Зенкерование отверстий: что это такое, назначение, чем отличается зенковка отверстия от зенкования, назначение и отличие раззенковки и зенкера

15Сен

Содержание статьи:

1. Зенкерование
2. Зенкование
3. Зенкование и зенкерование, разница между процессами
4. Основные виды зенковок
5. Цилиндрическая
6. Коническая
7. Плоские и торцевые
8. Отличие зенкерование от смежных операций
9. Оборудование для зенкования
10. Правильный процесс зенкерования металла
11. Развертывание, как способ обеспечения максимальной точности
12. Обозначение зенковки на чертеже

В производственных процессах, а особенно в машиностроение и станкостроение существуют некоторые процедуры, схожие по названию, но совершенно различные по своей сути. И подобного рода операции часто путают между собой. В данном обзоре мы как раз и затронем две процедуры такого типа. Мы разберемся, что это такое зенкерование и зенкование отверстий, чем отличается назначение, для чего применяется, инструменты, которые необходимы для проведения обозначенных операций. А также частично затронем видовое разнообразие.

Но помимо совершенно различно направленности, существуют и факторы, которые объединяют эти этапы обработки металла. А именно то, что оба варианта – это прямое воздействие на поверхность. Да, с разными целями и порой на различных стадиях. Но фактически это переработка покрытия. Кроме того, несмотря на различие в инструментарии, резцы их, по сути, также могут переводиться в действие одним механизмом. Как вариант, ручная дрель, если речь идет о работе в домашних, а не заводских условиях. Разумеется, класс точности в этом случае будет значительно ниже, что скажется на последующем результате. Но при низких требованиях к точности, и этот итог вполне может стать удовлетворительным.

Зенкерование

Для получения паза или отверстия в металлической поверхности, в первую очередь нам необходимо его высверлить. Это всегда начальный этап. Но до этапа развертки нужно полученное углубление еще и очистить. То есть, убрать всевозможные наслоения металла, заусенцы, неровности. И подогнать точность до того параметра, который указан по чертежам. Именно вот этот этап обработки, практически уже чистовой, нам и необходим.

Для этого используется специальный инструмент – зенкер. С его помощью мы можем добиться:

• Подгонки класса точности до 4, а в некоторых случаях и 5 уровня.

• Повышения уровня сцепления покрытия, придание ей равномерной и шероховатой поверхности, что важно для последующего сцепления.

• Работа с геометрией. То есть, возможность придания объекту задуманной геометрической формы с симметричными краями.

Вернемся к инструменту, с помощью которого и производится весь технический процесс. Несмотря на внешнюю схожесть, отличия зенкера от сверла весьма серьезные. А точное, большее количество режущих кромок и более крупные перемычки между ними. В результате у нас получается от 3 до 4 кромок. И они в совокупности оказываются плавное давление на металл, надежно сцепляются с поверхностью. И что не менее важно, не снимают стружку продольно, а только поперечно. В итоге происходит своего рода интенсивная шлифовка.

Видовое разнообразие этого инструмента достаточно обширно. Главный аспект – это количество режущих кромок. Зачастую применяются 3 и 4. Но есть и специализированный инструментарий, задействованный в специальных производственных областях. Там, где есть нужда в высокоточной обработке. Такие приборы имеют вплоть до 8 кромок. Также классификация часто затрагивает и тип стержня. Он может быть съемным, что обычно нужно при работе с серьезным диаметром отверстий. Вплоть до 20 мм. А если производство касается небольших пазов, в районе 8-12 мм, то лучше использовать цельный прибор. Есть еще и вставной вариант, что стоит назвать промежуточным звеном между обозначенными видами.

Зенкование

Раззенковка отверстий – это совершенно иная операция. Часто в различных соединениях металлических конструкций необходимо избавиться от шляпки крепежного элемента или иных метизов, выступающих частей. Для этого непосредственно рядом с пазом необходимо проделать углубление, куда в результате выступающая часть и благополучно спрячется. Такой небольшой «карман» носит просторечное название – потай. Для создания их используется специальные инструментарий и процедура, в большинстве своем схожая со сверлением. Но, как становится понятно, имеющая свои отличия. Это и есть искомый процесс.

В результате раззенкованное, зенкованное отверстие допускается различных форм. Все зависит от прилагаемого давления, форму рабочего инструмента, требований. Глубина тоже отличается, в зависимости от того, какого размера шляпку необходимо скрыть. Такой процесс позволяет решить огромное количество задач на предприятии:

• Изменение плоскости опоры в заготовленных пазах. А также добавление новых углублений в них, которые при этом не меняют структуру изначального слота. Особенно важно не сбиться с центра по ширине, иначе конструкция получится непригодной для эксплуатации.

• Создание продольных каналов со снятой фаской.

• Сокрытие в полной мере различных резьбовых соединений.

Особенности технологической операции в главное мере зависят от материала. Если приходится работать с твердым ресурсом, как чугун и различные сплавы, то в штатном порядке нужно подавать в точку контакта эмульсию для сброса температуры. Ведь металл будет сильно разогреваться. Также, при работе с твердым материалом, необходимо выставлять обороты валы выше. А если поверхность мягкая, то ниже, во избежание избыточной резьбы.

Зенкование и зенкерование, разница между процессами

Отличи множество. Проще сказать, то в процедурах одинакового. В принципе, с этого и начнем. Оба варианта обработки приводятся в действия с одного источника. Мотор с валом, станок, прибор – значения не имеет. Главное, это подача крутящего момента. При этом по типу воздействия на поверхность, отличий масса. Начнем по порядку.

Зенкер предназначен для очистки. Это инструмент, который убирает все неровности, доводит отверстия «до ума». Шлифует его, избавляется от «усов». А также воздействует на его общую форму. То есть, стержень обычно больше, чем паз. И он может сделать его больше, выровнять по краям, придать геометрическую форму.

Вот чем отличается зенкер от зенковки, отличие в главной степени касается того, что саму структуру разъема при втором типе обработки прибор не затрагивает. Он лишь снимает фаску вначале или делает небольшое углубление. Чтобы, когда мы закрутили туда болт, например, не ушел бы в поверхность полностью, вместе со шляпкой. И сверху была возможность установить новое покрытие без проемов.

Также стоит помнить о том, что у процессов совершенно разная стадия. Точнее, первая разновидность работ свой собственный этап имеет. Сразу после сверления, ведь нужно до развертки выровнять паз по всей его симметрии, избавиться от дефектов стенок. И в таком виде уже переходить к следующим стадиям. А вот сделать срез по шляпку, по сути, оператор может в любой момент, когда ему удобно. Хотя лучше всего же заниматься этим уже после финальной обработки отверстия. Чтобы точно представлять его объемы. Да зенкование фаски логично проводить в конце.

Сам механизм этого действия выглядит следующим образом:

• Сначала необходимо полностью измерить шляпу, которую и придется скрывать впоследствии. И тут важно выявить как обычные размерные аспекты – высота, ширина, так и более специфические, как скос. Обычно он наличествует, если сам крепеж в принципе задуман под потай.

• Выбрать режущий инструмент, который точно соответствует размерным аспектам. Становить его в станок или иной прибор.

• Закрепить объект с пазом, выявить корректную точку оси. Ошибка на любой процент приведет к тому, что потай просто «слезет» с метки.

• Выставить нужные обороты. Либо использовать типовой регламент на производстве, либо рассчитать обороты самостоятельно, исходя из твердости металла.

• Включить оборудование и выполнить операцию.

Основные виды зенковок

Теперь пройдемся по видовому разнообразию. Мы уже уточнили, что в зависимости от требуемой задачи процедура может меняться. Теперь мы разберем эти моменты более детально. Посмотри на существующие классификации.

Цилиндрическая

Операция такого вида зачастую применяется практически в любом типе производства. Итогом становится выемка цилиндрической формы. Это идеальный выбор для винтов и болтов. А данные крепежные элементы в штатном формате распространены почти во всех конструкциях. Фактически это самая популярная и актуальная разновидность зенкования отверстий в металле.

Коническая

Результатом становится углубление в виде конуса. Используется не только для закрытия шляпок, но и для снятия фасок, подготовки поверхности к дальнейшей работе. Иногда таким методом просто снимают металлические волосы с острых кромок. То есть, производят чистку. И вот тут, разница между процедурами становится минимальной. Ведь зенкеровать и зенковать углубление – это в обоих вариантах способы очистки и шлифовки. Правда, в первом случае еще и добавляется выравнивание строгой геометрической формы.

Для производственного мероприятия применяется инструмент конической формы. Угол подбирается под конкретную задачу. Но обычно используется в 90 или 120 градусов.

Плоские и торцевые

Такой способ иногда называют цековкой. Особый финальный вид операции. Используется в уже готовых углублениях. Чтобы сами шляпки и иные метизы для сокрытия входили плотно и без зазоров. Для этого поверхность очищается. И тут нам и понадобятся эти разновидности.

По сути, цековка и зенковка – отличие небольшое. Просто это более узкая деятельность, который имеет такое название только при плоской или торцевой зачистке.

Отличие зенкерование от смежных операций

Мы уже выяснили, что этот этап наступает после сверления и до развертывания. Но вот первоначальным этапом не всегда выступает именно высверливание. Порой первой стадией считается литье или штамповка. В таком варианте дефектов может быть еще больше. Различные наплывы, наслоение металлов, скошенные стенки, серьезные шероховатые выступы и схожее. Соответственно, за одну стадию отделать поверхность для финишного вида точно не получится. Стоит понимать, что развертывание – это уже финишная обработка, она не справляется с серьезными дефектами. Не подгоняет форму.

Зенкерование поднимет класс точности до 5 уровня практически всегда. Если работа производится с помощью высокоточного оборудования, а также ее выполняют профессионалы, то достижим и класс. Но в отличие от сверления, процесс более длительным. Придется выполнить практически вдвое больше походов движения инструмента.

Важнейшим отличием от сверления и развертки можно также назвать уровень допустимой шероховатости после переработки и квалитет, то есть, степень соответствия полученной детали исходным параметрам в чертеже или на схеме. Первая стадия – сверление обычно оставляет «усы» в 20 мкм, а степень точности может достигать до 12. После шлифовки зенкером поверхность будет очищена до 2-3 мкм, а квалитет возрастет до 9. Финишная обработка уже доводит метиз до полной готовности. Шероховатость падает до порогового значения, менее 1 мкм, а степень точности оказывается в районе 6.

То есть, отличия видны явно. Это и степень качества, длительность, очередность. Но если сравнивать зенковку и зенкер, разница будет еще очевиднее. Ведь это в принципе действия из разных сфер.

Оборудование для зенкования

В принципе, не только для этой операции, но и для обеих, которые фигурируют в обзоре, подходит и обычный ручной прибор. То есть, дрель, а некоторые даже используют шуруповерт. Разумеется, поступать подобным образом строго не рекомендуется. Даже если мощности для успешного завершения в принципе хватит, то явно будет серьезная потеря в точности. Какой бы эксперт ни взялся за такое мероприятия, он не сможет 100% точно выверить центр и ось, просто удерживая прибор руками. Значит, отклонения неминуемы.

Логичным вариантом будет токарный станок. Он используется почти во всех случаях. Иногда заменяется специальным обрабатывающим центром, многофункциональным оборудованием. Суть от этого не изменяется.

Сам инструмент, который необходим – зенковка. Он состоит из двух составных частей. Первая – это резец. От его формы и расположения зависит вид обработки. Так, бывают цилиндрические и конические варианты, о которых мы говорили выше, обратные и иные. Что такое обратное зенкование отверстий, понять легко. Это обычная чистка паза специальной насадкой. Вторая часть – это хвостик. Он нужен для фиксации в патроне станка.

Производится инструментарий из твердых сплавов углеродистой, а также легированной стали. Ведь кромке придется работать с различным ресурсом. И среди материалов, в которых необходимо сделать углубление часто встречаются весьма твердые, как чугун. Соответственно, если резцы будут не выше по уровню твердости, то на серьезных оборотах они могут просто обломаться или сточиться раньше срока. Что приведет к экономическим расходам на предприятии.

Правильный процесс зенкерования металла

Ошибки при выполнении задачи почти всегда идут к одному печальному эпилогу – браку. Если неправильно выбран зенкер, то зачастую диаметр отверстия получается больше, чем был запланирован по начальному чертежу. А если режущие кромки уже успели сильно сточиться, то углубление, напротив, будет слишком узким. При этом важно выбрать скорость подачи, а также четко определить центр. В противном случае будет нарушена геометрия. Да и даже без смещения качество очистки точно не будет удовлетворительным по пороговым значениям.

Чтобы не копить брак и не выполнять одну задачу по несколько раз, нужно изначально подходить к ней ответственно.

Развертывание, как способ обеспечения максимальной точности

Как мы уже уточнили, финишная обработка зачастую становится обязательно. Но есть задачи, где она фактически не важна. То есть если по регламенту у метиза положен 1 класс точности, то квалитет должен соответствовать значению в 6-5, а допуск не должен быть выше 1.3 мкм. Разумеется, без развертывания добиться таких результатов невозможно по определению. Но вот для 5 класса точности достаточно иметь квалитет в 12 и уровень допуска в 21 мкм. А такими параметрами может похвастаться паз и после проведения штатного зенкерования. Соответственно, последующий этап будет просто не нужен.

Обозначение зенковки на чертеже

Зачастую по регламенту мастер должен опираться на схему, чтобы правильно произвести деталь. И в любом чертеже данный процесс обозначается с помощью латинского алфавита.

А конкретно:

• d1 – диаметр, указанный в качестве основного.

• d2 – диаметр для процесса.

• L1 – цилиндрический путь.

• L3 – глубина зенкера.

• L4 – размер фаски.

• J – угол отклонения.

Теперь мы разобрались, что это значит раззенковать, зенковать отверстие, как работает зенкерование. И путаницы в будущем по этому вопросу точно не предвидится. Обращайтесь в компанию «Рокта», и мы предложим оптимальные фрезы, сверла, абразивные круги для вашего станка и т. д. Свяжитесь с нами по номеру телефона, наши менеджеры проконсультируют вас.

Зенкеры и зенковки, применение и отличия

Назад к списку

Для обработки отверстий применяется несколько видов инструментов, в том числе зенкеры, зенковки, цековки. Практика их применения часто сопровождается путаницей в названиях. Например, в тендерной документации встречаются заказы на «конические зенкеры», при этом указывается ГОСТ 14953-80, описывающий конические зенковки. Эти инструменты схожи по конструкции, в применении также есть много общего, поэтому неудивительно, что даже в технической литературе много примеров «вольного» обращения с терминологией.

Официальный источник по терминам ГОСТ 25751-83 «Инструменты режущие. Термины и определения», к сожалению, не дает ответа на вопросы: чем отличается зенкер от зенковки, зенкерование от зенкования и цекования. С этой целью рассмотрим конструкцию и применение каждого из указанных инструментов.

Зенкеры

Определение

В соответствии с ГОСТ 25751-83 «Инструменты режущие, термины и определения» зенкер определяется как «осевой режущий инструмент для повышения точности формы отверстия и увеличения его диаметра». Сразу отметим, что данный вид инструмента не предназначен непосредственно для сверления отверстий. Также отметим, что в определении зенкера ничего не говорится об изменении формы отверстия. Это важная деталь, и она будет полезна в дальнейшем. 

Конструкция зенкера

Для описания конструкции зенкеров удобно разделить их два класса – зенкеры с хвостовиками и насадные зенкеры. 

Зенкеры с цилиндрическими и коническими хвостовиками

Конструкция таких зенкеров во многом схожа с конструкцией спирального сверла (рис.1).

Рис.1 Зенкер цельный с коническим хвостовиком: а) для сквозных отверстий, в) для глухих отверстий, с) с твердосплавными пластинами

Инструмент так же состоит из рабочей части, соединительной части (шейки) и хвостовой части (хвостовика). Отличие от сверла  заключается в форме и количестве режущих кромок на рабочей части. В частности, по ГОСТ 12489-77 у зенкеров по три лезвия на торцевой и цилиндрической поверхности.

Зенкер с цилиндрическим или коническим хвостовиком может быть цельным ГОСТ 12489-77 (вся рабочая часть из быстрорежущей стали), или с твердосплавными вставками (ГОСТ 3231-71). Кроме того, каждый из типов выпускается в двух вариантах: для глухих и сквозных отверстий (рис.1, в)). У зенкеров для сквозных отверстий угол главного лезвия φ имеет значения 45 или 60 градусов, у зенкеров с твердосплавными пластинами φ=60⁰, у всех типов зенкеров для глухих отверстий φ=90⁰.

Насадные зенкеры

Зенкеры насадные не имеют хвостовой части. Вместо хвостовика для крепления на оборудовании в них предусмотрен внутренний конус для оправки (рис2). Также конструкция этого типа отличается большим количеством лезвий. В цельных насадных зенкерах по ГОСТ 12489-77 предусмотрено четыре зуба и соответственно четыре спиральных канавки. Дальнейшее разбиение насадных зенкеров на типы идентично классу с хвостовиками.

Рис.2 Зенкер насадной: а) цельный, в) с твердосплавными пластинами

Применение зенкеров

Зенкер применяется в технологических операциях зенкерования, направленных на повышение качества отверстий – улучшение чистоты поверхности, получение более точной цилиндрической формы. Соответственно, у зенкера главная часть – это цилиндрический участок рабочей части. С помощью зенкерования отверстия доводят до 4 – 5  класса точности с квалитетом Н11 и чистотой поверхности, соответствующей 5-6 классу. Необходимый результат достигается за счет более высокой жесткости инструмента, а также за счет большего количества лезвий по сравнению со сверлом. 

Подчеркнем, что во всех перечисленных ГОСТах описываются зенкеры с рабочей частью исключительно цилиндрической формы. В описаниях конструкций стандартных зенкеров нет формулировок «конический зенкер» и отсутствуют чертежи зенкеров с конической рабочей частью. Т.е. результат применения стандартного зенкера – цилиндрическое отверстие постоянного диаметра.

Зенковки

В ГОСТ 25751-83 «Инструменты режущие. Термины и определения» зенковки определяются как «осевой режущий инструмент для повышения точности формы отверстия и увеличения его диаметра». Как видим, определение ничем не отличается от определения зенкера, что указывает на его неполноту. Определение не дает информации об отличии зенковок от других инструментов, поэтому переходим к краткому описание операции зенкования, чтобы подчеркнуть разницу между зенкерованием и зенкованием.

Технологическая операция зенкования

Зенкование наряду со сверлением, зенкерованием, разверткой входит в список технологических операций по обработке отверстий. Каждая из перечисленных операций имеет свой смысл и определенное назначение. Сверление необходимо для получения отверстий и черновой обработки, зенкерование – получистовая обработка и увеличение диаметра, развертка – чистовая обработка. Во всех случаях акцент сделан на обработке цилиндрической поверхности.

Указанные операции и соответствующие инструменты применяются для обработки как сквозных, так и глухих отверстий. Причем, в случае глухих отверстий сверла и зенкеры не предназначены для обработки торца углубления. Кроме того, сверла и зенкеры не предназначены для изменения цилиндрической формы отверстия в коническую.

Вместе с тем в промышленности существует обширный класс задач, где необходимо качественно снять фаску с входного участка отверстия, получить точное цилиндрическое углубление под болты, шайбы, пружины, прокладки и пр. с одновременной подрезкой торца. Также требуется получение стандартных конических углублений для центровых отверстий, для формирования опорных поверхностей под детали крепежа, обработки конических поверхностей седел клапанов и т.д. Для решения таких задач применяется операция зенковки и разработан специальный инструмент – зенковка.

Конструкция зенковки

Зенковки относятся к осевым, многолезвийным режущим инструментам. В технической литературе описывается два зенковок: конические и цилиндрические (цековки). Стандарты четко разделены. Есть стандарт для конических зенковок – ГОСТ   14953-80, и есть стандарт для цилиндрических — ГОСТ 25751-73. Причем стандарте для обозначения цилиндрических зенковок используется только одно название – цековки.

Конические зенковки

Название инструмента обусловлено формой рабочей части. Конические зенковки применяются для снятия фасок, обработки конических опорных поверхностей, получения центровых отверстий. Инструмент широко применяется, номенклатура стандартизирована. Типы и основные размеры инструментов данного вида описываются в ГОСТ  14953-80 «Зенковки конические. Технические условия». В соответствии с этим нормативом выпускается 4 типа центровочных зенковок и 7 типов для обработки конических опорных поверхностей, всего 11 типов. Классификация в соответствии с назначением приведена в таблице 1, на рис.3 показана коническая центровочная зенковка 2-го типа и зенковка для конических углублений (отверстий) 5,6,7-го типа.

Рис.3. Конические зенковки: а) центровочная 2-го типа, б) для конических опорных поверхностей.

Таблица 1. Типы зенковок

Центровочными зенковками обрабатываются предварительно засверленные1 отверстия диаметром до 8 мм включительно. Конические опорные поверхности создаются на базе отверстий диаметром 1,6 – 25,0 мм. Передний угол стандартных зенковок для обработки конических опорных поверхностей всегда равен нулю, т. е. зубья расположены радиально.

Цилиндрические зенковки

Более правильное название данного вида – цековка. Цилиндрическая зенковка – это «осевой многолезвийный инструмент для обработки цилиндрического и (или) торцового участка отверстия заготовки» (по ГОСТ 25751-73). Инструмент применяется для обработки цилиндрических углублений под шестигранные головки болтов и винтов, шестигранные гайки с шайбами и без шайб, под цилиндрические и полукруглые головки винтов со шлицем и под цилиндрические головки винтов с углублением под ключ «шестигранник».

В конструкции цековок всех типов предусмотрена направляющая цапфа (рис. 4). Элемент необходим для устранения радиальных биений в момент зарезки, приводящих к искажению формы отверстия и выкрашиванию режущих кромок. Направляющая цапфа может быть постоянной и сменной. Более предпочтителен инструмент со сменной цапфой, позволяющий замену элемента по мере износа.

Рис.4. Цековки (цилиндрическая зенковка): а) со сменной цапфой, б) с постоянной цапфой

Особенностью конструкции является обратная конусность – диаметр D равномерно уменьшается по направлению к хвостовику. У инструмента из быстрорежущей стали уменьшение идет по всей длине рабочей части со значением 0,08-0,16 мм на 100 мм длины, у инструмента с твердосплавными вставками диаметр снижается по длине пластины 0,05-0,10 мм.

Стандартные цековки по ГОСТ 26258-87 имеют четыре зуба на главной режущей поверхности (торце) и выпускаются четырех типов в зависимости от вида цапфы и способа установки в оборудование.

Таблица 2. Типы

Все типы цилиндрических зенковок, представленные в табл.2, выпускаются в двух исполнениях: исполнение 1 – цельные и исполнение 2 – с впаянными твердосплавными пластинами.

Заключение

Для исключения ошибок в терминологии следует использовать стандарты для конкретного вида инструментов. Их содержание позволяет сделать ряд выводов:

1. Не существует конических зенкеров. Результат применения зенкера – цилиндрическое отверстие. Конические отверстия и углубления получаются зенковкой.
2. Зенковки отличаются от зенкера конической рабочей частью, служат для получения центровочных отверстий, конических отверстий и углублений, опорных конических поверхностей под крепеж.
3. Цилиндрические опорные поверхности под болты и винты выполняются цековкой. Цилиндрическая зенковка – название некорректное, хотя и верно передает смысл выполняемой операции.
4. Наличие направляющей цапфы сразу точно указывает на вид инструмента – цековка.

Разумеется, все сказанное действительно по отношению к стандартным инструментам и технологическим операциям, применяемым в машиностроении. В широкой практике могут применяться нестандартные инструменты, так же, как и стандартные инструменту могут использоваться в разнообразных целях. Например, зенкование может выполняться с помощью обычного сверла.

Назад к списку

назначение, виды, процесс, отличие от зенкования

Одним из основных инструментов, применяемых при обработке отверстий в металлических деталях, является зенкер. С его помощью увеличивают диаметр, улучшают качество боковых поверхностей отверстия, также удаётся получить более высокий класс точности. Зенкерование, а именно так называется эта операция, созвучно зенкованию, что может ввести неспециалиста в заблуждение. Разница между этими двумя категориями тоже будет объяснена в данной статье.

Содержание

Зенкер. Назначение и виды инструмента

Зенкер – инструмент, предназначенный для получистовой обработки металла. Внешне представляет собой металлический вал с режущими поверхностями, напоминающий сверло. Он создан специально для металлообрабатывающей промышленности. Выпускается по ГОСТ 12489-71, ГОСТ 3231-71 или ТУ 2-035-923-83 в соответствии с  разновидностью устройства.

Скачать ГОСТ 12489-71

Скачать ГОСТ 3231-71

Зенкеры подразделяются:

По типу закрепления в патроне станка:

• хвостовые;
• насадные.

По особенностям конструкции:

• цельные;
• сборные;
• сварные;
• с твердосплавными пластинами и без них.

По геометрической форме:

• цилиндрические;
• конические;
• обратные.

По направлению ленточек и канавок:

• правого вращения;
• левого вращения.

Цельные хвостовые зенкеры наиболее похожи на свёрла, но отличаются наличием большего количества режущих кромок. В их поперечном сечении насчитывает от 3 до 6 таких острых зубчиков. Для изготовления применяется быстрорежущие инструментальные стали Р9, Р18, а также легированные пластины с повышенной твёрдостью и износоустойчивостью ВК4, ВК6, ВК8, Т15К6. Допустимая скорость резания у моделей с твердосплавными вставками выше, что увеличивает их КПД.

Насадные зенкеры не имеют хвостика и крепятся с помощью оправки, для чего в теле инструмента предусмотрен паз.

В их поперечнике строго 4 зубца. Сама насадка иногда комплектуется съёмными рабочими лезвиями из твёрдых сплавов. Фиксируются резаки клиньями, и могут заменяться по мере надобности.

Конический зенкер похож на бур, рабочая часть инструмента сужается к его концу. Применяется для обработки наклонных круговых поверхностей. Изготовляются из легированной стали и металлокерамики.

Ленточки сверла-зенкера могут быть закручены в разных направлениях, соответственно выделяют профили правого и левого вращения. Зенкеры левого вращения применяются в токарных полуавтоматах, осуществляющих подачу материала с правой стороны.

Выбор разновидности зенкера напрямую обусловлен размером отверстия в заготовке и её материалом. При диаметре до 12 мм работают цельными зенкерами, начиная от 20 мм – зенкерами-насадками и инструментом со вставными легированными лезвиями. Когда требуется сделать более гладкие и крупные отверстия в станок устанавливаются комбинированные модели, где может быть до восьми острых зубчиков, при этом данные зенкеры опционально комбинируются со сверлами, развертками и другими сверлильно-режущими инструментами.

Отличие зенкерования от смежных операций

Зенкерование сходно с развёртыванием отверстий, режущие кромки инструмента снимают лишний материал со стеноктия, уменьшают шероховатость и увеличивают диаметр. Это получистовая операция, что значит, за ней следует ещё один этап обработки. Развёртывание – финишная процедура. Во время зенкерования устраняются дефекты сверления, штамповки и литья. В процессе можно немного откорректировать привязку, добиться лучшей соосности для будущего соединения. Точность удаётся повысить до 5, а иногда даже до 4-го класса.

При установке режима резания нужно помнить, что толщина удаляемого металла при зенкеровании равна половине припуска для заданного диаметра отверстия. Если сравнивать со сверлением, то подачу можно сделать больше в 1,5-2 раза, а скорость оставить такой же. Конкретные параметры резания рассчитываются по формулам, приводимым в нормативной литературе.

Так как зенкер обладает большей в сравнении со сверлом жёсткостью, из-за повышенного числа острых выступов, возрастает точность направления движения, а также качество обработки, гладкость и чистота поверхности. Для сравнения сверление даёт шероховатость 20 мкм и квалитеты 11–12, зенкерование – шероховатость 2,5 мкм, квалитеты 9–11, а развёртывание – шероховатость 0,25-1,25 мкм и квалитеты 6–9. Квалитетом называют точность изготовления детали, с увеличением его значения допуски растут, а точность падает. Если технологическим процессом для обработки изделия требуется и зенкерование и развёртка, то они производятся за одну установку и выверку заготовки на станке.

Зенкование и зенкерование нередко путают из-за похожести названий. На самом деле, зенкование имеет совершенно иную цель, и для него используется отличный инструмент, название которому зенковка.

При этом виде обработки создаются углубления для размещения крепежа заподлицо с поверхностью детали. Помимо снятия фасок, зенковку применяют для вырезания углублений конической формы. Ещё одним назначением будет зачистка и обработка выемок перед монтажом крепежа, это делается при помощи плоских или же торцевых зенковок, именуемых ещё цековками, что более грамотно.

Наибольшее распространение на рынке получили конические зенковки с рабочими углами в 90 и 120º, которыми создаются углубления, чтобы прятать шляпки болтов и винтов. В металлообрабатывающей промышленности находят своё применение и зенковки с плоским кончиком, служащие для зачистки выемок под крепежные элементы. Устанавливают зенковки в те же станки, что и другой инструмент для обработки отверстий для крепежа.

Как зенкеровать металл правильно

Если мастер-любитель может взять для зенкерования сверло и дрель, то в условиях промышленности для этого могут использовать следующее станки:

• сверлильные;
• токарные;
• расточные;
• фрезерные;
• агрегатные.

Процесс зенкерования проходит в строгом соответствии с технологией, общие моменты в которой можно описать в виде следующих рекомендаций:

• В литых деталях с неравномерным запасом на последующую металлообработку необходимо расточить отверстие на глубину 5–10 мм для правильного направления движения режущего инструмента.
• Для операции зенкерования отверстий оставляется припуск 1–3 мм в зависимости от итогового диаметра.
• Зенкерование стальных изделий не обходится без охлаждения специальными масляными растворами. При работе с чугуном, а также цветметом оно не является обязательным.
• Оптимальный вариант зенкера и режим работы подбирают с учётом необходимого диаметра отверстия, точности обработки, её глубины, металла детали и опций производственного станка.
• Крепление режущего инструмента должно стыковаться с тем слотом, что есть на рабочей станции.
• В случае, когда предполагается чистовая обработка развёрткой, то при зенкеровании часть припуска, от 0,15 до 0,3 мм оставляют для дальнейшей работы.
• Для обработки изделий из закалённых и легированных сталей используют зенкеры с твердосплавными вставками диаметром 14-50 мм и 3-4 зубчиками.
• При обработке цветных металлов и сплавов железа с высоким содержанием углерода в дело идут перовые зенкеры.
• Инструментом из быстрорежущей стали обрабатывают изделия из обычной конструкционной стали. При отверстиях более 40 мм оснастку дополняют насадками с диаметром 32–80 мм.

Несоответствие процесса установленной технологии часто выступает причиной брака. При большом износе инструмента получившееся отверстие будет меньше, чем по проекту. Когда мастер завысил подачу, или на зубья зенкера налипли отходы, чистота обработки может не удовлетворять качеству. Другие дефекты: часть поверхности не обработана, полученный диаметр больше требуемого, являются следствием неправильного выбора зенкера или его неправильной установки.

Развёртывание для обеспечения максимальной точности поверхности

Точность деталей определяется через такие понятия как класс и квалитет. Второе сейчас более употребимо, т. к. даёт более точную информацию о допустимых допусках несоответствия размеров. Между тем система классов всё ещё продолжает жить в профессиональной среде, используется квалифицированными кадрами на производствах.  В отечественном машиностроении применяются только первые 9 классов по точности, и полезно знать каким квалитетам они соответствуют.

Пропущен 6-й класс точности, т. к. он используется крайне редко. Установлен он для неответственных несопрягаемых поверхностей. Система допусков зафиксирована в ГОСТ 11472-69, ГОСТ 7713-62 и других.

Скачать ГОСТ 7713-62

Скачать ГОСТ 11472-69

Максимальная точность получаемых отверстий зависит от способа их обработки и применяемого инструмента. Зенкерование и развёртывание имеют разный показатель максимально возможного квалитета и класса. Обычно эти операции выполняются последовательно одна за другой.

Сначала деталь зенкеруют, с боковых поверхностей отверстия удаляется лишний материал, правятся возможные незначительные отклонения его расположения. Главное чего удаётся добиться на этом этапе – уменьшить неровность стенок. Достижимый результат – 4-й класс точности и 11 квалитет.

Далее деталь обрабатывают с помощью развёртки, работа может проводиться на тех же самых станках. Инструмент, так же как и зенкер, сделан из легированной стали и оснащён твёрдыми сплавами, количество зубьев у него увеличено. Развёртка срезает более мелкую стружку, так достигается точность отверстий соответствующая 2–3 классу. Для высокоточных деталей 1-го класса развёртку применяют многократно, существуют и другие доводочные операции.

Зубья у развёрток чаще прямые. Винтовые используются для обработки отверстий с пазами, закручивание профиля инструмента берут противоположным направлению резания, для того чтобы его не затягивало в отверстие. Режущие выпуклости расположены на стержне развёртки неравномерно с тем, чтобы исключить влияние неоднородности металла заготовки. Наличие вкраплений с отличной плотностью изменяет нагрузку на контактирующий зуб, и при отсутствии у них разбежки, на этом месте появиться местное углубление или выпуклость.

По той причине, что развёртка срезает при обработке меньше металла, она не используется для исправления направления отверстия, подобное просто не рационально. Следовательно, перед чистовой операцией развёртывания должна идти более грубая обработка, зенкерование или растачивание. Исключение составляют отверстия до 10 мм диаметром, расточка которых сложна, а зенкеров подходящих габаритов попросту нет, тогда развёртка идёт сразу после сверления и выполняется особо аккуратно.

Чтобы достичь высоких показателей качества нужно обеспечить чёткую соосность обрабатываемого отверстия и инструмента. Выполнение сразу после зенкерования на том же станке помогает избежать погрешностей при переустановке заготовки в патроне. Детали с отверстиями 2-го класса точности правильно обрабатывать за 2 прохода, первый – черновой развёрткой, второй – чистовой. Величина припуска для первого раза – 2/3 общего значения. Резак для такой менее требовательной процедуры – это отшлифованная и откалиброванная потерявшая размер развёртка.

Резюмируя, стоит отметить, что зенкерование – обособленная операция по обработке отверстий в металлических изделиях, отличная от развёртки, и не имеющая практически ничего общего с зенкованием. Главное назначение зенкера – уменьшить шероховатости стенок отверстия и увеличить точность выполнения отверстия. Операция выполняется после сверления, литья или штамповки и предшествует чистовой обработке. Сборный зенкер может совмещаться со сверлом, развёрткой и другими инструментами.  Вал прибора состоит из быстрорежущей стали, а рабочие зубцы, иногда, из твёрдосплавных вставок. Совместимые с этим отделочным сверлом аппараты – фрезеровочный, токарный, расточный и сверлильный.

Выбор конкретного зенкера осуществляется в зависимости от диаметра отверстия, степени обработки и материала заготовки.

Режим работы станка и другие необходимые данные – расчётные величины, которые отображаются в рабочих чертежах изготовляемых деталей. Отступление от этих величин и общей технологии зенкерования является одной из основных причин возникновения производственного брака. В качестве финишной операции зенкерование используется довольно редко, только при пониженных требованиях к точности, при классе ниже 4-го. На рынке продаётся множество зенкеров с разными характеристиками, оптимизированными для работы в разных условиях, под разный металл и диаметры отверстий.

что это такое, назначение, чем отличается зенковка отверстия от зенкования, назначение и отличие раззенковки и зенкера

Зенкерование

Для получения паза или отверстия в металлической поверхности, в первую очередь нам необходимо его высверлить. Это всегда начальный этап. Но до этапа развертки нужно полученное углубление еще и очистить. То есть, убрать всевозможные наслоения металла, заусенцы, неровности. И подогнать точность до того параметра, который указан по чертежам. Именно вот этот этап обработки, практически уже чистовой, нам и необходим.

Для этого используется специальный инструмент – зенкер. С его помощью мы можем добиться:

• Подгонки класса точности до 4, а в некоторых случаях и 5 уровня.
• Повышения уровня сцепления покрытия, придание ей равномерной и шероховатой поверхности, что важно для последующего сцепления.
• Работа с геометрией. То есть, возможность придания объекту задуманной геометрической формы с симметричными краями.

Вернемся к инструменту, с помощью которого и производится весь технический процесс. Несмотря на внешнюю схожесть, отличия зенкера от сверла весьма серьезные. А точное, большее количество режущих кромок и более крупные перемычки между ними. В результате у нас получается от 3 до 4 кромок. И они в совокупности оказываются плавное давление на металл, надежно сцепляются с поверхностью. И что не менее важно, не снимают стружку продольно, а только поперечно. В итоге происходит своего рода интенсивная шлифовка.

Видовое разнообразие этого инструмента достаточно обширно. Главный аспект – это количество режущих кромок. Зачастую применяются 3 и 4. Но есть и специализированный инструментарий, задействованный в специальных производственных областях. Там, где есть нужда в высокоточной обработке. Такие приборы имеют вплоть до 8 кромок. Также классификация часто затрагивает и тип стержня. Он может быть съемным, что обычно нужно при работе с серьезным диаметром отверстий. Вплоть до 20 мм. А если производство касается небольших пазов, в районе 8-12 мм, то лучше использовать цельный прибор. Есть еще и вставной вариант, что стоит назвать промежуточным звеном между обозначенными видами.

Предназначение зенкеров по металлу

Основное назначение — улучшение качества поверхностей, изменение степени шероховатости, точности после сверления. С помощью специальной оснастки можно устранить дефекты, появляющиеся при литье, штамповке.

Другие задачи:

1. Калибровка просверленных отверстий, в которых будут закрепляться болты, шпильки.
2. Улучшение качества, точности поверхностей в отверстиях перед развертыванием, нарезкой резьбы.

Оснастка применяется на фрезерных, расточных, токарных, сверлильных станках. Может использоваться с электроинструментом.

Зенкование

Раззенковка отверстий – это совершенно иная операция. Часто в различных соединениях металлических конструкций необходимо избавиться от шляпки крепежного элемента или иных метизов, выступающих частей. Для этого непосредственно рядом с пазом необходимо проделать углубление, куда в результате выступающая часть и благополучно спрячется. Такой небольшой «карман» носит просторечное название – потай. Для создания их используется специальные инструментарий и процедура, в большинстве своем схожая со сверлением. Но, как становится понятно, имеющая свои отличия. Это и есть искомый процесс.

В результате раззенкованное, зенкованное отверстие допускается различных форм. Все зависит от прилагаемого давления, форму рабочего инструмента, требований. Глубина тоже отличается, в зависимости от того, какого размера шляпку необходимо скрыть. Такой процесс позволяет решить огромное количество задач на предприятии:

• Изменение плоскости опоры в заготовленных пазах. А также добавление новых углублений в них, которые при этом не меняют структуру изначального слота. Особенно важно не сбиться с центра по ширине, иначе конструкция получится непригодной для эксплуатации.
• Создание продольных каналов со снятой фаской.
• Сокрытие в полной мере различных резьбовых соединений.

Особенности технологической операции в главное мере зависят от материала. Если приходится работать с твердым ресурсом, как чугун и различные сплавы, то в штатном порядке нужно подавать в точку контакта эмульсию для сброса температуры. Ведь металл будет сильно разогреваться. Также, при работе с твердым материалом, необходимо выставлять обороты валы выше. А если поверхность мягкая, то ниже, во избежание избыточной резьбы.

Конструкция

Зенковка коническая состоит из двух основных элементов — рабочей части и хвостовика. Рабочая часть имеет конус со стандартным рядом углов на вершине от 60 до 120°. Количество режущих лезвий зависит от диаметра инструмента и может быть от 6 до 12 штук.

Цилиндрическая зенковка по своей конструкции похожа на сверло, но имеет больше режущих элементов. На торце расположена направляющая цапфа необходимая для фиксации положения инструмента в процессе обработки. Ограничитель может быть съёмным или быть часть тела инструмента. Первый вариант более практичен, так как расширяет возможности обработки. Также может быть установлена режущая насадка.

При необходимости рассверливания нескольких отверстий на равную глубину применяется инструмент с державками с вращающимся или неподвижным ограничителем. Перед обработкой зенковка фиксируется в державке таким образом, чтобы режущая часть выступала из упора на расстояние равное требуемой глубине обработки отверстий.

