Přehlídka studentských odborných prací na FEL

Transkript

1 Přehlídka studentských odborných prací na FEL konaná dne 20. května 2005 pod záštitou prorektora ZČU doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc. a děkana FEL ZČU doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc. pořádaná v odborných sekcích Elektrické stroje a elektroenergetika Elektronika a měření FEL, ZČU 2005

2 Slovo úvodem Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni již tradiční akcí. Letošní přehlídky se však účastní pouze 24 prací, což je oproti předchozím ročníkům podstatný pokles. Připomeňme si loňský ročník s 60 příspěvky. Potěšující je účast třetiny studentů z třetího ročníku. To je však způsobeno tím, že letos poprvé končí studenti bakalářského studia ve strukturovaném studiu. Rád bych poděkoval všem autorům soutěžních prací za příspěvek do této přehlídky a jejich lektorům za odborné vedení. Věřím, že spolupráce v rámci odborné činnosti je pro obě strany vysoce přínosná. Také chci poděkovat všem členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, bez které by nebylo možno přehlídku uskutečnit. Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, protože člověk je tvor soutěživý. Proto věřím, že i tato přehlídka přispěje k nejen odbornému rozvoji každého ze zúčastněných. Ing. Václav Boček, Ph.D. organizační garant

3 Obsah Sekce Elektrické stroje a elektroenergetika Vývoj modelu asynchronního motoru vhodného pro mikroprocesor 8 Daniel Fořt - PE 5 Spínání zátěže dle průběhu amplitudy 9 Jan Frána - ELE 3 Vektorová pulzní šířková modulace 10 Tomáš Glasberger - PE 5 Unbundling vertikálně integrované energetické společnosti 11 Jarmila Hendrichová - KE 5 Návrh řídících obvodů pro řízení bezkontaktního spínání elektrického stroje 12 Petr Janeček - ELE 3 Vizualizace točivého magnetického pole 13 Vladimír Kindl - KOE 3 Problematika připojení indukčních zařízení 50 Hz na trojfázovou síť 14 Vlastimil Krauz - EE 5 Návrh tepelné elektrárny 10 MWel na využití biomasy 15 Stanislav Kůla - EE 5 Trakční systémy magnetické levitace - srovnávací studie 16 Jan Kvídera - KOE 3 Měření teplot asynchronních strojů 17 Jan Markvart - KE 5 Zásobování oprávněných zákazníků prostřednictvím sítě SUAS 18 Ondřej Pávek - EE 5 Řešení ustáleného chodu soustavy 19 Pavel Šilhán - EE 5 5

4 Sekce Elektronika a měření Zesilovač pro snímače tenzometrických sil 22 Jiří Boleček - ES 5 Nejistoty měření 23 Stanislav Bugoš - KE 5 Návrh laboratorního modelu pro simulaci tlumení rezonančních kmitů 24 Jaroslav Burda - EAT 3 Programovatelná logická pole 25 Jaroslav Fait - ES 5 Mikroprocesorem řízené pyrometrické měření výkonu v předehřívací komoře napařovacího zařízení Sigma firmy Trikon Ltd. 26 Zdeněk Ferus - ES 5 Přehled ových antispamových filtrů a možnosti jejich nasazení 27 Jan Fišer - KOE 3 Vliv sníženého obsahu pojiva na vybrané vlastnosti laminátu 28 Petr Kazda - KE 5 Současné trendy v recyklaci plastů 29 Václav Krejčí - KOE 3 Distribuovaný systém měření meteorologických dat 30 Štěpán Květoň, Jaromír Nechanický, Pavel Tupec SŠ 2 Kmitočtový předdělič k čítači 31 Richard Linhart - ES 5 Analýza systému jakosti v podniku VALUE Engineering Services s.r.o. 32 Zdeněk Novotný - KE 5 Zajištění návaznosti kapacitních etalonů 33 Josef Šoral - KE 5 6

5 Sekce Elektrické stroje a elektroenergetika složení komise předseda členové prof. Ing. Václav Bartoš, CSc. doc. Ing. Luděk Piskač, CSc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. Ing. Karel Noháč, Ph.D. 7

6 Vývoj modelu asynchronního motoru vhodného pro mikroprocesor Daniel Fořt - PE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV Tato práce se zabývá vytvořením matematického (proudového) modelu asynchronního motoru. Prvním krokem je výběr vhodné numerické metody, simulace jsou provedeny pro tyto následující metody: klasická Eulerova metoda, 1. modifikace Eulerovy metody, lichoběžníková metoda a metoda Adams-Bashforth. V závislosti na složitosti algoritmů a tím i náročnosti na výpočetní výkon procesoru byla zvolena 1. modifikace Eulerovy metody. Dále je simulován vliv výpočetního kroku, normalizace a formátu zobrazení na přesnost modelu v reálných číslech. Tento krok vývoje modelu je důležitý pro odladění před přechodem do celočíselného formátu, ve kterém pracuje mikroprocesor. Vhodnost volby formátu zobrazení, vliv výpočetního kroku na přesnost modelu a volba normalizačních konstant je zřejmý z výsledků simulací v celočíselném formátu zobrazení. Algoritmus odladěný v celočíselném formátu je následně implementován do digitálního signálového procesoru Texas Instruments TMS320F2812. Jako vstupy pro model slouží fázové proudy motoru převedené pomocí dvou A/D převodníků a mechanické otáčky rotoru načítané z inkrementálního čidla. Funkčnost modelu byla ověřena na laboratorním pohonu s nepřímým měničem kmitočtu. Regulace motoru byla realizována pomocí U/f řízení. Výsledky jsou shrnuty v následujících grafech. Hlavní přínos práce: - Výběr vhodné metody pro matematický model motoru - Simulace proudového modelu v reálných číslech - Normalizace a simulace proudového modelu do formátu pro celočíselné zobrazení - Realizace modelu pomocí digitálního signálového procesoru - Ověření funkčnosti modelu na laboratorním pohonu ψr [Wb] t [s] simulace m ěřen í porovnání ψ r při U c =560V, f s =41 Hz fázový proud osciloskop, U c =150V, f s =15 Hz složky ψ r simulace, U c =560V, f s =41 Hz složky ψ r měření, U c =560V, f s =41 Hz 8

7 Spínání zátěže dle průběhu amplitudy Jan Frána - ELE 3 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Předmětem úkolu je zpracování návrhu silové části zařízení spínání zátěže dle průběhu amplitudy a sestavení tohoto zařízení. Ovládací část není předmětem tohoto návrhu. Její zpracování řeší jiný student (Petr Janeček). Požadavky na sepnutí zátěže jsou: - sepnutí 3-f zátěže při průchodu nulou každé fáze - sepnutí 3-f zátěže po určitém časovém intervalu od průchodu nulou první fáze V návrhu zapojení je použit tyristorový blok W3C SKUT 230 od fy. Semikron. Tento blok obsahuje 3 dva antiparalelně zapojené tyristory na jmenovitý proud 215 A, špičkový proud 1,95 ka po dobu 10 ms. Tyristorový blok je pasivně chlazen. Tyristory jsou ovládány třemi spínacími moduly APTT841M výrobek stejné fy. K modulům jsou přivedeny spínací signály z ovládací části. Po sepnutí jsou tyristory přemostěny paralelně zapojeným stykačem (V33c). Celý obvod je jištěn polovodičovými pojistkami. Zařízení je umístěno v laboratoři a je používáno pro spínání asynchronních motorů. Práce je podporována projektem FR VŠ č. 1303/2004/G1. 9

