+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

особенности, преимущества и недостатки, профессиональные рекомендации

Автор: Александр Старченко

В списке стабилизаторов напряжения эта конструкция занимает особое место. По сути это обычный автотрансформатор, только регулировка напряжения осуществляется не вращением ручки, а с помощью электродвигателя. Электромеханический стабилизатор напряжения обеспечивает очень высокую точность установки напряжения, но его применение ограничивается низкой скоростью выравнивания.

Конструкция электромеханического стабилизатора

Электромеханический, или сервоприводный, стабилизатор напряжения может считаться самым простым по конструкции. В его основе лежит обычный автотрансформатор лабораторного типа, в котором, поворачивая рукоятку можно было изменять величину напряжения от нуля до 240 вольт.

В современном стабилизаторе этот принцип сохранился, только ручка автотрансформатора поворачивается не рукой, а электрическим серводвигателем. Трансформатор имеет тороидальную конструкцию. Его обмотка выполнена из медного провода, и верхняя её часть очищена от изолирующего покрытия.

По обмотке трансформатора перемещается ползунковый контакт-щётка или ролик, который закреплен на оси электродвигателя. Двигатель оборудован сервоприводом. Это значит, что его ротор не вращается, а по импульсным сигналам, поступающим из блока управления, может поворачиваться на определённый угол. Щётка может быть изготовлена из графита или иметь роликовую конструкцию.

Электромеханический стабилизатор состоит из следующих узлов:

  • Входной сетевой фильтр;
  • Силовой автотрансформатор;
  • Блок контроля и управления;
  • Электродвигатель;
  • Контактный узел;
  • Блок индикации.

Сетевой фильтр обеспечивает подавление высокочастотных и импульсных электрических помех. Пассивный фильтр собран по  индуктивно-ёмкостной схеме. После фильтра напряжение подаётся на схему контроля, которая фиксирует отклонения напряжения сети от номинала и вырабатывает сигналы для управления электродвигателем.

Жёстко закреплённый на роторе контактный узел с графитовым контактом перемещается по обмотке трансформатора. В зависимости от девиаций сети, серводвигатель получает сигналы управления для увеличения или уменьшения напряжения на выходе. Для надёжности контактный узел может иметь две щётки, или более стабильный в работе роликовый узел.

Блок индикации, располагающийся на передней панели устройства, состоит из светодиодных индикаторов режимов работы и, у отдельных моделей, цифрового универсального дисплея. Цифровой дисплей может показывать напряжение на входе и выходе устройства, ток и частоту сети.

Достоинства и применение сервоприводного стабилизатора

Стабилизатор напряжения, работающий по принципу плавного регулирования сетевого напряжения с применением серводвигателя, обладает определёнными положительными параметрами, которые определяют сферу его использования.

Основными достоинствами сервоприводного стабилизатора, являются следующие характеристики:

  • Высокая точность установки напряжения на выходе устройства;
  • Возможность работы с большими нагрузками;
  • Большой допустимый разброс напряжения на входе устройства;
  • Способность выдерживать большие перегрузки;
  • Чистая синусоида на выходе прибора.

Поскольку графитовая щётка или роликовый узел плавно перемещаются по обмотке трансформатора, то на выходных контактах стабилизатора напряжения не будет никаких перерывов в энергоснабжении потребителя. Поэтому сервоприводный стабилизатор можно использовать для электропитания практически любых электрических приборов.

Так как мощность нагрузки определяется только обмоткой трансформатора, то электромеханические стабилизаторы это единственный тип устройств, которые могут использоваться при нагрузках свыше 50 кВт, поэтому они часто применяются в качестве промышленных стабилизаторов.

В схеме сервоприводного стабилизатора отсутствуют нелинейные элементы, которые могут внести искажения синусоидальной формы выходного напряжения. Гладкая синусоида, которую обеспечивает электродинамический стабилизатор на выходе, позволяет использовать его для работы в системах с применением электродвигателей.

Асинхронные электродвигатели, применяемые для работы циркуляционных насосов, корректно работают только при синусоидальной форме питающего напряжения, которую может обеспечить электромеханический стабилизатор. Схема устройства, основанная на применении мощного силового трансформатора, позволяет обеспечивать большие токи на нагрузке.

Недостатки электромеханического стабилизатора

Несмотря на серьёзные достоинства, данное устройство обладает не менее серьёзными недостатками:

  • Низкая скорость стабилизации;
  • Невозможность эксплуатации при низких температурах;
  • Низкая надёжность;
  • Сложность ремонта;
  • Определённый шум при работе.

Сервоприводной механизм,  который перемещает щётки по обмотке тороидального трансформатора, не может мгновенно переместиться на требуемый участок. Поэтому между определением необходимости изменения напряжения и его реальной установкой проходит определённое время. Обычно в паспортах на электромеханические стабилизаторы указывается температурный режим его эксплуатации, нарушение которого обязательно приведёт к отказу сервоприводного механизма.

Невысокая надёжность устройства обусловлена наличием подвижного узла, который имеет определённый срок наработки. Кроме того, графитовые контактные щётки подгорают при работе и требуют замены примерно через 2-4 года эксплуатации. Замена их достаточно продолжительный и трудоёмкий процесс. Изношенные щетки могут искрить при работе, поэтому сервоприводные стабилизаторы не рекомендуется использовать с газовым оборудованием.

Однофазный стабилизатор от компании «Энергия»

Одной из интересных моделей на рынке, является однофазный электромеханический стабилизатор напряжения «Энергия HYBRID СНВТ 10 000». Стабилизатор напряжения высокой точности представляет собой удачное техническое решение, где в одном устройстве, объединены электромеханический стабилизатор и дополнительный релейный узел. Это позволяет прибору работать при большом разбросе напряжения сети. Он обеспечивает выдачу напряжения 220В ± 3% при входных величинах от 105 до 280В.

Стабилизатор имеет систему «Байпас» и защиту от перегрузки и превышения напряжения на входе выше критической. Однофазный стабилизатор «Энергия HYBRID СНВТ 10 000» может использоваться как в быту, так и на производственных объектах. При подключении прибора к системам освещения отсутствует эффект мерцания ламп, так как не происходит разрыва фазы.

Выбирая электромеханический стабилизатор напряжения, следует обращать внимание на технические характеристики устройства, на качество электричества в месте эксплуатации и температурный режим.

С этим читают:

Понравилась статья? Поделись с друзьями в соц сетях!

Электромеханический стабилизатор напряжения.

Особенности конструкции

В линейке стабилизирующих устройств этой модели определено свое особое место. Это простой автотрансформатор, с той разницей, что регулирование напряжения питания выполняется не вращением ручки, а при помощи электрического двигателя. Электромеханический стабилизатор напряжения способен выдать на выходе устройства высокую точность параметра напряжения, однако его использование ограничено малым быстродействием.

