sborník

Transkript

sborník

Přehlídka
studentských odborných prací na FEL
konaná dne 17. května 2002
pod záštitou
prorektora ZČU
doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc.
a
děkana FEL ZČU
doc. Ing. Jiřího Masopusta, CSc.
pořádaná v odborných sekcích
Aplikovaná elektronika
Elektrické stroje a přístroje
Elektrické teplo a světlo
Elektrotechnologie
Energetické sítě
Organizační garant
doc. Ing. Eva Kučerová, CSc.
KET/ET, FEL, ZČU
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2002
Slovo děkana FEL ZČU
Jedním z hlavních cílů naší fakulty je co nejlépe připravit naše absolventy pro budoucí
povolání a maximálně zvýšit jejich konkurenceschopnost na budoucím trhu práce a činností.
Studenty proto musíme mimo jiné vychovávat k tvůrčí odborné práci.
Cesta, která vede k získání potřebných dovedností, není jednoduchá a vyžaduje kromě
znalostí osvojených si na přednáškách, seminářích či cvičeních i samostatnou vědecko-odbornou práci.
A zde má velice důležitou úlohu činnost, jejíž výsledky studenti předkládají v rámci
přehlídky studentských prací. Jedná se většinou o jedny z prvních krůčků v této oblasti, při
nichž studenti tvůrčím způsobem, zatím za asistence pedagogů, vědeckovýzkumných
pracovníků, zkušenějších kolegů studentů či doktorandů, aplikují získané poznatky při řešení
konkrétních projektů a úkolů. Při tom se učí volit postupy, formulovat cíle, aplikovat
poznatky a zkušenosti, pracovat se zdroji informací, získané poznatky třídit, vyhodnocovat,
prezentovat a veřejně obhajovat.
Především možnost prezentace a obhajování výsledků práce před komisí a odbornou
veřejností je důležitá, potřebná a ve standardním studiu je tomu věnována poněkud menší
pozornost.
Na tomto místě chci poděkovat všem autorům prací, ale i učitelům a pracovníkům
fakulty, kteří jim pomáhali či s nimi spolupracovali. Jsem přesvědčen, že pro obě strany se
jedná o mimořádně přínosnou záležitost. Současně chci poděkovat všem organizátorům a
členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, která umožnila tuto přehlídku
zorganizovat.
Na závěr bych chtěl vyjádřit přesvědčení, že již tradiční přehlídka studentských
odborných prací na FEL ZČU v Plzni přispěje ke zvýšení úrovně našich studentů, ke zlepšení
jejich konkurenční pozice po ukončení školy a v neposlední řadě ke zvýšení prestiže nejen
jich samých, ale i pracovišť, kateder a fakulty a v širším pohledu celé elektrotechniky a
techniky jako celku.
Doc. Ing. Jiří MASOPUST, CSc.
děkan FEL ZČU v Plzni
Obsah
Sekce Aplikovaná elektronika
9
Připojení ATAPI zařízení k procesoru řady MCS 51
10
Jiří Janota - ES 5
Návrh a realizace MP3 přehrávače
11
Miloslav Kafka - ES 5
Univerzální rozhraní pro přenos dat a zvuku v síti AT
12
Miloš Klusal - ES 5
Simulační a verifikační prostředí pro univerzální rozhraní v síti ATM
13
Martin Mísař - ES 5
Návrh desky s mikrokontrolérem HC08
14
Martin Petrášek - ES 5
15
Martin Sklenář - KE 5
Inteligentní drivery pro buzení IGBT tranzistorů
16
Václav Šusta - PE 5
Připojení paměťové karty Compact Flash k procesoru řady x51
17
Martin Tošer - ES 5
Vytvoření programu pro elektromagnetický návrh synchronního stroje
18
Stanislav Vojta - SE 5
Databáze MySQL a tvorba WWW rozhraní pro databázový MySQL server
19
Martin Vondrák - KE 5
Víceúčelové využití sítí kabelové televize v obcích
20
Jan Zdeněk - ES 5
Sekce Elektrické stroje a přístroje
21
Návrh spínacích obvodů pro laboratorní měnič
22
Martin Brož - DE 5
Laboratorní měnič pro napájení střídavých motorů
23
Vladimír Holec - PE 5
Návrh rychlovypínače stejnosměrného napětí
24
Jan Horn - KE 5
Analýza kmitů napětí v obvodech vstupních filtrů lokomotiv
25
Jan Hrabáček - DE 5
Metody rozběhu asynchronních motorů
26
Karel Kaštánek - EE 5
Spínací jev na asynchronním stroji
27
Jiří Kohout - SE 5
Měření na třífázovém transformátoru
28
Vlastimil Kovář - KE 5
Odstranění rušení při měření rychlosti elektrického stroje
29
Bc. Zdeněk Křelovec - E 1
VARISTART – mikroprocesorem řízený SOFT START / STOP
30
Lubomír Kuchynka - E 2
Vliv harmonického zkreslení sinusovky proudu a napětí na funkci
vytypovaných ochran v DS ZČE a.s.
31
Václav Potužák - EE 5
Měření na 3 fázovém trojvinuťovém transformátoru
32
Josef Veselý - KE 5
5
Sekce Elektrické teplo a světlo
33
Tepelná čerpadla v podmínkách České republiky
34
Daniel Franěk - TE 5
Optimální podmínky pro tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci
35
Jiří Hrubec - EE 5
Teplotní pole elektrických sálavých panelů
36
Zdeněk Chudáček - EE 5
Tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci
37
Jiří Kojzar - EE 5
Posouzení možností elektrického vytápění průmyslových objektů
38
Jan Lexa - KE 5
Návrh elektrického vytápění objektu
39
Martin Louženský - EE 5
Návrh osvětlovací soustavy průmyslového závodu
40
Jaromír Nový - KE 5
Optimální podmínky pro tavení litiny v indukční kelímkové peci
41
Václav Přibyl - EE 5
Tepelná čerpadla ekologicky, energeticky a ekonomicky
42
Zbyněk Štěpán - KE 5
Flicker způsobený výkonovými polovodičovými měniči
43
Zdeňka Tomková - PE 5
Modelování kogeneračních jednotek v podmínkách tržního hospodářství
44
Ivan Tůma - EE 5
Sekce Elektrotechnologie
45
Elektřina v odpadovém hospodářství
46
Jan Forst - TE 5
Vliv surovin na vlastnosti skelných laminátů
47
Jan Heidlberg - TE 5
Metodika pro ověřování kvality povrchu izolantů
48
Klára Maxová - SE 4
Návrh a vyhodnocování experimentů
49
Petr Netolický - KE 5
Srovnání vlastností savých pásek s různými nosiči pro tepelnou třídu H
50
Josef Pihera - KE 5
Měření vodivosti izolantů
51
Radek Polanský - KE 5
Vliv teploty na degradaci izolačních materiálů v transformátorech
52
Ladislav Prantner - KE 5
Zařízení pro ohřev vzorků při termomechanických zkouškách materiálů
53
Václav Roneš - ES 4
Možnosti likvidace nebezpečného odpadu
54
Michaela Zíková - TE 5
6
Sekce Energetické sítě
55
Návrh propojení uzlových oblastí 110 kV ZČE
56
Jaroslav Egrmajer - EE 5
Modelování soustavy měnič - kabel - motor z pohledu EMC
57
Martin Janda - DE 5
Model části elektrizační soustavy
58
Tomáš Kemr - EE 5
Napájení určené oblasti elektrickou energií
59
Vladimír Klápa - EE 5
Srovnání kvality a dodávky elektrické energie v nových průmyslových zónách
60
Zdeněk Kodalík - EE 5
Přenos dat po silové síti 230V/50Hz
61
Jiří Lán - ES 5
Generátor výpadků a poklesů síťového napětí
62
Patrik Průcha - ES 5
Energetický monitor na bázi LonWorks®
63
Libor Valeš - ES 5
Praktická aplikace výpočetní metody trojfázových výkonů při nelineárním zatížení
distribuční soustavy a její využití v provozu distribuční soustavy
Pavel Zeman - EE 5
7
64
8
Sekce Aplikovaná elektronika
složení poroty
předseda
doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc.
členové
Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D.
Ing. Petr Weisar, Ph.D.
Ing. Radek Holota
Ing. Martin Řežáb
9
Připojení ATAPI zařízení k procesoru řady MCS 51
Jiří Janota - ES 5
lektor: Ing. Martin Poupa - KAE
Tato práce se zabývá připojením ATAPI zařízením k procesoru řady MCS51
a vytvořením knihovny funkcí v jazyce „C“, pro jeho obsluhu.
ATAPI zařízení zde představuje CD-ROM mechaniku. Tato mechanika je připojena
pomocí navržené a sestrojené redukce k univerzální desce s procesorem řady „51“ (80C32).
Procesor má připojenu vnější paměť programu (64 kB) a paměť dat (32 kB). K procesoru je
dále připojen LCD displej a několik ovládacích tlačítek. LCD displej a ovládací tlačítka jsou
určena především k testovacím účelům.
Funkce v jazyce „C“, které obsluhují CD-ROM, zajišťují podporu základních audio
funkcí mechaniky, a pak funkce pro práci se souborovým systémem dle normy ISO 9660.
Norma ISO 9660 definuje způsob záznamu adresářové struktury a souborů na CD-ROM
disku. Vytvořené funkce jsou obdobou funkcí FREAD, FSEEK, FOPEN, FINDFIRST a
FINDNEXT běžně používaných v jazyce „C“.
Základem této práce bylo vyřešit připojení 8-bitového procesoru k 16-bitovému
rozhranní CD mechaniky, dále pochopení a zvládnutí takzvané „paketové komunikace
s řadičem v CD-ROM“ a nakonec prostudování normy ISO 9660 a její implementace na toto
navržené zařízení. Součástí vytvořených funkcí je i testovací program. Tento program nejprve
zjistí, zda je vloženo zvukové nebo datové CD. Poté buď spustí přehrávání první skladby na
zvukovém CD, nebo z datovém CD postupně přečte a vypíše všechny adresáře v kořenovém
adresáři. Po tomto výpisu program otevře, pokud existuje, první soubor v kořenovém adresáři
a přečte z něj 2 kB dat do paměti.
ATAPI zařízení vychází z normy ATA. Norma ATA definuje fyzické rozhraní (IDE
konektor), ale také soubor registrů a jim přiřazených signálů. ATA zařízením je například
pevný disk v počítači. Zásadní odlišností mezi ATA zařízením a ATAPI zařízením je podpora
paketové komunikace. S ATA zařízením lze komunikovat pouze standardními ATA příkazy,
a to zapisováním 8-bitových slov do jeho registrů. ATAPI zařízení sice podporuje některé
ATA příkazy, ale naprostá většina komunikace se děje pomocí složitějších, ale více
flexibilních paketových příkazů. K této paketové komunikaci je bezpodmínečně potřeba
používat 16-bitový vnitřní datový registr. Jednotlivé registry jsou adresovatelné pomocí tří
adresových vodičů, dvou signálů „Chip select“ a signálů „Read“ a „Write“. Dále je třeba také
kontrolovat signál „INTRQ“. Na IDE konektoru CD-ROM jsou dále vyvedeny signály DMA,
IOCS16 a další, které ale nejsou bezpodmínečně nutné k základní paketové komunikaci.
Protože k paketové komunikaci je bezpodmínečně potřeba používat 16-bitový vnitřní
datový registr, bylo třeba zkonstruovat redukci obsahující mimo jiné záchytné registry, které
zachycují horní bajt (8-bitů) 16-bitové ATAPI sběrnice. Adresování jednotlivých registrů
v CD-ROM je vyřešeno namapováním těchto registrů do datového prostoru MCS51 nad
32 kB. K tomuto namapování je využit dekodér, který je součástí univerzální desky.
Zařízení dokáže komunikovat s jakýmkoliv ATAPI kompatibilním řadičem. V jayzce
„C“ jsem vytvořil projekt obsahující knihovnu funkcí (ATAPI.C) pro práci s CD-ROM a
formátem ISO9660, dále jsem vytvořil knihovny funkcí pro práci s LCD displejem (LCD.C).
Součástí projektu je ještě testovací testovací program (CDROM.C) a hlavičkové soubory
knihoven (ATAPI.H a LCD.H). Program zabírá v paměti 10 kB. Rychlosti čtení dat jsem
dosáhl 2,5 kB/s s procesorem 80C32 a krystalem 16 MHz. Tuto rychlost lze zvýšit například
použitím rychlejšího procesoru např. Dallas 80C320, aj.
10
Návrh a realizace MP3 přehrávače
Miloslav Kafka - ES 5
lektor: Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D. - KAE
Vzhledem k masové rozšířenosti audio formátu MP3 (MPEG1 – Layer3), jsem se
rozhodl navrhnout a zrealizovat přenosný, bateriově napájený, rozměrově malý, funkcemi
velký přehrávač.
Po několika měsíčním průzkumu trhu, jak s již vyráběnými přehrávači, tak
s použitelnými součástkami, jsem došel k finální představě o výsledném produktu. Během
návrhu obvodového řešení, bylo nutno vycházet z omezených možností českého trhu
s elektronickými součástkami. Pro dekódování audio dat jsou použity čipy MAS3507D a
DAC3550 od firmy Micronas. To se ukázalo jako šťastné řešení, jelikož firma Micronas
v součastné době přichází na trh s dalšími čipy, které jsou pinově kompatibilní a rozšiřují
možnosti dekódování audio dat o formát AAC, který by měl postupem času zaujmout místo
MP3.
Jako hlavní řídící čip byl použit TUSB3210 od firmy Texas Instruments, která
materiálově podpořila stavbu tohoto zařízení svým programem zasílání testovacích vzorků
jednotlivých součástek. TUSB3210 je mikrokontrolér založen na jádru 8052 s USB řadičem
na jednom čipu. Dále obsahuje I2C Master řadič, který byl využit zejména k řízení čipů
MAS3507D a DAC3550. Je taktován 12 MHz krystalem, jehož frekvence je, pro jádro,
vnitřně vynásobena na 48 MHz.
Hlavní vlastnosti jsou následující:
- Připojitelnost k PC přes USB rozhraní - řízení pomocí PC, doprava audio dat z PC na úložné
médium, přehrávání datového toku z PC.
- Použití Smart Media Card jako média pro uložení audio dat – zařízení neobsahuje
mechanické části (CD mechanika) a tím pádem je zcela odolné proti běžným otřesům
vznikajícím při chůzi či běhu. Další výhodou vzniklou použitím SMC je redukce velikosti
celého zařízení, která byla ještě podpořena technologií povrchové montáže většiny součástek.
- Možnost napájení z několika nezávislých zdrojů elektrické energie - Baterie – 2×AA
(NiMH, alkalické, nabíjecí, …), USB – 5V, vnější síťový adaptér s rozsahem napětí 6 – 12V.
Implementace funkce Auto-Power-off, prodlužuje životnost baterií.
- Použití grafického displeje s rozlišením 128x64 bodů, zejména z důvodů přehlednosti
zobrazovaných údajů a také náročnosti dnešních uživatelů zhýčkaných mobilními telefony a
možnostmi zobrazování vlastních obrázků.
- Zařízení je schopno přehrávat MP3 stereo audio data se vzorkovacími frekvencemi 8, 11, 12,
16, 22.1, 24, 32, 44.1, 48 kHz při maximálním datovém toku 128 kbit/s.
- Jednoduchost ovládání - Play/Pause, Next, Prev, Stop a Vol +/- Design tohoto zařízení byl navrhnut v high-end CAD programu CATIA V5R7 ve spolupráci
s KKS FST.
- Odhadovaná cena celého zařízení je přibližně o třetinu nižší než na trhu běžně prodávané
konkurenční produkty firem Philips, Aiwa nebo Grundig.
11
Univerzální rozhraní pro přenos dat a zvuku v síti AT
Miloš Klusal - ES 5
Tato práce popisuje návrh univerzálního rozhraní pro přenos dat a zvuku v síti ATM
podle specifikace vydané ATM fórem v roce 1994. Rozhraní je označováno zkratkou
UTOPIA (Universal Test & Operations PHY Interface) z čehož vyplývá, že zajišťuje styk
mezi fyzickou vrstvou referenčního modelu ATM a vyššími vrstvami v systémech založených
na ATM. Důvodem pro použití standardizovaného rozhraní na této úrovni je možnost připojit
různá zařízení fyzické vrstvy. Zmíněná zařízení mají za úkol přizpůsobit data použitému
přenosovému médiu.
Modul rozhraní UTOPIA byl navrhován v jazyce VHDL. Ten patří do skupiny jazyků
sloužících pro popis číslicových obvodů a je využíván k navrhování zákaznických obvodů
typu ASIC a programovatelných logických obvodů PLD.
Architektura navrženého obvodu je naznačena v níže uvedeném schématu. Přenos dat
zajišťují dvě datové větve, vysílací a přijímací. Každá z větví obsahuje vlastní rozhraní pro
vysílání a příjem. Mezi obě rozhraní je ve větvích vložen blok paměti typu FIFO, sloužící pro
oddělení různých systémů časování navazujících obvodů. Tyto bloky využívají dvoubránovou
paměť, jejíž charakteristickou vlastností je schopnost současně provádět čtení i zápis dat.
Pro nastavování konfigurace celého obvodu slouží blok nazvaný registrová mapa.
Obsahuje tři osmibitové registry reprezentované klopnými obvody, do nichž jsou po
obousměrné sběrnici vkládány informace o nastavení modulu. Připojení uvedeného bloku na
sběrnici zajišťuje řídící rozhraní.
V registrové mapě jsou také uloženy informace o chybách při přenosu. Přijímací
rozhraní totiž vyhodnocuje HEC pole ATM buněk, obsahující cyklický redundantní kód
(CRC) sloužící pro detekci chyb v záhlaví buněk. Přijímaná data jsou navíc zabezpečena
paritním bitem. V případě zjištění chybné parity nebo CRC obvod zareaguje vysláním
interruptového signálu. Na tento impuls reaguje nadřazené zařízení přečtením stavového
registru, který je součástí registrové mapy a podle informací v něm obsažených vyhodnotí a
jaký typ chyby se jedná. Obvod je pak schopen chybné buňky odstranit.
Před zahájením výroby je vždy nutné provést ověření funkčnosti zařízení neboli
verifikaci návrhu nástrojem nazvaným testbench. Ten byl zpracován v rámci jiné diplomové
práce a potvrdil plnou funkčnost obvodu ve shodě se specifikací UTOPIA.
12
Simulační a verifikační prostředí pro univerzální rozhraní v síti ATM
Martin Mísař - ES 5
Tato práce vznikla pro ASIC centrum v Praze. Zabývá se převodem dat mezi rozhraním
DMA (Direct Memory Access) a rozhraním UTOPIA (Utopia - Universal Test and
Operations PHY Interface for ATM). Technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode –
asynchronní způsob přenosu) používá přenos buněk o velikosti 53 oktetů.
Práce na projektu spočívala v simulaci modulu a jeho návrhu (součást jiné diplomové
práce) v jazyce VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language
– programovací jazyk pro popis, simulaci a návrh obvodů). Verifikovaný návrh je ve VHDL
popsán způsobem - RTL (Register Transfer Level) – tj. syntetizovatelný návrh, ze kterého jde
vytvořit čip. Tato práce tento návrh ověřuje. Používá při tom behaviorální způsob popisu
(popis chování), kterým je vytvořen testbench – testovací a verifikační prostředí. Obě práce
byly vytvářeny odděleně podle stejné specifikace ATM fóra (UTOPIA Specification Level 1),
aby bylo možné zajistit její dodržení. Testovaný RTL popis vzniklý v rámci jiné diplomové
práce byl jakýmsi „black-boxem“, u kterého bylo třeba ověřit, že se chová podle dané
specifikace.
Vytvořený testbench používá vstupní a výstupní datové soubory datain.dat, datainr.dat
a dataout.dat, vstupní ovládací soubor sim.cfg, a výstup simulace logerr.log do kterého jsou
ukládány chyby a výsledky simulace (tj. které příkazy se provádějí, interrupty, konfigurace,
kontrola CRC, chyba přenášených dat, chyba parity, …) s časy příslušných operací.
Při testování je tedy testbench kolem RTL modelu a pomocí stimulů připojených na
vstupy ovládá RTL model a ověřuje jeho výstupy. Testbench obsahuje generátor hodin a
resetu, generátor CRC (zároveň i kontrola – 5. oktetu ATM buňky), paměť (FIFO – pro
2 ATM buňky) pro ověřování výstupů, paměť pro kontrolu stavu (stavový registr) funkce pro
práci se soubory, interpreter načtených příkazů, procedury časování, ovládání vstupů a
kontrolu výstupů RTL (realizována automatická kontrola dat, CRC, parity). Jména
používaných souborů, frekvenci a střídu hodin je možné měnit v generické části souboru
utp_dut.vhd. Pomocí testbenche se podařilo úspěšně modul UTOPIA otestovat a ověřit jeho
shodu se specifikací podle níž byl vytvořen.
FIFO
RX
FIFO
TX
Generátor
hodin a resetu
HOST
časován
Řídící soubor
Dekodér
příkazů
DMA
časován
Výstupní soubor
PHY
časován
Datové soubory
Řídící jednotka
13
UTOPIA
modul
(DUV)
Martin Petrášek - ES 5
lektor: doc. Ing. Milan Štork, CSc. - KAE
Cílem mé práce bylo navrhnout a realizovat tři vývojové desky pro osmibitové
mikrokontroléry MOTOROLA rodiny HC08, konkrétně pro 68HC908JK3, 68HC908KX8 a
68HC908GP32, a vyřešit způsob programování jejich FLASH pamětí.
Použité mikrokontroléry patří mezi výkonné a cenově dostupné členy zmíněné rodiny a
jsou konstruovány v architektuře typu von Neumann, tzn. mají paměťově mapované periférie.
Na trhu jsou k dispozici s různými velikostmi a typy pamětí a v různých pouzdrech (PDIP,
SDIP, SOIC, QFP). Ostatní rodiny mikrokontrolérů MOTOROLA jsou jednodušší osmibitová
rodina HC05, vyšší osmibitová rodina HC11, šestnáctibitové mikrokontroléry rodiny HC16.
Uplatnění těchto mikrokontrolérů lze zaznamenat ve spotřebním průmyslu, jako součást
řídících jednotek například u myček, sušiček, sporáky, horkovzdušné trouby, praček. Hlavní
výhodou zde pak je inteligentní řízení např. ohřevu topných těles nebo vody (díky přesnému
měření teploty), otáček motoru, s ohledem na nízkou spotřebu energie na straně zákazníka.
Další výhodu představuje používaná FLASH paměť (u modelů 68HC908 integrovaná
v mikrokontroléru), která je vyvinuta technologií zajišťující energeticky nezávislou paměť,
což poskytuje široké možnosti pro různé aplikace. FLASH paměť vyniká rychlými
programovacími a mazacími dobami, schopností snést až 10 000 program./mazacích cyklů.
Její kapacita se u uvažované rodiny mikrokontolérů HC908 pohybuje od 1,5 kB – 60 kB.
Vlastní návrh vývojových desek byl realizován prostřednictvím návrhového systému
FORMICA formou dvoustranných, prokovených desek s nepájivou maskou, a vycházel
z konfigurace příslušných pinů mikroprocesoru včetně připojení vhodného zdroje vnějšího
hodinového signálu nutné pro spuštění tzv. „monitor módu“. Funkci monitor módu
zprostředkovává tzv. monitor ROM, která umožňuje kompletní testování mikrokontroléru
pomocí "jedno-drátového" rozhraní s nadřazeným počítačem. Tento mód je také užíván pro
programování a mazání FLASH paměti v mikrokontroléru. Monitor mód rozlišuje ještě dva
stavy – naprogramovaný a nenaprogramovaný mikrokontrolér, což představuje dvě různé
metody jeho spuštění. Zmíněná monitor ROM přijímá a provádí příkazy vyslané nadřazeným
počítačem přes standardní rozhraní RS232. Tyto jednoduché monitor příkazy umožňují
zpřístupnit různé paměťové adresy. V monitor módu může např. mikrokontrolér provádět
program z nadřazeného počítače v RAM, zatímco ostatní piny setrvávají v normální funkci.
Veškerá komunikace mezi nadřazeným počítačem a mikrokontrolérem je realizována
prostřednictvím vyhrazeného pinu, dle typu mikrokontroléru. V rámci zmíněného návrhu byly
tedy postupně vyvinuty tři desky. Jedna slouží jako tzv. programovací, která součastně
obsahuje i nutné konfigurační zapojení mikroprocesoru 68HC908JK3, a zbylé dvě jsou tzv.
univerzální, obsahující pouze nutná konfigurační zapojení příslušných mikroprocesorů
68HC908KX8 a 68HC908GP32. V první fázi, po oživení všech desek a uvedení do
zmíněného monitor módu (s respektováním stavu mikrokontroléru - naprog./nenaprog.), byl