8 Vektorová pulzní šířková modulace Tomáš Glasberger - PE 5 lektor: Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV Napěťový střídač lze řídit různými způsoby, jedním z nich je modulace s prostorovým vektorem. Prostorový vektor vyjadřuje stav veličin v trojfázovém systému. Základem modulace je způsob, kdy se požadovaný prostorový vektor napětí pohybuje po trajektorii, odpovídající maximálně kružnici vepsané šestiúhelníku. Do této hranice není v modulaci v podstatě žádný problém. Velkým regulačním problémem je ovšem plynulý přechod z této lineární oblasti na obdélníkové řízení. Řízení střídače v oblasti přemodulování ještě není řádně zpracováno, existuje několik metod modulace v této oblasti, každá má své výhody a nevýhody. V této práci se ověřuje funkčnost několika metod modulace ve formátu plovoucí řádové čárky, funkčnost algoritmů je ověřena při různých spínacích frekvencích a požadovaných výstupních napětích. Je provedena harmonická analýza a porovnán vliv spínacího kmitočtu na obsah harmonických a na zvlnění proudu zátěží. Vybraná metoda je převedena do formátu pevné řádové čárky a následně opět ověřena funkčnost a provedena harmonická analýza fázového napětí zátěže. Jsou porovnány výsledky algoritmů v pevné a plovoucí řádové čárce. Protože existují digitální signálové procesory využitelné právě pro řízení elektrických pohonů, algoritmus je přenesen na procesor firmy Texas Instruments TMS320F2812. Funkce algoritmu je ověřena nejprve na samostatném procesoru a následně na laboratorním pohonu, kde asynchronní motor byl napájen z napěťového střídače, řízeným právě tímto procesorem. Funkčnost algoritmu je ověřena při různých spínacích kmitočtech a v různých oblastech modulace, tzn. v lineární oblasti, v oblasti přemodulování a při obdélníkovém řízení. Motor je ovládán pomocí U/f řízení. Odladěný algoritmus, zpracovaný v této práci, je možné použít pro realizaci kvalitního moderního regulačního systému. Hlavní přínosy práce: - Ověření funkčnosti algoritmů jak v plovoucí, tak pevné řádové čárce; - Zjištění vlivu spínacího kmitočtu na funkčnost algoritmů a na obsah harmonických ve výstupním napětí; - Realizace algoritmů PWM modulátoru na DSP; - Ověření funkčnosti algoritmů na reálném pohonu pomocí U/f řízení. 10

9 Unbundling vertikálně integrované energetické společnosti Jarmila Hendrichová - KE 5 lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE Otevření energetického trhu bylo jednou z podmínek přijetí České republiky do Evropské unie. V souvislosti s tímto faktem se situace v oblasti elektroenergetiky velmi změnila a můžeme říci, že ze statického odvětví průmyslu se stalo odvětví enormně dynamické. V současné době dochází v energetice k zásadním změnám. Na trhu s elektřinou působí typická vertikálně integrovaná energetická společnost zahrnující tři licencované činnosti, jmenovitě výrobu elektřiny, obchod s elektřinou a distribuci elektřiny. Vertikálně integrovaná energetická společnost je současně i dominantním hráčem na trhu s elektřinou. V této diplomové práci se zaměřuji na změny v oblasti elektroenergetiky související s oddělením regulovaných licencovaných činností od neregulovaných licencovaných činností, tj. oddělení přenosu a distribuce od výroby elektřiny a obchodu s elektřinou. Pro efektivní oddělení regulovaných činností od neregulovaných činností se používá termín unbundling. Ve své práci nejdříve analyzuji legislativu v oblasti energetiky v České republice a v Evropské unii. Uvádím zde jak přehled důležitých zákonů, vyhlášek, nařízení a směrnic, tak i rozbor právních dokumentů, které přímo souvisí s touto prací. Dále popisuji monopolní vazby a definuji přirozený, institucionální, horizontální a vertikální monopol. Podrobněji zde analyzuji vertikálně integrovanou energetickou společnost a obchodně-distribuční společnost. Směrnice 2003/54/EC Evropského parlamentu a Rady ukládá energetickým společnostem povinnost unbundlingu. V druhé části práce proto definuji klíčový termín unbundling a to jak z obecného tak i z konkrétního pohledu energetiky. Směrnice EU a český Energetický zákon stanovují podmínky pro oddělení provozovatelů přenosové a distribuční soustavy od zbylých Energetickým zákonem definovaných licencovaných činností a definují čtyři části unbundlingu, kterými jsou unbundling účetní, informační, manažerský a právní. V práci navrhuji postup kroků, které vedou k optimálnímu účetnímu, právnímu, informačnímu a v neposlední řadě manažerskému oddělení obchodně-distribuční společnosti. V souvislosti se vznikem samostatných právních subjektů zde zmiňuji možné způsoby založení jednotlivých společností a následně uvádím příklad efektivního sloučení podniků do společnosti typu Holding. S rozdělením obchodně-distribuční společnosti je nutné si uvědomit i případná rizika oddělení společnosti. Proto v závěru své práce nejdříve identifikuji dominantní rizika, která mohou ohrozit jednotlivé části unbundlované obchodně-distribuční společnosti a uvádím návrh na jejich odstranění. Hlavním cílem diplomové práce je dekomponovat klíčové změnové oblasti související s unbundlingem, zmíněné v právních předpisech, a navrhnout optimální způsob provedení unbundlingu. 11

10 Návrh řídících obvodů pro řízení bezkontaktního spínání elektrického stroje Petr Janeček - ELE 3 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Požadavky: 1) Spínání obecné 3fázové zátěže dle amplitudy první fáze a) Při průchodu napěťovou nulou b) V určitém čase měřeném od průchodu napěťovou nulou 2) Spínání obecné 3fázové zátěže v napěťové nule dle průběhu amplitudy v každé fázi Řešení řídících obvodů: Vzhledem k předešlým zkušenostem jsem se rozhodl postavit logickou část na obvodech CMOS, které jsou napájeny napětím 15 V DC. Tím do určité míry zvýším odolnost řídící části proti rušení. Protože se jedná o experimentální zařízení, které se může dále rozvíjet, je složeno z osmi modulů. Výhodou tohoto řešení je jednodušší údržba, oprava či výměna vadného dílu. Vhodným doplněním dalších řídících obvodů, lze zařízení přizpůsobit jiným požadavkům. Napájecí zdroje: Hlavní zdroj, který slouží k napájení logiky, je osazen integrovaným stabilizátorem 7815, který je pasivně chlazen chladičem. Vstupní a výstupní napětí stabilizátoru je vyhlazeno pomocí elektrolytických kondenzátorů. Vstupní stejnosměrná strana je chráněna impulsní diodou proti případnému přepětí. Všechny tři drivery jsou napájeny samostatným zdrojem. Tyto zdroje jsou osazeny stabilizátorem 7812 a jsou konstrukčně shodné s hlavním zdrojem. Sonda: Tento modul signalizuje průchod nulou každé fáze. Od sítě je modul galvanicky oddělen třemi jednofázovými dvoukomorovými transformátory, které zároveň slouží pro napájení zdrojů příslušných driverů. Modul sondy je osazen komparátorem TL 074 a obvodem CMOS Náběžná hrana výstupních signálů odpovídá průchodu nulou jednotlivých fází. Výstupní signál lze negovat. Čítač a Hlavní deska: Tyto desky slouží ke zpracování signálů z čelního ovládacího panelu a sond. Hlavní deska umožňuje připojení 3f zátěže každé fáze v napěťové nule. Při spolupráci s čítačem umožňuje připnutí 3f zátěže v určitém čase od průchodu napěťovou nulou fáze L1. Požadovaný čas zpoždění lze do čítače uložit manuálně nebo pomocí PC přes paralelní port. Výstupní signály z obou desek jsou vyvedeny na čelní panel a desku Ovládání driverů. Ovládání driverů: Tato deska obsluhuje tři drivery a vysílá na jejich řídící svorku spínací signál. Dále obsahuje šesti bitový převodník úrovní z pěti voltové logiky TTL na 15ti voltovou logiku CMOS. Čelní ovládací panel: Je sestaven ze dvou desek. Slouží k ovládání celého zařízení a signalizaci stavu řídící logiky. Je osazen dvoumístným LED displejem, třemi páčkovými přepínači, dvěmi tlačítky, šesti páry LED, hlavním vypínačem řídící logiky s kontrolkou, tlačítkem s kontrolkou a kontrolním relé HRN 51. Práce je podporována projektem FR VŠ č. 1303/2004/G1. 12

