Робот для обслуживания линий электропередач "Дрон паук-помощник" на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Робот для обслуживания линий электропередач "Дрон паук-помощник" на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

Вальтер Д.А. 1Зданевич М.Е. 1Кожемякин К.Д. 1Терешин М.А. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Попова Е.Е. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность работы

В современном мире мы уже не можем представить свою жизнь без электричества. Оно нам необходимо каждый день. Электричество в больших городах вырабатывается на электростанциях и подается в город по линиям электропередач. Погодные условия нередко становятся причиной поломок, обрывов на ЛЭП, что приводит к обесточиванию районов города или отдельных населенных пунктов. Одной из проблем на ЛЭП в Тюменском регионе зимой является обледенение проводов. Длина проводов между башнями ЛЭП может быть от 30 метров в городе до 700 метров между городами, например между Тюменью и Курганом. В случае обледенения такой длинный провод легко может оборваться под тяжестью льда. Что нередко случается в отдаленных поселках и деревнях. Они остаются без света и даже тепла!

Цель проектной работы:

- создать модель демонстрации обслуживания роботом линий электропередач для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии потребителям в город.

Задачи проектной работы:

  1. изучить виды электростанций, подробнее узнать о работе ТЭЦ;

  2. узнать о том, как передается электроэнергия на большие расстояния в город и пригород;

  3. сходить на экскурсию;

  4. узнать о потребителях электроэнергии

  5. выделить главную проблему при передаче электроэнергии по ЛЭП, запланировать задачи для создания модели, демонстрирующую решение проблемы;

  6. Сконструировать и запрограммировать модель демонстрации обслуживания роботом «Дрон паук-помощник»;

  7. Провести демонстрацию проекта.

В качестве источников информации мы использовали информационные журналы и сайты: www.techcult.ru, www.atomic-energy.ru, pue8.ru, sip2a.ru, studfile.net. При оформлении проекта мы брали идеи из большой Книги идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли методические пособия о простых и сложных механических передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1 Выработка, передача и потребление электроэнергии в Тюменском регионе

    1. ТЭЦ – выработка электроэнергии

Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС. [4]

Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.

Процесс выработки электричества начинается в котельном цеху, где в котлоагрегатах сгорает топливо и нагревается вода, превращаясь в пар. Схема работы ТЭЦ представлена на Рисунке 1.1.1 Приложения. Через дымовую трубу наружу выводятся отработанные газы, которые образовались при сгорании топлива, как правило, экологичного природного газа.

Далее происходит самый волшебный момент — преобразование механической энергии в электрическую. Но ничего сверхъестественного здесь нет: пар высокого давления и температурой свыше 500 °C из котла попадает в турбину и раскручивает её, а турбогенератор, находящийся на одном валу с турбиной, преобразует полученные обороты в электроэнергию.

Электричество по дороге в наши розетки преодолевает длинный и сложный путь. Сначала повышающий трансформатор на ТЭЦ преобразовывает выработанную генератором электроэнергию и увеличивает её напряжение перед подачей в сеть. Затем по линиям электропередачи (ЛЭП) она передаётся на большие расстояния. Но перед тем, как зажечь лампочки в миллионах квартир, напряжение электрического тока уменьшается в понижающих трансформаторных подстанциях (Рисунок 1.1.2 Приложения), которые обычно расположены в жилых кварталах.

    1. ЛЭП – передача электроэнергии на большие расстояния

Ли́ния электропереда́чи (ЛЭП) — один из компонентов электрической сети, система энергетического оборудования, предназначенная для передачи электроэнергии посредством электрического тока. Также электрическая линия в составе такой системы, выходящая за пределы электростанции или подстанции.

Различают воздушные и кабельные линии электропередачи. В последнее время приобретают популярность газоизолированные линии — ГИЛ.

По ЛЭП также передают информацию при помощи высокочастотных сигналов (по оценкам специалистов, в СНГ используется порядка 60 тысяч ВЧ-каналов по ЛЭП) и ВОЛС. Используются они для диспетчерского управления, передачи телеметрических данных, сигналов релейной защиты и противоаварийной автоматики. [5]

Строительство ЛЭП — сложная задача, которая включает в себя проектирование, топографо-геодезические работы, монтаж, обслуживание и ремонт. Расстояние между башнями ЛЭП и высота кабеля над землей определяются величиной напряжения тока, передаваемого между городами.