Это интересно: Что такое томпак? Состав сплава и характеристики

Инструмент изготавливается из инструментальных легированных, углеродистых, быстрорежущих и твердосплавных марок стали. Для обработки чугунных деталей чаще всего используются твердосплавные стали, для обычных сталей – быстрорежущие и инструментальные.

Конструкция конусного зенкера

Это приспособление предназначается для пропуска конусовидных проемов небольшой глубины. Главной особенностью в конструкции элемента считается присутствие зубьев прямого типа и абсолютно плоского внешнего основания. Численность элементов реза, в соответствии с калибровкой, может варьироваться в значении 6 – 12 единиц.

Зенкерование отверстий считается ручной процедурой, осуществляемой через токарный агрегат, на котором крепится зенкер. Возделываемая деталь зажимается в патронаже агрегата, проверяется верное ее расположение в углублении.

Осевые центры электрошпинделя и заднего узла станка должны находиться на одном уровне. Это дает снизить риск вылета технически подвижной гильзе (пиноль). В отделываемое отверстие наконечник инструментария дается вручную.

Чтобы получить после операции зенкерования проем нужного поперечника, при сверлении производится припуск 2-3 мм. Точные значения припуска зависят от калибровки углубления в возделываемой заготовке. Труднее реализовать процесс зенкеровки выкованных и плотных изделий. Чтобы упростить себе задачу следует заблаговременно расточить раззенкованное отверстие на 5-9 мм.

Зенкеровка может выполняться в порядке резания. В этой ситуации подача инструментария увеличивается вдвое, чем при сверловке, а скорость хода остается прежней.

Углубление резания зенкером закладывается примерно в 50 процентов припуска на поперечник. Раззенковка отверстий инструментом, реализовывается с применением охлаждающих материалов.

Механизм из твердых сплавов не требует внесения вспомогательного хладоносителя.

Зенкер при обрабатывании проемов гарантирует высокую точность, но избежать брака совсем нельзя. Самыми распространенными пороками обработки считаются:

• Увеличенный поперечник проема. Главная причина возникновения подобного изъяна считается применение приспособления с неверной заточкой.
• Уменьшенный поперечник углубления. Случается, что для работы был выбран ошибочный инструментарий либо применялся испорченный зенкер.
• Вызывающая чистота. Этот изъян может быть вызван рядом причин. Обычно, уменьшение чистоты кроется в неважной заточке приспособления. На практике также причиной порока может служить чрезмерная вязкость материала изделия. Поэтому элемент налипает на ленты инструмента. Повреждение также вызывается погрешностью токаря, сделавшего неверную подачу и ускорение реза.
• Частичная обработка проема. Эта причина обычно возникает в результате неверной фиксации детали либо неправильным припуском под зенкеровку, сохраненным после сверления.

Зенкование и зенкерование, разница между процессами

Отличи множество. Проще сказать, то в процедурах одинакового. В принципе, с этого и начнем. Оба варианта обработки приводятся в действия с одного источника. Мотор с валом, станок, прибор – значения не имеет. Главное, это подача крутящего момента. При этом по типу воздействия на поверхность, отличий масса. Начнем по порядку.

Зенкер предназначен для очистки. Это инструмент, который убирает все неровности, доводит отверстия «до ума». Шлифует его, избавляется от «усов». А также воздействует на его общую форму. То есть, стержень обычно больше, чем паз. И он может сделать его больше, выровнять по краям, придать геометрическую форму.

Вот чем отличается зенкер от зенковки, отличие в главной степени касается того, что саму структуру разъема при втором типе обработки прибор не затрагивает. Он лишь снимает фаску вначале или делает небольшое углубление. Чтобы, когда мы закрутили туда болт, например, не ушел бы в поверхность полностью, вместе со шляпкой. И сверху была возможность установить новое покрытие без проемов.

Также стоит помнить о том, что у процессов совершенно разная стадия. Точнее, первая разновидность работ свой собственный этап имеет. Сразу после сверления, ведь нужно до развертки выровнять паз по всей его симметрии, избавиться от дефектов стенок. И в таком виде уже переходить к следующим стадиям. А вот сделать срез по шляпку, по сути, оператор может в любой момент, когда ему удобно. Хотя лучше всего же заниматься этим уже после финальной обработки отверстия. Чтобы точно представлять его объемы. Да зенкование фаски логично проводить в конце.

Сам механизм этого действия выглядит следующим образом:

• Сначала необходимо полностью измерить шляпу, которую и придется скрывать впоследствии. И тут важно выявить как обычные размерные аспекты – высота, ширина, так и более специфические, как скос. Обычно он наличествует, если сам крепеж в принципе задуман под потай.
• Выбрать режущий инструмент, который точно соответствует размерным аспектам. Становить его в станок или иной прибор.
• Закрепить объект с пазом, выявить корректную точку оси. Ошибка на любой процент приведет к тому, что потай просто «слезет» с метки.
• Выставить нужные обороты. Либо использовать типовой регламент на производстве, либо рассчитать обороты самостоятельно, исходя из твердости металла.
• Включить оборудование и выполнить операцию.

Чем зенкер отличается от зенковки

Зачастую зенкер путают с зенковкой. Зенкер и зенковка – относятся к классу режущих инструментов, с 3-мя и более режущими кромками. Оба инструмента используются для отверстий конической и цилиндрической формы. Но зенкер расширяет отверстие, одновременно с этим шлифует его и подгоняет под заданные параметры. А зенковка только шлифует отверстие от заусенец на этапе финишных работ.

Это интересно: Принципиальная схема сварочного инвертора: разбираемся в деталях

Основные виды зенковок

Теперь пройдемся по видовому разнообразию. Мы уже уточнили, что в зависимости от требуемой задачи процедура может меняться. Теперь мы разберем эти моменты более детально. Посмотри на существующие классификации.

Цилиндрическая

Операция такого вида зачастую применяется практически в любом типе производства. Итогом становится выемка цилиндрической формы. Это идеальный выбор для винтов и болтов. А данные крепежные элементы в штатном формате распространены почти во всех конструкциях. Фактически это самая популярная и актуальная разновидность зенкования отверстий в металле.

Коническая

Результатом становится углубление в виде конуса. Используется не только для закрытия шляпок, но и для снятия фасок, подготовки поверхности к дальнейшей работе. Иногда таким методом просто снимают металлические волосы с острых кромок. То есть, производят чистку. И вот тут, разница между процедурами становится минимальной. Ведь зенкеровать и зенковать углубление – это в обоих вариантах способы очистки и шлифовки. Правда, в первом случае еще и добавляется выравнивание строгой геометрической формы.

Для производственного мероприятия применяется инструмент конической формы. Угол подбирается под конкретную задачу. Но обычно используется в 90 или 120 градусов.

Плоские и торцевые

Такой способ иногда называют цековкой. Особый финальный вид операции. Используется в уже готовых углублениях. Чтобы сами шляпки и иные метизы для сокрытия входили плотно и без зазоров. Для этого поверхность очищается. И тут нам и понадобятся эти разновидности.

По сути, цековка и зенковка – отличие небольшое. Просто это более узкая деятельность, который имеет такое название только при плоской или торцевой зачистке.

Обозначение зенковки на чертеже

На производстве зенкование отверстий выполняют по чертежу. Зенковка на чертеже отображается прописными и заглавными латинскими буквами и арабскими цифрами. Значение букв и цифр следующее:

• d1 – указывает на основной диаметр канала;
• d2 – на диаметр зенкования;
• L1 – отображает показатель длины цилиндрического канала;
• L3 – это глубина зенкования;
• L4 – указывает на глубину фаски;
• j – это размер угла зенкования центральный;
• α (альфа) – размер угла фаски.

Уважаемые посетители сайта: инженеры машиностроения, мастера и просто ориентирующиеся в теме, – поддержите обсуждение в комментариях! Нам очень важны ваши профессиональные замечания.

Отличие зенкерование от смежных операций

Мы уже выяснили, что этот этап наступает после сверления и до развертывания. Но вот первоначальным этапом не всегда выступает именно высверливание. Порой первой стадией считается литье или штамповка. В таком варианте дефектов может быть еще больше. Различные наплывы, наслоение металлов, скошенные стенки, серьезные шероховатые выступы и схожее. Соответственно, за одну стадию отделать поверхность для финишного вида точно не получится. Стоит понимать, что развертывание – это уже финишная обработка, она не справляется с серьезными дефектами. Не подгоняет форму.
Зенкерование поднимет класс точности до 5 уровня практически всегда. Если работа производится с помощью высокоточного оборудования, а также ее выполняют профессионалы, то достижим и класс. Но в отличие от сверления, процесс более длительным. Придется выполнить практически вдвое больше походов движения инструмента.

Важнейшим отличием от сверления и развертки можно также назвать уровень допустимой шероховатости после переработки и квалитет, то есть, степень соответствия полученной детали исходным параметрам в чертеже или на схеме. Первая стадия – сверление обычно оставляет «усы» в 20 мкм, а степень точности может достигать до 12. После шлифовки зенкером поверхность будет очищена до 2-3 мкм, а квалитет возрастет до 9. Финишная обработка уже доводит метиз до полной готовности. Шероховатость падает до порогового значения, менее 1 мкм, а степень точности оказывается в районе 6.

То есть, отличия видны явно. Это и степень качества, длительность, очередность. Но если сравнивать зенковку и зенкер, разница будет еще очевиднее. Ведь это в принципе действия из разных сфер.

Что такое зенкер, систематизация

Прорезывающий инструмент по металлу (зенкер) позволяет раззенковывать проем в детали до 5 группы меткости. Он массово используется для получистовой отделки деталей перед механическим развертыванием. По строению его разделяют на типы:

• целостные;
• насадочные;
• хвостовые;
• соединенные.

Внешне металлорежущие приспособления смахивают на простой небольшой бур, но обладают увеличенной численностью режущих краев. Правильность размеров проема обрабатываемой заготовки устанавливается за счет калибра. Крепеж инструментария в патроне агрегата выполняется с поддержкой хвостовика.

Для возделывания проемов, с поперечником до 10 см используются насадные приспособления с 4 остриями. Их главной особенностью считается крепеж через оправку. Достичь правильной регулировки реза позволило присутствие фаски на зубах элемента.

Оборудование для зенкования

В принципе, не только для этой операции, но и для обеих, которые фигурируют в обзоре, подходит и обычный ручной прибор. То есть, дрель, а некоторые даже используют шуруповерт. Разумеется, поступать подобным образом строго не рекомендуется. Даже если мощности для успешного завершения в принципе хватит, то явно будет серьезная потеря в точности. Какой бы эксперт ни взялся за такое мероприятия, он не сможет 100% точно выверить центр и ось, просто удерживая прибор руками. Значит, отклонения неминуемы.
Логичным вариантом будет токарный станок. Он используется почти во всех случаях. Иногда заменяется специальным обрабатывающим центром, многофункциональным оборудованием. Суть от этого не изменяется.

Сам инструмент, который необходим – зенковка. Он состоит из двух составных частей. Первая – это резец. От его формы и расположения зависит вид обработки. Так, бывают цилиндрические и конические варианты, о которых мы говорили выше, обратные и иные. Что такое обратное зенкование отверстий, понять легко. Это обычная чистка паза специальной насадкой. Вторая часть – это хвостик. Он нужен для фиксации в патроне станка.

Производится инструментарий из твердых сплавов углеродистой, а также легированной стали. Ведь кромке придется работать с различным ресурсом. И среди материалов, в которых необходимо сделать углубление часто встречаются весьма твердые, как чугун. Соответственно, если резцы будут не выше по уровню твердости, то на серьезных оборотах они могут просто обломаться или сточиться раньше срока. Что приведет к экономическим расходам на предприятии.

Конструктивне особенности

Если рассматривать зенковку, то можно выделить некоторые её части

• Режущая часть. Это основная часть который выполняет процесс зенкования. Состоит из нескольких режущих кромок, расположенных под углом от центра к бокам.
• Хвостовик. При помощи хвостовика зенковка закрепляется в инструменте или станке, ан котором будет выполняться работа. Хвостовик может быть конусным или иметь цилиндрическую форму.
• Часть между хвостовиком и режущей частью имеет в одном месте особо тонкую форму. Эта чаcть работает в роли предохранителя. Если зенковка застрянет, дабы избежать серьёзных последствий, именно в этой части зенкова ломается.

Cтроение зенковки
Одна из разновидностей зенковки имеет наплавленные лезвия на рабочей части, что позволяет обрабатывать твердые сплавы металла.

Правила работ с зенковкой

При выполнении работ на токарном или сверлильном станке зенковкой, нужно помнить и соблюдать ряд простых правил. Перед началом выполнения работ, проверьте состояние патрона на станке. Ведь если патрон находится в неисправном состоянии, хорошо закрепить зенковку не получится, тем самым вы не сможете получить качественно обработанное отверстие. Зенковка отверстий выполняется соблюдаю следующие правила:

1. Для выполнения работ, зенковка должна находиться строго по центру обрабатываемого отверстия.
2. При обработке твердых металлов, таких как чугун нужно делать перерывы в работе и использовать специальные растворы для отведения тепла. В быту для таких целей используют техническое масло.
3. При работе не превышайте оборотов, заявленных производителем. Несоблюдение этого правила последует за собой быстрый износ режущих кромок за счёт нагрева.
4. Правильно подбирайте диаметр зенковки для обрабатываемого отверстия. При выборе не правильного размера, обработка будет не качественная, а именно неправильной центровке, не ровных краям.

Правильный процесс зенкерования металла

Ошибки при выполнении задачи почти всегда идут к одному печальному эпилогу – браку. Если неправильно выбран зенкер, то зачастую диаметр отверстия получается больше, чем был запланирован по начальному чертежу. А если режущие кромки уже успели сильно сточиться, то углубление, напротив, будет слишком узким. При этом важно выбрать скорость подачи, а также четко определить центр. В противном случае будет нарушена геометрия. Да и даже без смещения качество очистки точно не будет удовлетворительным по пороговым значениям.
Чтобы не копить брак и не выполнять одну задачу по несколько раз, нужно изначально подходить к ней ответственно.

Устройство и принцип работы зенкеров по металлу

Конструкция:

1. Режущая часть. Состоит из калибровочной части, режущих зубьев.
2. Рабочая часть. На ней расположены режущие кромки по спирали.
3. Шейка. Переход между хвостовиком, рабочей частью.
4. Хвостовик. Эта часть закрепляется в патроне электроинструмента или промышленного оборудования.
5. Лампа. Конечная часть хвостовика. Она нужна для передачи вращающего момента от привода.

После запуска электродвигателя оснастка начинает вращаться, срезая слой металла острыми кромками, зубьями. Постепенно она углубляется в металлическую деталь, обрабатывая поверхности отверстия.

Зенкер с рабочим диаметром 16 мм.

Развертывание, как способ обеспечения максимальной точности

Как мы уже уточнили, финишная обработка зачастую становится обязательно. Но есть задачи, где она фактически не важна. То есть если по регламенту у метиза положен 1 класс точности, то квалитет должен соответствовать значению в 6-5, а допуск не должен быть выше 1.3 мкм. Разумеется, без развертывания добиться таких результатов невозможно по определению. Но вот для 5 класса точности достаточно иметь квалитет в 12 и уровень допуска в 21 мкм. А такими параметрами может похвастаться паз и после проведения штатного зенкерования. Соответственно, последующий этап будет просто не нужен.

Виды зенкеров по металлу

Зенкеры классифицируются зависимо от разных факторов. По точности:

1. Номер 1. Применяется для подготовки отверстий к проведению процедуры развертывания.
2. Номер 2. Назначение — финишная обработка просверленных отверстий, чтобы они соответствовали классу точности 5 (квалитет 11).

По форме рабочей части:

1. Цилиндрическая. Назначение — обработка поверхностей перед началом развертывания.
2. Цилиндрическая рабочая часть дополняется специальной направляющей цапфой. Применяется для обработки отверстий, в которых будут установлены крепежные элементы.
3. Рабочая область расположена на торце. С его помощью можно чистить торцевые стороны бобышек, приливов.
4. Коническая форма. Такая оснастка нужна для создания конических отверстий перед сверлением основных углублений.

По конструкции:

1. Сварная оснастка.
2. Сборные изделия. Рабочая часть закрепляется на направляющем стержне. Направляющей может быть обычное сверло или продолжение хвостовика. Главное преимущество оснастки — возможность соединения разных по диаметру насадок на одной направляющей.
3. Цельные инструменты. Не имеют сварных соединений. Рабочая часть, хвостовик находятся на одном металлическом стержне.

Отдельная группа — оснастка с твердосплавными режущими пластинами.

ГОСТ 14953-С. 13

мм

Пример условного обозначения зенковки типа 2, диаметром D = 5 мм:

Зенковка 2353-0083 ГОСТ 14953-80 Тип 3

Пример условного обозначения зенковки типа 3, диаметром D = 5 мм:

Зенковка 2357-0001 ГОСТ 14953-80

мм Таблица 4

Пример условного обозначения зенковки типа 4, диаметром D = 6,3 мм: Зенковка 2353-0089 ГОСТ 14953-80 Таблица 5 мм

Продолжение табл. 5

Пример условного обозначения зенковки типа 6, диаметром D — 10 мм: Зенковка 2353-0108 ГОСТ 14953-80

назначение, виды, процесс, отличие от зенкования — КиберПедия

что это такое. Чем отличается зенкование от зенкерование

Содержание

Основные определения

Зенковка — особый режущий инструмент, позволяющий изготавливать отверстия канонического или цилиндрического вида. С его помощью обрабатывают уже готовые отверстия с целью снятия фаски центрового отверстия.

Зенкер — инструмент состоящий из определенного количества лезвий, предназначенный для резки. Предназначена для улучшения качества отверстия и расширения уже готовых отверстий, создания отверстий цилиндрической или канонической формы. Обработка отверстий при помощи зенкера называется-зенкерование. Зенкерование относят к получистовой обработке металла.

Можно встретить неверное понятия, когда говорят что зенкер и зенковка одно и тоже. При помощи зенкера повышают технические качества отверстия. И он не предназначен для изготовления углублений.

Зенкование отверстий-снятие стружки или неровностей с просверленного отверстия. Зенкование отверстий называют процесс углубления отверстия канонической формы с целью спрятать шляпку болта или самореза. Встретить можно и определение-спрятать саморез в патай.

Зенкерование отверстия

Раззенковка отверстий-обработка просверленных отверстий под головки или шляпки болтов, саморезов, метизов.

Предназначение зенкеров по металлу

Основное назначение — улучшение качества поверхностей, изменение степени шероховатости, точности после сверления. С помощью специальной оснастки можно устранить дефекты, появляющиеся при литье, штамповке.

Другие задачи:

1. Калибровка просверленных отверстий, в которых будут закрепляться болты, шпильки.
2. Улучшение качества, точности поверхностей в отверстиях перед развертыванием, нарезкой резьбы.

Оснастка применяется на фрезерных, расточных, токарных, сверлильных станках. Может использоваться с электроинструментом.

Устройство и принцип работы зенкеров по металлу

Конструкция:

1. Режущая часть. Состоит из калибровочной части, режущих зубьев.
2. Рабочая часть. На ней расположены режущие кромки по спирали.
3. Шейка. Переход между хвостовиком, рабочей частью.
4. Хвостовик. Эта часть закрепляется в патроне электроинструмента или промышленного оборудования.
5. Лампа. Конечная часть хвостовика. Она нужна для передачи вращающего момента от привода.

После запуска электродвигателя оснастка начинает вращаться, срезая слой металла острыми кромками, зубьями. Постепенно она углубляется в металлическую деталь, обрабатывая поверхности отверстия.

Зенкер с рабочим диаметром 16 мм.

Виды зенкеров по металлу

Зенкеры классифицируются зависимо от разных факторов. По точности:

1. Номер 1. Применяется для подготовки отверстий к проведению процедуры развертывания.
2. Номер 2. Назначение — финишная обработка просверленных отверстий, чтобы они соответствовали классу точности 5 (квалитет 11).

По форме рабочей части:

1. Цилиндрическая. Назначение — обработка поверхностей перед началом развертывания.
2. Цилиндрическая рабочая часть дополняется специальной направляющей цапфой. Применяется для обработки отверстий, в которых будут установлены крепежные элементы.
3. Рабочая область расположена на торце. С его помощью можно чистить торцевые стороны бобышек, приливов.
4. Коническая форма. Такая оснастка нужна для создания конических отверстий перед сверлением основных углублений.

По конструкции:

1. Сварная оснастка.
2. Сборные изделия. Рабочая часть закрепляется на направляющем стержне. Направляющей может быть обычное сверло или продолжение хвостовика. Главное преимущество оснастки — возможность соединения разных по диаметру насадок на одной направляющей.
3. Цельные инструменты. Не имеют сварных соединений. Рабочая часть, хвостовик находятся на одном металлическом стержне.

Отдельная группа — оснастка с твердосплавными режущими пластинами.

Технические характеристики зенкеров по металлу

Технические характеристики описаны в определенных государственных документах. Параметры для цельной оснастки цилиндрической формы:

1. Допустимые типы — с цилиндрическим хвостовиком, насадные, с коническим хвостовиком.
2. Конус Морзе — от 1 до 4.
3. Диаметр — от 7,8 до 50 мм.
4. Длина рабочей части — от 75 до 220 мм.
5. Общая длина — от 156 до 369 мм.

Получить больше информации о технических характеристиках оснастки можно из ГОСТ 12489-71. Геометрические параметры, материал описаны в ГОСТ 14953-80.

Конструкция

Зенковка коническая состоит из двух основных элементов — рабочей части и хвостовика. Рабочая часть имеет конус со стандартным рядом углов на вершине от 60 до 120°. Количество режущих лезвий зависит от диаметра инструмента и может быть от 6 до 12 штук.

Цилиндрическая зенковка по своей конструкции похожа на сверло, но имеет больше режущих элементов. На торце расположена направляющая цапфа необходимая для фиксации положения инструмента в процессе обработки. Ограничитель может быть съёмным или быть часть тела инструмента. Первый вариант более практичен, так как расширяет возможности обработки. Также может быть установлена режущая насадка.

При необходимости рассверливания нескольких отверстий на равную глубину применяется инструмент с державками с вращающимся или неподвижным ограничителем. Перед обработкой зенковка фиксируется в державке таким образом, чтобы режущая часть выступала из упора на расстояние равное требуемой глубине обработки отверстий.

Инструмент изготавливается из инструментальных легированных, углеродистых, быстрорежущих и твердосплавных марок стали. Для обработки чугунных деталей чаще всего используются твердосплавные стали, для обычных сталей – быстрорежущие и инструментальные.

Конструкция конусного зенкера

Это приспособление предназначается для пропуска конусовидных проемов небольшой глубины. Главной особенностью в конструкции элемента считается присутствие зубьев прямого типа и абсолютно плоского внешнего основания. Численность элементов реза, в соответствии с калибровкой, может варьироваться в значении 6 – 12 единиц.

Зенкерование отверстий считается ручной процедурой, осуществляемой через токарный агрегат, на котором крепится зенкер. Возделываемая деталь зажимается в патронаже агрегата, проверяется верное ее расположение в углублении.

Осевые центры электрошпинделя и заднего узла станка должны находиться на одном уровне. Это дает снизить риск вылета технически подвижной гильзе (пиноль). В отделываемое отверстие наконечник инструментария дается вручную.

Чтобы получить после операции зенкерования проем нужного поперечника, при сверлении производится припуск 2-3 мм. Точные значения припуска зависят от калибровки углубления в возделываемой заготовке. Труднее реализовать процесс зенкеровки выкованных и плотных изделий. Чтобы упростить себе задачу следует заблаговременно расточить раззенкованное отверстие на 5-9 мм.

Зенкеровка может выполняться в порядке резания. В этой ситуации подача инструментария увеличивается вдвое, чем при сверловке, а скорость хода остается прежней.

Углубление резания зенкером закладывается примерно в 50 процентов припуска на поперечник. Раззенковка отверстий инструментом, реализовывается с применением охлаждающих материалов.

Механизм из твердых сплавов не требует внесения вспомогательного хладоносителя.

Зенкер при обрабатывании проемов гарантирует высокую точность, но избежать брака совсем нельзя. Самыми распространенными пороками обработки считаются:

• Увеличенный поперечник проема. Главная причина возникновения подобного изъяна считается применение приспособления с неверной заточкой.
• Уменьшенный поперечник углубления. Случается, что для работы был выбран ошибочный инструментарий либо применялся испорченный зенкер.
• Вызывающая чистота. Этот изъян может быть вызван рядом причин. Обычно, уменьшение чистоты кроется в неважной заточке приспособления. На практике также причиной порока может служить чрезмерная вязкость материала изделия. Поэтому элемент налипает на ленты инструмента. Повреждение также вызывается погрешностью токаря, сделавшего неверную подачу и ускорение реза.
• Частичная обработка проема. Эта причина обычно возникает в результате неверной фиксации детали либо неправильным припуском под зенкеровку, сохраненным после сверления.

Виды и применение зенковок

При обработке деталей на сверлильных и токарных станках зенковка по металлу применяется для:

• Формирование в предварительно подготовленных отверстиях углублений  конической или цилиндрической формы требуемой длины.
• Формирование опорных  плоскостей возле отверстий.
• Съём фаски в отверстиях.
• Обработка отверстий под крепеж.

Часто можно встретить и термин «цековка», так называют инструмент, предназначенный для рассверливания углублений цилиндрической формы и опорных плоскостей.

По конфигурации режущей части встречаются следующие виды зенковок:

• Цилиндрической конфигурации.
• Конические зенковки.
• Торцовые инструменты.

По диаметру обрабатываемых отверстий зенковки подразделяются на:

• Простые (от 0,5 до 1,5 мм).
• Для отверстий диаметром от 0,5 до 6 мм. Выпускаются с предохранительным или без предохранительного конуса.
• Зенковки с конусным хвостовиком. Применяются для отверстий диаметром от 8 до 12 мм.

Цилиндрическая

Операция такого вида зачастую применяется практически в любом типе производства. Итогом становится выемка цилиндрической формы. Это идеальный выбор для винтов и болтов. А данные крепежные элементы в штатном формате распространены почти во всех конструкциях. Фактически это самая популярная и актуальная разновидность зенкования отверстий в металле.

Плоские и торцевые

Такой способ иногда называют цековкой. Особый финальный вид операции. Используется в уже готовых углублениях. Чтобы сами шляпки и иные метизы для сокрытия входили плотно и без зазоров. Для этого поверхность очищается. И тут нам и понадобятся эти разновидности.

По сути, цековка и зенковка – отличие небольшое. Просто это более узкая деятельность, который имеет такое название только при плоской или торцевой зачистке.

Геометрические параметры

Чтобы правильно подобрать зенкер под конкретную задачу, нужно знать, с каким металлом он будет работать и что за параметры имеют основные элементы зенкера. Для цельнометаллических элементов цилиндрической формы предусмотрены следующие стандарты на геометрические параметры при обработке конкретных материалов:

1. У деталей, выполненных из стали конструкционного назначения с отверстиями до 40.0 мм в диаметре, обработку последних проводят инструментом с диаметром рабочей части от 40 до 10 мм и количеством режущих кромок 3–4 единицы. Если диаметр достигает 80 мм, то резец должен быть в пределах 32–80 мм.
2. У деталей, выполненных из металла, который был подвержен закалке, отверстия обрабатывают 4- и 3-лезвийными зенкерами с размером поперечного сечения от 50 до 14 мм.
3. У деталей из чугуна либо металла цветного операцию зенкерования для глухих отверстий проводят перовым инструментом.

Рекомендации по применению конических элементов к типу металла, что должно соответствовать определенной геометрической форме конуса (имеется в виду угол), следующие:

1. От 20 до 15 градусов угол можно применять, когда необходима обработка мягких марок стали и сплавов.
2. От 10 до 8 градусов угол подойдет для работы, что предполагает зенковку металлов с твердостью средней величины либо деталей для отливок стальных.
3. Угол в 5 градусов и ниже применим для зенковки заготовок из чугуна либо сталей высоколегированных.

Когда при помощи зенкера проводят чистовую обработку изделия, диаметр поперечника инструмента должен совпадать с тем диаметром, который должен получиться в итоге!

Особенности зенкования отверстий

Приведём некоторые рекомендации для металлообработки методом зенкования:

• При обработке твердых сплавов и чугуна необходимо использовать охлаждающие эмульсионные составы для отвода тепла.
• Очень важно правильно подобрать инструмент для проведения работ. Необходимо учесть материал заготовки и характер работ.
• При подбое зенковки особое внимание уделите заданным параметрам обработки – диаметр, потребная точность, размер углубления.
• Обратите внимание на способ фиксации на станке, при необходимости приобретите необходимую дополнительную оснастку.

Действующий ГОСТ

Определяет технические условия для конической зенковки ГОСТ 14953-80. Также, при металлообработке, следует руководствоваться другими стандартами регулирующими параметры используемых сходных инструментов – зенкеров, разверток и т. д. Подбор зенковок необходимо производить по таблицам в специальной литературе.

Выбор зенкера

Выбор типа зенкера обусловлен:

• характером обработки;
• расположением отверстия, которое следует обработать;
• материалом обрабатываемой детали;
• серийностью производства.

Выбор размера зенкера зависит от

• габаритов (диаметра, глубины) отверстия, подвергающегося обработке;
• обрабатываемого материала;
• желаемой точности обработки.

Основной диаметр зенкера выбирается соответственно характеру последующей обработки отверстия, учитывая припуск на обработку. При выборе длины хвостового зенкера или аналогичного параметра оправки для насадного зенкера имеет значение длина обрабатываемого отверстия. Кроме того, определяя длину инструмента или оправки, важно учитывать длину закрепления зенкера, габариты направляющей втулки, прочие условия работы.

Соответственно материалу обрабатываемой детали, выбирают и материал самого зенкера.

Способ закрепления зенкера — немаловажный момент, который влияет на предпочтение по конструкции и длине инструмента. Причем следует учитывать:

• параметры хвостовика инструмента;
• длину обрабатываемого отверстия;
• тип станка для обработки.

Если для расточных работ берутся твердосплавные пластины, следует максимально унифицировать способ закрепления.

Зенкерование и смежные с ним операции

Зенкерование сходно с операцией рассверливания: оба процесса ведутся с готовым отверстием. Отличие состоит в том, что результат зенкерования получается более точным. В процессе операции устраняются недостатки, возникающие после штамповки, литья или сверления. Улучшаются такие показатели, как чистота поверхности, точность, достигается высокая степень соосности.

Часто при формировании отверстий сверлом (особенно глубоких) наблюдается отклонение от центра из-за невысокой жесткости инструмента. Зенкер от сверла отличается тем, что имеет более высокую жесткость из-за увеличенного числа режущих зубьев. Важно, что такое отличие обеспечивает более точное направление движения инструмента, а при меньшей глубине резки наблюдается высокая чистота. При сверлении отверстий можно получить квалитеты 11–12, шероховатость поверхности отверстия Rz 20 микрометров. При операции зенкерования получаем квалитеты 9–11, шероховатость 2,5 микрометров.

Развертки конические под конус Морзе

Еще более точной операцией является процесс развертывания (6–9-й квалитеты, Rа 1,25– 0,25 микрометров). Это уже чистовая обработка резанием. Зенкерование отверстий – получистовая операция. Зенкерование и развертывание отверстий, если обе этих операции предусмотрены технологическим процессом, выполняются за одну установку детали на станке.

Нередко путают зенкерование и зенкование отверстий и некорректно называют зенкером другой инструмент – зенковку (см. фото ниже). Зенковки, в отличие от зенкеров, имеют другую конструкцию и применяются для решения иных технологических задач.

Зенковки конические

Зенковка применяется в процессе снятия фаски с верхней части отверстий, а также для получения углублений конической формы. Бывает также зенковка цилиндрическая, но такой инструмент правильнее называть цековкой. При помощи такого инструмента в деталях получают углубления соответствующей формы. Для выполнения такой зенковочной операции также может быть использован универсальный инструмент – сверло, специально совмещенное с зенковкой.

Посмотрев данное видео, можно легко понять принцип работы и назначение зенковки, а также ее отличие от зенкера и других родственных инструментов для обработке отверстий.

Чтобы не путаться в схожих операциях, достаточно рассмотреть и запомнить данную схему, наглядно объясняющую конструктивные отличия и назначение инструментов для обработки отверстий

Сущность процесса зенкования

Зенкование и сверление тесно связаны между собой. Обычно зенкование проводят по готовому отверстию, но бывают случаи, когда необходимо сделать углубление без предварительного сверления. И в том, и в другом вариантах используют инструмент зенковку разных конструкций.

Сам процесс зенкования очень прост: специальным резцом снимают фаску на отверстии. Чем больше металла снято, тем больше получается углубление. Форма зенковки обычно коническая. Здесь главное – соблюсти строгую центровку режущего элемента и отверстия: должна быть идеальная соосность. В противном случае будет наблюдаться смещение углубления относительно отверстия, и шляпка винта не сможет в него войти.

Чтобы выполнить операцию зенкования для получения фасок и для углублений, необходимо пройти следующие этапы технологического процесса:

1. Измерить шляпку резьбового метиза, под который будет производиться углубление (имеются в виду как диаметр, высота, так и угол скоса, если шляпка имеет конструкцию под потай).
2. Подобрать соответствующую зенковку и закрепить ее в сверлильном или токарном оборудовании.
3. Строго соблюдая соотношение осей, закрепить напротив резца заготовку с отверстием.
4. Включить сверлильное оборудование и выставить необходимое количество оборотов (если это позволяет схемотехника станка) или заведомо подобрать необходимый инструмент под параметры оборудования.
5. Провести зенкование отверстия.

Оборудование для зенкования

В принципе, не только для этой операции, но и для обеих, которые фигурируют в обзоре, подходит и обычный ручной прибор. То есть, дрель, а некоторые даже используют шуруповерт. Разумеется, поступать подобным образом строго не рекомендуется. Даже если мощности для успешного завершения в принципе хватит, то явно будет серьезная потеря в точности. Какой бы эксперт ни взялся за такое мероприятия, он не сможет 100% точно выверить центр и ось, просто удерживая прибор руками. Значит, отклонения неминуемы.

Логичным вариантом будет токарный станок. Он используется почти во всех случаях. Иногда заменяется специальным обрабатывающим центром, многофункциональным оборудованием. Суть от этого не изменяется.

Сам инструмент, который необходим – зенковка. Он состоит из двух составных частей. Первая – это резец. От его формы и расположения зависит вид обработки. Так, бывают цилиндрические и конические варианты, о которых мы говорили выше, обратные и иные. Что такое обратное зенкование отверстий, понять легко. Это обычная чистка паза специальной насадкой. Вторая часть – это хвостик. Он нужен для фиксации в патроне станка.

Производится инструментарий из твердых сплавов углеродистой, а также легированной стали. Ведь кромке придется работать с различным ресурсом. И среди материалов, в которых необходимо сделать углубление часто встречаются весьма твердые, как чугун. Соответственно, если резцы будут не выше по уровню твердости, то на серьезных оборотах они могут просто обломаться или сточиться раньше срока. Что приведет к экономическим расходам на предприятии.

Развертывание, как способ обеспечения максимальной точности

Как мы уже уточнили, финишная обработка зачастую становится обязательно. Но есть задачи, где она фактически не важна. То есть если по регламенту у метиза положен 1 класс точности, то квалитет должен соответствовать значению в 6-5, а допуск не должен быть выше 1.3 мкм. Разумеется, без развертывания добиться таких результатов невозможно по определению. Но вот для 5 класса точности достаточно иметь квалитет в 12 и уровень допуска в 21 мкм. А такими параметрами может похвастаться паз и после проведения штатного зенкерования. Соответственно, последующий этап будет просто не нужен.

Соблюдайте правила при работе с цековкой

При выполнении цекования необходимо придерживаться ряда правил:

• При цековании открытых поверхностей рекомендуется зафиксировать на хвостовике инструмента упор. Простейший способ – использование упорной гайки с контргайкой.
• При цековании углублений под шляпки метизов используется инструмент с углом при вершине 90°. Уменьшение угла выполняется в тех случаях, когда после цекования на поверхности обрабатываемого отверстия остается огранка.
• Выполнение отверстий под метизы выполняется в два этапа. Сначала рассверливается отверстие до определенного диаметра, затем цековкой отверстию придается нужная форма и размер.
• Направляющая цековки не должна соприкасаться с втулкой всей поверхностью. Допустимо соприкосновение винтовыми ленточками. Нарушение этого правила может привести к заеданию цековки во втулке в результате сильного нагревания заготовки и металлорежущего инструмента под воздействием высокой скорости вращения шпинделя станка.
• Соосность отверстия обеспечивается за счет применения цековок с направляющими.
• При закреплении торцевого зенкера в быстросменном патроне, рекомендуется располагать режущие зубья с двух торцов.
• Для обработки заготовок из металлов высокой твердости следует использовать инструмент с твердосплавными пластинами.
• Для обработки хрупких сплавов рекомендуется применять винтовые однозубые торцевые зенкеры с радиально расположенной передней поверхностью.

Соблюдение правил дает гарантию получения идеально точных по размерам отверстий.

Источники

• https://sverlim.pro/zenkovka/
• https://metalloy.ru/instrumenty/zenker
• https://mekkain.ru/library/zenkovka.html
• https://regionvtormet.ru/beton/zenker-po-metallu-dlya-chego-neobhodim-etot-instrument-i-kak-pravilno-delat-zenkerovanie.html
• https://www.rocta.ru/info/zenkerovanie-otverstij-chto-eto-takoe-otlichie-ot-zenkovki/
• https://WikiMetall.ru/oborudovanie/zenker-po-metallu.html
• https://www.rinscom.com/articles/zenker-po-metallu-vidy-i-konstrukcii/
• http://met-all.org/obrabotka/tokarnaya/zenker-i-zenkerovanie-chto-eto-takoe.html
• https://instanko.ru/drugoe/zenkovanie-otverstij.html

Как сверлить зенкерные и направляющие отверстия

Зенковка и направляющие отверстия в древесине и металле. В этом руководстве «Сделай сам» вы узнаете, что такое направляющее отверстие и почему вы должны использовать его, чтобы предотвратить расщепление древесины при вкручивании шурупов и позволить вам ввинчиваться в металл. Кроме того, узнайте, как просверлить отверстия с потайной головкой для креплений и головок шурупов, чтобы они погружались ниже поверхности закрепляемого материала, чтобы предотвратить заедание и позволить заполнить головки шурупов и скрыть их.

Что такое зенковка или потайное отверстие?

Зенковка предназначена для увеличения и/или скоса боковой стороны отверстия, чтобы любой крепеж можно было утопить ниже поверхности этого потайного отверстия. №

После установки крепления потайное отверстие можно заполнить и отшлифовать, чтобы поверхность была абсолютно плоской без видимых следов крепления.

Что такое пилотное отверстие?

Направляющее отверстие — это предварительное отверстие, просверленное для облегчения прохождения более крупного объекта. В этом случае просверливается пилотное отверстие, чтобы можно было закрутить винт, облегчая его прохождение через древесину.

Поскольку диаметр направляющего отверстия меньше диаметра самого шурупа, резьба шурупа может врезаться в окружающую древесину, обеспечивая надежную фиксацию.

Некоторые пиломатериалы, особенно когда их разрезают на узкие или тонкие полосы, склонны к расщеплению при забивании гвоздями или шурупами. Просверливание пилотного отверстия и зенкерование предотвращает это.

Если в креплении, даже в гвозде, не нужно смещать столько древесины, сколько вы продавливаете ее сквозь древесину, вероятность того, что она расколется, значительно ниже.

Из-за отверстия с зенковкой он может соскользнуть под поверхность дерева, вероятность того, что он расколется, мала, поскольку коническая форма нижней стороны головки шурупа касается верхней части дерева.

Зенковка направляющего отверстия

Как просверлить направляющее отверстие и зенковать головку винта

Измерьте диаметр винта, например, винт номер 8 имеет диаметр 3 мм от внешней резьбы к внешней стороне резьбы.