11 Vizualizace točivého magnetického pole Vladimír Kindl - KOE 3 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Matematicky korektní a přehledná vizualizace točivého magnetického pole, nebo kteréhokoli fyzikálního problému není tak snadným úkolem, jak se může na první pohled zdát. Před započetím práce je vhodné utvořit si určitou představu o tom, čeho chci dosáhnout, vytyčit si reálné cíle a jít schůdnou cestou. Hlavním krokem je interpretace matematického modelu našeho problému. Ten se obvykle více, či méně přibližuje realitě v závislosti na náročnosti potřebného matematického aparátu a také na našem technickém vybavení. Při návrhu matematického modelu jsem uvažoval model stroje, vedoucí na obyčejné algebraické rovnice. Jednotlivá vinutí lze pokládat za cívky se soustředěnými parametry, nezávislými na kmitočtu. Vzájemné indukčnosti jsou obecně závislé na okamžité geometrické poloze jednotlivých vinutí. Při formulaci rovnic točivého magnetického pole jsem zavedl několik předpokladů, které zjednodušily jejich tvar a hlavně celé řešení. Je tedy zřejmé, že vhodně vybraný výpočetní software může být výrazným pomocníkem při našem dalším snažením. Pro tuto práci zvolený Matlab byl v mnohých směrech velmi vhodným nástrojem, který svým výkonem umožňuje vizualizaci i na méně výkonných počítačích. Podívejme se tedy na přibližnou topologii mého programu. Jak je známo, Matlab jakožto interpret, je pro mnohé uživatele svým ovládáním nepříliš poutavým. Pro možnost rozšíření této práce směrem k širší skupině uživatelů, bylo nutností nejprve zpříjemnit způsob zadávání dat a vstupních parametrů programu. K tomu slouží soubor *.fig, jenž tvoří grafickou kostru tzv. engine programu, pomocí něhož jsme schopni volat funkce pouhým výběrem myší počítače z nabízené menu. Přes tento engine probíhá také veškerá komunikace a přenos dat jednotlivých funkcí programu. Ty jsou tvořeny samostatnými soubory typu *.m, které mohou být považovány za jádro programu. Pracují samostatně a zároveň využívají dat a výsledků předešlých výpočtů jiných m-files. Mezi ty nejdůležitější bych zařadil možnost vyvolat animaci třífázového i jednofázového magnetického pole, které je zobrazováno jako rotující fázorový diagram dílčích statorových proudů společně s jejich časovým rozložením. Celý proces je znázorněn v úseku 20 ms (reálného času), kdy se nám naskýtá pohled na rotující magnetické pole, v závislosti na zadaných parametrech. Po skončení se vizualizace cyklicky opakuje a čeká na ukončení uživatelem. Jako další bych rád uvedl možnost zobrazit reakci pole na případné nedostatky sítě, jako např. nesymetrické napájení. Data pro výpočty jsou načítána z externích datových souborů, čímž bych rád upozornil i na možnost vizualizace skutečného mag. pole reálného napájení. Také výpadek, nebo případný pokles napětí některých z fází, je zde zohledněn formou vizualizace s možností nastavit si potřebná omezení a stavy systému, se kterými má být počítáno. Pro shrnutí: V této práci je uveden matematický popis modelu třífázového a jednofázového magnetického pole točivého stroje ve dvou variantách. Jednou je model konvenční, resp. uváděný v mnohých odborných článcích a literatuře. Druhou je mnou odvozený popis, kterým je toto pole modelováno. Hlavním cílem bylo především přijatelně a pochopitelně laikovi nastínit vzájemné souvztažnosti, dějící se ve statoru točivého magnetického pole v určitých časových okamžicích a znázornit i souvislost mezi elektrickým a prostorovým rozložení jednotlivých částí (proudů a vinutí) stroje. Navíc způsob, jakým jsem program vytvořil přímo nabízí prostor a možnosti pro další libovolné kreativní rozšiřování souboru funkcí dle aktuálního přání, či požadavku uživatel bez výraznějších zásahů do zdrojového kódu. Je tedy možné práci použít i jako pomůcku, či názornou ukázku budoucím studujícím. 13

