionární, kdy je použit program TINA. Metoda vychází z ekvivalence vztahů
pro tepelné a elektrické jevy. Tento výkon je určen součtem tepla nutného pro prohřátí
vsázky, užitečného tepla, a ztrátového výkonu vyzdívkou pece, který ovlivní tloušťka a také
kvalita vyzdívky. Takto získaný výkon je zvětšen o 50-70 %, což je rezerva potřebná pro
rychlý nárůst na pracovní teplotu. Výkon se však nesmí předimenzovat, byla by zhoršena
možnost přesné regulace teploty.
Pro tento výkon je vybrán, z katalogového listu firmy Kanthal, topný článek a
vypracován návrh napájení a uložení tohoto článku. Pracovní teplota topného článku se volí
vyšší než je požadovaná pracovní teplota, aby se i při teplotě blízské pracovní mohlo teplo
dále narůstat. Pro velmi vysoké teploty, nad 1100 °C, je používán topný drát Kanthal A-1
s pracovní teplotou 1350 °C. Pro teploty vyšší je používán Kanthal Super. Při volbě topného
drátu je jedním z hlavních parametrů volba povrchového zatížení. Povrchové zatížení je
získáno podílem výkonu topného článku a celkového povrchu drátu. Je volena hodnota nižší
z důvodu bezpečnosti a prodloužení životnosti topného článku.
Dle způsobu napájení je vybrán regulátor teploty ze široké nabídky na trhu. Výrobci
nabízí jak regulátory na koncovou teplotu tak programovatelné s množstvím
předprogramovaných časových teplotních průběhů.
Na závěr práce je provedeno zhodnocení pece z hlediska ekonomického a energetického
kde jsou brány v potaz náklady na vyzdívku, konstrukci pece a energetické náklady na jeden
pracovní cyklus. V ekologickém zhodnocení je posouzen vliv provozu pece na životní
prostředí. Toto zhodnocení je provedeno pro všechny varianty vyzdívky a způsoby napájení.
65
Energetická bilance pece na výpal keramiky
Petr Homolka - EE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
V mé práci řeším energetickou bilanci pece F 1 NH SITI. Tato plynová válečková pec je
umístěna v objektu výrobní haly závodu Dlaždice I, provoz S7, firmy Chlumčanské
keramické závody, a.s. Dvoukanálová pec slouží k výpalu a přežahu keramického zboží
plošných tvarů při určité teplotě dle použitého materiálu . V tomto případě jde o výpal a
přežah keramických obkladů o rozměrech 200 × 200 až 600 × 600 mm při teplotě okolo
1200 °C. Pec F 1 NH SITI byla vyrobena v roce 1998, patří mezi nejmodernější pece u nás
jak z pohledu použitých materiálů a samotné konstrukce pece, tak s ohledem na množství
vypálených keramických obkladů za rok.
Nejprve se zabývám tepelným výpočtem. V této části práce počítám tepelné ztráty ve
stěnách pece. Vyzdívka pece je složena ze dvou druhů šamotového materiálu a materiálu
Sibral. Dále stanovuji součinitele přestupu tepla α, v nichž je zahrnuto šíření tepla jak
prouděním, tak i sáláním. Jelikož je pec neustále v provozu, řeším tepelné ztráty v ustáleném
stavu, kdy se tok tepla časově nemění a teploty v jednotlivých místech jsou stále stejné. Do
celkových ztrát zahrnuji tepelné ztráty sáláním z otvorů na vstupu a výstupu z pece. Celkový
ztrátový výkon je dán součtem ztrát ve stěnách, dně, podlaze, vstupní a výstupní straně pece a
ztrát sáláním ze vstupních a výstupních otvorů.
Abych mohl stanovit potřebný příkon pece, musím vypočítat teplo potřebné ke
zpracování zboží. Celkový příkon pece je potom dán součtem ztrátového výkonu a výkonu
potřebného ke zpracování dlaždic. Výsledná hodnota činí 3420 kW. Také zde stanovuji
účinnost pece, která je dána poměrem užitného výkonu a celkového příkonu pece. Vypočítaná
účinnost je potom 65 %.
U pecí pracujících nepřetržitě je rozhodující ztráta tepla vnějším povrchem zdiva do
okolní atmosféry. Ztráta akumulací tepla ve vyzdívce se projevuje jen při náběhu pece do
provozu, kdežto při vlastním technologickém provozu je již změna akumulovaného tepla
zanedbatelná. Pro porovnání vhodnosti použitých materiálů z hlediska nejmenších tepelných
ztrát uvádím tepelné ztráty na 1m2. Dále stanovuji dobu náběhu pece do provozu, pro jejíž
určení musím vypočítat ztráty akumulované zdivem.
Dále navrhuji topné články pro vytápění pece elektrickou energií. Materiál pro topné
články jsem zvolil Kanthal A-1, který je vhodný pro teplotu výpalu 1200 °C. Nejprve
rozdělím celkový příkon na jednotlivé části pece, provedu výpočet parametrů jednoho
topného článku. Jeho tvar jsem zvolil tak, aby vyhovoval danému výkonu a hlavně prostoru,
který je v peci k dispozici. Topné články ve tvaru spirál budou umístěny v šamotových
tvárnicích na dnech a stropech obou pater pece.
