Sborník

Přehlídka
studentských odborných prací na FEL
konaná dne 15. května 2009
pod záštitou
prorektora ZČU
doc. RNDr. Františka Ježka, CSc.
a
děkana FEL ZČU
doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc.
pořádaná v odborných sekcích
Elektronika
a
Silnoproudá elektrotechnika
FEL, ZČU 2009
Slovo úvodem
Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské
univerzity v Plzni tradiční akcí. Letošní přehlídky se účastní 24 studentů s 22
pracemi, což je sice méně než v loňském ročníku, ale zvýšil se počet prací, které
současně nejsou závěrečnými pracemi jak bakalářskými, tak diplomovými.
Tento fakt signalizuje větší zájem studentů o odbornou práci na katedrách.
Na tomto místě bych rád poděkoval letošnímu sponzorovi,
kterým je firma MBtech Bohemia s.r.o.
Dále chci poděkovat všem autorům soutěžních prací za příspěvek do této
přehlídky a jejich lektorům za odborné vedení. Věřím, že spolupráce v rámci
odborné činnosti je pro obě strany vysoce přínosná. Také chci poděkovat všem
členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, bez které by nebylo možno
přehlídku uskutečnit.
Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, protože člověk je tvor soutěživý. Proto věřím,
že i tato přehlídka přispěje k nejen odbornému rozvoji každého ze zúčastněných.
Ing. Václav Boček, Ph.D.
organizační garant
Obsah
Sekce Elektronika
5
Parkovací asistent aplikovaný na model autíčka
6
Bc. Petr Boublík, Bc. Jaroslav Freisleben - DE 1
Procesorem řízený frekvenční čítač s automatickým přepínáním rozsahů
7
Milan Brych - EAT 1
Návrh a realizace výkonového vf. zesilovače 1 kW pro 144 MHz
8
Bc. Tomáš Kavalír - AEL 3
Návrh přístroje pro měření intenzity magnetického pole
9
Petr Kerndl - EI 2
Porovnání syntetizovatelných softwarových procesorových jader
10
Václav Kraus - EI 1
Jednotka pro měření a archivaci dat
11
Václav Kubovec - EI 2
Systém zabránění kolize s překážkou aplikovaný na RC modelu
12
Ondřej Pajer - DE 1
RS-485 teplotní senzor
13
Lukáš Pivoňka - EI 1
Výukový model třídícího automatu řízený PLC
14
Pavel Rabas - AEL 3
Výkonový zesilovač pracující ve třídě AB
15
Jiří Toušek - KOE 3
Výkonové svítivé diody
16
Tomáš Trávníček - KOE 3
Autonomní model vozidla na autodráze - Freescale Race Challenge 2009
17
Stanislav Veverka - DE 1, Dominik Schneider - EI 1
Generátor znaků pro procesor NIOS II
18
Jakub Vlášek - KOE 3
3
Sekce Silnoproudá elektrotechnika
19
Vliv napěťové a teplotní expozice na vlastnosti izolantů
20
Jan Diviš - PE 2
Model vyhodnocení emisí tepelných zařízení
21
Petr Hlaváč - EE 2
Analýza oteplení cívky statorového vinutí
22
Zbyněk Janda - ELE 3
Přídavné ztráty v konstrukčních částech transformátoru
23
Bc. Václav Karnet - AEL 3
Bilance oxidu uhličitého při výstavbě nového jaderného zdroje v porovnání
s ostatními typy zdrojů
24
Bc. Martin Kiš - KE 2
Návrh a experimentální ověření elekromagnetického aktuátoru
25
František Mach - AEL 3
Růst elektrických stromečků v podélném směru izolační pásky
26
Martin Širůček - KE 5
Rekonstrukce elektrického vedení 35 kV V52/V61 Rz Hamr - TS 34
27
Bc. Martin Štverák - AEL 5
Energetické hodnocení zpracování odpadních látek ve zpracovatelských
technologiích SUAS
28
Bc. Jan Zborník - EE 2
4
Sekce Elektronika
složení komise
předseda
prof. Ing. Milan Štork, CSc.
členové
doc. Dr. Ing. Vjačeslav Georgiev
Ing. Aleš Voborník, Ph.D.
Ing. Ivo Veřtát
5
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Parkovací asistent aplikovaný na model autíčka
Bc. Petr Boublík, Bc. Jaroslav Freisleben - DE 1
lektor: Ing. Michal Kubík - KAE
„Hlavním úkolem parkovacího asistenta je usnadnit parkování do řady podélně stojících
vozidel. Asistentem je myšlen systém senzorů či snímačů, které řidiči napomáhají při
parkovacím manévru. Při aktivaci si systém sám
změří mezeru mezi vozidly, a pokud jí vyhodnotí
jako vhodnou pro parkování, navede do ní
automobil. Při couvání řidič ovládá pouze plyn a
brzdu. O točící manévr se asistent postará sám.“
V automobilovém průmyslu se používají senzory,
založeném na principu odrazu ultrazvukových vln.
Kvůli finančním možnostem jsme použili levnější
variantu, a to sice infračervené senzory.
Pro naši práci jsme použili starý RC model auta, ze kterého jsme odstranili původní
řídící elektroniku. Ta byla námi nahrazena dvěma deskami, z čehož jedna (řídící) se stará o
pohon autíčka a o natočení předních kol. Druhá deska (senzorová) vyhodnocuje informace ze
čtyř infra čidel a podle těchto hodnot vysílá po sběrnici ovládací impulzy do řídící desky. Obě
desky používají pro vyhodnocení informací mikrokontrolér AVR ATMega8 od firmy Atmel.
Procesor na řídící desce informace ze sběrnice vyhodnotí a vydá pokyn motoru a servomotoru
pro pohyb auta. Senzory jsou rozmístěny na modelu ze všech čtyřech stran. To umožňuje
indikaci překážek v prostoru okolo auta.
Celý senzor se skládá z infra diody a infra přijímače. Infra dioda IRS5 vysílá signál o
frekvenci 38 kHz pod úhlem 30 stupňů. Signál je vysílán v určitých časových intervalech, aby
se zamezilo případnému rušení od okolních vysílačů. Jako přijímač je zde použito infra čidlo
SFH-5110, které indikuje infra signál právě na frekvenci 38 kHz. Toto čidlo obsahuje tři
vývody: napájení 5 V, zem a logický výstup. Pokud čidlo indikuje infra signál, na logickém
výstupu naměříme 0 V, jinak si výstup drží 5 V.
O pohon se stará DC motor, ovládaný můstkem L298 v paralelním režimu, který
umožňuje jízdu dopředu, dozadu a brzdu. Servomotor Futaba S3001 je umístěn nad přední
nápravou modelu a ovládá tři polohy natočení předních kol (vlevo-střed-vpravo). Oba tyto
systémy jsou řízeny pomocí pulzně šířkové modulace s frekvencí 50 Hz pro DC motor a pro
servomotor též. Tuto modulaci generuje mikrokontrolér ATMega8 na řídící desce. Polohu
servomotoru určuje střída signálu - doba trvání log. „1“ v periodě 20 ms (20 ms = 1/50 Hz ),
tj. 1,5 ms „střed“, 1 ms „vlevo“ a 2 ms „vpravo“. Stejně tak střída signálu určuje rychlost
otáčení DC motoru, např. 20 ms 100 %, 10 ms 50 %, 0 ms 0 % = motor zastaven.
Komunikace mezi deskami probíhá prostřednictvím TWI sběrnice. TWI, neboli I2C, je
dalším typem sériového rozhraní. Podporuje práci v režimu master a slave, v našem případě
pracuje senzorová deska jako Master Transmitter a řídící deska jako Slave Receiver. Toto
rozhraní umožňuje komunikaci mezi mikrokontrolérem a 128mi dalšimi zařízeními.
Komunikace probíhá pouze po dvou vodičích. První se jmenuje SDA, což je datový vodič a
druhý je hodinový signál značený SCL. Pro komunikaci jsme zvolili maximální možnou
přenosovou rychlost TWI sběrnice, která je přibližně 440 kHz.
Režim parkování začíná postavením modelu podélně vedle překážky. Poté se model
rozjede na rychlost přibližně 0,25 m/s. Následuje měření mezery mezi vozidly. Pokud mezera
vyhovuje, model se zastaví a zahájí parkovací manévr.
Kromě softwaru pro parkovací režim lze do mikrokontroléru na senzorové desce nahrát
software pro režim jízdy. Režim jízdy umožňuje modelu pohybovat se ve volném prostoru,
indikovat překážky ve všech čtyřech směrech a na vznik případné kolize vhodně zareagovat.
6
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Procesorem řízený frekvenční čítač s automatickým přepínáním rozsahů
Milan Brych - EAT 1
lektor: Ing. Matouš Bartl – KAE
Cílem mé práce bylo navrhnout a realizovat procesorem řízený frekvenční čítač, který
by, při poměrně nízké výrobní ceně, dovoloval co nepřesnější měření frekvence. Přístroje,
které jsou dnes běžně dostupné, málokdy poskytují kompromis mezi užitnými vlastnostmi a
pořizovacími náklady. Buď se jedná o zařízení s relativně nízkou pořizovací cenou, ale úzkým
rozsahem měřených frekvencí, vstupního napětí, či nedostačující přesností, nebo o kvalitnější,
nicméně výrazně dražší čítače.
Při návrhu zařízení jsem počítal s čítáním TTL signálů – tj. použití čítače zejména
v číslicové technice. Aby nároky na vstup nebyly příliš striktní, použil jsem jednoduchého
obvodu pro omezení napěťové úrovně s tvarovačem pro měření neobdélníkových signálů
s možností pozdějšího doplnění o předzesilovač. V konečném provedení je čítač schopen
rozpoznávat vsup s hladinami odpovídajícími přibližně 1,4 až 30 V, nejen obdélníkového
tvaru, ale i například trojúhelníkového a sinusového tvaru. Frekvenční rozsah je od desítek Hz
po 10 MHz. Omezení 10 MHz vychází z úvahy, že vstupní obvod, čítač v mikrokontroléru a
přívodní kabely můžou při vyšších frekvencích vykazovat nežádoucí vlastnosti a mohly by
mít nemalý vliv, zejména z hlediska spolehlivosti a přesnosti, na výsledek měření.