12 Problematika připojení indukčních zařízení 50 Hz na trojfázovou síť Vlastimil Krauz - EE 5 lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE Tato práce se zabývá problematikou připojení indukčních zařízení, které pracují s průmyslovým kmitočtem 50 Hz, k trojfázové síti. V první části se řeší obecná teorie k tomuto problému. Indukční zařízení jsou zde rozděleny na nízkofrekvenční (50 Hz), středofrekvenční a vysokofrekvenční. Problematika připojení středofrekvenčních a vysokofrekvenčních zařízení je řešena společně. Popisují se zde různé principy frekvenčních měničů od starších typů až po ty nejmodernější. Připojení nízkofrekvenčních zařízení je řešeno samostatně, protože se jedná o specializaci této práce. V následující kapitole je popsáno vytvoření náhradního obvodu obecného indukčního zařízení a jeho převedení na čistě odporovou zátěž. Toto se provádí tzv. kompenzací, jejíž proces je detailně uveden. Po získání čisté jednofázové odporové zátěže, řešíme možnosti její symetrizace. Proces symetrizace je úkol, jak převést obecnou nesymetrickou zátěž na stav, kdy bude zatěžovat síť symetricky a bude odebírat stejný činný i jalový výkon jako před tímto procesem. Změna jalového výkonu je žádoucí v případě, že chceme měnit účiník cosϕ. Pro čistě odporovou zátěž lze pro návrh symetrizačního zařízení použít metodu, která je založena na odvození z fázorových diagramu. Tuto metodu lze však použít pouze pro některé případy. V případě, že chceme řešit problém obecné nesymetrické zátěže, používáme metodu založenou na odvození z rovnosti činných a jalových výkonů. Obě tyto metody jsou detailně popsány a vzájemně porovnány. Na základě těchto teoretických úvah je pak v další části provedena analýza fyzikálního modelu procesu symetrizace, který slouží k měření v rámci předmětů KEE/ET a KEE/ETT. Z výsledků této analýzy jsou popsány nevýhody tohoto modelu. Dále je proveden návrh nového fyzikálního modelu, jeho realizace a výsledky provedených měření. Na konci této části nalezneme srovnání obou modelů. Nový model umožňuje studentům postupovat jako při skutečném praktickém návrhu těchto zařízení. Je dána zátěž, kterou lze volit z široké řady, a pro ni lze navrhnout příslušné symetrizační členy. Dále se tento návrh ověří měřením na fyzikálním modelu a zhodnotí se jeho úspěšnost. Tento proces je velmi citlivý na sled fází a při špatném sledu se stav ještě zhorší, i když jsou symetrizační členy dobře vypočtené. Tento stav lze také na nově vytvořeném modelu simulovat. K novému modelu je vytvořen i nový návod pro laboratorní měření, který opět vychází z nedostatků původního. Je zde i přepracovaná teorie, která by měla sloužit studentům k lepšímu pochopení této problematiky a bude používaná jako příloha k návodu. Navržený návod stejně jako diplomová práce jsou doprovozeny názornou schématickou a obrazovou dokumentací vnitřního i vnějšího provedení nové symetrizační jednotky. Pro srovnání jsou zde i obrázky původních symetrizačních členů, kterých byla celá řada a museli se pracně spojovat. Dále následuje zhodnocení naměřených hodnot na novém fyzikálním modelu. Vysvětlují se důvody vzniku odchylek naměřených hodnot od teoretických předpokladů. V následující části jsou popsány možnosti využití tohoto fyzikálního modelu nejen pro výuku, ale též pro simulace návrhu skutečného symetrizačního zařízení, protože na tomto modelu lze snadno měnit nastavení indukčností a kapacit, což na původním nebylo možné. V závěrečné části jsou uvedeny možnosti použití symetrizačních zařízení v praxi. Můžeme zde nalézt detailní popis těchto zařízení, které jsou v provozu ve firmě Siemens Mohelnice. Na uvedených schématech je pak patrné, že teoretický rozbor se plně shoduje se skutečným provedením těchto zařízení. V závěru je pak uvedeno zhodnocení významu celé práce jak pro výukové účely tak pro praktické použití v průmyslu. 14

13 Návrh tepelné elektrárny 10 MWel na využití biomasy Stanislav Kůla - EE 5 lektor: doc. Ing. Zbyněk Martínek, CSc. - KEE V práci jsem se zabýval návrhem elektrárny na využití biomasy s parní kondenzační turbinou a parní protitlakou turbinou. Cílem řešení bylo posoudit možnosti uplatnění biomasy pro výrobu elektrické energie v parní elektrárně o instalovaném výkonu 10 MWel a navrhnout možnosti získávání paliva. Dále bylo nutné navrhnout parní oběh elektrárny. U elektrárny s kondenzační turbínou je výpočet parního oběhu důležitý pro stanovení účinnosti výroby elektrické energie. U elektrárny s protitlakou turbinou jsem provedl výpočet parního oběhu s cílem vyčíslení modulu teplárenské výroby. Modul teplárenské výroby charakterizuje množství tepelné energie, která vzniká během výroby elektřiny. Vypočítané parametry, účinnost elektrárny a modul teplárenské výroby jsou nezbytné pro stanovení potřebného objemu paliva, následně určení velikosti plantáže a u elektrárny s protitlakou turbínou k návrhu uplatnění tepelné energie a v neposlední řadě k vyčíslení nákladů na výrobu elektrické a tepelné energie. Dále jsem provedl ekonomické hodnocení obou variant návrhu elektrárny. Pro základní určení ekonomické efektivity elektrárny jsem použil výpočtu čisté současné hodnoty cash flow za 30 letou dobu provozu elektrárny. Výslednou veličinou výpočtu cash flow je hodnota kumulovaného cash flow za dobu 30 let provozu elektrárny. Při výpočtu bylo kalkulováno s financováním výstavby elektrárny pomocí úvěru. Metoda splácení úvěru postupným umořováním vyšla oproti metodě anuitního umořování výhodněji. V případě kondenzační elektrárny jsem počítal cash flow pro 3 hodnoty doby využití maxima instalovaného výkonu. V případě elektrárny s protitlakou turbínou jsem vypočítal výši produkce a cash flow na základě uplatnění tepelného výkonu pro ohřev TV a TUV. Pro tento způsob uplatnění tepelného výkonu vyšla doba využití maximálního instalovaného elektrického výkonu 4268 h/rok. Základní výsledky výpočtu cash flow jsou následující: Pro elektrárnu s kondenzační turbínou: Doba využití maxima [h/rok] Kumulované cash flow za 30 let provozu [mil. Kč] , Pro elektrárnu s protitlakou turbínou: Doba využití maxima [h/rok] Kumulované cash flow za 30 let provozu [mil. Kč] 440 Z výpočtu cash flow vyplývá, že elektrárna s protitlakou turbinou je ekonomicky výhodnější. Důvodem je využití kondenzačního tepla páry u elektrárny s protitlakou turbínou, u elektrárny s kondenzační turbinou je kondenzační teplo páry nevyužito. V rámci ekonomického hodnocení jsem provedl výpočet doby vyrovnání nákladů. Doba vyrovnání nákladů je období (počet let), za které kumulované cash flow přinese hodnotu rovnající se nákladům na investici. V cash flow pro výpočet doby vyrovnání nákladů nefigurují položky úroků a splátek úvěru, jde o cash flow odpovídající případu financování investice na výstavbu a uvedení do provozu elektrárny z vlastních kapitálových zdrojů. Doba vyrovnání nákladů vyšla pro kondenzační elektrárnu (při době využití maxima 7000 h/rok) 15 let, pro elektrárnu s protitlakou turbinou (při době využití maxima 4268 h/rok) 9 let. V závěrečné kapitole práce jsem se věnoval citlivostní analýze. Sledoval jsem vliv ceny paliva, velikosti investičních nákladů, účinnosti elektrárny, modulu teplárenské výroby, doby využití maxima instalovaného výkonu a ceny vykupované energie na velikost výrobních nákladů a kumulovaného cash flow za dobu provozu elektrárny 30 let. Důležitým výsledkem citlivostní analýzy jsou velikosti změny jednotlivých vstupních parametrů oproti předpokládané hodnotě, které vyvolají pokles kumulovaného diskontovaného cash flow za sledované období 30 let provozu na nulu. 15