Сверление пилотного отверстия

Таким образом, разумный размер направляющего отверстия составляет 1 или 1,5 мм. Это по-прежнему позволит резьбе прорезать древесину, не раскалывая ее, и в то же время будет хорошо сцепляться с древесиной. Можно использовать шпатель или буравчик, чтобы обозначить точку, куда нужно поместить маленькое сверло.

Вставьте сверло в дрель или беспроводную дрель-шуруповерт и поместите кончик сверла на только что сделанную отметку.

Глубина зависит от того, какой материал вы сверлите (совет: чтобы знать, насколько глубоко вы сверлите, отметьте точку остановки сверла изоляционной лентой):

• Мягкая древесина : Просверлите отверстие примерно до 1/2–3/4 общей длины винта или вставляемого крепления
• Твердая древесина : Просверлите отверстие до длины винта или чуть больше
• Бетон : Опять же, как и в случае с твердой древесиной, просверлите немного глубже, примерно на 1/4–1/2 дюйма больше, чем длина шурупа или крепления
• Винты и крепления заявленной глубины : Это действительно «как написано на банке». У рассматриваемого винта или крепления будет глубина отверстия, необходимая для его установки, указанная производителем на упаковке

Пилотные отверстия почти всегда используются в металле, так как большинство винтов, даже обычные саморезы, не могут пробиться сквозь них. Зенковка используется также для того, чтобы головка винта находилась на одном уровне с поверхностью или ниже нее.

Отличная идея, например, при креплении к бетонной перемычке просверлить ряд направляющих отверстий, одно сквозь другое, каждый раз немного увеличивая их, пока не будет достигнут требуемый размер отверстия.

Попытка просверлить очень большое отверстие как в бетоне, твердой кладке, так и в металле быстро затупит сверло, так как резка (сверление) с большой площадью поверхности намного сложнее, чем с маленькой.

Набор сверл — можно приобрести в нашем магазине

Сверление зенковки или отверстия с потайной головкой

Для этой работы доступны зенкеры. Как упоминалось выше, идея зенковки заключается в том, чтобы погрузить головку винта или крепления под поверхность материала, к которому вы крепите.

На самом деле это имеет две цели: во-первых, чтобы головка шурупа не зацепилась и не зацепилась за что-либо, напр. в случае прикручивания полок в шкафу вы не хотите, чтобы головки винтов спереди заедали и зацепляли дверцу шкафа при закрытии.

Во-вторых, если вы хотите скрыть головку шурупа, потайное отверстие позволит головке шурупа погрузиться под материал, в который он вставлен, и его можно будет затем зашпаклевать и покрасить.

Чтобы просверлить зенкер, поместите зенкер в дрель и слегка надавите на направляющее отверстие. Для тех, кто предпочитает ручной подход, также доступна ручная зенковка.

Понемногу сверлите до нужной глубины. Немного сложно указать точную глубину, так как это будет зависеть от размера головки винта и размера вашей зенковки.

Суть здесь действительно в том, чтобы расширить горловину отверстия так, чтобы головка шурупа ушла вниз. В большинстве ситуаций, когда вы завинчиваете винт или фиксируете его, закусывание резьбы винта все равно будет тянуть головку вниз под поверхность.

Сверло с потайной головкой 13 мм. Доступно в нашем магазине.

Как зенковать винты — Дочь мастера

Узнайте, как зенковать винты, чтобы придать вашим проектам профессиональный вид! Эта простая техника позволяет скрыть головки винтов под поверхностью.

Когда вы научитесь зенковать винты в своих проектах, ваша работа сразу станет выглядеть более профессионально. Это не так сложно сделать, и с помощью правильных инструментов (а иногда и без специальных инструментов) вы можете придать своим деревообрабатывающим проектам более безупречный вид.

Этот пост содержит партнерские ссылки для вашего удобства. Покупки, сделанные по этим ссылкам, могут принести мне небольшую комиссию без каких-либо дополнительных затрат для вас. Пожалуйста, посетите мою страницу раскрытия информации для получения дополнительной информации.

Что означает зенковать винт?

Вы, наверное, заметили, что некоторые из моих бесплатных чертежей по дереву требуют шурупов с потайной головкой. Если вы только начинаете заниматься деревообработкой, эта фраза может и не показаться вам знакомой, но она довольно проста.

Когда вы вкручиваете шуруп в любой материал, вы обычно останавливаетесь, когда головка шурупа касается поверхности. Зенковка того же самого винта означает, что вы собираетесь вбить его под поверхность.

Если в вашем проекте требуются болты или вам нужно использовать шайбу под головкой винта, вместо этого вы можете использовать цековку. В этой статье сравнивается зенковка и зенкер, а также когда вы захотите использовать каждый тип отверстия.

Типы зенкеров

Существует множество способов зенковки винта. Идеальным методом является использование специальной биты, предназначенной для этой цели. Есть несколько разных типов.

Зенковка для предварительного сверления

Зенковка для предварительного сверления делает одновременно направляющее отверстие для винта и коническое зенкерное отверстие. Этот метод легко обеспечивает постоянство при переходе от винта к винту.

Я использовал этот набор в течение многих лет в бесчисленных проектах! Есть три разных размера и регулируемый воротник, чтобы вы могли установить глубину.

Автономная зенковка

Второй метод заключается в использовании двух разных сверл. Первый предварительно просверливает отверстие для винта. Второй бит делает конусообразное отверстие в поверхности дерева, что позволит головке шурупа сидеть ниже поверхности.

Этот метод занимает немного больше времени, но позволяет создавать более чистые отверстия. Отдельный зенкер обычно можно использовать как для дерева, так и для металла, что делает его более универсальным, если вы работаете с обоими на регулярной основе.

Быстросменное сверло с зенковкой и отверткой

Если вы ненавидите постоянно переключаться между зенковкой и отверткой, это то, что вам нужно! Я планирую забрать этот набор в следующий раз, когда буду в местном магазине Rockler. Он имеет металлическую втулку, которая надевается на зенковку и может быть оснащена подходящим сверлом для закручивания этих винтов.

Существуют и другие типы, у которых с одной стороны имеется зенковка, а с другой — отвертка. Просто переверните бит, чтобы быстро переключаться между операциями.

Как зенковать винты

На что обратить внимание

Прежде чем приступить к сверлению, следует учесть несколько моментов.

• Планируете ли вы спрятать винты?
  • Если вы красите свой проект , утапливая головки винтов немного ниже поверхности и заполняя отверстие шпатлевкой для дерева, вы получите безупречный вид.
  • Если вы оставляете головку винта открытой , вам нужно просверлить отверстие, чтобы головка винта была на вровень с поверхностью дерева.
• Насколько велика головка вашего винта? Он плоский или округлый? Какой угол составляет нижняя часть головы?
  • Плоская головка шурупа с конической нижней стороной — лучший выбор для шурупов с потайной головкой. Убедитесь, что размер головки винта соответствует размеру зенковки, которую вы планируете использовать.
  • Если вы прикрепляете тонкий кусок фанеры или металла к более толстому, вам может понадобиться винт с головкой под углом 100°, а не со стандартной головкой под углом 82°. Это дает ему большую площадь поверхности, за которую он может держаться, и снижает риск протягивания материала.
  • Здесь вы можете узнать больше о различных типах шурупов!

Отметьте положение отверстия

Отметьте положение каждого отверстия на заготовке карандашом. Если вы соединяете две детали под прямым углом, как показано ниже, нарисуйте линию, чтобы отметить центр доски, в которой вы планируете сверлить. Инструмент Kreg Multi-Mark делает это легко!

Выберите правильный размер зенкерной насадки

Размер зенкерной насадки должен соответствовать размеру винта, который вы планируете использовать. Номер размера винта обычно указан на упаковке. № 6, 8 и 10 наиболее распространены. Убедитесь, что винт имеет плоскую головку с конической формой внизу.

Отрегулируйте высоту зенковки

Установите высоту зенковки в соответствии с длиной шурупа. Для этого вставьте соответствующий шестигранный ключ в отверстие сбоку, чтобы ослабить. Затем поднимите или опустите его, чтобы он соответствовал глубине винта, который вы будете использовать в своем проекте.

Просверлите отверстие под зенкер в отмеченном месте

Совместите кончик сверла с ранее сделанной меткой. Запустите сверло на более высокой скорости, чтобы сверло погрузилось чисто, затем замедлите его, чтобы сделать зенковку. Слишком быстрое сверление отверстия с зенковкой может привести к разрыву или сделать его слишком глубоким.

Проверка посадки

После того, как вы сделаете первое отверстие с зенковкой, проверьте, как сидит винт. Если он будет слишком высоким, головка шурупа поднимется над поверхностью дерева. Слишком низко, и потребуется больше времени, чтобы заполнить отверстие.

Сначала протестировав посадку на куске дерева, вы сможете усовершенствовать отверстие с зенковкой, прежде чем сверлить свой проект!

Как зенковать без сверла

Если у вас нет зенковки, есть два способа создать ее, используя стандартные сверла.

Метод двух сверл

Предварительно просверлите отверстие, соответствующее диаметру используемого винта. Поместите кусок ленты на сверло, чтобы отметить точку остановки на той же длине, что и винт, чтобы вы не проходили через материал.

Затем выберите насадку размером чуть больше головки винта. Сделайте неглубокое отверстие, чтобы головка шурупа располагалась чуть ниже поверхности дерева или металла. Это не самая чистая дыра в мире (та, что слева), но она подойдет, если вы все равно планируете позже закрыть ее деревянным наполнителем.

Метод Philips Head Bit

Если вы вышли на работу и у вас нет зенковки, этот метод будет работать в крайнем случае. Возьмите насадку Philips Head и поместите ее в то место, куда войдет винт. Запустите сверло и перемещайте его круговыми движениями, расширяя отверстие по мере продвижения, пока не получите желаемый размер.

Этот метод позволяет сделать удивительно чистое отверстие (центральное), хотя оно слишком маленькое. Головка шурупа находится чуть выше поверхности дерева, и шпатлевка не сможет ее скрыть.

Сокрытие винтов с потайной головкой

После того, как вы закончите зенковку винтов, вы можете оставить их как есть или заставить их исчезнуть! Существует два различных метода сокрытия винтов с потайной головкой.

Скрыть винты с потайной головкой с помощью шпаклевки по дереву

Это мой предпочтительный метод скрытия головок винтов, когда объект будет окрашиваться. Используйте любой тип наполнителя для дерева или шпаклевки, чтобы закрыть отверстие, слегка переполнив его.

Когда шпаклевка высохнет, отшлифуйте ее до гладкости и покрасьте. Пуф, дырки больше нет!

Скрыть винты с потайной головкой и дюбеля для дерева

Я не использовал дюбели ни в одном из своих проектов, так как они больше подходят для тонкой обработки дерева, а я предпочитаю мастерить по дереву. 😉

Просверлив отверстие зенковки глубже или используя специальное сверло, вы можете заполнить отверстия деревянной пробкой, которая исчезает в волокне. Вы также можете использовать контрастный цвет дерева или пуговицу, чтобы показать отверстие!

Как зенковать винты для настила

Саморезы с потайной головкой

Из всех специальных винтов, доступных на рынке террасной доски, найти саморезы несложно. Они могут легко утонуть под поверхностью доски, а древесина покрывает специально разработанную головку винта, не оставляя неровностей.

Комплект зенковки для настила

Если вы обнаружите, что вам необходимо зенковать винты настила старомодным способом, вы можете приобрести комплект, который включает в себя направляющую насадку, насадку с зенковкой и отвертку. Зенковка немного больше, чем обычно, поэтому вы можете использовать заглушку, чтобы скрыть отверстие.

Фото: Amazon

Болты с зенковкой

При строительстве настила вам обычно приходится устанавливать шурупы или болты с запаздыванием, чтобы скреплять компоненты каркаса. Вы можете установить их, оставив головку и шайбу открытыми, или вы также можете их раззенковать.

Сначала измерьте ширину винтовой части лаги и найдите соответствующую фрезу. Затем измерьте размер шайбы, которую вы будете использовать, и найдите лопастную фрезу чуть большего размера.

Чтобы сделать зенкерное отверстие, которое скроет шайбу и головку болта, просверлите отверстие для тела лаги, а затем вернитесь назад и с помощью лопастного сверла вырежьте отверстие достаточно глубокое, чтобы шайба и головка лаг сели под поверхностью.

Как зенковать шурупы для гипсокартона

Основная предпосылка закручивания шурупов для гипсокартона на нужную глубину — знать, когда остановиться! Эта недорогая насадка не позволит вам залезть слишком глубоко и сломать бумажную поверхность. Прочность гипсокартона в первую очередь заключается в бумажной поверхности, поэтому идеальная зенковка в гипсокартоне не ломает бумажную поверхность; он просто опускается немного ниже поверхности. Попытка сделать это «на глаз» обычно приводит к тому, что большинство шурупов ломают бумагу и оказываются внутри гипса.

Как зенковать шурупы в металле

Хотя вам, возможно, и не придется делать это очень часто, приятно осознавать, что почти все, что вы узнали о зенкеровании шурупов в дереве, применимо и к металлу. Основное отличие состоит в том, что вам понадобятся биты, предназначенные для резки металла.

Вы можете найти зенкерные насадки, которые подходят для металла, но они обычно не поставляются с направляющей насадкой. Вам нужно будет найти сверло, соответствующее размеру тела винта, и сначала просверлить это отверстие. Как и в случае с деревом, наклейте на сверло кусок скотча, чтобы отметить желаемую глубину. Затем вы можете использовать зенкер, чтобы сделать коническое отверстие для головки винта.

Надеюсь, эта статья ответила на все ваши вопросы о том, как зенковать винты. Это простая техника, которая поднимет ваши деревообрабатывающие проекты на новый уровень!

Обработка зенковки

Зенковка представляет собой коническое отверстие с широкой внешней частью. Обычно отверстие с потайной головкой используется для того, чтобы головка болта или винта с плоской головкой при помещении в отверстие располагалась заподлицо с поверхностью окружающего материала или ниже нее. Отверстие с потайной головкой делается с использованием сверла и обработки отверстия, вырезанного лазером, сверлом для сужения зенковки.

Если не указано иное, отверстия с потайной головкой имеют диаметр на 0,10–0,015 дюйма больше, чем основной размер отверстия для лазера с углом 0,80 (или 82) и 100 градусов, наиболее распространенными для винтов с плоской головкой.

Правильный размер отверстия и размер зенковки для винтов. 

Размер винта	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Макс. диам.	0,225	0,252	0,279	0,332	0,385	0,438	0,507
Мин. диам.	0,207	0,232	0,257	0,308	0,359	0,410	0,477
Верхний диам.	0,216	0,242	0,268	0,320	0,372	0,424	0,492
Диаметр корпуса.	0,112	0,125	0,138	0,164	0,190	0,216	0,250

Размеры отверстий с потайной головкой для винтов 82 градуса (+/- .005)

Размер винта	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Толщина
0,020	0,1950	0,2220	0,2490	0,3020	0,3550	0,4060	0,4770
. 025	0,1870	0,2130	0,2400	0,2930	0,3460	0,4060	0,4680
0,030	0,1760	0,2010	0,2280	0,2810	0,3340	0,4060	0,4560
0,035	0,1660	0,1960	0,2210	0,2740	0,3280	0,4060	0,4490
0,042	0,1600	0,1870	0,2130	0,2630	0,3170	0,4060	0,4370
0,050	0,1410	0,1700	0,1960	0,2500	0,3030	0,3830	0,4240
0,060	0,1280	0,1520	0,1790	0,2320	0,2850	0,3830	0,4060
0,074	0,1250	0,1280	0,1560	0,2080	0,2630	0,3680	0,3830
0,090	0,1250	0,1280	0,1560	0,1940	0,2500	0,3360	0,3680
0,120	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,3030	0,3120
0,179	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120
0,250	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120

Размер винта	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Макс. диам.	0,231	0,257	0,283	0,335	0,387	0,439	0,507
Мин. диаметр головки.	0,201	0,227	0,253	0,305	0,357	0,409	0,477
Верхний диам.	0,216	0,242	0,268	0,320	0,372	0,424	0,492
Диаметр корпуса.	0,112	0,125	0,138	0,164	0,190	0,216	0,250

Размеры отверстий с потайной головкой для винтов 100 градусов (+/- .

005)

Дополнительные отверстия и зенковки — гитары Haze

Я хочу продолжить кое-что, что я упомянул в заключение в прошлый раз. Я говорил о слегка зенковать отделку в верхней части только что просверленного отверстия.

Еще несколько насадок для сверления и зенкерования

Два замечания по этому поводу:

Во-первых, я должен был сказать, что для выполнения этой работы я просто держу зенковку рукой. Некоторое очень легкое нажатие и пара поворотов пальцев делают работу просто отлично. Мы просто пытаемся немного расширить отделку вокруг отверстия, а не утапливать головку винта. Что подводит меня ко второму пункту.

Что за зенковка?

Да, я действительно должен был начать с этого. Извиняюсь.

Зачем зенковать?

Взгляните еще раз на наш винт. Существуют разные типы винтов для разных работ, но нас интересует здесь винт с потайной головкой. Вы можете видеть, что нижняя часть головы имеет конический профиль. Если вы сделаете соответствующий конический скос вокруг верхней части просверленного отверстия, винт можно будет вставить так, чтобы он сидел на одном уровне (или в некоторых случаях почти на одном уровне) с верхней частью любой поверхности, в которой он находится.

Обычно для этого используется зенковка.

Зенковки

Зенковки

доступны с разными углами скоса, но мы не занимаемся точным проектированием, и для большинства работ подойдет обычная бита из хозяйственного магазина. Самое очевидное место, где вы увидите зенковку на гитаре, это накладка. Отверстия для винтов имеют потайную фаску для установки головок винтов. Отвинтите один, чтобы посмотреть, если вы никогда не замечали.

Обычные сверла

Сверло, с которым знакомо большинство людей, — это спиральное сверло. Это тот, что сверху на изображении ниже.

Спиральное сверло по сравнению с острием

Спиральные сверла размером более 3-4 мм (около ⅛ дюйма) подходят для сверления дерева, но они могут стать более проблематичными по мере того, как они становятся больше. немного отклониться от курса или, в худшем случае, может выдернуть куски дерева и закончить, что вы бы предпочли оставить на гитаре.Большие размеры твист-бит действительно ценят наличие одного (или нескольких) меньших направляющих отверстий, чтобы направлять их их путь

Спиральные насадки подходят для резки металла и пластика. Однако для дерева мы можем добиться большего.

Сверла с острием (тот, что внизу на изображении выше) специально разработаны для резки дерева. Это острое маленькое острие удерживает сверло от блуждания, когда вы начинаете, а передняя кромка режет дерево, когда оно идет, а не более «срезающее» действие поворотного сверла.

Если вы возьмете набор насадок с острием, вы увидите, что наименьшие размеры (ниже 3-4 мм, о которых я упоминал ранее) на самом деле будут спиральными насадками. Это нормально в таких маленьких размерах.

Сравнение наконечника Brad и спирального сверла

Для сравнения я просверлил два отверстия. На изображении слева используется 8-мм сверло, а на изображении справа — 8-мм сверло. Вы можете видеть, что спиральное сверло дало более неровный край, в то время как сверло с острием сделало более чистое отверстие.

Теперь, поскольку это резкий поворот, и поскольку я двигался довольно осторожно на медленной скорости, сравнение не день и ночь. Чтобы лучше проиллюстрировать (и предупредить вас об этом), я использовал больше скорости и меньше усилий, чтобы получить изображение ниже.

Рваное отверстие из-за тупых бит или чрезмерного усилия

Предотвращение разрыва при сверлении

Неровности, показанные выше на входе в просверленное отверстие, определенно являются тем, чего следует избегать. Что еще хуже, так это разрыв со взрывом , который может произойти в точке выхода бурового долота.

Отрывное сверло

Это особенно неприятный пример, который я привел для иллюстрации, но он не сильно преувеличен. Если вам нужно просверлить отверстие насквозь, вы обязательно должны принять меры предосторожности против разрыва.

Вы можете предотвратить это, используя острые предметы и не торопясь. Сильно надавливая на дрель, чтобы быстрее пройти сверло, вырывание будет намного сильнее. По мере того, как вы приближаетесь к концу, давление, которое вы оказываете, прорвет последний крошечный кусок дерева, вместо того, чтобы позволить его разрезать на кусочки. Вы этого не хотите, так что не торопитесь и не налегайте на дрель всем своим весом. Пусть бит сделает резку.

Что еще более важно, используйте подложка , когда вам нужно просверлить что-то насквозь. Опорная доска — это просто жертвенный кусок дерева, который прижимается к месту, где будет выходить сверло. Когда сверло прорезает, вместо того, чтобы пробиваться, оно просто продолжает врезаться в опорную доску. Осколки уменьшились в разы. Это еще более эффективно, если вы можете очень крепко прижать подложку к просверливаемой детали — меньше «зазора» между ними, чтобы можно было вырваться, — но даже наличие подложки очень поможет.

Использование подложки при сверлении

Я просто повторю несколько важных выводов из всего этого бурения.

Предварительно просверлите древесину для шурупов, чтобы обеспечить точное размещение и предотвратить расщепление древесины или поломку шурупов.

Остерегайтесь сколов на финише. Перед первым отверстием просверлите немного в обратном направлении. Рассмотрите возможность небольшого ручного зенкования финишного слоя вокруг этого отверстия, чтобы обеспечить больший зазор для винта.

Пусть работает дрель. Вам не нужно сильно на него давить. Если вы очень медленно продвигаетесь по более глубокому отверстию, отведите сверло назад, чтобы убедиться, что канавки (эти спиральные канавки сбоку) не заблокированы просверленным материалом. Обычно удаление сверла из отверстия позволяет любой стружке/материалу выпасть, и вы можете продолжить.

Я немного расширю последний пункт. Разница между хорошим острым сверлом и более дешевым или тупым сверлом огромна. Однако хорошие биты могут стоить дороже. Я понимаю, что это не то, что каждый сочтет стоящей инвестицией, и это очень справедливо. Не забывайте быть еще более осторожным, если ваши вещи не самые дорогие. Двигайтесь медленнее и будьте более осторожны.

P.S. Небольшое дополнение по зенкеровке. В некоторых случаях в качестве зенковки можно использовать спиральное сверло большего размера. Это требует осторожности, потому что легко зайти слишком далеко, а затем сверло схватится, и теперь у вас будет большое отверстие вместо маленького отверстия с потайной головкой. Иногда, как показано ниже, нет доступа для зенковки, поэтому сработало спиральное сверло большего размера.

Использование спирального сверла для зенкерования

Эта статья написана Джерри Хейсом и впервые опубликована на hazeguitars.com

Ремонт гитарыGerry Hayes 21 октября 2021 гитара, бас, ремонт, мастер, дрель, зенковка, отверстия под винты, винт

0 лайков

Непрерывные петли по индивидуальному заказу — зенковка отверстий

Непрерывные петли

изменить тип петли

отверстия

изменение операции

Зенковка

Отверстия: Зенковка

См. размерные таблицы ниже.

Отверстия

имеют зенкер, добавленный к ним, когда плоская головка
шуруп или заклепку, чтобы головка шурупа не выступала над поверхностью листа.

Это требование часто предъявляется к петлям, потому что когда петля
закрывается, часто остается мало места для торчащих головок крепежа
с поверхности шарнира. Особенно это актуально, когда отверстия на обоих
листья расположены прямо напротив друг друга.

Например, на полуштампованных петлях,
нет места для головок крепежа, когда петля закрывается. Потайные отверстия являются общими в этой конфигурации.

Отверстия с потайной головкой

Размеры винтов с плоской головкой пронумерованы. Допустимо указывать размеры отверстий по этому номеру, например: «Отверстие для винта с плоской головкой № 8»

Стандартные уголки с зенковкой

Вы также можете назвать размеры по
угол и диаметр. Самые популярные угловые вызовы — 82 и 100 градусов, но доступны и другие углы.

Размеры зенковки

Также можно назвать размеры по верхнему и нижнему диаметру.

Минимальный остаточный материал

Обратите внимание, что важно спроектировать хотя бы небольшое количество
материал оставаться неразрезанным.
Если это не предусмотрено, инструменты, используемые для нарезки зенковки, будут образовывать недопустимый заусенец на обратной стороне петли.

Схема зенковки

Почему диаметр нашего отверстия обычно больше диаметра корпуса

При пробивке отверстия в листовом металле при подготовке к
зенкеруя, мы пробиваем отверстие, достаточно большое, чтобы оставить минимум 0,005 дюйма.
на дне отверстия, чтобы не образовался заусенец. Диаграмма
выше показан этот минимум 0,005 дюйма. Мы рассчитали отверстие
диаметр, необходимый для ряда популярных размеров винтов, и перечислили
размеры в таблицах ниже.

Стол для зенкеров 82 градуса

Винт Размер	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Максимум. Диаметр головки	0,225	0,252	0,279	0,332	0,385	0,438	0,507
Мин. Диаметр головки	0,207	0,232	0,257	0,308	0,359	0,410	0,477
Топ Ццк. Диаметр	0,216	0,242	0,268	0,320	0,372	0,424	0,492
Диаметр корпуса	0,112	0,125	0,138	0,164	0,190	0,216	0,250

Размер винта	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Толщина	Размеры отверстий перед зенковкой для Винты 82 градуса (+/-. 005)
0,020	0,1950	0,2220	0,2490	0,3020	0,3550	0,4060	0,4770
0,025	0,1870	0,2130	0,2400	0,2930	0,3460	0,4060	0,4680
0,030	0,1760	0,2010	0,2280	0,2810	0,3340	0,4060	0,4560
0,035	0,1660	0,1960	0,2210	0,2740	0,3280	0,4060	0,4490
0,042	0,1600	0,1870	0,2130	0,2630	0,3170	0,4060	0,4370
0,050	0,1410	0,1700	0,1960	0,2500	0,3030	0,3830	0,4240
0,060	0,1280	0,1520	0,1790	0,2320	0,2850	0,3830	0,4060
0,074	0,1250	0,1280	0,1560	0,2080	0,2630	0,3680	0,3830
0,090	0,1250	0,1280	0,1560	0,1940	0,2500	0,3360	0,3680
0,120	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,3030	0,3120
0,179	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120
0,250	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120

Наш стандарт диаметра верхней части
зенкер должен принять середину диапазона для номинального размера
с допуском плюс или минус 0,010 . Например, для плоской головки #8.
ввинчивая материал толщиной 0,042, мы пробивали бы отверстие диаметром 0,263 и
зенковать до 0,320 (0,332 плюс 0,308 разделить на 2) плюс или минус 0,010. Любой
размер верхней части зенковки от 0,310 до 0,330 будет учитываться
в пределах допуска.

Отверстие, пробитое в листовом металле,
предназначен для того, чтобы оставить стенку толщиной не менее 0,005 после завершения зенковки. Этот
предотвратит образование заусенцев на нижней стороне листового металла. Для
В приведенном выше примере мы проделали бы отверстие диаметром 0,263, хотя диаметр корпуса
винт .164. Часть головы будет выступать ниже поверхности листа
металл.

Стол для 100-градусных зенкеров

Размер винта	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Максимум. Диаметр головки	0,231	0,257	0,283	0,335	0,387	0,439	0,507
Мин. Диаметр головки	0,201	0,227	0,253	0,305	0,357	0,409	0,477
Топ Ццк. Диаметр	0,216	0,242	0,268	0,320	0,372	0,424	0,492
Диаметр корпуса	0,112	0,125	0,138	0,164	0,190	0,216	0,250

Размер винта	#4	#5	#6	#8	#10	#12	1/4-20
Толщина	Размеры отверстий перед зенковкой Винты 100 градусов (+/-. 005)
0,020	0,1870	0,2130	0,2490	0,3020	0,3460	0,4060	0,4770
0,025	0,1870	0,2130	0,2320	0,2930	0,3460	0,4060	0,4680
0,030	0,1760	0,1960	0,2210	0,2740	0,3360	0,3830	0,4560
0,035	0,1600	0,1870	0,2130	0,2630	0,3120	0,3680	0,4370
0,042	0,1410	0,1760	0,1960	0,2500	0,3130	0,3680	0,4240
0,050	0,1250	0,1280	0,1760	0,2320	0,2850	0,3360	0,4060
0,060	0,1250	0,1280	0,1560	0,2130	0,2850	0,3830	0,4060
0,074	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120
0,090	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120
0,120	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120
0,179	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120
0,250	0,1250	0,1280	0,1560	0,1870	0,2130	0,2320	0,3120

Наш стандарт диаметра для
вершину зенковки следует принять за номинальную середину диапазона
размер с допуском плюс или минус 0,015 . Например, для
Винт № 8 с плоской головкой из материала толщиной 0,042, мы бы пробивали винт диаметром 0,250.
отверстие и зенковать до 0,320 (0,335 плюс 0,305 разделить на 2) плюс или минус
0,015. Любой размер верхней части зенковки от 0,305 до 0,335 будет
рассматривать в пределах допуска.

Отверстие, пробитое в листовом металле, предназначено для
оставьте стену минимум 0,005 после завершения зенковки. Это будет
предотвратить образование заусенцев на нижней стороне листового металла. Для
В приведенном выше примере мы пробивали бы отверстие диаметром 0,250, хотя корпус
диаметр винта .164. Часть головы будет выступать ниже
поверхность листового металла.

Нарезание резьбы отверстиями, вырезанными лазером, и проектирование для зенкерования

Проектирование для нарезания резьбы и зенкерования требует некоторых дополнительных соображений перед загрузкой детали для лазерной резки в Интернете. Мы собрали несколько советов по проектированию максимально прочного зацепления резьбы при нарезании резьбы отверстиями, вырезанными лазером, и точному определению диаметра потайной части.

Нарезание резьбы в отверстиях, вырезанных лазером, и как это используется

Нарезание резьбы в отверстиях, вырезанных лазером, легко с помощью SendCutSend. Нарезание резьбы — это процесс формирования резьбы в отверстии для подготовки его к метизам. Вырезанные лазером отверстия позволяют полностью персонализировать дизайн и упрощают сборку.

Давайте рассмотрим пару определений для нарезания резьбы отверстиями, вырезанными лазером, прежде чем приступить к проектированию для онлайн-сервиса нарезания резьбы SendCutSend:

• Зацепление резьбы: процент резьбы в оборудовании, который используется в резьбовом отверстии
• Шаг резьбы: показатель, показывающий, сколько резьб на вашем оборудовании находится на заданном пространстве.

Вы можете прочитать больше об этих определениях в наших рекомендациях по врезке.

Имейте в виду, что все детали с резьбой должны быть не менее 1,5”x1,5”, и мы можем нарезать резьбу только строго перпендикулярно поверхности детали. Самый маленький или самый большой доступный метчик меняется в зависимости от материала и его толщины, поэтому обязательно ознакомьтесь с нашей таблицей минимальных/максимальных значений обработки, чтобы убедиться, что ваша деталь соответствует этим ограничениям.

Нарезание резьбы отверстиями, вырезанными лазером, для идеального зацепления резьбы

В целом, для мягких материалов, таких как алюминий, медь, латунь и пластмассы, вырезанные лазером, лучше зацепление резьбы примерно на 75 %. Более твердые материалы, такие как сталь, выигрывают от зацепления резьбы на 50-70%.

Вам нужно будет определить длину используемого крепежа, но для наиболее надежного применения старайтесь, чтобы отношение диаметра болта к его глубине было в 1–1,5 раза больше. Принимая во внимание отношение диаметра к глубине и идеальное зацепление резьбы, можно изменить толщину материала, которую вы выберете для своего проекта.

Если вы проектируете с учетом определенной толщины материала, перед отправкой файлов нам необходимо убедиться, что толщина соответствует необходимому зацеплению резьбы.

Например, болт 8-32 должен иметь глубину резьбы примерно (0,136–204 дюйма), поэтому толщина материала должна быть не меньше этой.

Выбор правильного размера отверстия для резьбового отверстия

Помимо зацепления резьбы, при проектировании резьбы необходимо учитывать еще один важный момент — размер отверстия. Слишком большое отверстие может привести к тому, что метчик сорвется и выйдет из строя при нарезании резьбы, а также создаст условия для неправильного зацепления крепежа. Слишком маленький, и метчик заклинит и сломается, что приведет к чрезмерному нагреву и износу детали, в то время как метчик удалит больше материала, чем он может разумно обработать.

После того, как вы определили, какой размер метчика требуется для вашей детали и оборудования, просмотрите нашу таблицу размеров резьбы, чтобы убедиться, что вы спроектировали правильный размер отверстия для необходимого метчика. Единицы даны как в имперских, так и в метрических.

Хотите узнать больше о постукивании с помощью SendCutSend? Посмотрите это короткое видео!

https://www. youtube.com/watch?v=jD2gHzdn-KI&t=14s?rel=0

Что такое зенкерование и когда его использовать?

Зенковка — это просто процесс увеличения диаметра отверстия и создания угла погружения, чтобы метизы располагались заподлицо с поверхностью материала. Зенковка используется в различных приложениях, от создания простой косметической отделки до проверки того, что ваше оборудование не мешает остальной части вашей сборки.

В настоящее время мы не предлагаем услугу зенкерования, но мы вырезаем лазером много деталей, которые впоследствии будут зенкероваться. Столкнувшись с таким количеством проектов зенкерования, мы придумали несколько вещей, которые упростят вам проектирование зенкерования.

Лазерная резка отверстий с потайной головкой

Самая большая проблема, с которой сталкивается большинство людей при зенкеровке деталей, обработанных с помощью лазерной или гидроабразивной резки, — это оставление линий в файле, которые обозначают как внешнюю (потайную) окружность отверстия, так и внутреннюю окружность. Хотя это полезно для справки, когда вы зенкуете свои детали, отправка файла на лазерный резак с указанными размерами обоих отверстий приведет к тому, что лазерный резак будет обрежьте только внешнюю окружность, а внутренняя окружность выпадет, оставит отверстие слишком большим, чтобы его можно было раззенковать. Поэтому убедитесь, что в файле, который вы нам загружаете, указана только внутренняя окружность.

Выбор правильного размера отверстия для зенкерования

Диаметр зенкерования важен для идеального контакта с фурнитурой. Поскольку целью зенкерования является обеспечение того, чтобы фурнитура располагалась заподлицо с поверхностью материала, неправильный диаметр зенковки может оставить зазоры между фурнитурой и материалом или привести к тому, что фурнитура окажется над поверхностью материала.

Таким образом, диаметр зенковки должен быть такого же размера или больше, чем диаметр головки оборудования. Как правило, этого можно добиться, сделав зенкер на 50% больше диаметра отверстия. Или вы можете измерить головку фурнитуры штангенциркулем и выбрать соответствующий диаметр зенковки.

Глубина и угол зенкования

Глубина и угол зенкования — это две другие важные вещи, которые следует помнить при зенкеровании. Если ваша зенковка слишком глубокая и находится под неправильным углом, оборудование не будет вровень с поверхностью материала. Зенковка также может поставить под угрозу структурную целостность вашей детали, создавая напряжение и износ там, где этого можно избежать.

Листовой металл, вырезанный лазером, должен расширять границы зенкерования, поэтому вам часто придется зенковать материал на всю толщину. По возможности зенковка не должна быть глубже 60% толщины материала, но так бывает не всегда. Это зависит от индивидуальных потребностей вашего проекта, но если вам нужно раззенковать материал на всю толщину, убедитесь, что отверстия расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить напряжение.

Это подводит нас к углу зенковки. Стандартный угол для большинства головок винтов, если они соответствуют унифицированным стандартам резьбы, составляет 82 °, поэтому зенковка должна соответствовать этому значению. Поскольку это стандартный угол, легко получить зенкерные сверла или инструменты для сверлильного станка, которые создадут идеальную посадку. В идеале фурнитура должна иметь не менее 50 % контакта с зенковкой в ​​собранном виде, поэтому для проектов с гибкими допусками угол не обязательно должен быть точным совпадением.

Нарезание резьбы с помощью нашей онлайн-службы резьбонарезания стало проще

Нарезание резьбы и зенкерование отверстий с помощью лазерной резки может сбивать с толку, эти советы должны значительно облегчить вам в следующий раз, когда вы будете работать над проектом с резьбой или потайной резьбой. Мы стремимся сделать производство и обработку простыми.

Начиная всего с 3 долларов США за операцию врезки, мы также делаем ее доступной. Самое приятное, что чем больше вы заказываете, тем больше вы экономите! Вы можете получить скидку до 59% на свой заказ, если увеличите количество операций врезки.

Применение методов робастного управления в системах регулирования синхронных генераторов

Цитировать:

Исмоилов И.К., Турсунов Д.А. Применение методов робастного управления в системах регулирования синхронных генераторов // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. 12(81). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11039 (дата обращения: 17.09.2022).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются проблемы строгого контроля возбуждения синхронных генераторов, показатели качества систем автоматического управления, факторы, влияющие на управление, и их происхождение, методы управления синхронными генераторами, тенденции, теории, основная структура робастной системы управления.

ABSTRACT

The article analyzes the problems of strict control of excitation of synchronous generators, quality indicators of automatic control systems, factors affecting control and their origin, methods of control of synchronous generators, trends, theories, the basic structure of a robust control system.

Ключевые слова: управления, возбуждения, синхронный генератор, качество, математической модель, надежность, устойчивост, распределения, минимизация, колебания, режим.

Keywords: control, excitation, synchronous generator, quality, mathematical model, reliability, stability, distribution, minimization, fluctuations, mode.

Проблемы строгого управления возбуждения синхронных генераторов. Качество систем автоматического управления определяется рядом показателей, которые должны сохранять свои значения при изменении конечных параметров под воздействием различных факторов. Управление реальными объектами усложняется различными неопределенностями, такими как, изменение динамических свойств объекта, неправильным назначением неисправностей, неучтенные задержки и т.д. В результате возникает несоответствие математической модели реальному объекту. Однако простого наличия обратных последовательностей в технических решениях недостаточно, чтобы гарантировать надежность или устойчивость модели в отношении неопределенностей. Если при какой-либо точке настройки, параметры уставки располагаются вокруг этой точки, то тогда можно сказать что параметры системы и сама система робастная[5]. Целью исследования автоматически управляемой параметрической системы с переменными параметрами является оценка и измерение производительности. Она разделяется на два основных направлений для анализе робастной устойчивости системы автоматического управления. Первая тенденция основана на различных матричных неравенствах и теории Ляпуно[10]. Для второй тенденции используется анализ интервальных методов. Оценка степени робастности систем автоматического управления в настоящее время является открытым вопросом. Тем не менее, робастная система оптимального управления широко освещена в литературе, а методы построения линейных элементов управления по сути Гауссовского распределения в случаях внешнего вмешательства линейных последовательностей направлены на минимизацию интегрально-квадратичных критериев. Особый интерес представляет подход, основанный на базовом решении задач минимизации и создании соответствующих надежных средств контроля, несмотря на некоторые недостатки, такая система управления обеспечивает стабильную устойчивость[9][4]. Постановка и обсуждение вопроса управления: Система возбуждения синхронных генераторов иметь большое значение в процессе масштабного энергообмена между станциями. Система является основным средством поддержания устойчивости при низкочастотных динамических и электромеханических колебаниях в различных режимах работы. Существующие обычные регуляторы, автоматические регуляторы привода (с сильным воздействием) АРВ (в СНГ) и системные стабилизаторы мощности PSS (за рубежом) имеют ограниченные возможности регулирования из-за постоянной регулировки параметров. В результате влияния неопределенностей, связанных с различными условиями эксплуатации, возникает проблема построения примерной системы регуляторов, обеспечивающей оптимальную независимость системы от такого регулятора. Теория H∞-управления используется при разработке робастного механизма поля возбуждения[6]. Особенность метода заключается в том, что он позволяет напрямую вводить неопределенности при синтезе регулятора с учетом границ модели контролируемого объекта. Управляющее устройство, генерируемое теорией H∞-управление, имеет динамическую коммуникационную структуру с постоянным параметром, и для ее реализации достаточно пронумеровать параметры управляющих сигналов. Существует два различных подхода к построению робастной схемы возбуждения синхронных генераторов: централизованный и децентрализованный. Первый подход основан на создании единого многопозиционного управления[1][2]. На основе второго подхода создается набор одиночных входов (в соответствии с количеством управляемых выходных переменных) — единый выходной элемент управления, образующий такое же количество дополнительных контуров управления. Второй подход мало изучен. Для практических целей управление синхронными генераторами (СГ) можно ограничить задачей улучшения вибрации СГ в различных режимах работы. В исследовании используются уравнения Парка-Горева для создания математической модели синхронного генератора. Внешнее индуктивное сопротивление энергосистемы X_вн  записывается величинами в относительных единицах (рис. 1.)[7].