Jako zobrazovací jednotka je připojen k modulu znakový 2x 16 LCD displej s řadičem
HD44780. Pro jeho ovládání a samotné měření je použit mikrokontrolér AVR ATmega16
s externím 8 MHz krystalem. Vstupní obvod je tvořen nastavitelným odporovým děličem,
přepěťovou ochranou realizovanou pomocí dvojce Schottkyho diod a rezistoru a tvarovacího
Schmittova klopného obvodu. Jeho výstup je přímo přiveden na periférii procesoru.
Měření frekvence je programově obslouženo pomocí dvou čítačů T0 a T1. Čítač T0 je
8-mi bitový a jako zdroj hodinového signálu slouží dělič taktovacího kmitočtu jádra s dělicím
poměrem 1/1024. Jednoduchým výpočtem lze zjistit, že čítač T0 se naplní přibližně 30x za
vteřinu. Přetečení vyvolá přerušení a v jeho obsluze se zaznamená aktuálně napočítaná
hodnota 16-ti bitového čítače T1, jehož zdrojem je měřený signál. Takto zjištěná hodnota se
přepočítá konstantou korespondující s dobou plnění čítače T0 tak, aby výsledek odpovídal
zjišťovanému kmitočtu v hertzích. Odsud rovněž vyplývá omezení měřené frekvence na
2MHz. Toto lze obejít vyvoláním dalšího přerušení při přetečení T1 a v jeho obsluze
zaznamenat, že v průběhu plnění T0 došlo k překročení rozsahu a vynulování čítače T1, což
zohledníme přičtením příslušné konstanty odpovídající počtu přetečení T1. Uvedeným
postupem nevznikají žádné přídavné chyby měření. Předpokladem ovšem zůstává periodicita
sledovaného signálu v rámci doby plnění T0.
Naměřené hodnoty se zobrazují na LCD displeji nebo na počítači pomocí rozhraní
RS 232 (obě metody zobrazení jsou implementovány do programového vybavení procesoru,
ale aktivní ponechávám jen jednu – LCD výstup). Díky sériovému rozhraní by bylo možné
modul rozšířit například o bezdrátový sběr dat. Přepínání rozsahů, včetně zobrazovaných
jednotek, probíhá automaticky. Počet vypisovaných desetinných míst závisí na frekvenci. Při
hodnotách nad rozsah nebo při hodnotách signálu, který neodpovídá požadavkům na vstup, se
zobrazují příslušná upozornění.
Provedení čítače v této podobě je levné, široce použitelné a vykazující dobrou přesnost.
Jeho předností je výše zmíněná možnost softwarové volby výstupu. Tyto vlastnosti z něho
dělají čítač porovnatelný s podstatně dražšími, komerčně vyráběnými, zařízeními. Díky
jednoduchosti zapojení je mnou navržený čítač možné použít i jako modul pro vestavění do
komplexnějšího zařízení, navíc s možností dalšího snadného softwarového přizpůsobení
aplikaci, kterou dostupné výrobky rovněž neoplývají.
7
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Návrh a realizace výkonového vf. zesilovače 1 kW pro 144 MHz
Bc. Tomáš Kavalír - AEL 3
lektor: doc. Ing. Jiří Masopust, CSc. - KAE
Tato práce si klade za cíl seznámit se s problematikou výkonových vysokofrekvenčních
zesilovačů, současných možností dostupných prvků, které lze při konstrukci využít. Stěžejním
úkolem, kterým se bude tato práce zabývat prioritně, bude návrh poměrně velmi výkonného
zesilovače pro radioamatérské pásmo 144 MHz špičkových parametrů plně srovnatelných
s komerčně vyráběnými výkonovými zesilovači pro radioamatéry.
Na začátek musíme uvézt, jaké parametry a kriteria by měl zesilovač splňovat:
• Dosažitelný výkon trvale pro jednodecibelovou kompresi bez omezení doby provozu
minimálně 1000W PEP na 50 Ω (typicky 1500 W do limitace).
• Zesílení větší než 10 dB, účinnost větší než 50 % (typicky 55 %), napájecí napětí
jednofázové 230V/50Hz, omezení nárazového proudu soft startem.
• Vstupní PSV menší než 1,5 pro celý rozsah buzení (útlum odrazu větší než 15 dB),
normovaná vstupní (výstupní) impedance 50 Ω nesymetricky s konektory typu N,
potlačení 3 harmonické alespoň o 50 dB.
• Jištění proti nadproudu, měření odebíraného proudu a výstupního výkonu, indikace
teploty chladícího systému, indikace provozního stavů.
• Spínaní PTT zesilovače kladným i záporným nízkoproudovým rozhraním s možností
Stand – By režimu.
• Celý zesilovač i s napájecím zdrojem umístěn v mechanicky uceleném celku s možností
transportu, modulová konstrukce pro snadnou diagnostiku a opravu závad.
Po zhodnocení dostupných variant a finančním rozboru bylo přistoupeno k návrhu
zesilovače s keramickou majákovou triodou GS35b (ekvivalent Eimac 3CX1500). Zesilovač
obdobného výkonu by při použití tranzistorů LDMOS vyšel zhruba na dvojnásobek ceny.
Zesilovač musí být za všech okolností bezpodmínečně stabilní a musí vykazovat co nejmenší
intermodulační zkreslení, proto bylo i za cenu menšího výkonové zisku použito zapojení
elektronky s uzemněnou mřížkou a buzení do katody. Anodový obvod, jehož úkolem je
transformovat relativně nízkou impedanci připojené zátěže (antény) k optimální zatěžovací
dynamické impedanci elektronky, byl použit půlvlnný s cívkou v anodovém obvodu a
kapacitní vazbou do antény, která se na rozdíl od induktivní vazby snadno nastavuje. Aby
byla zároveň splněna podmínka dobrého potlačení vyšších harmonických produktů, byl za
zesilovač navržen a zrealizován pětiobvodový filtr typu dolní propust s průchozím útlumem
okolo 0,1 dB (!!!), útlum odrazu z obou stran lepší než 30 dB (PSV menší než 1,1). Tento filtr
navíc musí být velmi robustní, aby byl schopen trvale přenést požadovaný výkon 1 kW na
144 MHz. Zesilovač, který splňuje zadání ve všech bodech, se povedlo úspěšně dokončit a
v současnosti již má za sebou tento zesilovač cca 100 provozních hodin bez závady.
Obr.1: Přední panel vf.zesilovače 1 kW.
Obr.2: Zadní strana vf.zesilovače 1 kW.
8
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Návrh přístroje pro měření intenzity magnetického pole
Petr Kerndl - EI 2
lektor: Ing. David Pánek, Ph.D. - KTE
V dnešní době je v různých technických odvětvích zapotřebí měřit a vyhodnocovat
intenzitu magnetického pole. Zakoupené měřicí přístroje určené k tomuto účelu však bývají
často dosti drahé. Cílem mé diplomové práce bylo tedy realizovat jednoduchý systém
s Hallovou sondou pro měření intenzity stálých, nebo pomalu se měnících magnetických polí.
Dle dalších bodů zadání pak měl být tento systém schopen:
• ukládání změřených dat do paměti po zvolené časové periodě
• vyčítání změřených dat do PC a jejich následné ukládání do textového souboru
Jako měřící senzor byla zvolena součástka AD22151 od firmy Analog Devices, jejímž
základem je Hallova sonda, avšak součástka je dále rozšířena o obvody pro kompenzaci
offsetu a výstupní operační zesilovač, kterým pak lze nastavit velikost výstupního napětí,
případně unipolární, či bipolární vyhodnocování intenzity pole.
Zpracování a vyhodnocování dat pak zajišťuje software mikrokontroleru ATmega8 od
firmy Atmel, kdy na jeden z jeho 10-bitových A/D převodníků jsou analogová data dodávaná
sondou přiváděna. A/D převodník je periodicky spouštěn každých 10ms, avšak pro dosažení
přesnějších výsledků je osm takto dosažených dat zprůměrováno. Teprve takto získaná data
jsou zobrazována a ukládána. Pro zobrazování slouží LCD display vyjmutý z mobilního
telefonu NOKIA 3310, pro ukládání pak externí sériová EEPROM paměť 93LC86. Jelikož
získání zobrazitelných, či uložitelných dat trvá 80ms, je umožněno ukládání dat do EEPROM
ve volitelné periodě 100-1000ms. Celé zařízení je rozšířeno o funkci měření stavu baterie,
který je graficky zobrazován v průběhu měření.
Pro komunikaci s PC pomocí USB sběrnice byl zvolen obvod FT232RL od firmy FTDI
Chip. Jeho nespornou výhodou je fakt, že celý USB protokol je vyřešen uvnitř chipu a je
zaručena plná kompatibilita se všemi verzemi USB včetně USB 2.0 full speed.
Kromě software napsaného pro mikrokontroler, který řeší zpracování dat bylo dále
nutné napsat aplikaci pro PC, pomocí které by se dala změřená a uložená data v zařízení
stáhnout do PC. Aplikace byla navržena v programovacím jazyce C#, který je součástí
programu Visual Studio 2005. Jedná se v podstatě o jakýsi druh hyperterminálu, neboť
zařízení se po připojení k PC přihlásí jako VCP (Virtual COM Port). Obrázek ukazuje
uživatelské prostředí navržené aplikace.
Parametry přístroje:
Napájení ………………………………………… +9 V
Rozsah měřených indukcí ………………………. 0 - ± 600 mT
Perioda zobrazování změřených hodnot………… 1 s
Perioda ukládání dat do paměti………………….. volitelná v rozsahu 100-1000 ms
9
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Porovnání syntetizovatelných softwarových procesorových jader
Václav Kraus - EI 1
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
S rozvojem elektroniky a různých embedded systémů, které pronikají téměř do všech
zařízení, které člověk využívá, roste také portfolio mikropočítačů a mikroprocesorů. Jako
alternativa k mikropočítačům a mikroprocesorům jako klasickým součástkám vznikla
softwarová procesorová jádra. To umožnil zejména rozvoj FPGA obvodů, které jsou schopny
pojmout i velice rozsáhlý číslicový systém. Softwarové procesorové jádro je distribuováno
jako soubor zdrojových kódů napsaných v jazyce VHDL nebo Verilog. To že jsou popsány
HDL jazykem je činí použitelným v jakémkoliv FPGA obvodu. Další velkou výhodou je
možnost softwarový procesor konfigurovat, a proto můžeme návrh systému maximálně
přizpůsobit našemu požadavku na rozdíl od součástky pevně zapojené v křemíku. Softwarová
procesorová jádra samozřejmě nejsou stejná svými parametry, jako nejsou stejné klasické
mikroprocesory a mikropočítače. Liší se ve výpočetním výkonu, množstvím dostupných
periferií a v maximální možné frekvenci, kterou je schopno softwarové procesorové jádro
ještě použít. Cílem mé práce je právě tyto rozdíly zjistit. Cílem je zjistit rozdíly jak ve
výpočetním výkonu, tak v parametrech hardwaru, který vznikne po syntéze HDL jazyka.