proveden zkušební zápis a následné čtení dat z RAM paměti. V druhé fázi bylo provedeno
uložení jednoduchého programu do RAM paměti a jeho spuštění. Proces zápisu, čtení a
spouštění byl realizován prostřednictvím pevného sledu monitor příkazů (dle vypracovaného
vývojového diagramu) vysílaných nadřazeným počítačem přes standardní rozhraní RS232.
Tímto způsobem lze programovat i FLASH paměti u jednotlivých mikrokontrolérů.
Zavedením tzv. programovacích a mazacích rutin, včetně nutných dat pro sektor, příznaků a
parametrů, do RAM paměti a následné spuštění těchto rutin zajistí naprogramování resp.
přeprogramování definované části FLASH paměti. Programování FLASH paměti je
realizováno obecně po řádkách a proces mazání po stránkách. Navíc je ještě umožněno
smazání celé FLASH paměti procesem "mass erase".
14
Martin Sklenář - KE 5
lektor: doc. Ing. Milan Štork, CSc. - KAE
Úkolem mé práce bylo navrhnout a realizovat vývojovou desku s mikrokontrolérem
MOTOROLA rodiny HC12, konkrétně šlo o typ 68HC912B32 a naprogramovat vnitřní
paměť FLASH EEPROM. Navržená deska dále měla umožnit komunikaci s osobním
počítačem pomocí sériového kanálu RS232.
Použitý šesnáctibitový mikrokontrolér patří mezi výkonné členy zmíněné rodiny. Je
konstruovaný v architektuře Von Neumann, tzn. má jeden společný paměťový prostor pro
data a program a paměťově mapované periférie. Ostatní mikrokontroléry jsou osmibitové
mikropočítače rodiny HC05, HC08 a HC11, šesnáctibitové mikrokrokontroléry řady HC16 a
dvaatřicetibitové mikrokontroléry řady 683XX. Všechny zmiňované mikrokontroléry jsou
konstruovány v architektuře Von Neumann, mají paměťově mapované periférie a stejnou
filosofii programovacího modelu, byť je v rámci jednotlivých mikrokontrolérů různě bohatý.
Uvedené mikrokontroléry nacházejí uplatnění v automobilovém průmyslu v systémech ABS
či v řídících jednotkách vstřikování, v domácí a spotřební elektronice, v kancelářských
přístrojích apod.
Mikrokontroléry rodiny HC12B, mezi které se řadí i použitý typ 68HC912B32, se
vyrábějí v provedení pro povrchovou montáž (SMD) v 80 vývodovém pouzdře QFP. Obsahují
až 63 vstupně/výstupních vývodů. Vyznačují se nízkou spotřebou díky použité výrobní
technologii HCMOS. Vynikají širokou škálou integrovaných periférií. Použitý mikrokontrolér
obsahuje 16-bitovou centrální procesorovou jednotku (CPU), 32-kilobajtovou energeticky
nezávislou paměť FLASH EEPROM umožňující až 10 000 cyklů programování/mazání,
768-bajtů enegeticky nezávislé paměti EEPROM, sériové rozhranní, 8-kanálový
čítač-časovač, 4-kanálový pulzně-šířkový modulátor (PWM), speciální sériové rozhranní
BDLC a další. Specialitou mikrokontrolérů MOTOROLA je „jednodrátové“ sériové rozhranní
nazývané BDM (z angl. názvu Background Debug Mode) umožňující provozovat
mikrokontrolér v tzv. „monitor módu“. Tento mód slouží pro testování a vývoj systému přímo
v aplikaci. V tomto módu vykonává centrální procesorová jednotka (CPU) speciální program
umístěný v monitor ROM (BDM ROM) a pomocí vyhrazeného vývodu (BKGD) přijímá a
provádí příkazy vyslané nadřazeným počítačem. Monitor mód se také používá pro
programování a mazání paměti FLASH EEPROM.
Vlastní návrh dvouvrstvé desky s pokovenými otvory a nepájivou maskou byl proveden
v návrhovém systému FORMICA. Navržená deska umožňuje provozovat mikrořadič ve třech
normálních pracovních módech a dalších čtyřech speciálních módech používaných pro účely
testování. Vývody mikrořadiče jsou vyvedené na konektory, nastavení pracovního módu se
provádí prostřednictvím zkratovacích propojek. Sériové rozhranní RS232 realizované
integrovaným budičem/přijímačem MAX232 umožňuje asynchronní sériový přenos mezi
mikrořadičem a osobním počítačem.
Prvotní naprogramování mikrořadiče bylo provedeno přes speciální sériové rozhranní
BDM pomocí programátoru, který byl k dispozici, zavedením speciálních programovacích a
mazacích rutin do paměti FLASH. V druhé fázi byl zaveden jednoduchý zkušební program do
paměti RAM a provedeno jeho spuštění. Proces zavedení programu a jeho spuštění byl
proveden prostřednictvím sledu příkazů vyslílaných počítačem přes standartní rozhranní
RS232. Zavedení programovacích a mazacích rutin umožňuje provozovat mikrořadič v tzv.
režimu bootload, který zajišťuje vymazání či naprogramování definované oblasti paměti
FLASH EEPROM přes sériové rozhranní RS232 a následné spuštění aplikačního programu.
15
Inteligentní drivery pro buzení IGBT tranzistorů
Václav Šusta - PE 5
lektor: Ing. Miroslav Hruška - KVE
Dnešní doba vedoucí k integraci součástek do větších celků přímo souvisí s využíváním
těchto modulů. Inteligentní driver je zařízení zpracovávající signál z regulátoru a na výstupu
již produkují řídící signál pro IGBT tranzistory. Vnitřní zapojení driveru proto musí
obsahovat nezbytné galvanické oddělení silové části od regulátoru, které se v dnešní době
realizuje dvěmi způsoby. Jeden způsob využívá oddělení optrony, jenž jsou založeno na
galvanickém oddělení optickou cestu. Druhý způsob je založen na oddělení signálu přes
impulsní transformátory využitím indukční vazby. Inteligentní driver dále obsahuje výkonové
budiče jenž zabezpečují dodávání potřebného výkonu do řídícího hradla IGBT tranzistoru.
Tyto zdroje musejí být schopné dodat v impulsním režimu řádově jednotky ampér. Toto je
vyžadováno z důvodu velké velikosti kapacity IGBT mezi hradlem a emitorem. Od
zmíněných zdrojů je dále požadováno, aby zvládaly vypínání se zápornými hodnotami. Tento
požadavek vyplývá z potřeby rychlého odvedení přebytečného náboje z oblasti, jenž by
prodlužoval dobu vypnutí. Druhý důvod je, aby nedocházelo k opětovným zapnutím přes
millerovu kapacitu. Výstupy pro zapínání a vypíná bývají zpravidla vyvedeny na různé piny
driveru. Výkonové zdroje dále obsahují vývod pro takzvané pomalé vypínání, jenž je
aktivován při zjištěním chyby a to z důvodu, aby nevznikala velká přepětí. Další součástí
driveru je paměť v níž je zaznamenána informace o zjištěné chybě. V případě chyby je tato
paměť nastavena do stavu chyby, který zabezpečí vypnutí všech tranzistorů a sdělí
nadřazenému členu informaci o poruše. Tuto paměť je také možno nastavit z vnějšku, což je
možné použít v případě, jestliže používáme sledování některé veličiny externími obvody.
K standardnímu vybavení driveru také patří desaturační ochranná funkce pro IGBT
tranzistory. Ta sleduje a vyhodnocuje úroveň napětí mezi kolektorem a emitorem, které se
v zkratu nebo nadproud zvyšuje. Další funkcí jenž obsahují inteligentní drivery je sledovaní
podpětí a to jak napájecího napětí tak napětí zajišťující spínání a vypínání IGBT tranzistorů.
Na vstupu driveru je umisťován interface, který obsahuje obvody pro potlačení krátkých
impulsů a nastavení minimálních zapínacích a vypínací dob. Najdeme zde také obvody pro
nastavování mrtvých časů, které jsou nutné z důvodů prevence proti vzniku větvových zkratů.
Posledním částí driveru, který zavedla firma Concept je blok PWM oscilátoru. Ten při prvním
zjištění vysílá blokovací impuls na budící stupně IGBT tranzistorů. Po uplynutí tohoto
impulsu je činnost driveru znovu obnovena. V případě že driver zjistí opětovnou chybu je
PWM oscilátor vyšle PWM oscilátor další impuls ovšem již s delší šířkou. Toto se bude
opakovat až do určitého počtu chyb, který je nastaven uvnitř driveru. Další funkcí interfacu, je
že může přizpůsobovat napěťové hladiny mezi regulátorem a vlastním driverem.
16
Připojení paměťové karty Compact Flash k procesoru řady x51
Martin Tošer - ES 5
Tato práce řeší fyzické propojení paměťové karty typu Compact Flash s procesorem
řady x51 a knihovnu funkcí realizující práci se souborovým systémem FAT16 na kartách
Compact Flash.
Fyzické propojení je zajištěno pomocí standardního rozhraní IDE. Karta Compact
Flash je provozována v módu „True IDE“ ve kterém se s ní zachází stejně jako se
standardním IDE zařízením. Pro tento účel bylo nutno vyrobit speciální redukci, která převádí
konektor karty CF na konektor IDE a připojuje vývody určené pro aktivaci „True IDE“ módu
na příslušné úrovně. Na straně procesoru je rozhraní IDE zakončeno další redukcí. Tato
redukce převádí 16-ti bitovou sběrnici používanou IDE rozhraním na 8-mi bitovou sběrnici
připojenou na I/O bránu procesoru x51. Procesor byl pro účely této práce osazen na
univerzální desce, využíval externí paměť RAM a externí paměť programu byla nahrazena
simulátorem paměti EPROM připojeným k osobnímu počítači. Simulátor byl použit pro
snadné odladění softwaru. Pro praktické využití by na místo simulátoru byla použita klasická
naprogramovaná paměť EPROM. Pokusné zařízení dále obsahuje displej a čtyři tlačítka
připojená k procesoru pro vizualizaci dat a ovládání demonstračního programu.
Demonstrační program využívá knihovnu funkcí, napsanou v programovacím jazyce
„C“, která obsahuje funkce pracující se souborovým systémem FAT16 na kartách Compact
Flash. Funkce knihovny podporují práci s binárními soubory. Soubory je možno otevřít pro
čtení (v tomto případě musel být soubor již dříve založen), pro zápis (jestliže soubor ještě
nebyl založen, pak ze založí a byl-li založen, pak se přepíše) a také pro čtení se zápisem na
konec souboru (nebyl-li soubor založen, pak se založí a u založeného souboru lze pokračovat
se zápisem na jeho konec). Knihovna dále obsahuje funkce pro smazání souboru, zjištění
aktuální a nastavení nové pozice pro čtení ze souboru, funkce pro vytvoření, zrušení a změny
aktuálního adresáře, včetně funkcí pro zjištění obsahu aktuálního adresáře. Činnost těchto
funkcí je pak předvedena demonstračním programem, který pohybem v jednoduchém menu
pomocí čtyř tlačítek umožňuje uživateli vyzkoušet libovolnou funkci knihovny.
Praktické využití této práce může být v možnosti archivace dat získaných procesorem,
nebo naopak karta Compact Flash může být zdrojem vstupních dat pro procesor. Využití IDE
rozhraní umožňuje snadné připojení paměťové karty k řadiči IDE v osobním počítači a tedy
další zpracování dat na PC. Rozhraní IDE dovoluje také namísto karty Compact Flash
k procesoru připojit klasické diskové zařízení (hard disk) pouze s nutností vyřešit napájení
diskového zařízení (+5V, +12V).
Blokové schéma propojení CF s x51:
Zdroj
5V
PC
Displej
karta
CF
Redukce
CF / IDE
Redukce
IDE / x51
Procesor
x51
Tlačítka
17
Emulátor
EPROM
Vytvoření programu pro elektromagnetický návrh synchronního stroje
Stanislav Vojta - SE 5
lektor: doc. Ing. Josef Červený, CSc. - KES
Jako práci jsem si vybral úkol vytvořit program, který by provedl elektromagnetický
návrh stroje. Tento program při výpočtu využívá asi 200 vzorců a veličin. Spočítané výsledky
je možné použít pro další etapu návrhu z hlediska tepelné, mechanické, ventilační
problematiky, kterými se tento program nezabývá. V povinných předmětech pro obor
elektrické stroje a přístroje SES1, SES2, VPES jsme se touto problematikou zabývali formou
semestrálních prácí. Každý ze studentů dostal vlastní zadání a postupně navrhoval celý stroj
po několik semestrů. Nyní si budou moci studenti těchto předmětů celý elektromagnetický
návrh zkontrolovat během několika minut. V praxi by se dal tento program použít také
v oblasti konstrukce, kde je nutné provádět velký počet různých výpočetních variant a z nich
vybrat tu nejvýhodnější, což je časově náročné.
Použitý programovací jazyk je Turbo Pascal 7.0. Celý program je řešen v grafickém
režimu. Celé programové vybavení se skládá z hlavního programu „SYNCH.EXE“ v tomto
souboru je naprogramováno výpočet a menu. Další částí je „SOUBOR.TPU“ v této unitě je
definováno čtení vstupních a vytváření výstupních souborů. Unita „TEXTY.TPU“ obsahuje
veškeré textové popisy celého programu, jedná se především o názvy jednotlivých parametrů,
jejich popisů, rozmezí a jednotek. Poslední unitou je soubor „PROG.TPU“, který obsahuje
všechny pomocné procedury a funkce používané v hlavním programu a ostatních unitách.
Program je také vybaven několika vstupními soubory, mají tvar „*.VLK“ jež zachycují
grafické závislosti některých veličin, pro něž je problematické numerické vyjádření. Výstupní
soubor je typu „*.VLV“, kde hvězdička je jméno volené uživatelem.
Podobný program již na naší univerzitě vznikl před několika lety, ale pokud byl u stroje
počet drážek a segmentů statorových plechů nevhodný, docházelo ke vzniku ložiskových
proudů a nebylo možné ve výpočtu pokračovat. V mém vypracování není tato podmínka
zadána a byl také kladen důraz na možnost vstoupit kdykoliv do výpočtu. To jsem vyřešil tím,
že celý výpočet probíhá postupně dle pokynu uživatele.
18
Databáze MySQL a tvorba WWW rozhraní pro databázový MySQL server
Martin Vondrák - KE 5
lektor: Ing. Petr Kropík - KTE
Základním požadavkem na aplikaci bylo umožnit elektronické zadávání a kontrolu
semestrálních prací.
Aplikace komunikuje přes internet a z toho plyne použití architektury klient/server. Na
straně klienta je použit webový prohlížeč pro prohlížení serverem vygenerovaných HTML
stránek. Na straně serveru je použit operační systém Linux Redhat, webový server APACHE
a pro generování HTML stránek skriptovací jazyk PHP. Tento skriptovací jazyk byl vybrán,
protože je stejně jako Linux a APACHE, open source, je podporován pro mnoho platforem a
je relativně jednoduchý a rychlý (vychází z jazyka C). Pro uchovávání dat používá aplikace
relační databázi MySQL. Tato databáze byla zvolena, protože je také open source, má API
pro PHP, je velice rychlá a snadno spravovatelná (např. pomocí open source řešení
phpMyAdmin). Pro vlastní výpočet semestrálních prací byl zvolen systém MATLAB a
databázový toolbox tohoto systému, který je schopen pomocí rozhraní JDBC/ODBC
přistupovat do databáze MySQL.
Aplikace používá k zabezpečení přenosu dat po internetu SSL pro identifikaci a
ověřování uživatele session a hashování pomocí funkce MD5. Dále bylo nutno zabezpečit
vlastní server a to jak na úrovni Linuxu a APACHE, tak PHP.
Popis základní funkce
Po přihlášení do aplikace a prvním prohlédnutí zadaných semestrálních prací se
vygenerují vstupní hodnoty (z předem nastavených intervalů sad hodnot) pro jednotlivé
semestrální práce. Tyto hodnoty se zapíší do databáze spolu s příznakem určujícím, které
semestrální práce se mají vypočítat. V nastavenou hodinu zajistí démon cron systému Linux
spuštění matlabové souboru, který přes databázový toolbox načte vstupní hodnoty konkrétní
práce, předá je systému MATLAB, spolu s funkcí určující výpočet této práce. Po vypočítání
se opět přes databázový toolbox matlabu přenesou výsledky do databáze MySQL. Při kontrole
práce student zadá své vypočtené hodnoty, které jsou porovnány (s určitou zadanou tolerancí)
s hodnotami vypočítanými systémem MATLAB a zobrazí se výsledek této kontroly. Všechny
tyto hodnoty jsou spolu s příznakem správnosti výsledku zaznamenány do databáze.
Funkce aplikace a rozdělení podle uživatelských práv
•
•
•
•
V aplikaci jsou čtyři úrovně uživatelských práv s těmito funkcemi
student: právo generovat své zadání semestrálních prací, kontrola semestrální práce,
změna uživatelského hesla.
učitel: student + zobrazení studenta a jeho semestrální práce s možností smazat
studentovi zadání semestrální práce nebo možností přidat další pokusy pro kontrolu,
změna datumu do kdy je možno tuto práci kontrolovat, vidí správné výsledky
studentovy práce, možnost výpisu proběhlých kontrol, zobrazení přehledu všech
semestrálních prací, všech předmětů, zapsaných studentů na konkrétní předmět, změna
počtu pokusů pro konkrétní práci, možnost zobrazení předchozích školních roků.
nižší administrátor: učitel + změna jména, příjmení a hesla uživatele, zapsání a
odepsání předmětu uživateli, změna uživatelova kroužku u předmětu, editace zadání
semestrální práce, prohlížení logů a errorlogů.
administrátor: nižší administrátor + založení nové semestrální práce, založení a editace
předmětu, založení nového školního roku, smazání semestrální práce, smazání
předmětu.
19
Víceúčelové využití sítí kabelové televize v obcích
Jan Zdeněk - ES 5
lektor: doc. Ing. Jaroslav Valenta, CSc. - KAE
Myšlenka využít rozvodů kabelové televize i k jiným účelům než jen k distribuci
televizních programů není nijak nová. Teprve s mohutným rozšířením Internetu, ke kterému
došlo v posledních letech, vznikl dostatečně veliký segment potenciálních uživatelů, pro něž
tyto dodatečné služby začínají být zajímavé. Kabelové společnosti tak mohou relativně
jednoduše ještě více zhodnotit své nemalé investice do vybudované infrastruktury. Využitím
kabelových rozvodů pro poskytování datových či telefonních služeb se ovšem tyto společnosti
dostaly také do nové role poskytovatelů připojení k Internetu, či telekomunikačních operátorů
Práce se zabývá problematikou datových přenosů po rozvodech kabelové televize,
nabízenými datovými službami a využitím sítí CATV jako přístupových sítí pro telefonické a
internetové připojení. Dále pojednává o dalších možnostech služeb, které lze provozovat na
sítích CATV; tedy o možnostech v rámci integrovaného záchranného systému; napojení do
sítě internet, IP telefonii, videokonferencích; přenosech telemetrických dat, sběru dat; využití
CATV pro bezpečnostní a dohledové stanice.
Dalším cílem práce je návrh obousměrně komunikující sítě kabelové televize, vhodné
pro datové přenosy na bázi protokolu TCP/IP.
Třebaže spektrum možností, jak využít kabelových sítí je vcelku široké, zatím až na
výjimky zcela dominuje připojování k Internetu, občas doplněné o telefonní služby. Pro
operátory TKR je poskytování Internetu přes CATV (kabelová televize) o to zajímavější, že
mohou z velké části využít již vybudovanou infrastrukturu a s relativně malými dodatečnými
náklady jejím prostřednictvím nabídnout uživatelům další službu a zvýšit tak výnosy z jedné
CATV přípojky. Na druhé straně však působí problémy některé starší sítě CATV, které kromě
jiných nedostatků umožňují přenos dat (signálu) pouze směrem k uživateli. Je potřeba tedy
tyto staré TKR přebudovat na tzv. obousměrné.
Schéma moderní obousměrné sítě TKR, vhodné pro datové přenosy je na Obr. 1:
Připojení k externí síti WAN (Ethernet, ATM, PDH, SDH...)
HLAVNÍ STANICE - distribuce analogové TV
- interaktivní služby - Internet a datové služby
- telefonie
- interaktivní video
- distribuce digitální TV (MPEG...)
- servery síťových služeb
KABELOVÝ MODEM
- management sítě
OPTICKÝ OKRUH
- 1310 (1550) nm
účastnická zásuvka
- analogový (či plně digitální)
optický přenos
Hub
-směry přenosu odděleně
po separátních SM vláknech
-plně digit. přenosy odděleně od
analogových po separ. vláknech
SET-TOP-BOX
Hub
PC
telefon
TV
TV
- odbočení - účastnický rozvod
Uzel
Uzel
H
L
- vícenásobný odbočovač připojení uživatelů
s topologií hvězda
- typicky 1310 nm
H
L
dvoucestný koaxiální distribuční rozvod
Obr. 1 Topologie moderní hybridní opticko-koaxiální sítě HFC
20
Sekce Elektrické stroje a přístroje
složení poroty
předseda
prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.
členové
doc. Ing. Luděk Piskač, CSc.
Ing. Bohumil Skala, Ph.D.
Ing. Jiří Fořt
Ing. Jakub Trejbal
21
Návrh spínacích obvodů pro laboratorní měnič
Martin Brož - DE 5
lektor: Ing. Jiří Fořt - KVE
V rámci diplomové práce se zabývám návrhem a realizací funkčního vzorku spínacích
obvodů (driveru) pro nepřímý měnič frekvence s napěťovým meziobvodem s IGBT
tranzistory.
Jsou zadány tyto požadavky na driver:
• spínání 7 IGBT (střídač + brzda)
• blokování současného sepnutí obou IGBT prvků ve stejné větvi střídače (funkce
tzv. „mrtvých dob“)
• galvanické oddělení řídicího počítače od výkonového měniče
• vyhodnocení ochran měniče přímo v driveru měniče (a to bez zásahu řídicího
počítače)
Úvodní část obsahuje teorii spínání IGBT tranzistorů, následuje popis a vysvětlení
blokového schématu driveru, varianty koncových (výkonových) stupňů driverů a ochranné
funkce driveru (blok logiky).
IGBT se staly dalšími hlavními polovodičovými součástkami, jež jsou k dispozici pro
mnoho aplikací výkonové elektroniky. Jsou vytvořeny kombinací MOS a bipolární
technologie. Proto je vstupní charakteristika srovnatelná se vstupní charakteristikou
MOSFETu a lze je řídit téměř bezvýkonově – napěťově. Z hlediska vstupních charakteristik
je IGBT stejný jako výkonové bipolární tranzistory (BJT) a může tudíž spínat relativně
vysoké napětí a také velký proud s vysokou spínací frekvencí. Při činnosti ve statickém stavu
nepotřebují IGBT do báze (Gate) trvale přivádět budicí proud, protože jsou napěťově řízené.
Ale při zapnutí a vypnutí prochází bází krátkou dobu proudový puls jako důsledek vstupní
kapacity. Vypínání je principielně realizovatelné při přerušení kladného buzení a nastavení
řídicího napětí hradlo – emitor VGE na nulu. Ale obvykle je s výhodou při řízení IGBT
používáno záporné předpětí hradla VGE. Tímto způsobem je možné kompenzovat, vyrovnávat
rušení, které působí na hradlo hlavně následkem parazitních kapacit.
Moduly systému mikropočítače pracují vždy s nižší napěťovou úrovní od 5 V do 10 V a
proto jakékoliv rušivé napětí může škodlivě ovlivňovat jejich funkci. Z těchto důvodů je
výhodné umístit interface pro potenciální oddělení v řídicí části mezi počítač a budič.
Možné varianty koncových (výkonových) stupňů budičů jsou: použití integrovaných
obvodů v koncovém stupni (můj případ, používám integrovaný obvod IR2137, resp. IR2237),
náhrada záporného buzení hradla spínačem MOSFET zkratujícím Gate a Emitor (dnes už se