Рисунок 1. Функциональная схема системы управления возбуждением синхронного генератора

На функциональной схеме 1 показано подключение дополнительного робастного управления. Традиционное (AРВ) управление возбуждением основано на двух каналах связи. Первый — это канал управления синхронным генератором, второй — канал демпфирования динамических процессов, который адаптирует генератор к энергосистеме. В обычной стабилизации используется обратная связь по частотам отклонения напряжения (∆f,f‘ ) и току возбуждения (I_f ). За рубежом используются (PSS) отклонение мощности (∆P ) и обратная связь по частоте (∆f). Контроль отклонения напряжения ∆U и его произведение (U‘ ) такое же, как контроль изменения напряжения, а также называется законом частичного разряда. В некоторых случаях также называется законном ПИД для отдельной станции. Необходимо построить жесткий контроль на основе существующих выходных параметров, обеспечивающий удовлетворительное затухание динамических процессов на всех небольших участках режима. Сильное робастное управление должно производиться в малом количестве и легко реализовываться. При автоматическом управлении напряжение поддерживается постоянным для эффективного демпфирования параметров частоты и угла мощности. Решение поставленной задачи, учитывая ее специфику (достижение эффективного демпфирования), целесообразно свести к синтезу одномерных (одвовходных — одновыходных) робастных регуляторов. Управляемый объект следует рассматривать как совокупность взаимосвязанных подсистем, равную количеству линейно независимых выходов. Таким образом, СГ + АРВ + СС представляет собой набор взаимосвязанных одномерных подсистем.[8]

Основная структура робастной системы управления синхронными генераторами:

На рисунке 2 показана основная робастная структура управления синхронным генератором.

Рисунок 2. Структура синхронного генератора с робастным регулятором

С точки зрения целей исследования, мы описываем блоки и связи структуры следующим образом. В качестве объекта управления используется традиционная система СГ + АРВ. Система состоит из системы автоматического управления приводом со стабилизатором (обычно АРВ сильного действия), тиристорного преобразователя (ТП), блока передачи данных, блоков, отключающих требуемую переменную. В режиме больших возмущений (одно — трехфазное короткое замыкание) оценивается динамика соответствующих структур. Сегодня СГ + АРВ, является, системой, охватывающей внешнюю народную систему. Для дополнительной стабилизации к системе робастного управления последнее подключается как внешнее кольцо. Цель внешнего кольца – расширить границы статической и динамической стабильности. Выражаясь точнее, можно сказать, увеличить степень (или качества) гашения электромагнитных колебаний и поддержание этого состояния в различных режимах[5][3].

Блоки измерений обрабатывают все параметры управления через фильтры. Количество блоков может достигать до 20 штук. При анализе в основном рассматриваются следующие задачи:

— Современные устройства позволяют проводить измерения в очень короткие промежутки времени.

— В большинстве случаев измерения выполняются с использованием цифровых элементов, и в этом случае наблюдается очень небольшое среднее значение, но инерция не наблюдается. В результате получает робастную систему управления через блоки измерения данных на минимальном уровне. Чтобы еще больше сократить этап работы системы AРВ-СГ, в режиме сокращения можно использовать систему AРВ-СГ или синтезированное робастное устройство управления.

В заключении можно сказать, что все системы управления катушки возбуждения синхронного генератора должны выполнять три функции: структурная схема системно-приводного поля, распределение реактивной мощности технологически параллельных генераторов, зарядка при падении частоты и аналогичные вопросы, защита — ограничение реактивной мощности в соответствии с заданной стагнацией, функции защиты от перегрузки статора. В условиях переходного процесса Гауссового распределение интегрального квадратичного критерия имеет устойчивый характер. При таком управлении выбор матрицы влияет на устойчивость, несмотря на некоторые искажения. H∞-минимизация — это подход к решению проблем, который сводит к минимуму и создает соответствующее надежное управление, что имеет особое значение. Система управления всеми цепями возбуждения синхронных генераторов должна обеспечивать систематические, технологические и защитные функции. Система робастного управления предназначена для выполнения системной функции.  

Список литературы:

1. Andronov A., Vitt A., Khaikin S. Theory of oscillation. Moscow Fizmatgiz 1959, 915p. 181
2. Abdalla O.N., Hassan S.A. Coordinated Stabilization of a Multimachine Power System II IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No. 3, 1984.-pp. 483-544.
3. В. А. Тащилин, “Анализ и выбор параметров стабилизации устройств регулирования возбуждения с использованием методов идентификации: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05. 14.02.” 2018, Accessed: Jul. 09, 2020. [Online]. Available:
4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. — 10-е изд., стер.. — М.: Academia, 2005. — 576 с. — ISBN 5-7695-2311-5. 
5. E. V. E. Online et al., “Adjustment of Active and Reactive Power of Synchronous Generator in Grid-connected Operation,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol. 18, no. 3, pp. 1–122, 2020, doi: 10.1088/1755-1315/440/3/032004.
6. Позняк А., Себряков Г., Семенов А., Федосов Е. Н∞ – теория управления: феномен, достижения, перспективы, открытые проблемы. – М.: Научно-информационный центр, 1990. – 76 с.
7. Папков, Б. В. Электроэнергетические системы и сети. Токи короткого замыкания : учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / Б. В. Папков, В. Ю. Вуколов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2017. — 353 с. — (Серия : Бакалавр и магистр. Академический курс). ISBN 978-5-9916-8148-3
8. Н. Ф. Котеленец, А. В. Богачев, and Е. В. Ежов, “Способ и устройство синхронизации с сетью возбужденного синхронного генератора,” 2012.
9. Справочник по теории вероятностей и математической статистике, Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф., 1985..
10. Юрганов. А.А., Кожевников В.А. Регулирование Возбуждения синхронных генераторов СПБ.: Наука, 1996.- 138 с.

Устройство синхронного генератора переменного тока, принцип работы

Каталог

Бренды

Главная

»

Помощь покупателю

»

Устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – вид энергии, который можно передавать на дальние расстояния, преобразовывать в механическую, тепловую энергию и трансформировать в световое излучение. Электроэнергию получают различными способами – химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим.

Наиболее распространенный способ получения электроэнергии – механический, с использованием генераторов. Именно таким образом получают практически всю электрическую энергию, используемую в бытовых и производственных целях.

Генераторы, иначе называемые «электростанциями», бывают синхронными и асинхронными, одно- и трехфазными. Рассмотрим подробнее устройство и работу трехфазного электрогенератора, который может работать параллельно с другими электрогенераторами или централизованной электрической сетью.

В конструкцию синхронных электрических генераторов входят три основные детали:

• Ротор. Вращающийся элемент. Это биполярный электромагнит постоянного тока. Обмотка ротора соединяется с блоком управления через два щеточных узла.
• Статор. Неподвижный элемент. Витки статорной обмотки равномерно расположены по окружности. В однофазных машинах присутствует одна обмотка, в трехфазных – три, которые соединяются по схемам «звезда», «треугольник» или со сдвигом друг относительно друга на 120°.
• Блок управления.

Статор и ротор изготавливают из пластин электротехнических марок стали, которые хорошо проводят магнитный поток и плохо проводят электрические вихревые токи. Синхронные генераторы, имеющие явно полюсный ротор, используются для тихоходных машин, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту, например установок с гидравлическими турбинами. Синхронные электрогенераторы с не явно полюсными роторами используются для механизмов, вращающихся с высокой скоростью – 1500-3000 об/минуту. Бывают двух- и четырехполюсными.

Основные этапы:

• При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания начинается вращение поля электромагнита.
• В результате вращения магнитного поля в статорной обмотке появляется переменное синусоидальное напряжение – одно- или трехфазное. Значение напряжения генерируемого тока зависит от скорости вращения ротора.
• Изменение электрической нагрузки синхронного генератора меняет механическую нагрузку на валу двигателя внутреннего сгорания. В свою очередь, это изменяет скорость вращения ротора, а значит, изменения величины напряжения и частоты. Избежать таких изменений параметров генерируемого электротока позволяет блок управления, который автоматически регулирует электрические характеристики через обратную связь.

Трехфазный синхронный генератор может работать в режиме генератора или в режиме двигателя. В первом случае в СГ входящей является механическая энергия, а выходящей – электрическая. Во втором случае – входящей является электрическая энергия, а выходящей – механическая.

Разновидности синхронных генераторов

Конкретная область применения определяет, какой вид синхронного генератора купить.

Производители предлагают электрогенераторы:

• Шаговые (импульсные). Применяются для приводов, работающих в режиме старт-стоп, или для устройств постоянного режима работы с импульсным сигналом управления.
• Безредукторы. Используются в автономных системах.
• Бесконтактные. Востребованы в качестве электростанций на речных и морских судах.
• Гистерезисные. Предназначены для установки в счетчиках времени, инерционных электрических приводах, системах автоматизированного руководства.
• Индукторные. Используются для оснащения электрических установок.

Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока

Важная особенность синхронного генератора – возможность синхронизации с другими подобными электрическими машинами. Это свойство позволяет использовать эти машины в промышленной энергетике и при повышении нагрузок в час пик подключать резервные агрегаты.

Трехфазные генераторы применяют на:

• тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
• мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
• гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.

Синхронные трехфазные генераторы могут использоваться в качестве электромоторов с мощностью более 50 кВт. В этом режиме ротор соединяют с источником постоянного тока, а статор подключают к трехфазному кабелю.

В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?

Синхронный генератор переменного тока выбирают в следующих случаях:

• Если предъявляются высокие требования к постоянству параметров напряжения и частоты тока.
• При высокой вероятности перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
• При вероятности перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются потребители как с активной, так и с реактивной мощностью.

Преимущества использования синхронных генераторов

Плюсы трехфазных синхронных генераторов:

• Способность выдерживать перегрузы в электросети, превышающие в три раза номинальное значение, и короткие замыкания.
• Более высокое качество генерируемой электроэнергии, по сравнению с асинхронными генераторами. Поэтому эти электрические машины используются для работы в комплексе с дорогостоящим оборудованием.
• Наличие автоматических регуляторов напряжения, регулирующих выпрямителей, которые защищают оборудование от перегруза и коротких замыканий и способны отключать электроустановки в случае возникновения аварийных ситуаций.

Современные электрические генераторы изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов качества и безопасности.

Инженерный вестник Дона | Оценка возмущений в процессе автоматического регулирования синхронного генератора

Аннотация

М.Ю. Медведев, В.А. Шевченко

Дата поступления статьи: 29.11.2013

Работа посвящена синтезу алгоритма автоматического управления синхронным генератором, являющимся одним из основных элементов энергосистемы и электростанций, в общем. Алгоритм позволяет повысить область устойчивого функционирования системы управления синхронного генератора. Синтезированный алгоритм, за счет интегрированного в него наблюдателя производных, позволяет определять уровень нежелательных возмущений в процессе генерации электроэнергии и корректировать работу генератора. Проведено моделирование указывающее на высокую устойчивость наблюдателя, качество переходных процессов и установившихся режимов работы параметров состояния модели синхронного генератора. Качество оценки наблюдателем сигнала произвольной формы производится с достаточно высокой степенью точности, которая повышается по мере увеличения параметров быстродействия наблюдателя и регулятора.

Ключевые слова:
энергосистема, синхронный генератор, синтез, автоматическое регулирование, наблюдатель, оценка

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

Надежность энергосистем и качество электрической энергии – одни из самых приоритетных задач энергетики. Удорожание электроэнергии и усложнение структуры энергосети, появление новых элементов, которые могут как потреблять, так и генерировать электричество, приводит к необходимости применения новых энергосберегающих технологий, повышающих эффективность и устойчивость энергосистемы. Эти факторы повышают требования к надежности и требуют исключения возможности возникновения технологических нарушений и аварийных ситуаций, а, следовательно, и уменьшения влияние человеческого фактора при управлении системой.

Одним из основных элементов энергосистемы является синхронный генератор. В связи с этим необходимо решать задачу оптимальной работы генератора и построения автоматической системы управления, исключающей или минимизирующий человеческий фактор при его регулировании.В процессе работы синхронного генератора могут возникать внешние возмущения или изменение его параметров. Это приводит к ошибке в процессе автоматического регулирования генератора, и как следствие, может привести к аварийному режиму работы энергосистемы. Для предотвращения этой ситуации возникает необходимость подавления возмущений, их учета в процессе автоматического регулирования. Для этого необходимо оценить возмущения, действующие в каждом канале регулятора.

При описании математической модели синхронного генератора используются переменные в системе координат, которая движется вместе с ротором. Переход к движущимся координатам является общепризнанным, для решения задач такого рода и с упрощает математическое описание модели. Так же будем считать, что синхронная машина работает на систему бесконечной мощности через линию электропередачи, имеющую активное сопротивление r_e и индуктивность L_e, в системе имеется локальная нагрузка, задаваемая активным сопротивлением r_L и индуктивностью L_L.

При общепринятых допущениях о не учете переходных процессов в демпферных обмотках и некоторых других, динамика электромеханических переходных процессов синхронного генератора представляется уравнениями Парка-Горева (в полной модели одномашинной системы). В качестве переменных состояния в этой модели используются токи i_d,i_F,i_q (мгновенные значения), отклонение угла δ и угловая скорость ротора ω. В результате синхронная машина, работающая на систему неограниченной мощности через линию электропередачи, может быть представлена следующими уравнениями [1]:
 (1)                

Здесь ;  — собственные индуктивности обмоток статора по продольной d и поперечной q оси, обмотки возбуждения ротора,  — взаимная индуктивность обмоток статора и ротора,  — активные сопротивления обмоток статора, обмотки возбуждения ротора и линии электропередачи,  — напряжения шины бесконечной мощности (действующее значение) и обмотки возбуждения ротора, k –постоянная Парка, — механическая постоянная времени. Все параметры модели, включая токи, напряжения и время, представлены в относительных единицах.Для определения величины возмущений необходимо синтезировать соответствующие наблюдатели.

Определим уравнение наблюдателя для оценки возмущения, действующего на частоту вращения вала генератора. Учет такого возмущения производится введением возмущения во второе уравнение системы (1):

где  – некоторая функция неизмеряемого возмущения.

Для упрощения процедуры синтеза введем обозначение:

Для синтеза наблюдателя используем процедуры, изложенные в [2 — 4]. В соответствии с указанными процедурами введем макропеременную, отражающую ошибку оценивания:
   (2)                                                   

где  – оценка возмущающего воздействия.

В соответствии с известной процедурой синтеза редуцированных наблюдателей [2 — 4] введем уравнение:
   (3)                                                 

где – произвольная функция, подлежащая определению в процессе синтеза наблюдателя,  – новая переменная.

Для обеспечения асимптотической сходимости оценки потребуем, чтобы ошибка  подчинялась решению уравнения:
  (4)                                                   

Подставив уравнения (2), (4) в уравнение (5), получим:
 (5)          

Если выбрать функцию  так, чтобы уравнение (5) не зависело от не измеряемого вектора , то выражение (5) будет являться асимптотическим наблюдателем.

При этом оценка не измеряемой векторной величины  будет определяться в соответствии с выражением (3).

Таким образом, чтобы правая часть выражения (5) не зависела от не измеряемого возмущения , приравняем все слагаемые, содержащие этот параметр, к нулю. В результате, придем к следующему уравнению и определим :
;      (6)                                  

Подставим уравнение (6) в (5), и выразим вектор новых переменных :
  (7)                                 

Используя уравнения (6) и (7) можем определить уравнение выхода наблюдателя:
  (8)                                                

Для регулирования амплитуды фазного напряжения используем переменную  (напряжение возбуждения), входящую в состав дифференциального уравнения по току iq. Для синтеза наблюдателя будем считать, что в этом уравнение появилось неизмеряемое возмущение:

Введем замену:

Определим уравнение наблюдателя:
  (9)                                    
   (10)       

   Полученные оценки возмущений используются в замкнутой контуре управления, построенном по принципу беспоисковых систем с непрямой адаптацией к возмущениям.

Проведем синтез регулятора частоты. Управляющим воздействием является момент на валу . Зададим уравнение, обеспечивающие асимптотическую устойчивость заданного состояния:
  (11)                                                   

где  – ошибка регулирования, определяется как:
;   (12)                                            

Так как возмущение в  – неизмеряемое, то вместо самого возмущения используется его оценка:
    (13)       

Введем обозначение:
  (14)

Использовав (12), (14), (14) запишем (11) следующим образом:
  (15)                                  

Выразим из (15) :
   (16)   

  Уравнение (16) является искомым уравнением регулирования частоты с наблюдателем.

Проведём синтез регулятора амплитуды фазного напряжения.
 (17)                                                        
    (18)                                                   

В работе [5] фазное напряжение генератора для активной нагрузки задано в виде:
  (19)                                  

Из (18) и (19) следует, что  будет имеет вид:

 Определим производную ошибки регулирования:
  (20)            

Так как в (20) фигурируют производные  и , введем сокращения:
 (21)                
 (22)   

  Подставим (21), (22) с учётом того, что в уравнение производной тока необходимо оценки возмущений:

Введем обозначения:

Тогда (22) принимает вид:
  (23)                                 

Выразим напряжение возбуждения из (39):
     (24)                                                     

Уравнение (24) является вторым искомым уравнением регулятора напряжения с оценкой возмущения.

Таким образом, мы получили систему уравнений автоматического регулирования (уравнения (16), (24)) способного корректировать работу синхронного генератора в зависимости от действующих на него возмущений.

Параметры СГ, работающего на систему бесконечной мощности через линию электропередачи представлены в таблице 1 в относительных единицах (о.е.).

Таблица № 1

Параметры синхронного генератора

Быстродействие наблюдателя определятся параметрами ,, обеспечивающими быстродействие около 0,1 с.

Результаты моделирования при параметрах, представленных в таблице 1, изображены на рис. 1 и 2.

На рис. 1 а и б изображены переходные процессы и установившийся режим угла δ и угловой скорости ω синхронного генератора соответственно. Наблюдается достаточно качественный переходный процесс, без колебательных включений, время переходного процесса около 0.5 с. В установившемся режиме наблюдаются небольшие колебания, обусловленные воздействием гармонических возмущений. Уменьшение этих колебаний может решаться посредствам увеличения быстродействия как регулятора, так и наблюдателя.

На рис. 3 представлены результаты работы синтезированного наблюдателя (7), (8) и (9), (10). Сплошной линией на графике обозначена наблюдаемая функция, пунктирной – оценка этой функции. Результаты подтверждают устойчивость и заданное качество наблюдателя, быстродействие которого теоретически определяется параметром  для частоты, и  для амплитуды фазного напряжения. При этом ошибка оценивания определяется быстродействием синтезированного наблюдателя и скоростью изменения оцениваемого сигнала.

Повышение качества работы системы автоматического управления и синхронного генератора в принципе, может быть достигнуто за счет синтеза в уравнения регулятора наблюдателя возмущений. Это позволит оценивать и компенсировать внешние, параметрические или структурные возмущения, возникающие в процессе работы генератора, что, в свою очередь, повысит устойчивость и надежность энергосистемы. В работе представлен алгоритм синтеза наблюдателя и его интеграции в систему уравнений регулятора автоматического управления.

Проведенное моделирование показало высокую устойчивость наблюдателя, качество переходных процессов и установившихся режимов работы параметров состояния модели синхронного генератора, а качество оценки наблюдателем может быть повышено за счет увеличения параметров быстродействия наблюдателя и регулятора.

Литература:

1. Али З.М. Способы улучшения качества регулирования и устойчивости электротехнических комплексов с генерирующими источниками// Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, Казань, 2010г. – С. 6 – 9.

2. Пшихопов В.Х., Медведев М. Ю. Управление подвижными объектами в определенных и неопределенных средах. М.: Наука, 2011. 350 с. ISBN 978-5-02-037509-3.

3. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Синтез адаптивных систем управления летательными аппаратами // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2010. – № 3(104). – С. 187 – 196.

4. Медведев М.Ю. Алгоритмы адаптивного управления исполнительными приводами. // Мехатроника, автоматизация и управление. 2006, № 6. С. 17 – 22.

5.  Шевченко В.А. Исследование математической модели и синтез системы автоматического регулирования частоты и амплитуды напряжения синхронного генератора электростанции // Материалы Седьмой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. С. 151-157.

6.Medvedev M.Y., Pshikhopov V.Kh., Robust control of nonlinear dynamic systems // Proc. of 2010 IEEE Latin-American Conference on Communications. September 14 – 17, 2010, Bogota, Colombia. ISBN: 978-1-4244-7172-0. – p.72-77.

7.В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев Алгоритмическое обеспечение робастных асимптотических наблюдателей производных [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №2. – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2011/431 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

8.V.A. Shevchenko Development and research of system of automatic control by the synchronous generator // Proceedings of the 26th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS2013). July 16-19, 2013, Guilin, Guangxi, China. Session 30: System operation, control, diagnosis and prognosis. – p.205-213.

9.О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Поляков Математическое описание алгоритма управления топливоподачей дизель-генераторной электростанции переменной скорости вращения [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013, №3, – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1869 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.

10.В. Н. Вариводов, А. Г. Мордкович, Е. И. Остапенко Основные направления создания комплекса оборудования для интеллектуальных электрических сетей// Журнал «Электротехнический рынок» выпуск 2011г. №4. – c.51-56.

Модель одномашинной электрической системы с асинхронизированным синхронным генератором ЭЭ1-АСГ-С-К (стендовое исполнение, компьютеризованная версия)

Навигация:Главная›Для ВУЗов, техникумов и ПУ›Электроэнергетика. Релейная защита. Электроснабжение›Электроэнергетика›Модель одномашинной электрической системы с асинхронизированным синхронным генератором ЭЭ1-АСГ-С-К (стендовое исполнение, компьютеризованная версия)

Обработка пищевых продуктов. ИТАЛИЯ

Химические технологии. EDIBON

Пищевые технологии. EDIBON

Окружающая среда. EDIBON

3D Физика. EDIBON.

Энергия. EDIBON

Механика и материалы. EDIBON

Гидромеханика и аэродинамика. EDIBON

Термодинамика и термотехника. EDIBON.

Оборудование PHYWE (Германия)

Гидромеханика

Обучающие тренажеры по системам самолетов и кораблей

Конструкции. Архитектура

Испытания материалов

Аэродинамика

Строительные учебные 3D принтеры

Лаборатории National Instruments

Автоматика. Автоматизация и управление производством

Автомобили и автомобильное хозяйство

Альтернативные и возобновляемые источники энергии

Аэрокосмическая техника

Безопасность жизнедеятельности. Защита в чрезвычайных ситуациях

Военная техника.

Вычислительная и микропроцессорная техника. Схемотехника

Газовая динамика. Пневмоприводы и пневмоавтоматика.

Газовое хозяйство

Гидропневмоавтоматика и приводы

Детали машин

ЖД

Информатика

Источники напряжения, тока и сигналов. Измерительные приборы

Легкая промышленность. Оборудование и технологии общественного питания.

Медицина. Биоинженерия

Метрология. Технические и электрические измерения

Механика жидкости и газа

Микроскопы

Научное и лабораторное исследовательское оборудование

Начертательная геометрия

Нефть, газ.

Оборудование для мастерских электромонтажа и наладки, производственных практик и технического творчества

Прикладная механика

Радиотехника. Телекоммуникации. Сети ЭВМ

Радиоэлектронная аппаратура и бытовая техника

Робототехника и мехатроника

Сельскохозяйственная техника. Контроль качества сельхозпродуктов

Силовая электроника. Преобразовательная техника

Сопротивление материалов

Симуляторы печатных машин

Станки и прессы с компьютерными системами ЧПУ. CAD/CAM-технологии

Теоретическая механика

Строительство. Строительные машины и технологии

Теория механизмов и машин

Теплотехника. Термодинамика

Технология машиностроения. Обработка материалов

Учебные наглядные пособия

Физика

Химия

Экология

Электрические машины. Электропривод

Электромеханика

Электромонтаж

Электроника и микроэлектроника

Электротехника и основы электроники

Электроэнергетика. Релейная защита. Электроснабжение

• Лаборатория Энергетики Tecquipment (Великобритания)
• Энергетика Tecquipment
• Комплекты типового лабораторного оборудования
• Лабораторные комплексы
• Электроэнергетика
• Электроснабжение
• Светотехника
• Энерго- и ресурсосберегающие технологии
• Электроэнергетические системы
• Релейная защита и автоматика
• Демонстрационные комплексы группового пользования «Электроэнергетика»
• Нетрадиционная электроэнергетика
• Разное

Энерго- и ресурсосберегающие технологии

Энергоаудит

Производство

Учебное оборудование от Edibon

Способ управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в асинхронных генераторах, работающих параллельно с сетью или синхронным генератором. Техническим результатом является повышение энергетических показателей. В способе управления статорную обмотку асинхронного генератора, приводимого ветро-, гидро- или тепловым двигателем, соединяют параллельно с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, который посредством регулирования коэффициента трансформации трансформатора поддерживает напряжение на статоре асинхронного генератора в пределах (93-100)% от номинального напряжения в функции активной мощности асинхронного генератора. Коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора регулируют с помощью переключения отпаек на первичной обмотке оптоэлектронными реле переменного тока, которые переключаются в функции активной мощности асинхронного генератора. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Предлагаемый способ управления асинхронным генератором и устройство для его осуществления относятся к электротехнике и могут быть использованы для повышения энергетических показателей асинхронных генераторов, работающих параллельно с сетью или синхронным генератором. В качестве приводного двигателя может применяться ветро-, гидро- или тепловой двигатель.

Общеизвестно, что асинхронная машина может работать в тормозном режиме с отдачей энергии в сеть — генераторный режим работы параллельно с сетью (Чиликин М.Г. Общий курс электропривода / М.Г.Чиликин, А.С.Сандлер // Учебник для вузов. — М.: Энергоиздат, 1981. — Стр.82).

Известный способ работы асинхронной машины параллельно с сетью реализуется в том случае, когда асинхронная машина обмоткой статора непосредственно подключена к сети, а приводным двигателем ее вал (ротор) вращается со скоростью (частотой), большей синхронной частоты вращения магнитного поля. В этом случае асинхронная машина потребляет реактивный ток намагничивания и переводится из двигательного режима работы в режим асинхронного генератора с рекуперацией активной мощности в сеть. При этом частота тока асинхронного генератора определяется частотой сети, к которой подключена асинхронная машина, и поддерживается за счет изменения величины скольжения.

Недостатком такого способа управления является зависимость тока намагничивания асинхронного генератора от величины напряжения в сети, различная величина скольжения, коэффициента мощности и различные потери в обмотках ротора, которые пропорциональны скольжению и снижают энергетические показатели.

Известен способ управления асинхронным генератором переводом асинхронной машины из двигательного режима в генераторный, когда для повышения коэффициента мощности сети параллельно с сетью и асинхронным генератором подключают конденсаторы (Вольдек А.И. Электрические машины / А.И.Вольдек // Учебник для вузов. — Л.: Энергия, 1978. — Стр.587-588). Недостаток такого способа управления заключается в том, что дополнительные конденсаторы увеличивают стоимость и массогабаритные показатели, но не стабилизируют напряжение. В зависимости от нагрузки напряжение сети изменяется, изменятся реактивный ток намагничивания, а это, в конечном счете, отрицательно влияет на энергетические показатели асинхронного генератора.

Известна схема включения асинхронной машины для генераторного режима работы (Вольдек А.И. Электрические машины / А.И.Вольдек // Учебник для вузов. — Л.: Энергия, 1978. — Рис.29-6 на странице 588). В этой схеме асинхронный генератор, работающий параллельно с сетью, потребляет из нее реактивный ток. Этот ток создает в генераторе магнитное поле, а активный ток и активная мощность отдаются в сеть и потребляются местным потребителем или другим, включенным в любом другом месте сети.

Недостаток этой схемы состоит в том, что в зависимости от напряжения в сети будет изменяться ток намагничивания (реактивный ток). Поэтому для повышения коэффициента мощности применяются дополнительные конденсаторы. В зависимости от уровня напряжения в сети для загрузки генератора необходимо увеличивать скорость (частоту) вращения приводного двигателя. При этом возрастает скольжение, и пропорционально ему увеличиваются потери в роторной цепи асинхронного генератора. Особенно это проявляется в случае работы с сетью ограниченной мощности, например, параллельно с автономным синхронным генератором.

Наиболее близким по техническому решению является газотурбогенератор (Пат. №2151971 РФ, МПК F25B 11/00. Газотурбогенератор — №97118075/06; заявл. 30.10.97; опубл. 27.06.00, бюл. №18. — 6 с.: ил.). Известный газотурбогенератор, служащий преимущественно для утилизации избыточной энергии газа, содержит в качестве приводного двигателя турбину, а в качестве электрической машины использована асинхронная машина в генераторном режиме с рекуперацией энергии в питающую сеть. Причем асинхронный генератор статорной обмоткой соединен непосредственно с сетью переменного тока.

Теоретически, скорость вращения асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться от синхронной скорости вращения магнитного поля до бесконечности. В действительности высокие скорости не используются по условиям ограничения потерь и сохранения высокого КПД. Реально скорость может изменяться на 15…20%, в пределах до критического скольжения.

Общим недостатком для всех известных способов и устройств является то, что намагничивающий (реактивный) ток зависит от напряжения в сети. Увеличение напряжения приводит к увеличению намагничивающего тока и снижению коэффициента мощности и КПД. Снижение напряжения приводит к уменьшению намагничивающего тока, момента, КПД и активной мощности отдаваемой в сеть. В этом случае для загрузки асинхронного генератора активной мощностью необходимо увеличивать скорость вращения приводного двигателя. В случае, когда приводным двигателем является ветро-, гидро- или тепловой двигатель, изменение скорости вращения сопряжено с определенными трудностями. С другой стороны, увеличение скорости вращения ротора асинхронного генератора приводит к увеличению скольжения, потерь и снижению энергетических показателей.

Техническим решением задачи является повышение энергетических показателей (коэффициента мощности и КПД) при незначительном изменении скольжения асинхронного генератора при параллельной работе с сетью.

Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом способе управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью путем перевода асинхронной машины из двигательного режима в режим асинхронного генератора увеличением частоты вращения приводного двигателя, согласно изобретению, асинхронный генератор статорной обмоткой соединяют параллельно с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, который посредством регулирования коэффициента трансформации трансформатора поддерживает напряжение на статоре асинхронного генератора в пределах (93-100)% от номинального напряжения в функции активной мощности асинхронного генератора.

Способ реализуется с помощью устройства, содержащего асинхронную машину, стационарную или автономную сеть, приводной двигатель, переводящий асинхронную машину в режим асинхронного генератора увеличением частоты вращения приводного двигателя, согласно изобретению, асинхронный генератор статорной обмоткой соединен с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого имеют отпайки, соединенные в нулевую точку через оптоэлектронные реле переменного тока, например, типа 5П36.3ТМА1 с контролем перехода напряжения через ноль и имеющие входы, соединенные с выходами устройства управления с аналого-цифровым преобразователем, преобразующим сигналы датчиков активной мощности, расположенных на выходе асинхронного генератора, в сигналы управления оптоэлектронных реле.

Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что в заявляемом способе управления асинхронный генератор статорной обмоткой соединяют параллельно с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, который посредством регулирования коэффициента трансформации трансформатора поддерживает напряжение на статоре асинхронного генератора в пределах (93-100)% от номинального напряжения в функции активной мощности асинхронного генератора. Коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора регулируют с помощью переключения отпаек на первичной обмотке оптоэлектронными реле переменного тока, которые переключаются в функции активной мощности асинхронного генератора.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку оно работоспособно и предлагается его использование в промышленности.

Для проверки способа управления асинхронным генератором в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода КубГАУ изготовили специальный стенд, состоящий из двух двигателей и аппаратуры управления. Исследуемый асинхронный двигатель 4A100L2Y3 (Р_H=5,5 кВт, n₀=3000 об/мин, η₀=87,5%, cos (φ=0,9) и двигатель постоянного тока (ДПТ) типа 2ПН132МУХЛ4 (Р_H=10,5 кВт, U_H=220 В, n_H=2500-3500 об/мин) соединили «вал» в «вал» через эластичную муфту и закрепили на основании стенда. Частота вращения приводного ДПТ регулируется изменением напряжения на якоре ДПТ источником постоянного тока необходимой мощности.

Проверка способа управления асинхронным генератором осуществляется следующим образом. Исследуемый асинхронный двигатель включили в сеть через регулируемый трехфазный автотрансформатор. На обмотке статора исследуемого асинхронного двигателя устанавливали фиксированное линейное напряжение: 355, 360, 365, 380, 385, 390 В. При каждом значении фиксированного напряжения на статоре приводным двигателем постоянного тока повышали частоту вращения исследуемого асинхронного двигателя, переводя его из режима двигателя в режим асинхронного генератора.

Частота вращения контролировалась бесконтактным тахометром типа VICTOR DM623P+, а электрические параметры записывались анализатором сети — CIRCUTOR AR5. Некоторые данные эксперимента приведены в таблице 1. По этим данным построены графики на фиг.1 и 2.

Фиг.1 — зависимость отдаваемой активной мощности в сеть асинхронным генератором от частоты вращения ротора при разном линейном напряжении на статоре (1-U₁=355 В, 2-U₂=360 В, 3-U₃=365 В, 4-U₄=380 В, 5-U₅=385 В, 6-U₆=390 В). Фиг.2 — зависимость cosφ от отдаваемой мощности в сеть генератором при разном линейном напряжении на статоре (1-U₁=355 В, 2-U₂=360 В, 3-U₃=365 В, 4-U₄=380 В, 5-U₅=385 В, 6-U₆=390 В).

Из графиков видно, что при увеличении напряжения на статоре коэффициент мощности снижается, следовательно, выбрав оптимальное значение напряжения на статоре асинхронного генератора и изменяя коэффициент трансформации, можно поддерживать оптимальный коэффициент мощности для данного асинхронного генератора при изменении частоты вращения приводного двигателя.

С другой стороны, при реализации заявляемого способа управления асинхронным генератором устанавливаем постоянную частоту вращения приводным двигателем, например, 1540×2=3180 об/мин (см. фиг.1, характеристики 1-6). Изменяем коэффициент трансформации от характеристики 1 до характеристики 6. На выходе асинхронного генератора получаем различную мощность, отдаваемую в сеть от 3800 до 6600 Вт.

Включив датчик активной мощности и настроив его, например, на 5500 Вт (номинальная мощность асинхронного генератора), мы ограничим увеличение коэффициента трансформации, ограничим снижение энергетических показателей и, в конечном счете, защитим генератор от перегрузки.

Сущность изобретения реализующего способ управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью поясняет схема функциональная на фиг.3. Асинхронный генератор 1 с приводным двигателем 2, статорной обмоткой 3 через вторичные обмотки 4 трансформатора 5 соединен с сетью 6, первичные обмотки 7 трансформатора 5 имеют отпайки 8 и 9, которые соединяются в нулевую точку 10 через оптоэлектронные реле переменного тока 11 и 12, имеющие входы 14 и 15, соединенные с выходами 16 и 17 аналого-цифрового преобразователя 18, преобразующего аналоговый сигнал от датчика активной мощности 19 в дискретный сигнал управления оптоэлектронными реле переменного тока, например, типа 5П36. 3ТМА1 или аналогичное с контролем перехода напряжения через ноль.

Устройство для реализации способа работает следующим образом. При увеличении скорости (частоты) вращения приводного двигателя 2 асинхронный генератор 1 переходит в режим работы параллельно с сетью.

В это время устройство управления 18 с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и распределителем импульсов подает управляющий сигнал на вход 15 оптоэлектронного реле 12 с рабочими симисторами 13. Последние открываются в момент перехода синусоиды через ноль и замыкают отпайки 8 вольтодобавочного трансформатора 5 в нулевую точку 10, тем самым уменьшая коэффициент трансформации трансформатора 5 до минимального уровня.

При этом на выходе обмотки 4 вольтодобавочного трансформатора и в сети 6 напряжение будет максимальным, и от асинхронного генератора 1 в сеть 6 будет поступать активная максимальная мощность.

Если активная мощность АГ 1 превысит допустимую (установленную для конкретного АГ), то от датчиков активной мощности 19 увеличивается сигнал, который обрабатывается устройством управления 18. Устройство управления отключает сигнал управления с выхода 15 оптоэлектронного реле 12 и его симисторные ключи 13 отключают отпайки 8 от нулевой точки 10.

Одновременно устройство управления 18 подает сигнал на вход 14 другого оптоэлектронного реле 11 с аналогичными 13 симисторными ключами. Реле 11 соединяет отпайки 9 с нулевой точкой 10 и вольтодобавочный трансформатор 5 увеличивает коэффициент трансформации. На статорной обмотке 3 асинхронного генератора на выходе обмотки 4 и сети 6 снижается напряжение, асинхронный генератор 1 уменьшает передачу активной мощности.

Процесс переключения отпаек 8 и 9 и изменение коэффициента трансформации вольтодобавочного трансформатора 5 происходят при изменении напряжения сети 6, вызванного внешними воздействиями, или при изменении скорости (частоты) вращения приводного двигателя 2.

Достоинство предлагаемого способа управления асинхронным генератором и устройства для его осуществления заключается в следующем.

1. Асинхронный генератор работает при оптимальном значении напряжения на статоре. В этом случае его энергетические характеристики отвечают номинальным значениям, предусмотренным заводом изготовителем.

2. Вольтодобавочный трансформатор активную мощность передает только вторичной обмоткой, поэтому его мощность и габариты минимальны.

3. Изменение коэффициента трансформации происходит при переходе синусоиды через ноль, поэтому исключены помехи и коммутационные перенапряжения.

4. Изменение коэффициента трансформации позволяет регулировать загрузку генератора при постоянной частоте вращения приводного двигателя или при их небольших изменениях, причем количество отпаек для регулирования коэффициента трансформации определяется точностью регулирования.

5. Такой способ управления асинхронным генератором может использоваться с приводным ветро-, гидро- или тепловым двигателем.

1. Способ управления асинхронным генератором при параллельной работе с сетью путем перевода асинхронной машины из двигательного режима в режим асинхронного генератора увеличением частоты вращения приводного двигателя, отличающийся тем, что асинхронный генератор статорной обмоткой соединяют параллельно с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, который посредством регулирования коэффициента трансформации трансформатора поддерживает напряжение на статоре асинхронного генератора в пределах (93-100)% от номинального напряжения в функции активной мощности асинхронного генератора.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее асинхронную машину, стационарную или автономную сеть, приводной двигатель, переводящий асинхронную машину в режим асинхронного генератора увеличением частоты вращения приводного двигателя, отличающееся тем, что асинхронный генератор статорной обмоткой соединен с сетью через вторичные обмотки вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого имеют отпайки, соединенные в нулевую точку через оптоэлектронные реле переменного тока, например, типа 5П36.3ТМА1 с контролем перехода напряжения через ноль и имеющие входы, соединенные с выходами устройства управления с аналого-цифровым преобразователем, преобразующим сигналы датчиков активной мощности, расположенных на выходе асинхронного генератора, в сигналы управления оптоэлектронных реле.

Система управления напряжением генератора на базе нечеткой логики

Кияшко Алексей Валериевич¹, Македонов Евгений Андреевич¹, Мола Богдан Георгий^1
1Южный федеральный университет, Инженерно-технологическая академия, магистрант

Аннотация
Выбран тип генератора. Представлена база правил нечеткого регулятора с применением алгоритма Мамдани с помощью пакета Fuzzy Logic Toolbox MATLAB. Получены графики работы системы с регулятором и без него в пакете Simulink MATLAB. Сделаны выводы по результатам работы.