V další části práce porovnávám měrnou spotřebu tepla pro vytápění zemním plynem
uvedenou výrobcem a měrnou spotřebu tepla pro vytápění elektrickou energií, kterou jsem
vypočítal v předchozí části práce. Také zde porovnávám spotřebu obou druhů energií a
stanovuji náklady na vytápění zemním plynem a elektrickou energií. Z výpočtu vyplývá, že
pro takto velkou pec je mnohem výhodnější z hlediska nákladů na palivo vytápění zemním
plynem, které je o třetinu méně nákladné než vytápění elektrickou energií.
Na závěr mé práce hodnotím pec kritériem 3E a také zde uvádím závěry pro praxi
z pohledu efektivního provozu pece. Výpočty prokázaly, že pec je konstruována vhodně pro
velké množství vypálených dlaždic za co nejkratší dobu a že přechod z plynového vytápění na
vytápění elektrickou energií při takto velké výrobní kapacitě není vhodný. Dokazují to
vypočítané náklady při jednotlivých typech paliva. Použitý materiál na vyzdívku je moderní
izolační materiál s velmi dobrými vlastnostmi z hlediska nízké tepelné vodivosti a nízké
akumulace tepla.
66
Energetická bilance indukční kelímkové pece
Pavel Hynčík - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Indukční ohřev kovových materiálů patří v současné době mezi velmi dobře
propracované a zvládnuté technologie a je široce využíván v mnoha průmyslových odvětvích.
Jako příklady lze uvést indukční kalení, popouštění, vysoušení povrchu znečištěných součástí
a tavení kovů.
Velkou výhodou indukčních kelímkových pecí je silné víření taveniny vlivem
elektrodynamických sil. Je velmi vítané, neboť zajišťuje homogenitu materiálovou i teplotní
v celém objemu kelímku, které nelze dosáhnout v žádném jiném typu pece.
V mé práci se postupně zabývám určením základních elektrických a tepelných
parametrů indukční kelímkové pece. Při výpočtu geometrických rozměrů indukční kelímkové
pece vycházím z naměřené hmotnosti roztavené vsázky G = 130 kg. Z hmotnosti určím objem
pece a z něho vnitřní rozměry válcové dutiny kelímku. Dále odvodím vnitřní průměr a délku
cívky. Pro zjednodušení výpočtu jsem použil metodu náhradních průměrů. Zavedená úprava
dovoluje použít pro výpočet vlastních indukčností cívky L1 a vsázky L2 a jejich vzájemné
indukčnosti M12 známých výrazů s použitím součinitelů α a F, které jsou funkcí průměrů a
délek. Tato metoda také umožňuje respektování vlivu stínícího jádra ze svazků
transformátorových plechů, umístěných vně cívky.
Po určení rozměrů kelímku a cívky stanovuji potřebný počet závitů pecní cívky,
potřebnou kapacitu kondenzátorové baterie C´, její ztráty a elektrickou účinnost pece. Při
výpočtu nejprve postupuji obvyklým způsobem, jakoby pec byla napájena rotačním
generátorem o stejném výkonu P = 125 kW, s kmitočtem f = 1500 Hz. Určím známým
způsobem všechny hodnoty pro pecní obvod, který je vyladěný pro pracovní kmitočet f =
1500 Hz. Poté zvolím nutné rozladění pecního obvodu, poměr (f/f0) = (ω/ω0). Rozladění
způsobím přidáním přídavné kapacity C´´ ke kapacitě C´, potřebné pro vyladění obvodu při
pracovním kmitočtu f.
V závěru elektrického výpočtu se zabývám určením minimálního rozměru šrotu.
Z výsledků je zřejmé, že maximum absorbované energie do vsázky pro f = 1500 Hz nastává
při rozměru tyčí 4,6 cm. Zmenšujeme-li zrnitost vkládaného šrotu, klesá i velikost
absorbovaného tepla a vložený materiál se stává elektromagneticky průzařným. Minimální
rozměry šrotu by neměly poklesnout pod 1,63 cm. Rozhodujícím pro zahřátí jednotlivých
kusů je řez každým kusem, kolmým k ose cívky.
Výpočet tepelných ztrát indukční kelímkové pece provádím při teplotě roztavené oceli t
= 1670 °C. Při tepelném výpočtu uvažuji ztráty válcovou stěnou kelímku do chladící vody
v cívce Ps, ztráty dnem pece Pd a ztráty povrchem roztaveného kovu pokrytého vrstvou
strusky Pp. Největší hodnotu dosáhly tepelné ztráty povrchem lázně do okolního prostředí.
Tyto ztráty se dají omezit víkem s keramickou vyzdívkou, je však nutno brát ohled na průběh
tavby.
Vypočtené parametry porovnávám s naměřenými parametry na středofrekvenčních
pecích P2 typ ISTOL 0,1/0,20-2-R napájené TMK typu UB 315-3-075 napájené TMK SMKUA-75/4/06-P a současně uvádím průběh sledovaných taveb. Vzniklé rozdíly mezi
vypočtenými a naměřenými průměry pecí přičítám tomu, že se u obou pecí tavilo větší
množství vsázky než pro kterou jsou pece určeny. Z uvedených průběhů taveb na pecích P2 a
P9, měřených dne 8. 3. 2004, je vidět rozdíl mezi jednotlivými tavbami v jejich době a
odebíraném příkonu.