nepoužívá), hradlo buzené pomocí transformátorů. Výstupy obvodu IR2137 jsou posílené
proudovým bufferem se čtyřmi tranzistory MOSFET (pro 1 „kanál“).
Driver má tyto ochranné funkce: ochrana proti větvovému zkratu (možnost nastavení
„mrtvých časů“ pomocí obvodu IXDP 630 dle parametrů použitých tranzistorů a zvolené
spínací frekvence), ochrana proti mezifázovému zkratu na motoru, ochrana proti zkratu na
kostru, ochrana proti nadproudu, ochrana proti tepelnému přetížení výkonového měniče,
ochrana proti poklesu napájecího napětí driveru, ochrana proti nedefinovaným stavům při
náběhu napájení.
Napájení driveru je možné realizovat z nezávislých zdrojů (pomocí transformátorů),
nebo s využitím Bootstrap techniky. Nábojová pumpa (tzv. Bootstrap) se může za jistých
podmínek stát alternativou samostatného napájecího zdroje pro napájení budiče IGBT v horní
pozici ve větvi můstku.
Provedl jsem srovnání průběhů napětí, proudu teoretických a naměřených a
zaznamenaných osciloskopem pro různé varianty obvodových řešení (např. nábojová pumpa /
nezávislé zdroje) pro různé parametry.
22
Laboratorní měnič pro napájení střídavých motorů
Vladimír Holec - PE 5
lektor: Ing. Jiří Fořt - KVE
Úkolem této práce bylo navrhnout a realizovat výkonovou část nepřímého měniče
frekvence s napěťovým meziobvodem určeného pro napájení střídavých motorů.
Měnič je zapojen s můstkovým diodovým neřízeným usměrňovačem na vstupu,
kondenzátorovou baterií ve stejnosměrném meziobvodu. Výstupní část je složena
z můstkového zapojení IGBT tranzistorů pro střídač. Při návrhu je uvažováno i s tím, aby bylo
možné do stejnosměrného meziobvodu doplnit vyhlazovací tlumivku.
Hlavní částí návrhu je dimenzování jednotlivých výkonových částí. To znamená
především výběr vhodných prvků z hlediska napěťového a proudového namáhání a výběr
vhodného chladiče pro odvedení přebytečného tepla vzniklého na spínacích prvcích.
Jako spínací prvky jsou použity IGBT tranzistory v modulu Sixpack. Tento modul
obsahuje šest výkonových IGBT tranzistorů se zpětnými diodami v trojfázovém můstkovém
zapojení. Dále je v modulu umístěn NTC termistor pro zjišťování vnitřní teploty modulu. Pro
usměrňovač je použit modul obsahující šest diod zapojených jako trojfázový usměrňovač.
Tento modul dále obsahuje NTC termistor a IGBT tranzistor s nulovou diodou pro brzdný
odpor. Oba tyto moduly mají pouzdro určené pro montáž do desky plošných spojů.
V této práci jsou dále uvažovány tři možnosti stejnosměrného obvodu měniče:
- stejnosměrný obvod bez čidel nadproudu, čidla jsou umístěna v jednotlivých fázích
- ve stejnosměrném obvodu je čidlo nadproudu na principu Hallových sond
- ve stejnosměrném obvodu je čidlo nadproudu na principu bočník + komparátor + optočlen
Pro realizaci byla zvolena varianta s čidlem na principu Hallových sond umístěných ve
stejnosměrné meziobvodu.
Při návrhu byly respektovány základní konstrukční zásady pro stavbu moderních
měničů. Zejména bylo nutno navrhnout desku plošných spojů tak, aby ve stejnosměrném
meziobvodu byla co nejmenší parazitní indukčnost vodivých cest. Tyto indukčnosti mají při
spínání proudu za následek vznik přepětí, které může ohrozit především polovodičové prvky,
stejně tak i ostatní prvky vystavené tomuto přepětí. Objeví-li se z nějakého důvodu v zapojení
příliš vysoké napětí, je obvod doplněn o varistory, které mají za úkol případné přepětí svést,
popřípadě svojí destrukcí uvést do činnosti pojistky, kterými musí být měnič na vstupu
vybaven.
Vznikla tedy výkonová část měniče kmitočtu, kterou lze nejen napájet z trojfázové sítě,
ale též za jistých podmínek ze stejnosměrného zdroje napětí. Ve spojení s elektrochemickým
zdrojem a měničem, který zajistí dostatečnou úroveň stejnosměrného napětí bychom třeba
mohli dostat i trojfázový záložní zdroj s nastavitelnou frekvencí a amplitudou výstupního
napětí.
23
Návrh rychlovypínače stejnosměrného napětí
Jan Horn - KE 5
lektor: doc. Ing. Štěpán Rusňák, CSc. - KES
Uplatnění rychlovypínačů v dnešní době je stále široké, používají se převážně
v elektrické trakci, ale i v řadě jiných oborů (vypínače a jističe trakčního vedení, vypínače na
vozidlech trakčních vozidlech, v elektrolýze a galvanickém pokovování, vypínače a jističe
buzení pro synchronní alternátory).
Rychlovypínače stejnosměrného proudu jsou jednopólové spínače, ovládané na dálku,
určené k jištění stejnosměrných obvodů proti účinkům zkratových proudů. Jedná se o spínací
a jistící přístroj, vypínající provozní a poruchové proudy ve stejnosměrném obvodě. Chrání
elektrická zařízení proti tepelným a dynamickým účinkům nadproudů. Jeho účelem je
omezení vzniklého zkratového proudu v dostatečně krátké době, dříve než dosáhne svého
maxima. Vypnutí provází vznik elektrického oblouku, jehož energie se musí zmařit v zhášecí
komoře. Na mechanickém vypínacím čase vypínače a na době zániku elektrického oblouku
závisí přepětí v elektrickém obvodu. Přepětí namáhá izolaci přístrojů a působí nepříznivě na
elektronické prvky připojené do tohoto obvodu. V mé práci se věnuji, vedle mechanického a
tepelného návrhu rychlovypínače, právě této důležité problematice, sladění vypínacího času
s vzniklým přepětím a návrhu zhášecí komory s magnetickým vyfukováním elektrického
oblouku.
V úvodu práce je popsána problematika vypínání stejnosměrného obvodu a hašení
vzniklého elektrického oblouku. Dále jsem se věnoval návrhu a výpočtu hlavního kontaktního
ústrojí. Po několika různých alternativách jsem zvolil koncepci jednoho páru kontaktů.
Následně jsem metodou tepelné sítě určil oteplení kontaktních těles a proudové dráhy při
předpokládaném zkratu. Vypočítal jsem elektrodynamické síly působící na kontakty a
proudovou dráhu. Určil jsem potřebnou kontaktní sílu, která by měla být dostačující k dobré
funkci vypínače.
V další části se věnuji návrhu zhášecí komory s magnetickým vyfukováním
elektrického oblouku. Při vypínání samočinného vypínače vzniká při pohybu pohyblivého
kontaktu do vypnuté polohy mezi hlavními kontakty elektrický oblouk. Účelem zhášecí
komory je zmařit energii vzniklou na oblouku a rozdělit ho na velké množství dílčích
oblouků, jejichž součtové napětí je menší než tzv. zapalovací napětí oblouku. Takto rozdělený
oblouk samovolně uhasne.
Jelikož se v obvodu nacházejí vždy indukčnosti, nemůže proud zaniknout skokově. Na
rychlosti zániku závisí vzniklé přepětí, jež se objeví na indukčnostech obvodu. Namodeloval
jsem tuto situaci a snažil jsem se jí vyřešit pro zvolený obvod. Vycházel jsem z povoleného
maximálního přepětí v obvodu a přes rychlosti pohybujícího se a natahovaného elektrického
oblouku a tvaru opalovacích kontaktů jsem určil potřebné magnetické pole, kterým bude
oblouk hnán do zhášecí komory. Navrhl jsem zhášecí cívku, jež potřebné magnetické pole
vybudí. Při výpočtu jsem použil experimentálně zjištěné vztahy a grafické závislosti.
Posléze jsem navrhl zhášecí komoru s deionizačním roštem, jehož železné lamely jsou
ve tvaru „U“, což napomáhá k lepšímu vstupu oblouku do deionizačního roštu a jeho následné
uhašení.
Návrh je doplněn výkresem zhášecí komory a výkresem celkové sestavy rychlovypínače
s uvedením základních rozměrů.
24
Analýza kmitů napětí v obvodech vstupních filtrů lokomotiv
Jan Hrabáček - DE 5
lektor: Ing. Ondřej Mšal - KVE
Při zkušební jízdě 2 elektrických jednotek 471 ČD bylo zjištěn vznik tlumených kmitů
napětí mezi filtry vozidel o frekvenci cca 25 Hz. Ke vzniku kmitů došlo pouze v případě jízdy
jednotek se stejnými otáčkami motoru.
Jednotka 471 určená pro provoz na síti 3000 V ss je poháněna 4 asynchronními motory
zapojenými do dvojité hvězdy. Motory jsou napájeny z napěťových střídačů. Zdrojem napětí
je kondenzátor v meziobvodu. Řízení střídače je sinusové se složkou o kmitočtu 3.fs pro
statorové otáčky do kmitočtu zhruba 100 Hz. Pro vyšší kmitočty je použito obdélníkové
řízení.
Ve své práci jsem simuloval a zkoumal průběhy proudu iz kondenzátoru. V prvním
případě je motor nahrazen ideálním proudovým zdrojem. Proud je harmonický, posunutý o
úhel ϕ za napětím V druhém případě je motor popsán stavovými rovnicemi transformovanými
do souřadného systému rotujícího synchronní rychlostí. Napětí statoru je uvažováno
harmonické.
Simulaci jsem prováděl v programu Pascal. Grafické zpracování výsledků je v Excelu.
Zkoumal jsem frekvenční spektrum obou motorových skupin jednotky v závislosti na
statorové frekvenci fs. Dále jsem zjišťoval, jaký bude mít vliv posun řízení jedné motorové
skupiny vůči druhé. Bylo zjišťeny určité frekvence spektra, na kterých amplituda proudu
dosahovala nezanedbatelných hodnot. Nicméně tyto proudy spolehlivě utlumí vstupní filtr
vozidla.
Z výsledků plyne, že proud kondenzátoru při jakékoli rychlosti, či vzájemném posunu
řízení obou skupin nezpůsobuje rozkmit napětí filtru.
Obr.: Elektrické schéma jednotky 471
25
Metody rozběhu asynchronních motorů
Karel Kaštánek - EE 5
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KES
Práce je zaměřena na metody rozběhu asynchronních motorů. Provádím zhodnocení
všech metod rozběhu asynchronního motoru a jejich porovnání. Dále mám za úkol vyhodnotit
a porovnat omezení záběrného proudu při rozběhu AM. Následující úkol je porovnání vlivu
jednotlivých druhů rozběhu na momentovou charakteristiku a síť. Na závěr práce jsem
provedl měření na soustrojí ASYNCHRONNÍ MOTOR - STEJNOSMĚRNÝ MOTOR, které
je vybaveno snímačem otáček a momentu a umístěno ve školní laboratoři pohonů. Výsledky
těchto měření mají za úkol demonstraci teoretických závěrů předchozích kapitol. Mimoto
jsem provedl simulaci rozběhu AM na počítači (PC) v programu DYNAST. Výsledky tohoto
matematického modelu potvrzují naměřené průběhy.
Rozběh asynchronního motoru znamená urychlit hmotu rotoru AM a rotující části
poháněného zařízení z klidu do pracovních otáček. To znamená změnu kinetické energie,
kterou je nutno dodat (jakýmkoliv způsobem). Kinetická energie rotujících částí je
Ek =
1
Jω 2
2
K této energii je třeba připočítat ztráty vzniklé při rozběhu a výkon odebraný
poháněným zařízením. Při čase, který je pro rozběh určen (není možno rozbíhat hodinu)
dostáváme představu o nárocích kladených na elektrizační síť a přívodní vedení k vlastnímu
AM.
AM po připojení k síti začne odebírat proud o velikosti (5-10)x větší nežli je proud
jmenovitý, u výkonově malých motorů, (3-5)x větší, u velkých strojů. Tento proud mírně
klesá po celou dobu rozběhu AM a až při dosažení cca otáček zvratu jeho hodnota rychleji
poklesne až k hodnotě proudu jmenovitého. Omezení tohoto nadproudu (proudového rázu),
který je jalového charakteru, je možné zvýšením impedance na síť připojovaného motoru
(nebo elektronicky).
Každé omezení záběrného proudu má za následek omezení záběrného momentu,
protože pro AM platí, že I = f(U) a M = f(U2). Pro vlastní rozhodnutí, který způsob omezení
rozběhového proudu použijeme (je-li to nutné), musíme vzít v úvahu momentovou
charakteristiku rozbíhané zátěže a vliv použité metody na momentovou charakteristiku AM.
Pokud momentová charakteristika AM pokryje momentové nároky zátěže (s patřičnou
rezervou) a vliv na dostupnou elektrizační síť je přijatelný, zbývá ještě pro úplnost provézt
ekonomický rozbor, zda podobného efektu nelze dosáhnout jinou, méně nákladnou cestou.
V praxi je vhodné, když se pro řešení zadaného problému stanoví několik alternativ, a pro
konečné řešení je vybrána nejvýhodnější alternativa (výsledek je vždy kompromisem, protože
neexistuje metoda která by při minimálních nákladech přinášela nejoptimálnější provozní
vlastnosti).
Metody rozběhu, kterými se zabývá moje práce:
Přímé připojení na síť
Přepínač Y/D
Použití speciální kotvy (vírová, dvojitá)
Připojení přes autotransformátor
Změna odporu v obvodu vinuté kotvy
Připojení přes reaktor
Použití frekvenčního měniče
Přepínání počtu pólů stroje
Roztočení cizím pohonem
26
Spínací jev na asynchronním stroji
Jiří Kohout - SE 5
lektor: prof. Ing. Václav Bartoš, CSc. - KES
Při sepnutí asynchronního stroje vznikají proudové rázy, které způsobují přinejmenším
výpadek jističů, a rázy momentové, které mohou například poškodit mechanické spojky.
Tato práce řeší spínací jev na asynchronním stroji analyticky užitím teorie prostorových
fázorů a Laplaceovy transformace, což umožňuje podrobnější rozbor děje. Postup umožňuje
zádání rozdílného skluzu zvratu ze strany statoru a rotoru, dvojí napájení asynchronního stroje
a taktéž jeho zpožděné připnutí. Předpokládají se bežná zjednodušení, parametry stroje se
uvažují konstantní, přepočtené. Rychlost stroje během přechodného děje se uvažuje konstatní.
Vychází se z napěťových rovnic užitím metody prostorových fázorů a rovnice pro
vnitřní elmag. moment. Hledané řešení pro spřažené toky statoru (ψs) a rotoru (ψr) v soustavě
synchronně rotujících souřadnic nabývá tvaru:
⎡ s + js (s mr + js + p1 )ep1 τ (s mr + js + p 2 )ep 2 τ ⎤
+
+
Ψ s1 (τ ) = us ⎢ mr
⎥
2p1 (A ± jB)
− 2p 2 (A ± jB) ⎦
⎣ R (0)
⎡ s ms k r
s ms k r ep1 τ
s ms k r ep 2 τ ⎤
+
+
Ψ s2 (τ ) = u r ⎢
⎥
⎣ R (0 ) 2p1 (A ± j B) − 2p 2 (A ± j B) ⎦
⎡s k
s k e p1 τ
s k ep 2 τ ⎤
+ mr s
Ψ r1 (τ ) = us ⎢ mr s + mr s
⎥
⎣ R (0 ) 2p1 (A ± j B) − 2p 2 (A ± j B)⎦
⎡ s ms + j (s ms + j + p1 )ep1 τ (s ms + j + p 2 )ep 2 τ ⎤
+
+
Ψ r2 (τ ) = u r ⎢
⎥
2p1 (A ± j B)
− 2p 2 (A ± j B) ⎦
⎣ R (0 )
Obr.: Vnitřní elektromagnetický moment v závislosti na čase a skluzu (stroj 32 kW)
27
Měření na třífázovém transformátoru
Vlastimil Kovář - KE 5
V této práci se zabývám měření na třífázovém transformátoru. V první časti je
vypracován popis a rozdělení transformátorů. Nechybí zde ani princip činnosti
transformátoru. Dále je popsáno náhradní schéma transformátoru a vypracovaný postup
výpočtu parametrů náhradního schéma metodikou měření: Z měření transformátoru
naprázdno a nakrátko získáme tyto hodnoty - napětí naprázdno P0, proud naprázdno I0, příkon
naprázdno P0, napětí nakrátko Uk, proud nakrátko Ik a příkon nakrátko Pk. Dále potřebujeme
znát převod transformátoru, který zjistíme ze štítku transformátoru nebo jej změříme. Pomocí
těchto hodnot můžeme vypočítat již zmíněné parametry náhradního schéma transformátoru.
R1
U1
X2σ´
X1σ
Xµ
Iµ I Fe
R2´
RFe
U2
Náhradní schéma transformátoru.
Při měření nakrátko tzn., že výstupní vinutí je zkratováno, odpadne při výpočtu příčná
větev náhradního schéma transformátoru. Potom můžeme naměřené hodnoty použít pro
výpočet činného odporu primárního vinutí a jeho rozptylové reaktance a činného odporu
sekundárního vinutí a jeho rozptylové reaktance (přepočtené na primární stranu). A to za
předpokladu, že použijeme poměry R1 : R2´ = 1 : 1 a X1σ : X2σ´ = 1 : 1. Při měření naprázdno
zůstane výstupní vinutí rozpojeno a vinutím prochází proud naprázdno I0, který má činnou a
jalovou složku. Činná složka IFe kryje ztráty v železe magnetického obvodu.
Jalová složka proudu Iµ magnetizuje magnetický obvod a nazývá se magnetizační
proud. Z tohoto měření vypočteme hodnoty Xk a RFe.
Pro zjednodušení získání těchto hodnot jsem vypracoval program (v programovacím
jazyku Pascal), z kterého po zadání naměřených hodnot získáme parametry náhradního
schéma transformátoru.
V další části se zabývám nesymetrickým zatížení transformátoru. Realizoval jsem
zatížení jednofázové, dvoufázové pro skupinu spojení hvězda – hvězda a zatížení dvoufázové
pro skupinu spojení hvězda – trojúhelník. Řešení nesymetrického zatížení třífázových
transformátorů se provádí metodou souměrných složek. Obecnou soustavu napětí nebo
proudů lze rozložit na tzv. souměrné složky – souslednou, zpětnou a netočivou.
Sledoval jsem vliv třetí harmonické na průběh magnetizačního proudu. Vznik třetí
harmonické záleží na způsobu spojení vinutí.
Literatura:
[1]
Bartoš V.: Teorie a měření na elektrických strojích. Plzeň, VŠSE 1984.
[2]
Jizierski E.: Transformátory. Praha, Academica 1973.
[3]
Bartoš V.: Elektrické stroje I. a II. Plzeň, VŠSE 1986.
28
Odstranění rušení při měření rychlosti elektrického stroje
Bc. Zdeněk Křelovec - E 1
Při zkoušení elektrických točivých strojů je nutné dostatečně přesně a co nejjednodušeji
získat veličiny potřebné pro celkové zhodnocení stavu stroje nebo určení měřené závislosti.
Mezi základní veličiny patří proud a napětí, které lze velmi snadno měřit pomocí
digitálních přístrojů (např. wattmetru s možností záznamu dat). Dalšími zjišťovanými
hodnotami jsou otáčky, moment, zátěžný úhel, apod. Tyto zmíněné veličiny lze snadno měřit
pomocí zařízení pro měření otáček a torzního zkrutu hřídele (problematice měření otáček
elektrických strojů a realizaci zařízení se věnuje bakalářská práce [1], ze které se dále
vychází). Toto zařízení je dále rozšiřováno a upravováno. Mezi úpravy patří odstranění rušení,
nepřesnosti a zkreslení signálu vznikající při měření (viz obrázky níže). Tyto jevy nebyly
odhaleny ani se nijak neprojevovaly (a to buď z důvodu nižší požadované přesnosti nebo
způsobu měření) při prvotní realizaci, zkoušení a užívání zařízení bylo prováděno pouze
odečítání pomocí digitálního multimetru. Toto zkreslení se neprojevuje při měření pomocí
analogového ani digitálního (digitální multimetry vstupní veličinu integrují), ale pouze při
snímání pomocí osciloskopu nebo měřící karty PC. Toto lze vyřešit pomocí digitálního filtru,
ale to je velmi časově náročné zejména při vyšším počtu měření. Cílem je tedy dosažení
tohoto efektu úpravou převodníku, aby bylo možno odečítat přímo.
Dalším zdrojem případného rušení může být zemnění jednotlivých zařízení (ať už
měřeného stroje, nebo zařízení používané pro měření. Špatným nebo rozděleným zemněním
může docházet ke vzniku vyrovnávacích proudů mezi zařízeními a tím ke vzniku rušení. Toto
lze odstranit rozdělením takto vzniklé „smyčky“ například vložením optického členu. Jiné
rušení může vznikat souběhem měřících vodičů se silovými kabely. K odstranění je potřeba
co nejspolehlivější oddělení těchto vedení.
Celé zařízení by mělo ve své finální podobě umožňovat měření otáček, mechanického
momentu, torzního zkrutu hřídele, kmitů soustrojí, zátěžného úhlu synchronního generátoru,
změnu otáček při nepřesném nafázování stroje na síť a možná i další aplikace.
Signál rychlosti na výstupu převodníku a po odstranění rušení digitálním filtrem
[1] Křelovec, Z.: Bezkontaktní měření otáček elektrických strojů. Bakalářská práce, ZČUFEL Plzeň, 2002
29
VARISTART – mikroprocesorem řízený SOFT START / STOP
Lubomír Kuchynka - E 2
Nejčastěji užívaným typem motoru je pro svoji robustní konstrukci, snadnou údržbu a
vysokou spolehlivost asynchronní motor. Zařízení VARISTART slouží zejména k měkkému
rozběhu asynchronních strojů s kotvou nakrátko. Používá se tam, kde je nevyhovující přímé
připojení na elektrickou síť a kde nelze zabránit nepříznivým účinkům vysokého rozběhového
proudu ani přepínáním mezi zapojeními hvězda - trojúhelník.
Přístroj VARISTART je osazen dvojicí antiparalelně zapojených tyristorů v každé
fázi, která je vložena mezi napájecí síť a motor. Tyristory jsou řízeny zapalovacím obvodem a
mikroprocesorem.
Vybrané charakteristické vlastnosti:
Nastavitelná rozběhová rampa 0,5 s – 60 s
Nastavitelná doběhová rampa 0,5 s – 60 s
Nastavitelné proudové omezení 200 % - 500 % jmenovité hodnoty
Nastavitelné startovací napětí
Nastavitelný razantní start
Všechny parametry se nastavují potenciometry umístěnými na přístroji.Přístroj je
vybaven LED indikací, která ukazuje aktuální stav spouštění.
Po proběhnutí rozběhového cyklu se VARISTART překlene pomocí stykače, aby
nedocházelo k úbytkům napájecího napětí a tím i ke zbytečným činným ztrátám.
Je možné také rozbíhat motory s vyšším jmenovitým výkonem než je hodnota
maximálního obsluhovatelného výkonu uvedená na VARISTARTu ovšem s jistým
omezením: Hodnota okamžitého přenášeného výkonu (resp. energie) nesmí být vyšší, než je
zmiňovaná maximální hodnota výkonu soft startu. Dojde-li k porušení této podmínky, celé
zařízení bude vypnuto proudovou ochranou.
Pomocí VARISTARTu lze realizovat tyto typy rozběhů:
Měkký rozběh - Charakteristickou vlastností je pozvolný nárůst napětí z počáteční
nastavené hodnoty (cca 30 % - 70 % napájecího napětí) po dobu nastavenou uživatelem.
Prodloužením této doby dojde k výraznému snížení rozběhového proudu.
Rozběh s proudovým omezením – Používá se v případě měkké napájecí sítě, nebo při
jiných aplikacích, kde je zapotřebí snížit rozběhový proud a prodloužit čas rozběhu stroje
(ventilátory, setrvačníky, atd…). Startovací rampa je automaticky prodlužována vlivem
proudového omezení. Dosáhne-li se nastavené hodnoty proudu mikroprocesor zastaví nárůst
napětí dokud proud neklesne pod nastavenou úroveň vlivem vzrůstu impedance rozbíhaného
motoru.
Razantní rozběh (KICK START) – Jedná se prakticky o měkký rozběh, kterému
předchází napěťový impuls (uživatel sám nastaví hodnotu) a pak proces rozběhu dál
pokračuje jako standardní měkký start.
Brzdění motoru je možno realizovat buď reverzací nebo postupným snižováním
momentu motoru. Systém pracuje na principu časovače, nebo je možné jej doplnit o čidlo
nulových otáček.
Je možné zapojit k soft startu i více motorů najednou. Pak je však kladena podmínka
na vyváženost jejich zátěže, motory by také proto měly být stejného typu.
30
Vliv harmonického zkreslení sinusovky proudu a napětí na funkci
vytypovaných ochran v DS ZČE a.s.
Václav Potužák - EE 5
lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE
Toto téma vzniklo na základě požadavku firmy ZČE a.s. v rámci pokračování analýzy
sítí vzhledem k obsahu vyšších harmonických a hlavně potřeby zkoumání vlivu vyšších
harmonických proudů a napětí na funkci elektrických zařízení. Jelikož je monitorování napětí
a proudu v sítích vzhledem k harmonickému zkreslení v podstatě novou tématikou, začíná se
nejprve zjišťovat vliv tohoto zkreslení u zařízení jenž se podílejí na bezpečnosti a kontinuitě
dodávky elektrické energie a dále u zařízení, které hlídají a měří toky proudů a energií. Tato
práce je tedy jistým druhem pokračovaní ve zkoumání měřicích zařízeni (elektroměrů nízkého
napětí), které již ZČE a.s. uskutečnila.
Do napájecí sítě jsou ve stále větší míře připojovány spotřebiče, které navzdory
sinusovému napájecímu napětí odebírají ze sítě proud nesinusového průběhu. Tyto spotřebiče
se všeobecně označují jako nelineární spotřebiče. Proud odebíraný nelineárními spotřebiči lze
stejně tak jako každou periodickou nesinusovou funkci vyjádřit součtem sinusových složek
(popř. i složky stejnosměrné), které mají různou amplitudu a jejichž frekvence je celistvým
násobkem frekvence nesinusové funkce, tzv. Fourierovou řadou. Sinusová složka o frekvenci
shodující se s frekvencí nesinusové funkce (50 Hz), se nazývá základní harmonická. Ostatní
sinusové funkce, jejichž frekvence je celistvým násobkem základní harmonické, se nazývají
vyšší harmonické nebo zkráceně jen harmonické řádu h. Vlivem kolísavého odběru
nelineárních spotřebičů se ve spektru odebíraného proudu mohou vyskytnout i složky, jejichž
frekvence není celočíselným násobkem frekvence sítě. Tyto složky se nazývají mezilehlé
harmonické nebo také interharmonické.
Nelineární spotřebiče lze podle teoretických rozborů i praktických zkušeností považovat
za proudové zdroje vyšších harmonických. Harmonické proudy tečou směrem od rušícího
zařízení do sítě a na impedanci sítě vyvolávají úbytky napětí příslušející danému řádu
harmonické. Tyto harmonické úbytky se superponují na průběh napětí a způsobují tak
deformaci křivky síťového napětí ve společném napájecím bodě. Vlivem deformované křivky
napájecího napětí je ovlivněn provoz ostatních připojených zařízení v síti, zvláště zařízení
citlivých na tvar napěťové křivky.
Úroveň napětí harmonických v napájecí oblasti je výslednou hodnotou, k níž přispívají
všechna zařízení odběratelů svými emisemi harmonických proudů, úroveň harmonických
napětí v síti závisí zejména na:
- impedanci sítě pro danou harmonickou,
- amplitudě a fázi harmonických proudů emitovaných každým odběratelem,
- počtu zařízení odběratelů připojených současně k síti.
V rámci spolupráce firmy ZČE a.s. proběhlo měření na vytypovaných ochranách. Mým
cílem při tomto měření bylo, abychom mohli porovnat vliv harmonického zkreslení napájecí
sítě na ochrany různých výrobců, ale zároveň ochran, jejichž použití v DS je shodné. Dále
jsem při volbě ochran vycházel z možností ZČE a.s., která mi ochrany pro samotné měření
zajišťovala. Pro toto měření jsem měl k dispozici 4 ochrany používané v současné době
v distribučních sítích ZČE a.s. Dvě digitální ochrany nadproudové od výrobců ABB a
SIEMENS a dále dvě ochrany rozdílové, z nichž jedna byla digitální od výrobce SIEMENS a
druhá ochrana byla staršího reléového typu od výrobce ZPA Turnov.
31
Měření na 3 fázovém trojvinuťovém transformátoru
Josef Veselý - KE 5
Transformátor je jedním z nejdůležitějších strojů. Základní funkcí je měnit daný výkon
jednoho napětí na napětí druhé. Tím se mění i proud, přičemž přenesený výkon zůstává
přibližně stejný. To umožňuje například přenášet veliké výkony v energetických systémech
při vysokých napětích a nízkých proudech. Kromě transformace napětí a proudu lze
transformovat i počet fází. Tato funkce se nejčastěji vyskytuje u transformátorů napájejících
usměrňovače nebo při napájení vícefázových střídavých komutátorových motorů. K tomu aby
mohlo k transformaci vůbec dojít, musí existovat magnetický obvod a alespoň dvě vinutí.
Transformátory mohou mít více vinutí než dvě. Některá z nich jsou vinutími vstupními
(výkon se jimi do transformátoru přivádí), ostatní jsou vinutími výstupními (výkon se jimi
odvádí). Vinutí mohou během provozu svoji funkci měnit. V silnoproudé elektrotechnice se
nejčastěji z transformátorů s několika vinutími vyskytuje transformátor se třemi vinutími a
tím se zabývám ve své práci. Kde se vlastně trojvinuťové transformátory používají? Nejčastěji
je lze najít zejména v elektrárnách, kde vstupní vinutí přijímá energii od generátoru a jedno
výstupní vinutí odvádí energii do sítě a druhé výstupní vinutí slouží k pokrytí vlastní spotřeby
elektrárny, nebo naopak mohou být vstupní vinutí dvě, odebírají-li energii od dvou generátorů
a třetí vinutí pak odvádí energii do sítě. Dále se poměrně často trojvinuťové transformátory
používají v rozvodnách, když je třeba propojit tři sítě o různých napěťových hladinách.
Náhradní schéma trojvinuťového transformátoru se liší od klasického náhradního
schématu uváděného pro dvojvinuťové transformátory (viz obr.1). Kde impedance
z1 = r1 + jξ1, r je odpor vinutí a ξ nahrazuje funkci rozptylové reaktance. Totéž platí pro z2 a
z3. Proudy, napětí a výkony potřebné k výpočtu impedancí získáme měřením dvojic vinutí,
z nichž vždy jedno je napájené a druhé v zapojení nakrátko. Magnetizační proud je u
technických transformátorů malý, takže se většinou zanedbává. Náhradní schéma nevyhovuje
při chodu naprázdno. Tento nedostatek lze odstranit zavedením magnetizační impedance,
která se zpravidla umisťuje mezi uzel a zem.Dalším měřením je měření zatížení jednotlivých
fází při nesymetrickém rozložení zátěže. Po změření různých zapojení (trojúhelník, hvězda,
lomená hvězda, jedno z možných zapojení je uvedeno na
obr.2.) lze vyhodnotit, které zapojení je nejvhodnější pro
provozování transformátoru při nesymetrické zátěži.
32
Sekce Elektrické teplo a světlo
složení komise
předseda
prof. Ing. Jiří Kožený, CSc.
členové
doc. Ing. Zbyněk Martínek, CSc.
Ing. Emil Dvorský, CSc.
Ing. Petr Bruner
Ing. Pavel Prosman
33
Tepelná čerpadla v podmínkách České republiky
Daniel Franěk - TE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Energie spotřebovávaná lidstvem prudce stoupá. Zatímco ještě v šedesátých letech
dvacátého století se o zásobách fosilních paliv hovořilo jako téměř o nevyčerpatelných, dnes
už je jasné, že využívání celosvětových zásob je značně omezeno.
Nemalá část energetických zdrojů je spotřebovávána na vytápění obytných nebo
průmyslových budov a ohřev teplé užitkové vody. Právě pro tento účel může velmi výhodně
sloužit tepelné čerpadlo (TČ).
PRINCIP A SYSTÉMY TČ
Každé tepelné čerpadlo odebírá zdroji energie (např. půdě, vzduchu, vodě),
nízkopotenciální teplo, které se pak pomocí ušlechtilé energie (většinou elektrické)
přečerpává na vyšší teplotní úroveň, při které je již možné vytápět dům nebo ohřívat vodu.
Elektrická energie představuje jen 25 – 35 % z celkové využité tepelné energie, čímž se
výrazně sníží provozní náklady tohoto zařízení, i když investiční náklady jsou vyšší.
Základem zařízení je cirkulační okruh, ve kterém proudí pracovní látka, která při
odpaření ve výparníku při nízkém tlaku (díky expanznímu ventilu) odebere teplo vnějšímu
prostředí. V kompresoru se stlačí a zvýší tak svou teplotu; zkapalněním v kondenzátoru tuto
energii předá topnému systému, který by měl být pro co nejefektivnější chod TČ
nadimenzován na co možná nejnižší teplotu topné vody.
Existuje několik systémů TČ, podle toho odkud je nízkopotenciální teplo čerpáno a do
čeho je předáváno. Ty základní jsou „země-voda“, „vzduch-voda“ a „voda-voda“.
Nejefektivnější je systém „voda-voda“, ale vyžaduje náročné geologické podmínky. V našich
klimatických podmínkách a při současných technologiích je velmi výhodný systém „vzduchvoda“, který má celkové investiční náklady relativně nízké a při tom je provozně srovnatelný,
většinou i efektivnější, než systém „země-voda“.
PODMÍNKY V ČR
Instalace tepelných čerpadel u nás jsou známy už ze 70. let, kdy ale šlo v podstatě jen o
demonstraci toho, že tato zařízení skutečně fungují. Teprve na počátku 90. let se některé firmy
začaly touto problematikou významně zabývat.
Česká republika oproti jiným evropským státům stojí teprve na počátku uplatnění
tepelných čerpadel. V současné době je instalováno zhruba 1500 TČ, potenciál je až 500 tisíc.
V našich podmínkách je poměr ceny tepelných čerpadel a kupní síly obyvatelstva přece jen
odlišný od vyspělých Evropských zemí. Nelze předpokládat, že ten kdo má problémy zaplatit
nakupovanou energii, bude mít na to, aby si z úsporných důvodů pořídil tepelné čerpadlo. Zde
musí finanční dotací přispět stát, který tak podpoří rozvoj tepelných čerpadel a přispěje
k úsporám energie.
V současnosti lze o 30 % finanční podporu žádat u Státního fondu životního prostředí,
který po splnění všech podmínek (některých až nelogických) uvolní příslušnou částku.
Obyčejný řadový občan ovšem tuto dotaci získá dost těžko. Proto většina firem, zabývajících
se problematikou tepelných čerpadel, nabízí téměř 100 % výpomoc při tomto až
byrokratickém postupu žádosti o finanční podporu.
Mezi hlavní bariéry zabraňující vývoji tepelných čerpadel v ČR patří především:
- nedostatečná osvěta mezi laickou, ale i odbornou veřejností, která ve většině případů neví
co to vlastně tepelné čerpadlo je; chybí důsledné školení
- projektanti ze setrvačnosti navrhují topné systémy pro vysokou teplotu, což je pro tepelná
čerpadla absolutně nevyhovující
- doposud dotované ceny některých energetických paliv relativně znevýhodňují TČ
- již zmíněná komplikovanost při získávání státní dotace.
34
Optimální podmínky pro tavení neželezných kovů v indukční kelímkové
peci
Jiří Hrubec - EE 5
Indukční kelímkové pece jsou v současném metalurgickém, slévárenském i
elektrotechnickém průmyslu základními a nejčastěji využívanými zařízeními k tavení oceli,
litiny a neželezných kovů. Jejich základním úkolem je nejčastěji roztavení tuhé vsázky,
uskladnění tekutého kovu, přimíchání stopových přísad a také přihřívání na licí teplotu.
Pro tavení neželezných kovů, a to zejména tavení mědi, hliníku a jejich slitin se dodnes
využívají indukční kanálkové pece, které pracují na stejném principu dodání tepla do
taveného materiálu, kdy elektromagnetické vlnění vyzařované z induktoru dopadá na
elektricky vodivou stěnu, do níž vstupuje a vyvolává naindukovaný proud, jehož průchodem
se stěna zahřívá. Pece kanálkové mají ale odlišnou konstrukci než-li pece kelímkové. Právě
tato odlišná konstrukce kanálkové pece přináší několik nevýhod a nežádoucích jevů, které při
procesu tavení neželezných kovů vznikají. Jelikož v kanálkové peci se teplo do vsázky
dodává pouze v prostoru kanálku, je prvotní podmínkou vzniku naindukovaných proudů
uzavřený sekundární obvod tj. přítomnost již roztavené vsázky v kanálku. Proto v případě
opakovaného tavení, se v peci ponechá část taveniny z předchozí tavby, která zaplňuje prostor
kanálku a části nístěje, čímž je podmínka vzniku naindukovaných proudů splněna. V případě
první tavby je třeba do pece dodat roztavený materiál, který se předem roztaví například
v kelímkové peci. Dalším nežádoucím účinkem je tzv. „uskřipovací jev“, ke kterému dochází
při překročení jisté kritické hodnoty proudu ve vsázce, kdy vzniklé elektrodynamické síly,
působící v radiálních rovinách všemi směry kolmo k povrchu tekutého vodiče, přeruší
souvislý prstenec roztaveného kovu, následně zanikne elektrodynamické působení, prstenec
se znovu spojí a jev se opakuje, přičemž vznikající rázy znemožňují řádný chod pece. Při
tavení hliníku dochází na povrchu taveniny ke vzniku kysličníku hlinitého, který vytváří
souvislou vrstvičku. Vlivem působení elektrodynamických sil může dojít k nadměrnému
víření taveniny. Souvislá vrstvička kysličníku se potrhá, kov pohlcuje vzduch a dále oxiduje.
Kysličník je těžší, klesá tedy ke dnu, usazuje se v kanálcích a způsobuje jejich „zarůstání“.
Ukazatelem, který signalizuje potřebu vyčištění kanálků, je zvýšení účiníku cos ϕ. Po té je
nutné kanálky čistit. Čištění trvá cca 20 minut. Svislé části kanálků se čistí 2 až 3krát za
směnu, při vsázce v peci pomocí zvláštních nástrojů. Horizontální části kanálku se čistí asi
jednou za směnu, kdy je třeba vylít všechnu vsázku a otevřít příslušné zátky. Trvá-li čištění
příliš dlouho, zchladnou stěny kanálku a po nalití roztaveného kovu vznikají na povrchu
trhlinky, které výrazně zkracují životnost vyzdívky.
Při tavení mědi v kanálkové peci se dosahuje účinnosti 60 až 72 %, při tavení hliníku a
jeho slitin dosahujeme účinnosti 65 až 85 %. V mé diplomové práci řeším optimální
podmínky pro tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci, kde z výsledků plyne, že
tavení probíhá při menší účinnosti cca 50 až 60 %. Tudíž z energetického a ekonomického
hlediska jsou indukční kanálkové pece pro tavení neželezných výhodnější, ale i přesto se
v některých případech volí tavení neželezných kovů a jejich slitin v kelímkové peci i za cenu
nižší účinnosti a to z výše uvedených nevýhod kanálkových pecí, kdy ekonomické ztráty
vzniklé prostoji při čištění kanálků a náklady na vyrobení vyzdívky jsou vyšší než náklady při
tavení v kelímkové peci. V případě již stávajícího zařízení kelímkové pece a požadavku
podniku pro tavení neželezných kovů, je nutné zvážit, zda tavení neželezných kovů v této
peci, by nebylo ekonomicky výhodnější než nákup nové pece kanálkové a jejího příslušenství.
Návrh kelímkové pece je velmi zdlouhavý a tudíž pro řešení tohoto problému jsem
sestavil program v programovacím jazyku Visual Basic 6, který návrh velmi urychluje.
V případě zájmu jsem tento program ochoten předvést.
35
Teplotní pole elektrických sálavých panelů
Zdeněk Chudáček - EE 5
Vytápění elektrickými sálavými panely je progresivní a stále více oblíbený způsob, jak
vytápět bytové i nebytové prostory. Tento způsob vytápění neohřívá vzduch, nýbrž podlahu,
stěny a ostatní předměty, na než tepelné záření dopadá. Vzduch se ohřívá sekundárně od
sáláním zahřátých povrchů. Vzduch díky tomu neproudí, a proto nevíří prach ani
mikroorganismy. Největší výhodou tohoto způsobu vytápění je jeho vysoká úspornost a
přizpůsobivost. Velikosti panelů lze přizpůsobit přesně na míru, která je zapotřebí. Provoz
panelů je zcela tichý a bezodpadový. Má dlouhou životnost a vyžaduje pouze minimální
údržbu.V mé práci se zabývám teplotním polem elektrických sálavých panelů. Jedná se o
prostorové rozložení teplot v okolí sálavého panelu v závislosti na výkonu a vzdálenosti od
sálavého panelu. Velikost a rozložení teplot jsou rovněž závislé na vzdálenosti od otopných
ploch, tj. poloze místa ve sledovaném objektu a na rozměrech objektu. Teplota vzduchu
ohřátého od podlahy, předmětů a okolních stěn roste v závislosti na výšce od podlahy
podstatně pomaleji, než je tomu u klasických otopných systémů. K největším rozdílům
dochází v oblasti pohybu člověka, tzn. do 2 metrů nad podlahou. Velké rozdíly teplot v této
oblasti působí velice nepříznivě na dosažení tepelné pohody. Nohy a hlava člověka jsou pak
v rozdílných mikroklimatických podmínkách. Tento nepříznivě působící jev je u sálavého
vytápění zavěšenými sálavými panely výrazně potlačen. Změnami parametrů jako je výkon
sálavého panelu, výška instalace a účinnost panelu lze docílit optimální rozložení teplot
v pracovní oblasti a tím dosažení tepelné pohody člověka v daném prostoru. Důležitým
bodem diplomové práce je analýza teplotního pole na základě měření tohoto pole sálavého
panelu. Měření proběhlo u firmy Fenix s.r.o. sídlící v Jeseníku, která se zabývá výrobou
nízkoteplotních i vysokoteplotních elektrických sálavých panelů. Abych vyhověl požadavkům
firmy, tak měření proběhlo na vysokoteplotním panelu Ecosun S 3600. Elektrický výkon
panelu 3,6 kW, napájecí napětí 400 V. Doporučené použití těchto panelů je u vytápění
průmyslových hal, tělocvičen, sálů, dílen a podobných prostor. Pro měření byl panel zavěšen
pod stropní konstrukcí, což je v praxi typické. Výška zavěšení se pohybovala od 2,8 do 3,2 m
nad podlahou. Většina měření proběhla ve výšce 1,8 m nad podlahou, která odpovídá pohybu
hlavy člověka. Změřeny byly také teploty těsně nad zemí a 1 m nad podlahou. Druhá část
měření byla zaměřena na možnost použití zavěšení panelů pod různým úhlem do vytápěné
zóny. Měření teplot proběhlo ve výšce 1,8 m nad podlahou a pod úhly zavěšení 15, 30, 45 a
60 stupňů. Všechna měření jsou důležitá pro praktické navrhování sálavého vytápění těmito
panely. Z naměřených hodnot lze určit například optimální vzdálenost mezi sousedními
sálavými panely nebo vhodný úhel zavěšení pro konkrétní vytápěnou zónu.Teoretická část
práce se zaměřuje na princip působení sálaní na tepelnou pohodu člověka a aplikací přenosu
tepla sáláním na sálavé panely.
36
Tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci
Jiří Kojzar - EE 5
Tavení různých kovů pomocí elektromagnetické indukce se využívá již desítky let.
V současné době nachází široké uplatnění při tavení i při ohřívání či kalení kovového
materiálu. Indukční ohřev je prakticky možný jen u elektricky vodivých materiálů. Indukční
kelímková pec je principiálně vzduchový transformátor. Cívkou prochází střídavý proud a ve
vsázce se díky elektromagnetické indukci uzavírají naindukované proudy, které způsobí její
roztavení. Energie elektromagnetického vlnění vyzařovaná cívkou se spotřebuje na uvolnění
elektronů, které pak narážejí na další atomy. Tím se jejich kinetická energie přemění na
tepelnou energii. Pro vznik tepla je určující reálná složka impedance vsázky.
Tavit neželezné kovy (měď, hliník a jejich slitiny) lze v indukční kelímkové peci
s nevodivým nebo vodivým kelímkem či v indukční peci kanálkové. V této diplomové práci
se zabývám posouzením vhodnosti tavení neželezných kovů v indukční kelímkové peci
s vodivým a nevodivým kelímkem na základě konkrétního výpočtu.
Použijeme-li indukční pec s nevodivým kelímkem, pak musíme vědět, že materiály
s velkým měrným odporem (ρ) se indukčně zahřívají s vyšší účinností. Příkladem těchto kovů
mohou být např. ocel nebo litina. Navíc zde vyvstává problém s určením minimální zrnitosti
šrotu, která je určena množstvím naindukovaného tepla do vsázky.
To je závislé na fyzikálních vlastnostech vsázky, relativní permeabilitě (µr) a elektrické
vodivosti (γ), které jsou rozdílné pro železné a neželezné kovy a jejich slitiny. U neželezných
kovů je stále relativní permeabilita rovna jedné, zatímco u železných je do Curieho bodu (pro
uhlíkovou ocel 760 °C) závislá na teplotě (t). Navíc je relativní permeabilita závislá i na
intenzitě magnetického pole (H2). Tyto aspekty mají vliv na hloubku vniku naindukovaných
proudů (a) při počátečním ohřívání železných kovů, přičemž musíme brát v úvahu také
závislost elektrické vodivosti (γ) na teplotě železných i neželezných kovů. Ta klesá se
stoupající teplotou. Současně klesá i množství absorbované elektromagnetické energie,
zejména pak u železných kovů, kdy relativní permeabilita při teplotě nad Curieho bodem
klesá na hodnotu rovné jedné. Proto se výpočet provádí pro roztavenou vsázku, kdy je
množství absorbované elektromagnetické energie pro daný kmitočet nejmenší.
Množství tepla vyvinutého ve vsázce nezávisí jen na vlastnostech vsázky, ale i na
elektrických parametrech zdroje elektromagnetického vlnění – na jeho frekvenci (f) a na
velikosti intenzity (H2) a tedy i na naindukovaném proudu ve vsázce (I21), který je teoreticky
stejně velký (pro tavicí pece) jako budicí proud v cívce (I11). Objemové množství
absorbovaného tepla se také zvyšuje s hodnotou frekvence.
Vzhledem k těmto problémům a k nízké elektrické účinnosti tavení dobře vodivých
materiálů je výhodnější indukční kelímková pec s vodivým kelímkem. U indukční pece
s vodivým kelímkem se elektromagnetické vlnění přemění v teplo přímo v kelímku. Takto
zahřátý kelímek pak předává teplo vsázce. Odpadá tedy problém se zrnitostí šrotu. Vodivost
kelímku musí být taková, aby se většina elektromagnetického vlnění utlumila přímo
v kelímku - tedy nepříliš vysoká. Důležitá je i tloušťka kelímku. Víme-li, že ve stěně o
tloušťce 3a se všechna dopadající energie prakticky utlumí a přemění se v teplo, pak jí do
samotné vsázky projde minimálně.
Pro použití indukční pece s vodivým kelímkem pro tavení neželezných kovů hovoří
nejen větší elektrická účinnost a bezproblémovost se zrnitostí šrotu, ale též snížení vzdutí
vsázky nebo snadnější odstraňování usazených nečistot oproti indukční peci kanálkové. Širší
zastoupení pecí s vodivým kelímkem však v praxi zatím nenajdeme, neboť je problém určit
materiál tohoto kelímku. Např. tavení mědi probíhá za vysokých teplot a dochází
k vzájemnému působení s roztavenou vsázkou.
37
Posouzení možností elektrického vytápění průmyslových objektů
Jan Lexa - KE 5
Při projektování otopného systému budov je třeba vytvořit předpoklady pro jejich
pozdější žádoucí provoz. A to nejen z hlediska vytvoření tepelné pohody, ale také z pohledu
energetického, ekonomického a ekologického.
Poměrně velká část lidstvem využívané energie se v konečném důsledku mění a využívá
jako tepelná energie. Předpokládá se, že tato část činí zhruba osmdesát procent z veškeré