Конструктивные особенности электромеханической модели

Такой стабилизатор еще называют сервоприводным. Он считается наиболее простой моделью по своему устройству. В основе конструкции простой лабораторный автотрансформатор, в котором при повороте регулировочной ручки можно менять значение напряжения вплоть до 240 В.

В новых моделях таких устройств принцип работы остался прежним, только рукоятка трансформатора вращается не рукой, а при помощи серводвигателя. Внешний вид трансформатора обладает тороидальной формой устройства. Обмотка трансформатора намотана медным проводником, а поверхность обмотки в верхней ее части очищена от изоляции для лучшего контакта с ползунком.

По обмотке передвигается контакт ползунка в виде щетки или ролика. Он зафиксирован на оси двигателя, который оснащен сервоприводом. Ротор двигателя не вращается, по мере поступления сигналов в виде импульсов, приходящих из управляющего блока, способен вращаться на некоторый угол. Щетка может быть сделана из графита, либо в виде ролика.

Электромеханический стабилизатор напряжения включает в себя следующие элементы:

  • Блок индикации.
  • Узел контактов.
  • Электрический двигатель.
  • Блок управления и контроля.
  • Силовой трансформатор.
  • Сетевой фильтр на входе.

Фильтр способен подавить электрические помехи в виде импульсов и высокочастотных гармоник. Пассивная модель фильтра выполнена по емкостно-индуктивной схеме. После фильтра питание поступает на контрольную схему, фиксирующую отклонения питания от номинальных величин и создает управляющие сигналы электрическим двигателем.

Контактный узел жестко зафиксирован на роторе вместе с графитным контактом, передвигается по обмотке автотрансформатора. На серводвигатель поступают управляющие сигналы для изменения напряжения на выходе стабилизатора, в зависимости от качества напряжения, поступающего на прибор. Для обеспечения лучшей надежности узел контактов может оснащаться двумя щетками, либо роликовым механизмом.

Индикаторный блок, находящийся на передней части панели стабилизатора, состоит из индикаторов в виде светодиодов, который показывают режимы работы. Некоторые модели оснащены цифровым дисплеем, который способен выдавать информацию о напряжении на выходе и входе стабилизатора, а также частоту и ток сети питания.

Перед аналогичными устройствами ставятся разные задачи. Одни подключаются к системе отопления, а другие работают с оргтехникой и т. д. Выбор часто зависит от бюджета и потребностей. Стоимость электромеханического стабилизатора напряжения невысокая.

Преимущества

  • Малая цена.
  • Повышенная точность выравнивания.
  • Плавность регулирования.

Малая цена

Она возможна только для старых конструкций. Современные новые стабилизаторы оснащены серводвигателями и высокотехнологичными устройствами, которые повышают его цену. Однако он все равно дешевле электронной модели.

В отличие от релейной модели в электромеханическом стабилизаторе напряжения применяются подвижные элементы, которые с течением времени становятся непригодными, и их надо заменять. Это, например, угольные щетки. Если для этого вызывать специалиста, то придется потратить на это деньги.

Точность

Показатель в 3% является хорошими данными при выборе устройства, если необходимо защищать точное лабораторное оборудование. В этом случае электромеханическим стабилизаторам напряжения нет качественной альтернативы.

Плавность регулирования

Этот параметр необходим, если подключаются точные датчики, либо измерительные приборы. Устройства бытового назначения не нуждаются в особой точности.

Недостатки

  • Подвижные элементы.
  • Шумность.
  • Малый КПД.
  • Низкое быстродействие.

Подвижные элементы

Из-за их наличия придется раз в год проводить техническое обслуживание, так как в механизм попадает пыль, контакты начинают искрить, возникают помехи в цепи.

Шумность

Повышенный шум обусловлен конструкцией стабилизаторов, и доставляет дискомфорт человеку в ночное время. Но современные приборы не имеют такого недостатка, так как применяются современные материалы, которые изолируют корпус с помощью звукоизоляции.

Малый КПД

Незначительный параметр КПД является результатом механической конструкции. В этом плане выигрывает релейная модель прибора.

Низкое быстродействие

У такой модели стабилизатора наиболее низкая скорость работы. Это его основной недостаток. Его быстродействие равно приблизительно 10 В в секунду. Точность, плавность и малая цена не совсем уж привлекательны, так как стабилизатор придется раз в год отдавать на техобслуживание, и за это платить.

Ресанта ACH-8000/1-ЭМ стабилизатор напряжения однофазный электромеханический 8 кВт Цена в Москве!

*
Всегда на связи, работаем on-line. Мы готовы оперативно привезти бензиновый генератор мощностью от 2 кВт до 10 кВт. А также бу ДГУ мощностью от 40 кВт до 400 кВт
** Обращаем Ваше внимание, что в последнее время в связи с волотильностью курса валют, цены на наши товары могут корректироваться. Мы следим за ситуацией и стараемся оперативно реагировать. Большая просьба, во избежании противоречий, прежде чем сделать заказ, уточните цену у наших менеджеров.
Официальный представитель Huter в России.
Немецкое качество по доступной цене!

Стабилизатор напряжения Ресанта ACH-8000/1-ЭМ электромеханический однофазный


Электромеханический однофазный стабилизатор напряжения Ресанта ACH-8000/1-ЭМ мощностью 8 кВт обеспечит безотказную работу любого электрооборудования. Прибор Ресанта ACH-8000/1-ЭМ — это непрерывный контроль напряжения, высокая надежность, удобство в эксплуатации, отличная цена.

     Технические характеристики:


  1. Диапазон входного напряжения  140-260 В

  2. Номинальная величина выходного напряжения   220±2% В

  3. Номинальная мощность при Uвх≥190 В   8 кВт

  4. Рабочая частота   50 / 60 Гц

  5. КПД, при нагрузке 80% не менее   97

  6. Точность поддержания выходного напряжения   2%

  7. Масса нетто   22.5 кг

  8. Время регулирования   10 мс

  9. Искажение синусоиды   отсутствует

  10. Высоковольтная защита   260±5 В

  11. Класс защиты   IP 20 (негерметизирован)

  12. Рабочая температура окружающей среды (оС)   0-45

  13. Относительная влажность воздуха, не более (%)   80

  14. Габаритные размеры, Д×Ш×В   395х325х183 мм




 

Может пригодиться

Электромеханический или релейный с цифровым дисплеем (цифровой)

Электромеханические.  Их схему составляет автотрансформатор, который включен в первичную обмотку вольтодобавочного трансформатора. Вторичная обмотка включается в разрыв фазы сети. Особенностями таких стабилизаторов являются:  низкий уровень шума, большая перегрузочная способность, высокая точность выходного напряжения.