14 Trakční systémy magnetické levitace - srovnávací studie Jan Kvídera - KOE 3 lektor: prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc. - KTE Vysokorychlostní železnice zažívá v Evropě renesanci, kdy jsou staré železniční tratě modernizovány tak, aby je bylo možné projíždět vyššími rychlostmi nebo jsou budovány nové vysokorychlostní koridory. Postupně je zvyšována provozní rychlost, která dnes dosahuje 350 km.h -1. Ačkoliv rekord klasické vysokorychlostní železnice z 18. května 1990 speciálně připravenou jednotkou TGV Atlantique č. 325 má hodnotu 515,3 km.h -1, není možné tuto rychlost využívat v běžném provozu. Problém zde činní styk mezi kolem a kolejnicí a mezi trakčním vedením a sběračem. Trakční systémy využívající magnetické levitace jsou vhodným řešením jak dále zvyšovat maximální provozní rychlosti. V současnosti jediným systémem, který se dostal do skutečného provozu je systém využívající elektromagnetické levitace EMS. Tento systém je vyvíjen a vyráběn konsorciem firem Thyseen Krupp a Siemens pod názvem Transrapid. Cílem této práce je provést srovnání investičních a provozních nákladů a návratnost vložených investic mezi klasickou železnicí a systémem Transrapid. Pro účely srovnání byly zvoleny dvě varianty provozu, dálkový vysokorychlostní koridor a příměstská dráha. V obou případech byly vypočteny investiční náklady na výstavbu drážního tělesa, přestupních terminálů a servisního zázemí. Ze zvoleného dopravního taktu byla určena turnusová potřeba vozidel a počet záložních vozidel. Z těchto údajů byly spočteny provozní náklady, které se skládají z nákladů spojených s elektrickou energií, náklady na údržbu vozidel a drážního tělesa. Výše jízdného vychází z cen Deutsche Bahn A.G. Výsledné porovnání je příznivější pro klasickou železnici ať již jako vysokorychlostní koridor, tak i příměstskou dráhu. V současnosti brání rozšíření Transrapidu vysoké pořizovací náklady, které lze kompenzovat vyšší cenou jízdného. Jízdné nemůže být výrazně vyšší než konkurenční dopravní systémy, což je v případě výstavby vysokorychlostního koridoru doprava letecká, u příměstké dopravy doprava individuální. Pořizovací náklady lze docílit až při větších výrobních sériích vozidel a tím i snížení podílu vývojových nákladů na jedno vozidlo, tak jako se povedlo u některých kolejových vozidel. Trakční systém Transrapid je perspektivní k možnostem jeho dalšího vývoje a rozvoje. Výhodou systému Transrapid je snadné zvýšení provozní rychlosti bez vysokých investičních nákladů. Nesporným přínosem je i šetrnost k životnímu prostředí, nízká hladina hluku, absence trakčního vedení, nižší spotřeba elektrické energie a nadzemní drážní těleso, které nepřerušuje migrační cesty zvěře.maximální rychlost, kterou je Transrapid v současnosti provozován je 430 km.h -1. Této rychlosti je dosahováno na dráze v Šanghaji, která je celosvětově první dráha využívající magnetické levitace v běžném provozu. Tabulka 1. Ekonomické porovnání Příměstská dráha Vysokorychlostní koridor Železnice Transrapid Železnice Transrapid Výstavba tratě [mil / km] 8, Délka tratě [km] Pořizovací cena vozidla [mil ] 8, ,5 96,4 Celkové investice [mld ] 0,71 3,7 3,1 3,1 6 15,1 15 V max [kmh -1 ] Provozní náklady / rok [mil ] 4 3,1 5,1 7,8 12,3 7,9 12,1 Cena jízdného [ ] 2, Příijmy [mil / rok] Doba návratnosti investic [roky]

15 Měření teplot asynchronních strojů Jan Markvart - KE 5 lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV Pro účely měření teplot v různých částech asynchronního stroje byl upraven čtyřpólový asynchronní stroj s vinutou kotvou. Jmenovitý příkon stroje je 5, 5 kw. Do statorového vinutí a statorového železa bylo pro snímání teploty založeno sedm termistorů s NTC-charakteristikou (tj. nepřímou závislostí odporu na teplotě). Do čtyřech cívek 1. fáze po jednom termistoru, do 1. cívky 2. a 3. fáze po jednom termistoru a jeden termistor do železa statoru. Vývody termistorů jsou připojeny na konektor CANON 15, který je připevněn na zvláštní svorkovnici motoru. Aby bylo možno změny teploty vyhodnocovat, je zapotřebí převést změnu odporu termistoru na napětí, což je elektrická veličina, která je přijatelná pro elektronické měřící přístroje a pro měřící kartu počítače. Převodník teplota - napětí vychází z neinvertujícího zapojení operačního zesilovače. Vstupu do zesilovače je předřazen odporový dělič. Odporová síť byla nastavena s ohledem na vhodný teplotní rozsah převodníku. Pro vyhodnocení měření byla použita osmikanálová měřící karta do počítače PCI Programová podpora měřícího systému byla zajištěna programem ScopeWin. Vzhledem k tomu, že sledovaných částí asynchronního stroje je sedm a karta má osm kanálů, lze konstatovat, že každý měřící bod je možno připojit na jeden kanál karty. Avšak s ohledem na fakt, že při takovémto způsobu zapojení by pro měření dalších veličin (jakožto např. napětí, proudy, otáčky nebo točivý moment) zůstal volný pouze jeden měřící kanál, bylo zvoleno řešení s použitím přepínače měřících míst tzv. multiplexeru. Jak již bylo uvedeno, pro vyšetřování teplot v různých částech asynchronního stroje byl uzpůsoben asynchronní stroj s kroužkovou kotvou o výkonu 5,5 kw. Zkoušený stroj nemá spojen hřídel s jiným strojem, kterým by jej bylo možno zatížit. Z tohoto důvodu nebyla zkouška provedena důsledně podle normy, ale bylo zvoleno řešení, které jmenovité zatížení přibližně nahradilo. Vinutí jednotlivých fází byla spojena do série a připojena na stabilizovaný zdroj stejnosměrného proudu. Aby bylo dosaženo stejných tepelných účinků jako při napájení střídavým proudem, byla hodnota stejnosměrného proudu nastavena právě na efektivní hodnotu jmenovitého proudu střídavého (jak plyne z definice efektivní hodnoty střídavého proudu). Cejchování převodníku bylo provedeno ohřevem termistoru v olejové lázni a to v rozsahu teplot C. Olej byl použit pro vysokou teplotu varu a pro výborné izolační vlastnosti. Výstupní napětí převodníku bylo sledováno voltmetrem, teplota lázně pak pomocí dvou teploměrů. V celém rozsahu byla teplota olejové lázně kontrolována digitálním multimetrem s teplotním čidlem. V omezeném rozsahu ( C) byla ještě teplota sledována rtuťovým teploměrem. Velikost výstupního napětí převodníku byla sledována digitálním voltmetrem. 17