Výsledky získané měřením výpočetního výkonu by měly být reprodukovatelné a měly by mít
co největší vypovídající hodnotu, proto je třeba stanovit stejné parametry benchmarků a
hardwaru.
V práci porovnávám dvě softwarová procesorová jádra. Prvním softwarovým
procesorovým jádrem je Nios II, který byl vyvinut firmou Altera. Druhé jádro je Leon 3
vyvinuté firmou Aeroflex Gaisler. Obě dvě softwarová procesorová jádra jsou 32 bitová a
postavena na RISC architektuře. Pro měření výpočetního výkonu používám dva standardní
benchmarky. První benchmark je Dhrystone, kterým měřím výpočetní výkon v pevné řádové
čárce. Druhým benchmarkem je Whetstone, kterým měřím výpočetní výkon v plovoucí
řádové čárce. Jako třetí benchmark pro měření výpočetního výkonu slouží můj vlastní
program, který obsahuje výpočty jak v pevné řádové čárce, tak v plovoucí řádové čárce.
Čtvrtým benchmarkem je program Paranoia, který neměří výpočetní výkon, ale testuje chyby
v implementaci čísel v plovoucí řádové čárce, dle standardu IEEE 754. Pro měření výkonu
používám vývojovou desku od Altery, na které je osazen FPGA obvod EP2C70F896C6N.
Toto FPGA obsahuje 70 000 logických elementů a okolo 140kB paměti. Díky velké paměti
v obvodu jsou všechny testy spouštěny z této interní paměti. Tím minimalizujeme dopad
paměti na výsledky testů, protože paměť v FPGA obvodu se vyznačuje velkou rychlostí.
Výsledky testů jednoznačně dokazují, že softwarové procesorové jádro Leon 3 je mnohem
výkonnější než jádro Nios II. Na druhou stranu jádro Leon 3 po syntéze zabírá v FPGA
obvodu téměř 3krát více místa než Nios II.
Obr. 1. Výsledky benchmarků
10
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Jednotka pro měření a archivaci dat
Václav Kubovec - EI 2
lektor: Ing. Zuzana Petránková - KAE
Tento příspěvek je zaměřen na praktickou realizaci měřicího modulu se šesti
analogovými vstupy a čtyřmi bitovými vstupy. Modul bude použit v měřicím vozidle pro
vyhodnocení parametrů kolejí. Naměřené hodnoty parametrů kolejí budou následně
zpracovány a uloženy v počítači. Šest analogových vstupů slouží pro měření napětí z měřicích
potenciometrů a čtyři bitové vstupy jsou pro měření ujeté vzdálenosti. K měření ujeté
vzdálenosti je použit snímač vzdálenosti s hallovou sondou. Po každém ujetí 0,25 m dostane
měřicí modul impuls od snímače vzdálenosti. Na tento impuls zareaguje modul změřením
napětí na všech šesti analogových vstupech.
Pro názornost je na obrázku blokové schéma celého zařízení.
Obr. Blokové schéma řešení
V měřicím modulu je použit mikrokontrolér ADuC831 s integrovaným osmikanálovým
A/D převodníkem. Na vstupy A/D převodníku jsou přivedeny sledované úrovně napětí
z měřících potenciometrů. Ty jsou následně převedeny do digitální podoby a odeslány na
sériové rozhraní UART mikrokontroléru. V bloku převodníku dojde ke konverzi rozhraní
UART na USB, ze kterého jsou data přenesena do počítače. V počítači jsou naměřené
hodnoty zobrazeny a uloženy do souboru. Pro zobrazení a ukládání dat je vytvořena aplikace
pro operační systém MS Windows.
Firmware pro mikrokontrolér je vytvořen v programu uVision3 od firmy Keil
Elektronik. Hlavní funkcí firmware je nastavení A/D převodníku, úprava naměřených dat a
nastavení komunikace mezi mikrokontrolérem a počítačem. Přenos dat mezi
mikrokontrolérem a počítačem je zabezpečen kontrolním součtem.
Aplikace pro operační systém MS Windows je vytvořena v programovacím nástroji
Microsoft Visual Studio 2005. Aplikace slouží k vizualizaci naměřených dat obsluze a
zároveň jsou data ukládána do souboru v počítači.
Měřicí modul je navržen na oboustranném plošném spoji. V návrhu je brán ohled na
EMC, malý rozměr a zároveň přijatelnou cenovou dostupnost celého zařízení. Modul je
napájen olověným akumulátorem, proto je kladen důraz na nízkou spotřebu. Z důvodu nízké
ceny je modul umístěn v plastové krabičce.
11
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Systém zabránění kolize s překážkou aplikovaný na RC modelu
Ondřej Pajer - DE 1
lektor: Ing. Michal Kubík - KAE
Každý v prostoru se pohybující objekt se dříve či později dostane do situace, kdy se
v jeho dráze objeví jiný objekt zamezující pokračování pohybu ve směru původní trajektorie.
Takto je možné poněkud obšírně popsat v praxi velice běžnou situaci hrozícího střetu
s překážkou. Cílem mého projektu bylo vytvořit systém, který by takovou situaci rozpoznal a
adekvátně na ni reagoval.
Systém jsem se rozhodl navrhnout a demonstrovat na rádiově řízeném modelu vozu
Mercedes Benz SLR Mclaren v měřítku 1:12. Model byl osazen základní dvoukanálovou RC
soupravou pracující v pásmu 27 MHz. Původní vybavení umožňovalo pohyb modelu vpřed,
vzad, vlevo, vpravo, zastavení a turbo vpřed.
Aby bylo možné případné kolizi s překážkou zabránit, je samozřejmě nutné nejprve
překážku úspěšně detekovat. Nejjednodušším způsobem je použití taktilních senzorů, které se
nejčastěji realizují kontaktním spínačem. Tyto senzory jsou však pro popisovanou aplikaci
naprosto nevhodné, protože registrují kontaktně až při fyzickém dotyku. Vzhledem k poměrně
velké setrvačnosti modelu je nutné překážku detekovat v dostatečně velkém předstihu, aby
bylo vůbec možné bezpečně reagovat resp. zastavit. Vhodnější způsob detekce je pomocí
ultrazvukových senzorů neboli sonarů, radarů nebo infračervených detektorů. Po
prozkoumání náročnosti a také cenové relace sonarů a radarů, také po přihlédnutí k potřebě
minimálně dvou senzorů (vpředu a vzadu) jsem se rozhodl využít IR senzory. Infračervené
senzory jsem realizoval na principu detekce odraženého záření od překážky. IR LED dioda
emituje záření v oblasti 940 nm, které se od překážky odrazí na detektor. Aby se omezil vliv
okolního rušivého záření v pásmu s podobnou vlnovou délkou jako zdroj, signál IR diody se
moduluje. Detektor je vybaven demodulátorem s pásmovou propustí odpovídající modulační
frekvenci a tím je zabezpečeno, že reaguje pouze na signál IR diody. Praktickým problémem
je ale fakt, že na stejné frekvenci mohou pracovat i jiná IR zařízení v okolí jako např. dálková
ovládání spotřební elektroniky, IR porty apod. Tento problém bylo nutné řešit dodatečným
zabezpečením pomocí kódu.
Vzdálenost překážky je možné určit na základě ovlivňování výkonu IR diody nebo
snížením citlivosti detektoru změnou modulačního kmitočtu. Modulování IR LED a
zpracování signálů od detektorů je realizováno mikroprocesorem PIC16F627A od firmy
Microchip. Na procesor jsou také přivedeny signály řízení, které jsem odvodil a galvanicky
oddělil pomocí optočlenů z původního přijímače RC dálkového ovládání. To bylo vzhledem
k nedokumentovanému zapojení zpočátku obtížné, ale podařilo se mi získat všechny
přenášené stavy řízení včetně turbo. Řízení pohonu zadní nápravy jsem převzal H-můstkem
TA8440H, jenž je buzen signály mikroprocesoru. Mikroprocesor tak na základě požadavků
z RC přijímače ovládá pohon a zároveň monitoruje pomocí IR senzorů případné překážky
v dráze modelu. Pokud je detekována překážka v maximálním dosahu, procesor zareaguje
snížením rychlosti tak, aby nedošlo ke kolizi. Model jsem doplnil LED diodovým osvětlením
vpředu a vzadu. Zabránění kolizi je indikováno pomocí výstražných světel.
Blokové schéma systému
12
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
RS-485 teplotní senzor
Lukáš Pivoňka - EI 1
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Jedná se o modul teplotního senzoru, připojitelného na průmyslovou sběrnici RS-485.
Trvale monitoruje teplotu v daném místě umístění vlastního čidla, zobrazuje na displeji a
nezávisle podle nastavení ovládá dvě relé na síťové napětí v závislosti na teplotě nebo ručním
řízení po sběrnici.
Řídícím procesorem byl zvolen Atmel ATmega8 z rodiny AVR, dále modul obsahuje
budič sběrnice RS485 (typický MAX485 od Maximu nebo ST485 od ST v DIP pouzdře
v patici), zabudovaný inteligentní 8-znakový LCD displej s řadičem HD44780 s velkými
9mm znaky a tlačítko pro dočasné podsvícení LCD a konfiguraci modulu přes menu
(přidržení = vstup do menu popř. přesun na další položku, stisk = změna hodnoty). Celý
modul je uzpůsoben pro napájení z AC adaptéru 9 – 12 V DC nezávislé na polaritě – na
vstupu je můstek, nejvyšší spotřeba při zapnutém podsvícení LCD je 300 mA, při běžném
provozu okolo 50 mA. Intezita podsvícení a kontrast LCD jsou řízeny pomocí PWM regulace,
max. spotřebu při aktivním podsvícení je možné snížit pomocí menu.