Z hlediska vlastností taveniny a vymílání kelímku je příznivější kratší doba tavby. Tato
doba je částečně ovlivněna obsluhou pece, její znalostí o fyzikálních jevech při tavení a
stavem vyladění pecního obvodu. V závěru navrhuji opatření pro zrychlení doby tavby.
67
Možnosti snižování energetické náročnosti otopných systémů
Petr Kůstka - TE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Nutnost chovat se šetrně k přírodním zdrojům stále častěji přináší diskuse o úsporách
energie, o alternativních zdrojích energie, a to především ve vztahu k vytápění. Vytápění je
z hlediska spotřeby energie v domácnosti energeticky zdaleka nejnáročnější. Teplo včetně
spotřeby teplé vody tvoří asi 60 % spotřeby energií a rozhodně je tedy nezbytné se důsledně
zabývat vším, co povede ke zmenšení jeho spotřeby. Tu můžeme ovlivnit skutečně výrazně
především zlepšením tepelně izolačních vlastností budov, zlepšením účinnosti výroby tepelné
energie, využíváním netradičních zdrojů energie, regulačními prvky apod.
První kapitola práce obsahuje základní rozdělení otopných soustav, příklady použití,
výhody a nevýhody, jejich energetickou náročnost, popř. vliv otopných systémů na životní
prostředí.
Energetická náročnost otopných systémů zahrnuje účinnost přeměny primárních zdrojů
energie, elektřiny a jiných v teplo. Účinnost přeměny některé energie v teplo je ovlivněna
úrovní technologií, vlastnostmi paliv apod. Zahrnuje také spotřebu energie na výrobu, údržbu
a likvidaci otopných systémů, energii na získání primárních zdrojů jako je těžba, doprava a
spotřeba energií na rekultivaci krajiny. Tato energie se dá určit jen velmi těžko. V porovnání
se spotřebovanou energií tepelným zařízením na vytápění za dobu svého provozu však bude
mnohokrát menší, proto není podstatná. Energetická náročnost vytápěcího zařízení je určena
také jeho jmenovitým tepelným výkonem, který je závislý na tepelně izolačních vlastnostech
vytápěných budov, klimatických podmínkách, místě použití a na vlastnostech otopné
soustavy. Na energetickou náročnost působí ještě mnoho vlivů jako například: úroveň
požadavku na tepelnou pohodu (tzn. požadavek na tepelný stav vnitřního prostředí),
geometrické a dispoziční řešení budov, využití netradičních zdrojů energie a v neposlední
řadě i osobní zainteresovanost uživatelů. Všechny tyto vlivy, které jsou uvedeny ve druhé
kapitole, se společně podílejí na výsledné spotřebě energie pro vytápění. Společně s nimi jsou
ve druhé kapitole stručně popsány zásady, které je nutno dodržovat, aby se minimalizovala
energetická náročnost otopných soustav.
Třetí kapitola se věnuje možnostem snižování energetické náročnosti otopných soustav.
Způsobů jak snížit spotřebu tepla na vytápění a ohřev teplé užitkové vody je mnoho. Kromě
zlepšování tepelně-izolačních vlastností stavebních konstrukcí patří mezi významné způsoby
snižování nákladů na vytápění využívání sluneční energie, vyšší účinnost energetické
přeměny primární energie (kogenerace, kondenzační kotle) - využití netradičních zdrojů
energie (použití TČ), zpětné získávání tepelné energie (recyklace tepla) a optimalizace
energetických systémů (regulace). Všechny tyto způsoby jsou blíže popsány ve třetí kapitole.
Způsobů vytápění a vytápěcích systémů je celá řada a každý má jiné vlastnosti, tedy i
oblast použití. Určit vždy ten nejhospodárnější způsob vytápění není vždy jednoduché a
naopak nesprávné zvolení otopné soustavy může mít za následek značné plýtvání energií. Ve
čtvrté kapitole jsou porovnány některé způsoby vytápění a pro konkrétní objekt návrh
úsporných opatření, které by vedly ke snížení spotřeby tepla. Především je to studie využití
solárních kolektorů pro celoroční ohřev teplé užitkové vody. Jedná se o solární kolektory
firmy Ekosolaris pro celoroční přípravu 160 litrů teplé užitkové vody (50 litrů osoba/den).
Základním prvkem solárních systémů je kolektorová plocha sestavená z jednotlivých
kapalinových kolektorů Ekostart Therma. Dalším prvkem je solární zásobník TUV
dimenzovaný na 150 litrů spotřeby vody. V tomto solárním okruhu je cirkulace zajištěna
solární hnací jednotkou, která je řízena dvoučidlovou regulací, která vyhodnocuje rozdíl
teploty nosného média a vody v zásobníku. Tato soustava je schopna pokrýt celoroční ohřev
TUV zhruba ze 68 %.