Электронные (с цифровым дисплеем). Их схема основана на коммутации отводов автотрансформатора с помощью ключей. Такие стабилизаторы снабжены цифровым индикатором напряжения и микропроцессорным управлением. На дисплее отражается входное/выходное напряжение.  Особенностями таких стабилизаторов являются: защита от токов коротких замыканий, световая индикация режимов работы, широкий диапазон входного напряжения, фильтрация сетевых помех и так далее.

1. Электромеханические (ЭМ):

Погрешность Uвых=220±2%  (± 4,4В)
Время регулировки 10 В/сек

Витки катушки в данном стабилизаторе аккуратно уложены друг к другу, сверху зашлифованы и залиты техническим лаком для уменьшения износа щётки.

 
Принцип действия: Внутри катушки данного стабилизатора установлен электродвигатель, который перемещает щётку с графитовым наконечником по виткам катушки. За счёт того, что щётка считывает информацию с каждого витка (1 виток ориентировочно равен 1 вольту)  достигается высокая точность выходного напряжения в данном стабилизаторе. (Погрешность составляет всего 2%, т.е. 4,4В).
Двигатель имеет чётко заданную скорость, за счёт этого время регулировки в данном стабилизаторе составляет 10 В/сек. 

2. Релейные с цифровым дисплеем (Ц)

Погрешность Uвых=220±8%  (± 17,6В)
Время регулировки 5-7 мс, т.е. < 1 сек

Катушка в данном стабилизаторе разделена отводами на 4 части, каждый отвод подсоединён к своему реле (разница между реле до 30В).
Принцип действия: Регулировка происходит как бы перепрыгиванием с отвода на отвод, пропуская часть витков (осуществляется ступенчатая регулировка), за счёт этого погрешность выходного напряжения в данном стабилизаторе возрастает до 8%, т. е. 17,6В.
Т.к. регулировка в данном стабилизаторе осуществляется путём переключения реле (реле имеет принцип выключателя), за счёт этого время регулировки в данном стабилизаторе минимально и составляет 20-35 мсек, т.е. менее 1 секунды!!!

Цифровые стабилизаторы бывают с диапозоном работы 140-260В (АСН) и 90-260В (СПН)

Стабилизатор напряжения СНЭ3-15000ВА электромеханический, трехфазный, с независимой регулировкой по каждой фазе 15кВА Ui.3~270-420В / Uo.3~380В±3% передвижной, на колесах, цифровой дисплей, клеммник / клеммник, IP20, УХЛ4 cne3-15000 EKF

Наименование компонента у производителя СНЭ3-15000ВА
Исполнение по типу сети трехфазный,
Диапазон входного напряжения Ui. 3~270-420В
Минимальное входное напряжение 3~270В
Максимальное входное напряжение 3~420В
Номинальная частота 50-60Гц
Полная мощность 15кВА
Тип стабилизатора электромеханический,
Особенность регулировки 3-х фазных стабилизаторов с независимой регулировкой по каждой фазе
Номинальный ток стабилизатора 68,2А
Перегрузочная способность при 20% – до 60 мин. , при 40% – 30 мин., при 60% – 5 мин
Быстродействие стабилизатора 0,5–1 сек. при отклонении входного U ±10%)
КПД стабилизатора 90%
Номинальное выходное напряжение Uo.3~380В
Диапазон выходного напряжения Uo.3~380В±3%
Защита от повышенного/пониженного выходного напряжения нет
Предельные значения защиты выходного напряжения
Тип защиты силовых цепей автоматический выключатель C25 3p
Наличие функции байпаса
Возможность настройки времени задержки включения нагрузки нет
Время задержки включения нагрузки
Встроенные интерфейсы связи
Орган индикации цифровой дисплей,
Наличие термозащиты трансформатора
Тип подключение вводных цепей клеммник
Тип подключения выводных цепей клеммник,
Максимальное сечение присоединяемых проводников 2,5мм²
Тип охлаждения воздушное, естественное
Исполнение корпуса стабилизатора передвижной, на колесах,
Цвет корпуса стабилизатора серый
Степень защиты, IP IP20,
Диапазон рабочих температур, °C от -5 до +40
Эксплуатационная влажность воздуха <80%
Среднее время наработки на отказ (MTBF)
Климатическое исполнение и категория размещения УХЛ4
Конструктивная особенность
Примечание
Альтернативные названия СНЭ-3
Страна происхождения
Сертификация RoHS
Код EAN / UPC
Код GPC
Код в Profsector. com FE2.184.3.2
Статус компонента у производителя ввд

Преимущества и недостатки электростабилизатора от Voltageregu на DeviantArt

Стабилизатор напряжения — преимущества и недостатки сервоэлектрических стабилизаторов

Для многих приложений Сервоэлектроника (AKA Electro-Mechanical) на основе напряжения Стабилизатор и стабилизатор и Стабилизаторы питания C показали себя как чрезвычайно надежное и доступное решение для стабилизации напряжения, с легкодоступными конструкциями, позволяющими выдерживать колебания входного напряжения более 40%, при этом обеспечивая точность на выходе 1%.

Состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого подключена между сетью питания и нагрузкой, первичное напряжение мгновенно регулируется через регулируемый трансформатор с приводом от двигателя, что гарантирует непрерывное, плавное и действительно стабильное выходное напряжение.

Высокие напряжения / кратковременные скачки напряжения обычно ограничиваются включением «машинок для стрижки иголок». Такие ограничители обычно ограничивают переходные процессы до двухкратного пикового напряжения источника питания. Тем не менее, покупатели должны знать, что для снижения пиков до совершенно безвредных уровней часто требуется запросить у вашего поставщика дополнительную защиту от пикового затухания.

Хотя стабилизатор напряжения Electronic Servo действительно состоит из некоторых движущихся частей, опыт последних 25 лет в некоторых из наиболее требовательных условий электропитания показал, что эта конструкция является действительно надежным методом реализации политики напряжения только с низкий уровень необходимого непрерывного обслуживания обеспечивается общедоступными возможностями.

Ожидаемый срок службы, компактный размер и низкая стоимость владения делают сервоэлектромеханические стабилизаторы доступными решениями для широкого спектра применений в промышленности, торговле, горнодобывающей промышленности, аэрокосмической промышленности, вычислительной технике и телекоммуникациях, и, как правило, это рекомендуемый вариант дизайна. для многих приложений.