Vlastním snímačem teploty je inteligentní čidlo DS18B20 společnosti Dallas/Maxim.
Jedná se o tzv. 1-wire inteligentní zařízení komunikující obousměrně pouze po jednom vodiči
+ napájení (celkově tedy tři vodiče, s jistou úpravou lze použít i jen dva – tzv. parazitní
napájení z datové linky). Výstupem čidla je přímo kalibrovaný údaj o teplotě v 12-bit formě
v rozsahu -55..+125 °C s využitelným rozlišením 0,1 °C a přesností +/-0,5 °C (parametry
výrobce).
Komunikace po sběrnici je řešena formou paketů, který vždy obsahuje úvodní ESCAPE
znak, adresu cílového modulu, poté nasledují data proměnné délky závislá na daném příkazu
a nakonec ukončovací znak CR nebo LF (znaky ASCII 13 a 10). V klidu sběrnice všechny
zařízení naslouchají, po započení komunikace znakem ESC začíná příjem dat, všechny
zařízení vždy přijmou celý paket a poté po porovnání přijaté adresy se svojí vykonají příkaz a
odpoví nebo při neshodě adresy příkaz ignorují. Zařízení odpovídá na vyhrazené adrese,
kterou má nastavenou master – např. PC s RS-485 převodníkem. Tímto je jednoznačně
odlišen požadavek od odpovědi. Implementováno je několik příkazů – čtení teploty,
řízení/nastavení limitů relé, vzdálený reset a čtení nastavení.
13
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Výukový model třídícího automatu řízený PLC
Pavel Rabas - AEL 3
lektor: Ing. Jan Michalík, Ph.D. - KEV
Zadáním práce bylo vytvořit novou laboratorní úlohu začleněnou do výuky. Základní
kostrou úlohy měl být programovatelný automat Siemens LOGO!, který zajišťuje softwarové
řízení technologického procesu třídění míčků dle barvy černá/bílá.
Cílem bylo navrhnout řešení daného projektu, vytvořit projektovou dokumentaci a zadat
k výrobě mechanické části zařízení. Následně zkompletovat funkční celek, zpracovat řídící
program v PLC a sestavit výukovou dokumentaci.
Řešení bylo zcela na mém uvážení. Nakonec bylo zvoleno řešení třídění mechanickou
robotickou rukou v kombinaci s optickými čidly, které je vidět na Obr.1. Model se skládá ze
tří zásobníků na míčky, mechanické ruky a příslušné elektroniky. Dva zásobníky jsou po
stranách ruky a slouží k odkládání roztříděných míčků. Před rukou je zásobník ZM, který
tvoří oporu až jedenácti míčkům. Mechanická ruka slouží k vyjmutí míčku ze zásobníku ZM
a dle barvy odkládá do příslušného zásobníku. Ke zjištění poloh a rozlišení barvy míčků
černá/bílá slouží optická čidla CNY70. Kontrolu přítomnosti míčků zajišťuje optická závora
IR. Příslušná elektronika, která je umístěna za mechanickou rukou, zajišťuje konektorové
propojení, zesilování signálů z čidel a modul uM pro udávání polohy servům. Pro lepší
stabilitu jsou součásti připevněny na dřevotřískovou desku.
Program pro řízení procesu byl sestaven a nasimulován v programu LOGO!Soft
Comfort v.5.0 a následně nahrán do samotného PLC Siemens LOGO!. Program je sestaven ze
základních funkcí LOGO! a pomocí samodržného relé RS. Před výstupy byly zařazeny
zpožďovací obvody „Zpožděné zapnutí“ a „Zpožděné vypnutí“, které zajišťují časové
prodlevy mezi pokyny pro motory robota. Tím se předejde případným kolizím či jiným
defektům v průběhu procesu.
Hlavní dosažené výsledky
• V souladu se zadáním byl navržen, prakticky realizován a uveden do provozu výukový
model třídícího automatu černých a bílých míčků (robotické paže).
• Byla zpracována kompletní softwarová a výkresová dokumentace úlohy stejně tak jako
zadání a popis úlohy pro studenty.
• Výukový model bude využíván ve výuce předmětu KEV/PEM pro výuku
programovatelných automatů Siemens LOGO! a mikrokontrolérů PIC.
Obr.1 Schematické znázornění úlohy
14
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Výkonový zesilovač pracující ve třídě AB
Jiří Toušek - KOE 3
lektor: Ing. Petr Štál - KAE
Cílem mé odborné studentské práce bylo provést rozbor základních vlastností a
kvalitativních parametrů audio zesilovačů a vytvořit vzorek výkonového audio zesilovače
pracujícího ve třídě AB. Změřit kvalitativní parametry tohoto vzorku zesilovače a průběhy
napětí v důležitých bodech zesilovače porovnat s hodnotami obvodu simulovaného pomocí
programu PSpice. Konstrukce funkčního vzorku zesilovače by měla být řešena diskrétně a
s pomocí moderních výkonových tranzistorů. Sinusový výkon zesilovače by se měl
pohybovat okolo 100 W při zátěži o velikosti impedance 4 Ω.
Po pečlivém zvážení bylo pro konstrukci funkčního vzorku zesilovače zvoleno zapojení
Lynx 2.2. Pozornost při výběru byla soustředěna především na nízkou hodnotu celkového
harmonického zkreslení a na vysokou hodnotu odstupu signálu od rušivých napětí.
Vstupní zesilovač je řešen jako monolitický operační zesilovač. Díky tomu se výsledná
konstrukce vzorku velmi zjednodušila. Budící část zesilovače obsahuje moderní tranzistory
výrobce ON Semiconductor určené přímo pro aplikaci jako budič koncových tranzistorů.
Koncový stupeň je možné osadit několika typy moderních, výkonných a rychlých koncových
tranzistorů výrobců ON Semiconductor a Toshiba. Původní zapojení bylo potřeba upravit pro
námi požadovaný výkon. Byl tedy snížen celkový počet párů koncových tranzistorů a to
pouze na jeden pár, který dokáže do zátěže dodat sinusový výkon přes 100 W. Z důvodu
snížení počtu párů koncových tranzistorů a tedy i výstupního výkonu zesilovače bylo taktéž
nutné přepočítat obvod nadproudové ochrany a obvod pro nastavení a teplotní stabilizaci
klidového pracovního bodu. Do zapojení byly doplněny blokovací kondenzátory pro zlepšení
stability zesilovače a filtrační kondenzátory v obvodu pomocného zdroje pro napájení
operačního zesilovače. Přidány byly dále obvody pro úpravu průběhu výstupního napětí
v limitaci a přes rezistor byl separován nulový potenciál signálové a výkonové části
zesilovače. Toto řešení je výhodné z hlediska rozrušení zemních smyček. U prototypu
funkčního vzorku byl zvolen odlišný způsob návrhu DPS. DPS je navržen jako dvoustranný
s pokovenými otvory, kde vrchní vrstvou je převážně rozlitý nulový potenciál výkonové části
zesilovače. Spodní vrstva je použita pro vedení signálových spojů a napájení.
Na zhotoveném prototypu zesilovače pracujícího ve třídě AB byla provedena řada
měření. Tato měření měla za cíl určení kvalitativních parametrů měřeného vzorku zesilovače.
Měření kvalitativních parametrů proběhlo na měřícím audio analyzátoru Audio Precision
SYS-2722. Výsledné naměřené průběhy odpovídají průběhům získaným ze simulace pomocí
programu PSpice.
Parametry funkčního vzorku:
Výstupní výkon (4 Ω)100 W
Vstupní citlivost
900 mV
Zesílení
26,6
Šířka pásma
180 kHz
Výkonová šířka pásma
20,5 kHz
THD (1 kHz)
< 0,005 %
THD+N (1 kHz)
< 0,005 %
SNR (filtr typu A) > 115 dB
15
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Výkonové svítivé diody
Tomáš Trávníček - KOE 3
lektor: Ing. Petr Štál - KAE
V dnešní době se často řeší problémy celosvětové energetické koncepce. Spotřeba
elektrické energie neúnosně roste, proto se hledají nové technologie s nižší energetickou
náročností. Výkonové svítivé diody (LED) představují způsob, jak snížit spotřebu elektrické
energie. Díky vysoké účinnosti, která dosahuje hranice 50 % v laboratorních podmínkách, a
dlouhé životnosti až 100 00 hodin jsou výkonové LED budoucností veškerého osvětlení.
Použití výkonových svítivých diod je možné i v aplikacích, kde nejde v první řadě o
osvětlení. Užitím výkonových LED emitujících tvrdé ultrafialové záření lze hubit nežádoucí
bakterie, mikroorganismy a sinice ve vodě i na rostlinách.
Cílem mé studentské odborné práce bylo sestavit přehled velmi zajímavých typů
výkonových svítivých diod a provést konstrukci ruční svítilny s výkonovou svítivou diodou a
impulzním měničem.
Pro konstrukci jsem vybral svítilnu od společnosti Energizer. Výhodou této svítilny je
možnost rozložení na jednotlivé části a tedy snadný přístup ke všem důležitým místům. Pro
výkonovou LED je nutné použít chlazení, protože čip i při výkonu rovnému 1W dosahuje
rychle vysokých hodnot a snižuje se tím celková životnost součástky. Proto jsem navrhl a
nechal vyrobit masivní chladič z hliníku. Samotná výkonová LED je umístěna na DPS a
připevněna na chladič vteřinovým lepidlem
Napájení je vyřešeno pomocí dvou vodičů. Hliníkový chladič byl vyroben tak, aby celý
vytvořil záporný kontakt dosedající až na baterii. Vodič, kterým je připojena katoda výkonové
LED, je k chladiči uchycen šroubem. Přívod ke kontaktu anody výkonové LED je veden
z impulzního měniče. Na okraji chladiče byl vytvořen „kluzný kontakt“ pomocí měděné
pásky. Celé napájení výkonové LED je konstruované na snadnou výměnu vybitých baterií bez
jakéhokoliv odpojování napájecích přívodů.
Optika svítilny byla stavěna pro kryptonovou žárovku, která má zdroj světla posazený
dále v reflektoru, proto je lepší nechat část chladiče přesahovat. Samotný impulsní měnič
jsem umístil pod vypínačem a přilepil k vnitřní straně rámu svítilny. V zadní části svítilny
jsem vyvrtal malý otvor a osadil svítivou diodou s nízkým odběrem pro funkci „low battery“.