68
Efektivita elektrického ohřevu užitkové vody v RD
Pavel Richter - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Odhlédneme-li od v poměrném měřítku nevýrazné energetické náročnosti běžných
domácích spotřebičů (elektronika, drobné pohony – tj. kuchyňské spotřebiče, vysavač, motor
u pračky, lednice), přeměňujeme většinu energie – ať už k nám do domu vstupuje v jakékoli
formě – na užitečné teplo (vaření, praní a žehlení prádla, vytápění, příprava TUV). Z posledně
jmenované skupiny plynou nejvýznamnější energetické výdaje do oblasti vytápění a ohřevu
TUV. Protože v ČR probíhalo během 90. let minulého století (adekvátně s rostoucí cenou
paliv a zvyšující se dostupností kvalitních stavebních materiálů) intenzivní zateplování
obytných budov, je potenciál úspor v rovině vytápění již ve velké míře naplněn. Jedním
z nejvýznamnějších činitelů, ovlivňujících celkovou úsporu energie spotřebované v RD, tak
dnes zůstává volba systému pro přípravu teplé užitkové vody.
Tato práce popisuje základní způsoby ohřevu teplé užitkové vody v domácnosti,
popřípadě jejich vhodné kombinace. Cílem je pojmenovat jednotlivé možnosti ohřevu, určit
jejich obecné výhody a nevýhody a stanovit kritéria pro rozhodování, jaký způsob ohřevu
zvolit. Kritéria mohou být buď exaktně zjistitelná (jako například pořizovací náklady zařízení,
spotřeba a cena paliva, ztráty energie), anebo také subjektivní (například komfort obsluhy
zařízení). Každá stavba RD nabízí přinejmenším několik technických způsobů, jak zajistit
TUV. Jen jeden však zůstává při uvážení všech technicko-ekonomických i dalších ukazatelů
optimálním řešením.
Proto se může vhodný projekt ohřevu TUV pro jeden RD v jedné lokalitě od projektu
ohřevu TUV pro jiný RD v jiné lokalitě výrazně odlišovat - ať už stavebně-technicky (Př.:
lokalita č.1 má k dispozici zemní plyn, lokalita č.2 ne), nebo zcela rozdílnou filosofií projektu
(Př.: RD č.1 využívá kombinace uhlí + elektřina, RD č.2 kombinace tepelné čerpadlo +
elektřina).
Poněvadž většinou platí nepřímá úměra mezi pořizovací cenou zařízení pro přípravu
TUV a provozními náklady tohoto zařízení, je při posuzování konkrétního projektu určující
propočet návratnosti investic. Provozně levnější systémy přípravy TUV využívají elektrickou
energii jen pro případné dohřátí vody na požadovanou teplotu, teplo pro základní ohřev je
získáváno z jiných zdrojů – z kotle ÚT, ze solárního kolektoru, z tepelného čerpadla,
z rekuperace odpadního tepla při větrání atp.
Nespornou výhodou čistě elektrického ohřevu je naopak výše pořizovacích nákladů.
Odpadá nutnost drahých tepelných výměníků, médií, potrubí, čerpadel a dalšího příslušenství
pro přenos tepla. Příjemný je také vysoký komfort obsluhy a ve většině případů i značně
jednodušší regulace. Akumulační elektrický ohřev umožňuje využít levnější noční sazbu za
elektrickou energii, průtokový ohřev je výhodný na místech s těžko předvídatelným
množstvím odebrané TUV.
Zvláštní kapitolou je rozhodování, zda zásobit domácnost z jediného centrálního
zásobníku TUV, či pro vzdálenější místa odběru zvolit lokální ohřev a eliminovat tak ztráty
tepla a vody v přívodním potrubí. Tepelný tok procházející stěnou potrubí do okolí způsobuje
(v případě instalace bez cirkulace TUV) ochlazování vody, v krajním případě až na teplotu
stěny, v níž je potrubí uloženo. Při dalším odběru TUV pak nejprve musí odtéct množství
studené vody odpovídající objemu potrubí. K vyčíslení ztrát v potrubí TUV za 24 hodin je
možné použít program, který je součástí této práce. Uživatel zadá denní odběrový diagram
TUV a parametry rozvodu TUV ve svém RD (délku a světlost potrubí, tloušťku případné
izolace, součinitele přestupu tepla λ potrubí a izolace, teplotu výstupní vody z ohřívače TUV
a teplotu stěny, v níž je potrubí uloženo). Výstupem programu jsou denní ztráty energie
(kWh) a vody (l).
69
Efektivnost použití tepelných čerpadel k vytápění
Jan Skřivánek - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Během 20. století došlo na celém světě k masivnímu nárůstu spotřeby elektrické
energie. V současnosti si již nelze představit život bez takto univerzální formy energie.
Většina elektřiny se vyrábí v elektrárnách spalujících fosilní paliva. Tyto neobnovitelné
zdroje se v přírodě vyskytují v omezeném množství a jejich zásoba vystačí již jen na několik
příštích desetiletí. Navíc se neustále zvyšují ceny energie, a proto se čím dál častěji dostávají
ke slovu, dříve příliš drahé, zdroje energie. Je tedy objektivní nutností věnovat se rozvoji
nových technologií, využívat jadernou energetiku, hospodárně nakládat s energií a pokud
možno maximálně využívat obnovitelné zdroje. Kromě výše uvedeného, byla také 10.3.2004
schválena nová energetická koncepce, která počítá s nárůstem podílu obnovitelných zdrojů na
výrobě až na 16,9 % a současným poklesem podílu tuhých paliv na 36,8 % v roce 2030.