Преимущества:

* Действительно конкурентоспособная цена

* Быстрая реакция на изменения напряжения — идеально подходит для многих приложений

* Минимальное искажение формы выходного сигнала

* Не зависит от частоты

* Преимущество в размере и весе превышает другие подходы к стабилизации

* При необходимости ослабит скачки напряжения

* Не зависит от нагрузки или изменений коэффициента мощности

* Низкая стоимость владения при простоте обслуживания

* Долговечность, длительный срок службы

Недостатки:

* Движущиеся части, требующие ограниченного обслуживания

* Более низкая скорость отклика по сравнению с твердотельными конструкциями

3 фазы 2–135 кВА электромеханический с цифровым управлением

Orion — трехфазный электромеханический стабилизатор.Электромеханические стабилизаторы имеют цифровое управление и состоят из повышающего трансформатора, регулятора напряжения и электронного управления. С помощью системы с цифровым управлением стабилизатор способен компенсировать колебания входящего напряжения, стабилизируя его с точностью ± 0,5% по отношению к номинальному значению. На основе микропроцессора, измеряющего выходное напряжение на высокой частоте, система управления управляет двигателями регуляторов напряжения, чтобы гарантировать стабильность напряжения.Электромеханические стабилизаторы часто используются в промышленных установках или установках большой номинальной мощности, где наиболее важными критериями являются долговечность при очень высоких или очень низких напряжениях и высокая степень стабилизации.

Стабилизаторы Orion доступны для разных диапазонов колебаний входного напряжения. Стандартные модели предлагают двойное входное соединение, так что с одним и тем же блоком можно работать с двумя разными входными вариациями (± 15% / ± 20% или ± 25% / ± 30%). Регулировка выходного напряжения выполняется независимо на каждой фазе (стабилизация каждого межфазного напряжения). Стабилизаторы Orion используются с трехфазными нагрузками и однофазными нагрузками со 100% несимметричным током по фазам и несимметричным напряжением сети. Для правильной работы стабилизаторам напряжения Орион необходимо наличие нейтрального провода. Работа без подключения нейтрального провода возможна путем добавления устройства, способного его генерировать (разделительный трансформатор D / Yn или реактор нейтральной точки). Автоматический выключатель установлен в цепи регулирования для защиты от перегрузки и короткого замыкания на регуляторе напряжения, в то время как вспомогательная цепь защищена предохранителями.Аппаратура состоит из многозадачного цифрового анализатора линии. Такой прибор может предоставлять информацию о выходных параметрах стабилизатора напряжения, таких как фазное и связанное напряжение, ток, коэффициент мощности, активная мощность, полная мощность, реактивная мощность и т. Д. внутренний перегрев, перегрузка регулятора) распознаются с помощью светодиодов на плате управления. Контроль и стабилизация напряжения, выполняемые по истинному среднеквадратичному значению, управляются цифровым микропроцессором.Каждая фаза каждого стабилизатора, принадлежащего этой линейке, контролируется той же платой управления, что и на моделях Vega и Antares, что упрощает операции по техническому обслуживанию и хранению запасных частей. Стабилизаторы мощностью до 45 кВА оснащены колесами для облегчения работы.

однофазный тип стабилизатор реле, стабилизатор электромеханического управления дисплея метра

Стабилизатор однофазного реле, Стабилизатор электромеханического управления счетчиком, Стабилизатор напряжения AC AVR

Технические характеристики:

Стабилизатор переменного напряжения AVR с входным напряжением от 160 до 250 В

Входное напряжение: от 160 до 250 В, от 70 до 130 В
Выходное напряжение: 220 ± 3%, 110 В ± 3%
Фаза: однофазная
Частота: 50/60 Гц
Время отклика: в пределах 1 секунды при изменении отклонения входного напряжения на 10%
КПД: более 90%
Номинальная мощность: 500, 1000, 1500, 2000, 3000, 5000 Вт

Применение:
Стабилизатор напряжения серии AVR имеет современное оборудование, богатые технологии, надежное качество и безупречную репутацию.
Этот продукт соответствует полностью автоматическому управлению интегральной схемой.
Быстродействующие, надежные, чувствительного действия. Удобство использования и гарантия устаревшего результата.
Они подходят для семей, школ, предприятий, гостиниц, диет и т. Д., Где нужна стабильная гражданская власть.
Их можно использовать для осветительных приборов, телевизоров, холодильников, кондиционеров, компьютеров и копировальных аппаратов, которые могут работать в нормальных условиях и имеют долгий срок службы.

Технические параметры:

Тип Размер коробки (см) Производственный размер (см) г.Вт (кг) КОЛ-ВО.
АВР-500ВА 44 * 24,5 * 35 19 * 17,5 * 14,5

10

4
АВР-1000ВА 44 * 24,5 * 35 19 * 17,5 * 14,5 12 4
АВР-1500ВА 49 * 28,5 * 41 22,5 * 20,5 * 17 14 4
АВР-2000ВА 49 * 28. 5 * 41 22,5 * 20,5 * 17 18 4
АВР-3000ВА 33 * 29 * 23 27,5 * 24,5 * 19,5 12 1
AVR-5000VA 38 * 31 * 30 32 * 23,5 * 27,5 13 1
AVR-8000VA 42 * 29 * 32 34,5 * 21 * 26 20 1
АВР-10000ВА 42 * 29 * 32 34.5 * 21 * 26 25 1

Что мы делаем:

Компания Yomin, основанная в 2002 году, является профессиональным производителем и экспортером, специализирующимся на исследованиях, разработке и производстве низковольтной электротехнической продукции. Большинство продуктов используется для распределительных устройств, таких как регулятор / стабилизатор напряжения, MCB, MCCB, RCD, трансформатор тока, аналоговый измеритель, цифровой измеритель, киловатт-метр (цифровой тип и механический тип), контактор переменного тока, серия предохранителей, Реле и другие аксессуары.

Мы находимся в провинции Чжэцзян города Юэцин, недалеко от Шанхая и порта Нинбо. Мы занимаем производственную и административную площадь в 12000 квадратных метров, и теперь у нас более 370 сотрудников, которые прилагают огромные усилия для Йомин. Усердно работая более 10 лет, Yomin постепенно превратилась в среднюю производственную корпорацию с более чем 9 различными линиями продукции и экспортом в более чем 60 стран и регионов, особенно для счетчиков киловатт-часов и MCB.

Наши хорошо оборудованные помещения и превосходный контроль качества на всех этапах производства позволяют нам гарантировать полное удовлетворение потребностей клиентов. Кроме того, мы награждены международными сертификатами, такими как ISO9001, ISO14001, CE и RoHS и так далее.

Помимо существующих достижений, мы все еще работаем над более высокой целью в этой области. Если вас интересует какой-либо из наших продуктов или вы хотите обсудить индивидуальный заказ, пожалуйста, свяжитесь с нами. Мы надеемся на построение успешных деловых отношений с новыми клиентами по всему миру в ближайшем будущем!


Метки продукта:

Тип стабилизатор реле одиночной фазы, изображения стабилизатора электромеханического управления дисплея метра

Заявка на патент США на ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД Заявка на патент (Заявка № 20210046796 от 18 февраля 2021 г.)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Это приложение является U.S. Национальная фаза заявки РСТ. No. PCT / DE2018 / 100848, поданной 16 октября 2018 г., который заявляет о приоритете DE 10 2018 102 380.4, поданного 2 февраля 2018 г., полное раскрытие которого включено в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к электромеханическому приводу, подходящему для использования в автомобиле.