Provedl jsem měření hodnot základních fotometrických veličin v amatérských podmínkách.
Ze vzdálenosti 1 m byla naměřena osvětlenost 68,1 lx.
Na trhu je poměrně velké množství integrovaných obvodů, které je možno použít pro
napájení výkonových LED. Pro účely napájení svítilny s výkonovou LED jsem vybral obvod
LTC3490 od společnosti Linear Technology. Díky nízkému počtu součástek lze snadno
vyrobit velmi malá deska plošného spoje. Na obrázku je otisk motivu a rozmístění součástek
na desce plošného spoje, který jsem nechal vyrobit na Katedře technologií a měření.
Tento obvod impulzního měniče je výrobcem přímo určený pro napájení 1 W výkonové
LED z baterií. Obvod se chová jako konstantní zdroj proudu o hodnotě 350 mA s výstupním
napětím od 2,8 V do 4 V. Jedná se o zapojení, kdy na výstupu je vyšší napětí než na vstupu,
s proudovou zpětnou vazbou.
16
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Autonomní model vozidla na autodráze - Freescale Race Challenge 2009
Stanislav Veverka - DE 1, Dominik Schneider - EI 1
lektor: Ing. Petr Weissar, Ph.D. - KAE
Společnost Freescale Semiconductor ČR ve spolupráci s firmou Faro uspořádala na
konci minulého a začátku tohoto roku soutěž nazvanou Freescale Race Challenge. Soutěže se
zúčastnili studenti vysokých škol ze Slovenska a České republiky, jejichž úkolem bylo
postavit prototyp autíčka, které bude schopné se na předem neznámé trati samo řídit.
Společnost Freescale poskytla soutěžícím potřebné vybavení, tedy plošný spoj, součástky pro
jeho osazení, 8 – bitový mikrokontrolér S08JM32, akcelerometr, integrovaný H – můstek a
sériovou E2PROM. Dále programátor a debugger pro procesory řady HC08 a vývojové
prostředí CodeWarrior, společnost Faro dodala velkou sadu autodráhy pro sestavení různých
testovacích okruhů a jeden speciálně upravený díl sloužící jako časomíra.
Dle pravidel musel každý závodní tým projet 10 kol v levé a následně 10 kol v pravé
dráze po předem neznámé trati o celkové délce 10 až 16 metrů, skládající se z rovinek a
zatáček dvou poloměrů. Součet obou časů určil pořadí. Kromě přítlačných magnetů nebylo
pravidly nijak omezeno použití libovolných úprav vozu či využití dalších senzorů.
Původní koncept řízení počítal s použitím akcelerometru pro měření odstředivých sil
působící na autíčko v prvním, tzv. mapovacím kole. Tyto údaje měly být ukládány do paměti
a po zjištění průjezdu celým prvním kolem použity pro určení přijatelné rychlosti v daném
úseku. Od tohoto řešení jsme ustoupili z důvodu přílišné komplikovanosti, především zjištění
průjezdu celého prvního kola, velikého zarušení akcelerometru vibracemi motorku a značné
míry nejistot v takto naměřených údajích. Přistoupili jsme tedy ke způsobu řízení
označovaným jako online.
Náš prototyp jsme vybavili optickým čidlem připevněným na rotor motorku, který po
zpracování jeho výstupních pulzů dává informaci o aktuální rychlosti. Klíčovou komponentu,
tedy optickou závoru, jsme umístili do přední části vozu nad kolejničku. Tato kolejnička je
z lesklého kovu a odráží mnohem více světla než okolní černý plastový materiál, nezávislost
na okolním osvětlení byla dosažena použitím diferenciálního senzoru umístěného do prostoru
nad samotnou dráhou. Zmíněný senzor je nad kolejničkou pouze v případě, že autíčko
projíždí rovným úsekem, tímto uspořádáním jsme byli schopni zaznamenat nadcházející
zatáčku právě na jejím začátku, stejně tak jako průjezd rovným úsekem.
Údaje z výše uvedených senzorů jsme použili k řízení rychlosti. Tento způsob řízení se
vyznačuje přibližně stejnými časy ve všech kolech a jeho výhodou je veliká bezpečnost
z pohledu rizika vypadnutí z tratě. Na druhou stranu je při vhodném namapování trati možné
dosáhnout kratších časů, protože rovné úseky je možné projíždět maximální rychlostí a
přibrzdit na bezpečnou nájezdovou rychlost do zatáčky až těsně před touto zatáčkou. S tímto
způsobem řízení je ovšem spojeno jisté riziko vycházející z nepřesnosti zanesené do mapy
trati při jejím mapování.
Tyto hypotézy byly potvrzeny během
finále, které se uskutečnilo 24. dubna a
kterého se zúčastnilo 13 týmů. Závodník
používající mapování trati se stal celkovým
vítězem, další čtyři závodníci, kteří si trať
v první kole mapovali, následně z trati
vypadli a byli penalizováni. Náš tým
skončil na pátém místě, což považujeme za
důstojnou reprezentaci naší fakulty a
doufáme, že v příštím ročníku minimálně
zopakujeme letošní umístění.
17
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Generátor znaků pro procesor NIOS II
Jakub Vlášek - KOE 3
lektor: Ing. Petr Burian – KAE
Cílem této práce je vytvořit uživatelsky přívětivou knihovnu v jazyce C pro vkládání
textu do analogového videosignálu zpracovávaného digitálně pomocí existujícího systému pro
vkládání obrazu do TV signálu. Systém je založen na vývojové desce Altera DE2 s FPGA
(programovatelné hradlové pole) Cyclone II a řídícím procesoru NIOS II. Výsledky této práce
lze dobře aplikovat na místech, kde je potřeba přehledně prezentovat informace společně
s videosignálem, jako například monitorovací systémy nebo informační tabule.
NIOS II je 32-bitový softcore procesor vyvinutý firmou Altera. Je dodáván
v syntezovatelné podobě. Pro komunikaci s perifériemi se využívá sběrnice Avalon.
Konfigurování procesoru, stejně jako tak jako jeho periférií a sběrnice, probíhá pomocí SOPC
Builderu (System On a Programmable Chip), který je součástí vývojového prostředí pro
programovatelná pole Altera. Díky tomu je možné integrovat do výsledného systému jak
standardní IP (Intellectual Property) bloky, tak komponenty vlastní či třetích výrobců.
Nejsilnější vlastností softwarové podoby procesoru je možnost přidání až 256 vlastních
instrukcí pro urychlení kritických výpočtů. Tyto instrukce mohou také komunikovat s okolím
procesoru NIOS II. Po zhotovené SOPC systému následuje analýza, hardwarová syntéza a
časová simulace. Pro vývoj aplikací běžících na tomto procesoru je k dispozici vývojové
prostředí NIOS II IDE, založené na programu Eclipse a podporující jazyky C a C++ za
pomoci upraveného překladače gcc.
Jako formát písem byl vybrán bitmapový formát PCF (Portable Compressed Format)
známý z X Windows na unixových platformách. Jeho výhodou je otevřenost a dostupnost
velkého množství volně šiřitelných typů a velikostí písem. Fonty jsou k dispozici v několika
kódováních, převážně ISO-8859 a Unicode a jsou uloženy převážně ve formátu big-endian.
Jeho obecnou nevýhodou je, že není dobře navržen pro náhodné vyhledávání náhodných
znaků ze souboru a musí být celý načten v paměti. Toto ale není v této práci problém, neboť
soubory písem jsou uložené v paměti FLASH, ze které lze číst rychlosti až 4MB/s a je bajtově
adresovatelná. Znaky v souboru mají totiž nestejnou velikost, například znak tečky může
zabírat jen 4 bajty (na které je soubor zarovnán), naproti tomu některé znaky asijských písem
mohou zabírat až 72 bajtů.
Při požadavku na tisk znaku zadaného v kódování ISO8859-2 nebo Unicode knihovna
překóduje znak dle kódování písma. Vyhledá pozici znaku v kódovací tabulce a znak
v grafické podobě zkopíruje z paměti FLASH do framebufferu v paměti SDRAM, odkud je
následně sloučen hardwarovým modulem s obrazovými daty a vyslán na televizní obrazovku.
Knihovna také poskytuje funkci pro tisk řetězců – printf. Část pro převod číslic z binárního
kódu je realizována pomocí dvojice uživatelských instrukcí procesoru NIOS II v jazyce
VHDL. Jedna instrukce pro vložení 32-bitového čísla do modifikovaného posuvného registru,
kde se číslo převede na 40 bitový formát BCD (Binary Coded Decimal) s návratovou
hodnotou vyjadřující počet číslic. A druhá, pro čtení jednotlivých číslic. Celá instrukce je
tvořena jako jeden blok řízený stavovým automatem. Pro převod z formátu big-endian na
little-endian se využívá dodávaná speciální instrukce. Uživatelské instrukce se volají z jazyka
C pomocí automaticky generovaných maker.
Knihovna také poskytuje podporu pro animace, a to buď pomocí animačních primitiv
nebo pomocí skriptu, který je uložen v paměti FLASH a automaticky načten. Tento skript lze
vytvořit v pomocné aplikaci na PC, napsané s použitím knihovny GTK+, sloužící také
k přípravě souborů písem a obrázků do formátu vhodného k uložení v paměti FLASH na
vývojové desce.
18
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Sekce Silnoproudá elektrotechnika
složení komise
předseda
doc. Ing. Josef Červený, CSc.
členové
doc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D.
Doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D.
Ing. Roman Hamar, Ph.D:
19
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Vliv napěťové a teplotní expozice na vlastnosti izolantů
Jan Diviš - PE 2
lektor: doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D. - KET
Z důvodu potřeby elektroizolačních materiálů se stále lepšími vlastnosti (elektrická
pevnost, tloušťka izolace, větší imunita před degradačními ději, atd.), proběhl experiment na
nově vyvinutém elektroizolačním materiálu dodaného firmou COGEBI. Předložené vzorky
měly tvar a uspořádání, které se snažily co nejvíce přiblížit skutečnému vinutí založenému do
drážek statorového vinutí stroje. Rozměry dodaných vzorků byly 27x10x270 mm. Izolace
byla na vzorku navinuta ve čtyřech vrstvách s polovičním překrytím. Hlavní elektroda byla
90 mm široká, ochranné elektrody byly 10 mm široké. Vzdálenost mezi hlavní a ochrannou
elektrodou byla 3 mm. Na obrázku 1 je zobrazen dodaný vzorek.