Ключевые слова: дизель, нечеткая логика, нечеткий регулятор, объект управления, регулирование напряжения, синхронный генератор

Kiyashko Aleksey Valerievich¹, Makedonov Evgeniy Andreevich¹, Mola Bogdan Georgiy^1
1Southern Federal University, Engineering and Technology Academy, Undergraduate

Abstract
It is set the type of generator. It is represented the rule base of fuzzy controller using the Mamdani algorithm via Fuzzy Logic Toolbox MATLAB. It is obtained diagrams of fuzzy controller work and without it via Simulink MATLAB. It is make conclusions of results.

Keywords: diesel, fuzzy control, fuzzy logic, object management, synchronous generator, voltage regulation

Библиографическая ссылка на статью:
Кияшко А. В., Македонов Е.А., Мола Богдан Г. Система управления напряжением генератора на базе нечеткой логики // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 5. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/05/53577 (дата обращения: 14.09.2022).

Современные морские суда характеризуются высокой степенью электрификации. Одна из основных тенденций развития судовой электроэнергетики – постоянный рост мощностей судовых электростанций и установленного электрооборудования. Средняя мощность электростанций морских судов удваивается каждые 20 лет. Мощность судовых электроэнергетических установок в настоящее время достигает десятков тысяч киловатт [1].

Процесс производства и передачи электроэнергии является столь динамичным и постоянно подверженным случайным возмущающим воздействиям, что без автоматического управления его функционирование невозможно. Такие параметры судовой электростанции, как напряжение, мощность и частота подвержены изменениям со стороны как внешних, так и внутренних воздействий, характеризующихся свойствами и характеристиками системы и ее компонентов, а также условиями окружающей среды.

В данной работе произведен выбор генератора. Наиболее распространенные типы генераторов: синхронный и асинхронный. Они имеют различия в конструкции, принципе работы, габаритах и т. д.

В качестве источников механической энергии применяются двигатели и турбины. Система, состоящая из первичного двигателя и генератора называется генераторным агрегатом (ГА).

Конструктивные особенности ГА составляют зависимость между параметрами первичного двигателя и генератора. Например, вал двигателя сопряжен с валом генератора. Таким образом, момент вращения вала двигателя определяет угол поворота вала генератора, что является наиболее важным критерием величины вырабатываемой генератором электроэнергии и устойчивости его работы.

Для управления значением напряжения и частоты вращения используют системы автоматического управления (САУ), которые различаются по принципу работы, точности и быстродействию. Однако любая САУ генератора и двигателя должна, в первую очередь, отрабатывать возмущения, которые оказывают влияние на напряжение и реактивную мощность.

Стоит иметь в виду, что семейство возмущающих воздействий достаточно велико. Помимо изменения или подключения нагрузки могут возникать рассогласования в работе генератора и выпадение его из синхронизма при параллельном подключении, некорректная работа системы возбуждения. Система возбуждения должна поддерживать параметры генератора в требуемых пределах. Огромное влияние на нормальную работу энергетической системы оказывает частота, которая также определяет значение напряжения сети.

Выработка электроэнергии зависит от тока питания, напряжения возбуждения и частоты вращения. Поэтому двигатель должен имеет соответствующее обслуживание для обеспечения генератора необходимой механической энергией.

В качестве объекта управления (ОУ) в статье выступает синхронный генератор переменного тока. Учтем, что частота вращения вала генератора от двигателя постоянна за счет функционирования САУ двигателем.

Выбранный тип генератора – синхронный, двигателя – дизель. Данные типы устройств выбраны с учетом их преимуществ по сравнению с другими типами семейств. Например, синхронный генератор обладает меньшими габаритами, шумом, простой, чем асинхронный. В свою очередь, дизель имеет больший КПД при соответствующем потреблении топлива, по сравнению с турбинами.

Рассмотрим математическую модель синхронного генератора. Можно сказать, что исследования, связанные с моделированием состоят из трех этапов работы [2]: построение модели; исследование ее поведения; оценка результатов исследований.

Схема замещения синхронной машины в системе координат связанной с ротором (q-d оси), использованная при создании модели, показана на рис. 1 [3].

Рисунок 1 – Схема замещения синхронной машины

Все параметры ротора и его переменные приведены к статору. Индексы переменных и параметров обозначают следующее: d, q – проекции переменных на оси d и q; R, s – параметры ротора и статора; l, m – индуктивности рассеяния и цепи намагничивания; f, k – переменные цепи возбуждения и демпферной обмотки.

Приведенная на рис. 2 схема замещения описывается системой дифференциальных уравнений 6-го порядка [3]:

САУ включают в себя регуляторы или интеллектуальные регуляторы. Интеллектуальные регуляторы начали внедряться относительно недавно. Управление на базе нечеткой логики позволяет сформировать алгоритм, воспроизводящий действия инженера на основе накопленного опыта.

На рис. 2 представлена общая схема нечеткого регулятора. Нечеткий регулятор содержит три основных части: блок фаззификации, базу правил, блок дефаззификации [4].

Рисунок 2 – Структурная схема нечеткого регулятора

Нечеткая логика использует лингвистические переменные вместо числовых переменных. В системе управления в закрытом контуре, ошибка между опорным и выходным напряжением и скорость изменения ошибки можно обозначить как близкая к нулю (ZE), положительная небольшая (PS), отрицательная небольшая и т.д. (табл. 1)[5].

Таблица 1 – Основные термы лингвистических переменных

Лингвистическая переменная “Напряжение”: NL – напряжение отрицательное большое; NM – напряжение отрицательное среднее; NS – напряжение отрицательное малое; ZE – напряжение близко к нулю; PS – напряжение положительное малое; PM – напряжение положительное среднее; PL – напряжение положительное большое.

Лингвистическая переменная “Скорость изменения напряжения”: NL – скорость изменения напряжения отрицательное большое; NM – скорость изменения напряжения отрицательное среднее; NS – скорость изменения напряжения отрицательное малое; ZE – скорость изменения напряжения близко к нулю; PS – скорость изменения напряжения положительное малое; PM – скорость изменения напряжения положительное среднее; PL – скорость изменения напряжения положительное большое.

Лингвистическая переменная “Ток поля”: NL – ток поля отрицательное большое; NM – ток поля отрицательное среднее; NS – ток поля отрицательное малое; ZE – ток поля близко к нулю; PS – ток поля положительное малое; PM – ток поля положительное среднее; PL – ток поля положительное большое.

На рис. 3 приведены функции принадлежности. Данные функции принадлежности построены в пакете Fuzzy Logic Toolbox программы MATLAB.

а)

б)

в)

Рисунок 3 – Функции принадлежности “Напряжение” (а), “Скорость изменения напряжения” (б), “Ток поля” (в)

Входы преобразованы в данные функции принадлежности. Принадлежность может принимать значение от нуля до единицы для каждого лингвистического терма.

В этой статье используется метод Мамдани. Семь функций принадлежности были использованы для приведения к 49 правилам в базу правил (табл. 2).

Таблица 2. База правил

Собрана модель синхронного генератора с нагрузкой, системой возбуждения и регуляторами в пакете Simulink MATLAB. В качестве источника мощности генератора принят дизель. Моделирование проведено с использованием нечеткого регулятора и без него (рис. 4).

а)

б)

Рисунок 4 – Модели энергетической системы без нечеткого регулятора (а) и с нечетким регулятором (б)

Первая модель содержит регулятор на базе выпрямителя и RC-цепи. Вторая имеет тот же регулятор в контуре по возмущению, а в контуре по отклонению – нечеткий регулятор, который выпрямляет напряжение до требуемого значения путем изменения тока поля.

Результаты моделирования показаны на рис. 5.

а)

б)

Рисунок 5 – Результаты моделирования без нечеткого регулятора (а) и с нечетким регулятором (б)

На графике (а) видно, что выпрямитель отрабатывает влияние нагрузки, и амплитуда напряжения достигает 400 В, что является номинальным значением в исходной энергетической системе. Однако перерегулирование переходного процесса не удовлетворяет условию устойчивости системы, что не позволяет обеспечивать нормальный режим работы системы.

На графике (б) перерегулирование минимально благодаря нечеткой логике. Амплитуда напряжения при этом близка к номинальному значению.

В ходе исследований разработана модель с системой регулирования напряжением сети при подключенной нагрузке. Система промоделирована с нечетким регулятором и без него.

Таким образом, результаты моделирования показали, что нечеткий регулятор способен отрабатывать возмущения в системе благодаря широким возможностям управления и может использоваться как основной или дополнительный контур регулирования параметров энергетической системы.

Библиографический список

1. Хайдуков, О. П. Эксплуатация электроэнергетических систем морских судов / О. П. Хайдуков, А. Н. Дмитриев, Г. Н. Запрожцев // Издательство “Транспорт”. – 1988. – 223 с.
2. Zeljko, S. Synchronous generator modeling using Matlab / S. Zeljko, M. Vedrana, K. Vedrana, J. Vedrana // Department of Electromechanical Engineering, Faculty of Electrical Engineering, University of Osijek, Croatia. – 6 p.
3. Niketa, N Design and modeling of fuzzy logic based voltage controller for an alternator / Niketa N, Shantharama Rai. C // International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE). – 2013. – Vol. 2. – № 2. – Pp. 155-158.
4. LaMeres, Brock J. Design and implementation of a fuzzy logic-based voltage controller for voltage regulation of a synchronous generator / Brock J. LaMeres // Montana State University. – 9 p.
5. Соловьев, В. В. Моделирование нечетких систем управления / В. В. Соловьев, В. В. Шадрина // Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. – 2010. -125 с.

Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Македонов Евгений Андреевич»

Имитация синхронного генератора и динамическое распределение мощности для распределенных систем производства электроэнергии Кризис и экологические проблемы.

Однако, когда уровень проникновения возобновляемых источников энергии высок, эквивалентная инерция вращения сети становится низкой (Blaabjerg et al., 2017). DPGS с низкой инерцией, которая также известна как слабая сеть, может привести к плохой характеристике напряжения и частоты во время сильных возмущений (Xiao et al., 2021a).

Вообще есть два способа решить эту проблему. Одна из них заключается в установке в ДПГ большого количества аккумуляторных батарей, что нецелесообразно с учетом высокой стоимости строительства. Другим решением является разработка нового метода управления, который может увеличить инерцию сети или сделать так, чтобы интерфейсный преобразователь источника напряжения (VSC) участвовал в регулировании напряжения и частоты сети (Ashabani and Mohamed, 2014a). Эта статья будет искать решение от последнего.

В традиционной системе управления VSC используется метод развязки оси dq. То есть активная мощность регулируется путем регулирования составляющей тока по оси d, тогда как реактивная мощность регулируется путем регулирования составляющей тока по оси q. Таким образом, активная мощность и реактивная мощность могут регулироваться независимо. Текущие исследования показали, что широко используемый контроллер вектора тока для систем постоянного тока высокого напряжения (HVDC) на основе VSC неприменим, когда система переменного тока очень слабая (Zhang et al., 2011a; Zhou and Gole, 2012; Hu et al. , 2019). Когда система переменного тока слабая (коэффициент короткого замыкания мал), ось d и ось q тока больше не связаны. Активная мощность и реактивная мощность не могут регулироваться независимо друг от друга. Следовательно, в слабой системе переменного тока нарушается характеристика развязки по оси dq регулятора вектора тока, что может привести к нестабильности системы (Zhang et al., 2011b).

Чтобы преодолеть указанное выше ограничение, для станции VSC обычно применяется метод обычного управления статизмом (CDC) (Chandorkar et al., 19).93; Коэльо и др., 1999; Сяо и др., 2022). В методе CDC частота и амплитуда выходного напряжения прямо пропорциональны активной и реактивной мощности передачи в реальном времени. Но у этого метода есть серьезные недостатки. Важными среди них являются постоянное смещение частоты из-за изменения мощности, неточное распределение мощности и отсутствие вклада в инерцию системы (Mohamed and El-Saadany, 2008), (Ashabani et al., 2015).

Другим методом управления VSC, подключенным к слабой сети или изолированной системе, является управление виртуальным синхронным генератором (VSG), который управляет VSC аналогично синхронному генератору (SG) (Beck and Hesse, 2007–2007). На сегодняшний день существует множество моделей VSG (Zhang et al., 2010; Zhong and Weiss, 2011; Zhong et al., 2014; Ashabani and Mohamed, 2014b; Guan et al., 2015). Один из них представлен в (Zhong and Weiss, 2011), с которым хорошо имитируются характеристики SG. Но дополнительный контур управления усложняет схему управления, а также в этой модели отсутствует возможность ограничения тока. Другая модель VSG, хорошо известная как управление синхронизацией мощности, предложена в (Zhang et al., 2010). Эта модель успешно используется для питания слабой сети и обеспечивает хорошие характеристики. Но вторичное регулирование частоты в этой модели не реализовано, что приведет к смещению частоты. Простая и практичная модель VSG реализована в (Guan et al., 2015). Вторичная регулировка частоты также достигается. Но возбудитель СГ не эмулируется, а значит реактивная мощность не может точно регулироваться.

Для точного управления мощностью и оптимизации распределения мощности между распределенными генераторами (DG) обычно активируются контроллеры более высокого уровня (вторичные или третичные контроллеры). В целом контроллер можно разделить на две категории: централизованный и децентрализованный (Xin et al., 2015; Olivares et al., 2014; Xiao et al., 2021b). В децентрализованной системе каждый РГ контролируется своим локальным контроллером, и новые РГ могут быть легко подключены к сети (Xin et al., 2013). Однако децентрализованному контроллеру сложно управлять работой DPGS, требующей высокого уровня координации (Olivares et al. , 2014). Поэтому в ГРЭС с сильной связью между ДГ необходимы централизованные контроллеры, содержащие систему связи. Метод разделения мощности со связью представлен в (Liang et al., 2013) для точного управления реактивной мощностью. Но смещение частоты не устраняется, а также стабильность системы очень чувствительна к задержкам связи (Kahrobaeian and Ibrahim Mohamed, 2015).

В связи с вышеупомянутыми причинами в этой статье предлагается улучшенный контроль и новое разделение мощности для DPGS. В этой схеме управления каждый DG использует новый метод управления, называемый имитационным управлением синхронным генератором (SGIC). Новый SGIC состоит из трех контуров, включая контур активной мощности и частоты (контур Pf ), контур реактивной мощности и напряжения (контур QU ), а также внутренний контур тока. Новизна и вклад этой статьи резюмируются следующим образом:

1) В этой статье предлагается усовершенствованный метод управления, называемый имитационным управлением синхронным генератором. С помощью предлагаемого управления VSC может имитировать поведение синхронного генератора, чтобы несколько VSC могли стабильно работать в слабой сети переменного тока или изолированной системе, а также обеспечивать поддержку частоты и напряжения для энергосистем.

2) Также предлагается динамическое управление разделением мощности для DPGS. При таком разделении мощности эталонные значения активной и реактивной мощности регулируются динамически, а не являются постоянными. В результате мощность может распределяться точно; смещение частоты может быть устранено; и стабильность системы может быть улучшена.

Этот документ организован следующим образом. Имитационный контроль синхронного генератора VSC Раздел представляет принцип метода SGIC. Динамическое распределение мощности для DGPS представлено в разделе Dynamic Power Sharing for DPGS . Модель слабого сигнала DGPS с несколькими DG построена, и характеристики устойчивости анализируются в разделе Анализ слабого сигнала для DPGS с предлагаемой схемой управления . Практический пример Раздел показывает результаты моделирования системы в различных условиях эксплуатации. Наконец, Заключение Раздел завершает статью.

Синхронный генератор, имитация управления ВСК

Благодаря высокому уровню проникновения возобновляемой энергии в энергосистему эквивалентная инерция вращения сети резко снижается. Будет очень полезно, если станции VSC смогут увеличить инерцию сети так же, как SG. Таким образом, станции VSC также могут обеспечивать поддержку частоты и напряжения для местной сети. В этом разделе представлен метод SGIC, включая внутреннюю токовую петлю, петлю Pf и петлю QU.

Внутренняя токовая петля

Эквивалентная схема VSC, подключенная к системе переменного тока, показана на рисунке 1. Согласно математической модели VSC в (Xu et al., 2005; Honglin Zhou et al., 2011; Xiao et al., 2015), уравнения, описывающие динамические характеристики ВСК, можно переписать в виде sj ( j = a,b,c) обозначает напряжение сети фазы и . u _vj и i _vj представляют выходное напряжение и ток VSC соответственно. R и L — сопротивление и индуктивность стыковочного реактора (Xiao et al., 2015). Из уравнения 1 видно, что выходным током VSC i _vj можно управлять, регулируя выходное напряжение u _vj . В 9

РИСУНОК 1 . Однофазная эквивалентная схема VSC, подключенная к системе переменного тока.

где, ω – угловая частота электросети. Согласно уравнению 2 внутренняя токовая петля построена на рис. 2. Следует отметить, что внутренняя токовая петля может обеспечивать регулирование тока и ограничивать амплитуду тока при КЗ и переходных процессах.

РИСУНОК 2 . Общая схема управления предлагаемым методом SGIC.

Контур активной мощности и частоты

Эффект инерции ПГ в основном отражается на движении ротора. Когда существует дисбаланс между механической и электромагнитной мощностью или крутящим моментом, чистая мощность или крутящий момент будут изменять угловую скорость ротора. Инерция СГ напрямую влияет на угловое ускорение. Уравнение движения, представляющее этот процесс, широко известно как уравнение качания (Кундру, 19).93)

Jd(ω∗−ω0)dt=P0−P−D(ω∗−ω0)(3)

где P ₀ – механическая мощность для СГ или эталонная активная мощность для VSC в этой статье. P — электромагнитная мощность для SG или выходная мощность передачи для VSC. J — коэффициент инерции, а D — коэффициент демпфирования. ω ₀ – номинальная угловая частота электросети.

Применение преобразования Лапласа к уравнению. 3, выражение в уравнении. 4 можно получить. Тогда эталон угловой частоты задается уравнением 5. Уравнение 5 является управляющим уравнением Шлейф Pf для SGIC.

Js(ω∗−ω0)=P0−P−D(ω∗−ω0)(4)

ω∗=ω0−P−P0Js+D(5)

Если коэффициент инерции Дж = 0 , Уравнение 5 можно преобразовать в обычное уравнение управления падением активной мощности элемент инерции первого порядка к методу CDC. Это не только увеличивает инерционность локальной сети, но и значительно упрощает процесс проектирования контроллера. Кроме того, виртуальный коэффициент инерции J — параметр контроллера. Его значение может быть скорректировано до ожидаемого в соответствии с условиями работы сети. Таким образом, VSC может достичь характеристик, которые не может реализовать SG, поскольку коэффициент инерции SG фиксирован.

Контур реактивной мощности и напряжения (контур QU)

Контур QU используется для эмуляции возбудителя SG. Основная функция возбудителя состоит в управлении потоками напряжения и реактивной мощности, а также в повышении устойчивости системы (Кундру, 19).93).

Контур QU состоит из двух частей, включая компонент регулирования реактивной мощности и компонент регулирования выходного напряжения. Следовательно, эталонное напряжение U ^* также состоит из двух частей. Одна часть представляет собой напряжение холостого хода U ₀ , другая часть представляет собой флуктуационную составляющую ∆ U , которая используется для регулирования реактивной мощности. Таким образом, уравнение управления контуром QU может быть выражено как

U∗=U0+(kG+kTs)(Q0−Q)(7)

, где Q ₀ — опорная реактивная мощность, а Q — выходная реактивная мощность VSC.

Когда интегральная постоянная k _T = 0, уравнение. 7 преобразуется в обычное уравнение управления падением реактивной мощности

U∗=U0+kG(Q0−Q)(8)

и я ^* _vq внутреннего токового контура можно получить через ПИ-регуляторы

usq∗−usq)(10)

, где ссылки на компоненты напряжения по оси dq даны как получена модель SGIC для станции VSC. Общая схема управления представлена ​​на рис. 2.

Динамическое разделение мощности для DPGS

При использовании метода CDC или предлагаемого метода SGIC в DPGS возникают три проблемы для всей системы. 1) Выходная мощность станций VSC будет отклоняться от первоначального заданного значения из-за изменения нагрузки, что, в свою очередь, вызывает смещения частоты. 2) Реактивная мощность не может быть точно распределена между станциями VSC. 3) Стабильность системы очень чувствительна к коэффициентам спада и задержкам связи, что приводит к низкому запасу устойчивости.

В этом разделе предлагается новый метод, называемый динамическим разделением мощности, для решения трех вышеуказанных проблем.

При использовании метода SGIC каждая станция VSC может рассматриваться как SG. В данной статье реальный SG и станции VSC с методом SGIC вместе называются генерирующими блоками (GU).

Чтобы устранить смещение частоты, задания мощности настраиваются динамически. Справочные значения активной мощности и реактивной мощности приведены по формуле

PGUi=λiPtotal(13)

QGUi=γiQtotal(14)

где P GUi — задание активной мощности GU _i и Q GUi — задание реактивной мощности. P _всего = ∑ P GUi и Q _всего = ∑ Q GUi – суммарная активная и реактивная мощности локальной сети. λ _i — коэффициент выделения активной мощности ГУ _i . γ _i — коэффициент распределения реактивной мощности ГУ _i . Коэффициенты распределения активной и реактивной мощности удовлетворяют следующим уравнениям

∑i=1nλi=1(15)

∑i=1nγi=1(16)

На рисунке 3 представлена ​​схема динамического распределения мощности. Активная и реактивная мощности, генерируемые каждым GU, передаются в систему управления энергопотреблением (EMS), чтобы можно было рассчитать общую потребляемую мощность. Тогда искомые активная и реактивная мощности λ _I P _Всего , γ _I Q _Всего Q _.

РИСУНОК 3 . Принципиальная схема динамического разделения мощности.

Поскольку задания мощности динамически регулируются в соответствии с потребностью в мощности в реальном времени, смещение частоты может быть устранено.

Подставив уравнения 13, 14 в уравнения 5, 7, можно получить следующие уравнения

ωi∗=ω0+1Jis+Di(λiPtotal−Pi)(17)

Ui∗=U0+(kGi+kTis)(γiQtotal−Qi)(18)

централизованная EMS — это обработка отказа системы связи. При отказе системы связи задание мощности для каждого ГУ становится равным нулю (то есть λ _i = γ _i = 0). Для стабилизации напряжения интегральный член контура QU должен быть установлен равным нулю (то есть к _Ти = 0). Таким образом, уравнения управления могут быть переписаны в виде (19, 20) Предлагаемая схема управления

Для анализа динамических характеристик системы и оптимизации параметров регулятора необходимо провести моделирование и анализ слабого сигнала на системе с предлагаемой схемой управления. В этом разделе будет выполнен анализ слабого сигнала DPGS, содержащего n распределенные источники питания.

Производная угла нагрузки определяется выражением

Δδ˙i=Δωi(21)

Линеаризация уравнения. 17 дает

Δω˙i=−DiJiΔωi−1JiΔPi+λiJi∑j=1nΔPi(22)

Средние активная и реактивная мощности получаются с помощью фильтра нижних частот по следующим уравнениям

Pi=ωcs+ωcpi(23)

Qi=ωcs+ωcqi(24)

где ω _c — полоса пропускания фильтра нижних частот. р _i и q _i — мгновенная активная и реактивная мощность. Уравнения слабого сигнала уравнений 23, 24 имеют вид 18 можно представить в виде генерирующих узлов и м узлов нагрузки, уравнения сети можно записать в виде

[In⋯0]=[Ynn⋮Ynm⋯⋯⋯Ymn⋮Ymm][Un⋯Um](28)

Для упрощения анализа, редукция Крона (Anderson and Foad, 2003)- (Dorfler and Bullo , 2013) используется в уравнении. 28. Тогда мы можем получить системное уравнение, содержащее только n энергоузлов, как

In=YeqUnYeq=Ynn−YnmYmm−1Ymn}(29)

Активная и реактивная мощности, подаваемые каждым генерирующим блоком, могут быть выражены как

pi=Ui⁡cos⁡δi∑j=1nUj(Gij⁡cos⁡δj−Bij⁡sin⁡δj)+Ui⁡sin⁡δi∑j=1nUj(Gij⁡sin⁡δj+Bij⁡cos⁡δj)( 30)

qi=Ui⁡sin⁡δi∑j=1nUj(Gij⁡cos⁡δj−Bij⁡sin⁡δj)−Ui⁡cos⁡δi∑j=1nUj(Gij⁡sin⁡δj+Bij⁡cos⁡δj)( 31)

, где G _IJ и B _IJ — это реальные и воображаемые части элемента Y _IJ в Equividt (т.е. Y _ij = G _ij + jB _и ).

Линеаризованная форма уравнений 30, 31 может быть представлена ​​как j=1n∂qi∂UjΔUj(33)

Модель слабого сигнала DPGS с n распределенными источниками питания описана в уравнениях 21, 22; уравнения 25–27; Уравнения 30–33. Общая модель пространства состояний слабого сигнала системы может быть получена как ⋯−DnJn)T30n×n0n×nωc(∂p∂δ)n×n0n×n−ωcIn×n0n×nωc(∂p∂U)n×nωc(∂q∂δ)n×n0n×n0n×n−ωcIn ×nωc(∂q∂U)n×nT2×(∂q∂δ)n×n0n×n0n×nT1T2×(∂q∂U)n×n](35)

где набор переменных состояния Δx=[ΔδiΔωiΔPiΔQiΔUi]T (для i = 1,2… n ). T ₁ , T ₂ и T ₃ определяются как

T1=[(kT1−ωckG1)(γ1)−ω1 γ1(kT2−ωckG2)γ2(kT2−ωckG2)(γ2−1)⋯(kT2−ωckG2)γ2⋮⋮⋱⋮(kTn−ωckGn)γn(kTn−ωckGn)γn⋯(kTn−ωckGn)(γn−1 )]

T2=[ωckG1(γ1−1)ωckG1γ1⋯ωckG1γ1ωckG2γ2ωckG2(γ2−1)⋯ωckG2γ2⋮⋮⋱⋮ωckGnγnωckGnγn⋯ωckGn(γnωckGnγn⋯ωckGn(γn−1)]

39004]

3λn−1)]

39004 ⋯λ1/J1λ2/J2(λ2−1)/J2⋯λ2/J2⋮⋮⋱⋮λn/Jnλn/Jn⋯(λn−1)/Jn]

Предлагаемая модель применяется к ГРЭС, показанной на рис. 4. В этой системе две станции ВПЦ подают питание на общую нагрузку через соответствующие соединенные линии. Для упрощения анализа предполагается, что параметры двух станций ВСК одинаковы. Коэффициент распределения активной мощности и коэффициент распределения реактивной мощности для двух VSC составляет 0,5.

РИСУНОК 4 . DPGS для анализа слабых сигналов.

На рис. 5 показан спектр собственных значений системы при различных параметрах управления.

РИСУНОК 5 . Спектр собственных значений системы, когда (a) K _G = 0, K _T = 0, D = 1000 и J с 0.17; (Б) к _G = 0, к _Т = 0,03, J = 0,1 д 5е, ; (С) к _Т = 0,03, D = 2e5, J = 0,1 и k _G меняется с 2e-5 на 2e-3; (D) K _G = 5E-4, D = 2E5, J = 0,1 и K _T с 0,005 до 0,05.

На рис. 5A показано корневое расположение системы, когда k _G = 0, k _T = 0, D

и = 1,0000018 меняется с 0,1 на 0,5. Из рисунка видно, что с увеличением J собственные2 и собственные3 перемещаются из левой полуплоскости к мнимой оси. В частности, когда J > 0,35, два сопряженных комплексных корня уходят в правую полуплоскость, что указывает на неустойчивость системы.

На рис. 5В показано расположение собственного значения с0017 D с 1e5 на 5e5. Как видно из рисунка, eigen2 и eigen3 очень чувствительны к параметру D , а eigen5 и eigen6 почти постоянны. По мере увеличения D собственные2 и собственные3 превращаются из пары сопряженных комплексных корней в два действительных корня. Абсолютное значение действительного корня постепенно уменьшается, что свидетельствует об уменьшении запаса устойчивости системы.

На рис. 5C показан спектр собственных значений системы при k _T = 0,03, D = 2e5, J = 0,1 и k _G меняется с 2e-5 на 2e-3. Можно видеть, что eigen5 и eigen6 сильно зависят от k _G . Когда k _G меньше 1e-3, при увеличении k _G скорость реакции системы на возмущение ускоряется.

На рис. 5D показан корневой каталог системы, когда k _G = 5e-4, D = 2e5, J = 0,1 и k _T меняется с 0,0055 на 0,005. Когда k _T < 0,015, eigen5 и eigen6 являются отрицательными действительными корнями; при k _T > 0,015 образуется пара сопряженных комплексных корней и частота колебаний системы увеличивается. Но другие доминирующие корни почти постоянны, что означает удовлетворительную производительность и быстрый отклик без потери стабильности.

Практический пример

Для проверки точности и достоверности предлагаемой стратегии управления в программном обеспечении для моделирования PSCAD/EMTDC был построен DPGS с тремя распределенными генераторами, показанными на рисунке 6. Параметры управления станциями VSC приведены в таблице 1.

РИСУНОК 6 . ДПГС с тремя распределенными генераторами.

ТАБЛИЦА 1 . Параметры управления тремя станциями VSC.

Случай 1: изменение нагрузки

Предположим, что система работает в установившемся режиме до t = 0. При t = 2 с к системе добавляется дополнительная нагрузка 1,2 МВт путем замыкания переключателя SW1. Соответствующие реакции системы показаны на рис. 7. При добавлении дополнительной нагрузки частота системы падает из-за асимметрии мощности. После этого вступает в силу SGIC, и три DG подают в систему дополнительную мощность. Таким образом, частота системы постепенно увеличивается. Наконец, система вернулась к новому устойчивому состоянию. В переходном процессе активная мощность ДГ2 увеличивается с 3,0 до 3,6 МВт с шагом 0,6 МВт. Для ДГ1 и ДГ3 увеличены обе активные мощности с 1,5 до 1,8 МВт с шагом 0,3 МВт. Соотношение приращений мощности для трех ДГ составляет 1:2:1, что равно отношению их коэффициентов распределения (0,25:0,5:0,25). Также видно, что системная частота восстанавливает свое номинальное значение. Это означает, что изменение активной мощности не приводит к сдвигу частоты, что является одним из преимуществ предложенной схемы управления.

РИСУНОК 7 . Результаты моделирования при изменении нагрузки.

Случай 2: Настройка коэффициентов распределения мощности

Еще одним преимуществом предложенной схемы управления является то, что система может гибко выбирать оптимальную выходную мощность в соответствии с различными условиями работы. Система регулирует выходную активную и реактивную мощность ДГ при t = 2 с таким образом, чтобы ДГ1 обеспечивал 40 % общей потребности, а ДГ2 и ДГ3 обеспечивали 30 %. Характеристики системы показаны на рис. 8. Этот процесс может быть достигнут только путем корректировки коэффициентов распределения мощности каждого DG до 9.0017 λ ₁ = γ ₁ = 0,4, λ ₂ = γ ₂ = 0,3 и λ ₃ = = 0,3 и λ ₃ = = 0,3 и λ ₃ = = λ = = λ = = и λ ₃ = = λ = = 0,3 и λ ₃ = = 0,3 и . Однако для метода CDC необходимо изменить коэффициенты спада регуляторов каждого генератора, чтобы реализовать эту функцию. Как видно из рисунка, менее чем через 1 с система переходит в новую точку устойчивого состояния. Во время переходного процесса колебания напряжения и частоты в системе очень малы, что указывает на то, что помехи в системе невелики.

РИСУНОК 8 . Результаты моделирования с корректировкой коэффициентов распределения мощности.

Случай 3: Ошибка станции

Ошибка в DG1, в результате чего она отключается от местной сети через t = 2 с. После неисправности DG1 больше не участвует в динамическом разделении мощности. Потеря мощности компенсируется ДГ2 и ДГ3. На рис. 9 показаны соответствующие ответы системы. Из рисунка видно, что активная и реактивная мощность ДГ2 изменены с 3,0 МВт, 0,9Мвар до 4,0 МВт, 1,2 Мвар; и ДГ3 от 1,5 МВт, 0,45 Мвар до 2,0 МВт, 0,6 Мвар. Частота системы уменьшается в исходном состоянии из-за потери DG1, но восстанавливается до номинального значения, когда DG2 и DG3 компенсируют потерю. На напряжение в основном влияет реактивная мощность. Таким образом, при изменении реактивной мощности изменится и напряжение. Несмотря на то, что общее количество реактивной мощности восстанавливается до предварительно определенного значения, напряжение не может восстановиться до исходного значения, поскольку напряжение является локальной величиной, и его распределение также изменит напряжение. Этот случай моделирования также показывает, что отключение одной станции ВСК не приведет к отключению локальной сети, а это означает, что система с предложенной схемой управления имеет высокую надежность и устойчивость.

РИСУНОК 9 . Результаты моделирования при неисправности станции.

Случай 4: Представления с задержками связи

Задержка времени является неизбежной проблемой для систем связи. Временная задержка системы связи с величинами, измеряемыми на удаленной шине, может составлять более 100 мс (Milano and Angel, 2012). Но он теряет стабильность, когда задержка связи достигает 24 мс для некоторых полностью централизованных EMS (Kahrobaeian and Ibrahim Mohamed, 2015). Это указывает на то, что задержка связи является ключевым фактором, влияющим на стабильность полностью централизованной системы связи. В противоположность этому схема управления, предложенная в этой статье, должна передавать только эталонные значения мощности без передачи амплитуды напряжения, эталонного угла и других величин. Следовательно, временная задержка не влияет на стабильность системы. На рис. 10 показана производительность системы при изменении коэффициентов распределения активной мощности на уровне 9.0017 t = 2 с с задержкой связи в 1 с. Видно, что новые задания активной мощности вступают в силу после задержки в 1 с. Система имеет хорошие стационарные и динамические характеристики.

РИСУНОК 10 . Результаты моделирования с задержкой связи.

Заключение

В этом документе представлен метод управления и распределения мощности для системы распределенного производства электроэнергии. В этой схеме каждая из станций VSC принимает предложенный метод SGIC. Чтобы устранить смещение частоты, точно контролировать мощность и улучшить стабильность системы при задержках связи, предлагается новый способ управления, называемый динамическим разделением мощности. Построена и проанализирована малосигнальная модель всей системы. DPGS с тремя DG встроен в программное обеспечение PSCAD/EMTDC. Моделируются различные условия работы, включая изменение нагрузки, корректировку коэффициентов распределения мощности, отказ станции и задержку связи. Согласно этой статье, важные преимущества предлагаемой схемы можно заключить следующим образом:

1) Контур Pf разработан путем простого добавления элемента инерции первого порядка к методу CDC, благодаря которому VSC имеет инерцию, аналогичную SG. Контур QU используется для имитации возбудителя СГ. С помощью этого контура станция VSC может поддерживать стабильное выходное напряжение и одновременно контролировать реактивную мощность.

2) Внутренняя токовая петля отличается быстрой реакцией на ток и возможностью ограничения тока, что позволяет избежать проблем с перегрузкой по току во время блокировки или неисправности преобразователя.

3) Благодаря динамическому распределению мощности достигается точное управление мощностью, устранение смещения частоты и повышение стабильности системы.

4) С предложенной схемой система обладает такими достоинствами, как способность преодолевать неисправности, а также хорошие динамические характеристики.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без неоправданных оговорок.

Вклад авторов

HX: Концептуализация, методология, написание — первоначальный вариант. BL и XH: программное обеспечение, обработка данных. ZC: Написание — обзор и редактирование.

Финансирование

Эта работа была поддержана Научно-техническим проектом Китайской южной электросетевой корпорации в рамках гранта GDKJXM20198236.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций, издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Ссылки

Андерсон П. и Фоуд А. (2003). Контроль и стабильность энергосистемы . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-IEEE Press.

Google Scholar

Ашабани М. и Мохамед Ю. А.-Р. И. (2014а). Интеграция VSC в слабые сети с помощью нелинейного контроллера демпфирования мощности с возможностью самосинхронизации. IEEE Trans. Система питания 29 (2), 805–814. doi:10.1109/tpwrs.2013.2280659

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ашабани М., Мохамед Ю. А.-Р. И., Мирсалим М. и Агашабани М. (2015). Многопараметрическое управление статизмом синхронных преобразователей тока в слабых сетях/микросетях с развязанными токами по Dq-осям. IEEE Trans. Умная сеть 6 (4), 1610–1620. doi:10.1109/tsg.2015.23

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ашабани М. и Мохамед Ю. А.-Р. И. (2014б). Новая комплексная структура управления для включения VSC в интеллектуальные энергосистемы с использованием двунаправленного синхронного VSC. IEEE Trans. Система питания 29 (2), 943–957. doi:10.1109/tpwrs.2013.2287291

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Бек, Х. П., и Гессе, Р. (2007–2007). Виртуальная синхронная машина. в 9Международная конференция по качеству и использованию электроэнергии. Барселона, 1–6. doi:10.1109/epqu.2007.4424220

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Блобьерг Ф., Ян Ю., Ян Д. и Ван Х. (2017). Системы распределенной энергетики и защиты. Проц. IEEE 105 (7), 1311–1331. doi:10.1109/jproc.2017.2696878

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чандоркар М.С., Диван Д.М. и Адапа Р. (1993). Управление параллельно подключенными инверторами в автономных системах питания переменного тока. IEEE Trans. Индивидуальный заявитель. 29 (1), 136–143. doi:10.1109/28.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Coelho, E.A.A., Cortizo, PC, and Garcia, PFD (1999). Стабильность слабого сигнала для однофазного инвертора, подключенного к жесткой системе переменного тока. Конференция по отраслевым приложениям. Тридцать четвертая годовая МСФО. Встретиться. конф. Рек. 1999 IEEE, Феникс, AZ 4, 2180–2187. doi:10.1109/ias.1999.798756

CrossRef Full Text | Google Scholar

Дорфлер Ф. и Булло Ф. (2013). Кроновская редукция графов с приложениями к электрическим сетям. IEEE Trans. Цепи Сист. 60 (1), 150–163. doi:10.1109/tcsi.2012.2215780

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Гуань М., Пань В., Чжан Дж., Хао К., Ченг Дж. и Чжэн X. (2015). Стратегия управления эмуляцией синхронного генератора для станций с преобразователем источника напряжения (VSC). IEEE Trans. Система питания 30 (6), 3093–3101. doi:10.1109/tpwrs.2014.2384498

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Хунлинь Чжоу, З., Гэн Ян, Ю., и Цзюнь Ван, В. (2011). Моделирование, анализ и управление выпрямителем гибридных систем высокого напряжения постоянного тока для ветряных электростанций на основе DFIG. IEEE Trans. Энерг. Конверс. 26 (1), 340–353. doi:10.1109/tec.2010.2096819

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ху, К., Фу, Л., Ма, Ф. и Цзи, Ф. (2019). Нестабильность синхронизации больших сигналов VSC на основе PLL, подключенных к слабой сети переменного тока. IEEE Trans. Система питания 34 (4), 3220–3229. doi:10.1109/tpwrs.2019.28

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Каробеян А. и Ибрагим Мохамед Ю. А.-Р. (2015). Сетевое гибридное распределенное распределение электроэнергии и управление для изолированных систем микросетей. IEEE Trans. Силовой электрон. 30 (2), 603–617. doi:10.1109/tpel.2014.2312425

CrossRef Full Text | Google Scholar

Кундру, П. (1993). Стабильность и контроль энергосистемы . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: McGraw-Hill.