Уровень техники

Привод известен, например, из DE 10 2014 221 129 A1. Известный привод является частью активного стабилизатора крена и имеет электронный блок, состоящий из различных секций.Первая часть электронного блока представляет собой вращающийся, а вторая часть — невращающийся компонент.

Активный стабилизатор крена с электронными компонентами, вращающимися в одном направлении, также известен из DE 10 2014 222 708 A1. В этом случае датчик, предназначенный для измерения крутящего момента, расположен на водяной стенке планетарной передачи. Электроника представляет собой печатную плату с расположенными на ней датчиками магнитного поля.

Другой стабилизатор крена, который использует обратный магнитострикционный эффект для измерения крутящего момента, описан в DE 10 2013 219 761 B3.В этом случае, помимо крутящего момента, также учитываются поперечные силы по отношению к продольной оси стабилизатора.

Различные конструкции электромеханических стабилизаторов крена для автомобилей описаны также в DE 10 2015 222 068 A1 и DE 10 2015 209 310 A1.

Схема управления магнитоупругим датчиком описана в DE 36 20 412 A1. Эта схема должна быть спроектирована таким образом, чтобы в значительной степени подавлялась зависимость сигнала датчика от расстояния между катушкой датчика и объектом измерения.

Из EP 2 013 598 B1 известно устройство измерения силы для измерения силы в твердотельных накопителях. Это силоизмерительное устройство состоит из пьезорезистивного слоя аморфного углерода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Желательно получить электромеханический привод, в частности привод активного стабилизатора крена, для автотранспортного средства, который доработан по сравнению с упомянутым уровнем техники, в частности, в отношении производственных аспектов и использование места для установки.

Привод состоит из устройства измерения крутящего момента, основанного на обратном магнитострикционном принципе, которое имеет по крайней мере один электронный блок. Электронный блок имеет печатную плату, которая, по меньшей мере, косвенно соединена с корпусом исполнительного механизма исполнительного механизма посредством заклепочного соединения. Печатная плата представляет собой печатную схему, на которой установлены электронные компоненты электронного блока. Печатная плата — это невращающийся компонент привода.

В принципе заклепочное соединение может быть выполнено либо элементами, которые являются неотъемлемой частью несущего элемента, либо отдельными элементами, т.е.е., заклепки. В последнем случае несущий элемент предпочтительно представляет собой плоский элемент, который закреплен в корпусе исполнительного механизма и соединен с печатной платой с помощью ряда заклепок. Также возможно выполнить несущий элемент как неотъемлемую часть корпуса привода. В этом случае несущий элемент представляет собой металлическую деталь. В противном случае несущий элемент может быть выполнен из металла или пластика.

Независимо от материала, из которого изготовлен несущий элемент, или комбинации материалов, из которой изготовлен несущий элемент, в предпочтительной конструкции между печатной платой и несущим элементом образуется зазор.Этот зазор полезен с точки зрения охлаждения печатной платы. Это также улучшает возможности поглощения деформаций, которые могут возникнуть во время работы привода, особенно в стабилизаторе крена или другом приводе шасси, например, из-за механических нагрузок и / или температурных воздействий.

Печатная плата может быть размещена в корпусе исполнительного механизма таким образом, чтобы нормаль к поверхности печатной платы была выровнена перпендикулярно продольной оси исполнительного механизма.Это означает, что центральная ось корпуса исполнительного механизма, которая имеет основную цилиндрическую форму, расположена параллельно печатной плате.

Привод подходит для использования в качестве привода шасси, например, в системе рулевого управления задней оси или в системе контроля уровня, особенно для контроля уровня. Привод также подходит в качестве привода активного стабилизатора крена для автомобиля.

Если привод сконструирован как привод стабилизатора крена, печатная плата предпочтительно размещается компактным образом в области корпуса привода, которая сужается по сравнению с центральной областью корпуса.Таким образом, практически весь диаметр центральной неконусной области корпуса доступен для генерирующих и передающих усилие компонентов стабилизатора валков.

Например, бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) используется в качестве электродвигателя в электромеханическом приводе. В качестве редуктора в приводе можно использовать многоступенчатую планетарную передачу или валовую шестерню.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее примерный вариант осуществления поясняется более подробно с помощью чертежей.Где:

фиг. 1 показан электромеханический стабилизатор валков на виде сверху,

фиг. 2 показан вид в разрезе привода стабилизатора крена,

фиг. 3 — вид сбоку устройства согласно фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Стабилизатор крена, обозначенный в целом условным обозначением 1 , предназначен для использования в качестве привода шасси в автомобиле. Что касается принципа действия стабилизатора крена 1 , делается ссылка на уровень техники, упомянутый в начале.

Стабилизатор крена 1 содержит электромеханический привод 2 . Привод 2, имеет базовую форму цилиндра с центральной осью, по существу, поперечной продольной оси транспортного средства. Две половинки стабилизатора 3 , 4 соединены с приводом 2 в виде торсионных пружин, которые соединены с не показанным на рисунке кузовом автомобиля посредством подшипников 5 , 6 .Термин «половина стабилизатора» не означает, что обе половины стабилизатора 3 , 4 должны иметь одинаковые размеры. Фактически, нецентральное расположение привода 2 в шасси также возможно. На концах половинок стабилизатора 3 , 4 , обращенных в сторону от привода 2 , образованы соединительные детали 7 , 8 , которые служат шарнирно-сочлененным соединением с колесными опорами автомобиля.

Корпус привода с маркировкой 9 электромеханического привода 2 имеет фланец 10 с левой стороны на ФИГ.1, который соединен с половиной стабилизатора 3 . Центральная, по существу цилиндрическая область корпуса 12 корпуса привода 9 соединена с фланцем 10 . На правой стороне центральной области корпуса 12 находится коническая, также цилиндрическая область корпуса 11 , основанная на расположении на фиг. 1. Половина стабилизатора 4 вставляется через коническую область корпуса 11 в корпус привода 9 .

Внутри конической области корпуса 11 находится устройство для измерения крутящего момента 13 , которое предоставляет информацию о крутящем моменте, действующем в приводе 2 согласно обратному магнитострикционному принципу.

Устройство для измерения крутящего момента 13 состоит из печатной платы 14 , на которой расположены электронные компоненты (не показаны на иллюстрации) и, таким образом, образуют электронный блок. Печатная плата 14 закреплена на несущем элементе 15 с помощью заклепок 16 , 17 .Между несущим элементом 15 и печатной платой 14 образован зазор Sp, так что печатная плата 14 в значительной степени приподнимается с несущего элемента 15 . В противном случае, а именно в области заклепок 16 , 17 , даны контактные поверхности 18 , 19 , в которых печатная плата 14 контактирует с несущим элементом 15 .