V posledních letech dochází k nárůstu instalací tepelných čerpadel v ČR. Tento
rozmach je způsoben jak snižováním cen tepelných čerpadel, tak liberalizací trhu s energií,
což znamená nárůst jejich cen. Je tedy pravděpodobné, že se TČ začnou masivněji využívat i
u nás. Odhadovaný potenciál v ČR je asi 400 000 instalací TČ, což je výrazně více než 2400
instalací ke konci roku 2003.
Ve své práci jsem zpracoval projekt na zavedení tepelného čerpadla do otopného
systému rodinného domu. V práci je popsána teorie tepelných čerpadel a postup při jejich
návrhu. Projekt dále obsahuje výpočet tepelných ztrát, zjištění celkové potřeby energie pro
vytápění a ohřev TUV, dimenzování otopné soustavy, tepelného čerpadla a zemních vrtů. Při
dimenzování TČ je nutné vycházet z tepelných ztrát objektu, vypočtených dle normy ČSN 06
0210. Investor v současné době provádí kompletní rekonstrukci objektu. Její součástí je
instalace nového zdroje pro vytápění a kompletní výměna otopného systému. Dům má dvě
bytové jednotky a TČ bude zajišťovat kromě vytápění i ohřev TUV. V objektu jsem navrhl
instalaci nízkoteplotních topných těles s teplotním spádem 55/45 °C. Jako zdroj
nízkopotenciálního tepla budou využity zemní sondy, které jsou, na rozdíl od jiných
nízkoenergetických zdrojů, téměř nezávislé na venkovní teplotě. Jsou tedy schopné odebírat
teplo ze země i při extrémně nízkých venkovních teplotách. Sondy jsou dimenzovány
v závislosti na vlastnostech půdy a topného výkonu TČ. Pro instalaci jsem zvolil typ WPF
18M z řady zem/voda od firmy STIEBEL - ELTRON, který je schopen dodávat topný výkon
14,4 kW při teplotě zdroje 0 °C a topné vodě 55 °C. Při zmíněných parametrech pracuje tento
typ TČ s výkonovým číslem 3. Jako nejvhodnější typ provozu TČ se během návrhu ukázal
paralelně - bivalentní. V rámci projektu je také řešena otázka míry krytí celkové spotřeby
energie v objektu pomocí TČ a bivalentního zdroje. Součástí projektu je i ekonomická
rozvaha, ve které jsou shrnuty investiční a provozní náklady systému. Objekt využívající
k vytápění TČ má navíc možnost využívat výhodnou sazbu D 55 a to nejen pro TČ, ale i pro
veškerou ostatní spotřebu což výrazně ovlivní roční úspory. Pro případnou instalaci jsou
uvedeny legislativní omezení, předpisy, doporučení, možné podpory od SFŽP a distributora
elektrické energie.
Pro objektivní představu o výhodách a nevýhodách systému využívajícího tepelného
čerpadla, je provedeno srovnání s dalšími systémy. Porovnání je provedeno s klasickým
plynovým a s poloakumulačním elektrickým podlahovým topením.
Na závěr je uvedeno shrnutí a zhodnocení celého projektu. Je zde zmíněna vhodnost
použití TČ v uvažovaném objektu v porovnání s výše uvedenými typy vytápění.
70
Ekonomická a energetická náročnost otopných systémů
Pavla Šafrová - KE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Vytápění je v našich klimatických podmínkách nutností. Účelem vytápění je zajistit
tepelnou pohodu. Tepelná pohoda prostředí je jedním z předpokladů dobré tělesné kondice a
pracovního výkonu. Tato tepelná pohoda přímo závisí na teplotě v místnosti, způsobu
vytápění, druhu vykonávané činnosti apod. Rozhodující je teplota a relativní vlhkost vzduchu
v místnosti, které mají být ve vzájemném správném poměru.
Tato práce obsahuje stručný přehled a charakteristiku otopných systémů, je zaměřena na
jejich porovnání. Hospodárný vytápěcí systém by měl obsahovat co nejméně ohřívané vody,
co největší předávací plochu otopných těles a co nejdokonalejší, správně seřízené regulační
prvky. Dobrá tepelná izolace vnějších zdí vytápěných budov a dobré utěsnění okenních a
dveřních spár se považuje za samozřejmé. Účelem této práce je navržení optimálního
otopného systému pro konkrétní objekt menšího rodinného domku. Ještě před návrhem
otopné soustavy se zjišťují tepelně technické vlastnosti vytápěné budovy, počítají se tepelné
ztráty. Jde vlastně o zjištění množství tepla, které v zimním období uniká z budovy prostupem
přes obvodové zdi, střechu, podlahu a dále netěsností oken a dveří. Toto množství tepla pak
musí dodávat vytápěcí systém do jednotlivých místností, aby v nich byla určená teplota.
Výsledkem tohoto energetického auditu je analýza stávajícího stavu, odhalení nedostatků
v energetickém hospodaření a především návrh opatření, která přinesou úspory energie.
Z jednotlivých variant navrhovaného otopného systému se vybere nejefektivnější řešení
s přihlédnutím na hodnocení kritériem 3E. Toto kritérium zahrnuje hodnocení z hlediska
energetického, ekonomického a ekologického. Jedna z kapitol je zaměřena na praktické
možnosti vytápění různě velkých domů a bytů.