Google Scholar

Лян Х., Чой Б. Дж., Чжуан В. и Шен Х. (2013). Повышение стабильности децентрализованного управления инвертором посредством беспроводной связи в микросетях. IEEE Trans. Smart Grid 4 (1), 321–331. Дои: 10.1109/tsg.2012.2226064

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Милано Ф. и Ангел М. (2012). Влияние временных задержек на устойчивость энергосистемы. IEEE Trans. Цепи Сист. 59 (4), 889–900. doi:10.1109/tcsi.2011.2169744

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Мохамед Ю. и Эль-Саадани Э. Ф. (2008). Адаптивный децентрализованный контроллер статизма для сохранения стабильности распределения мощности параллельных инверторов в микросетях с распределенной генерацией. IEEE Trans. Силовой электрон. 23 (6), 2806–2816. doi:10.1109/tpel.2008.2005100

CrossRef Full Text | Google Scholar

Оливарес Д. Э., Мехризи-Сани А., Этемади А. Х., Канисарес К. А., Иравани Р., Казерани М. и др. (2014). Тенденции в управлении микросетями. IEEE Trans. Умная сеть 5 (4), 1905–1919. doi:10.1109/tsg.2013.22

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Xiao, H., Huang, X., Xu, F., Dai, L., Zhang, Y., and Cai, Z. (2022). Усовершенствованные многолинейные автоматические выключатели постоянного тока высокого напряжения с асимметричными проводящими ветвями. Междунар. Дж. Электр. Мощность Энерг. Сист. 137, 107882. doi:10.1016/j.ijepes.2021.107882

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сяо Х., Сунь К., Пан Дж., Ли Ю. и Лю Ю. (2021b). Обзор гибридных систем HVDC, сочетающих преобразователь с линейной связью и преобразователь источника напряжения. Междунар. Дж. Электр. Мощность Энерг. Сист. 129, 106713. doi:10.1016/j.ijepes.2020.106713

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xiao, H., Sun, K., Pan, J., Xiao, L., Gan, C., and Liu, Y. (2021a). Координированное регулирование частоты среди асинхронных сетей переменного тока с системой MTDC. Междунар. Дж. Электр. Мощность Энерг. Сист. 126 (3), 1–11. doi:10.1016/j.ijepes.2020.106604

CrossRef Full Text | Google Scholar

Xiao, H., Xu, Z., Xue, G. Y., and Tang, G. (2015). Вывод полной математической модели модульного многоуровневого преобразователя на основе подхода последовательного приближения. Электропитание ИЭТ Элект. 8 (12), 2396–2410. doi:10.1049/iet-pel.2014.0892

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Синь Х., Чжан Л., Ван З., Ган Д. и Вонг К. П. (2015). Управление островными микросетями переменного тока с использованием полностью распределенного подхода. IEEE Trans. Smart Grid 6 (2), 943–945. doi:10.1109/tsg.2014.2378694

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xin, H., Zhang, M., Seuss, J., Wang, Z. и Gan, D. (2013). Алгоритм распределения мощности в реальном времени и оптимизация его связи для географически рассредоточенных систем хранения энергии. IEEE Trans. Система питания 28 (4), 4732–4741. doi:10.1109/tpwrs.2013.2277592

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Сюй Л., Андерсен Б. Р. и Картрайт П. (2005). Передача VSC, работающая в несбалансированных условиях переменного тока — анализ и проектирование управления. IEEE Trans. Мощность Делив. 20, 427–434. doi:10.1109/tpwrd.2004.835032

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжан Л., Харнефорс Л. и Ни Х.-П. (2011а). Взаимосвязь двух очень слабых систем переменного тока линиями VSC-HVDC с использованием управления синхронизацией мощности. IEEE Trans. Система питания 26 (1), 344–355. doi:10.1109/tpwrs.2010.2047875

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжан Л., Харнефорс Л. и Ни Х.-П. (2011б). Моделирование и управление линиями VSC-HVDC, подключенными к островным системам. IEEE Trans. Система питания 26 (2), 783–793. doi:10.1109/tpwrs.2010.2070085

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжан Л. , Харнефорс Л. и Ни Х.-П. (2010). Управление синхронизацией мощности подключенных к сети преобразователей напряжения. IEEE Trans. Система питания 25 (2), 809–820. doi:10.1109/tpwrs.2009.2032231

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжун, К. К., Фи-Лонг Нгуен, П. Л., Ваньсин Шэн, З., и Шэн, В. (2014). Самосинхронизирующиеся синхронизаторы: инверторы без специального блока синхронизации. IEEE Trans. Силовой электрон. 29 (2), 617–630. doi:10.1109/tpel.2013.2258684

CrossRef Full Text | Google Scholar

Чжун, К.-К., и Вайс, Г. (2011). Synchronverters: инверторы, имитирующие синхронные генераторы. IEEE Trans. Инд. Электрон. 58 (4), 1259–1267. doi:10.1109/tie.2010.2048839

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжоу Дж. и Голе А. (2012). Ограничения передачи VSC, налагаемые характеристиками мощности сети переменного тока и импеданса переменного тока. в передаче энергии переменного и постоянного тока (ACDC 2012). Бирмингем: 10-я Международная конференция IET, 1–6. Дои: 10.1049/cp.2012.1986

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Надежное и адаптивное управление для улучшения работы синхронного генератора

• Авторская панель Войти

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы являемся сообществом из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь:

Карьера:

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Рецензируемая глава в открытом доступе

Автор:

Jožef Ritonja

Представлено: 3 декабря 2019 г. Рецензировано: 15 апреля 2020 г. Опубликовано: 1 июня 2020 г.

doi: 10.5772/intechopen.

Скачать бесплатно

из отредактированного тома

Под редакцией Константина Волошенку, Сердар Кючюк, Хосе Герреро и Оскар Valero

Заказ.

View Full Metrics

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Реклама

Аннотация

Синхронные генераторы производят почти 95% электроэнергии в мире. Даже небольшое улучшение их эффективности означает огромную экономию. Электромеханические колебания синхронных генераторов вредны — они вызывают потери и даже могут привести к нестабильности. Для гашения колебаний синхронных генераторов используется дополнительная система управления, называемая стабилизатором энергосистемы (СЭС). Коммерческие реализации стабилизаторов энергосистем основаны на использовании линейной теории управления. Эффективность этих стабилизаторов энергосистемы невелика из-за нелинейных и изменяющихся во времени характеристик синхронных генераторов. Применение робастного и адаптивного управления представляет собой адекватную теоретическую основу для обеспечения оптимального демпфирования электромеханических колебаний в широком рабочем диапазоне. В этой работе рассматривается применимость передовых теорий управления для разработки стабилизаторов энергосистемы. Работа сосредоточена на выборе подходящих робастных и адаптивных теорий управления для реализации стабилизатора энергосистемы. Представлены применимость и преимущества скользящего режима управления и прямого адаптивного управления, а также оценка их влияния на улучшение работы.

Ключевые слова

• скользящее управление
• прямое адаптивное управление
• синхронный генератор
• стабилизатор энергосистемы
• работа синхронного генератора

Они производят большую часть электроэнергии в мире.

В 2017 году мировое производство электроэнергии составило 25 721 ТВтч [1]. Предполагая, что доля солнечных тепловых источников ничтожно мала по сравнению с долей солнечных фотоэлектрических источников, можно оценить, что около 9Электрогенераторы производят 8,2% всей мировой энергии. Проанализировав данные, можно подсчитать, что синхронные генераторы производят 93,8% электроэнергии в мире, а индукционные генераторы 4,4% всего производства электроэнергии в мире. Оценка основана на данных за 2017 год. Эти, а также следующие данные получены из статистических отчетов Международного энергетического агентства [1].

Дополнительным важным моментом является то, что торговля электроэнергией и, следовательно, передача электроэнергии на большие расстояния значительно увеличиваются. В 2017 году страны ОЭСР произвели 11 051 ТВт-ч электроэнергии, а объем торговли составил 408 ТВт-ч, что составляет 3,7% от общего объема производства. Еще более интересны темпы роста торговли электроэнергией. В ОЭСР импорт электроэнергии вырос с 89ТВтч в 1974 году до 480 ТВтч в 2018 году, что представляет собой среднегодовой темп роста в 4,0% по сравнению с ростом общего объема электроснабжения на 2,1%.

Тот факт, что большая часть электроэнергии в мире производится синхронными генераторами и что большое количество электроэнергии в мире передается на большие расстояния, приводит к значительным колебаниям производимой и передаваемой мощности. Несмотря на относительно небольшие колебания — отношение амплитуды колебаний передаваемой мощности к среднему значению передаваемой мощности в основном меньше 10 % — общие мировые потери из-за чрезвычайно большого объема производства и передачи электроэнергии не являются незначительными. С точки зрения экономии энергии имеет смысл уменьшить эти потери.

На величину передаваемых колебаний мощности можно повлиять путем оптимизации топологии новых сетей, реконфигурации существующих сетей, выбора новых синхронных генераторов с лучшим демпфированием и замены существующих синхронных генераторов на более демпфированные те. Эти решения дороги, и их реализация также зависит от других социальных и экологических факторов. Поэтому гораздо более подходящим решением является использование системы управления для демпфирования колебаний энергосистемы. В энергосистемах для подавления колебаний используются системы управления, называемые стабилизаторами энергосистемы (СЭС). PSS представляют собой лучшее и наиболее экономичное решение для гашения колебаний энергосистем. СЭУ просты в реализации — в основном они входят в состав контроллера статической полупроводниковой системы возбуждения синхронного генератора. СЭС на основе информации о колебаниях передаваемой мощности, скорости вращения ротора, угла поворота ротора или ускорения ротора формируют дополнительный опорный сигнал для системы управления током ротора. Этот дополнительный опорный сигнал представляет собой дополнительный вход в статическую полупроводниковую систему возбуждения, которая подключена к обмотке возбуждения ротора.

Традиционная схема PSS основана на теории линейного управления. Обычный PSS прост в реализации, но его применение показывает неоптимальное демпфирование во всем рабочем диапазоне; при изменении рабочей точки изменяются и динамические характеристики синхронного генератора; дело в том, что PSS, определенный для номинальной рабочей точки, не обеспечивает оптимального демпфирования во всем рабочем диапазоне. Такой PSS оптимально снижает потери при передаче только в рабочей точке, для которой выбираются параметры PSS. Из-за больших изменений передаваемой мощности и больших различий в выработке мощности синхронными генераторами обычные СЭС не подходят для использования в современных энергосистемах. Для улучшения характеристик СЭС в последнее десятилетие были протестированы основные современные теории управления для целей проектирования СЭС. Из всех методов робастное и адаптивное управление было реализовано как наиболее подходящее для проектирования СЭС. Оба метода управления использовались для обеспечения оптимального демпфирования во всем рабочем диапазоне синхронных генераторов. Использование адаптивного управления возможно благодаря тому, что изменения нагрузки и, следовательно, изменения динамических характеристик синхронных генераторов в большинстве случаев существенно медленнее, чем динамика механизма адаптации [2].

Снижение потерь не является единственной и основной задачей СЭС. Еще более важным является то, что СЭС улучшает стабильность энергосистемы и позволяет передавать мощность от синхронного генератора в энергосистему или между различными точками энергосистемы как можно ближе к пределу устойчивости передачи. Однако в представленной работе мы показываем результаты нашего исследования, которые покажут применимость разработанной робастной и адаптивной СЭС, главным образом, для улучшения гашения колебаний энергосистемы.

Для детального анализа преимуществ усовершенствованной СЭС необходима математическая модель синхронного генератора. В данной работе мы впервые представляем математическую модель синхронного генератора, подключенного к энергосистеме, удобную для анализа физических характеристик энергосистемы и в то же время подходящую для проектирования и синтеза регулятора. Мы сосредоточим нашу работу на анализе системы, в которой один синхронный генератор подключен к бесконечной шине. В разделе 3 мы попытаемся оценить количество и динамику колебаний в энергосистемах. Тщательный анализ сделан и представлен впервые. Традиционная система управления СЭС представлена ​​в разделе 4. С помощью полученной математической модели синхронного генератора оценивается улучшение демпфирования энергосистемы за счет внедрения традиционной СЭС. Из анализа видно, что обычные PSS не обеспечивают оптимального демпфирования во всем рабочем диапазоне. Поэтому продвинутые теории управления для проектирования и синтеза СЭС представлены в разделах 5 и 6. В разделе 5 теория робастной системы управления используется для проектирования СЭС. Подходящая теория прямого адаптивного управления представлена ​​в разделе 6. Система управления СЭС, разработанная на основе представленных теорий, и результаты реализации передовых теорий управления для проектирования и синтеза СЭС показаны в разделе 7.

Объявление

2. Математическая модель синхронного генератора, подключенного к энергосистеме

Нелинейная модель седьмого порядка синхронной машины, подключенной к бесконечной шине, является наиболее подробной математической моделью синхронного генератора, подключенного к большой мощности. система с постоянной частотой и постоянным напряжением (=бесконечная шина) через линию передачи [3]. Матричное преобразование Парка используется для преобразования уравнений исходных обмоток в модель с ортогональными осями. На этом основании магнитная связь обмоток статора, возбуждения и демпфера представляется в зависимости от положения ротора машины. Модель седьмого порядка представлена ​​в виде нелинейной модели в пространстве состояний [4]. Входными данными модели являются механический крутящий момент T _m ( t ) и напряжение обмотки возбуждения ротора E _fd ( t ). Переменные в пространстве состояний модели: потокосцепление по оси d статора λ _d ( t ), потокосцепление по оси q статора λ _q ( t ), обмотка возбуждения ротора 1 λ потокосцепление _F ( t ), потокосцепление обмотки демпфера оси d ротора λ _D ( t ), потокосцепление обмотки демпфера оси q ротора λ _D ( t ), скорость механического ротора ω ( t ), угол электрического ротора δ ( t ). Модель седьмого порядка описывается системами алгебраических уравнений (уравнения (1)–(10)) [5]:

IQT = 1LQλQT — λAQTE4

IFT = 1LFλFT -λADTE5

IDT = 1ldλdt — λAdte6

IQT = 1LQλQT — λAQTE7

VDT = −3V Этот0005

vqt = 3V∞cosΔt+reiqt+ωtleidte9

tet = 13iqtλdt -idtλqte10

и дифференциальные уравнения (уравнение. ωs−Rsiqt+ωtλdt−vqtE12

λ̇Ft=ωs−RFiFt+EfdtE13

λ̇Dt=ωs−RDiDtE14

λ̇Qt=ωs−RQiQtE15

ω̇t=12HTmt−TetE16

δ̇t=ωsωt−1E17

where i _d ( t ) и i _q ( t ) — токи статора по осям d и q [pu]; i _F ( t ) — ток возбуждения [pu]; i _D ( t ) и i _Q ( t ) – демпфирующие токи по осям d и q [pu]; v _d ( t ) и v _q ( t ) — напряжения на клеммах статора по осям d и q [pu]; λ _AD ( t ) и λ _AQ ( t ) — взаимные потокосцепления по осям d и q [pu]; R _e и L _e — сопротивление и реактивное сопротивление линии передачи [pu]; В _∞ — бесконечное напряжение шины [pu]; T _e ( t ) — электромагнитный крутящий момент [pu]; L _MD , L _MQ , L _AD и L _AQ — взаимная индуктивность [pu]; л _d , л _q , л _F , l _D и l _Q — индуктивность рассеяния [pu]; R _S , R _F , R _D и R _Q — статор, поле, демпфирование по оси d и сопротивление обмотки; H – постоянная инерции [с]; ω _с — электрическая синхронная скорость [рад с ⁻¹ ]. Все переменные нормированы на базовые величины, кроме угла электрического ротора δ ( t ) с единицей измерения [рад].

Модель седьмого порядка — лучшая; хотя, с другой стороны, слишком сложно разобраться в физических характеристиках управляемого объекта [5]. Он также не подходит для проектирования и синтеза систем управления, так как многие методы управления требуют линейных математических моделей для разработки системы управления. Многие упрощенные модели выводятся из этой нелинейной модели седьмого порядка [6]. Для анализа синхронного генератора и проектирования системы управления СЭС до сих пор наиболее популярна упрощенная линеаризованная модель третьего порядка. Впервые он был представлен в 1952 [7] и поэтому также называется моделью Хеффрона-Филлипса.

Модель Хеффрона-Филлипса получается из нелинейной модели седьмого порядка посредством линеаризации для каждой стационарной рабочей точки (т.е. точки равновесия). Модель Хеффрона-Филлипса описывает динамику синхронного генератора вблизи выбранной точки равновесия. Модель Хеффрона-Филлипса имеет два входа и три переменных в пространстве состояний. Входы механический крутящий момент T _mΔ ( t ) и напряжения обмотки возбуждения ротора E _fdΔ ( t ) отклонения; переменными в пространстве состояний являются угол ротора δ _Δ ( t ), скорость вращения ротора ω _Δ ( t ) и напряжение за переходным реактивным сопротивлением EqΔ′tdeviations. Дополнительными выходами являются электрическая мощность P _eΔ ( t ) и оконечное напряжение статора V _tΔ ( t ) отклонения. Все входные данные и переменные в пространстве состояний обозначают отклонения (индекс _Δ ) из состояния равновесия. The model is written as follows:

δ̇Δtω̇ΔtĖqΔ′t=0ωs0−K12H−D2H−K22H−K4Td0′0−1K3Td0′δΔtωΔtEqΔ′t+0012H001Td0′TmΔtEfdΔtE18

PeΔtVtΔt=K10K2K50K6δΔtωΔtEqΔ′t+0000TmΔtEfdΔtE19

where T _mΔ ( t ) представляет собой отклонение механического крутящего момента [pu], P _eΔ ( t ) представляет собой отклонение электрической мощности [pu], ω _Δ ( t 90 отклонение скорости ротора пу], δ _Δ ( t ) отклонение угла ротора [рад], E’ _qΔ ( t ) напряжение за переходным реактивным сопротивлением [pu], 74 fΔ00d t ) — отклонение напряжения возбуждения поля [pu], В _tΔ ( t ) — напряжение на клеммах [pu], H — постоянная инерции [с], D — коэффициент демпфирования, представляющий общее сосредоточенное демпфирование от демпферных обмоток [о. е./о.е.], ω _s — номинальная синхронная скорость [рад с ⁻¹ ], T _do ′ — постоянная времени холостого хода по оси d [с] и K 1 ₆ — параметры линеаризации. Все параметры и переменные в модели Хеффрона-Филлипса нормированы, за исключением угла электрического ротора δ _Δ ( t ).

Объявление

3. Анализ влияния колебаний на качество энергосистемы

Колебания в энергосистеме обусловлены физическими свойствами синхронного генератора, работающего параллельно с сетью. Эти свойства отражены в динамической математической модели синхронного генератора и проявляются в виде плохо затухающих доминирующих собственных значений. Поэтому любые изменения на входах синхронных генераторов (напряжения поля ротора и механического момента), сетевых нагрузок (изменения напряжения на шинах) и возмущения вызывают колебания с относительно большой амплитудой и малым затуханием. Колебания в энергосистеме проявляются в нескольких физических величинах системы: в частоте вращения роторов синхронных генераторов, угле ротора, напряжении статора, токе статора и вырабатываемой мощности, а также в напряжениях, токах, частоте и передаваемых мощностях энергосистемы. Эти колебания снижают качество электроэнергии и повышают риск нестабильности энергосистемы.

Очень сложно оценить влияние колебаний на фактические потери в энергосистеме. В реальной работе энергосистемы сложно оценить, какая часть потерь связана с колебаниями угла ротора, а какая – с другими факторами. Поэтому в первом подразделе более подробно рассматривается влияние амплитуды и частоты колебаний на величину потерь в линии передачи и на постоянство передаваемой мощности. Для этого был проведен тщательный стационарный анализ. Динамический анализ представлен во втором подразделе. Динамический анализ показывает уязвимость синхронного генератора при различных изменениях входа в разных точках работы.

3.

1 Анализ установившегося режима

Анализ влияния колебаний на потери и на постоянство передаваемой мощности выполнен численно. При постоянной частоте вращения ротора наведенное напряжение в обмотке статора синусоидальное, с постоянной амплитудой и частотой. Колебание скорости вращения ротора приводит к индуцированному напряжению с переменной частотой и амплитудой. Из решения уравнения качания видно, что качание ротора носит синусоидальный характер [8]. Поэтому при анализе установившегося состояния мы предполагаем, что скорость ротора колеблется около постоянной синхронной скорости с синусоидальными колебаниями. Это приводит к индуцированному статору напряжению, которое изменяется синусоидально по амплитуде и частоте. Амплитуда увеличивается с увеличением частоты, и наоборот. Для такого входного сигнала не существует прозрачного аналитического решения для оценки потерь и постоянства передаваемой мощности. Поэтому для анализа используется численное решение, основанное на схеме замещения синхронного генератора, подключенного линией передачи к бесконечной шине. Эквивалентная схема показана на рис. 1.9.0005

Рис. 1.

Эквивалентная схема синхронного генератора, подключенного линией передачи к бесконечной шине, используемой для стационарного анализа.

где В _1e обозначает действующее значение внутреннего напряжения генератора [pu], В _2e — действующее значение бесконечного напряжения шины [pu], φ ₁ — генератор угол внутреннего напряжения [рад], φ ₂ — угол бесконечного напряжения на шине [рад], R _s — сопротивление статора (якоря) [о.е.], X _s — синхронное реактивное сопротивление [о. — реактивное сопротивление линии передачи [pu]. Эквивалентная схема, представленная на рисунке 1, представляет собой уравновешенную симметричную трехфазную систему. Полное сопротивление любой фазы равно импедансу любой из двух других фаз. Три напряжения на стороне генератора смещены во времени на 120° электрических градусов в результате смещения фаз на 120° в пространстве. Кроме того, три напряжения на стороне бесконечной шины смещены во времени на 120° электрических градусов, так что результирующие фазные токи равны по амплитуде и сдвинуты по фазе друг от друга на 120°. V _1A ( T ), V _1B ( T ) и V _1C ( T ) ДЕЛОВАЯ ДЕЛОВАЯ ЗАЯВЛЕНИЯ ЗАЯВЛЕНИЯ Синхроноза Генераторов; v _IBa ( t ), v _IBb ( t ), и v _IBc ( t ) мгновенные значения напряжения на шине; и и _а ( т ), i _b ( t ) и i _c ( t ) обозначают мгновенные значения фазных токов линии передачи. Если не указано иное, P _IB ( t ) представляет мгновенный трехфазный поток мощности на бесконечную шину [pu]; с _IBA ( T ), P _IBB ( T ) и P _IBC ( T ) представляют собой пристойный поток мощности в PLASE CLASERIT PU ; и P _IB представляет среднее значение мгновенного трехфазного потока мощности на бесконечную шину [pu]. P _L ( t ) обозначает мгновенные трехфазные потери мощности в линии передачи [pu]; P _La ( t ), P _Lb ( t ) и P _Lc ( t ) для различных мгновенных потерь фазы; и P _L представляет среднее значение мгновенных трехфазных потерь мощности в линии передачи [pu]. p _L указывает относительное значение среднего значения трехфазных потерь мощности ( P _L ) по сравнению со средним значением трехфазного потока мощности на бесконечную шину ( P _IB ) в [%]. Колебания амплитуды и частоты напряжения статора, вызванные качанием скорости вращения ротора, описываются амплитудой и частотой обоих колебаний. A _и и F ​​ _и обозначают амплитуду и частоту колебаний амплитуды. A _fo и F ​​ _fo обозначают амплитуду и частоту колебаний частоты.

For the presented results, the impedances of the synchronous generator and transmission line are shown in Table 1.

Таблица 1.

Полное сопротивление синхронного генератора и линии передачи.

На рисунках 2–5 показаны временные характеристики электрических величин при отсутствии колебаний скорости вращения ротора. Параметры внутреннего напряжения генератора и бесконечного напряжения шины приведены в таблице 2.

Рис. 2.

Внутренние напряжения синхронного генератора для всех трех фаз:v _1a (т), v _1б (т), и v _1с (т).

Рисунок 3.

Токи линии передачи для всех трех фаз: i _a (t), i _b (t) и i _c (t).

Рис. 4.

Мгновенный трехфазный поток мощности на бесконечную шину P _IB (t) (постоянная) и мгновенный поток мощности на бесконечную шину для разных фаз P _IBa (t),P _IBb ( т) и Р _IBc (т).

Рис. 5.

Мгновенные трехфазные потери мощности в линии электропередачи P _L (t) (постоянная) и мгновенные потери мощности в линии передачи для различных фаз P _IBa (t), P _IВb (t), и P _IВc (т).

Таблица 2.

Параметры внутреннего напряжения и бесконечного напряжения шины, без колебаний.

На рис. 2 показаны мгновенные значения внутренних напряжений синхронного генератора для всех трех фаз. Токи в линиях электропередачи показаны на рисунке 3. Переток мощности в бесконечную шину для всех трех фаз в отдельности и сумма потоков мощности по фазам показан на рисунке 4. Как и ожидалось, общий трехфазный поток мощности постоянен. На рис. 5 показаны потери мощности в линии передачи по всем трем фазам в отдельности и потери мощности по трем фазам. Опять же, общие трехфазные потери мощности постоянны.

На рисунках 6–10 показаны временные характеристики электрических величин, если возникают колебания скорости вращения ротора. Параметры внутреннего напряжения генератора и напряжения бесконечной шины приведены в таблице 3.

Рис. 6.

Внутренние напряжения синхронного генератора для фазы a:v _1a (t).

Рис. 7.

Внутренние напряжения синхронного генератора для всех трех фаз: v _1a (t), v _1b (t) и v _1c (t).

Рис. 8.

Токи линии передачи для всех трех фаз: i _a (t), i _b (t) и i _c (t).

Рис. 9.

Трехфазный поток мощности на бесконечную шину P _IB (t) (фиолетовый) и мгновенный поток мощности на бесконечную шину для разных фаз P _IBa (t),P _IBb (t) , и P _IBc (т).

Рисунок 10.

Трехфазные потери мощности в линии передачи P _L (t) (фиолетовый) и мгновенные потери мощности в линии передачи для разных фаз P _IBa (t), P _IBb (t) и P _IBc (t).

.1620 A _fo  = 0.1 [pu]

Table 3.

The parameters of the internal voltage and infinite bus voltage, with oscillations in внутреннее напряжение.

Для лучшего понимания на рис. 6 показаны мгновенные значения внутреннего напряжения синхронного генератора для фазы а. Колебания видны по амплитуде и по частоте.

На рис. 7 показаны мгновенные значения внутренних напряжений синхронного генератора для всех трех фаз. Токи в линиях электропередачи показаны на рис. 8. Перетоки мощности в бесконечную шину по всем трем фазам в отдельности и мгновенное значение трехфазного перетока мощности показаны на рис. 9.. В этом случае из-за колебаний частоты вращения ротора, а, следовательно, и колебаний внутренних напряжений суммарный трехфазный поток мощности непостоянен. На рис. 10 показаны потери мощности в линии передачи по всем трем фазам в отдельности и потери мощности по трем фазам. Опять же, общие трехфазные потери мощности не являются постоянными.

Из рисунков 2–10 ясно видно, что колебания скорости вращения ротора вызывают колебания передаваемой мощности. Сумма передаваемых мощностей отдельных фаз больше не является постоянной (рис. 9).), как и в случае уравновешенных трехфазных симметричных систем без колебаний (рис. 4). Эти колебания снижают пропускную способность и качество передачи. Для обеспечения передачи мощности с минимальными колебаниями мощности необходимо уменьшить колебания частоты вращения ротора.

Проведен тщательный численный анализ для оценки влияния колебаний частоты вращения ротора на потери в энергосистеме. Некоторые результаты представлены в таблицах 4 и 5. В таблице 4 показано влияние колебаний частоты вращения ротора на потери при выработке активной мощности. Результаты представлены в двух различных рабочих точках. В первом электрический угол между внутренним напряжением генератора и бесконечным напряжением шины составлял 10°, а во втором угол составлял 40°. Представлены результаты колебаний скорости вращения ротора в диапазоне амплитуд от 0 до 20 % синхронной скорости по частотам 1 и 2 [Гц]. Из полученных результатов видно, что влияние колебаний на потери мощности в линии передачи отсутствует.

V 1e	V 2 e	φ 1	φ 2	A ao	A fo	F ​​ ao	F ​​ fo	P IB	P L	p L
1. 0	1.0	10	0	0.0	0.0	0	0	0.40	1.1·10 −3	0.3
1.0	1.0	10	0	0.1	0.1	1	1	0.40	1.5·10 −3	0.4
1.0	1.0	10	0	0.1	0.1	2	2	0.40	1.5·10 −3	0. 4
1.0	1.0	10	0	0.2	0.2	1	1	0.40	2.6·10 −3	0.6
1.0	1.0	10	0	0.2	0.2	2	2	0.40	2.5·10 −3	0.6
1.0	1.0	40	0	0.0	0.0	1	1	1.47	1. 8·10 −2	1.2
1.0	1.0	40	0	0.1	0.1	1	1	1.47	1.8·10 −2	1.2
1.0	1.0	40	0	0.1	0.1	2	2	1.46	1.9·10 −2	1.3
1.0	1.0	40	0	0.2	0.2	1	1	1. 46	1.9·10 −2	1.3
1.0	1.0	40	0	0.2	0.2	2	2	1.46	1.9·10 −2	1.3

Таблица 4.

Средние значения трехфазной передаваемой мощности в бесконечную шину ( P _IB ) и трехфазных потерь мощности в линии передачи P L 9 как функция угла между внутренним напряжением генератора и напряжением бесконечной шины ( φ ₁ — φ ₂ ) по различным амплитудам ( A _AO , A _FO ) и частоты ( F _FA 44444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444. колебания амплитуды и частоты внутреннего напряжения генератора при передаче активной мощности. В1924

V _{2 e} φ ₁ φ ₂ A _ao A _fo F ​​ _ao F ​​ _fo P _IB P _L p _L 1.1 1.0 0 0 0.0 0.0 0 0 3.7·10 ⁻³ 3. 7·10 ⁻⁴ 10 1.1 1.0 0 0 0.1 0.1 1 1 3.6·10 ⁻³ 7.9·10 ⁻⁴ 22 1.1 1.0 0 0 0.1 0.1 2 2 3.6·10 ⁻³ 7.7·10 ⁻⁴ 21 1.1 1.0 0 0 0.2 0.2 1 1 3. 3·10 ⁻³ 2.0·10 ⁻³ 61 1.1 1.0 0 0 0.2 0.2 2 2 3.3·10 ⁻³ 2.0·10 ⁻³ 61 1.5 1.0 0 0 0.0 0.0 0 0 1.9·10 ⁻² 9.4·10 ⁻³ 50 1.5 1.0 0 0 0.1 0. 1 1 1 1,9·10 ⁻² 1.0·10 ⁻² 54 1.5 1.0 0 0 0.1 0.1 2 2 1.9·10 ⁻² 1.0·10 ⁻² 54 1.5 1.0 0 0 0.2 0.2 1 1 1.8·10 ⁻² 1,2·10 ⁻² 66 1.5 1.0 0 0 0. 2 0.2 2 2 1.8·10 ⁻² 1.2·10 ⁻² 66

Таблица 5.

Средние значения трехфазной передаваемой мощности на бесконечную шину ( P _IB ) и трехфазных потерь мощности в линии передачи P _{8 функция внутреннего напряжения генератора ( V 1E ) по различным амплитудам ( A AO, A FO ) и частоты ( F ​​ AO, F ​​} 40051 AO, F ​​ 40051). внутреннее напряжение за счет передачи реактивной мощности.

В таблице 5 показано влияние колебаний частоты вращения ротора на потери при выработке реактивной мощности. Результаты представлены в двух различных рабочих точках. В первом случае внутреннее напряжение генератора было на 10 % больше напряжения бесконечной шины, а во втором разница составляет 50 %. Представлены результаты колебаний скорости вращения ротора в диапазоне амплитуд от 0 до 20 % синхронной скорости по частотам 1 и 2 [Гц]. Из результатов видно, что влияние колебаний на потери мощности в линии передачи незначительно.

3.2 Динамический анализ

Модель Хеффрона-Филлипса, описанная в разделе 2, используется для анализа динамических характеристик синхронного генератора. Влияние вариаций входных сигналов на колебания исследовано на синхронном генераторе со следующими данными [4]: ​​

Новые параметры в таблице 6: S _N – номинальная мощность [МВА], В _N номинальное напряжение [кВ], cos φ _N — номинальный коэффициент мощности, а x ’ _d — ненасыщенное переходное реактивное сопротивление по оси d [pu].

_F = 0,101 [PU]

9132

191

1111616111111111161111161111611116161111616111161611116161116161111616161616161616161616169.

S N  = 160 [MVA]	V N  = 15 [kV]	cos φ N  = 0. 85
ω с  = 377 [рад с −1 ]
T’ d0  = 5.9 [pu]	H  = 2.37 [s]	D  = 2.0 [pu]
R e  = 0.02 [pu]	L e  = 0,4 [PU]	V IB = 1,0 [PU]
R S = 0,0011 [PU]	R 1161616161616666166616661666616661666166616666666666666666666666666666666666666666666666666616. d  = 0,245 [о.е.]
L D = 1,700 [PU]	L Q = 1,640 [PU]	L F = 0,101 [PU]
L Q  = 0.036 [pu]	L AD  = 1.550 [pu]
l d  = 0.150 [pu]	l q  = 0,150 [о.е.]	L AQ  = 1,490 [о.е.]

Таблица 6.

Данные синхронного генератора, используемые для динамического анализа [4].

По данным таблицы 6 состояние равновесия для модели Хеффрона-Филлипса рассчитывается с помощью векторной диаграммы. Уравнения вектора позволяют решить начальные условия, которые существуют до применения вариаций входных данных. Коэффициенты линеаризации модели Хеффрона-Филлипса рассчитаны для синхронного генератора с данными в таблице 6 и для расчетных данных состояния равновесия. Коэффициенты линеаризации для номинальной рабочей точки ( P _N  = 1 [о.е.], cos φ _N  = 0,85), а собственные значения модели Хеффрона-Филлипса (λ ₁ , λ _{3 9} 0 ) представлены 5 0 λ 0 , а in Table 7.

P N  = 1.0 [pu]	Q N  = 0.62 [pu]	cos φ N  = 0.85
К 1  = 1,4478	K 2  = 1.3174	K 3  = 0.3072
K 4  = 1.8052	K 5  = 0.0294	K 6 = 0.5257
λ 1  = −0.3502 + 10.7270i	λ 2  = −0.3502 − 10.7270i	λ 3  = −0.2732

Table 7.

Linearization parameters и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса в номинальной рабочей точке.

Линеаризованная модель Хеффрона-Филлипса синхронного генератора имеет три собственных значения. Коэффициент демпфирования и частота колебаний угла ротора видны непосредственно из доминирующих сопряженных комплексных собственных значений. Поэтому очень прозрачно исследовать зависимость динамики колебаний синхронного генератора от рабочей точки с помощью анализа собственных значений. При изменении рабочей точки меняются и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса.

Переходная характеристика синхронного генератора с данными в таблице 6 и номинальная рабочая точка с данными в таблице 7 показаны на рисунках 11–13. Ступенчатые изменения имитируются на обоих входах генератора. На рис. 11 показана смоделированная траектория механического момента турбины и напряжения возбуждения ротора. Ступенчатые изменения выбираются для максимального возбуждения колебаний.

Рисунок 11.

w3.org/2001/XMLSchema-instance»> Траектории входных сигналов синхронного генератора: механический крутящий момент T _м (t) [о.е.] и напряжение возбуждения ротора E _fd (t) [о.е.], номинальная рабочая точка P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,62 [ пу].

. [пу].

Рис. 13.

Выходные траектории синхронного генератора: скорость вращения ротора ω(t) [pu] и угол ротора δ(t) [градусы], номинальная рабочая точка P = 1,0 [pu] и Q = 0,62 [pu].

Реакции генерируемой электроэнергии и напряжения на статоре показаны на рис. 12. Колебания четко видны по реакции генерируемой электроэнергии.

На рис. 13 показана реакция скорости вращения ротора и угла ротора на траектории входных сигналов, показанные на рис. 11.

проводились в разных рабочих точках для разных типов генераторов с разными номиналами. Из полученных результатов было очевидно, что динамика синхронного генератора существенно различается.

В этом тексте результаты для синхронного генератора с данными в таблице 6 представлены для двух наиболее характерных рабочих точек:

• Рабочая точка с высокой активной мощностью и низкой реактивной мощностью: P  = 1,0 [о.е.] и Q  = 0,1 [о.е.]. Эта точка представляет собой сильно демпфированную рабочую точку и, следовательно, менее проблематичный случай для тестирования СПП.

• Рабочая точка с малой активной мощностью и большой реактивной мощностью P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.]. Эта точка представляет собой слабозатухающую реальную рабочую точку и, следовательно, наихудший случай для тестирования СПП.

В таблице 8 показаны данные линеаризации и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса для рабочей точки, в которой активная мощность генерируется с очень высоким коэффициентом мощности cos φ.

P  = 1,0 [о. е.]	Q  = 0.1 [pu]	cos φ  = 0.995
K 1  = 1.2506	K 2  = 1.5867	K 3  = 0.3072
K 4  = 2.2164	K 5  = −0.0730	K 6  = 0.3693
λ 1  = −0.4493 + 9.9715i	λ 2  = −0,4493-9,9715i	λ 3 = −0,0750

Таблица 8.

Параметры линии 9001 и э-э-э-э-э. 0,1 [о.е.].

Результаты моделирования синхронного генератора в рабочей точке P  = 1 [о.е.] и Q  = 0,1 [о.е.] показаны на рисунках 14–16.

Рис. 14.

org/1998/Math/MathML» xmlns:xlink=»http://www.w3.org/1999/xlink» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance»> Траектории входных сигналов синхронного генератора: Механический крутящий моментT _m (t) [о.е.] и напряжение возбуждения ротора E _fd (t) [о.е.], рабочая точка P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,1 [о.е.].

Рисунок 15.

Выходные траектории синхронного генератора: генерируемая электрическая мощность P _e (t) [pu] и напряжение на клеммах статора V _t (t) [pu], рабочая точка P = 1,0 [pu] и Q = 0,1 [ пу].

Рисунок 16.

Выходные траектории синхронного генератора: скорость вращения ротора ω(t) [о.е.] и угол ротора δ(t) [градусы], рабочая точка P = 1,0 [о. е.] и Q = 0,1 [о.е.].

Рис. 17.

Траектории входов синхронного генератора: механический крутящий моментT _м (t) [о.е.] и напряжение возбуждения ротора E _fd (t) [о.е.], рабочая точка P = 0,1 [о.е.] и Q = 1,0 [о.е. ].

В таблице 9 показаны данные линеаризации и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса для других интересных рабочих точек. В этом случае вырабатывается почти только реактивная мощность — коэффициент мощности cos φ очень мал.

P  = 0.1 [pu]	Q  = 1.0 [pu]	cos φ  = 0.099
K 1  = 1.2614	K 2 = 0. 1631	K 3  = 0.3072
K 4  = 0.1219	K 5  = 0.0185	K 6  = 0.6207
λ 1  = −0.2123 + 10.0141i	λ 2  = −0.2123 − 10.0141i	λ 3  = −0.5490

Table 9.

Linearization parameters and eigenvalues ​​of the Heffron -Модель Phillips в рабочей точке P = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.].

Результаты моделирования синхронного генератора в рабочей точке P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.] показаны на рисунках 17–19..

Рисунок 18.

Выходные траектории синхронного генератора: генерируемая электрическая мощность P _e (t) [о. е.] и напряжение на клеммах статора V _t (t) [о.е.], рабочая точка P = 0,1 [о.е.] и Q = 1,0 [ пу].

Рисунок 19.

Выходные траектории синхронного генератора: скорость вращения ротора ω(t) [pu] и угол ротора δ(t) [градусы], рабочая точка P = 0,1 [pu] и Q = 1,0 [pu].

Из анализа влияния различных нагрузок на динамические характеристики синхронного генератора можно сделать вывод, что колебания динамики машины значительны во всем рабочем диапазоне, и, следовательно, необходима система управления для демпфирования колебания. Из сравнения откликов в различных рабочих точках становится очевидным, что существующая система является нелинейной и что традиционная теория линейного управления не обеспечивает адекватного демпфирования во всей рабочей зоне. Следовательно, реализация робастной или адаптивной теории управления имеет смысл.

Объявление

4. Традиционная система управления оборудованием возбуждения ротора синхронного генератора

На синхронный генератор непосредственно воздействуют две основные системы управления: система управления регулятором и система управления возбуждением. Система управления регулятором регулирует механическую мощность паровой или водяной турбины, открывая или закрывая клапаны, регулирующие поток пара или воды. Реакция системы управления регулятором слишком медленная, чтобы гасить колебания синхронного генератора, которые в основном находятся в диапазоне частот 0,5–2,5 Гц. Гашение колебаний возможно только при наличии системы управления возбуждением. Система управления возбуждением (также называемая автоматическим регулятором напряжения) изменяет напряжение (и ток) возбуждения ротора таким образом, чтобы выходное напряжение генератора было таким же (или достаточно близким) к опорному напряжению. В современных электростанциях тиристорные или транзисторные выпрямители используются в основном для создания необходимого напряжения для обмотки ротора. Поток электрической мощности от системы возбуждения намного меньше, чем поток механической мощности. Это, а также тот факт, что в системе возбуждения используются полупроводниковые компоненты вместо механических, является причиной того, что система возбуждения работает значительно быстрее, чем система регулятора. Поэтому для гашения колебаний используется возбудитель.