Расстояние от точки подвеса до низшей точки провода называется стрелой провеса (Рисунок 1.2.1 Приложения). Она определяет габарит приближения провода к земле А, который для населенной местности равен:

  • до поверхности земли до 35 и 110 кВ — 7 м; 220 кВ — 8 м;

  • до зданий или сооружений до 35 кВ — 3 м; 110 кВ — 4 м; 220 кВ — 5 м. [6]

Длина пролета / определяется экономическими условиями:

  • для линий электропередачи с напряжением от 0,4 до 1 кВ дистанция между опорами может быть от 30 до 75 метров;

  • если речь идет о высоковольтных линиях с напряжением 10 кВ, длина пролета может быть до 200 метров;

  • для линий с напряжением 220 кВ расстояние между стойками достигает 400 метров;

  • максимальное расстояние 700 метров может быть между опорами линии электропередачи с напряжением более 330 кВ. [7]

Таким образом, длина проводов между башнями ЛЭП может достигать 700 метров. В случае непогоды, например обледенения, вероятен обрыв.

1.3 Потребители электроэнергии в городе

Потребители электроэнергии, расположенные на территории города, могут быть разбиты на пять групп: промышленные предприятия; жилые и общественные здания; коммунально-бытовые предприятия; электротранспорт; уличное освещение. [8]

Электроэнергия, вырабатываемая на станциях по соответствующим системам электрических сетей различных напряжений, направляется к потребителям электроэнергии. Питание многочисленных групп городских потребителей, в зависимости от размера города и числа его жителей, осуществляется в каждом конкретном случае по своей системе электроснабжения. Потребителям электроэнергии небольших городов являются гражданские здания (жилые и общественные) предприятия коммунально-бытового назначения и предприятия, обслуживающие нужды города. В больших городах могут быть крупные промышленные предприятия и электрический транспорт. Основными группами электроприемников, составляющие суммарную нагрузку жилых здания являются светильники общественного и местного освещения квартир и лестничных клеток, различные электробытовые приборы, силовые электроприемники. Крупными потребителями электрической энергии являются общественные здания, состоящие из зданий и помещений различного назначения и разнообразных по технологическим процессам. К ним относятся организации и учреждения управления, предприятия торговли, общественного питания, бытового обслуживания населения, лечебные учреждения, учреждения просвещённые, зрелищные предприятия, детские дошкольные учреждения, спортивные сооружения и тд. Потребление электроэнергии общественными зданиями основном определяются их осветительной нагрузкой и нагрузкой от технологического и сантехнического оборудования. Характерными группами потребителей электрической энергии на промышленных предприятиях являются осветительные установки, электродвигатели производственных механизмов, сварочные установки, электропечи итд.

Глава 2 Экскурсия в СУЭНКО

Чтобы разобраться и подробнее изучить тему электроснабжения мы посетили Областной Центр подготовки персонала Сибирско-Уральской энергетической компании.

Сибирско-Уральская энергетическая компания (СУЭНКО) – межрегиональная многопрофильная компания Курганской и юга Тюменской областей, входит в группу компаний ООО "Корпорация СТС". [9]

Территория присутствия:

• Тюмень, Тобольск, Ишим, Заводоуковск, Ялуторовск, Уват и ближайшие к ним муниципальные районы,

• 24 района Зауралья, включая города Курган и Шадринск.

Общая протяженность электрических сетей СУЭНКО составляет 36 тысяч километров, на балансе находится более 11 тысяч объектов электросетевого хозяйства (подстанций и распределительных пунктов).

В сфере тепло-водоснабжения и водоотведения компания обслуживает 790 км тепловых сетей, 370 км сетей водопровода, 1 водозабор, 230 км сетей канализации и 7 комплексов очистных сооружений канализации.

СУЭНКО является крупнейшим инвестором в сфере электроэнергетики юга Тюменской области и всего Зауралья.

Основные виды услуг, оказываемые предприятием:

• Транспорт электрической энергии;

• Технологическое присоединение;

• Техническое обслуживание;

• Передача и транспортировка тепловой энергии;

• Водоснабжение и водоотведение.

На учебном полигоне СУЭНКО в посёлке Винзили расположены макеты распределительных сетей с опорами различного исполнения, трансформаторная подстанция, линий электропередачи – разумеется, все конструкции не подключены к электричеству и полностью безопасны. Оборудование на полигоне воссоздаёт условия, максимально приближенные к реальным.

На экскурсии мы узнали откуда в домах появляется электроэнергия, почему электромонтер носит специальный костюм и какое современное оборудование используется для работы электросетевого комплекса (Рисунок 2.1 Приложения). На учебном полигоне экскурсоводы рассказали нам про учебные установки высоковольтных ЛЭП, огромные трансформаторы и станции по обслуживанию. Узнали про электромеханические и электронные реле для безопасной передачи электроэнергии. А также, примерили страховочную привязь, которая помогает электромонтерам работать на высоте, перчатки и каску.