Dát obecný návod na pořízení toho právě „nejlepšího“ vytápěcího systému nelze.
Každý má jiné podmínky a možnosti zřízení a provozování vytápění.
Místním vytápěním se má obvykle na mysli vytápění jedné až dvou místností jedním
zdrojem tepla. Je to nejjednodušší způsob vytápění a v některých případech i nejvhodnější. Ve
srovnání s jinými druhy vytápění má nejnižší pořizovací náklady. Zdroj tepla se nazývá
topidlem a je současně i topným tělesem, neboť sám předává teplo do místnosti. Topidla se
dělí podle paliva na topidla na tuhá, kapalná a plynná paliva a elektrickou energii. Z hlediska
provozních nákladů je nejlevnější topení tuhými palivy. Z hlediska pohodlí, hygieny a
s ohledem na pořizovací i provozní náklady se jeví nejvhodnější vytápění elektrickými topidly
a na posledním místě, dnes s ohledem na stále se zvyšující standard bydlení, vytápění tuhými
palivy.
Etážové vytápění lze jinak nazvat bytové, protože jde o vytápění místností pouze
v jednom podlaží. Používá se pro vytápění jednotlivých bytů v rodinných domcích,
v činžovních domech nebo tam, kde domek nebo chata mají jen jedno obytné podlaží.
Nejběžnější etážové vytápění je teplovodní, s horním nebo spodním rozvodem (podle
stavebních možností), s přirozeným oběhem vody nebo s čerpadlem (v závislosti na vedení
rozvodného potrubí). Zdrojem tepla je kotel na uhlí nebo na plyn. Plynofikace je dnes
rozšířena ve většině částí měst a obcí. Kotlů na zemní plyn jsou stovky druhů, stačí si vybrat.
V současné době má nejvíce rodinných domků ústřední vytápění. Je to asi proto, že
vzhledem ke své ceně a pohodlí je nejvýhodnější. Ve srovnáním s etážovým vytápěním je
z jednoho zdroje tepla rozvodným potrubím vedena teplá voda pro vytápění do otopných těles
rozmístěných v několika podlažích budovy. Kotel je umístěn v nejnižším podlaží. Druhů
rozvodů a způsobů vedení potrubí je více. Nejběžnějším systémem ústředního vytápění je asi
teplovodní uzavřený dvoutrubkový systém, se spodním rozvodem, s čerpadlem a regulací
teploty vody.
71
Návrh topných článků pro odporovou pec
Michal Šanta - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Tématem této práce je návrh topných článků a tepelné izolace pracovního prostoru
vakuové odporové pece. Vakuové odporové pece se používají pro tepelné zpracování
některých speciálních slitin a pro ohřev aktivních, lehce oxidujících kovů jako jsou např. titan,
molybden nebo wolfram. Vakuum chrání nejen vsázku před oxidací, ale také ji odplyňuje a
čistí od kyslíku a příměsí, které se při pracovní teplotě odpařují. Vakuové pece jsou také
využitelné při procesech sušení, kdy se má vlhkost zcela a rychle odstranit.
Topné články jsou v odporových pecích zdrojem tepla. Ohřívají se průchodem
elektrického proudu a teplo se z jejich povrchu přenáší do prostoru pece při nízkých teplotách
převážně prouděním a při vysokých teplotách pak sáláním. Konstruují a umísťují se v pecích
tak, aby splňovaly podmínky pro co nejlepší přenos tepla do pracovního prostoru pece, tzn.
neměly by být cloněny a jednotlivé články by neměly sálat na sebe. Na materiály pro topné
články jsou kladeny vysoké nároky a měly by mít tyto vlastnosti:
• odolnost proti žáru při pracovní teplotě článku,
• velkou mechanickou pevnost za tepla,
• odolnost proti chemickým vlivům atmosfér v pecích, s níž se v peci stýkají,
• velkou rezistivitu,
• malý teplotní součinitel odporu,
• stálost rezistivity po celou dobu životnosti článku,
• malou tepelnou roztažnost,
• dobrou zpracovatelnost do požadovaných tvarů.
Uvedené požadavky jsou velmi náročné. V praxi se daří splnit současně jen některé
z nich. Materiály pro topné články se dělí do těchto základních skupin:
• materiály kovové,
• materiály nekovové,
• materiály hybridní.
Topné články pro vakuové odporové pece jsou z molybdenu, niobu, tantalu, wolframu a
grafitu. Dosahuje se teplot do 3000 °C.
Vnitřní vyzdívka vakuových pecí musí umožnit rychlou evakuaci. Pro dosažení
vysokého vakua není možné použít obvyklé keramické vyzdívky, protože vzduch z pórů
vyzdívky se postupně uvolňuje a dochází tím k degradaci vakua. K omezení tepelných ztrát
sáláním z pracovního prostoru ve směru k plášti pece se proto používají několikanásobná
kovová stínítka, nazývaná také radiační štíty. Jsou to clony s vysokým stupněm odrazivosti.