Плоский несущий элемент 15 закреплен в конической области корпуса 11 внутри привода 2 с маркировкой IR.Как видно на фиг. 3, заклепочное соединение, выполненное с помощью заклепок 16 , 17 , которые имеют общую маркировку 20 , чрезвычайно компактно, особенно в направлении, перпендикулярном плоским элементам 14 , 15 , т.е. радиальное направление корпуса привода 9 . Центральная ось привода 2 , которая совпадает с осью поворота половин стабилизатора 3 , 4 , расположена параллельно печатной плате 14 и несущему элементу 15 .Лишь небольшая часть печатной платы 14 выступает в центральную область корпуса 12 . Эта область корпуса , 12, содержит не показанные электромеханические компоненты, то есть электродвигатель и редуктор привода 2 .

СПИСОК СИМВОЛОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
  • 1 Стабилизатор крена
  • 2 Привод
  • 3 Половина стабилизатора
  • 4 Половина стабилизатора
  • 5 Подшипник 7 Подшипник
  • Соединительный элемент
  • 8 Соединительный элемент
  • 9 Корпус привода
  • 10 Фланец
  • 11 Коническая часть корпуса
  • 12 Центральная часть корпуса
  • 13 Устройство измерения крутящего момента
  • 9073 14 Печатная плата
  • 15 Несущий элемент
  • 16 Заклепка
  • 17 Заклепка
  • 18 Зона распределения
  • 19 Зона распределения
  • 20 Заклепочное соединение
  • 905
  • S p Gap

Frontiers | Демпфирование электромеханических колебаний на основе искусственного интеллекта с помощью преобразователя, подключенного к сети

1 Введение

Модернизация энергосистем в интеллектуальные сети (SG) направлена ​​на интеграцию информационных и коммуникационных технологий с электросетью, таким образом формируя киберфизическую систему ( Алим и др., 2020). В отличие от традиционной схемы работы, SG усиливает интеграцию преобразователей, подключенных к сети (GCC), которые обычно основаны (но не ограничиваются ими) на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и систем хранения энергии (ESS) (Kempener et al. , 2013). Этот сдвиг парадигмы, то есть от централизованной к децентрализованной структуре, может повысить устойчивость и эффективность энергосистем при одновременном снижении затрат и потерь мощности (Howell et al., 2017; Aleem et al., 2020). Хотя GCC обладает финансовыми и экологическими преимуществами, они также могут повлиять на стабильность системы.Например, изменчивость выработки ВИЭ, вызванная изменяющимися погодными условиями, создает дисбаланс мощности, который приводит к колебаниям частоты (Bessa et al., 2014). Популярным решением является объединение ВИЭ с аккумуляторной ESS, которое снижает изменчивость генерации, соответственно вводя или поглощая мощность (Beaudin et al., 2010). Однако эти ресурсы зависят от GCC для преобразования постоянного тока в переменный (Masters, 2013), поэтому ожидается, что с учетом текущих тенденций силовая электроника в конечном итоге будет доминировать в будущих SG.

GCC является основной технологией для взаимодействия ВИЭ и ESS с сетью из-за его высокого уровня гибкости и эффективности (Lai and Kim, 2016). Аппаратное обеспечение GCC обычно состоит из модуля питания на базе IGBT, выходного фильтра для подавления коммутируемых гармоник и микропроцессорного контроллера для реализации алгоритмов управления. Для обеспечения быстрой и надежной работы GCC часто используется каскадная структура управления (Rocabert et al., 2012). Для GCC, следующих за сетью, основные контуры управления включают в себя контроллер тока, контур фазовой автоподстройки частоты (PLL) и контроллер мощности.Принимая во внимание, что GCC, формирующий сетку, особенно основанный на концепции виртуальной синхронной машины, обычно заменяет PLL контроллером синхронизации на основе баланса мощности, который, как было доказано, более дружественен к сетке (Rodríguez et al., 2018).

Помимо изменчивости генерации ВИЭ на базе GCC, растущее проникновение силовой электроники связано с определенными проблемами, которые имеют более глубокое влияние на надежность энергосистем. Например, в отличие от традиционных электростанций с синхронными генераторами, таких как угольные и гидроэлектростанции, силовые электронные устройства не имеют механических частей и / или вращающихся масс.Поэтому инерция таких систем намного ниже (если не нулевая). Это означает, что общая инерция ослабевает по мере того, как все больше и больше электронных устройств подключаются к системе, изменяя ее динамическое поведение (Kroposki et al., 2017), намного быстрее реагируя на непредвиденные обстоятельства (Fang et al., 2019). Разумно возникают опасения относительно стабильности угла 1 ротора системы.

Недавние исследования показывают, что более широкое распространение силовой электроники связано с 1) появлением дополнительных низкочастотных электромеханических колебаний и 2) уменьшением затухания существующих (ENTSO-E, 2019).Несмотря на то, что этот тип колебаний существует в энергосистемах с момента первого соединения нескольких генерирующих блоков, размер и сложность сегодняшних энергосистем делают их более частыми. Постоянные колебания или колебания мощности с увеличивающейся амплитудой могут привести к нестабильности, поэтому гашение таких колебаний обязательно для обеспечения стабильной и надежной работы. Например, в течение 2003 г. низкочастотные колебания, приведшие к повсеместным отключениям электроэнергии, были зарегистрированы в Италии (Berizzi, 2004), США (Andersson et al., 2005) и Китая (Prasertwong et al., 2010). Совсем недавно, в 2017 году, определенная последовательность событий вызвала недемпфированный режим, вызвавший низкочастотные колебания между южной Италией и Германией (ENTSO-E, 2018), которые благодаря надлежащей координации и быстрому реагированию со стороны системных операторов были быстро устранены. контроль.

Традиционно стабилизатор энергосистемы (PSS) используется для улучшения демпфирования низкочастотных электромеханических колебаний, которые обычно лежат в диапазоне 0.1-1,0 Гц (межзональные режимы) и 1,0-2,0 Гц (локальные режимы). Общая структура PSS основана на следующих основных блоках: фильтр нижних частот, фильтр размывания, усиление и фазовый компенсатор (ы) опережения-запаздывания (IEEE, 2016). Другие типы PSS включают тип PSS2C с двумя входами, который использует комбинации сигналов электроэнергии и скорости для интеграции ускоряющей мощности для повышения чувствительности к изменениям механической мощности, и многодиапазонный тип PSS4C, используемый для атаки колебаний на разных частотах (IEEE, 2016).Несмотря на то, что PSS представляет собой экономичный подход к ослаблению электромеханических низкочастотных колебаний, периодическая настройка их параметров снижает их производительность из-за неспособности адаптироваться к постоянно меняющимся условиям эксплуатации. В зависимости от типа PSS и стратегии настройки количество настраиваемых параметров может варьироваться. Например, типичный PSS состоит из 6 (т. Е. Усиления и пяти постоянных времени), тем не менее, путем стратегического выбора определенных постоянных времени, которые необходимо зафиксировать, параметры, которые необходимо оптимизировать, можно уменьшить вдвое [Shin et al.(2010); Farah et al. (2012); Hu et al. (2018)]. Тем не менее, большое количество параметров делает задачу онлайн-настройки очень сложной и сложной. Кроме того, поскольку количество синхронных электростанций, работающих на ископаемом топливе, будет медленно уменьшаться (Fang et al., 2019), можно с уверенностью сказать, что количество устройств PSS, установленных в системе, будет следовать той же тенденции.