Obr. 1 Dodaný vzorek pro experiment
Stárnutí vzorků bylo provedeno vysokonapěťovým pulzním generátorem PVX-4110 od
firmy DEI. Hodnoty namáhání byly ± 3 kV při 3 kHz za součastného působení teploty
180 °C. Doba náběhu pulzu byla 250 ns a strmost čela 24 kVµs-1. Zkoumané vlastnosti
vzorků byly měřeny v těchto časových intervalech; při dodání vzorku a dále pak po 4, 12, 24,
48, 100, 200 a 500 hodinách stárnutí. Na vzorcích proběhlo měření absorpčních a resorpčních
charakteristik, z kterých byl vypočítán polarizační index a měření ztrátového činitele tg δ .
Při měření absorpčních a resorpčních charakteristik byl použit zdroj napětí Keithley
instruments 240A s nastaveným napětím 500V. Jako pikoampérmetr byl použit Keithley
instruments 6514 Systém Electrometr. K měření ztrátového činitele tgδ (výsledky jsou
uvedeny na obr. 2) bylo použito zapojení s LDV-5 a měření proběhlo od 0,5 kV do 5 kV po
kroku 0,5 kV.
Graf závisloti tgδ na době expozice
0,14
0,12
tgδ [-]
0,1
1n_500 V
0,08
3_500 V
0,06
1n_5000 V
3_5000 V
0,04
0,02
0
0
100
200
300
400
500
600
doba expozice [hod]
Obr. 2 Graf závislosti tgδ na expoziční době
Z důvodu značné časové náročnosti proběhlo měření jen na dvou vzorcích. Další měření
proběhnou v budoucnu na různých napěťových hladinách a o různé šířce pulzu.
20
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Model vyhodnocení emisí tepelných zařízení
Petr Hlaváč - EE 2
lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE
Lidstvo již od pradávna potřebuje pro svoji existenci energii, jejíž spotřeba neustále
roste. Nejstarší známou formou získávání energie je uvolňování chemicky vázané energie
spalováním. Její masovější využívání odstartovalo průmyslovou revoluci. Tato technologie je
v současné době již bezpečná a velice dobře technicky zvládnutá, což přispívá k jejímu
rozsáhlému využívání. Jen za rok 2007 bylo na výrobu elektřiny a tepla spotřebováno
5 527 495 tun tuhých paliv, 113 540 tun kapalných paliv a 1 698 054 tis. m3 plynných paliv.
Spalováním se uvolnilo 634 280 TJ tepelné energie v elektrárnách, 58 120 TJ ve výtopnách a
18 648 TJ v paroplynném cyklu a kogeneračních jednotkách.
Jako každá mince má dvě strany, tak i spalovací zařízení nepřinášejí jen potřebnou
energii lidstvu, nýbrž jejich využívání je doprovázeno i negativními vlivy. Mezi ne patří
především emise znečišťujících látek, které dokážou velice negativně ovlivnit ekosystém
země, jako je globální oteplování nebo kyselé deště a negativně působit na lidský organizmus.
Proto vznikla tato práce, aby popsala jednotlivé druhy znečištění doprovázející proces
spalování, způsoby jakými vznikají, jak působí na okolní prostředí a také možnosti, jakými
lze tyto nedostatky spalovacích zařízení minimalizovat nebo úplně odstranit. Pro lidstvo není
důležité k přežití jen získat potřebnou energii, nýbrž mít i prostředí, ve kterém se dá bez obtíží
žít, a které je povinností předat dalším generacím v nejlepší možné kondici. A proto je nutné
se věnovat otázkám ekologie.
V rámci práce byl vytvořen matematický model emisí tepelných zařízení,
naprogramovaný v programu MATLAB, který má za úkol jednoduchou a přitom
srozumitelnou formou poskytnout maximum informací o produkci znečišťujících látek ze
spalovacího zařízení, při stanovených parametrech paliva, spalovacího vzduchu a spalovacího
zařízení. Pro splnění tohoto záměru jsou výstupní data prezentovány formou grafů. Pro
jednoduchost a intuitivnost ovládání je zvoleno grafické uživatelské rozhraní.
První graf, koláčový, dává celkový pohled o složení spalin, jaké látky je tvoří a jaká je
jejich procentní zastoupení. Druhý graf, sloupcový, má za úkol podat vypovídající informaci
o plnění, či neplnění emisního limitu pro dané znečisťující látky. Tato informace podává
informaci o jak velké opatření pro zjištění plnění zákonných limitů se bude jednat, což
usnadní volbu metody minimalizace či odstranění emisních látek. Jednotlivé metody
odstranění znečišťujících látek jsou uvedeny v práci, společně s jejich vlastnostmi, výhodami
a nevýhodami.
Program je naprogramován metodou metoda Switched Board Programing, která
využívá volání sama sebe s různými parametry, které specifikující jaká operace se má provést.
Samozřejmostí je umožnění zadání složení vlastního spalovaného paliva, jeho uložení
případně načtení již uloženého. Veškeré zadávané hodnoty jsou kontrolovány, zda jsou
zadány v možném rozsahu, případně jestli nebyl vepsán neplatný znak. Kontrole podléhá i
ručně zadané palivo, aby součet všech složek dával celek a celková řešitelnost simulace podle
zadaných parametrů.Veškerá komunikace programu s uživatelem probíhá prostřednickým
grafického rozhraní, kdy se v případě incidentu zobrazí příslušné varování o chybně zadaných
vstupních datech.
Vytvořený model byl porovnán se naměřenými hodnotami na skutečným zařízením,
čímž byla ověřena jeho shodnost s realitou.
Využití najde program především pro studijní účely na ověření získaných znalostí,
případně při návrhu opatření na snížení emisních látek, jako podklad po správnou volbu typu
opatření, jenž je možno vybrat v samotné práci.
21
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Analýza oteplení cívky statorového vinutí
Zbyněk Janda - ELE 3
lektor: Ing. Roman Pechánek - KEV
Teplotní analýzy elektrických strojů, popřípadě jejich konstrukčních částí, jsou
v současné době velmi žádoucí a důležité, neboť požadavek na maximální využití
elektrického stroje vede ke zvyšování elektrického zatížení aktivních částí. Ztráty, které
v těchto částech vznikají mají za následek zvyšování teplot aktivních částí, potažmo celého
stroje. Tento problém je důležité řešit současně s elektromagnetickým, respektive
mechanickým, návrhem stroje. Jedna z možností jak zjišťovat oteplení elektrického stroje je
bezesporu měřením. Tato metoda je však finančně značně nákladná, neboť vyžaduje stavbu
prototypu. Jedna z dalších možností je pomocí, v současné době velmi populární, metody
konečných prvků (MKP).
Hlavním cílem této práce je verifikace
teplotního modelu cívky statorového vinutí
vytvořeného pomocí MKP a získat tak
podklady pro další tepelné modely.
Zkoumaným objektem je cívka statorového
vinutí asynchronního stroje. Cívka je
tvořena třemi závity a šesti vodiči, tedy na
jeden závit připadají dva paralelní vodiče.
Rozměry cívky, rozměry vodičů a tloušťky
izolací byly zjištěny přeměřením dané cívky.
Rozměry jednoho vodiče jsou 6 x
2,7mm, na obr. 1 znázorněny červeně.
Každý vodič je obalen skloslídovou izolací
tloušťky 0,25mm (obr. 1 žlutá barva). Ve
směru osy y je uvažována i malá vzduchová
mezera mezi jednotlivými vodiči. Tloušťka
této vzduchové mezery je uvažována 0,1mm
Obr. 1: Vrstvy cívky
(obr.1 zelená barva). V čelech je ještě celá
1) měděný vodič, 2)skloslídová izolace,
cívka izolovaná bavlnou s polovičním 3)bavlněná izolace s polovičním překladem,
překladem, tloušťka izolace je 0,6mm (obr.
4)vzduchová mezera
1 modrá barva). Délka drážkové části je
200mm. Délka jednoho čela 483mm.
Geometrie výpočtového modelu
(obr. 2) odpovídá reálnému statorovému
vinutí asynchronního stroje. Výpočtový
model je vytvořen v software SolidWorks
a do prostředí Ansys přenesen jako
geometrie typu parasolid. Pro výpočet je
nutné zadat tepelné ztráty a odvod tepla
z chlazených
ploch,
tzv.
okrajové
podmínky. Dále je třeba jednotlivým
částem modelu nadefinovat souřadný
systém a ekvivalentní tepelné vodivosti.
Jediným zdrojem ztrát jsou ztráty
Obr. 2: Výpočtový model cívky pro MKP
Jouleovy, odpovídající proudu I=50A. Na 1), 2) čela cívky, 3), 4) drážkové části
všech vnějších plochách je zadán
součinitel přestupu tepla a okolní teplota.
22
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Přídavné ztráty v konstrukčních částech transformátoru
Bc. Václav Karnet - AEL 3
lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV
Cílem této práce bylo určit přídavné ztráty v konstrukčních částech transformátoru
pomocí Metody konečných prvků. K jejich samotnému určení byl navrhnut standardní
regulační transformátor 40 MVA. Pro vyčíslení přídavných ztrát vznikajících ve všech
kovových částech v dosahu rozptylového magnetického pole uzavírajícího se mimo
magnetické jádro byl použit program Opera VF. Přídavné ztráty byly modelovány a
simulovány pro trojrozměrný model transformátoru.
Přídavné ztráty v konstrukčních částech transformátoru představují u sériově
vyráběných 40 MVA transformátorů 5 % až 6 % z celkových ztrát bez uvažování stínění
nádoby. Stínění nádoby redukuje přídavné ztráty na 1 % ztrát celkových.