Obsahem této práce tedy je:
• popis materiálů pro topné články odporových pecí,
• výběr vhodného materiálu pro pracovní teploty 2300 °C a 2800 °C,
• návrh topných článků pro pracovní prostor ø 70 mm a výšku h = 200 mm,
• návrh tepelné izolace pracovního prostoru pomocí stínítek a vodního chlazení pláště
pece.
72
Možnosti sušení porézních látek elektrickými zdroji tepla
Petr Šimek - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Mezi porézní látky patří přírodní materiály jako např. horniny, rudy, dřevo, uhlí,
porcelán, produkty potravinářského a zemědělského průmyslu atd. Tyto látky mohou
obsahovat vodu, která zhoršuje jejich vlastnosti a proto je potřeba ji odstranit. Odstraňuje se
různými způsoby. Ve své práci se budu zabývat tepelným odstraňováním vlhkosti – sušením.
Sušení je fyzikální děj, při němž se účinkem tepla snižuje obsah vlhkosti v látkách, aniž se
mění jejich chemické složení. Před sušením se může odstranit část vlhkosti méně energeticky
náročným způsobem, např. mechanicky. Podstatou procesu sušení je převod vlhkosti do stavu
páry a její odstranění do okolního prostředí. Sušícím prostředím je většinou vzduch, který
odevzdává teplo sušenému materiálu a odvádí odpařenou vlhkost.Sušení se používá v mnoha
oblastech. Potraviny se suší z důvodů konzervace. Odstraněním vlhkosti z potraviny se v ní
nemohou rozmnožovat mikroorganismy a zmenší se její hmotnost a objem, což je dobré při
dopravě a skladování. Palivo se suší pro zvýšení výhřevnosti. Dřevo se suší, aby neměnilo
svůj tvar a objem, zvýšilo pevnost a odolnost proti houbám a plísním. Keramické výrobky se
suší před vypálením pro zvýšení pevnosti atd. Většinou se v sušárnách vyskytují všechny tři
způsoby sdílení tepla. Podle toho jestli převládá proudění, vedení nebo sálání, se sušárny dělí
na konvektivní, konduktivní a radiační. Sušící proces se rozděluje na dvě fáze. Nejdříve
probíhá jako odpařování volné vodní hladiny, kdy je rychlost sušení konstantní. Po určité
době dosáhne obsah vlhkosti v materiálu kritické hodnoty a začne úsek klesající rychlosti
sušení. Každý materiál vyžaduje jiné podmínky sušení. Nejběžnější je sušení za
atmosférického tlaku. Hodí se pro materiály, které nejsou citlivé na vysokou teplotu a u nichž
není tolik kladen důraz na rychlost sušení. Termolabilní materiály se mohou sušit ve vakuu.
Vakuové sušení je rychlejší než při atmosférickém tlaku, probíhá při nižších teplotách,
spotřeba tepla je menší, ale zařízení je složitější a dražší. Používá se k sušení drahých a
významných materiálů. Infračervené záření se používá k sušení látek, které dobře pohlcují
sálavé teplo - nátěry, laky. Jeho generátory se podle vlnové délky záření dělí na světlé
(maximum záření připadá na oblast vlnové délky nižší než 1,3 µm) a tmavé (λ > 1,3 µm). Pro
dielektrický ohřev se používají frekvence elektromagnetického pole 1 – 200 MHz.
Dielektrické sušení je komplikované, nákladné a má relativně vysoké provozní náklady.
Používá se k sušení dřeva, papíru a termolabilních potravin. Mikrovlnný ohřev se vyznačuje
vyššími frekvencemi než dielektrický 915 MHz nebo 2450 MHz. Sušící proces probíhá
opačným směrem než u klasických metod, a to ze středu k povrchu materiálu. Je mnohem
rychlejší než ostatní metody. Sušení je zároveň velmi efektivní, neboť přes 90 % vstupující
mikrovlnné energie se přemění na teplo. Podobnou účinnost nelze jiným způsobem ohřevu
dosáhnout. Je to dáno tím, že voda, jako vysoce polární materiál, velmi dobře absorbuje
mikrovlnnou energii. Nevýhodou jsou vyšší investiční náklady ve srovnání s klasickými
sušícími zařízeními. Používá se hlavně při dosušování materiálů. Je vhodný pro textilie,
potraviny, atd. Podle způsobu provozu se sušárny dělí na vsázkové, kdy se jednotlivé dávky
materiálu vkládají do sušárny, a průběžné, do nichž vstupuje na jedné straně vlhký materiál a
na druhé vystupuje vysušený. Vsázkové jsou jednodušší, levnější a hodí se pro menší
provozy. Průběžné mají větší kapacitu a lepší využití energie.Hodí se pro velká zařízení
hromadné výroby. Oba způsoby mohou pracovat s částečnou či úplnou recirkulací sušícího
vzduchu, tím se snižuje množství čerstvého vzduchu a tepla v předehřívači.Ve své práci
popisuji teorii sušení, věnuji se jednotlivým metodám, jejich výhodám, nevýhodám a jejich
použitím v praxi. V praktické části budu sušit textilní vzorky různými zdroji tepla. Porovnám
u nich rychlosti sušení a graficky zobrazím křivky závislosti hmotnosti (střední měrné
vlhkosti) na čase u = f(t).