Традиционный линейный метод PSS основан на использовании статической системы возбуждения. Через эту систему СЭС изменяет напряжение возбуждения поля синхронного генератора. Вследствие этого создается дополнительная составляющая электрического крутящего момента. Этот крутящий момент должен быть синфазным со скоростью вращения ротора и, таким образом, увеличивает демпфирование синхронного генератора [9]. На рис. 20 представлена ​​блок-схема модели синхронного генератора Хеффрона-Филлипса, оснащенного системой возбуждения, регулятором напряжения и стабилизатором энергосистемы [10]. Выходное напряжение генератора сравнивается с опорным напряжением, и вычисленная ошибка передается на выпрямитель со встроенным регулятором напряжения. Выпрямитель с регулятором напряжения представлен моделью первого порядка. Вход PSS представляет один или несколько сигналов, в которых видны колебания. PSS формирует дополнительный сигнал, который добавляется к ошибке напряжения.

Рис. 20.

Блок-схема модели Хеффрона-Филлипса синхронного генератора, оснащенного системой возбуждения, регулятором напряжения и стабилизатором энергосистемы.

Символы на рисунке 20 означают следующее: k _es и T _es — усиление системы возбуждения [о.е.] и постоянная времени [с] соответственно, E _fd,ref — эталон напряжения возбуждения поля E _fd (оба в [pu]), в то время как u _PSS , y _PSS и G _PSS (s) являются входом PSS, выходом (оба в [pu]), и передаточной функции соответственно. Что касается переменных модели Хеффрона-Филлипса, индекс _Δ обозначает отклонение переменных от установившихся рабочих точек, а s — комплексную переменную Лапласа.

Для входа PSS u _PSS∆ должны использоваться переменные, содержащие информацию о колебаниях. Этими переменными являются электрическая мощность, угол ротора, скорость вращения ротора, частота, напряжение на клеммах и ускоряющий крутящий момент. Электроэнергия обычно выбирается в качестве входа в PSS. Выход ПСС, y _PSSΔ , управляющий сигнал для системы возбуждения. Передаточная функция обычного линейного ФСС представлена ​​следующим образом:

GPSSs=yPSSsuPSSs=kPSSsT1+1sT2+1sT3+1sT4+1sTwsTw+1GaafsE20

где k _PSS обозначает коэффициент усиления стабилизатора [pu]; T ₁ , T ₂ , T ₃ , T ₄ — постоянные времени стабилизаторов опережения-запаздывания; T _w – постоянная времени фильтра верхних частот (промывающего) [с]; и G _aaf ( s ) — передаточная функция фильтра нижних частот (сглаживающего).

На основе блок-схемы на рис. 20 и передаточной функции (уравнение (6)), ассоциация IEEE установила стандарт IEEE для исследований PSS [11]. Стандарт позволяет унифицировать коммерческие приложения PSS. Стандарт устанавливает четыре основных типа СЭС, которые различаются, главным образом, имеющимся входом и степенью передаточной функции. Большинство коммерческих СЭС реализуются по стандартизированным предложениям.

Для синтеза СЭС необходимо знание математической модели синхронного генератора с системой возбуждения. Требуемая модель рассчитывается по известным данным синхронного генератора или путем идентификации. Использование систематических методов настройки параметров обычных СЭУ обеспечивает эффективное демпфирование для номинальной рабочей точки, хотя и со значительно уменьшенным демпфированием для некоторых неноминальных рабочих точек. Другими недостатками этих методов являются требование параметров математической модели синхронного генератора и трудоемкая настройка. Поэтому на практике систематические методы применяются редко. Следовательно, не обеспечивается ни оптимальное демпфирование в номинальной рабочей точке, ни стабильная работа во всем рабочем диапазоне. Реализации неправильно настроенного PSS могут нанести вред. Такие СЭС на практике часто отключаются [12].

Из-за отсутствия математической модели синхронного генератора, сложного и трудоемкого синтеза традиционной линейной СЭС и ее доказанного неоптимального демпфирования во всем рабочем диапазоне синхронного генератора, передовые теории управления рекомендуются для Реализация ПСС.

Реклама

5. Надежный PSS

Среди многих подходов к надежному управлению управление в скользящем режиме является одним из самых интересных. Основными преимуществами такого управления являются его нечувствительность к изменениям параметров, подавление помех, методика проектирования с развязкой и простота реализации с помощью силовых преобразователей [13].

Основы теории управления скользящим режимом восходят к концу 1950-х годов. С этого времени возникли новые направления исследований, связанные с появлением новых классов задач управления, новых математических методов и новых перспектив реализации [13, 14, 15].

Для предлагаемой конструкции СЭС будет использована модификация управления скользящим режимом, основанная на принципе развязки. Математическая модель управляемого объекта должна быть приведена к регулярному виду:

ẋrf1t = arf11xrf1t+arf12xrf2te21

ẋrf2t = arf21xrf1t+arf22xrf2t+brf2upte22

, где a _RFIJ (I, J = 1,2) _RFIJ (I, J = 1,2) _RFIJ (I, J = 1,2) A _RFIJ (I, J = 1,2) A _RFIJ (I, J = 1,2) A _RFIJ (I, J = 1.2) A _RFIJ . −man и xRF2t∈ℜmae векторы в пространстве состояний, а u _p ( t ) входной вектор управляемого объекта. Матрица B _RF2 должна быть невырожденной.

Для проектирования СЭС, основанного на упрощенной линеаризованной модели синхронного генератора, вектор в пространстве состояний в правильной форме x _RF ( t ), где n = 3 и m = 1, можно выбрать как

xRFt=xRF1txRF2t, где:xRF1t=δΔtδ̇Δt и xRF2t=δ¨ΔtE23 все переменные пространства состояний модели регулярной формы синхронного генератора. Измерения электрической мощности, частоты вращения ротора и напряжения на клеммах возможны только на синхронном генераторе. Для управления скользящим режимом переменные пространства состояний для модели регулярной формы должны быть рассчитаны из измеренных переменных. Чтобы вычислить переменные в пространстве состояний регулярной формы, во-первых, переменные δ _Δ ( t ) and E ‘ _q∆ ( t ) can be calculated by inverting (Eq. (19)), such as

δΔtEqΔ′t=1K1K6−K2K5K6‐ K2-K5K1PEΔTVTΔTe24

−K2ωs2HδΔtωΔtEqΔ′tE25

Таким образом можно было получить переменные в пространстве состояний без явного дифференцирования.

Поверхность скольжения была выбрана такой, что отклонение угла ротора и отклонение скорости ротора экспоненциально сходились к нулю. Для этого было выбрано линейное уравнение поверхности скольжения:

st=DxRF1t+xRF2t,st∈ℜmE26

При появлении режима скольжения на многообразии s ( t ) = 0, где x _RF2 ( t ) = – Dx _RF1 ( t ), поведение системы определяется ( н-м ) уравнение порядка

ẋRF1=ARF11−ARF12DxRF1E27

Для получения требуемых динамических свойств системы управления были заданы собственные значения замкнутой системы с линейной обратной связью. Для управляемой системы, описываемой (уравнениями (21), (22)), существует матрица D , обеспечивающая желаемые собственные значения системы (уравнение (27)).

На первом этапе проектирования скользящего режима мы выбрали желаемые собственные значения системы, описанной с помощью (уравнение (27)). Из искомых собственных значений определялась матрица D как решение задачи на собственные значения ( n-m )-го порядка. Матрица D определяет уравнение разрывных поверхностей скольжения (уравнение (27)).

Вторым этапом методики расчета является выбор разрывного закона управления таким, чтобы на многообразии всегда возникал скользящий режим s ( t ) = 0, что эквивалентно устойчивости начала координат в м -мерное пространство s ( t ). Динамика на 9.0093 s ( t ) пространства описываются уравнением −gxRFtBRF2−1sgnstE29

, где xRFt — сумма модулей компонентов вектора xRFt, а g — константа.

Выбранное прерывистое управление приводит к

ṡt=ExRFt−gxRFtsgnstE30

Существует такое положительное значение g, что функции стоят ṡимеют разные знаки. Это означает, что на поверхности разрыва будет иметь место скользящий режим. Влияние прерывистости управляющего сигнала уменьшается за счет изменения амплитуды управляющего сигнала.

Реклама

6. Адаптивная ФСС

В литературе можно найти множество примеров использования различных адаптивных методов для реализации ФСС. Большинство реализаций СЭС основаны на использовании косвенного адаптивного управления, где необходимо проводить явную идентификацию математической модели синхронного генератора [16, 17]. Преимуществом непрямой адаптивной СЭС является прозрачная структура адаптивной системы управления с разделёнными алгоритмом идентификации и законом управления. Значительно меньше публикаций, где представлено использование прямого адаптивного управления для PSS [18]. Методы прямого адаптивного управления сложнее использовать для традиционной структуры СЭС, чем для косвенного адаптивного управления. Однако их преимущество заключается в том, что они не требуют явной идентификации SG, и, следовательно, они менее требовательны к вычислительным ресурсам. В данной статье будет проведено сравнение разработанной робастной СЭС с прямой адаптивной СЭС, подробно изученной в [2].

Теоретическая основа используемой прямой адаптивной ФЭС представлена ​​теорией модельного эталонного адаптивного управления почти строго положительными реальными объектами.

Реализованное прямое адаптивное управление рассматривается для управляемого объекта, который описывается формулой

ẋpt=Apxpt+BpuptE31

ypt=CpxptE32

, где xpt∈ℜ — вектор состояния управляемого объекта, upt∈ℜmi — управляемый объект входной вектор, ypt∈ℜris вектор выхода управляемого объекта, и A _p , B _p , C _p — матрицы соответствующих размерностей.

Предполагается, что:

• Диапазон параметров матриц объекта ограничен.

• Все возможные пары A _p и B _p являются управляемыми и стабилизируемыми.

• Все возможные пары A _p и C _p являются наблюдаемыми.

Справочная модель описана

ẋMT = AMXMT+BMUMTE33

YMT = CMXMTE34

, где x _M ( T ) — это состояние модели, U U U U U U U U ) ( T ). t ) — командный вектор модели, y _m ( t ) — выходной вектор модели, а A _m , B _m и C _m — матрицы соответствующих размерностей. Предполагается, что модель устойчива. Размерность состояния модели может быть меньше размерности состояния объекта.

Ошибка отслеживания выхода определяется как

eyt=ymt-yptE35

Управление u _p ( t ) для вектора выхода объекта » выход эталонной модели у _M ( T ) без явных знаний о A _P , B _P и C _P генерируется Adaptive AlgorithM:

444te upt upt.

UPT = KTRTE37

, где

KT = KetKXTKUTE38

RTT = EYTTXMTTUMTT.E39

.0004 Kt=KPt+KItE40

KPt=eytrTtTE41

K̇It=eytrTtT¯−σKItE42

где член σ введен для того, чтобы избежать расходимости интегральных коэффициентов при наличии возмущения, а T и T¯ положительно определены и положительные полуопределенные матрицы коэффициентов адаптации соответственно.

Необходимое условие асимптотического слежения, когда u _m ( t ) является ступенчатой ​​командой, состоит в том, что управляемый объект является почти строго положительным вещественным (ASPR) [19]. Если управляемый объект не является ASPR, предлагается дополнить объект компенсатором с прямой связью, чтобы расширенный объект был ASPR. В этом случае можно использовать ранее описанный адаптивный контроллер.

Для не-ASPR объекта, описываемого передаточной матрицей

Gps=CpsI−Ap−1BpE43

компенсатор прямой связи определяется строго правильной матрицей передаточной функции G _ff ( s ) с реализацией

ṡpt = ASSPT+BSUPTE44

RPT = DSSPTE45

Вместо вывода завода Y _P ( T ), Augmented Выход Z _P ( T ). zpt=ypt+rptE46

Расширенная система определяется как

Gas=Gps+GffsE47

Компенсатор с прямой связью G _ff ( s ) является инверсией ( s ) фиктивного контроллера выбираться таким образом, чтобы результирующая относительная степень аугментированного растения G _a ( s ) действительно равно 1. Например, если SISO-объект G _p ( s ) стабилизируется PD-контроллером, можно использовать его инверсию простым способом. фильтр нижних частот первого порядка.

Объявление

7. Результаты

Эффективность предлагаемого скользящего режима СЭС и прямого адаптивного СЭС проверена с помощью моделирования нелинейной модели седьмого порядка синхронного генератора во всем рабочем диапазоне, как численно, так и экспериментально. , в лаборатории.

7.1 Надежный PSS

Блок-схема PSS со скользящим режимом показана на рисунке 21.

Рисунок 21.

Блок-схема PSS со скользящим режимом.

Регулятор скользящего режима требует измерения трех параметров синхронного генератора: электрической мощности, частоты вращения ротора и напряжения на клеммах. Входные фильтры — это фильтры нижних частот для устранения измеряемого шума. Из этих измеренных переменных переменные пространства состояний для модели регулярной формы вычисляются посредством преобразования состояния. Преобразование состояния осуществляется уравнениями. (24) и (25). Полученные переменные пространства состояний регулярной формы используются в законе управления, описанном уравнениями. (26) и (29). Вывод разрывного закона управления осуществляется в ограничителе. Применялось жесткое насыщение выхода СЭУ с ограничением значения ±35% от значения номинального напряжения возбуждения ротора. Установленное значение представляет собой ограничение в реальной системе возбуждения.

Для синхронного генератора с данными, перечисленными в разделе 3, мы выбрали желаемые собственные значения λ1,2=−2 для системы в (уравнение (27)). Были рассчитаны следующие параметры закона управления [2]:

D=44BRF2−1=−0,06g=350E48

7.1.1 Номинальная рабочая точка

На рисунках 22–24 показаны отклики нелинейной модели седьмого порядка рассматриваемого синхронного генератора мощностью 160 МВА, оснащенного системой возбуждения и робастной СЭС, на ступенчатые изменения механического момента и поля напряжение возбуждения, как показано на рисунке 11. Синхронный генератор работает в окрестности номинальной рабочей точки. На рисунках 22 и 23 показаны генерируемая электрическая мощность, частота вращения ротора и угол поворота ротора в номинальной рабочей точке 9.0017 P  = 1,0 [о.е.] и Q  = 0,62 [о.е.].

Рисунок 22.

w3.org/2001/XMLSchema-instance»> Электрическая мощность P _e (t) [pu] и скорость вращения ротора ω(t) [pu] в номинальной рабочей точке P = 1,0 [pu] и Q = 0,62 [pu] с надежной PSS.

Рис. 23.

Угол ротора δ(t) [о.е.] в номинальной рабочей точке P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,62 [о.е.], с надежным PSS.

Рис. 24.

Напряжение возбуждения E _FD (t) [о.е.] в номинальной рабочей точке P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,62 [о.е.], с надежным PSS.

На рис. 24 показано напряжение возбуждения, создаваемое надежной СЭС в рабочей точке P  = 1,0 [о.е.] и Q  = 0,62 [о.е.]. Границы ограничителей видны четко.

7.1.2 Влияние возмущения нагрузки

При работе во всем рабочем диапазоне динамика синхронного генератора существенно меняется. Регулятор скользящего режима с рассчитанными параметрами был стабильным и надежным и показывал эффективное демпфирование во всех условиях эксплуатации. Теоретический анализ инвариантности предложенной системы управления к возмущениям и изменению параметра объекта подробно описан в [20].

В данной работе представлены результаты двух наиболее крайних рабочих точек (тех же рабочих точек, что описаны в разделе 3.2):

На рис. 25 показаны генерируемая электрическая мощность и частота вращения ротора в рабочей точке P  = 1,0 [ о.е.] и Q  = 0,1 [о.е.], а на рисунке 26 показаны обе величины в рабочей точке P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.].

Рисунок 25.

Электрическая мощность P _e (т) [о.е.] и скорость вращения ротора ω(t) [о.е.] в рабочей точке P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,1 [о. е.], с надежной PSS.

Рис. 26.

Электрическая мощность P _e (t) [pu] и скорость вращения ротора ω(t) [pu] в рабочей точке P = 0,1 [pu] и Q = 1,0 [pu] с надежной PSS.

7.1.3 Влияние отклонений параметров

Для анализа влияния отклонений параметров на эффективность демпфирования предложенных систем управления обе системы управления были испытаны в различных рабочих точках для синхронных генераторов разных типов и номинальных мощностей. В данной работе представлены результаты для синхронного генератора номинальной мощностью 555 МВА. Данные рассматриваемого синхронного генератора приведены в табл. 10 [4].

18 _IB = 1,0 [PU]

_IB = 1,0 [PU]

_IB = 1,0 [PU]

= 1,0 [PU] _IB = 1,0 [PU] _IB = 1,0 [PU]

_IB = 1.0 [PU]

.

Данные синхронного генератора мощностью 555 МВА, используемые для анализа влияния изменений параметров на эффективность демпфирования [4].

Коэффициенты линеаризации для номинальной рабочей точки ( P _N  = 1 [о.е.], cos φ _N  = 0,9) и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса (λ _{9,5 λ 5 4 0 1} , λ ₃ ) представлены в таблице 11.

S N  = 555 [MVA]	V N  = 24 [kV]	cos φ N  = 0. 90
Ом S = 377 [RAD S −1 ]
T ‘ D0 = 8,0 [PU]
R E = 0,02 [PU]	L E = 0,4 [PU]	V IB = 1,0 [PU]
R F = 0,0006 [PU]	x ‘ D = 0,300 [PU]
L 111111111116111611161116116111611161116111611161116161116161116111611161611161616164111161641111616111тели. q  = 1,760 [о.е.]	L F = 0,165 [PU]
L D = 0,171 [PU]	L Q = 0,084 [PU] 9 Q = 0,084.
L D = 0,150 [PU]	L Q = 0,150 [PU]	L AQ = 1,61026 L AQ = 1,6101666 L AQ = 1.6101666 L AQ

9

_Q = 1,0 [PU]

9

_Q = 1,0 [PU] 9165

9

_Q = 1,0 [PU]

9

_Q = 1,0 [PU]

9

_Q = 1,0 [PU]

_Q . φ _N  = 0,90

Таблица 11.

Параметры линеаризации и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса в номинальной рабочей точке синхронного генератора мощностью 555 МВА.

Переходная характеристика неуправляемого синхронного генератора с данными в таблице 10 и данными номинальной рабочей точки в таблице 11 показана на рисунках 27 и 28. Моделируются ступенчатые изменения на входах обоих генераторов. На рис. 27 показана смоделированная траектория механического момента турбины и напряжения возбуждения ротора. Ступенчатые изменения выбираются как наихудший случай для максимального возбуждения колебаний.

Рисунок 27.

Траектории входных сигналов синхронного генератора мощностью 555 МВА: механический крутящий моментT _м (t) [о.е.] и напряжение возбуждения ротораE _fd (t) [о.е.], номинальная рабочая точка P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,48 [о.е.].

Рис. 28.

Выходные траектории синхронного генератора мощностью 555 МВА: скорость вращения ротора ω(t) [о.е.] и угол δ(t) ротора [градусы], номинальная рабочая точка P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,48 [о.е.], без ПСС.

На рис. 28 показана реакция генерируемой электрической мощности и скорости вращения ротора на траектории входов, показанные на рис. 27.

Представлены результаты робастного управления в двух рабочих точках:

• P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,1 [о.е.]: коэффициенты линеаризации и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса ₁ , λ ₂ , λ ₃ ) представлены в таблице 12, ступенчатые изменения механического момента и напряжения возбуждения поля показаны на рисунке 29, а генерируемая электрическая мощность и частота вращения ротора показаны на рисунке 30.

• P = 0,1 [PU] и Q = 1,0 [PU]: коэффициенты линеаризации и собственные задолженности модели Heffron-Phillip ₃ ) представлены в таблице 13, ступенчатые изменения механического момента и напряжения возбуждения поля показаны на рисунке 31, а генерируемая электрическая мощность и частота вращения ротора показаны на рисунке 32.

Таблица 12.

Производительность в параметрах линеаризации и собственных значениях модели Хеффрона-Филлипса в рабочей точке P  = 1,0 [о. е.] и Q  = 0,1 [о.е.] синхронного генератора мощностью 555 МВА.

Table 13.

Параметры линеаризации и собственные значения модели Хеффрона-Филлипса в рабочей точке P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.] синхронного генератора мощностью 555 МВА.

Рис. 29.

Траектории входных сигналов синхронного генератора мощностью 555 МВА: Механический крутящий моментT _m (t) [о.е.] и напряжение возбуждения ротора E _fd (t) [о.е.], рабочая точка P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,1 [о.е.].

Рисунок 30.

Электрическая мощность синхронного генератора мощностью 555 МВА P _e (t) [о.е.] и частота вращения ротора ω(t) [о.е.] в номинальной рабочей точке P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,1 [о.е.], с робастной ПСС.

Рис.

31.

Траектории входных сигналов синхронного генератора мощностью 555 МВА: механический крутящий момент T _м (t) [pu] и напряжение возбуждения ротора E _fd (t) [о.е.], рабочая точка P = 0,1 [о.е.] и Q = 1,0 [о.е.].

Рис. 32.

Электрическая мощность синхронного генератора мощностью 555 МВА P _e (t) [о.е.] и частота вращения ротора ω(t) [о.е.] в номинальной рабочей точке P = 0,1 [о.е.] и Q = 1,0 [о.е.], с робастной ПСС.

На рис. 25 показаны генерируемая электрическая мощность и частота вращения ротора в рабочей точке с сильным демпфированием P = 1,0 [о.0017 P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.].

7.2 Адаптивный PSS

Предлагаемый прямой адаптивный регулятор гарантирует стабильность любой управляемой установки, которая удовлетворяет условиям ASPR. Синхронный генератор с автоматической системой напряжения не удовлетворяет необходимым условиям ASPR. Дополнение объекта параллельным упреждающим компенсатором необходимо проводить для обеспечения стабильной работы всей системы адаптивного управления. Аугментация выполняется таким образом, чтобы аугментированное растение удовлетворяло условиям ASPR. Требование в большинстве случаев удовлетворяется введением упреждающего компенсатора G _ff (s), который подключается параллельно основной управляемой установке. Подходящий стабилизатор с прямой связью представляет собой фильтр нижних частот первого порядка с коэффициентом усиления компенсатора с прямой связью k _ff и постоянной времени компенсатора с прямой связью T _ff [18].

Блок-схема прямого адаптивного PSS представлена ​​на рисунке 33.

Преимуществом схемы управления, показанной на рисунке 33, по сравнению с другими адаптивными структурами является очень простая реализация механизма адаптации. Представленная прямая адаптивная ФСС существенно упрощена; а именно, эталонная модель не требуется из-за постоянного (нулевого) командного сигнала.

Напряжение опорной клеммы В _t,ref и механический крутящий момент T _м переменные представляют собой основные помехи, влияющие на динамику синхронного генератора. Изменения нагрузки синхронного генератора можно рассматривать как возмущения параметров управляемой установки. Блок промывки (входные фильтры) служит фильтром верхних частот с постоянной времени T _w достаточно высокой, чтобы пропускать сигналы, связанные с колебаниями активной мощности генератора P _e пройти без изменений. Без него устойчивые изменения мощности изменяли бы напряжение на клеммах. Это позволяет СЭС реагировать только на изменение активной мощности генератора. С точки зрения функции смыва значение T _w не критично и может находиться в диапазоне 1–20 с. Основное соображение состоит в том, что этого времени будет достаточно для прохождения стабилизирующих сигналов без изменений на интересующих частотах. Закон прямого адаптивного управления представлен (уравнениями (35)–(42)). Необходимый компенсатор с прямой связью описывается уравнениями. (44) и (45). В моделирование была включена та же модель насыщения исполнительного механизма, что и в разделе 7.1.1.

Параметры механизма адаптации рассматриваемого линеаризованного объекта управления определяются по правилам, описанным в [2], например 3Tff=1⋅10−3E49

7.2.1 Номинальная рабочая точка

На рисунках 34–36 представлены отклики нелинейной модели седьмого порядка рассматриваемого синхронного генератора мощностью 160 МВА, оснащенного системой возбуждения и адаптивной СЭД, на ступенчатые изменения механического крутящего момента и напряжения возбуждения поля, как показано на рисунке 11. На рисунках 34 и 35 показаны генерируемая электрическая мощность, скорость вращения ротора и угол ротора в номинальной рабочей точке P = 1,0 [о. е.] и Q = 0,62 [о.е.].

На рис. 36 показано напряжение возбуждения, создаваемое адаптивным СЭП в номинальной рабочей точке P  = 1,0 [о.е.] и Q  = 0,62 [о.е.].

Рисунки 34–36 непосредственно сопоставимы с рисунками 22–25.

7.2.2 Влияние возмущения нагрузки

Представлены результаты для двух наиболее экстремальных рабочих точек (таких же, как в разделах 3.2 и 7.1.2):

• P  = 1,0 [о.е.] и Q  = 0,1 [о.е.]: генерируемая электрическая мощность и скорость вращения ротора показаны на рис. 37.

• P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.]: генерируемая электрическая мощность и скорость вращения ротора показаны на рисунке 38.

7.2.3 Влияние отклонений параметров 45

адаптивной СЭУ для гашения колебаний при наличии отклонений параметров показана при испытании на синхронном генераторе мощностью 555 МВА, как и в разделе 7.1.3. На рис. 39 показаны генерируемая электрическая мощность и частота вращения ротора в рабочей точке 9. 0017 P  = 1,0 [о.е.] и Q  = 0,1 [о.е.], а на рисунке 40 показаны обе величины в рабочей точке P  = 0,1 [о.е.] и Q  = 1,0 [о.е.].

7.3 Оценка представленных стабилизаторов энергосистемы

Из результатов, представленных в разделах 7.1 и 7.2, представленных на рисунках 22–32 и 34–40, ясно видно, что надежные и адаптивные СЭС улучшают гашение колебаний синхронных генераторов значительно (меньшее время колебаний, меньшее перерегулирование и лучшее демпфирование). Численная оценка была сделана для лучшего понимания эффективности обоих алгоритмов управления. Для более объективной численной оценки предлагаемых подходов к управлению был введен интегральный квадратичный показатель качества колебаний частоты вращения ротора (∫ω2dt). Временные характеристики, показанные на рисунках 13,16,19,22,25,26,34,37 и 38 рассматривались для синхронного генератора номинальной мощностью 160 МВА. Расчетные показатели эффективности приведены в таблице 14. Улучшения показателя эффективности за счет предлагаемых систем управления для неуправляемого синхронного генератора представлены в таблице 15.

Рисунок 33.

Блок-схема прямой адаптивной СЭС.

Рис. 34.

Электрическая мощность P _e (t) [pu] и скорость вращения ротора ω(t) [pu] в рабочей точке P = 1,0 [pu] и Q = 0,62 [pu] с адаптивным PSS.

Рис. 35.

Угол ротора δ(t) [о.е.] в номинальной рабочей точке P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,62 [о.е.], с адаптивным PSS.

Рис. 36.

Напряжение возбуждения E _FD (t) [о. е.] в номинальной рабочей точке P = 1,0 [о.е.] и Q = 0,62 [о.е.], с адаптивным PSS.

Рисунок 37.

Электрическая мощность P _e (t) [pu] и скорость вращения ротора ω(t) [pu] в рабочей точке P = 1,0 [pu] и Q = 0,1 [pu] с адаптивным PSS.

Рис. 38.

Электрическая мощность, стр. _e (t) [о.е.] и скорость вращения ротора ω(t) [о.е.] в рабочей точке P = 0,1 [о.е.] и Q = 1,0 [о.е.] с адаптивным PSS.

Рис. 39.

Электрическая мощность синхронного генератора мощностью 555 МВА P _e (t) [pu] и частота вращения ротора ω(t) [pu] в рабочей точке P = 1,0 [pu] и Q = 0,1 [pu] с адаптивным PSS .

Рис. 40.

Электрическая мощность синхронного генератора мощностью 555 МВА P _e (t) [о.е.] и частота вращения ротора ω(t) [о.е.] в рабочей точке P = 0,1 [о.е.] и Q = 1,0 [о.е.], с адаптивной СЭС .

Synchronous generator with nominal power S N  = 160 [MVA]
P [pu]	Q [pu]	cos φ	Performance index
			Without PSS	Robust PSS	Adaptive PSS
1. 0	0.1	0.995	1.98 10 −6	0.96 10 −6	0.91 10 −6
1.0	0.62	0.85	0.99 10 −6	0.56 10 −6	0.44 10 −6
0.1	1.0	0.099	0.56 10 −6	0.41 10 −6	0.42 10 −6

Table 14.

Интегральный коэффициент квадратного корня колебаний частоты вращения ротора синхронного генератора мощностью 160 МВА без СЭС, с робастной СЭС или с адаптивной СЭС в различных рабочих точках.

Synchronous generator with nominal power S N  = 160 [MVA]
P [pu]	Q [pu]	cos φ	Улучшение показателя производительности относительно случая без PSS [%]
			Robust PSS	Adaptive PSS
1. 0	0.1	0.995	51 [%]	54 [%]
1.0	0.62	0.85	43 [ %]	55 [%]
0.1	1.0	0.099	26 [%]	25 [%]

Table 15.

The improvements of the integral square root performance показатель колебания частоты вращения ротора синхронного генератора мощностью 160 МВА в различных рабочих точках при использовании робастной или адаптивной СЭС.

Временные характеристики, показанные на рисунках 28, 30, 32, 39 и 40, рассматривались для синхронного генератора с номинальной мощностью 555 МВА. Рассчитанные показатели эффективности синхронного генератора без СЭС, с робастной СЭС или с адаптивной СЭС приведены в таблице 16. Улучшения показателей эффективности за счет предлагаемых систем управления по отношению к неуправляемому синхронному генератору представлены в таблице 17.

Synchronous generator with nominal power S N  = 555 [MVA]
P [pu]	Q [pu]	cos φ	Performance index
			Without PSS	Robust PSS	Adaptive PSS
1.0	0.1	0.995	1.73 10 −6	0.76 10 −6	0. 92 10 −6
1.0	0.62	0.85	0.89 10 −6	0.51 10 −6	0.47 10 −6
0.1	1.0	0.099	0.33 10 −6	0.28 10 −6	0.28 10 −6

Table 16.

Integral square root performance index of rotor speed oscillation of the 555 Синхронный генератор МВА без СЭС, с робастной СЭС или с адаптивной СЭС в различных рабочих точках.

w3.org/1998/Math/MathML» xmlns:xlink=»http://www.w3.org/1999/xlink» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance»>

Таблица 17.

Улучшение интегрального показателя квадратного корня колебаний частоты вращения ротора синхронного генератора мощностью 555 МВА в различных рабочих точках после использования робастного или адаптивного PSS.

Из полученных численных результатов видно, что предложенные надежные и адаптивные PSS обеспечивают значительное улучшение демпфирования во всем рабочем диапазоне. Эффективность обоих предложенных стабилизаторов аналогична. Они зависят от типа генератора, габаритов генератора, рабочей точки (нагрузки) и т. д. В целом можно сделать вывод, что по введенному показателю производительности их улучшение находится в пределах 10–60 [%].

Реклама

8. Заключение

Изменения в конструкции синхронных генераторов и введение в энергосистемы дополнительных систем управления привели к значительному увеличению колебаний в энергосистемах и связанным с ними проблемам устойчивости. Обычные стабилизаторы линейной энергосистемы не способны решить эти проблемы. Передовые теории управления кажутся подходящими для разработки более мощных стабилизаторов энергосистемы.

На основе теории робастного управления и теории адаптивного управления разработаны два стабилизатора энергосистемы. Эффективность обоих стабилизаторов оценивалась максимально объективно. Предлагаемые подходы к управлению были оценены на основе теоретического анализа и численного моделирования. Стабилизатор скользящего режима и прямой адаптивный стабилизатор имеют следующие преимущества по сравнению с обычными линейными стабилизаторами:

• Доказательства устойчивости всей замкнутой системы существуют для обоих представленных регуляторов.

• Оба контроллера требуют минимального предварительного знания структуры и параметров управляемой установки.

• Оба контроллера имеют несложную процедуру настройки.

• Оба контроллера не требуют измерения дополнительных переменных объекта управления.

• Оба контроллера просты в реализации (низкие требования к вычислительным ресурсам и низкая частота дискретизации).

• Оба регулятора гасят колебания во всем рабочем диапазоне и обеспечивают стабильность.

• Оба контроллера не рассчитывают высокие выходные амплитуды и нечувствительны к насыщению привода.

Сравнение разработанных новых стабилизаторов энергосистем показывает значительное преимущество современных концепций во всех рассмотренных диапазонах работы. В связи с актуальностью и важностью решаемых вопросов разработка более эффективных стабилизаторов энергосистемы неизбежна. По нашим оценкам, в будущем интенсивность исследований в этой области будет возрастать. По нашей оценке, робастное и адаптивное управление оказалось наиболее перспективным для реализации в стабилизаторах энергосистемы.

Ссылки

1. 1. Международная энергетика [Интернет]. 2020. Доступно по адресу: https://www.iea.org/data-and-statistics?country=WORLD&fuel=Energy%20supply&indicator=Electricity%20generation%20by%20source [Проверено: 19 января 2020 г.]
2. 2. Ritonja J. Адаптивная стабилизация системы возбуждения генератора. ВЫНУЖДЕНИЕ. 2011;30(3):1092-1108. DOI: 10.1108/03321641111111022
3. 3. Болдеа И. Синхронные генераторы. Бока-Ратон: Группа Тейлор и Фрэнсис; 2016
4. 4. Андерсон П.М., Фуад А.А. Контроль и стабильность энергосистемы. Эймс, Айова: Издательство государственного университета Айовы; 1977
5. 5. Ритоня Дж., Петрун М., Чернелич Дж., Брезовник Р., Полайжер Б. Анализ и применимость модели Хеффрона-Филлипса. Электроника и электротехника [Печатное изд.]. 2016;22(4):3-10. DOI: 10.5755/j01.eie.22.4.15905. иллюстр. ISSN: 1392-1215
6. 6. Кундур П. Стабильность и управление энергосистемой. Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc.; 1994
7. 7. Heffron WG, Phillips RA. Влияние современного амплидинного регулятора напряжения на недовозбуждение больших турбогенераторов. Транзакции AIEE. 1952;71:692-697
8. 8. Берген А.Р., Виттал В. Анализ энергосистем. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice-Hall Inc.; 2000
9. 9. Демелло Ф.П., Конкордия С. Концепции устойчивости синхронных машин при воздействии управления возбуждением. IEEE Trans. Энергетический аппар. Сист. 1969;88(4):316-329
10. 10. Маховский Дж., Биалек Дж.В., Бамби Дж.Р. Динамика энергосистемы, стабильность и контроль. Западный Сассекс, Соединенное Королевство: John Wiley and Sons, Ltd.; 2008
11. 11. Стандарт IEEE. Рекомендованная IEEE практика для моделей систем возбуждения для исследований стабильности энергосистемы. В: IEEE Std 421.5–2005, Энергетическое инженерное общество IEEE, Комитет по развитию энергетики и производству электроэнергии; 21 апреля 2006 г.
12. 12. Ритоня Дж., Душак М. Анализ стабилизаторов энергосистемы Словении. Журнал электротехники и информатики. Любляна: Электротехническое общество Словении; 2014
13. 13. Уткин В.И. Принципы проектирования скользящего режима управления и применение к электроприводам. Транзакции IEEE по промышленной электронике. 1993;40(1):23-36
14. 14. Бартолини Г., Фридман Л., Пизано А., Усаи Э. Современная теория управления скользящим режимом. Нью-Йорк: Springer Verlag; 2008
15. 15. Слотин Дж.Э., Ли В. Прикладное нелинейное управление. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice Hall Inc.; 1991
16. 16. Ландау Ю.Д. Адаптивное управление. Нью-Йорк: Марсель Деккер Инк.; 1979
17. 17. Эйхманн А., Колер А., Малик О.П., Таборда Дж. Прототип самонастраивающегося стабилизатора адаптивной энергосистемы для гашения колебаний активной мощности. В: Материалы летнего собрания Энергетического общества в Сиэтле, Вашингтон, Vol. 1. ИИЭР; 2000. pp. 122-126
18. 18. Ritonja J, Dolinar D, Grčar B. Простое адаптивное управление для стабилизатора энергосистемы. В: IEEE Proceedings Control Theory and Applications [печатное издание]; 2000. С. 373-380
19. 19. Кауфман Х., Бар-Хана И., Собел К. Алгоритмы прямого адаптивного управления. Нью-Йорк: Springer Verlag; 1993
20. 20. Шабанович А. Системы с переменной структурой и скользящими режимами управления движением. Обзор. IEEE Transactions по промышленной информатике. 2011;7(2):212-223

Разделы

Информация об авторе

• 1. Введение
• 2. Математическая модель синхронного генератора, подключенного к энергосистеме
• 3. Анализ влияния колебаний на качество энергосистемы
• 4. Кантерная система управления для оборудования для возбуждения ротора синхронного генератора
• 5.Robust PSS
• 6. Aadaptive PSS
• 7.Results
• 8.conclusion

461569156_{1646156156156156156156156156.}

Опубликовано: 3 декабря 2019 г. Рассмотрено: 15 апреля 2020 г. Опубликовано: 1 июня 2020 г.

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

© 2020 Автор(ы). Лицензиат IntechOpen. Эта глава распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3. 0, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Академические редакторы и авторы IntechOpen получили финансирование для своей работы от многих известных спонсоров, включая: Европейскую комиссию, Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Wellcome Trust, Китайскую академию наук, Фонд естественных наук Китая (NSFC), CGIAR Консорциум международных центров сельскохозяйственных исследований, Национальный институт здравоохранения (NIH), Национальный научный фонд (NSF), Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Немецкий исследовательский фонд (DFG), Исследовательские советы Соединенное Королевство (RCUK), Фонд Освальдо Круза, Австрийский научный фонд (FWF), Фонд науки и технологий (FCT), Австралийский исследовательский совет (ARC).

Затраты на публикации в открытом доступе часто могут быть указаны непосредственно в грантах или в конкретных бюджетах, выделенных для этой цели. Многие из наиболее важных финансирующих организаций поощряют и даже требуют, чтобы проекты, которые они финансируют, были доступны широкой общественности бесплатно. IntechOpen стремится поддерживать отличные отношения с этими спонсорами и обеспечивает соблюдение мандатов.

Чтобы помочь авторам определить подходящие финансирующие агентства и учреждения, мы создали список на основе обширного исследования различных ресурсов открытого доступа (включая ROARMAP и SHERPA/JULIET) организаций, у которых есть доступные средства. Перед ознакомлением с нашим списком мы рекомендуем вам обратиться в ваше собственное учреждение или организацию за средствами открытого доступа или проверить спецификации вашего гранта у вашего спонсора, чтобы убедиться, включены ли расходы на публикацию. Если вы получаете грант, вы должны уточнить:  

Если вы связаны с каким-либо учреждением из нашего списка ниже, вы можете подать заявку на получение средств на публикацию в открытом доступе, следуя инструкциям, приведенным по ссылкам. Пожалуйста, ознакомьтесь с политикой открытого доступа или положениями и условиями предоставления любого учреждения, с которым вы связаны, чтобы изучить способы покрытия ваших расходов на публикацию (также доступны, нажав на ссылку в их названии).

Обратите внимание, что этот список не является окончательным и регулярно обновляется. Чтобы предложить возможные изменения или включение вашей организации/спонсора, свяжитесь с нами по адресу [email protected]

Имейте в виду, что вы должны быть членом или грантополучателем перечисленных организаций/спонсоров, чтобы подать заявку на получение их средств для публикации в открытом доступе.