energie a zhruba šedesát procent energie elektrické. Z pohledu ekologie, energetiky a
ekonomiky není tato statistika ani zdaleka uspokojivá. Bylo by všeobecně výhodnější, kdyby
došlo ke snížení spotřeby tepla.
Největším problémem je vytápění velkoplošných objektů s vysoko umístěnými stropy.
Této charakteristice nejvíce odpovídají výrobní haly, velké tělocvičny a sportovní stadiony.
Návrhem otopné soustavy výrobní haly se zabývám ve své diplomové práci –
„Posouzení možnosti elektrického vytápění průmyslových objektů“.
Chceme-li snížit náklady na vytápění, můžeme k tomuto úkolu přistupovat ze dvou
základních hledisek: snížením tepelných ztrát objektu, využitím finančně nenákladného zdroje
energie. Nejvýhodnější se jeví skloubení obou těchto přístupů, to jest vytvoření komplexního
otopného systému, který bude pracovat s co možná nejlevnější energií a bude ji co nejépe
využívat. Takový systém bude přijatelný podle všech hlavních kritérií (3E).
V našich současných poměrech, kdy pouze ve vzácných případech máme dostatek
potřebných zdrojů, musíme uvedeným kritériím přidělovat preference. Ve většině případů je
pak rozhodujícím faktorem hospodárnost projektu, a to zejména jeho finanční návratnost.
Tepelné ztráty jsou způsobeny dvěma zásadními příčinami. Vlivem vytápění dochází
uvnitř objektu ke zvyšování teploty, a tím i k nárůstu teplotního rozdílu mezi teplotami uvnitř
a vně objektu. Vlivem nenulové tepelné vodivosti pláště přechází energie z teplejšího
prostředí do chladnějšího.
Máme-li snížit tepelnou ztrátu objektu, můžeme toho docílit aplikováním dvojího
přístupu: zmenšením rozdílu mezi teplotami uvnitř a vně objektu nebo zlepšením tepelně
izolačních vlastností pláště budovy.
V diplomové práci jsou podle základních ekonomických, ekologických a technických
kritérií porovnány následující alternativy užití otopných systémů:
rekonstrukce stávajícího otopného systému,
vytápění sálavými panely napájenými elektrickou energií,
vytápění sálavými panely vyhřívanými zemním plynem,
tepelné čerpadlo.
Po zhodnocení jednotlivých variant a po konzultaci se zadavatelem diplomové práce,
jsem jako nejvýhodnější vyhodnotil variantu, kdy je hala vytápěna sálavými panely
napájenými plynem.
Důvodem je skutečnost, že tato varianta v sobě spojuje nejvýhodnější systém vytápění a
nejlevnější pořízení systému.
Provozně nejvýhodnější je tepelné čerpadlo. To však pouze za cenu enormně zvýšených
nákladů na pořízení systému. Návratnost této investice je při současném nastavení cen energií
cca 50 let.
Zkrácení této doby je možné dosažením státní dotace na pořízení ekologického systému
vytápění. Tato dotace se však netýká ekonomických subjektů podnikajících za účelem
dosažení zisku. Využití tepelného čerpadla je z ekonomického pohledu nejvýhodnější u
neziskových organizací, které mohou obdržet dotaci na pořízení až do výše 70 % z ceny
tepelného čerpadla.
38
Návrh elektrického vytápění objektu
Martin Louženský - EE 5
Cílem mé práce je ukázat, jaké jsou možnosti elektrického vytápění a uvést ho jako
jednu z velmi zajímavých variant, především v nových, ale i rekonstruovaných objektech.
Při volbě otopné soustavy je potřeba posoudit nejen současné podmínky na trhu
s energií, ale i to, jak se tyto podmínky budou pravděpodobně vyvíjet v dalších desetiletích.
Ve světě se již koncem první třetiny tohoto století začne projevovat dočerpání únosně
těžitelných zásob ropy, což bude ovlivňovat nejen její ceny, ale i ceny ropných produktů a
zároveň zemního plynu. Únosně těžitelné světové zásoby zemního plynou jsou sice větší než
zásoby ropy, přesto světové studie odhadují jejich dočerpávání už během poslední třetiny
21. století.
Zásoby českého energetického uhlí vystačí také asi po první třetinu století a proto je
vhodné zamyslet se nad tím, jaký otopný systém zvolit do novostaveb. Zejména z toho
důvodu, abychom ho nemuseli během životnosti této stavby z důvodů vysokých provozních
nákladů měnit. Přestavba vytápění z jednoho systému na jiný, by mohla být finančně velice
náročnou záležitostí. Již dnes jsou náklady na vytápění plynem a elektřinou srovnatelné. Dále
je zde ekologické hledisko, které nelze přehlédnout. Při vytápění elektřinou, přesouváme
exhalace, vyvolané spalováním paliv z měst a obydlených území do elektrárenských lokalit.
Mimo to je v elektrárně, nebo v teplárně, spálení stejného množství paliva mnohem (asi 200
krát) méně škodlivé, než jeho spálení v lokálních topeništích.
Vytápění elektřinou je z hlediska uživatelů velmi komfortní, dokonale regulovatelné,
čisté a nenáročné na obsluhu a údržbu. Úkolem vytápění je zajistit tepelnou pohodu člověka.
To znamená takový stav, kdy člověk nemá pocit přílišného chladu, ani tepla, tj. okolí odebírá
člověku právě tolik tepla, kolik jeho organismus vyprodukuje. Jelikož vnímání tepelné
pohody je pro každého člověka jiné, nedá se obecně říci jaké parametry by prostředí mělo mít
pro vytvoření pocitu tepelné pohody u všech pobývajících lidí.
Elektřinou je možno vytápět buď přímo předáváním vytvořeného tepla v topných
článcích konvekcí či zářením, nebo elektrokotlem, který ohřívá vodu přiváděnou do výměníků
tepla. Při návrhu otopné soustavy s jakýmkoli zdrojem tepla vycházíme z tepelných ztrát
objektu, závisejících především na materiálové skladbě jeho konstrukcí.
V mém konkrétném případě jsem programem Protech, který vychází z normy ČSN
06210, určil hodnotu tepelných ztrát Q = 26,8 kW. Podle dílčích ztrátových hodnot
jednotlivých místností, jsem navrhl počet a výkony vytápěcích přímotopných jednotek. Volil
jsem mezi sálavými a konvekčními a rozhodl se pro konvekční tělesa. Celkový navržený
výkon všech konvektorů je 28,5 kW.
Porovnáme-li investiční náklady navržené soustavy s ostatními vytápěcími systémy na
jiná paliva vychází nejlevněji. Nejdražší na pořízení vychází vytápění LTO.
Co se týká provozních nákladů, je navržená soustava, po vytápění LTO, nejnákladnější.
Pro značnou úsporu je možné konvektory od firmy FENIX doplnit o časovou regulaci, pro
případ obývání jednotlivých částí budovy jen v určitém čase. Provozně nejlevnějšími
variantami jsou vytápění dřevem a uhlím, náklady na jejich provoz jsou asi čtvrtinové oproti
vytápění elektřinou. Jako nejdražší varianta se ukázalo vytápění na LTO.
39
Návrh osvětlovací soustavy průmyslového závodu
Jaromír Nový - KE 5
lektor: doc. Ing. Josef Linda, CSc. - KEE
Při manuální práci člověka je zrak nejčastěji využívaným smyslem pro získávání
informací o předmětu činnosti i okolním prostředí. Pro optimální zrakový výkon je třeba
vytvářet odpovídající podmínky z hlediska fyziologie zraku, je však nutné respektovat i
mnoho dalších faktorů. K těm patří zejména technologická a ekonomická omezení.
Návrh osvětlovací soustavy je vždy kompromisem, kdy se snažíme v rámci únosných
investičních a provozních nákladů realizovat osvětlení maximální užitné hodnoty vzhledem
k účelu osvětlovaného prostoru. Hlavním vodítkem pro volbu parametrů osvětlovací soustavy
je soustava příslušných norem.
Ve své práci „Návrh osvětlovací soustavy průmyslového závodu“ se zabývám návrhem
osvětlovací soustavy v prostorech pro strojírenskou výrobu a v kancelářích.
Pro správný návrh osvětlení v kancelářských prostorech je důležitá důkladná znalost
účelu prostoru, popř. i rozmístění pracovišť. Pro umělé osvětlení těchto prostorů jsou
nejčastěji využívána zářivková svítidla.
Při návrhu osvětlení v prostorech pro výrobu narážíme na více úskalí. Hlavním
problémem v průmyslových prostorech, zejména pro strojírenskou výrobu je zvýšená
produkce nečistot a tím rychlejší degradace parametrů všech osvětlovacích zařízení. Častým
omezením je též problematické umístění svítidel z technologických důvodů (pojezdy jeřábů,
manipulace s rozměrnými předměty apod.). Proto se pro osvětlování těchto prostorů využívají
zejména vysokovýkonná výbojková svítidla. Tento druh osvětlení je výhodný z hlediska
spotřeby elektrické energie a provozních nákladů osvětlovací soustavy. Z bezpečnostního
hlediska je nutné důsledně dbát zamezení vzniku stroboskopického jevu. Tento problém řeší
střídavé připojení svítidel na všechny tři fáze napájecího rozvodu nebo moderní svítidla
s vysokofrekvenčními předřadníky.
Výrazný vliv na ekonomiku provozu osvětlovací soustavy má způsob regulace
osvětlení. Zejména v případech, kdy není trvale využíván celý osvětlovaný prostor, je možné
vhodným způsobem regulace výrazně snížit spotřebu elektrické energie.
Kvalita osvětlení v průběhu provozu a užívání osvětlovací soustavy však není určena
pouze počátečním návrhem a jeho realizací. Častou příčinou nevyhovujícího stavu osvětlení
je zanedbání údržby osvětlovacích zařízení a dalších souvisejících činností.
Po srovnání několika variant návrhu a konzultaci s uživatelem objektu jsem jako
nejvýhodnější variantu zvolil pro osvětlení výrobních prostor závěsná svítidla osazená
vysokotlakými výbojkami a pro osvětlení kancelářských prostor stropní zářivková svítidla.
Tato volba se jeví jako nejvýhodnější z hlediska vložených investic i nákladů na provoz a
údržbu osvětlovací soustavy.
Pro optimální funkci osvětlovací soustavy jako celku je vhodné doplnit celkové
osvětlení správně umístěnými místními svítidly. To se týká především pracovních prostorů
obráběcích strojů.
Investice vložená do rekonstrukce osvětlovací soustavy přináší kromě optimálních
podmínek pro činnost zraku další příznivé efekty jako je zvýšení bezpečnosti práce, kvality
výroby.
40
Optimální podmínky pro tavení litiny v indukční kelímkové peci
Václav Přibyl - EE 5
Indukční ohřev je možný jen u elektricky vodivých materiálů. Energie střídavého
elektromagnetického pole se vyzařuje z cívky (induktoru) na vodivou vsázku, kde se indukují
vířivé proudy. Tyto proudy vsázku zahřívají. Teplo vzniká přímo ve vsázce, z čehož je
zřejmé, že má nejvyšší teplotu v celé soustavě indukčního ohřevu (vše ostatní může být
studené). Toto je velká výhoda indukčního ohřevu. Další výhodou je, že vsázka je galvanicky
oddělená od všech částí soustavy.
V této práci se zabývám tavením litiny v indukční kelímkové peci. Pec tohoto typu je
v principu vzduchový transformátor. Primární vinutí tvoří válcová cívka z měděné trubky
obdélníkového průřezu a sekundární vinutí je vsázka, která je spojena nakrátko. Vodič
induktoru je trubkového průřezu proto, že jeho dutinou prochází chladící médium (voda).
Voda musí odvést elektrické ztráty v cívce (asi 20 až 25 % příkonu) a dále teplo, které projde
do cívky ze vsázky stěnou kelímku.
Hlavní výhodou indukčních kelímkových pecí je, že v nich vlivem působení
elektrodynamických sil dochází k intenzivnímu víření roztavené vsázky v kelímku, které
nastává vždy při průchodu proudu cívkou. Výsledkem je dokonalá homogenita slitiny
roztaveného kovu.
Při průchodu střídavého proudu cívkou se vzniklé magnetické pole uzavírá vně cívky
(přes ocelové konstrukce pece). Tím by se konstrukce zahřívaly, zvýšily by se ztráty a snížila
by se účinnost pece. Proto je cílem snížit magnetický tok vně pece na minimální hodnotu.
Tohoto lze dosáhnout stíněním pece a to buď válcovým pláštěm souosým s cívkou z dobře
vodivého materiálu, nebo se vně cívky umístí svazky transformátorových plechů.
Při návrhu indukční kelímkové pece je nutné se také zabývat problematikou tavení
tříděného šrotu. Zde je problém v tom, že vsázka není válcová, ale kusová, kdy mají kusy
různý tvar a velikost. Je proto velmi pravděpodobné, že by některé kusy šrotu byly
elektromagneticky průzařné, proto je třeba šrot třídit také podle velikosti kusů a pro tavení
použít zdroje s vhodnou frekvencí.
V průběhu tavení železných kovů pomocí elektromagnetické indukce mění vsázka svoje
parametry. Na začátku tavení až do teploty magnetické přeměny (pro ocel ~ 760 °C) je vsázka
magnetická, pevného skupenství. Od teploty magnetické přeměny až do teploty tavící (pro
ocel ~ 1500 °C) je vsázka nemagnetická, pevného skupenství. Nad teplotu tavící je vsázka
tekutá a nemagnetická. To znamená, že při návrhu indukčního ohřevu magnetických materiálů
je nutné se zabývat také problematikou konečné teploty ohřevu, z čehož vyplývá různá
magnetická permeabilita.
Volbou frekvence proudu, jenž napájí induktor, se ovlivňuje rozdělení tepla vyvíjeného
ve vsázce. Toto je dáno tím, že je hloubka vniku a naindukovaných proudů mimo jiné závislá
na frekvenci napájecího napětí a ve vrstvě na povrchu vsázky o tloušťce a vzniká přibližně
86 % z celkového množství naindukovaného tepla do vsázky.
41
Tepelná čerpadla ekologicky, energeticky a ekonomicky
Zbyněk Štěpán - KE 5
Tepelná čerpadla využívají obnovitelné zdroje energie, které se nacházejí všude kolem
nás. Jde o energii Slunce dopadající na zemský povrch, případně geotermální energii
zemského jádra. Obrovské množství energie, které máme k dispozici, aniž bychom museli pro
účely vytápění spalovat fosilní látky, lze efektivně využívat tepelnými čerpadly pro vytápění a
ohřev užitkové vody. Tepelná čerpadla odebírají nízkoteplotní energii půdě, vodě nebo
vzduchu a předávají ji otopné soustavě. Energie není získávána spalováním, ale odebírána
okolnímu prostředí, proto jsou tepelná čerpadla velice ekologická.
Skutečnost, že energii z obnovitelných zdrojů máme k dispozici a nemusíme ji vyrábět,
jen ji efektivně převést do využitelné podoby, znamená pro uživatele významný ekonomický
přínos, neboť značnou část potřebné energie nemusí vůbec nakoupit. Současný technický
pokrok je na takové úrovni, že tepelná čerpadla, která jsou mimořádně vhodným zařízením
pro účely vytápění a ohřevu vody, dokáží z 1 kWh elektrické energie dodané pro pohon
tepelného čerpadla získat troj až čtyřnásobné množství tepelné energie z okolí vytápěného
objektu.
V práci je popsán princip tepelného čerpadla, způsoby a zdroje pro získávání tepla,
jednotlivé části tepelných čerpadel, chladiva, zapojení systémů tepelných čerpadel. Myšlenka
odebírání tepla tepelnými čerpadly je stará více než 140 let a v současné době růstu cen
energií a energetických úspor nabývá velkého významu použitím těchto zařízení v bytovém
hospodářství a v průmyslu – zapojení tepelného čerpadla do otopného systému, příprava teplé
užitkové vody, klimatizace, sušení a mnoho dalších způsobů využití TČ.
Použití tepelných čerpadel v ČR je zvýhodňováno v rámci omezených možností
státního rozpočtu. Státní fond životního prostředí (SFŽP) poskytuje podporu pro využívání
obnovitelných zdrojů energie, do nichž patří i vytápění tepelnými čerpadly. Výhodou při
použití TČ je i výhodnější sazba za elektrickou energii.
Hlavním bodem práce je příklad na němž je stanovena výhodnost použití tepelného
čerpadla. Jedná se o objekt dílny, a proto je výhodnost nižší, neboť podnikatelským
subjektům nejsou dotace ze SFŽP poskytovány. Součástí příkladu je určení návratnosti
investice do tepelného čerpadla a porovnání s klasickým zdrojem vytápění. Příklad je
zhodnocen kriteriem 3E a jsou z něho vyvozeny závěry pro praxi.
42
Flicker způsobený výkonovými polovodičovými měniči
Zdeňka Tomková - PE 5
lektor: doc. Ing. Václav Kůs, CSc. - KVE
Nejzávažnějším negativním jevem způsobeným kolísáním napětí je tzv. flikr (blikání).
Jedná se o změnu zrakového vnímání vyvolanou časovou změnou světelného toku svítidel.
Tento jev má vliv na zrakovou pohodu a tudíž přímo ovlivňuje stav lidské psychiky (únava,
pracovní výkon). Negativně může být ovlivněn i provoz televizorů, počítačů apod.
Kolísání napětí (flikr) je třeba charakterizovat nejen změnou velikosti napětí, ale i
četností jeho změn. V praxi se proto pro posuzování flikru používají veličiny: míra vjemu
blikání P a činitel flikru A. Pro ověření jednoho zdroje rušení je vhodná krátkodobá míra
vjemu blikání Pst (stanovuje se pro interval 10 minut). Pro ověření skupiny zdrojů rušení jako
například skupiny zátěží s delším a proměnným pracovním cyklem, se používá dlouhodobé
míry vjemu blikání Plt (stanovuje se pro interval 2 hodin s využitím hodnot Pst).
Přípustné hodnoty flikru v distribučních sítích jdou dány normou. Pro síť nn nesmí
krátkodobá míra vjemu blikání překročit hodnotu 1 a dlouhodobá míra vjemu blikání hodnotu
0,75.
Součástí této práce je 1 fázové měření v laboratoři a 3 fázové měření v praxi. Výsledky
pro krátkodobou míru vjemu blikání jsou uvedeny v následujících grafech.
Měření flikru v lab.podmínkách
2,5
Pst
2
1,5
1
0,5
0
11:42:23
25.3.2002
15:42:23
25.3.2002
19:42:23
25.3.2002
23:42:23
25.3.2002
3:42:23
26.3.2002
7:42:23
26.3.2002
11:42:23
26.3.2002
10:56:26
16.4.2002
14:56:26
16.4.2002
Datum a čas
Pst
Měření flikru v praxi 1.fáze
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
14:56:26
15.4.2002
18:56:26
15.4.2002
22:56:26
15.4.2002
2:56:26
16.4.2002
Datum a čas
43
6:56:26
16.4.2002
Modelování kogeneračních jednotek v podmínkách tržního hospodářství
Ivan Tůma - EE 5
lektor: Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE
Kogenerace, tedy kombinovaná výroba elektrické energie a tepla, je v současnosti
podporována jako ekologicky šetrný způsob získávání energie. Tato ekologická šetrnost je
dána velkým využitím energie obsažené v primárním palivu (až 90 %) ve srovnání
s oddělenou výrobou elektrické energie a tepla. Kogeneraci lze rozdělit podle použité
technologie na parní, plynovou, paroplynovou a kogeneraci s využitím palivových článků.
Pojmem kogenerační jednotka rozumíme zařízení, které pracuje na bázi plynové kogenerace.
Jedná se o spalovací pístový motor, příp. spalovací turbínu, které pohánějí generátor (zdroj
elektrické energie). Teplo je získáváno v případě spalovacího motoru chlazením bloku motoru
a odvodem tepla ze spalin, v případě použití turbíny ze spalinového kotle. Elektrická účinnost
zařízení dosahuje až 40 %.
Vzhledem k přetrvávajícím deformacím na trhu s energiemi (křížové dotace, chybějící
konkurence) jsou ekonomické podmínky pro využití kogenerace mnohdy nevýhodné. Pro
kompenzaci těchto negativ jsou proto nutné zásahy státu, které po zlepšení situace na trhu ve
prospěch kogenerace zřejmě zmizí. Jedná se např. o dotace na výstavbu kogeneračních zdrojů
či stanovení povinnosti distributorů elektřiny nakupovat elektrickou energii z kogeneračních
zdrojů za minimální určenou cenu.
Produkty kogenerace musí být na trhu s energiemi konkurenceschopné, proto je nutné
kogenerační zdroje navrhnout tak, aby přinášely co nejvyšší zisk, resp. aby minimalizovaly
náklady na dodávku energií. Je tudíž nezbytné znát co nejpřesněji rozložení spotřeby energií
během roku, průběhy zatížení během dne a v neposlední řadě provést důslednou analýzu
situace na trhu v dané lokalitě (ceny energií, dostupnost paliva, konkurenční technologie). Za
účelem zvýšení ekonomické efektivnosti kogeneračních zdrojů lze často jejich provoz různým
způsobem optimalizovat (využití tepelných akumulátorů, doprovodné technologie).
Hlavním přínosem mé práce je vytvoření uživatelského programu, který usnadňuje
nalezení ekonomicky nejvýhodnějšího způsobu pokrytí vlastní spotřeby energií daného
subjektu na základě znalosti měsíčních spotřeb elektrické energie a tepla. Uživatel si může
zvolit z dostupných kogeneračních jednotek, příp. kotlů, zdroje v požadované skladbě a
rovněž způsob krytí spotřeby (zda se sleduje primárně spotřeba elektrické energie nebo tepla a
jak se druhý produkt využívá). Při volbě počtu a výkonů kogeneračních jednotek je nutné si
uvědomit, že jejich elektrická účinnost při poklesu zatížení klesá (roste měrná spotřeba
paliva), což program samozřejmě respektuje. Se znalostí těchto vstupních údajů včetně
prodejních a nákupních cen elektrické energie, program graficky zobrazí aproximovaný roční
průběh spotřeby a vypočítá roční energetickou a ekonomickou bilanci, která vypovídá o
ekonomické výhodnosti zvoleného způsobu řešení. Tento výpočet lze několikrát zopakovat
s větší či menší obměnou libovolných vstupních údajů (spotřeba, skladba zdrojů, způsob krytí,
ceny energií), až nalezneme optimální variantu. Možnost měnit vstupní parametry pro zvolené
řešení je velmi výhodná a oceníme ji tehdy, pokud chceme zjistit citlivost celkových nákladů
na změny některých vstupů (zejména cena paliva, ceny elektrické energie).
Při nalezení nejvýhodnějšího způsobu krytí spotřeby pomocí mého programu si musíme
uvědomit, že v praxi je nutné takto navržené řešení podrobit analýze při respektování průběhu
zatížení během dne, resp. týdne, které jsou zpřesněním modelu zohledňujícího pouze měsíční
spotřeby. Tuto variantu, tedy volbu krytí spotřeby energií na základě denního, resp. týdenního
průběhu zatížení, však můj program neumožňuje. Rovněž je nutné si uvědomit, že optimální
řešení z hlediska ekonomického ještě nemusí splňovat specifické požadavky na spolehlivost
dodávky energií, která může být v některých případech velmi významným faktorem,
ovlivňujícím počet a skladbu zdrojů.
44
Sekce Elektrotechnologie
složení komise
předseda
doc. Ing. Zbyněk Kraus, CSc.
členové
doc. Ing. Olga Tůmová, CSc.
Ing. Václav Boček, Ph.D.
Ing. Jan Drobílek
Ing. Lenka Lešnerová
45
Elektřina v odpadovém hospodářství
Jan Forst - TE 5
Veškerá výrobní i nevýrobní činnost je doprovázena vznikem odpadů. Otázka jejich
využití nebo zneškodnění představuje dnes prvořadý úkol z hlediska ochrany prostředí i
z hlediska ekonomického.
Odpad se dělí podle kategorií na nebezpečný a ostatní, podle těchto kategorií je s ním
také nakládáno. Nejrozšířenější metodou zneškodňování odpadů je u nás skládkování (na