U kalkulovaného transformátoru jsou uvažovány nejrozsáhlejší konstrukční části
transformátoru (stahovací desky spojek a nádoba transformátoru), ve kterých vznikají
majoritní přídavné ztráty. U modelovaného transformátoru došlo k určitému geometrickému
zjednodušení magnetického obvodu, nádoby a stahovacích desek spojek v důsledku
omezených možností modelování v Opera VF Pre-Prosessor
V navrženém a simulovaném 3-D modelu pomocí Opera VF byly simulovány ztráty pro
pět různých počtů elementů sítě. S rostoucím počtem elementů sítě se zvyšuje přesnost
výpočtu, ale zároveň také doba trváni simulace. S maximální hodnotou elementů omezenou
stránkovacím souborem v Electra (okolo 40000) bychom dosáhli teoreticky nejpřesnějšího
výsledku, ovšem simulace by trvala několik dnů. U uvažovaného modelu byl dosažen
nejvyšší počet elementů 20250 s dobou trvání simulace 24 hodin a 3 minuty. Se zvyšujícím se
počtem elementů vykazují přídavné ztráty rostoucí charakter. Podstatné je ovšem nastavení
parametrů simulace, zejména vhodné vygenerování sítě.
Hlavní přínosy práce
• První numerické vyčíslení přídavných ztrát v konstrukčních částech transformátoru pro
3-D model (doposud řešenu buď analyticky nebo 2-D)
• Se snižující se materiálovou vodivostí a objemem konstrukčních částí přídavné ztráty
klesají
• Popsání postupu řešení, následná možnost jeho dalšího využití v praxi
• Určení rozložení proudové hustoty, tj. místa která jsou nejvíce namáhána vířivými proudy
(možnost vzniku lokálního přehřátí)
Obrázek Rozložení magnetické indukce
Obrázek Rozložení proudové hustoty
23
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Bilance oxidu uhličitého při výstavbě nového jaderného zdroje v porovnání
s ostatními typy zdrojů
Bc. Martin Kiš - KE 2
lektor: Ing. Jana Jiřičková, Ph.D. - KEE
Tato práce porovnává emise skleníkových plynů vzniklých při výrobě elektrické energie
z různých zdrojů, porovnává energetickou náročnost jednotlivých zdrojů, náklady na palivo
a také se zabývá legislativou týkající snižování emisí CO2.
Evropský parlament přijal 17. 12. 2008 tzv. klimaticko-energetický balíček. Jsou v něm
zahrnuty tři směrnice a jedno rozhodnutí, které souvisí s tématem této práce. Hlavními
závazky pro celou EU je snížení skleníkových plynů o 30 %, zlepšení obchodování
s emisními povolenkami, zvýšení podílu obnovitelných zdrojů, využívání technologie
geologického skladování oxidu uhličitého.
Jedním z bodů práce bylo porovnat již provedené studie na téma produkce emisí
skleníkových plynů. Bohužel velká část studií je pro „běžnou“ veřejnost nedostupná. Studie
se dají získat za poplatek nebo jsou zaheslované. Především u jaderných elektráren a zdrojů
obnovitelné energie (dále OZE) se lze setkat s velmi rozdílnými hodnotami. Do jisté míry
jsou hodnoty ovlivněny samotným autorem – zda je spíše „projaderný“ či „protijaderný“.
Dalším významným faktorem je stáří studie, nové technologie jsou elektivnější a tudíž méně
energeticky náročné (to platí především pro OZE).
Hlavními technickými parametry, které ovlivňují množství emisí skleníkových plynů
jsou – doba životnosti, faktor využitelnosti, vzdálenost dopravy paliva, způsob obohacování
(pro JE), energetický mix výroby elektřiny, geografická poloha (OZE).
Porovnáváním energetické náročnosti, což byl další bod této práce, se zabývá jen
několik dostupných studií. Problémem je stanovení energetické návratnosti (poměr výstupní
energie ku vstupní), která se ve studiích počítá různými způsoby. Někteří autoři přepočítávají
vyrobenou elektrickou energii na tepelnou (pomocí tep. účinnosti, tj. TJtep) a poté vydělí
veškerou vstupní energií (též tepelnou, TJtep). Jinde se lze setkat s výpočtem, kdy se veškerá
vyrobená elektrická energie (TJe) vydělí energií spotřebovanou během celého životního cyklu
(TJtep). Energetická návratnost vypočítaná druhým způsobem vychází samozřejmě nižší (tento
způsob výpočtu byl použit i v přehledu - viz tabulka).
Dále jsem se v práci navrhl můj vlastní postup, jak stanovit energetickou náročnost. Zde
jsem uvedl především veškeré položky, které by se měly započítat.
Posledním bodem bylo porovnat náklady na palivo. Největší podíl nákladů na palivo
z výsledné ceny elektřiny mají plynové elektrárny (cca 80 %), dále uhelné (cca 50 %) a
nejnižší podíl je u jaderných elektráren (10 – 15 %). Toto je významné především při zvýšení
ceny paliva. Např. při 100 % nárůstu ceny paliva vzroste výsledná cena elektřiny u plynových
elektráren výrazně, kdežto u jaderných jen nepatrně.
hnědouhelné elektrárny
černouhelné elektrárny
spalování topných olejů
plynové elektrárny
spalování biomasy
fotovoltaické elektrárny
jaderné elektrárny
vodní elektrárny
větrné elektrárny
g CO2-e/kWh
800 - 1700
774 - 1280
512 – 1200
440 – 991
35 – 99
21 – 73
2 – 65
1 – 60
8 – 40
24
Energetický zisk
2,5 - 11
nezjištěno
3–5
3 – 23
1,5 – 10
5,5 – 55
7 – 280
6 – 80
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Návrh a experimentální ověření elekromagnetického aktuátoru
František Mach - AEL 3
lektor: Ing. Pavel Karban, Ph.D. - KTE
Elektromagnetické aktuátory jsou zařízení, která transformují elektrický signál
(elektrický proud, elektrické napětí) na silové působení a jeho projevy. Tvoří podmnožinu
aktuátorů elektromechanických a jejich aplikace lze dnes najít v mnoha oblastech lidské
činnosti. Lze se s nimi setkat například u zařízení jaderných reaktorů, kde se využívají
k dosažení velkého silového působení při pohybu regulačních tyčí, nebo u soustav laserového
řezaní a sváření, kde jsou využívány k velmi přesnému pohybu při zaostřování laserových
hlav. Možností provedení elektromagnetických aktuátorů je celá řada a liší se především ve
vstupním elektrickém signálu, principu vytvoření silového působení a jeho směrem.
Cílem této práce bylo navrhnout, vyrobit a
následně experimentálně ověřit stejnosměrný
lineární elektromagnetický aktuátor, využívající
silového působení magnetického pole na
feromagnetikum. Tento aktuátor se skládá
z elektrického a magnetického obvodu. Elektrický
obvod je tvořen cívkou, magnetický obvod pláštěm
a pohyblivým jádrem. Spojení pohyblivého jádra a
pláště je tvořeno kluzným kontaktem, který
zamezuje jejich vzájemnému spojení a eliminuje
vznikající třecí síly. Princip funkce uvedeného
aktuátoru je založen na vytvoření magnetického
toku v plášti, který obklopuje cívku protékanou
stejnosměrným proudem. Pokud se tento
magnetický tok uzavírá přes pohyblivé jádro
umístěné v ose cívky, vytváří se na něm silové Obr. 1: Nákres navrhovaného aktuátoru.
působení a je do cívky vtahováno.
Základem návrhu a jeho optimalizace bylo vytvoření
matematického modelu. Použitá koncepce aktuátoru dovolila řešit tento
model jako tři nepřímo závislé úlohy, byl tedy řešen model magnetický,
elektrický a teplotní. Při výpočtu magnetického modelu bylo využito
numerického řešení v programu FEMM. Na základě tohoto výpočtu
bylo možné stanovit potřebné množství a rozměry feromagnetického
materiálu, který poskytla společnost Plzeňská energetika a.s., následné
výroby pláště a pohyblivého jádra se ujala společnost KLIMA a.s.
Kluzný kontakt vyrobila KET ZČU v Plzni. Při řešení elektrického a na
něm závislého modelu teplotního bylo nutné vycházet z modelu
magnetického. Pro jejich výpočet bylo využito systému GNU Octave.
Výroba cívky aktuátoru byla realizována samostatně v laboratořích KTE
ZČU v Plzni.
Pro experimentální ověření funkce aktuátoru bylo provedeno
měření statické charakteristiky, tedy závislosti síly působící na
pohyblivé jádro na jeho poloze. K tomuto měření byla sestrojena
mechanická konstrukce, která umožnila upevnění měřící aparatury a
Obr. 2: Vyrobený
změnu polohy jádra aktuátoru v požadovaných mezích. Pro následnou
aktuátor.
verifikaci výsledků měření s teoretickými hodnotami byl proveden
výpočet statické charakteristiky aktuátoru v programu ANSYS.
25
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Růst elektrických stromečků v podélném směru izolační pásky
Martin Širůček - KE 5
lektor: doc. Ing. Pavel Trnka, Ph.D. - KET
Problematika elektrických stromečků je úzce spojena se vznikem částečných výbojů.
Jedná se tedy o významný problém z hlediska životnosti a spolehlivosti izolačních systémů.
Vlivem různých mikroskopických nehomogenit, vodivých částeček, vzduchových bublinek
apod. dochází k nenávratné degradaci izolačního systému vystaveného vysokým napětím.
Tyto nehomogenity jsou způsobovány nejčastěji povahou technologických procesů, kterým
jsou při tvorbě izolačního systému jednotlivé jeho složky vystaveny. Dále samotnou povahou
materiálu, jeho vnitřními nedokonalostmi, nelze ovšem opomenout ani dlouhodobé provozní
namáhání a mnoho dalších vlivů.
Průběh realizovaného experimentu byl zaměřen na zkoumání vzniku elektrického
stromečku ve směru podél povrchu slídové pásky. Byla vybrána slídová páska Relanex
45.011 využívaná pro izolační systémy založené na technologii Resin-Rich.
Vzorky byly vyrobeny z několika vrstev slídové pásky. Jako kladná a zemnící elektroda
posloužily tenké vodiče o průměru 0,5 mm. Ty byly zalisovány do jednotlivých vrstev během
výrobního procesu založeném na technologii Resin-Rich. Jednotná vzdálenost eletrod byla
5 mm. Došlo k realizaci tří typů vzorků kde 1.typ měl elektrody umístěné na stejné vrstvě,
2.typ měl elektrody vzájemně odděleny jednou vrstvou slídové pásky a 3.typ měl elektrody
odděleny vrstvami dvěmi. Testování vzorků probíhalo na zařízení pro řízenou degradaci
do 24kV/50Hz umístěném v laboratořích KET/ET FEL ZČU.