К счастью, быстрая реакция силовой электроники может помочь в обеспечении стабильности системы посредством правильного алгоритма управления.Было показано, что законы управления, подобные PSS, могут быть реализованы в сетевом преобразователе мощности для гашения субсинхронного резонанса (Wang et al., 2015; Varma and Salehi, 2017). Например, в (Varma and Salehi, 2017) регулятор демпфирования, основанный на измерениях частоты сети, предлагается для фотоэлектрических (PV) солнечных ферм. В этой работе фотоэлектрическая электростанция используется как STATCOM 2 , выходная мощность которого соответствует изменению частоты, измеренной в точке общего соединения (PCC).Однако основным недостатком методов управления на основе PSS является то, что они основаны на измерениях частоты, которые на самом деле являются зашумленными. Недавно появилась новая концепция управления, называемая преобразователем мощности, формирующим сеть, как идеальный кандидат для повышения стабильности энергосистемы (ENTSO-E, 2019; Tarrasó et al., 2019). Имитируя динамику синхронного генератора, преобразователи, формирующие сетку, могут предоставлять, помимо услуг поддержки сети, возможность онлайн-настройки для соответствия требованиям системного оператора при изменении условий.Хотя демпфирование, обеспечиваемое преобразователем мощности, формирующим сеть, является значительным, в основном оно происходит из-за виртуальной инерции, которая обычно ограничивается системными требованиями. В попытке отрегулировать коэффициент демпфирования без изменения виртуальной инерции в (Rodriguez Cortes et al., 2014) представлен селективный демпфер колебаний мощности для виртуальной синхронной машины. В этом исследовании коэффициент затухания устанавливается индивидуально для каждого режима с помощью полосовых фильтров. Этот подход оказался очень эффективным при наличии информации о частоте колебаний.Однако на практике из-за динамического характера энергосистем получить такую ​​информацию нетривиально.

Развитие информатики и вычислительной мощности позволяет использовать ИИ для получения моделей, которые могут предоставить информацию, которую иначе было бы трудно или невозможно получить. Киберфизическая структура SG способствует более быстрому обмену информацией через современные сети связи, тем самым открывая путь для применения ИИ в энергосистемах.Учитывая также широкое распространение блоков измерения фазоров (PMU) с частотой дискретизации около 20 мс (De La Ree et al., 2010), мониторинг такой динамики системы становится более эффективным. Естественно, измерение системных переменных с высоким разрешением приводит к быстрому росту количества доступных данных. Было показано, что эти данные содержат бесценную информацию, которую можно использовать с помощью методов искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения, чтобы обеспечить быстрые и точные оценки состояния стабильности системы.Например, в (Zhou et al., 2017) разработан ансамбль машин опорных векторов для прогнозирования переходной стабильности после серьезного возмущения. Более того, (Liu et al., 2018) использует ансамбль мешков под названием Random Forests (RF) для обнаружения нестабильности в датской энергосистеме с учетом ошибок прогнозирования генерации ВИЭ. Точно так же (Sulla et al., 2014) обучает нейронную сеть классифицировать рабочие точки на избыточное или недостаточное демпфирование на основе фиксированного коэффициента демпфирования.

Исходя из вышесказанного, в этой статье разработан многодиапазонный интеллектуальный демпфер колебаний мощности (MiPOD), обеспечивающий дополнительное демпфирование для двух низкочастотных режимов электромеханических колебаний.В отличие от различных исследований, представленных выше, MiPOD обучен отслеживать частотные характеристики двух режимов (т.е.частоту режима) с использованием радиочастотного ансамбля, когда активная и реактивная мощность нагрузок в системе изменяются случайным образом. Предлагаемый контроллер оценивается по нескольким сценариям непредвиденных обстоятельств и в рабочих точках с использованием двухуровневой системы (Kundur et al., 1994). Вклады данной работы:

• Продемонстрировать, что ИИ можно использовать для предоставления информации контроллерам, которую ранее не могли получить.

• Покажите, что несинхронные распределенные электростанции могут поддерживать систему, обеспечивая демпфирование, подобное PSS.

• Докажите, что путем настройки только двух параметров MiPOD можно повысить общую стабильность системы для более широкого диапазона рабочих точек.

• Разработайте вариант контроллера iPOD, представленный в Baltas et al. (2020), чтобы ослабить несколько колебательных режимов, а не только один. Особое внимание было уделено разделению двух полос частот для обеспечения эффективности демпфирования.

Остальная часть статьи построена следующим образом. В разделе 2 представлен обзор участия GCC в гашении колебаний мощности. В разделе 3 подробно описывается структура MiPOD, включая предсказатель AI. В разделе 4 обсуждаются характеристики тематического исследования. Наконец, в разделах 5, 6 представлены результаты и выводы соответственно.

2 Преобразователь, подключенный к сети, для гашения механических колебаний

В течение последнего десятилетия неуклонно увеличивалось количество установок крупномасштабных электростанций на базе GCC, таких как ветряные и фотоэлектрические электростанции (Aleem et al., 2020). В результате исследовательские усилия сосредоточены на затухании механических колебаний в системе. Несмотря на то, что маломасштабные станции на базе GCC не могут влиять на слишком большие колебания мощности, крупномасштабные системы на основе GCC могут обеспечить существенную поддержку сети для более широкого диапазона непредвиденных обстоятельств.

Обычно отклонения частоты в системе обычно сочетаются с колебаниями мощности в больших энергосистемах. В (Varma and Akbari, 2020) представлена ​​методика демпфирования колебаний мощности, основанная на модуляции реактивной мощности с учетом крупномасштабной фотоэлектрической установки как устройства STATCOM.Авторы выделяют эффекты демпфирования колебаний реактивной мощности в сочетании с регулятором быстрого регулирования частоты. Управляющий сигнал для гашения колебаний основан на частотных измерениях системы. Тем не менее, отклонение напряжения, необходимое для ослабления колебаний, определяется размывающим фильтром и фазовым компенсатором.