16 Zásobování oprávněných zákazníků prostřednictvím sítě SUAS Ondřej Pávek - EE 5 lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE V této práci se zabývám možnostmi napojení nových oprávněných zákazníků na síť Sokolovské uhelné, a. s. SU, a. s. je velký palivoenergetický závod, zabývající se především těžbou uhlí v Sokolovské hnědouhelné pánvi, jeho prodejem a transformací na jiné druhy energií (elektrická energie, energoplyn, brikety, karbochemické produkty, aj.). Výrobny elektrické energie SU, a. s. teplárna Vřesová a paroplynová elektrárna (PPC) Vřesová s celkovým instalovaným výkonem 620 MWe patří na našem trhu mezi významné výrobce elektrické energie. Výkon z PPC Vřesová je vyveden 220 kv vedením do rozvodny Vítkov, tudíž do přenosové soustavy (PS) České republiky. Elektrická energie z teplárny Vřesová je převážně určena pro konečné zákazníky SU, a.s. a pro vlastní spotřebu závodu. Možnosti napojení oprávněných zákazníků na síť Sokolovské uhelné, a. s. se přímo odvíjí od současného uspořádání sítě SU, a. s., do které je nyní napojeno přes 200 odběratelů elektrické energie. Z toho 48 je oprávněných zákazníků, zbývající odběratelé jsou domácnosti, které ještě v roce 2005 nepatří mezi oprávněné zákazníky. Mezi velké oprávněné zákazníky s odběrem nad 1000 MWh za rok patří především strojírny v Sokolově a Svatavě, dále velké průmyslové a stavební podniky. Současný stav sítě SU, a.s. dovoluje takřka ihned a bez zásadních úprav napojit dalšího nového oprávněného zákazníka, který by měl příkon do 150 kw na kteroukoliv z rozvoden 6 kv. Napojení oprávněných zákazníků s větším příkonem je limitováno počtem volných polí v rozvodnách a výkonovou rezervou. V současné době se jako nejvýhodnější jeví napojení nového oprávněného zákazníka - firmy, zabývající se výrobou technických plynů (zejména kyslíku) z atmosférického vzduchu (nová kyslíkárna), která zvítězila ve výběrovém řízení pro dodávku technických plynů pro Sokolovskou uhelnou, a. s. A to vzhledem k uzavření stávajícího provozu kyslíkárny. Požadavek na výstavbu nové kyslíkárny vyústil z vyšších kvalitativních i kvantitativních potřeb kyslíku v SU, a. s. Nová kyslíkárna bude tedy náhradou stávajícího provozu kyslíkárny SU, a. s. Vzhledem k uvolnění kapacity elektrické energie i pozemků SU, a. s. ve Vřesové, je vhodné umožnit výstavbu nové kyslíkárny v areálu SU, a. s. ve Vřesové. Ze vztahu Sokolovská uhelná, a.s. a provozovatel závodu na výrobu technických plynů z atmosférického vzduchu plyne řada nesporných výhod na obou stranách. V prvé řadě to je oboustranný obchod. Nová kyslíkárna bude napojena na síť SU, a. s., bude tedy odebírat elektrickou energii, chladící vodu a páru od SU, a. s. a zároveň bude dodávat technologické plyny, zejména kyslík a dusík. Na těch je v SU, a. s. závislá výroba dalších technických plynů, zejména energoplynu a elektrické energie. Oba subjekty tedy budou mít stálý odběr i dodávku. Nová kyslíkárna bude mít stabilizovaný odběr elektrické energie, který budou zejména zajišťovat její dva největší pohony - kompresor kyslíku 19 MVA a kompresor dusíku 19 MVA. Výroba technických plynů bude probíhat v nepřetržitém provozu a převážná část výrobního zařízení bude vytížena. Další výhodou vztahu je tranzit plynů potrubím na krátkou vzdálenost, minimální úpravy sítě a minimální provozní náklady. Je také zřejmé, že provoz nové kyslíkárny již nebude představovat pro SU, a. s. vlastní spotřebu (jako je to u stávající kyslíkárny - součásti SU, a.s.), ale nového oprávněného zákazníka. Pro Sokolovskou uhelnou, a. s. tedy odpadnou vysoké náklady na provoz staré kyslíkárny. Ekonomická výhodnost tohoto vztahu je zřejmá. Sokolovská uhelná, a.s. bude výrobci technických plynů platit cenu za práci a cenu za množství odebraných plynů, bude však také inkasovat platby za elektrickou energii. 18

17 Řešení ustáleného chodu soustavy Pavel Šilhán - EE 5 lektor: Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. - KEE Tato práce se zabývá vývojem aplikace pro výpočet ustáleného chodu v elektrizační soustavě. Program je vytvořen jako nadstavbový modul k výukovému programu vyvíjeného katedrou elektroenergetiky na FEL ZČU. V teoretické části je popsáno sestavení náhradního schématu elektrizační soustavy vytvořením náhradních dvojbranů jednotlivých prvků sítě, rozebrána metoda modelování elektrizační soustavy pomocí uzlové admitanční matice a základem celé práce je popis numerických metod, které se nejčastěji používají pro řešení ustáleného chodu soustavy, rozbor jejich vlastností a posouzena vhodnost jejich použití. Je známa celá řada způsobů popisujících elektrickou síť, metoda smyčkových proudů, metoda uzlových napětí, metoda napětí větví stromu a další. Všechny ale mají jedno společné. Jejich podstatou jsou Kirchhoffovy zákony pro proud a napětí. Protože základem této práce je využití výpočetní techniky při řešení stavu elektrické sítě je na místě zabývat se metodou uzlových napětí, protože ta přináší pro řešení pomocí počítačů několik výhod. Aby tato metoda mohla být s úspěchem použita je nutné znát alespoň minimum požadovaných dat pro začátek řešení (tzn. impedance všech prvků sítě, dodávaný resp. odebíraný činný a jalový výkon v příslušných uzlech sítě, umístění referenčního uzlu a fázor napětí v tomto uzlu). Základem řešení soustavy uzlových rovnic popisujících elektrizační soustavu je jejich správné sestavení, vypuštění rovnice referenčního uzlu a následně získání (n-1) rovnic, vyřešení soustavy (n-1) rovnic a dopočtení neznámé z rovnice pro referenční uzel. Pro řešení jakéhokoli stavu sítě (ustálený chod nebo např. zkratové poměry) jsou důležité zjednodušující předpoklady, z kterých vychází i tato práce. Jsou to: souměrnost prvků sítě, sinusový průběh napětí a proudu, znalost náhradního schématu, přepočet prvků na jednu napěťovou úroveň a uvažování tzv. fiktivního převodu transformátorů. Po výše uvedeném rozboru byla jako nejvhodnější metoda pro řešení ustáleného chodu soustavy zvolena Newton-Raphsonova iterační metoda, vytvořen její algoritmus a prvky sítě namodelovány dvojbranem typu pí-článek. Pro řešení soustavy lineárních algebraických rovnic je použit algoritmus Gaussovy eliminace s využitím celkové pivotace. Program byl vyvinut ve vývojovém prostředí Borland Delphi pro operační systémy Windows. Program počítá v rovině komplexních čísel a v poměrných jednotkách veličin popisujících soustavu z hlediska ustáleného chodu. Aplikace je sestavena objektově s ohledem na návaznost na stávající výukový program a také na budoucí rozšiřitelnost. Při vývoji prostředí byl kladen důraz na jednoduchost ovládání a přehlednost výsledků. Celý modul programu je realizován jednou knihovnou DLL (Dynamic Link Library) a několika jednotkami, popisující strukturu formulářů aplikace. Knihovna DLL byla s výhodou použita pro schopnost exportovat svoje funkce a procedury okolním aplikacím a načítat je do paměti až v okamžiku, kdy je to zapotřebí. Program je schopen ze vstupních hodnot, charakterizujících sestavenou elektrizační soustavu, vypočítat uzlová napětí a určit směr a velikost toku proudu a také činného a jalového výkonu ve větvích sítě. Funkčnost programu byla ověřena řadou kontrolních výpočtů a také porovnáním výstupních hodnot s výsledky jiného výpočtového programu řešící ustálený chod soustavy, který je plně funkční není však kompatibilní s operačním systémem Windows. 19