Глава 3 Робот для обслуживания линий электропередач "Дрон паук-помощник" на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

На экскурсии в Сибирско-Уральскую Энергетической Компании мы узнали, что эта компанию доставляет электроэнергию от ТЭЦ по проводам по воздуху и по кабелям под землей к потребителям, то есть к нам в дома. Экскурсовод рассказал, что существует серьезная проблема в зимний период - обледенение проводов! Действительно! Мы изучили эту проблему подробнее в интернет-источниках: длина проводов между башнями ЛЭП может быть от 30 метров в городе до 700 метров между городами, например между Тюменью и Курганом. В случае обледенения такой длинный провод легко может оборваться под тяжестью льда. Что нередко случается в отдаленных поселках и деревнях. Они остаются без света и даже тепла!

Тогда у нас возникла идея - робот Дрон паук- помощник! Он будет отправляться на помощь и чистить провода от обледенения. Также Дрон-паук будет диагностировать целостность проводов. В случае неисправности он передаст сообщение в компанию для вызова электромонтера для ремонта.

3.1 Задачи конструирования

Для демонстрации нашей идеи мы решили сконструировать модель. Перед началом сборки мы сформулировали ряд конструкторских задач:

  1. Представить в модели все звенья цепи электроснабжения города: ТЭЦ, энергетическая компания, ЛЭП, потребители в городе;

  2. Визуализировать процесс обслуживания роботом «Дрон паук-помощник» линию электропередач, а также поломку и экстренное реагирование служб.

3.2 Конструкция модели и её функционал

Наша модель состоит из следующих частей:

1. ТЭЦ состоит из двух градирен, одной дымовой трубы и здания с электрогенератором

2. СУЭНКО

3. ЛЭП

4. Потребители: Карусель, электрозаправка

Кроме этого, в нашей модели много украшений: ледяные скульптуры, сугробы, машины и сосульки.

Мы создали нашу модель в несколько этапов (Рисунок 3.2.1 Приложения). Первыми были градирни и дымавая труба - ТЭЦ. На втаром этапе мы создали 3 башни ЛЭП и миханизмы для дрона на рычаге. На третем этапе мы саздавали карусель заправку и дорогу. И на четвёртам этапе мы создали ременную передачу дляя перемещения Дрона паука-помощника и генератор ТЭЦ, оформили всю модельв целом.

В нашем проекте 3 мотора приводят в движение сложные механические передачи (Рисунок 3.2.2 Приложения). Мотор 1 запускает 8 сложных механизмов: червячную передачу, повышающую зубчатую передачу, 3 повышающих ременных передачи и 3 осевых передачи. Мотор вращает червячную передачу, потом с помощью осевой передачи она приводит в движение зубчатую передачу. Далее через осевые передачи в движение приводятся три ременные передачи. В завершение в движение приводятся рычаг и пропеллер.

Мотор 2 запускает ременную передачу. Мотор приводит в движение ременную передачу, на которой прикреплен Дрон паук-помощник.

Мотор 3 запускает карусель с помощью повышающей зубчатой передачи. Мотор вращает угловую зубчатую передачу, которая вращает карусель через осевую передачу

Также в нашем проекте 3 хаба, 1 датчик расстояния и 1 датчик наклона (Рисунок 3.2.3 Приложения). Датчик расстояния установлен, чтобы увидеть прилетевшего дрона и активировать ременную передачу с пауком. Датчик наклона сигнализирует о успешном ремонте ЛЭП и передает сигнал для включения карусели в городе.

3.3 Программа

Наша программа состоит из двух частей (Рисунок 3.3.1 Приложения):

1 часть программы для проверки индикаторов моторов и датчиков

2 часть программы – основная, для запуска модели.

Модель запускается с нажатия 1 кнопки на клавиатуре. Передача задач от одного мотора к другому, от датчика к мотору происходит с помощью писем.

3.4 Презентация проекта

Итоговый вид модели проекта представлен на Рисунке 3.4.1 Приложения.

ТЭЦ вырабатывает электричество и передает энергетической компании. Она распределяет электричество на населенные пункты. Энергетическая компания отправляет электричество в город по линиям электропередач. Но вот проблема! Ударили резкие морозы и провода обледенели. Наш Дрон-паук летит на помощь! вот он приземлился на башню ЛЭП, почистил провода и полетел к следующей башне. Но здесь внезапная поломка – обрыв провода! Наш помощник отправляет сигнал в Энергетическую компанию и электромонтер выезжает на ремонт. Как только проблема решена, электричество доставляется в город. Мы видим, что карусель заработала!