jeden okres připadají v průměru dvě skládky), hlavně pro snadnou dostupnost a příznivou
cenu, kterou ale nový Zákon č.185/2001 Sb. zvýšil a v průběhu několika let bude postupně
zvyšovat, ve snaze zvýhodnit jiné, ekologičtější metody zpracování odpadu, ale to vše nám
poví až nedaleká budoucnost. Z hlediska ochrany životního prostředí se spalování odpadů jeví
vhodnější než skládkování. Nevýhodou této metody jsou vysoké investiční i provozní náklady
a vznikající emise plynných škodlivin, které nelze dokonale odstranit ze spalin. Náklady na
spalování v nově nabízených spalovnách se u nás pohybují kolem 1600 Kč/t a více. Dalšími
metodami zneškodňování odpadů jsou kompostování, anaerobní fermentace, fyzikální a
chemické metody.
V odpadovém hospodářství jsou používány různé elektrotechnologie, které jsou
užitečné především v oblasti recyklace hodnotných látek. Zájem je také o získávání energie
z odpadu. Některé z následujících metod elektrické likvidace a recyklace jsou již léta
využívány, ale větší část se teprve zavádí nebo je v provozu pouze několik let. Modernizace
již používaných zařízení, která je ale většinou dosti nákladná, někdy nevyhnutelná, je ve
většině případech výhodná investice do budoucna.
Spalování poskytuje možnost využití tepla, tepelné energie pro ohřev teplé užitkové
vody, vytápění vlastního objektu nebo přilehlých objektů, či možnost přeměny tepelné energie
na elektrickou energii. Možná je také kombinovaná výroba tepla a elektrické energie
(kogenerace).
Bioplyn (metan+oxid uhličitý), který se získává z anaerobní fermentace (nejčastěji:
anaerobní čištění odpadních vod, skládkování tuhých odpadů), je velice výhodně
zpracováván, spalován nejvhodněji v kogenerační jednotce, která poskytuje teplo a
elektrickou energii.
Tendence ke zvyšování podílu recyklovaných odpadů je markantní zejména v případě
odpadů kovových a kovonosných, poněvadž produkce a spotřeba kovů se zvyšuje od počátku
20. století exponenciálně při poměrně značném omezené kapacitě rudných ložisek. Proto je
nutno omezovat využívání přírodních zdrojů a požadované množství kovů a i jiných materiálů
zajišťovat zvýšenou recyklací odpadů. Základem recyklace je separace odpadu a čistota
materiálu. Separace magnetických dílů je prováděna pomocí permanentních magnetů nebo
elektromagnetů. Metody pro separaci nemagnetických kovů v závislosti na velikosti a podílu
těchto kovů v drti jsou: Elektrodynamická separace, Detekce v proměnném
elektromagnetickém poli, Koronový separátor. Separace skleněných střepů, plastů od
nežádoucích příměsí (keramiky, porcelánu a kamene) je prováděna pomocí optických
detektorů. Novou metodou pro třídění plastů na jednotlivé druhy plastů je Triboelektrická
separace.
Pro odstraňování nečistot (např. těžkých kovů, uhlovodíků) z odpadních vod, či
opětovné získávání mědi a čištění leptacího roztoku, mohou být se stejně hodnotnými
výsledky čištění (bez chemikálií) docíleny elektrolýzou.
46
Vliv surovin na vlastnosti skelných laminátů
Jan Heidlberg - TE 5
lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET
Na lidskou civilizaci mají kromě přírodních podmínek nezanedbatelný vliv také
rozmanitost a vlastnosti materiálů, které se společnost rozhodla využívat. Při neustále
vzrůstajícím počtu obyvatel naší planety se dnes stávají limitujícím ukazatelem omezené
zdroje surovin a energií. To je hlavním důvodem, proč se v celém světě věnuje prvořadá
pozornost výzkumu nových výrobních technologií a materiálů.
V současné době vzrůstá využití kompozitů používaných původně pouze pro snížení
výrobních nákladů. Jejich velká rozmanitost je umožněna množstvím známých druhů plniv,
matricí, způsobů jejich spojení, různorodostí geometrického a strukturního uspořádání a jejich
kombinací.
Kompozity jsou dvou či vícesložkové heterogenní materiály, u nichž jedna složka
představuje spojitou fázi a plní úlohu matrice, zatímco druhá složka tvoří zpravidla
diskontinuální fázi a plní úlohu výztuže.
Jako lamináty označujeme mnohovrstvé vláknové kompozity, kde vyztužující složka
(dlouhá vlákna v různé textilní formě – pramence, tkaniny, rohože) je nositelem pevnostního
chování a nese převážnou část namáhání. Polymerní matrice působí jako spojovací materiál
vláken, slouží k přenosu zatížení mezi vlákny a současně je nositelkou dalších specifických
vlastností, jako jsou chemická a tepelná odolnost, elektrické a optické vlastnosti, odolnost
vůči abrazi atd.
Pro efektivní využití jakéhokoliv materiálu je nezbytná znalost jeho vlastností
fyzikálních, chemických, elektrických a v neposlední řadě také fyziologických.
Ve firmě Lamitec Czech s.r.o. byla ukončena výroba laminátu typu FR-4 Umatext 222
pro desky plošných spojů a zahájena výroba materiálu pod označením Lamplex FR-4. Vlastní
technologický proces zůstal téměř beze změny, ale používané suroviny jsou z části od
původních a zčásti od nových dodavatelů. Proto je náplní mojí práce porovnání vybraných
elektrických vlastností tří dodaných laminátů (vzorky poskytnuté firmou Lamitec Czech
s.r.o.), které bude použito pro porovnání kvality produkce. Vyhodnocované materiály jsou
shodné tloušťky. Liší se výrobcem použité epoxidové pryskyřice (firma Bakelite a firma
Leuna Harze) a výrobcem použitých aditiv (firma CIBA a firma Leuna Harze) a jejich typem
(UV aditivum XB 4399-3A 70 a UV aditivum EPILOX M 912).
UV aditivum se používá z důvodu snížení propustnosti laminátu pro UV záření.
Výhody takto upraveného materiálu spočívají v možnosti automatické optické inspekce (na
laminátu lze po dopadu UV záření lépe rozeznat vodivé cesty) a nanášení nepájivé masky
fotoprocesem (materiál není prosvícen a tedy ani exponován na nežádoucí straně).
U laminátů se vyhodnocovalo průrazné napětí podél vrstev, elektrická pevnost kolmo
na vrstvy, povrchová a vnitřní rezistivita, redukované resorpční křivky (RRK), poměrná
permitivita a ztrátový činitel.
Vlastnosti materiálů jsou ovlivněny také prostředím, kterému jsou vystaveny.
Kompozity s vláknitou strukturou podléhají ve většině případů navlhání. Množství
absorbované vlhkosti závisí na tlaku par (při konstantní teplotě je tlak par přímo úměrný
relativní vlhkosti). Při stoupající vlhkosti prostředí se zvyšuje i obsah vlhkosti absorbované
v materiálu.
Proto se výše uvedené elektrické vlastnosti vyhodnocovaly pro výchozí stav materiálu,
stav po expozici v 50 °C teplé destilované vodě a stav po expozici ve vlhkém teple.
47
Metodika pro ověřování kvality povrchu izolantů
Klára Maxová - SE 4
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Kompozitní materiály jsou důležitou, v elektrotechnice velmi používanou materiálovou
skupinou. Jejich vlastnosti mají klíčový význam pro jednotlivá aplikační použití. Souborně
jsou jejich všeobecné vlastnosti definovány katalogovými listy jednotlivých materiálů. Zde se
ovšem uvádějí jen základní informace nevyhovující pro speciální případy. Takovým je např.
stav povrchu materiálů, který má klíčový význam zejména v elektrotechnických aplikacích.
Vzhledem k této skutečnosti jsem se rozhodla věnovat se problematice studia stavu povrchu
kompozitů, zejména z elektrotechnického hlediska (použití kompozitu jako izolantu).
Nejprve jsem shromáždila informace týkající se ověřování kvality povrchu izolantů.
Vyhledala jsem tak soubor metod, jejichž principy, metodiky a provádění se staly základem
pro sestavení diagnostického systému pro tuto oblast. Praktickým ověřováním vyhledaných
metod jsem se seznámila jednak s přímým prováděním vlastních měření, dále pak s klasifikací
těchto metod vzhledem k jejich aplikovatelnosti.
Prováděla jsem měření odolnosti izolantu proti plazivým proudům a měření
povrchového odporu.
Plazivé proudy pozorujeme při vzniku vodivých cest, které se tvoří na povrchu tuhého
izolačního materiálu za kombinovaného působení elektrického namáhání a elektrolytické
kontaminace na tomto povrchu. U materiálu dochází k elektrické erozi, což je opotřebení
povrchu izolačního materiálu působením elektrických výbojů. Vznik plazivých proudů je
podporován vlhkostí vzduchu a elektrolyty adsorbovanými v povrchové bláně vody smáčející
izolant. Bezpečnost izolantu proti plazivým proudům je dána jeho odolností proti nim, tvarem
izolantu a hlavně vzdáleností elektrod. Cílem měření je určení CTI - porovnávacího indexu
odolnosti proti plazivým proudům, což je číselná hodnota maximálního napětí ve voltech, při
kterém nedojde ke vzniku vodivých cest. Základem měřícího zařízení jsou dvě elektrody
obdélníkového průřezu, které jsou symetricky uspořádány ve vertikální rovině pod úhlem 60°
a jejich konce jsou vzdálené (4 ± 0,1) mm na vodorovném povrchu zkušebního tělesa.
Elektrody jsou napájeny střídavým napětím (100 ÷ 600) V. Nadproudové relé ve zkušebním
obvodě vypne, stoupne-li proud na 0,5 A nebo více po dobu 2 s. Plocha mezi elektrodami je
zvlhčována kapkami zkušebního roztoku (0,1 ± 0,002) % hmotnosti NH4Cl v destilované
vodě v intervalech (30 ± 5) s. CTI je hodnota maximálního napětí, při kterém materiál vydrží
50 kapek zkušebního roztoku bez porušení.
Povrchový odpor charakterizuje stav nosičů volného elektrického náboje, tj. obsah
nečistot a polovodivých příměsí na povrchu izolantu, jejichž disociované částice vznikají
interakcí povrchu izolantu s okolním prostředím. K měření povrchového odporu se používá
tříelektrodového systému. Byly použity kovové kruhové elektrody. Vzorek materiálu se vloží
mezi uzemněnou elektrodu a dvě sousředné, mezi nimiž je mezera 1 mm. Povrchový odpor je
dán poměrem napětí a proudu procházejícího po povrchu izolantu mezi těmito dvěma
elektrodami. Odpor se stanoví z proudové hodnoty po jedné minutě od přiložení napětí, i když
proud nedosáhl ustálené hodnoty. Povrchová rezistivita je poměr intenzity stejnosměrného
elektrického pole a proudové hustoty v povrchové vrstvě izolantu – jedná se o povrchový
odpor redukovaný na jednotku plochy.
Uvedená měření jsem aplikovala na tři typy povrchů osmi druhů kompozitů. Měření
jsem prováděla na původním povrchu materiálu, dále na opracovaném povrchu a nakonec na
opracovaném povrchu přelakovaném lakem Epoxylite H 2001 (modifikovaná epoxidová
pryskyřice ve vodní bázi). Tyto úpravy povrchu mají za následek rozdílné hodnoty
naměřených veličin. Vliv opracování povrchu na různé materiály se však liší. Získané
výsledky umožnily porovnání jednotlivých materiálů mezi sebou.
48
Návrh a vyhodnocování experimentů
Petr Netolický - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
V každém vědním oboru a odvětví průmyslu je nezbytné při experimentální práci
zabývat se souvislostmi mezi daným oborem a teorií experimentu. Vzájemné souvislosti pak
pomáhají snadněji identifikovat prvky systému a jejich vzájemné vazby potřebné pro
experimentální práci. Každá experimentální práce však klade na experimentátora požadavek
znalosti prostředí, podmínek a vzájemných vazeb, ve kterém je daný systém realizován. To je
předpoklad kvalitního návrhu a správného vyhodnocení experimentu. Právě návrhem a
vyhodnocením experimentu se zabývá tento příspěvek vzniklý na základě zpracované
diplomové práce.
Zpracovaná práce se zabývá návrhem a vyhodnocováním experimentů ve společnosti
HOB CerTec spol. s r.o., výrobcem keramických válečků pro průchozí vypalovací pece.
Samotná práce (její aplikační část) je rozdělena do dvou částí. V první části se zaměřuje
na popis výroby, v druhé části jsou navrhnuty a vyhodnoceny některé experimenty.
První část, zaměřená na popis výroby, charakterizuje všechny výrobní operace důležité
pro vznik výrobku – keramického pecního válečku. Popis výroby vychází z procesního
pohledu na výrobu, tzn. jednotlivé operace (procesy výroby) mají svůj definovaný vstup,
výstup, činnost. Těmito procesy jsou: proces přípravy materiálu, proces odležení předtažků,
proces lisování, sušící proces, vypalovací proces, proces finální úpravy a proces balení a
expedice. Při popisu výroby je věnována pozornost zejména těm procesům, které jsou důležité
pro jakost výrobku a procesům důležitým pro návrh experimentů.
V druhé části je na základě znalosti prostředí, podmínek a vzájemných vazeb z první
části vybráno 9 faktorů, ze kterých jsou navrhnuty 4 faktorové experimenty. Jednotlivé
návrhy se provádějí z neplánovaných pokusů, tj. na základě změřených dat v průběhu výroby,
o kterých se primárně nepředpokládalo budoucí zahrnutí do experimentů. Navrhnuté
faktorové experimenty jsou vyhodnocovány metodou analýzy rozptylu (v každém
experimentu se vždy provádí čtveřice dílčích analýz). V případě dalšího testování, které je
nutné v případě nepříznivých výsledků analýzy rozptylu, se využívá Scheffého metoda pro
mnohonásobná pozorování. Tato metoda je vhodná zejména pro zde použitá nevyvážená
třídění. Modelem experimentu je nevyvážený dvoufaktorový experiment s opakováním bez
interakcí. Pro vyhodnocování je použit statistický systém STATGRAPHICS Plus for
Windows.
Výsledky jednotlivých experimentů ukazují na vysokou statistickou významnost
několika faktorů, které ovlivňují výsledný jakostní znak keramického válečku – parametr
TIR /mm (tolerance v rotaci – největší odchylka podélné osy válečku od ideální). Při
porovnání s předchozími dvěma analýzami provedenými ve společnosti v minulých letech se
výsledky při porovnání potvrzují,že u některých faktorů je možné sledovat jejich posun
v závislosti na čase. Též při srovnání s analýzou provedenou profesionální firmou jsou závěry
obdobné.
Přínosem práce je pro společnost HOB CerTec spol. s r.o. její možné využití
vrcholovým vedením (včetně úseku jakosti) při plánování a zlepšování jakosti svých výrobků.
Popisnou část výroby je možné využít při seznamování nových zaměstnanců s výrobou.
49
Srovnání vlastností savých pásek s různými nosiči pro tepelnou třídu H
Josef Pihera - KE 5
lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET
Důležitou součástí trakčních pohonů je jejich izolační systém, který určuje podmínky a
životnost jejich provozování. Na izolační systémy jsou kladeny stále větší technické
požadavky. Je požadována velmi vysoká tepelná odolnost, dostatečná elektrická pevnost,
odolnost vůči navlhání a působení chemikálií (zejména soli v zimních podmínkách). Dříve
používané izolační systémy na bázi resin-rich izolantů se silikonovými pojivy tyto podmínky
v řadě případů nesplňují z důvodu malé kompaktnosti izolačního systému. Podstatně lepších
výsledků se dosahuje s použitím technologie vakuově tlakové impregnace VPI. Požadavky na
izolační savé pásky používané pro technologii VPI se soustřeďují zejména na: dobré
elektroizolační vlastnosti, schopnost rychle se nasytit impregnační pryskyřicí, a to i v několika
vrstvách současně, dobré mechanické vlastnosti, umožňující jak ruční, tak strojní izolování
cívek, dobrou soudržnost nosiče se slídovým papírem, dostatečnou elasticitu.
Pro diagnostiku vlastností byly vybrány materiály Remikapor 46.012 se skleněným
nosičem a Remikapor PEN s polyetylenaftalátovým nosičem.
Nezbytnou součástí izolačního systému jsou impregnační pryskyřice. Ty dodávají
izolačnímu systému konečné vlastnosti, proto se musí z technologického hlediska vyznačovat:
dostatečnou tepelnou odolností, velmi nízkou viskozitou při relativně nízkých teplotách
(40 – 60 °C), relativně krátkým časem gelace pojiva, dostatečnou životností pryskyřice
v zásobním tanku, nesmí obsahovat rozpouštědla a samozřejmě musí mít dobré dielektrické a
mechanické vlastnosti.
V současné době se pro aplikace v tepelné třídě H a C používají pryskyřice epoxidové
a silikonové.
Pro posouzení charakteristických vlastností materiálů s různými nosiči (sklo, PEN
fólie) jsou prováděny aplikační testy, a to následujícím způsobem. Modelové trny rozměru
500×25×5 byly ručně izolovány páskami šíře 20 mm ve třech vrstvách s 50 % překrytím. Dále
proběhla impregnace VPI následovně: vzorky vloženy do předehřátého impregnantu 50 °C
(Wacker H62C, Epoxylite 347), zavedeno vakuum 1 mbar po dobu 2 h, zrušeno vakuum a
zaveden tlak 4 bar po dobu 3 h. Po celou dobu impregnace byly teploty impregnantů
stabilizovány na 50 °C. Po ukončení procesu byly vzorky vytvrzeny po dobu 16 h při
teplotách: Wacker H62C 200 °C, Epoxylite 347 165 °C.
Takto připravené vzorky byly dále vystaveny tepelné expozici 220 °C.
Charakteristickou porovnávací vlastností bylo zvoleno průrazné napětí, měřené v dodaném
stavu, po 20 a 40 dnech tepelné expozice. Dosažené výsledky nám představuje graf.
Průrazná napětí
U (kV)
40
46.012 s W
30
46.012 s E po 20
20
PEN s W po 20
46.012 s W po 40
10
0
46.012 s E
PEN s W
46.012 s W po 20
46.012 s E po 40
PEN s W po 40
Z grafu je patrné, že savá páska s polyetylenaftalátovým nosičem dosahuje mnohem
vyšších hodnot průrazného napětí než pásky se skleněným nosičem. Porovnáme-li pásky se
skleněným nosičem, tak vyšších hodnot průrazného napětí v dodaném stavu dosahuje páska
s epoxidovým impregnantem. Pokles těchto hodnot po 40 dnech stárnutí je však rapidnější,
než u silikonového impregnantu.
50
Měření vodivosti izolantů
Radek Polanský - KE 5
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
Elektrickou vodivost (konduktivitu) považujeme všeobecně za jev, který není pro
izolanty příznivý. Elektrická vodivost je v přímém rozporu s hlavní vlastností izolantů, tou je
izolovat dvě místa s rozdílným potenciálem a zabránit tak průtoku proudu mezi nimi. Každý
izolant obsahuje vázané i volné nosiče elektrického náboje. Vložíme-li izolant do elektrického
obvodu stejnosměrného proudu, začnou se početnější vázané náboje vysunovat ze svých
rovnovážných poloh. Volné náboje pomalu putují materiálem. Elektrická konduktivita souvisí
právě s těmito jevy. Je závislá na skupenství, typu nosičů elektrického náboje, teplotě apod.
Obecně ji lze vyjádřit vztahem:
γ = n0 ⋅ q ⋅ b
kde no je počet nosičů elektrického náboje v jednotce objemu [cm-3], q [C] elementární náboj
nosiče a b [cm-2.V.s-1] je pohyblivost nosiče elektrického náboje.
V ideálním případě by měla být vodivost izolačních materiálů nekonečně malá a
rezistivita nekonečně velká. Toto je pouze teoretický předpoklad, ke kterému se můžeme
v praxi pouze přiblížit.
Měření elektrické vodivosti izolantů je předmětem normy ČSN IEC 93 (Měření vnitřní
a povrchové rezistivity tuhých elektroizolačních materiálů), která doporučuje pro její určení
tři metody: voltampérmetrovou metodu, metodu Wheatstonova můstku a ampérmetrovou
metodu.
Jako optimální se jeví voltampérmetrová metoda, která je jednoduchá a navíc poměrně
přesná. Při použití kvalitního elektrometru lze měřit odpory až do hodnoty 1016 Ω. Vzhledem
k hodnotám odporu dnešních elektroizolačních materiálů je tato metoda nejvhodnější. Její
podstatou je měření proudu protékajícího vzorkem, na který je připojeno stejnosměrné napětí.
Citlivost metody je dána citlivostí měřícího přístroje proudu. Z tohoto předpokladu plyne
hlavní účel mé práce - porovnat citlivost této metody v závislosti na typu použitého
ampérmetru. Díky oddělení elektrotechnologie KET jsem měl možnost vyzkoušet tuto metodu
se třemi různými ampérmetry (picoammeter NC 0102 firmy Mikrotechna Modřany;
elektrometr 610C firmy Keithley; systém 65 firmy Keithley). Jako zkušební vzorky jsem
použil dva materiály: kartit (pod označením Kartit K firmy Kablo Malacky) a sklotextit (pod
obchodním označením Isoval 11 firmy Isovolta AG Wiener Neudorf). Vycházel jsem
z předpokladu, že kartit je obecně materiál, který se svými vlastnostmi řadí k elektroizolačním
materiálům horších kvalit. V praxi se používá spíše jako konstrukční materiál. Naopak
sklotextit je na druhé straně této pomyslné čáry a řadí se k velmi dobrým izolačním
materiálům.
Vodivost je jedna z vlastností izolačních materiálů, která je při vývoji nových (nebo při
diagnostikování již používaných) materiálů sledována. Znalost nejen vodivosti, ale i ostatních
vlastností izolantů a jejich změn mají v praxi pro projektanta, konstruktéra a zejména
technologa základní význam.
Voltampérmetrová metoda
51
Vliv teploty na degradaci izolačních materiálů v transformátorech
Ladislav Prantner - KE 5
lektor: Ing. Václav Boček, Ph.D. - KET
V období od září do května probíhalo v laboratoři KET testování vybraných materiálů
používaných při výrobě transformátorů. Cílem těchto zkoušek bylo zjistit stav degradace
vybraných materiálů. Vzorky materiálů byly dodány ze Škoda Energo s.r.o. Plzeň a jednalo se
o hrubou transformátorovou lepenku (trafoboard), lesklou lepenku a Kartit KE.
Kvůli destruktivní diagnostice vzorků při měření elektrické pevnosti byly připraveny
dva druhy vzorků. Vzorky o rozměrech 10 × 10 cm, pro měření ztrátového činitele tg δ,
relativní permitivity a povrchové rezistivity a vzorky 30 × 30 cm pro měření elektrické
pevnosti. Pracovní hodnoty teplot jsou pro všechny vzorky 80 °C, maximální teplota, při které
jsou transformátory odstaveny z provozu je 100 °C. Vzorky byly uloženy do horkovzdušné
sušky při teplotě 120 °C, po určitých časových intervalech byly vyjímány a měřeny. To
znamená, že byla prováděna zrychlená zkouška degradace. Časové intervaly nebyly pevně
stanoveny, protože nebylo časově, ani organizačně možné dodržet pevné termíny.
Pro měření tg δ a εr bylo používáno zařízení Tettex 2821, pro měření povrchové
rezistivity klasické V-A zapojení s picoammetrem NC 0102 a pro měření průrazného napětí