18 20

19 Sekce Elektronika a měření složení komise předseda členové doc. Dr. Ing. Vjačeslav Georgiev doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. Ing. Aleš Voborník, Ph.D. Ing. Petr Krist 21

20 Zesilovač pro snímače tenzometrických sil Jiří Boleček - ES 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Předmětem této práce je zařízení, které zpracovává diferenční signály ze tří můstkových tenzometrických snímačů. Jeho úkolem je pak tyto signály sečíst a převést do číslicové podoby s rozlišením 12 bitů. Zařízení pak komunikuje s nadřazeným počítačem pomocí asynchronní sériové linky standardu RS485. Další výstup je v podobě analogové proudové smyčky 0 až 20 ma. Zařízení je dále vybaveno vstupem pro impulsní čidlo rychlosti. Primárně je tato konfigurace určena pro dynamické vážení, kdy jsou tenzometrické snímače zatěžovány váženým materiálem, který se pohybuje po dopravníkovém pásu a impulsní čidlo pak snímá rychlost pohybu pásu. Cílem této práce bylo navrhnout a odzkoušet obvodové řešení, včetně napájecích zdrojů. Byla zvolena varianta, kdy se vstupní signály sčítají v analogové podobě. Číslicová část včetně AD a DA převodníků je postavena na bázi jednočipového mikropočítače ADuC831. Jedná se o mikropočítač s jádrem kompatibilním s INTEL8052. V zařízení má tento mikropočítač na starosti AD převod, filtraci naměřených dat, komunikaci s nadřazeným počítačem, zpracování impulsního signálu, analogový výstup pro obvody proudové smyčky, dále pak nastavuje zesílení součtového signálu a jeho napěťový posun a to tak, aby byl co nejlépe využit rozsah AD převodníku. Celé zařízení se ovládá pomocí příkazů předávaných po lince RS485, základní nastavení je pak také možné pomocí osmi zkratovacích propojek. Blokové schéma je uvedeno na obr. 1. obr. 1: Blokové schéma 22

21 Nejistoty měření Stanislav Bugoš - KE 5 lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET Cílem měření je numericky charakterizovat stav, výkon fyzického procesu. Klíčové je správné pochopení získaných dat z měření, aby bylo možno tyto získané údaje využít. Při každém měření vznikají chyb, které jsou dány nedokonalostí obsluhy, nepřesností měřicích přístrojů a metodiky. Chyba je definována jako rozdíl mezi pravou hodnotou parametru měřeného a výsledku získaném měřením. Vzhledem k tomu, že nikdy neznáme skutečnou pravou hodnotu, nikdy neznáme chybu. Výskyt chyb nám experimentálně potvrzují výsledky opakovaných měření při stejných podmínkách měření tím, že nikdy nedosáhneme úplně stejných výsledků. Odlišnost výsledků lze vysvětlit růzností chyb, které při měření působí. Je nutno podotknout, že nikdy, i při opakovaném měření, nejsou podmínky měření zcela stejné. Při vyjadřovaní výsledků měřené fyzikální veličiny je nezbytné užití nějakých kvantitativních ukazatelů kvality zjištěných výsledků, které nám umožní odhadnout jejich spolehlivost. Bez těchto údajů není možné výsledky měření porovnat ani vzájemně mezi sebou, ani s referenčními údaji ve specifikacích či normách. Kvalitu výsledku měření umožňují nástroje pro určení a vyjádření nejistot měření. Nejistotou měření je parametr, který souvisí bezprostředně s výsledkem měření a charakterizuje interval hodnot kolem výsledku měření, v němž lze s určitou pravděpodobností předpokládat výskyt skutečné měřené veličiny při množině podmínek, které jsou součástí měřicího procesu. Nejistota není chyba, protože chyba je aktuální rozdíl mezi naměřenou a skutečnou hodnotou. Nikdy neznáme skutečnou hodnotu nebo skutečnou chybu, ale jen odhad jejich mezí, který nazýváme nejistotou. Nejistota se netýká jen výsledku měření, ale i hodnot odečítaných na použitých přístrojích, hodnot použitých konstant, korekci apod. Jako zdroje nejistot můžeme označit jevy, které nějakým způsobem ovlivní neurčitost stanovení výsledku měření, a tím vzdalují naměřenou hodnotu od hodnoty skutečné. Důležitou roli hraje i skutečnost, zda se jedná o měření přímé nebo nepřímé. Při hodnocení nejistot jsou jejich složky seskupeny do dvou skupin nejistota typu A a nejistota typu B. Nejistota typu A zahrnuje složky nejistot stanovené statistickým rozborem série měření, nejistota typu B pak všechny složky nejistot stanovené jinými metodami, tj. údaje z certifikátů, kalibračních listů, ověřovacích listů, předcházející měření a jejich výsledky atd. Z těchto základních typů nejistot se prostřednictvím odmocniny součtu jejich čtverců, určí výsledná nejistota kombinovaná u C. Standardní kombinovaná nejistota určuje interval, který má poměrně velkou pravděpodobnost překročení, tzn. definuje skutečnou hodnotu měřené veličiny s pravděpodobností přibližně 60 %. Tato pravděpodobnost je většinou nedostatečná. Proto se v praxi využívá interval, ve kterém se hodnota nachází s pravděpodobností blížící se 100 %. Nejistota charakterizující tento interval se nazývá rozšířená nejistota, která se označuje U. Rozšířenou nejistotu získáme rozšířením nejistoty u C koeficientem rozšíření k U. Výsledek měřené veličiny se udává ve tvaru Y = (y ± U). K výsledku měření se udává jednotka veličiny a nejistoty, hodnota koeficientu rozšíření k U nebo procentuální pravděpodobnost výsledku. Tato práce se zabývá vyjadřováním nejistot měření pro přímé měření jedné veličiny a nepřímé měření jedné a více veličin. Práce obsahuje příklady uvedených metod. 23

22 Návrh laboratorního modelu pro simulaci tlumení rezonančních kmitů Jaroslav Burda - EAT 3 lektor: Ing. Petr Kašpar - KAE Příspěvek, který předkládám je velmi stručný souhrn mé bakalářské práce s názvem: Návrh a realizace laboratorní pomůcky pro výuku automatického řízení, ve které se zabývám návrhem a sestrojením laboratorního modelu pro praktickou výuku tlumení rezonančních kmitů strojních soustav. Při vybuzení nedostatečně tlumených systémů minimálně druhého řádu dochází ke vzniku kmitů. Matematicky řečeno, systém bude kmitavý pokud budou mít kořeny charakteristického polynomu (póly) nenulovou imaginární složku: F( s) = s 2 b1s + b0 + 2ξΩs + Ω 2, kde ξ je tlumení a Ω je vlastní frekvence systému. Tlumení kmitů lze rozdělit na: pasivní, kdy využíváme pouze elastického odporu přídavných prvků a kinetickou energii kmitů přeměňujeme na teplo, poloaktivní, kdy energii do soustavy sice nepřivádíme, ale vhodným způsobem ji přesouváme, aktivní tlumení, kdy na řízenou soustavu působíme vnější silou proti smyslu vektoru kmitání a tím dochází k utlumení kmitů. Mnou navržený model je určen pro demonstraci aktivního tlumení. Jako kmitající element je využita deska 0,8 mm silného pozinkovaného plechu o rozměrech mm. Akčním členem je reproduktor TVM ARN /8 napájený zesilovačem na bázi obvodu LM3886. Kmitání desky je měřeno indukčním snímačem vytvořeným z elektromagnetického sluchátka po odstranění membrány. Všechny komponenty jsou z důvodu zamezení parazitních rezonancí přidělány k masivní železné desce v uspořádání dle obr. Zařízení se připojuje pomocí laboratorní karty MF604 k PC na kterém běží řídicí systém MATLAB s nadstavbou SIMULINK a knihovnou RT-toolbox. Bližší informace a detaily technického návrhu lze najít ve výše zmiňované bakalářské práci, či na Katedře kybernetiky FAV ZČU, pro jejíž potřeby byl vytvořen. 24