73
Možnosti efektivního vytápění středně velkých poslucháren
Kateřina Šimková - TE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Volba otopného systému neovlivňuje jen naší pohodu a spokojenost s vnitřním
prostředím místností, neméně důležité je také množství spotřebované energie otopným
systémem, jeho vliv na životní prostředí a v neposlední řadě investiční a provozní náklady.
Důležitá je volba zdroje tepla a také vlastnosti otopné soustavy, jako jsou její účinnost,
efektivnost a regulovatelnost.
Jako popud k zadání této práce sloužila informace o nepříliš dobré tepelné pohodě při
nynějším způsobu vytápění v posluchárně v areálu ZČU na Borech. V současnosti je
posluchárna vytápěna konvekčními teplovodními otopnými tělesy napojenými na centrální
zdroj TUV. Navrhování vhodného vytápěcího systému pro takovouto relativně velkou
místnost, je specifický problém odlišný například od návrhu vytápění rodinného domu. Hlavní
roli zde hrají rozlehlost místnosti, přerušovaný topný režim v závislosti na rozvrhované výuce
a vysoké nároky na tepelný komfort. Nutná je také volba takového zdroje tepla, který splňuje
požadavky na dostupnost bez přehnaných investičních a provozních nákladů a je co možná
nejvíc šetrný k životnímu prostředí.
V této práci se nejprve zabývám pojednáním o tepelné pohodě člověka a o vlivech na ni.
Tato problematika je velmi široká a zajímavá, proto jí je zde věnována značná pozornost.
Dále jsou zpracovány podklady pro návrh otopné soustavy, tzn. výpočet tepelných ztrát
místnosti. Tepelné ztráty jsou počítány dvěma způsoby, a to metodou podle ČSN 06 0210 a
metodou respektující odlišné teplotní poměry v místnosti vytápěné sálavým otopným
systémem. Dále jsou uvedeny možnosti vytápění (teplovodní, teplovzdušné, sálavé), srovnány
jejich vlastnosti a posouzena vhodnost pro vytápění posluchárny.
Pro rekonstrukci vytápění v místností, kde se nedaří pomocí konvekčního otopného
systému dosáhnout uspokojivé tepelné pohody, se zřejmě nejlépe hodí sálavý způsob
vytápění. Detailně je proto zpracován návrh vytápění zavěšenými elektrickými sálavými
panely, kterému předchází úvaha o vhodnosti vytápění elektrickou energií. V návrhu se počítá
s použitím sálavých panelů buď jako samostatného vytápěcího systému nebo jako
doplňkového zdroje tepla. Pozornost je věnována vhodné regulaci, energetickému i
ekonomickému zhodnocení.
5800
1300
2 x S 36
2 x S 30
2 x 600 U
7600
20º
4000
600
1800
4650
9300
13950
Možnost rozmístění sálavých panelů v posluchárně
74
Návrh vysokoteplotní odporové laboratorní pece
Karel Zuska - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
T [°C]
Tato práce je jakousi technickou příručkou pro návrh vysokoteplotní odporové
laboratorní pece. Zabývá se prvotními omezujícími podmínkami, jako jsou vlastnosti
materiálů, které jsou schopny odolat extrémním podmínkám panujícím v pracovním prostoru
pece (velmi vysoké teploty) a z toho vycházející nutnost konstruovat pec jako vakuovou kvůli
chemické povaze materiálů vhodných pro konstrukci topných článků či použití speciálních
pecních transformátorů.
Další část práce se zabývá samotnou problematikou návrhu topného článku pro daný
pracovní prostor a danou pracovní teplotu. Jde se o jakési hledání nejvhodnějšího topného
článku. A to z hlediska mechanické pevnosti, životnosti článku, konstrukčního uspořádání a
rovnoměrnosti rozložení tepla v peci. Všechny podmínky při výběru jsou podloženy
výpočtem či zkušenostmi z praktických aplikací.
V následující kapitole je vyřešena problematika použití tepelné izolace u vakuových
pecí. Jelikož není možné použití vyzdívky, která je pórovitá a docházelo by k znehodnocení
vakua je nutné použít stínící clony (stínítka). Je zde zpracován jejich návrh, počet a
konstrukční provedení. Je zde proveden výpočet ztrátového tepelného toku, který projde až na
plášť a s tím související nutnost kompenzace tohoto toku. Tím je míněn systém vodního
chlazení pláště, jehož návrh a konstrukční provedení je zde také zpracován. Tato část
obsahuje i celkové konstrukční provedení pece.
V dalším bodě je vypracována energetická bilance provozu pece. Je zde zpracován
ohřev tepelně tenké a tepelně masivní vsázky. Kritéria, podle kterých se toto rozdělení
provádí. Větší část je věnována ohřevu tepelně masivní vsázky, včetně ukázky výpočtu doby
ohřevu a průběhu teplot na povrchu a uprostřed vsázky. Výsledek pro vsázku 2 je znázorněn
v grafu.
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100 120
140 160
180 200
220 240
260 280
300
t [s]
pec
vsázka_2,0
vsázka_2,d/2
V závěru jsou shrnuty všechny poznatky vhodné pro praktické použití, porovnání
výsledků vypočítanými zjednodušenými metodami či obecně platnými empirickými vzorci
s výsledky dosažených přesnějšími postupy.
75