Zkoumáním vzorků se ukázalo, že nedošlo mezi elektrodami ke tvorbě elektrického
stromečku. Průraz vzorků byl způsoben pouze jedním vodivým kanálem, který se mezi
elektrodami působením vysokého napětí vytvořil. Během průběhu experimentu došlo
ke sledování několika způsobů tvorby takového kanálku, jejich některé příklady jsou graficky
znázorněné na Obr.1. Záleželo především na počtu vrstev mezi elektrodami, ale i přesto
vykazovaly vodivé kanálky při své tvorbě pro všechny vzorky určité společné znaky.
Působení teploty a tlaku na vzorek během jeho přípravy způsobilo zalisování
jednotlivých elektrod do vrstev. Nejmarkantněji se to projevovalo ve vrstvách, které byly
nejblíže k elektrodám. Z vnějšího pohledu toto protlačení již nebylo patrné. Na základě toho
způsoboval samotný vodivý kanálek narušení nejen v samotné slídové pásce, ale také v nosné
složce vrstvy, která byla umístěna nad danou elektrodou.
Experiment ukázal, že nejvýznamnější vliv na tvorbu vodivého kanálku ve směru
podélném ke směru izolace, má velikost poškození slídové pásky. Neprokázal se vliv
rychlosti vzniku vodivého spojení mezi elektrodami na způsobu jakým k němu došlo.
Rychlost tvorby vodivého kanálku je také ovlivněna kompaktností celé izolace. Z tohoto
důvodu na ni mají vliv jednotlivé kroky výrobního procesu zejména doba gelace
a vytvrzování.
a)
Legenda
slídová páska
b)
nosná složka
elektrody
c)
vodivé spojení
mezi elektrodami
Obr.1: Příklad vzniku vodivého kanálku mezi elektrodami:
a) žádná vrstva, b) jedna vrstva, c) dvě vrstvy
26
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Rekonstrukce elektrického vedení 35 kV V52/V61 Rz Hamr - TS 34
Bc. Martin Štverák - AEL 5
lektor: doc. Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. - KEE
Cílem naplánované rekonstrukce vedení V52/V61 z rozvodny Hamr do podniku
DIAMO je z potřeba nutného zajištění spolehlivé a kvalitní dodávky elektrické energie.
DIAMO, státní podnik se sídlem ve Stráži pod Ralskem je organizací, která realizuje vládou
vyhlášený útlum uranového, rudného a části uhelného hornictví v České republice a zajišťuje
produkci uranového koncentrátu pro jadernou energetiku. Přínos mé diplomové práce je dílčí
náhled, jak se má přistupovat k rekonstrukci podpěrných bodů elektrického vedení vn
z hlediska jejich původních navržení dle již neplatných norem ČSN, a jak kontrolovat jejich
vlastnosti podle platných harmonizovaných norem ČSN EN.
Náplní této odborné práce bylo zjistit parametry podpěrných bodů na tomto vedení.
V drtivé většině šlo o ocelové příhradové stožáry. Jelikož se k tomuto vedení nedochovala
žádná dokumentace, musel jsem měřením zjistit, jaké mechanické zatížení mohou podpěrné
body vydržet. Změřil jsem profily stojin (nárožníků) a úhlopříček (příček), držáky zemnícího
lana, konzole, izolátory a v poslední řadě také kvalitu původních základů. Po posouzení
skutečného stavu jednotlivých částí vedení jsem navrhl případné opatření – oprava
betonového základu, použití odrezovače, nanesení ochranného nátěru atd. Podle starých
norem ČSN 34 8240, které byly podkladem pro nalezení možného typu stožáru, jsem vytvořil
soubor nejpravděpodobnějších typů stožárů. V případě duplicity měřených hodnot a duplicity
použitých profilů pro výrobu odlišných typů stožárů, jsem vybral ten nejméně zatížitelný tak,
aby byla stoprocentně zajištěna maximální objektivnost mé práce.
Podle dříve platných technických předpisů jsem zjistil původní navržené funkce
podpěrných bodů a porovnal s budoucí funkcí podpěrných bodů. Byla provedena ilustrativní
kontrola mechanického namáhání jednotlivých typů stožárů vedení dle již platných norem
ČSN. Práce se taktéž zaměřuje na výpočet přetížení zavěšeného vodiče dle nových zdrojů
informací. Práce taktéž ukazuje, jaký byl technický vývoj bezpečnostních požadavků, které
musely být bezpodmínečně splněny (zatížení izolátorů).
Součástí práce je řešení přetížení zavěšeného vodiče při různých klimatických
podmínkách např. při –30 °C bezvětří a bez námrazy nebo při –5 °C bezvětří s námrazou.
Součástí práce je taktéž přehledné vysvětlení a řešení stavové rovnice zavěšeného vodiče,
kterou paradoxně neumí řešit většina projektantů distribučních sítí vn. Obě tyto části mohou
být zařazeny jako studijní podklady pro vyučování předmětů, ve kterých se tato problematika
vyskytuje.
Další problematikou, kterou rozebírám, je volba záložní trasy v okamžiku provádění
rekonstrukce vedení. Podnik musí být při výpadku hlavního vedení okamžitě napájen
z náhradní trasy. V této případové studii jsem vyřešil úbytky napětí a velikosti průchozích
proudů.
Posledním bodem bylo zjištění hodnoty proudu dvoufázového zkratu na vedení u
trafostanice TS 34. Tato hodnota je důležitým údajem při kontrole nastavení ochran vedení a
taktéž ochrany kabelového vedení vedeného do trafostanice TS 35. Zde jsem dal důraz na
případné postavení výrobny ,,Praktik“, která by přes dvojici transformátorů dodávala výkon
do distribuční sítě. Projekt ,,Praktik“ je ve fázi posuzování, zda může tato výrobna být
připojena do vedení V51/V52. Toto může být použito jako prvotní studie proveditelnosti
připojení do uvažované elektrické sítě.
Výsledkem práce je navržení rekonstrukce elektrického vedení vn dle zadaných
technických a ekonomických požadavků.
27
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2009
Energetické hodnocení zpracování odpadních látek ve zpracovatelských
technologiích SUAS
Bc. Jan Zborník - EE 2
lektor: doc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Energetické využití odpadu je jednou z efektivních možností, jak snížit podíl odpadů,
které nemají za daných technických a ekonomických podmínek využití v podobě přímé
recyklace nebo jiného materiálového využití. Tato práce představuje energeticko-ekonomické
hodnocení zpracování alternativních paliv v technologiích Sokolovské uhelné a.s. Všechny
druhy odpadů vznikají ve společenské sféře (služby, obchod, domácnosti, veřejné objekty)
nebo ve sféře výrobní (průmyslové, zemědělské, stavební).
Práce se zabývá obecnou problematikou odpadů, ukazuje produkci a způsob nakládání
s odpady a moderní přístup k řešení odpadového hospodářství. Dále obsahuje legislativu EU a
ČR, která se tohoto tématu týká. V diplomové práci je porovnáno naše odpadové hospodářství
se švýcarským a jsou zde uvedeny možné termické metody odstraňování či využívání odpadů.
Největší pozornost je věnována technologii zplyňování, protože Sokolovská uhelná a.s.
využívá princip tlakového zplyňování hnědého uhlí, který se přímo nabízí k využití
alternativního paliva, jímž se nahrazuje až 10 % hmotnosti vsázky hnědého uhlí. Výsledným
produktem je energoplyn sloužící k výrobě elektrické a tepelné energie v paroplynovém
zařízení. Práce také popisuje jednotlivé druhy alternativních paliv, způsob jejich úpravy a
výroby.
Ve výpočtové části práce je energetické zhodnocení zpracování alternativních paliv
v technologiích zplynění uhlí. Pro výpočet jsem uvažoval dva druhy alternativních paliv, které
mají potřebné mechanické a chemické vlastnosti pro zplyňování. Liší se výhřevností,
složením a každé pochází od jiného výrobce. Množství paliva je ve výpočtu uvažováno podle
reálných možností zpracovatelských technologií Sokolovské uhelné a.s. a to tedy:
• palivo A →30 000 t ročně s výhřevností 25,4 MJ/kg,
• palivo B →70 000 t ročně s výhřevností 18,2 MJ/kg.
Pro možnost energetického zhodnocení alternativních paliv bylo nejdříve nutné
vypočítat roční úsporu uhlí. Pro výpočet roční úspory uhlí bylo nutné nejdříve vypočítat
, které vznikne zplyněním samotného uhlí. Následně jsem spočítal teplo
celkové teplo
vzniklé z alternativního paliva A a B. Od tepla z uhlí jsem odečetl teplo alternativního paliva
z odpadu a tím se získalo potřebné teplo z uhlí, ze kterého jsem spočítal potřebné uhlí. Po
následném odečtení hmotností uhlí získaných výpočtem jsem získal roční úsporu uhlí.
Dále je součástí práce vypočítána úspora palivových nákladů s uvažováním současné
záporné ceny alternativního paliva, protože dodavatel dostává od původců odpadu zaplaceno.
Úsporu jsem vypočítal ve dvou variantách, nejdříve s uvažováním plné vnitropodnikové ceny
uhlí. Tato úspora by nastala pouze v případě, že by se uspořené uhlí prodalo straně poptávky.
V další variantě jsem udělal propočet se zachováním fixních nákladů. Vzhledem k malé
úspoře uhlí ve srovnání s celkovou těžbou dojde k úspoře pouze proměnných nákladů.
V tomto případě se jedná pouze o náklad na elektřinu potřebnou pro těžbu, dopravu a úpravu
uhlí. Dále je proveden výpočet úspory emisí, které se uspoří zplyňováním alternativních paliv.
Tyto uspořené emisní povolenky je možno odprodat na Lipské burze nebo ponechat pro další
období, popřípadě je nenakoupit při zvýšení výroby atd.
V závěru práce jsem uvedl posouzení ekologických přínosů a možných rizik při
využívání alternativních paliv (odpadů). Na základě provedených hodnocení jsem navrhl
doplnění technologií Sokolovské uhelné a.s. o další zařízení potřebná ke zpracování odpadů.
28