vysokonapěťový transformátor napájený z regulačního autotransformátoru TüR WPT 4,4/100.
Počátečním odzkoušením průrazného napětí jednotlivých vzorků, bylo zjištěno, že bude nutné
měřit vzorky Kartitu v transformátorovém oleji. Kartit jako jediný materiál má vysokou
elektrickou pevnost a docházelo vlivem klouzavých výbojů k přeskokům výboje mimo
materiál.
Výsledkem měření ztrátového činitele je charakteristika, která vyšla naprosto přesně
podle předpokladů. V časech mezi 2 ÷ 4 hodinou došlo k vysušení vzorků a tedy i k poklesu
hodnoty tg δ řádově sedmkrát a to jak pro lesklou tak i pro hrubou lepenku. V časech od 4 do
610 hodin se hodnoty pro hrubou lepenku příliš nelišili od hodnoty 0,0086, pro lesklou
lepenku od hodnoty 0,0065. Vzorky Kartitu vykazovaly hodnoty poněkud jiné. Zde nebyl
pokles tak znatelný (3×) a od 4 hodiny se hodnota ztrátového činitele neodchýlila od hodnoty
0,0145.
Rozbor hodnot měření povrchové rezistivity ukázal značnou odchylku od předpokladů,
kdy se hodnota povrchového odporu zvýšila v čase 4 hodiny o 2 řády. Toto zvýšení bylo
zřejmě způsobeno tím, že vzorky byly vyjmuty z pece den před měřením a došlo k jejich
navlhnutí. Pokles povrchového odporu vlivem degradačních jevů se začíná projevovat u hrubé
lepenky už při překročení hranice 172 hodin. Oproti tomu lesklá lepenka a Kartit mají svoji
hranici odolnosti posunutou až na hodnotu 933 hodin. Při měření elektrické pevnosti se
jednoznačně prokázalo, že nejvyšší hodnotu Ep má Kartit (v dodaném stavu 94 kV.mm-1),
druhá v pořadí je hrubá lepenka (v dodaném stavu 23 kV.mm-1) a nejmenší elektrickou
pevnost má lesklá lepenka (v dodaném stavu 14 kV.mm-1). Degradace se u těchto materiálů,
z hlediska měření elektrické pevnosti, začíná projevovat poměrně brzy, a to pozvolným
poklesem hodnot. Čas, kdy se v grafech začíná projevovat pokles Ep, je pro hrubou lepenku
247 hodin, pro Kartit 353 hodin. Jediný materiál, který se liší, je lesklá lepenka, která si drží
vyrovnané hodnoty i přes to, že doba degradace je 610 hodin.
Výsledkem celého měření bylo zjištění, že teplotní degradace se projevuje poměrně
značně u všech sledovaných materiálů. Tyto parametry jsou velice důležité při volbě
materiálů pro transformátory. Nejvýraznější je vliv teplotního stárnutí na hodnoty elektrické
pevnosti a povrchového odporu. Povrchový odpor vykazuje změny již při čase stárnutí 172
hodin a elektrická pevnost již v časech 247 hodin. Hodnoty tg δ nedoznaly větších změn ani
při překročení 610 hodinové hranice.
52
Zařízení pro ohřev vzorků při termomechanických zkouškách materiálů
Václav Roneš - ES 4
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Termomechanické zkoušky materálů spočívají v mechanickém a tepelném namáhání
vzorku materiálu se současným měřením vzniklých deformací. K tomuto účelu slouží stroj,
který umožňuje mechanické namáhání testovaného vzorku tahem, tlakem a krutem a dále
zařízení, které po celou dobu testování zajišťuje požadovanou teplotu vzorku. Kromě
statického režimu ohřevu na konstantní teplotu musí zařízení umožňovat též dynamický
režim, při němž je vzorek vystaven teplotním cyklům. Požadované parametry přístroje pro
ohřev jsou: dosahovaná teplota min. 1100 °C s chybou menší než ± 5 °C, strmost náběhu
teploty při dynamickém testu min. 200 °C/s, doba trvání testů neomezená (běžně několik
hodin). Vstupem přístroje má být zadaná teplota, výstupem kromě vlastního ohřevu i změřená
okamžitá teplota vzorku. K měření teploty je přímo na vzorku navařen termočlánek. Mým
úkolem je takové zařízení pro ohřev navrhnout a realizovat.
Prvním úkolem byl výběr metody ohřevu vzorku. Vzhledem k požadavku na malé
rozměry a snadnou přenositelnost zařízení a s přihlédnutím ke konstrukčnímu uspořádání
zkušebního stroje, byl zvolen elektrický ohřev vzorku. A to varianta přímého ohřevu vzorku
průchodem proudu. Výkon potřebný k ohřevu největšího z testovaných vzorků s požadovanou
strmostí náběhu teploty se pohybuje kolem 1 až 2 kW. Tomu odpovídá proud vzorkem asi
500 A. Dalším úkolem tedy bylo navrhnout zdroj, který bude schopen trvale dodávat takový
proud a výkon. V tomto okamžiku se výzkum rozdělil na dvě varianty.
První variantou je použití transformátoru pro kmitočet 50 Hz napájeného ze sítě 230 V
s vhodně dimenzovaným sekundárním vinutím. Takový transformátor s výkonem kolem
2 kW je již poměrně veliký a jeho hmotnost značná. Řízení výkonu je též problematické.
Regulace pouhým vynecháváním period síťového napětí na primární straně transformátoru
pomocí spínacího prvku (např. optotriaku), se ukázala být příliš hrubá a kolísání teploty
vzorku nepřijatelné. Možností jak tuto regulaci vylepšit je použít na primární straně
transformátoru usměrňovač se střídačem a výkon transformátoru regulovat řízením velikosti
napájecího napětí. Takový zdroj je však již značně složitý a jeho cena vysoká, také velké
rozměry a hmotnost transformátoru hovoří proti. Proto bylo úsilí obráceno ke druhé variantě.
Druhá varianta spočívá v použití vysokofrekvenčního transformátoru, jehož rozměry a
hmotnost jsou při stejném přenášeném výkonu několikanásobně menší než u transformátoru
pro 50 Hz. Ve vyvíjeném funkčním vzorku je transformátor napájen z napěťového střídače
obdélníkovým napětím o kmitočtu 40 kHz. Střídač je realizován jako jednofázový můstek se
čtyřmi tranzistory MOSFET typ IRFP460 (500 V/25 A), buzenými dvojicí budičů IR2112.
Řídicí jednotku tvoří jednočipový mikropočítač Atmel AVR AT90S2313, který zároveň
obstarává měření teploty vzorku a její regulaci na požadovanou hodnotu. Problémem této
druhé varianty je nedostupnost kvalitních jader pro vysokofrekvenční transformátory výkonů
nad 400 W. Řešením může být složení jádra transformátoru z několika menších jader.
Opomenout nelze ani problematiku návrhu pohyblivých přívodů od zdroje k testovanému
vzorku. Vzhledem k požadavku na neomezenou dobu trvání testu musí být provozní oteplení
přívodů minimální. Jako nejvhodnější se jeví být měděné splétané pásy o průřezu minimálně
300 mm2. Taktéž dosažená účinnost samotného zdroje by měla být s ohledem na oteplení co
nejvyšší a je potřeba dobře zajistit jeho chlazení.
Závěrem lze říci, že práce na celém tomto úkolu není zdaleka u konce a jeho dovedení
do stavu funkčního prototypu si vyžádá ještě mnoho času a úsilí.
53
Možnosti likvidace nebezpečného odpadu
Michaela Zíková - TE 5
Otázka omezení vzniku odpadů a způsobů jejich bezpečného, ekologicky a ekonomicky
výhodného zneškodnění patří dnes k nejpalčivějším hospodářským i politickým problémům
na celém světě. Přestože ve výrobní a společenské sféře množství produkovaných odpadů,
které mnohdy jsou již příčinou ekologického kolapsu, stále narůstá, teprve v posledních 25
letech se začaly průmyslově vyspělé země intenzivně zabývat jejich zneškodňováním i
možnostmi omezování jejich vzniku .U nás byl teprve v roce 1991 přijat zákon o odpadech,
který dává této závažné, a u nás dosud zcela opomíjené problematice, závazný právní
podklad. Nový zákon o odpadech č. 185/2001 Sb. platí od 1. 1. 2002.
„Odpad jsou všechny látky a suroviny, které byly objevené, prozkoumané, přeměněné
nebo vyrobené lidskou činností, ale v dané době nemají z technických důvodů přímé využití
ve výrobě. Jde o zbytky látek využívaných v rámci výrobního procesu nebo předmětu
spotřeby, které v daném kontextu svého vzniku a původního využití již nemají užitnou
hodnotu.“ Tato definice není však zcela výstižná, protože odpady zná i příroda např. ložiska
uhlí či akumulace schránek bezobratlých aj. To vše jsou zcela běžné přírodní odpady,
materiál, který příroda není schopna v daném okamžiku využít. Tyto, řekněme přirozené
odpady však životnímu prostředí nevadí.
Další definice,vysvětlující pojem odpad, je ze zákonu č. 185/2001 Sb. „Odpad je
každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl nebo povinnost se jí zbavit a přísluší
do některé ze skupin odpadů uvedených v příloze č. 1 k tomuto zákonu.“
Odpady se podle míry rizika pro životní prostředí dělí do dvou kategorií, tj. na odpady
nebezpečné a na odpady ostatní. Nebezpečným odpadem je odpad vykazující jednu nebo více
nebezpečných vlastností uvedených v příloze č. 2 zákona o odpadech č. 185/2001 Sb.
Odpady je v současné době možné likvidovat několika způsoby. Nejrozšířenějším
způsobem je skládkování. Nevýhody skládkování jsou známé: potřeba velkého množství
půdy, pozvolná emise škodlivých látek a v neposlední řadě ohrožení pitné vody dlouhodobým
zatížením škodlivými látkami, což představuje ekologickou hrozbu pro nás i naše budoucí
generace.
Další možností likvidace odpadů je jejich spalování. Zahraniční zkušenosti z provozu
technologických celků pro spalování komunálních a průmyslových odpadů dnes jednoznačně
ukazují, že pokud je kvalitní technologie spalování s moderní odlučovací technikou a správně
řízen spalovací proces, je možno hovořit o ekologicky bezpečné technologii. Termicky je
přitom možno zpracovávat jak komunální, průmyslové, zemědělské, nemocniční a další
problémové druhy odpadů. Dnes již je standartní, že moderní termické zneškodnění odpadů je
spojeno s využitím energetického potenciálu a s výrobou druhotné energie. Další výhodou
spalování je silná redukce objemu odpadů a tomu odpovídající malý prostor pro skládkování a
termické zničení některých toxických složek odpadu.
Pro zlepšení vlastností vzniklých odpadů, pro manipulaci, skládkování, ale i další
využití, regeneraci a recyklaci se odpady ještě upravují. Úpravou odpadů rozumíme změnu
jejich fyzikálních, chemických nebo biologických vlastností s cílem dalšího využití či
zneškodnění.
Zneškodňování odpadu je zaměřeno na zbavení odpadů nebezpečných vlastností a
zabránění jejich následným nebezpečným vlivům na životní prostředí.
Hlavním úkolem mé diplomové práce je zabývat se možnostmi likvidace nebezpečného
odpadu a navrhnout elektrické metody likvidace nebezpečného odpadu.
54
Sekce Energetické sítě
složení komise
předseda
doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc.
členové
Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D.
Ing. Václav Koucký, CSc.
Ing. Pavla Holejšovská
Ing. Petr Šálek
55
Návrh propojení uzlových oblastí 110 kV ZČE
Jaroslav Egrmajer - EE 5
V této práci se zabývám distribuční sítí 110 kV ZČE. Po popisu současného stavu
stanovím kritická místa a popisuji jejich současná řešení. Jde především o jižní přeštický kruh
a spojku mezi oblastmi Střed a Sever. Současný stav se zlepší po vybudování nových vedení
mezi rozvodnami Horažďovice-Strakonice a rozvodnami Plzeň Jih-Nová Hospoda.
K výstavbě těchto vedení dojde pravděpodobně v roce 2004.
Další slabá místa jsou na vedeních, která jsou provozována paprskově. Na těchto
vedeních není splněné základní kritérium pro spolehlivou dodávku elektrické energie N-1.
Nejslabším místem z tohoto pohledu jsou vedení V1279 a V1280. Vedením V1280 je
z rozvodny Toužim napájena rozvodna Drmoul, z které je vedením V1279 napájena rozvodna
Planá. Při poruše na těchto vedeních dojde k výpadku v daných rozvodnách, a to až to doby
než se provede manipulace v rozvodně Tachov.
V práci porovnávám dvě varianty propojení rozvodny Drmoul s rozvodnou Jindřichov
(varianta A-jednoduché vedení, varianta B-dvojité vedení) a zasmyčkování rozvodny Drmoul
do vedení V377 (varianta C). Při každé z těchto uvažovaných variant dojde ke splnění kritéria
N-1 na vedení V1280. Teoreticky lze splnit toto kritérium i provozováním propojených
oblastí.
Všechny tyto možnosti jsou v této práci zvažovány. Dále se zabývám i možnostmi
zvýšení spolehlivosti propojením uzlů sítě 110 kV. Možnosti jsou v rozvodně Tachov spojení
oblastí Vítkov a Přeštice I, v Přešticích spojení oblasti Chrást s oblastí Přeštice I nebo Přeštice
II a poslední možností je spojení v Toužimi oblasti Chrást s oblastí Vítkov popř. Přeštice I.
Podle vypočítaných schémat by se zdálo, že by bylo možné jednotlivé oblasti
provozovat propojeně, ale ve skutečnosti je tento problém podstatně složitější. Z pohledu
dispečerského řízení je téměř nepřípustné provozovat propojeně soustavy napájené z různých
nadřazených sítí (400 a 220 kV). Tímto způsobem lze pouze eliminovat vznik poruchových
událostí.
Při provozování propojených oblastí napájených ze stejných nadřazených soustav
nastávají problémy s regulací napětí. I při malých rozdílech napětí na sekundárních stranách
napájecích transformátorů z nadřazené soustavy dochází k poměrně velkým změnám
v rozložení výkonů. Důsledkem těchto výkonových změn dojde opět k navýšení ztrát.
Z těchto důvodu není výhodné trvale provozovat propojené oblasti, a tedy není vhodné tímto
způsobem zvyšovat spolehlivost sítě 110 kV.
Vznik nového vedení (varianty A, B i C) ovlivňuje síť i v jeho okolí. U všech těchto
variant dochází ke změně přerozdělování výkonu. Důsledkem těchto změn dochází při každé
variantě ke snížení ztrát. Vlivem přerozdělení výkonu dochází také ke změně napěťových
poměrů. K největším změnám dochází v rozvodnách Drmoul a Planá. Menší změny napětí
jsou i v rozvodnách Toužim a Jindřichov.
Z tohoto pohledu je nejvýhodnější varianta C. Při této variantě jsou nejvhodnější
poměry pro připojení transformátoru 110 kV/vn v Tachově z oblasti Vítkov. Naopak
rozpojení vedení V377 u varianty C má za následek největší pokles napětí v rozvodně
Jindřichov.
Z pohledu zálohování je nejvýhodnější varianta C, která umožňuje zálohování rozvodny
Drmoul jak z Jindřichova, tak i z Vítkova, protože by v základním provozním stavu byla
napájena ze tří linek.
V závěru práce jsem provedl ekonomické porovnání jednotlivých variant, podle něhož
v současné době není ekonomicky opodstatněná žádna z uvažovaných variant.
56
Modelování soustavy měnič - kabel - motor z pohledu EMC
Martin Janda - DE 5
lektor: Ing. Zdeněk Peroutka - KVE
DEFINICE PROBLÉMU
Významným problémem moderních elektrických pohonů s polovodičovými měniči jsou
transientní přepětí namáhající izolační systém motoru, který je připojen k měniči delším
kabelem (doba šíření napěťového pulsu kabelem je srovnatelná s dobou náběhu tohoto pulsu).
Při současných dosahovaných spínacích rychlostech součástek je daný problém aktuální již u
kabelu dlouhého řádově metry, týká se tedy téměř každého pohonu.
Hlavním cílem práce bylo sestavení modulárního modelu soustavy napěťový střídač –
kabel – asynchronní motor, model experimentálně ověřit v laboratoři a využít jej pro návrh
opravných prostředků.
SESTAVENÍ MODELU
Zjednodušený model pro základní představu byl sestaven v Simploreru, pro práci byl
vybrán program DYNAST. Model je koncipován stavebnicově, aby byla možná snadná
záměna částí (přidání filtru, zkoušení různých verzí modelů jednotlivých prvků).
Střídač - je realizován jako napěťový zdroj lichoběžníkového průběhu, který svými
parametry (malá výstupní impedance, časový průběh hran) odpovídá reálnému střídači.
Kabel – vzhledem k dynamice jevů musí být modelován jako soustava s rozprostřenými
parametry. Z možných způsobů byla zvolena realizace konečným počtem RLC článků.
Asynchronní motor – 1. variantou modelu je popis soustavou rovnic v souřadném systému
statoru, 2. varianta vychází ze zjednodušeného náhradního schématu pro ustálený stav Lσ,
R1+R2 (skluz s → 1 ). V obou případech jsou doplněny parazitní kapacity.
HLAVNÍ PŘÍNOS PRÁCE
− Posouzení a výběr vhodného legálně dostupného SW pro simulování regulovaných
pohonů s polovodičovými měniči.
− Sestavení modulárního modelu, který umožňuje snadnou aktualizaci jednotlivých
komponent podle právě zkoumaného systému.
− Ověření tohoto modelu porovnáním experimentů se simulacemi (viz obr.1).
− Posouzení vlivů různých opravných prostředků na soustavu (500 simulací).
− Použití modelu pro rychlý a přesný návrh opravných prostředků (viz obr.1).
2
u/Ud
1.5
1
0.5
t[us]
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
vstupní napětí z
měniče
bez opravných
prostředků (simulace)
RL filtr za měničem
(simulace)
bez opravných
prostředků (měření)
Obr. 1: Detail časových průběhů na konci kabelu l=50m, vstupní puls ton=240ns.
Tato práce byla vytvořena s podporou projektu FRVŠ 1601/2002/G1.
57
Model části elektrizační soustavy
Tomáš Kemr - EE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Charakteristickým schématem zapojení, používaným často u stanic vvn/vn v ČR, je
spojení do H. Program vytvořený pro schéma zapojení tohoto typu je koncipován jako
trenažér, na kterém je možné simulovat změny zapojení v základním schématu a to
manipulací jednotlivými spínacími prvky. Dále pak je v programu možné provádět výpočet
napěťových poměrů v jednotlivých uzlech schématu pro danou konfiguraci a zadané hodnoty.
Řešení daného problému se neobešlo bez zahrnutí problematik těsně souvisejících
s tímto tématem, které zde budou postupně zmíněny.
Vliv způsobu provozu uzlu transformátoru se podílí nejen na typu zemní poruchy, ale
zejména na velikosti poruchového (zkratového) proudu. Každý ze způsobů provozu uzlu
transformátoru má svá specifika, výhody a nevýhody. Ty se hlavně týkají způsobu
kompenzace (eliminace) poruchového (zkratového) proudu. Postupem času se ukázalo, který
ze spůsobů provozu uzlu transformátoru je vhodný pro příslušné napěťové úrovně a druh
přenosu elektrické energie (venkovním vedením či kabelem).
Napěťové a proudové poměry jsou základním kamenem pro výpočet programu a jsou
v podstatě popsány vlnovými rovnicemi. Po postupném zjednodušení schématu a následném
sestavení admitanční matice je možné pro řešení napěťových poměrů v n-uzlových sítích
použít některou z matematických metod. Velice často užívanou metodou řešení, která se
obejde bez počítání s komplexními hodnotami, prováděnou za pomocí výpočetní techniky, je
Newton-Rapsonova (N-R) metoda. Ta je také použita při řešení zadaného problému. Metoda
využívá N-R algoritmus pro řešení nelineárních rovnic. Při každé iteraci N-R metody je
problém aproximován lineární maticovou rovnicí. Po sestavení Jacobiho matice, která vychází
z admitanční matice a zpočítání odchylek výkonů, činných a jalových, již nic nebrání
samotnému výpočtu, po kterém získáme napěťové poměry ve všech uzlech sítě.
Jak již bylo dříve zmíněno, program je jakousi formou trenažéru. Nutnost vytváření
trenařérů obecně vzešla proto, že činnost řízení nelze nacvičit přímo na funkčním zařízení,
jelikož chyba by v takovémto případě mohla znamenat ohrožení zdraví osob, veliké škody na
zařízení a tím i značné finanční ztráty. Z tohoto důvodu je nutné příslušný řídící proces
nejprve simulovat, popřípadě se seznámit s tím, jaké hodnoty lze při řešení daného problému
očekávat. Většina trenažérů by měla být konstruována tak, aby se jejich funkčnost co nejvíce
přibližovala danému skutečnému systému. Čím je trenažér kvalitnější, tím více jsou jeho
vlastnosti a jeho funkčnost totožné se skutečným systémem v praxi, avšak s věrností celého
systému rapidně narůstají náklady na trenažér.
V práci jsou také popsány řídící systémy elektrických stanic, které s daným problémem
souvisejí. Už proto, že výše zmiňované schéma zapojení elektrických stanic H je velice často
užívané, tak také proto, že program v podstatě simuluje zapojení a ovládání spínacích prvků
v takovéto stanici. Při řešení problematiky řízení elektrických stanic je nutné si uvědomit,
z jakých částí, z hlediska provozu (elektrické rozvodné zařízení, společná a pomocná zařízení,
dozorna), se elektrická stanice skládá a zvolit tak optimální způsob řízení. V dnešní době již
většinou probíhá řízení elektrické stanice výpočetní technikou, ovládání bývá řešeno za
pomocí monitoru a periferních zařízení (myš, klávesnice, atd.). Řídící systém obsahuje dvě
vzájemně spolupracující části. Informační systém zajišťující sběr, zpracování, vyhodnocení,
předávání a zobrazování informací. Logický řídící systém, který zajišťuje manipulační a
regulační procesy.
Byly zde ve zkratce postupně popsány všechny kapitoly práce, ve které byly detailněji
popsány problémy, se kterými bylo nutné se při řešení zadaného problému vypořádat, nebo se
s nimi seznámit.
58
Napájení určené oblasti elektrickou energií
Vladimír Klápa - EE 5
Práce se zabývá problematikou napájení dynamicky se rozvíjející lokality podél dálnice
D1 v úseku mezi Prahou Jižním městem, městem Říčany a obcí Průhonice. Zde byl od roku
1989 zaznamenán prudký nárůst spotřeby elektrické energie. Ten je dán především velkým
zájmem zahraničních investorů o výstavbu nových rozsáhlých komplexů na lukrativních
pozemcích v blízkosti dálnice nedaleko od Prahy. Se zvyšujícím se výkonovým zatížením
bylo samozřejmě nutno rozšiřovat i distribuční síť tak, aby bylo možno elektrickou energii
dodávat v požadovaném množství a kvalitě. Proto během roků 1999 a 2000 byly uvedeny do
provozu 2 nové transformovny 110/22 kV a tak je nyní tato lokalita napájena ze čtyř
transformoven. Vzhledem k tomu bylo třeba řešit zapojení nových zdrojů do systému a
upravit provozní stav sítě. Toto bylo vždy provedeno pouze odborným odhadem pracovníků
společnosti Středočeská energetická a.s. bez provedení jakýchkoliv výpočtů ztrát a úbytků
napětí.
Tato práce hodnotí současné provozování systému. Hodnocení chápu jako
vícekriteriální úlohu. Důležitým hlediskem jsou celkové ztráty v systému, které vypovídají o
ekonomičnosti napájení. Neméně důležitým faktorem jsou napěťové podmínky v jednotlivých