23 Programovatelná logická pole Jaroslav Fait - ES 5 lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE Práce si kladla za cíl vytvořit vývojovou desku umožňující analýzu průmyslových sběrnic a umožnit připojení periferních obvodů s 5V logikou. Proto se deska skládá ze dvou částí. Hlavní desku lze tak snadno využít i k výukovým či testovacím účelům. První deska nazvaná TORNADO ver. 1.0 obsahuje obvod FPGA CYCLONE EP1C6 (ALTERA), paměť CMOS SRAM 512k 16b K6X8016T3B (Samsung) a 10 bitové obousměrné posouvače úrovně tzv. level shifter GTL2010 (Philips). Tyto posouvače nepotřebují řízení směru a dovolují na pinech téhož pouzdra posouvání mezi různými úrovněmi FPGA obvod EP1C6 umožňuje implementovat velmi rozsáhlou logiku, což dovoluje cca 6000 logických elementů a 20 bloků RAM paměti s konfigurací bitů. Obvod také obsahuje dva analogové fázové závěsy umožňující vytvořit z frekvence oscilátoru o minimální hodnotě 24 MHz frekvenci až cca 380 MHz, což je velice výhodné pro vzorkování rychlých sběrnic jako je například sběrnice USB nebo CAN. Obvod FPGA je možné konfigurovat přímo v systému nebo z předem naprogramované sériové paměti EPCS4 z PC přes paralelní port a kabel BYTEBLASTER II. Pro možnost ukládání většího objemu dat, deska obsahuje dvě pozice pro již výše uvedenou CMOS SRAM paměť. Pro vývoj syntézu je k dispozici program Quartus II Web edition, který je volně dostupný na www stránkách ALTERY. Pro simulaci se nabízí například produkt VHDL Simili od Symphony EDA, který je také volně dostupný, ovšem při simulaci podstatně zpomaluje výpočetní rutiny. Druhá deska nazvaná INTERFACE slouží pro zkoumání USB protokolu. Obsahuje také linku RS 232C pro komunikaci s PC a přenos dat uložených v paměti. K této desce lze připojit displej nebo klávesnici 4 4. obr. 1: Blokové schéma vývojové desky TORNADO 25

24 Mikroprocesorem řízené pyrometrické měření výkonu v předehřívací komoře napařovacího zařízení Sigma firmy Trikon Ltd. Zdeněk Ferus - ES 5 lektor: prof. Ing. Jiří Pinker, CSc. - KAE Úkolem práce je implementace nové metody pro měření vyzářeného tepelného výkonu žhavicí žárovky v předehřívací komoře na napařovacím zařízení Sigma vyrobeného firmou Trikon Ltd. Toto zařízení slouží k napařování tenkých vrstev různých kovů a sloučenin na křemíkový substrát. Předehřívací komora, která je též součástí tohoto zařízení, slouží k odstranění různých nečistot z povrchu křemíkové destičky, na kterou je posléze nanášena daná vrstva. Toto odstranění probíhá pomocí ohřátí destičky na určitou teplotu ve vakuu a následném spontánním ochlazení. Nečistoty se z povrchu vypaří a poté jsou i odčerpány z předehřívací komory. K ohřátí křemíkové destičky je použita halogenová žárovka nejčastěji s výkonem 3 kw, která je umístěna na spodku předehřívací komory. Křemíková destička musí být ohřána na minimální určitou teplotu, aby se podařilo odstranit z povrchu veškeré nečistoty. Zároveň nesmí teplota přesáhnout určitou maximální hodnotu, aby např. nebyly porušeny nějaké z předchozích nanesených vrstev. Při konstantním výkonu halogenové žárovky a přesně daném čase provozu této žárovky se teplota zvýší na požadovanou hodnotu. Dlouhodobě se však nedá zaručit, že je výkon žárovky konstantní. Je tedy potřeba pravidelně kontrolovat, zda tento leží v požadovaných empiricky zjištěných mezích. K tomuto monitorování vyzářeného výkonu je u firmy Infineon Technologies AG. v Regensburgu využívána metoda Therma-Probe, která byla vyvinuta firmou Therma-Wave Ltd. Tato metoda spočívá v měření poškození krystalické mřížky u křemíkové destičky s implantovanou vrstvou Bóru pomocí dvou laserů. Tedy, u takto upravené destičky je změřeno poškození krystalické mřížky a následně je ohřána v předehřívací komoře. Poškození krystalické mřížky má tu vlastnost, že se proporcionálně k přivedenému teplu snižuje. Po ukončení procesu v předehřívací komoře, je destička opět změřena a změna poškození krystalické mřížky je poté veličinou, která je přímo úměrná přivedenému teplu. Tato metoda má však mnoho nedostatků. Křemíková destička s poškozenou krystalickou mřížkou je poměrně drahá a lze ji použít pouze jednou. Zařízení na měření poškození krystalické mřížky (Opti-Therm) představuje též výraznou investici. Měření je též nepřímé a tudíž závislé na mnoha rozlišných aspektech a vyžaduje zásah operátora. Z těchto důvodů, jsem byl pověřen prozkoumat možnost měření výkonu žárovky pomocí pyrometru připevněného na víku komory a snímajícího infračervené záření z křemíkové destičky. K tomuto účelu bylo zhotoveno měřící zařízení ovládané mikroprocesorem a naprogramován uživatelský program pro PC. K měření byly použity nestrukturované křemíkové destičky s tenkou vrstvou Ti a TiN, které mají poměrně vysokou emisivitu. Princip měření spočívá v snímání infračerveného záření z destičky během celého procesu v předehřívací komoře pomocí pyrometru. Analogový signál z pyrometru je poté digitalizován v A/D převodníku, mikroprocesorem dále zpracován a posléze poslán přes sériové rozhraní počítači, který výsledek zpracování zobrazí na monitoru. Výsledkem celého měření je křivka, která má několik fází. Nejdůležitější je fáze ohřívání destičky, která je charakterizována strmým skoro lineárním průběhem. Sklon křivky v této fázi koresponduje plně s vyzářeným výkonem žárovky, který je požadovanou měřenou veličinou. Tato metoda má nesporně mnoho výhod oproti Therma-Probe. Je poměrně levná, protože destičky se mohou používat vícekrát a jsou též o mnoho levnější než destičky používané pro Therma- Probe. Odpadá i drahé vyhodnocovací zařízení. Měření se provádí prakticky bez zásahu operátora, což opět šetří peníze, a výsledky jsou k dispozici ihned po skončení měření v elektronické formě. 26