Затраты на публикации в открытом доступе часто могут быть указаны непосредственно в грантах или в конкретных бюджетах, выделенных для этой цели. Многие из наиболее важных финансирующих организаций поощряют и даже требуют, чтобы проекты, которые они финансируют, были доступны широкой общественности бесплатно. IntechOpen стремится поддерживать отличные отношения с этими спонсорами и обеспечивает соблюдение мандатов.

Чтобы помочь авторам определить подходящие финансирующие агентства и учреждения, мы создали список на основе обширного исследования различных ресурсов открытого доступа (включая ROARMAP и SHERPA/JULIET) организаций, у которых есть доступные средства. Перед ознакомлением с нашим списком мы рекомендуем вам обратиться в ваше собственное учреждение или организацию за средствами открытого доступа или проверить спецификации вашего гранта у вашего спонсора, чтобы убедиться, включены ли расходы на публикацию. Если вы получаете грант, вы должны уточнить:  

Если вы связаны с каким-либо учреждением из нашего списка ниже, вы можете подать заявку на получение средств на публикацию в открытом доступе, следуя инструкциям, приведенным по ссылкам. Пожалуйста, ознакомьтесь с политикой открытого доступа или положениями и условиями предоставления любого учреждения, с которым вы связаны, чтобы изучить способы покрытия ваших расходов на публикацию (также доступны, нажав на ссылку в их названии).

Обратите внимание, что этот список не является окончательным и регулярно обновляется. Чтобы предложить возможные изменения или включение вашей организации/спонсора, свяжитесь с нами по адресу [email protected]

Имейте в виду, что вы должны быть членом или грантополучателем перечисленных организаций/спонсоров, чтобы подать заявку на получение их средств для публикации в открытом доступе.

Управление виртуальным синхронным генератором системы VSC-HVDC на основе MMC гибридной топологии

На этой странице -bridge, своего рода стратегия управления виртуальным синхронным генератором (VSG), которая может быть применена к структуре модульного многоуровневого преобразователя (MMC), подключенной к сети, была исследована и предложена. Во-первых, на основе традиционной стратегии управления VSG энергия, запасенная в эквивалентном конденсаторе силового модуля MMC, использовалась для имитации инерции ротора синхронного генератора. Характеристики генератора могут быть смоделированы во время переходных колебаний частоты, что может помочь уменьшить колебания мощности. Во-вторых, что касается конструктивных особенностей прямого подключения к сети через реактор на стороне переменного тока MMC, в отличие от микросетевого инвертора, отсутствуют дополнительные фильтрующие конденсаторы. Таким образом, существующая широко используемая стратегия управления VSG микросетевого инвертора и структура с двойным замкнутым контуром, состоящая из напряжения конденсатора фильтра и переменного тока, не может быть применена напрямую. Для этого был использован метод, при котором заданные значения внутреннего контура тока рассчитываются по матрице импеданса сетки. Таким образом, получается структура управления с двойным замкнутым контуром, состоящая из внешнего контура мощности на основе управления VSG и внутреннего контура тока. Это может эффективно улучшить текущие возможности управления во время переходного процесса. Наконец, гибридная имитационная модель MMC была построена на основе PSCAD для проверки правильности и эффективности предложенных методов.

1. Введение

С развитием технологии микросетей и постоянным расширением новых мощностей, подключенных к энергосистеме, доля преобразователей большой мощности, представленных VSC-HVDC (преобразователь источника напряжения на основе постоянного тока высокого напряжения) в энергосистема быстро растет. Стратегия борьбы с переносчиками обычно применяется в существующих проектах VSC-HVDC. Легко добиться независимого управления активной и реактивной мощностью, а скорость динамического отклика высока. Однако он не может обеспечить демпфирование и инерционную поддержку энергосистемы. Таким образом, масштабный ввод новой энергии в энергосистему представляет собой угрозу для стабильной работы энергосистемы. Особенно для слабых систем переменного тока обычная стратегия управления переносчиками не может гарантировать стабильность системы.

Массовый доступ к энергосистеме создаст угрозу стабильной работе энергосистемы. Особенно при подключении слабых систем переменного тока обычная стратегия управления переносчиками не может гарантировать стабильность системы. В связи с этим появилась технология виртуальной синхронной машины (ВСГ, виртуальный синхронный генератор). Он улучшает структуру управления внешним контуром преобразователя и моделирует характеристики уравнения движения ротора и регулирования скорости синхронного генератора на основе метода управления синхронным генератором и рабочих характеристик в традиционной энергосистеме. Это может обеспечить инерцию и демпфирование сети, а также улучшить стабильность системы VSC-HVDC для крупномасштабного доступа к новой энергии [1–4]. Существующая технология VSG широко используется для управления микросетевыми преобразователями и новыми инверторами, подключенными к энергосети [5]. В [6] внешнее кольцо VSG разработано для инверторов распределенной энергии, подключенных к сети, включая два внешних контура управления активной мощностью и замкнутый контур реактивной мощности. Выходами вышеуказанных внешних контуров являются частота и амплитуда напряжения переменного тока. Внутренняя петля представляет собой последовательно соединенную петлю напряжения конденсатора фильтра переменного тока и петлю тока. И создана модель слабого сигнала для анализа стабильности системы. В [7] анализируется устойчивость управления VSG при различных условиях отказа, когда преобразователь подключен к слабой системе переменного тока, что указывает на то, что система может быть стабилизирована до тех пор, пока коэффициент короткого замыкания немного больше 1. В В [8] разработана структура управления ВРУ для модульного многоуровневого преобразователя (ММС) на основе полумостовой силовой части и проанализирован диапазон стабильности параметров управления для доступа к слабой системе переменного тока. В [9], когда несколько преобразователей подключены параллельно к одной и той же сети постоянного тока, существует риск низкочастотных колебаний на стороне постоянного тока. Для этого анализируются характеристики слабого демпфирования контуров на основе модели слабого сигнала и предлагается усовершенствованный метод управления ВРУ для подавления колебаний системы. В [10, 11] управление VSG применяется к микросетевому инвертору и предлагается метод плавного переключения между изолированным и сетевым режимами работы. В приведенной выше стратегии управления VSG синхронная угловая скорость сети получается внешним контуром активной мощности, а синхронная угловая скорость рассчитывается путем интегрирования. Итак, получены характеристики уравнения движения ротора синхронного генератора, то есть управление выходной мощностью за счет регулировки разности фаз между векторами выходного напряжения вентиля преобразователя и сети. А вот для постоянного напряжения методы управления обсуждаются меньше. Однако в таких областях, как VSC-HVDC, необходимо иметь по крайней мере одну преобразовательную станцию ​​для стабилизации постоянного напряжения сети. Для этого в [12] конденсаторный накопитель энергии постоянного тока (; В _dc — напряжение постоянного тока) используется для обеспечения инерции системы. Расхождение между фактическим значением накопителя энергии конденсатора и заданным значением связано с ПИ-регулятором, а его выходом является синхронная угловая частота вектора напряжения преобразователя. Кроме того, чтобы улучшить способность управления переменным током, внутренний контур разработан, включая внутренний замкнутый контур переменного напряжения с замкнутым контуром переменного тока последовательно. Он может поддерживать постоянную емкость конденсатора постоянного тока и подавлять перегрузку по току во время переходных процессов. Но в этой статье сторона переменного тока преобразователя подключена к конденсатору фильтра переменного тока, что отличается от топологии MMC проектов VSC-HVDC. Конденсатор сетевого фильтра в основном используется для устранения гармоник высокого порядка на выходе двухуровневого преобразователя, а также стабилизирует точечное напряжение, подключенное к сети, что также обеспечивает необходимые условия для конструкции внутреннего контура (внутренний контур состоит из замкнутого контура напряжения конденсатора фильтра и последовательного контура переменного тока). Для топологии MMC сторона переменного тока напрямую подключена к сети через трансформатор, фильтрующий конденсатор не используется, поэтому сложно построить внутреннюю токовую петлю. Для прямой сетевой структуры ММС через реактивное сопротивление без фильтрующего конденсатора в [13, 14] опорные сигналы напряжения преобразователя рассчитываются по внешним контурам ВСГ, а затем опорное значение внутреннего токового контура рассчитывается непосредственно по сетке. -связанный импеданс ММС и разность напряжений на нем. В [15] опорное напряжение постоянного тока и активная мощность будут изменяться в зависимости от отклонения частоты. Это может улучшить характеристики демпфирования системы и эмулировать действие регулятора скорости синхронного генератора. Однако значение обратной связи по частоте сети зависит от контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в структуре управления, где трудно добиться плавного переключения между изолированным и сетевым режимами работы, и это полезно для преобразователей VSC-HVDC. В [16] также предлагается использовать накопитель энергии конденсатора на стороне постоянного тока для эмуляции инерционности синхронного генератора. Опорное значение напряжения постоянного тока изменяется в соответствии со значением обратной связи по частоте системы переменного тока, а затем используется обычное управление с двойным замкнутым контуром (контуры постоянного напряжения и тока). Таким образом, он может обеспечить инерцию изменения частоты в энергосистеме. Но внутренний контур разработан на основе PLL, и это может повлиять на стабильность системы, когда преобразователь подключен к слабой системе переменного тока.

С дальнейшим развитием технологии VSC-HVDC и технологии микросетей возможность устранения неисправностей постоянного тока стала важным требованием для таких инженерных систем. Для этого проект Zhangbei VSC-HVDC, представляющий собой кольцевую сеть постоянного тока и введенный в эксплуатацию в Китае, использует технологию автоматического выключателя постоянного тока. А строящийся проект Wudongde использует гибридную топологию «полумост-полумост» для реализации требования преодоления неисправности постоянного тока. Существует несколько применений такой гибридной топологии в инженерии, и ее режим управления отличается от традиционной полумостовой топологии. Управление VSG для такой топологии редко обсуждается в литературе. В данной работе предлагается способ управления ВРУ структурой управления данной топологии, который позволяет увеличить инерционность преобразователя и повысить устойчивость системы.

2. Метод управления гибридной топологией MMC

Блок питания мостового блока питания может блокировать двунаправленный ток, поэтому определенное количество полумостовых блоков в традиционной полумостовой топологии MMC заменяется полным мостом может обеспечить устранение неисправности постоянного тока с меньшим увеличением потерь преобразователя. Гибридный ММС показан на рис. I _j — трехфазный переменный ток, В _dc — напряжение на стороне постоянного тока, I _dc — реактивное сопротивление постоянного тока, L

0 . HB — полномостовой силовой модуль, а FB — полумостовой. Каждое плечо моста состоит из полумостов N _h и полных мостов N _f , соединенных последовательно. Поскольку только FB может выдавать отрицательное напряжение, коэффициент FB в основном влияет на устранение КЗ по постоянному току и выходную реактивную мощность преобразователя при работе с нулевым напряжением постоянного тока и т. д. Обычно отношение полного моста к полумосту составляет 50%. . Чтобы добиться быстрого устранения неисправности постоянного тока и подавить рост постоянного тока короткого замыкания, гибридная топология обычно устанавливает контур постоянного тока для генерации постоянной составляющей сигналов модуляции верхнего и нижнего моста. Когда обнаружена неисправность постоянного тока (напряжение постоянного тока слишком низкое, а постоянный ток слишком велик), постоянная составляющая сигнала модуляции может быть напрямую установлена ​​на 0 или небольшое отрицательное значение для устранения неисправности постоянного тока. Между тем, внешний контур постоянного напряжения в традиционной структуре управления VSC-HVDC обычно заменяется контуром управления средним напряжением конденсатора силовых модулей для поддержания баланса мощности на стороне переменного и постоянного тока [17–19].]. Внутренняя токовая петля такая же, как и топология MMC на основе HB, а управление развязкой выполняется в кадре синхронного вращения dq . Общая структура управления показана на рис. 2.

На рисунке и представлены среднее значение шести мостовых напряжений силовой части плеча и заданное значение. Их ошибка связана с ПИ-регулятором и его выходом является активное значение текущего задания I _{d ref} . И я _{q ref} — эталонное значение реактивного тока. i _d и i _q – значения обратной связи активного и реактивного тока соответственно. I _dcref — эталонное значение постоянного тока. Ошибка между I _dcref и его обратной связью связана с ПИ-регулятором, который выдает синфазную составляющую сигнала модуляции V _{dc_com} . Затем на него накладываются сигналы модуляции переменного тока шести плеч моста. То есть он управляет постоянным током, чтобы отслеживать заданное значение, напрямую изменяя постоянную составляющую выходного напряжения плеча моста. V _cd и V _cq являются осевыми компонентами dq сигналов модуляции. U _sd и U _sq — dq осевые компоненты напряжения сети соответственно. V _j ( j  =  a , b , c ) — управляющий сигнал переменного тока трех фаз. Затем он добавляется к выходному сигналу V _{DC_COM} Регулятора DC, и, наконец, выходы V _JU , V _JN ( J = A . сигналы управления верхней и нижней частями руки соответственно. Напряжение трехфазной сети U _sj соединяется с PLL для получения угловой скорости синхронизации сети , которая обеспечивает синхронную фазу преобразования координат ( dq синхронная поворотная рама и abc стационарная рама).

3. Управление гибридной топологией VSG MMC

3.1. Управление средним напряжением плеча на основе VSG

Синхронная угловая скорость вращения в приведенной выше стратегии управления задается PLL. При подключении слабой системы переменного тока выходной сигнал контура фазовой автоподстройки частоты колеблется, что может сделать систему нестабильной [20]. Управление VSG может имитировать инерцию ротора синхронного генератора и использоваться для повышения стабильности системы. Уравнение движения ротора синхронного генератора выглядит следующим образом:

В уравнении (1) H – постоянная времени инерции, P _m и P _e – коэффициент механической и электромагнитной мощности, D – электрическая угловая частота и номинальная соответственно, – электрический угол. Для полной полумостовой гибридной топологии MMC конденсатор силового модуля также является звеном накопления энергии, аналогично способности ротора синхронного генератора накапливать энергию инерции. Следовательно, конденсатор постоянного тока можно использовать в качестве виртуального ротора для обеспечения инерции системы. В установившемся режиме мощность на стороне переменного и постоянного тока преобразователя одинакова, а запас энергии конденсатора не меняется. Это может быть выражено через

В уравнении C эквивалентная емкость 6 плеч преобразователя, V _{c_avg} среднее значение напряжения конденсатора, P _in и P

54 out 54 входная и выходная мощность преобразователя соответственно. Из уравнений (1) и (2) можно получить

В уравнении (3) H — эквивалентная постоянная времени виртуальной инерции преобразователя, а D — коэффициент демпфирования. Тогда получается интегральное выражение для обоих концов уравнения (3): где K — интегральная константа и фаза вектора переменного напряжения на стороне клапана. Установившееся значение можно рассчитать по формуле

Из уравнения (5) , являющееся установившимся значением , можно выразить как

А среднее значение напряжения на конденсаторе принять за номинальное значение В _{с _avg0} . Затем можно рассчитать K , используя стационарную рабочую точку системы из уравнения (4):

На основе вышеописанного метода VSG и рисунка 2 управляющая структура VSG гибридной MMC может быть спроектирована так, как показано на рисунке 3.

На рисунке Q _ref и Q являются опорным значением реактивной мощности и значением обратной связи соответственно. Эталонное среднее значение напряжения конденсатора плеча изменяется в зависимости от колебания частоты системы, то есть буферизации колебаний мощности между сторонами переменного и постоянного тока преобразователя путем увеличения или уменьшения накопления энергии конденсатора субмодуля и выполнения управления частотой сети переменного тока с обратной связью. . Когда выходная мощность преобразователя в сеть выше опорного значения, скорость вращения вектора напряжения на стороне клапана увеличивается, а разность фаз между напряжением сети и вектором напряжения на стороне клапана увеличивается. Следовательно, выходной сигнал регулятора частоты вектора напряжения переменного тока увеличивается. То есть опорное значение напряжения емкости субмодуля увеличивается, а запас энергии увеличивается. Переходная мощность амортизируется конденсаторами субмодулей и снижается флуктуация мощности и угловой частоты. Это эквивалентно характеристикам инерции и демпфирования ротора синхронного генератора, что позволяет поддерживать частоту преобразователя в сети. Для выбора параметров H и D , на него в основном влияет допустимый диапазон колебаний частоты системы, может быть ±5%. Другим ограничением является то, что рассчитанное опорное значение среднего напряжения субмодуля находится в пределах допустимого диапазона колебаний преобразователя.

3.2. VSG Control of Active Power

Для системы VSC-HVDC, основанной на гибридной топологии, преобразовательная станция для регулирования постоянной мощности также напрямую подключена к сети, без фильтрующего конденсатора на стороне переменного тока. Таким образом, традиционная стратегия управления VSG для микросетевого инвертора не может использоваться напрямую. И для гибридной топологии MMC, если внешний контур управления спроектирован с использованием традиционной стратегии VSG, необходимо рассмотреть, как получить опорное значение внутреннего токового контура. Выполнение преобразования Лапласа в уравнении (1) дает где s — дифференциальный оператор. Из уравнения (8), основанного на уравнении качания синхронной машины, можно получить угловую частоту синхронизации сети. Затем амплитуда напряжения на стороне клапана может быть получена с помощью структуры управления падением реактивного напряжения:

В уравнении и В _{переменного тока} являются эталонной амплитудой и значением обратной связи напряжения переменного тока на стороне клапана, соответственно. K _Q – коэффициент падения реактивного напряжения. Из подключенной к сети структуры гибридного MMC соотношение между переменным напряжением и током на стороне клапана получается, как показано в уравнении (10) на основе синхронного вращения dq рамка:

В уравнении (10) R _L эквивалентное сопротивление реактора со стороны клапана. Исходя из этого, эталонное значение переменного тока может быть рассчитано с помощью матрицы импеданса сети, которая состоит из реактивного сопротивления и сопротивления стороны переменного тока MMC:

Структура управления активной и реактивной мощностью показана на рисунке 4 на основе стратегии VSG.

На рис. 4 эталонное значение внутреннего контура тока рассчитывается на основе матрицы импеданса, подключенного к сети. Для задачи о сильной связи dq -осевой контур управления при подключении слабых систем переменного тока, для оптимизации динамических характеристик можно использовать метод управления развязкой, предложенный в [11]. Параметры H и D могут быть выбраны функцией передачи активной мощности с обратной связью. Во-первых, согласно системе второго порядка, для расчета H и D задаются соответствующие коэффициент демпфирования и ширина полосы управления, а затем определяются с помощью моделирования электромагнитного переходного процесса. Подробный процесс расчета [8, 11] приведен во многих источниках и повторно описываться не будет.

4. Моделирование и анализ

Для проверки вышеописанного метода управления на основе PSCAD построена гибридная MMC-модель с полным полумостом. Одна клемма принимает активную мощность в качестве цели управления, а структура управления показана на рисунке 4. Другая клемма принимает среднее значение напряжения конденсатора плеча в качестве цели управления, а структура управления показана на рисунке 3. структуры на обоих концах могут переключаться между собой: один конец установлен в режим управления постоянной мощностью, а другой конец — режим управления постоянным напряжением. Он может использовать это для поддержания баланса мощности системы. Логические переключатели могут использоваться для обеспечения плавного переключения между двумя структурами управления внешним контуром и целями управления [21]. Для уменьшения объема расчета каждое плечо состоит из 10 последовательно соединенных силовых блоков, в том числе 5 полумостовых и 5 полномостовых. Напряжение системы переменного тока составляет 10 кВ, номинальное напряжение постоянного тока 20 кВ, номинальная мощность 30 МВт. Реактивное сопротивление плеча составляет 5  мГн. Эквивалентная индуктивность системы переменного тока установлена ​​равной 5,3 мГн, а мощность короткого замыкания системы составляет около 60 МВт. Так что это слабая система переменного тока. Можно убедиться, что алгоритм управления VSG может улучшить стабильность преобразователя, подключенного к слабой системе переменного тока.

Параметры системы нормированы с учетом пиков напряжения переменного тока и переменного тока в моделировании. Активная и реактивная мощности нормируются по номинальной мощности системы. И с поправкой на моделирование, Дж  = 0,0471 о.е. и D  = 1,1 о.е. При t  = 4 с шаг активной мощности изменяется от 0 МВт до 30 МВт. Результаты моделирования показаны на рисунке 5. Метка переменной «1» на рисунке представляет собой форму выходного сигнала традиционного метода управления с двойным замкнутым контуром (рисунок 2) для гибридной топологии, а метка «2» представляет собой форму выходного сигнала. на основе стратегии VSG. Рисунки 5(a) и 5(b) представляют собой формы сигналов напряжения постоянного тока и постоянного тока соответственно. Как показано на рисунке, при обычной стратегии управления возникают большие колебания, когда преобразователь разблокирован и во время повышения мощности. Затухание колебаний медленное, поэтому характеристика системы слабое затухание. Рисунок 5(c) представляет собой переходную характеристику активной мощности. Из способа управления, показанного на рис. 4, видно, что выход регулятора активной мощности подключен к виртуальной инерционно-демпфирующей части для получения регулировки угловой частоты синхронизации, то есть путем регулировки фазы переменного выходного напряжения стороне преобразователя для отслеживания задания активной мощности. Из-за наличия инерционной части мощность медленно возрастает во время шага, но это может устранить колебания мощности традиционной стратегии управления. На этом рисунке выходная мощность сильно колеблется во время разблокировки. Причина в том, что для упрощения имитационной модели системы специальная логика предварительной синхронизации не выполняется для начального времени подключения к сети. Для процесса предсинхронизации были соответствующие литературы [8, 9]. Это выходит за рамки данной статьи. Влияние разблокировки здесь можно легко решить, установив соответствующую логику предварительной синхронизации в практическом проекте [9, 19]. На рис. 5(d) показаны выходные данные контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) традиционной стратегии управления и угловая частота синхронизации сети, рассчитанная силовым контуром стратегии управления VSG. Из результатов моделирования видно, что колебания выходного сигнала ФАПЧ во время разблокировки и переходной характеристики согласуются с колебательными характеристиками кривой мощности, указывая на то, что характеристики ФАПЧ ухудшаются во время переходного процесса, вызывая колебания системы, если слабый переменный ток система подключена. На рис. 5(д) показано приращение угловой частоты вектора напряжения переменного тока Δ ω и фаза (угол) стороны клапана, которые являются выходами управляющей части VSG. Процесс регулировки мощности аналогичен характеристикам синхронного генератора. Когда команда мощности увеличивается, генератор увеличивает мощность первичного двигателя, а затем ротор ускоряется. Для преобразователя скорость вращения вектора напряжения на стороне клапана будет увеличена. Он увеличивает разность фаз между напряжением на стороне клапана и на стороне сети, тем самым регулируя выходную мощность преобразователя. Рисунок 5(f) показывает 9Опорное значение тока по оси 5055 dq и значения обратной связи во время пошагового процесса на основе стратегии управления VSG, а токи по осям d и q могут отслеживать заданные значения во время установившегося и пошагового процессов.

Гибридная топология MMC может подавлять постоянный ток короткого замыкания. Для проверки биполярное короткое замыкание постоянного тока установлено как t  = 8 с. Неисправность устраняется через 100  мс, а результат моделирования показан на рисунке 6. На рисунке 6(a) показаны кривая напряжения и тока постоянного тока во время неисправности постоянного тока. Рисунок 6(b) показывает dq — опорный ток по оси и обратная связь, а также небольшие колебания токов обратной связи во время процесса короткого замыкания. На рис. 6(в) показана сумма напряжений конденсаторов трех нижних плеч преобразователя ( В _can , В _cbn и V 5

6 _{). Волны верхней части руки симметричны нижним. На основе стратегии управления, показанной на рис. 3, увеличение или уменьшение запаса энергии эквивалентной емкости модуля используется для буферизации энергии системы в переходном процессе и используется для эмуляции инерции генератора. Таким образом, во время переходного процесса сумма напряжений на плечевых конденсаторах возрастает для буферизации энергии. На рис. 6(d) показан трехфазный ток ( I и , I бн , и I сп ) нижних рычагов гидротрансформатора. Во время отказа по постоянному току выход модуля управления постоянным током быстро уменьшается, что является постоянной составляющей сигналов модуляции. Это может приблизить напряжение постоянного тока к 0, подавить рост постоянного тока короткого замыкания и реализовать устранение кратковременных неисправностей постоянного тока.}

5. Заключение

Прежде всего, система VSC-HVDC на основе управления VSG может эмулировать характеристики синхронного генератора. Среднее напряжение плеч конденсатора и активную мощность можно контролировать, регулируя угловую частоту вектора напряжения на стороне преобразователя. Угол синхронизации сетки генерируется контуром управления VSG. Это может устранить колебания системы, вызванные PLL во время переходного процесса, и эффективно улучшить стабильность системы, когда вентиль преобразователя подключен к слабой системе переменного тока. Во-вторых, PLL необходима для стратегии VSG, чтобы отслеживать фазу сети до того, как она будет подключена к сети. Система управления должна выполнять предварительную синхронизацию амплитуды и фазы выходного напряжения с сетью. В противном случае подключение к сети вызовет большой скачок тока. Наконец, для сбоев постоянного тока выходное напряжение постоянного тока MMC с гибридной топологией может быть быстро уменьшено с помощью части управления постоянным током, а рост тока короткого замыкания может быть подавлен. Таким образом, технология управления VSG, примененная к MMC с гибридной топологией, может эффективно улучшить возможности доступа к постоянному току в слабых системах переменного тока и устранить неисправность постоянного тока. И есть широкие перспективы применения в области системы VSC-HVDC, нового доступа к энергии, микросети и так далее.

Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (грант № 61801293).

Каталожные номера

1. Н.-П. Бек и Р. Хессе, «Виртуальная синхронная машина», в Трудах 9-й Международной конференции по качеству и использованию электроэнергии , Барселона, Испания, октябрь 2007 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. G. Yao, Z. Lu, B. Mohamed et al., «Метод управления инвертором на основе виртуального синхронного генератора для систем распределенной генерации», в Proceedings of the IECON 2015-41st Annual Conference of the IEEE. Industrial Electronics Society , Иокогама, Япония, ноябрь 2015 г.

   Просмотр по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

3. Т. Чжэн, Л. Чен, Т. Чен и др., «Обзор и перспективы технологии виртуальных синхронных генераторов», Автоматизация электроэнергетической системы , том. 39, нет. 27, стр. 165–175, 2015.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

4. Л. Чжу, З. Юань, С. Чао и др., «Обзор методов управления поддержкой частоты для асинхронной системы межсоединений на основе на VSC-HVDC», Аппаратура автоматизации электроэнергетики , том. 39, нет. 2019. Т. 2. С. 84–92.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

5. Дж. Мэн, Ю. Ван, С. Ши и др., «Стратегия управления и анализ параметров распределенных инверторов на основе VSG», Труды Китайского электротехнического общества , об. 29, нет. 12, стр. 1–10, 2014.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

6. С. Лу и С. У. Чжэн, «Анализ максимального потока мощности в управлении синхронизацией мощности на основе MMC-HVDC», Труды CSEE , том. 36, нет. 7, стр. 1868–1876, 2016.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

7. В. Лю, К. Го, К. Чжао и др., «Управление синхронизацией демпфирования мощности для MMC-HVDC, подключенного к чрезвычайно слабой принимающей сети переменного тока», Труды CSEE , том. 36, нет. 17, стр. 4647–4656, 2016.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

8. Х. Юань, X. Юань и Дж. Ху, «Моделирование подключенных к сети VSC для устойчивости слабого сигнала энергосистемы анализ временной шкалы управления напряжением в звене постоянного тока», IEEE Transactions on Power Systems , vol. 32, нет. 5, стр. 3981–3991, 2017.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

9. L. Ü Zhipeng, W. Sheng, Q. Zhong et al., «Виртуальный синхронный генератор и его приложения в микросетях», Proceedings of the CSEE , vol. 34, нет. 16, стр. 2591–2603, 2014.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

10. Ши Р., Чжан С., Лю Ф. и др., «Технологии управления многоэнергетической взаимодополняющей микросетью на основе виртуальный синхронный генератор» Труды Китайского электротехнического общества , том. 31, нет. 20, стр. 170–180, 2016.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

11. Л. Хуанг, Х. Синь, З. Ван и др., «Виртуальное синхронное управление преобразователями напряжения с использованием динамики конденсатора звена постоянного тока для реализации самосинхронизации», IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics , vol. 5, нет. 4, стр. 1565–1577, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Академия Google

12. M. Li, Y. Wang, N. Xu и др., «Новая стратегия управления виртуальным синхронным генератором, основанная на усовершенствованном методе эмуляции уравнения качания и развязки мощности», в Proceedings of the IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. , Милуоки, Висконсин, США, сентябрь 2016 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. Б. Гао, К. Ся, Л. Чжан и др., «Моделирование и расчет параметров выпрямительной стороны VSC-hvdc на основе технологии виртуальных синхронных машин», Протоколы CSEE , vol. 37, нет. 2, стр. 534–544, 2017.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

14. Ю. Цао, В. Ван, Ю. Ли и др., «Стратегия управления виртуальным синхронным генератором для системы VSC-MTDC », IEEE Transactions on Energy Conversion , vol. 33, 2018.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

15. Дж. Чжу, С. Д. Бут, Г. П. Адам, А. Дж. Роско и К. Г. Брайт, «Стратегия управления эмуляцией инерции для систем передачи VSC-HVDC», IEEE Transactions on Power Systems , vol. 28, нет. 2, стр. 1277–1287, 2013.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

16. S. Li, X. Wang, T. Li et al., «Оптимальный дизайн для гибридной MMC и ее стратегия устранения неисправностей постоянного тока», Proceedings of the CSEE , vol. 36, нет. 7, стр. 1849–1858, 2016.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

17. В. Лин, Д. Йовчич, С. Нгефеу и Х. Саад, «Оптимальная конструкция полномостового преобразователя MMC в HVDC эксплуатационные требования» IEEE Transactions on Power Delivery , vol. 31, нет. 3, стр. 1342–1350, 2016.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

18. Г. П. Адам и И. Э. Дэвидсон, «Надежное и общее управление системами передачи постоянного тока высокого напряжения с модульным многоуровневым преобразователем с полным мостом», IEEE Transactions on Power Delivery , vol. 30, нет. 6, стр. 2468–2476, 2015.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

19. Л. Чжан, Х.-П. Ни и Л. Харнефорс, «Анализ ограничений стабильности линии VSC-hvdc с использованием управления синхронизацией мощности», IEEE Transactions on Power Systems , vol. 26, нет. 3, стр. 1326–1337, 2011.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

20. WEI Yalong, H Zhang, K. Sun и др., «Метод предварительной синхронизации виртуального синхронного генератора с использованием виртуальной мощности», Automation of Electric Power System , vol. 40, нет. 12, стр. 124–129, 2016 г.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

21. Дж. Ву и З. Ван, «Улучшенная стратегия управления статизмом для многополюсного преобразователя напряжения источника постоянного тока», Сделка Китайского электротехнического общества , том. 32, нет. 20, стр. 241–250, 2017.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

Copyright

Copyright © 2020 Jie Wu and Chuanjiang Li. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Улучшенная стратегия управления виртуальным синхронным генератором в ответ на гармоники электросети

Улучшенная стратегия управления виртуальным синхронным генератором в ответ на гармоники электросети

Аннотация : С помощью технологии виртуального синхронного генератора (VSG) можно управлять инвертором, моделирующим рабочие характеристики синхронных генераторов и рассматриваемым как доступ к возобновляемой энергии. . Гармоники, содержащиеся в электросети, привносят гармоники того же порядка в подключенный к сети ток, генерируемый VSG, что приводит к увеличению содержания гармоник в электросети. Для решения этой проблемы предлагается усовершенствованная стратегия управления VSG. Во-первых, устанавливается эквивалентная модель VSG. На основе анализа влияния гармоник на сетевой ток, генерируемый ВРУ, предлагается усовершенствованный алгоритм получения эталонного значения тока индуктивности на основе двойного обобщенного интеграла второго порядка. Инерционное интегральное звено используется для замены дифференциального режима при полном прямом управлении напряжением сети, и анализируется механизм регулятора тока. Отслеживание тока и подавление гармоник можно реализовать, выбрав соответствующий регулятор тока. Наконец, построена платформа моделирования и экспериментов для проверки правильности улучшенной стратегии управления VSG.

Ключевые слова:
Виртуальный синхронный генератор    Гармоники сети    Прямая связь по напряжению сети    Регулятор тока    

1. Введение

С увеличением установленной мощности распределенных инверторов в энергосистеме доля установленной мощности традиционных синхронных генераторов постепенно снижается [1, 2]. Из-за отсутствия инерционности и демпфирования традиционных синхронных генераторов в системах распределенной генерации с силовыми электронными преобразователями энергосистемы более уязвимы к колебаниям мощности и системным неисправностям [3, 4]. Виртуальный синхронный генератор (VSG) позволяет распределенной генерации на основе инверторов, подключенных к сети, моделировать или частично моделировать характеристики управления частотой и напряжением синхронных генераторов из внешних характеристик, которые могут обеспечить определенную инерцию и демпфирование для сети, тем самым улучшая стабильность. распределенной системы [5].

Впервые концепция виртуального синхронного генератора была предложена в работе Ref. [6]. Создана онтологическая модель VSG и завершено проектирование параметров контура управления [7, 8]. На этой основе повышается гибкость VSG за счет улучшения управления без разности частот [9-11]. Проанализировано влияние инерции на выходные характеристики ВРУ. Путем введения изменения частоты в управление инерцией для формирования адаптивного управления инерцией [12-15] демонстрируются преимущества виртуальной инерции в улучшении стабильности частоты микросетевой системы. Построена модель малосигнального VSG высокого порядка [16]. Идея виртуального синхронного генератора применяется в области ветроэнергетики, что отражает ее универсальность [17, 18].

Во многих источниках изучалась стратегия управления VSG с подключением к сети. Количественно анализируется влияние возмущения параметра VSG на отслеживание мощности, подключенной к сети, а также влияние виртуальной инерции и параметров демпфирования на систему и метод настройки [19]. Анализируется стабильность слабого сигнала VSG в режимах подключения к сети и в автономном режиме. Отмечено, что изменение постоянной времени инерции, коэффициента демпфирования и коэффициента провала реактивной мощности оказывает большое влияние на устойчивость системы [20]. На основе трехконтурной стратегии управления «мощность-напряжение-ток» с устройством предварительной синхронизации реализовано плавное переключение между сетевым и внесетевым режимами работы ВРУ [21].

Вышеуказанные исследования VSG основаны на условии, что напряжение сети не содержит гармоник. Однако в реальных условиях напряжение сети часто содержит гармоники, которые вносят гармоники той же частоты в ток, подключенный к сети, и напрямую влияют на качество выходного тока VSG. Для обеспечения качества электроэнергии, подключенной к сети, соответствующими ведомствами в стране и за рубежом был сформулирован ряд стандартов и технических спецификаций [22-26]. Для управления обычными инверторами в условиях искажения напряжения сети предлагается двойная стратегия управления с обратной связью, основанная на дифференциальной индуктивности напряжения и обратной связи по току, подключенной к сети [27]. Предлагается стратегия прямого управления мощностью, основанная на резонансном скользящем режиме [28]. Стабильность и конвергенция предлагаемой стратегии управления подробно анализируются. Для улучшения мгновенного выброса тока при устранении неисправности инверторов в токовую петлю вводится звено компенсации опережения фазы прямой составляющей сетевого напряжения [29].]. Предложен гибкий метод контроля гармоник для трехфазных инверторов, подключенных к сети, без обнаружения гармоник [30]. Для управления ВРУ в условиях искажения сетевого напряжения предлагается метод, сочетающий виртуальный импеданс с векторным ограничением тока для системы постоянного напряжения, который эффективно ограничивает переходные и установившиеся составляющие тока короткого замыкания [31]. Контролируя эталонные значения токов прямой и обратной последовательности отдельно, достигается выходной симметричный ток VSG при несимметричном сетевом напряжении [32-34]. Предложена новая стратегия компенсации с прямой связью по напряжению, основанная на режекторном фильтре, который может подавлять гармоники с током, подключенным к сети, определенного порядка [35]. Предложен усовершенствованный алгоритм эталонного значения тока индуктивности, основанный на двойном обобщенном интеграле второго порядка [36]. Влияние гармоник, вызванных сетевым напряжением, устраняется методом прямой связи, который улучшает качество выходного тока во всей частотной области. Однако процесс полного упреждающего управления напряжением сети требует дифференциальной работы, и легко ввести дополнительные гармонические составляющие и уменьшить время отклика.

На основе существующих исследований предлагается усовершенствованная стратегия управления VSG для борьбы с гармониками электросети. Во-первых, добавлен усовершенствованный алгоритм опорного значения тока индуктивности на основе двойного обобщенного интеграла второго порядка. Во-вторых, дифференциальная операция, необходимая в процессе полного упреждающего управления напряжением сети, заменяется инерционным интегралом. Наконец, соответствующий регулятор тока выбирается для реализации отслеживания тока, чтобы достичь цели подавления гармоник. Результаты моделирования и эксперимента доказывают правильность и эффективность предложенной стратегии управления.

2 основных принципа VSG

VSG моделирует уравнение ротора синхронного генератора. При активно-частотном управлении вводятся виртуальная инерция и демпфирование. При управлении реактивным напряжением имитируется регулирование возбуждения синхронного генератора. Основное уравнение:

где P _ref и P _e – заданная активная мощность и электромагнитная мощность ВСГ; ω и ω ₀ – угловая частота ВРУ и угловая частота электросети; J и D – коэффициент инерции и демпфирования ВСГ; Q _ref и Q – заданное и фактическое значение реактивной мощности; В ₀ и В – номинальные и измеренные значения напряжения; D _q — коэффициент просадки напряжения реактивной мощности.

Блок-схема управления ВРУ представлена ​​на рис. 1. Амплитуда и фазовый угол опорного напряжения получаются с помощью алгоритма управления ВРУ по P _ref и Q _ref , и выводится команда опорного напряжения.

3 Улучшенная стратегия управления VSG для гармоник в энергосистеме

3.1 Анализ эквивалентной модели VSG

Блок-схема управления показана на рис. 2, когда принята схема управления с обратной связью по напряжению сети и току со стороны инвертора.

На рис. 2 u _gc и i _Lc — соответственно измеренные значения напряжения сети и тока на стороне инвертора. Согласно блок-схеме управления, представленной на рис. 2, получается замкнутая передаточная функция системы: 92} + \left( {{R_1}{R_2}C + {L_2} + {L_1}} \right)s + {R_1} + {R_2}
\end{массив} \right.
$

Можно видеть, что на ток, подключенный к сети инверторов LCL, подключенных к сети, с обратной связью по току на стороне инвертора влияет опорное значение тока индуктивности, с одной стороны, и напряжение сети, с другой. В реальной работе, когда напряжение сети содержит определенные гармоники, напряжение сети можно разложить на основную составляющую и гармоническую составляющую. Соответственно, на эталонное значение тока индуктивности влияет напряжение сети, которое содержит основную и гармоническую составляющие. В то же время составляющая возмущения напряжения сети по отношению к току сети также содержит гармоническую составляющую, которая напрямую приводит к тому, что ток в точке, подключенной к сети, содержит большое количество гармоник. Если параметры управления или параметры фильтра не рассчитаны должным образом, качество сетевого тока может быть ниже некоторых стандартных положений, что отрицательно сказывается на стабильной работе системы.

Следовательно, необходимо улучшить стратегию управления по двум аспектам: улучшить опорное значение тока индуктивности и устранить влияние напряжения сети. Из-за узкой полосы пропускания силового контура эталонное значение выходного напряжения, генерируемого внешним силовым контуром VSG, содержит только компонент прямой последовательности основной волны. Из выражения i _ref видно, что эталонное значение тока индуктивности напрямую связано с измеренным значением напряжения сети. Следовательно, для улучшения эталонного значения тока индуктивности необходимо извлечь основную составляющую измеренного значения с напряжением сети, чтобы вычислить эталонное значение тока индуктивности без гармонического эффекта. Для улучшения напряжения сети необходимо добавить в контур управления специальную связь обратной связи, чтобы исключить влияние u _g на выходной ток.

3.2 Извлечение эталонного значения тока индуктивности на основе улучшенного двойного обобщенного интеграла второго порядка