odběrových uzlech. Podle normy nesmí napětí v sítích vn klesnout pod hranici 95 % ze
jmenovité hodnoty, což představuje 20,9 kV. Proto jsem provedl kontrolu, zda je napětí ve
všech uzlech soustavy s dostatečnou rezervou nad touto kritickou hranicí. Nezanedbatelné
kritérium je i to, zda je síť rozpojena na dobře a rychle přístupném místě. Pokud dojde v určité
části systému k poruše, se kterou není možné síť provozovat, většinou se pomocí sekčních
vypínačů změní topologie systému, tak aby byla oblast bez dodávky elektrické energie co
nejmenší. V tomto případě se většinou spínají ty sekční vypínače, které jsou za normálního
provozu vypnuty. Doba bezproudí větších částí systému je tedy závislá i na tom, za jak dlouho
jsme schopni změnit zapojení systému. Proto je důležité, aby sekční vypínače, které
v normálním provozu síť rozpojují byly dobře a rychle přístupné.
V dalším bodě jsem navrhl 2 výhodnější varianty zapojení sítě. V obou případech
spočívá zlepšení ve výhodnějším rozložení odběrů na jednotlivá vedení se zřetelem na totální
ztráty s přihlédnutím k možnosti rychlého přístupu k důležitým sekčním vypínačům.
V prvním případě se toto děje pouze změnou topologie systému sekčními vypínačemi bez
nutnosti fyzické úpravy sítě, ve druhé variantě přistupuji k jednoduché fyzické změně sítě,
jakou je přetažení odbočky z dvojnásobného vedení z jednoho potahu na druhý.
Dále se zabývám náhradním napájením oblasti, přičemž předpokládám vždy vyřazení
jedné transformovny z provozu. K tomuto stavu vede porucha na vedení 110 kV nebo na
transformátoru, případně revize v transformovně nebo práce na vedení 110 kV, které nelze
provádět pod napětím. V těchto případech je nutné změnit topologii systému a odběratele,
kteří byli původně napájeni z vyřazené transformovny nově napájet z jiného zdroje. Při této
změně samozřejmě dochází ke zhoršení napěťových poměrů v síti a ke značnému zvýšení
ztrát. Nejdůležitější je, aby se při tomto náhradním provozu napětí pohybovalo v normou
stanovených mezích. Na ztráty se vůbec nehledí, jelikož se předpokládá, že oblast bude
napájena tímto způsobem jen zanedbatelný počet hodin v roce. Druhým důležitým kritériem
je, aby přechod na náhradní napájení byl jednoduchý a přehledný, je-li to kvůli dodržení
napětí u odběratelů možné.
Nakonec jsem zpracoval výkonovou bilanci s výhledem do roku 2010 a to jednak na
základě znalosti konkrétních rozpracovaných projektů a jednak díky znalosti trendu nárůstu
spotřeby elektrické energie v posledních letech. Pro tento výhled jsem dále navrhl přiměřené
rozšíření stávajícího systému.
59
Srovnání kvality a dodávky elektrické energie v nových průmyslových
zónách
Zdeněk Kodalík - EE 5
Cílem předkládané práce je uvést základní údaje, které charakterizují kvalitu dodávky
elektrického napětí v předávacích místech podle nových předpisů a norem a přispět
k definování povinnosti provozovatelů DS i prostředků, kterými lze parametry kvality měřit a
zlepšovat. Parametry kvality elektrického napětí jsou posuzovány podle normy ČSN EN
50160.
Norma ČSN EN 50 160 popisuje charakteristiky napájecího napětí za normálních
provozních podmínek mezi distributorem a odběratelem. Norma nepopisuje typickou situaci
pro odběratele, ale udává meze nebo hodnoty, jaké může za normálních provozních podmínek
očekávat kterýkoliv odběratel. Norma se nevztahuje na mimořádné provozní podmínky a
může být celá nebo její části nahrazeny smlouvou mezi jednotlivým odběratelem a
dodavatelem elektřiny. Předmětem této normy je popis charakteristik napájecího napětí
zahrnujících velikost, kmitočet, tvar vlny a symetrii třífázových napětí. Tyto jednotlivé
parametry jsem v diplomové práci podrobně charakterizoval a popsal z normy povolené meze
nebo směrné hodnoty, ve kterých se tyto parametry mohou pohybovat. Norma
ČSN EN 50 160 se vztahuje na dodávky elektrické energie až do napětí 35 kV. Ve svoji
diplomové práci jsem provedl kontrolu dodávky elektrického napětí šesti odběratelům ve
dvou průmyslových zónách. Vytypované nové průmyslové zóny, ve kterých byla u
jednotlivých odběratelů provedena kontrola dodávaného napětí jsou Borská pole Plzeň
(3 odběratelé), průmyslová zóna v Klatovech (2 odběratelé) a jeden odběratel v Chanovicích.
Charaktery odběrů těchto zón jsou dány především použitím strojů při výrobě a provozu
jednotlivých provozoven. Pět odběratelů je připojeno na hladinu 22 kV, pouze jeden odběratel
z průmyslové zóny v Klatovech je napájen ze sítě nízkého napětí. Jednotlivé odběratele jsem
podrobně charakterizoval a popsal jejich odběry.
Samotné měření se provádělo analyzátorem elektrických sítí UNILYZER 900F.
UNILYZER 900F byl osazen na hladině 3×22 kV, (pouze odběratel v Klatovech je osazen na
hladině napětí 3×230/400 V) 50 Hz a přes měřicí transformátory proudu a napětí ve skříni
USM (univerzální skříň měření). Konfigurace měření záleží na typové skříni USM a jejím
vybavení dále záleží na měřicích transformátorech proudu a napětí. Naměřená data byla
přenesena do počítače a vyhodnocena pomocí programu PowerProfile. Monitorování poklesů
a přerušení napětí se provádělo pomocí monitoru poklesu napájení MKN. Monitor poklesu
napájení MKN umožňuje sledování poklesů a zvýšení napětí v trafostanicích s běžným
tvarovým zkreslením měřených napětí. Monitorování kvality u jednotlivých odběratelů
probíhalo týden ve dvou různých ročních období.
Z naměřených dat jsem určil zda kvalita dodávaného napětí vyhovuje stanovené normě
ČSN EN 50160. Dále jsem provedl porovnání kvality dodávky u jednotlivých odběratelů.
V závěru jsem celé měření zhodnotil, určil prostředky, kterými lze kvalitu zlepšovat a stanovil
meze rezervovaných příkonů, o které je možné rozšířit odběr v jednotlivých zónách.
V součastné době, ve které se ve stále větší míře využívá výpočetní techniky a jiných na
kvalitu elektrického napětí citlivých spotřebičů musí kvalitu dodávaného elektrického napětí
distribuční společnosti kontrolovat a preventivními opatřeními omezovat její zhoršování.
60
Přenos dat po silové síti 230V/50Hz
Jiří Lán - ES 5
lektor: Ing. Vladimír Pavlíček, Ph.D. - KAE
V tomto příspěvku bych chtěl poukázat na problematiku přenosu dat po silovém vedení,
tato technologie přenosu je označována jako PowerLine (také PLC – Power Line
Communication). Vyjdu zde z mé diplomové práce zpracované na KAE v tomto roce. Práci
jsem rozdělil do čtyř kapitol, o kterých se v následujícím textu stručně zmíním.
První kapitola poukazuje na důvody použití PowerLine technologie. Základní
myšlenkou zavedení PLC technologie je úspora finančních prostředků na budování nových
datových sítí. PLC technologie využívá již stávajících silnoproudých energetických sítí.
Využití tohoto vedení však vyžaduje instalaci přídavných zařízení (modemů, opakovačů).
Tato zařízení zajišťují přenos datového signálu a jeho bezpečné oddělení od síťového napětí.
Důležitou součástí PLC je zvolená modulace přenášeného signálu. Proto jsem se
v druhé kapitole zabýval základním rozdělením modulací, jejich popisem a znázorněním jak
v časové, tak i frekvenční oblasti. Záměrně jsem uvedl všechny dnes používané modulace, po
prostudování této kapitoly by tedy mělo být zřejmé, pro kterou aplikaci je jaká modulační
metoda vhodná. Modulace jsou rozděleny na analogové a diskrétní. Z diskrétních modulací
jsou pak podrobněji zpracovány modulace s klíčováním, tedy ASK, FSK a PSK. PLM (Power
Line Modem) dnes ve většině případů pracují s modulací FSK. Zda se jedná o dvou stavovou
nebo vícestavovou FSK modulaci záleží na konkrétním provedení PLM.
Zadání mé diplomové práce zní Knihovna funkcí pro DSP určených pro komunikaci po
silovém vedení. Využil jsem vývojovou desku DSP Starter Kit (DSK) od firmy Texas
Instruments osazenou procesorem TMS320C542. DSK je určena pro zvukové aplikace
(kmitočtové pásmo 0 - 22 kHz), A/D a D/A převodníky osazené na DSK jsou tedy pro mou
aplikaci nepoužitelné. Proto jsem navrhl rozhraní s rychlejšími převodníky, tímto návrhem se
zabývám v kapitole třetí. Rozhraní obsahuje filtr pro oddělení číslicového napájecího napětí
+5V (získávaného z DSK) od analogového napětí, dále ochrany na vstupu A/D převodníku a
operační zesilovače, které umožnují připojení rozhraní na vazební obvod. Vazební obvod
umožňuje připojení PLM do sítě 230 V / 50 Hz. Zajišťuje odfiltrování silového signálu na
50 Hz a zároveň umožňuje vysílat datový namodulovaný signál do silové sítě. Největší
problém při návrhu vazebního obvodu je přizpůsobení jeho výstupní impedance na impedanci
sítě. Impedance silové sítě je totiž proměnná nejen s kmitočtem, ale mění se také podle místa
připojení, např. pro kmitočet 100 kHz se impedance sítě pohybuje v tolerančním pásmu
1,5 Ω – 100 Ω. Nepřizpůsobení výstupní impedance vazebního obvodu a vstupní impedance
silové sítě tedy způsobí útlum signálu. Zpětné obnovení signálu se na přijímací straně řeší
filtrací a zesílením. Odolnost proti rušení pak zajišťuje vhodně zvolená modulační metoda,
chybovost je snižována použitím zabezpečovacích kódů.
V poslední kapitole se zabývám vlastním návrhem modulačních a demodulačních
algoritmů pro přenos dat. Zvolil jsem modulace ASK, FSK a PSK. U modulace ASK se při
log.1 odvysílá desetibodový sinus na kmitočtu 70 kHz, při log.0 se nevysílá. Přijímací
algoritmus pak rozliší přítomnost / nepřítomnost signálu a podle toho zpětně složí z osmi bitů
jeden byt, který uloží do bufferu. Modulace PSK pracuje obdobně, při změně bitu se však
mění polarita vysílaného sinu. U modulace FSK (dvoustavové) se při log.1 odvysílá deset sinů
o kmitočtu 83 kHz a při log.0 pak deset sinů o kmitočtu 60 kHz. Odvysílat deset sinů za sebou
je nutné z důvodu bezpečného rozpoznání kmitočtu na přijímací straně.
Testované algoritmy pracují na sníženém kmitočtu, než je definováno normou. Jejich
úprava na vyšší kmitočet však znamená nepatrný zásah do programu, v podstatě jde pouze o
změnu hodnoty v čítači, určující periodu přerušovací rutiny. Z hlediska obvodového řešení by
to znamenalo buď použít výkonnější DSP, nebo některé softwarové části řešit hardwarově.
61
Generátor výpadků a poklesů síťového napětí
Patrik Průcha - ES 5
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Úkolem mé práce bylo sestrojit generátor výpadků a poklesů síťového napájecího napětí
(dále jen generátor), který by bylo možno použít i jako nestabilizovaný zdroj střídavého
napětí sinusového průběhu. Zadaný nebyl způsob realizace, ale pouze očekávaný výsledek,
tudíž rozhodnutí, jakým způsobem realizovat zadání, bylo na mě. V principu může být toto
zadání realizováno dvěma způsoby. Vytvořením vlastního zdroje napětí, nebo použitím napětí
síťového. Pro první variantu hovoří možnost regulace napětí pomocí PWM. Bylo by tedy
možné plynule regulovat výstupní napětí s minimálními ztrátami. Použití spínaného zdroje ale
s sebou přináší rozhodně i svá úskalí. U připojovaného testovaného zařízení nelze určit
charakter jeho vstupní impedance a tudíž zdroj musí být schopen napájet induktivní, rezistivní
i kapacitní zátěž. Dále musí být schopen napájet například spotřebič pracující pouze při
půlvlnách jedné polarity, nebo další spínaný zdroj, jehož odebíraný proud tvoří špičky, jejichž
délka závisí na úhlu otevření usměrňovače ve spínaném zdroji. Musíme počítat také s tím, že
u testovaného zařízení může nastat poruchový stav, jako je například zkrat, nebo rozpojení
zátěže induktivního charakteru a zdroj nesmí ani při těchto poruchových stavech havarovat.
To je obtížné docílit použitím spínaného zdroje a návrh takového zdroje by pravděpodobně
přesahoval čas i finanční možnosti, který bylo možné této práci věnovat. Proto jsem zvolil
variantu druhou, tj. použití síťového napětí. Toto napětí je přivedeno na primární svorky
transformátoru a požadované napětí je nastaveno pomocí kombinace sekundárních vinutí
transformátoru. Výhody této varianty jsou nesporné v tom, že je možné napájet zátěž
jakéhokoli charakteru bez nebezpečí havárie zdroje. Je pouze nutné zabezpečit přepínání
sekundárních vinutí. Mezi nevýhody tohoto řešení patří určitě nemožnost plynule regulovat
výstupní napětí, nemožnost ovlivnit zkreslení - průběh výstupního napětí, který je závislý na
kvalitě sítě a to, že nelze dostatečně ovlivnit vrcholový zapínací proud, protože je omezený
vnitřní impedancí rozvodné sítě.
Požadované napětí, popřípadě druh zkoušky je zadán pomocí klávesnice a
mikroprocesor následně provede odpovídající nastavení kombinace spínačů. Ke spínání
spínačů dochází vždy v nule napětí a k rozpínání v nule proudu. Jako spínače jsou použita
solid state relé S216S02 od firmy Sharp. Mají již integrován optoelektronický vazební člen,
tudíž je zajištěno galvanické oddělení řídícího obvodu. Řídící signál pro spínání v nule napětí
je generován obvodem s komparátorem a je přiveden přes optoelektronický vazební člen na
vstup přerušení řídícího obvodu. Výstupní napětí, proud, popřípadě druh prováděné zkoušky
jsou zobrazovány na displeji.
Generátor byl navrhován s ohledem na normu ČSN 61000-4-11 Krátkodobé poklesy
napětí, krátká přerušení a pomalé změny napětí – zkoušky odolnosti. Tato norma definuje
metody zkoušek, rozsahy preferovaných zkušebních úrovní a požadavky na testovací
generátor. Týká se elektrických a elektronických zařízení připojovaných do rozvodných sítí
nízkého napětí, jejichž fázový proud není větší než 16 A. Generátor však nesplňuje některé
požadavky kladené normou. Jedná se zejména o jeho proudovou zatížitelnost a schopnost
vybuzení vrcholového zapínacího proudu. Je tedy určen pouze pro orientační testy zařízení
s odebíraným proudem max. 4 A a jako regulovatelný nestabilizovaný zdroj střídavého napětí
sinusového průběhu od 0 do 278 V s frekvencí 50 Hz.
62
Energetický monitor na bázi LonWorks®
Libor Valeš - ES 5
lektor: Ing. Radek Rajchl - KAE
Jedná se o energetický monitor, který komunikuje s inteligentním elektroměrem po
silových vodičích pomocí sběrnice LonWorks a slouží k dálkovému odečtu jednotlivých
složek elektrické energie. LonWorks je průmyslová sběrnice vyvinuta firmou Echelon.
Používá se např. v oblasti řízení automatizačních prostředků v budovách, jako jsou
klimatizace, osvětlení, výtahy, apod. Síť LonWorks se skládá ze dvou nebo více
inteligentních uzlů. Uzly spolu komunikují pomocí společného protokolu po jednom nebo
více přenosových vedeních (silové vodiče, kroucené dvojlinky, optické kabely, apod.).
Srdcem každého uzlu je součástka nazývaná Neuron Chip, která obsahuje LonTolk protokol.
Tento protokol je 7-vrstvý podle ISO/OSI modelu.
Jak jsem uvedl v úvodu, použil jsem jako přenosové médium silové vodiče. Pro tuto
komunikaci vyvinula firma Echelon speciální integrovaný hybridní obvod, který nazvala
PLT-22. Jedná se o přijímač / vysílač, který komunikuje ve frekvenčním pásmu podle normy
CENELEC a to 110 kHz až 140 kHz. PLT-22 obsahuje digitální signálový procesor, vstupně /
výstupní analogové obvody, A/D a D/A převodník. PTL-22 je spojen s Neuron Chipem
pomocí komunikační sběrnice. Pro komunikaci se používá speciální komunikační protokol
nazvaný special-purpose. K PLT-22 se připojuje vazební obvod, který slouží jako pásmová
propust pro komunikační frekvenci a obsahuje oddělovací transformátor a kondenzátory.
Problém v návrhu uzlu sítě není většinou v návrhu hardwaru, ale ve vytvoření
softwaru. Naprostá většina funkcí je hardwarově realizována pomocí NEURON CHIPU.
Elegantní hardwarová realizace však překvapivě pokračuje i vytvořením uživatelsky velice
pohodlného programovacího jazyka. Hlavním programovacím jazykem pro psaní aplikací na
Neuron Chipu je programovací jazyk NEURON C. NEURON C je založen na standardu
ANSI C, rozšiřuje však podporu pro vstupně / výstupní operace, událostní řízení, posílání
zpráv a distribuované datové objekty. Uživatelská „přítulnost“ spočívá hlavně v implementaci
funkcí do firmwaru Neuron Chipu. Asi největší výhodou aplikačního programu je, že jeho
chod řídí hardwarový scheduler. To umožňuje v aplikačním programu deklarovat tzv.
klauzule when, které specifikují reakci na danou událost nebo podmínku.
Po sběrnici LonWorks se dá komunikovat dvěma způsoby. Jeden způsob je
komunikace pomocí síťových zpráv a druhý pomocí síťových proměnných. Já jsem použil
komunikaci pomocí síťových zpráv ke konfiguraci energetického monitoru. Síťové proměnné
používám ke komunikaci mezi energetickým monitorem a elektroměrem.
Vlastní energetický monitor je naprogramovaný, aby se po připojení k silovým
vodičům sám nakonfiguroval. Konfigurace probíhá tak, že energetický monitor nejdříve vyšle
zprávu všem připojeným elektroměrům. Tato zpráva se nazývá BROADCAST. Elektroměry,
které tuto zprávu dostanou, pošlou odpověď, která obsahuje číslo elektroměru (neuron ID).
Vybráním požadovaného elektroměru se vyšle další zpráva o zaslání adresy elektroměru
(subnet_node). S elektroměrem by samozřejmě šlo komunikovat pomocí neuron ID, ale toto
číslo je dlouhé 6 byte. Vzhledem ke komunikační rychlosti 4 kb/s je snaha o co možná
nejkratší adresu, aby bylo možno přenést více dat a proto jsem zvolil adresaci pomocí
subnet_node. Dále se volí subnet_node pro energetický monitor. Potom je zapotřebí
nakonfigurovat síťové proměnné. Po konfiguraci síťových proměnných může začít
komunikace energetického monitoru s elektroměrem.
Energetický monitor obsahuje LC-displej 2×16 znaků a čtyři tlačítka. Pomocí tlačítek
se dá nastavovat jakou informaci chceme zobrazit. Zobrazovat se dá např. činný výkon, činná
energie, jalový výkon, jalová energie, napětí ve fázi, proud ve fázi, účiník, frekvence, apod.
Energetický monitor ještě obsahuje LED diodu, která signalizuje tarif (denní / noční proud).
63
Praktická aplikace výpočetní metody trojfázových výkonů při nelineárním
zatížení distribuční soustavy a její využití v provozu distribuční soustavy
Pavel Zeman - EE 5
Vědecký a technický vývoj v posledních letech vyvolal celou řadu nových problémů a
úkolů souvisejících s měřením a hodnocením elektrické energie a výkonů.
Je známo, že rozvoj polovodičové techniky umožňující provoz zařízení výkonové
elektroniky, která způsobuje zkreslování průběhů proudů a napětí od základní harmonické,
značně ovlivnil způsob a kvalitu odběru elektrické energie, a tím i hodnocení přenosu, odběru
a ztrát při jejím přenosu. Přibývá odběratelů, kteří svým odběrem generují vyšší harmonické
do sítě nebo zatěžují soustavu nesymetricky či nestejnoměrně. Ti pak způsobují deformaci
proudů a napětí od harmonického průběhu. Tyto deformace si pak vyžadují netradiční
přístupy jak v teorii, tak i při praktickém měření a způsobují chyby v klasickém měření a
určování výkonů, ztrát a odebrané energie.
Klasický způsob měření a hodnocení odběru elektrické energie zde pak nestačí.
Nesouměrnost, nevyváženost či vyšší harmonické v proudové soustavě jsou totiž příčinou
newattových výkonů, které doprovázejí přenos činného výkonu a které stejně jako jalový
výkon zvětšují ztráty v pasivních odporech soustavy. Toto navýšení se ale většinou neuvažuje
a bývá opomíjeno.
Vzniká tak otázka, zda je navýšení ztrát díky deformaci soustavy tak velké, že je nutné
se jimi podrobněji zabývat.
Tato práce se zabývá odlišností a specifičností odběru elektrické energie, výkonů, ztrát a
jejich hodnocení v soustavě deformované a nedeformované, je zde uvedena metoda, kterou se
dá zjistit jakou částí se na ztrátách při přenosu elektrické energie v deformované soustavě
podílejí newattové výkony.
Práce je rozdělena na několik částí. V první části je popsána klasická teorie trojfázových
obvodů a uvádí nás do problému výpočtů v trojfázových soustavách. Druhá část je věnována
metodě pro výpočet ztrát při nelineárním a nesymetrickém zatížení distribuční soustavy. Zde
je popsána teorie výpočtu výkonu elektrického proudu v deformované soustavě, zdánlivého
výkonu nelineárního proudu, účiníku v deformované soustavě a teorie výpočtu ztrát
v pasivních odporech deformované soustavy a jejich rozdělení.
Spolu s těmito kapitolami zabývajícími se problematikou teoreticky jsou zde další
kapitoly s konkrétními výpočty.
Třetí kapitola se zabývá ověřením teoretické metody na několika vzorových příkladech.
Další kapitola z prakticky naměřených hodnot na lince 110 kV: Přeštice-Stříbro, na kterou je
připojena trakční transformovna ČD-Vranov, určuje deformaci v lince danou vyššími
harmonickými produkovanými ČD a navýšení ztrát při přenosu elektrické energie v této
deformované soustavě oproti soustavě bez deformací.
Na závěr je pomocí programu Matlab proveden návrh jednoduchého výpočetního
programu pro určení podílu jednotlivých newattových výkonů na ztrátách v deformované
soustavě.
64

sborník

Transkript

Podobné dokumenty

Svět strojírenské techniky číslo 1/2008

elektronika A Radio

Mediakit časopisu

NEX 24 kV - Schneider Electric

Obrábění technických plastů dle dokumentace

Adobe PDF

1 - Logitron

FINAL_KAN400480701_Zprava 2010

sborník

Obráběcí stroje - Katedra výrobních systémů

Evropskou termojadernou fúzi rozvířil Wirbelrohr

Úvod do vývojového prostředí Xilinx WebPack

komponenty/ výrobní program

Elektrárně Počerady - ŠKODA PRAHA Invest

Návod k obsluze

sborník

15th Days of European film

Elektrická měření 2

Obrábění technických plastů dle dokumentace zákazníka

Robertshaw 300-224, 226, 230

Diplomka - Datalogger se zápisem na Compact Flash kartu

Habilitační přednáška