Мы с командой выступили с проектом «Робот для обслуживания линий электропередач “Дрон паук-помощник” на базе конструктора LEGO WeDo 2.0» в нескольких соревнованиях:

  • на Дружеском матче в школе Мистер Брейни (Рисунок 3.4.2 Приложения),

  • на Региональном отборочном Чемпионате по робототехнике «Fierst Robotics Championship Екатеринбург-4.0» (Рисунок 3.4.3 Приложения).

Нам очень понравилось готовиться и выступать с проектом.

Заключение

В нашей проектной работе мы подробно изучили схему работы тепловой электростанции. Узнали, что электричество передается на большие расстояния по линиям электропередач, причем, чем больше напряжение в проводе, тем длинее провод и больше расстояние между башнями. Очень длинные провода зимой в нашем регионе не редко покрываются наледью, в связи с чем велика вероятность обрывов и отключения электричества. Подробно об этой проблеме нам рассказали на экскурсии в Сибирско-Уральской Энергетической Компании. Мы узнали, что обрыв проводов может привести к длительному отключению электроэнергии в отдаленных населённых пунктах. В нашей проектной работе мы предложили решение этой проблемы – робот Дрон паук-помощник. У него две основные задачи: снимать обледенение с проводов и диагностировать целостность проводов на ЛЭП.

Мы сконструировали на базе LEGO WeDo 2.0 модель, демонстрирующую обслуживание роботом «Дрон паук-помощник» линий электропередач для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии потребителям в город. Запрограммировали и провели демонстрацию.

Нам всем важно получать электричество стабильно. Наш робот Дрон паук-помощник поможет улучшить окружающий мир! Он предотвратит обрывы ЛЭП, и в каждом городе, селе, деревне людям будет тепло и светло! Люди будут здоровыми и счастливыми в каждом доме нашего холодного региона.

Наша работа может быть использована на уроках робототехники и внеклассных мероприятиях. А также мы надеемся, что наша идея будет реализована в ближайшем будущем и роботы «Дрон паук-помощник» появятся на службе у города.

Список используемой литературы:

  1. Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;

  2. Курс «Лаборатория первороботов», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - Мистер Брейни ┃Школа интеллектуального развития (vk.com);

  3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с.;

Интернет источники:

  1. https://www.techcult.ru/technology/5057-princip-raboty-i-ustrojstvo-tec-tes

  2. https://www.atomic-energy.ru/power-lines/news

  3. https://pue8.ru/transport-elektroenergii/48-vozdushnye-linii-elektroperedachi.html

  4. https://sip2a.ru/blog/kakoe-dolzhno-byt-rasstoyanie-mezhdu-oporami-lep/

  5. 23 Основные городские потребители электроэнергии и баланс ее потребления. (studfile.net) https://studfile.net/preview/7664408/page:8/

  6. https://www.suenco.ru/

Приложение

Рисунок 1.1.1 Схема работы ТЭЦ

Рисунок 1.1.2 Линии электропередач и трансформатор

Рисунок 1.2.1 Передача электроэнергии от ТЭЦ к потребителям. Основные характеристики ЛЭП

Рисунок 2.1 Фото нашей команды с экскурсии в Областном Центре подготовки персонала СУЭНКО

Рисунок 3.2.1 Этапы создания модели проекта

Червячная передача

Ременная передача

Повышающая зубчатая передача

Осевая передача

Рычаг

Рисунок 3.2.2 Сложные механические передачи в модели проекта

Рисунок 3.2.3 Составные части модели проекта

Рисунок 3.3.1 Программа для запуска модели проекта

Рисунок 3.4.1 Итоговый вид модели проекта «Робот для обслуживания линий электропередач “Дрон паук-помощник” на базе конструктора LEGO WeDo 2.0»

Рисунок 3.4.2 Выступление команды ЛЕГО ПРАЙМ с проектом
«Робот для обслуживания линий электропередач “Дрон паук-помощник” на базе конструктора LEGO WeDo 2.0»
на Дружеском матче в школе Мистер Брейни

Рисунок 3.4.3 Выступление команды ЛЕГО ПРАЙМ с проектом «Робот для обслуживания линий электропередач “Дрон паук-помощник” на базе конструктора LEGO WeDo 2.0» на региональном отборочном чемпионате “Fiers Robotics Championship Екатеринбург-4.0“
Просмотров работы: 226