Аналогичным образом, в (Knüppel et al., 2013) гашение колебаний мощности обеспечивается ветроэлектростанцией 4-го типа. Ветроэлектростанция состоит из 150 отдельных ветряных турбин, которые разбросаны по обширной географической области, чтобы минимизировать изменчивость генерации.В статье предлагается модуляция активной и реактивной мощности для подавления колебаний системы. Эффективность модуляции активной мощности по отношению к гашение колебаний связано с расстоянием между ветряной турбиной и PCC. Кроме того, следует отметить, что модуляция активной мощности в ветряных электростанциях возможна только тогда, когда не возбуждаются колебания на механической резонансной частоте ветряной турбины. Что касается модуляции реактивной мощности, расположение и условия эксплуатации установки сильно влияют на чувствительность системы.

Общая структура контроллера POD, который основан на реализации PSS для синхронных генераторов, изображена на рисунке 1. Контроллер основан на измерениях частоты сети, и основными блоками являются усиление, фильтр размывания и фазовая компенсация. фильтры, установка может генерировать желаемое количество компенсационной мощности. Ссылки Варма и Акбари (2020) и Чжоу и др. (2017) используют фильтр смыва в дополнение к устройству фазовой компенсации, чтобы обеспечить модуляцию реактивной мощности.Напротив, в (Knüppel et al., 2013) для компенсации фазового сдвига используется простой фильтр нижних частот.

РИСУНОК 1 . Обычный контроллер POD для преобразователя, подключенного к сети.

Хотя вышеупомянутые реализации появляются во многих статьях из-за их сходства с PSS, эта структура в значительной степени зависит от блока фазовой компенсации и от измерения частоты системы. Кроме того, модуляция реактивной мощности может вызвать проблемы со стабильностью напряжения, поскольку обычно крупномасштабные распределенные электростанции расположены географически далеко от центров нагрузки, что означает, что они обычно подключены к слабым системам передачи.

В этом документе представлен альтернативный подход для GCC для обеспечения демпфирования колебаний мощности, основанный на модуляции активной мощности, которая полагается на AI для определения частоты межзональных и локальных режимов в системе при изменении рабочих условий.

3 Предлагаемый MiPOD для преобразователя мощности на основе SPC

На рисунке 2 показана общая структура управления MiPOD для преобразователей мощности, формирующих сеть, на основе синхронного контроллера мощности (SPC). Распределенная электростанция состоит из двух центральных преобразователей энергии, подключенных к электрической сети с недостаточным демпфированием.Электростанция управляется контроллером электростанции с использованием 1) измерений на PCC и 2) векторных измерений от WAMS. SPC в основном отвечает за сетевые возможности контроллера электростанции. Кроме того, чтобы позволить GCC вести себя как синхронная машина, используются как контроллер контура питания (PLC), так и MiPOD. В частности, передаточная функция для ПЛК задается как:

, где H — инерция, а D — демпфирование эмулируемой синхронной машины.MiPOD, о котором будет сказано ниже, реализуется параллельно с ПЛК.

РИСУНОК 2 . Общая структура предлагаемого MiPOD для преобразователя мощности на базе SPC.

Следует отметить, что выходной сигнал ПЛК представляет собой угловую частоту, которая эквивалентна частоте ротора синхронной машины. Однако для того, чтобы SPC имитировал угол индуцированного напряжения, угловая частота ( ω ) должна быть интегрирована как:

Блок генератора опорной мощности (PRG) генерирует опорную мощность (Pref) с использованием внутреннего угла θ , измеренный угол сетки θpcc и величина напряжения Vpcc.Стоит отметить, что эти сигналы обратной связи (θpcc, Vpcc, Ppcc) измеряются в PCC с помощью PMU. Эта ссылка определяет количество активной мощности, которая должна быть произведена GCC. PRG разработан с учетом следующего хорошо известного уравнения:

Prefpc = VrefR2 + X2 [R (Vref − Vpcccos (θ − θpcc)) + XVpccsin (θ − θpcc)] (3)

, где R и X — виртуальное сопротивление и импеданс, Vpcc — среднеквадратичное значение напряжения сети, а Vref — номинальное напряжение сети. Для системы передачи, в которой сопротивление намного ниже индуктивности, термин R можно опустить.Следовательно, уравнение. 3 можно переписать как:

Prefpc = VrefVpccXsin (θ − θpcc) (4)

Эталонная мощность делится между двумя преобразователями мощности в установке с использованием весовых коэффициентов:

Prefpc, j = kjPrefpc, j∈ {1, 2} (5)

3.1 Многодиапазонный демпфер колебаний мощности

Блок-схема многодиапазонного демпфера колебаний мощности показана на рисунке 3. Он состоит из частотно-избирательного демпфера колебаний мощности и предсказателя AI. В частотно-избирательном демпфере колебаний мощности имеется два полосовых фильтра и два блока, реализующих уравнение качания.Полосовой фильтр определяется как:

Гбит / с, м (с) = 2ζmωc, mss2 + 2ζmωc, мс + ωc, m2 (6)

, где м может быть либо l для локального режима, либо i для межзонный режим, ζi — коэффициент демпфирования, а ωc — центральная частота фильтра. Эмулированное уравнение качания для каждой частоты имеет следующий вид:

РИСУНОК 3 . Блок-схема управления MiPOD.

Преимущество MiPOD состоит в том, что он позволяет контролировать участие силовой установки в гашении механических колебаний, регулируя виртуальную инерцию.Схема развязки используется для улучшения фильтрующего отклика полосового фильтра. Для дальнейшего исследования динамики развязывающей сети уравнения. 6, 7 можно переставить следующим образом:

Ginput, l (s) = (1 − Gbpf, i) Gbpf, l (8) Ginput, i (s) = (1 − Gbpf, l) Gbpf, i (9)

Частотная характеристика вышеупомянутых передаточных функций показана на рисунке 4. Наблюдая за фигурой, можно увидеть, что прирост амплитуды двух режимов весьма схож, если не используется развязывающая сеть. Это указывает на то, что две петли сильно связаны, что может повлиять на реакцию демпферов.Кроме того, настройку каждого демпфера по отдельности невозможно, что создает дополнительные трудности. С другой стороны, с помощью схемы развязки входные сигналы для локальных и межзональных демпферов хорошо развязаны. Например, возвращая выходной сигнал Gbpf, i на вход Gbpf, l, формируется полосовой фильтр для демпфера локальных мод в точке ωc, i. Таким образом, оба демпфера действуют только на настроенной частоте. Причем подбор параметров для каждой заслонки можно производить отдельно.

РИСУНОК 4 .Частотная характеристика развязывающей сети в уравнениях. 8, 9.

3.2 Предиктор частоты колебаний на основе AI

Прогнозирование частоты целевых колебаний жизненно важно для MiPOD, чтобы обеспечить необходимое демпфирование для их ослабления. Особенно сложно получить такую ​​информацию в Интернете. Например, модальный анализ может вычислять собственные значения системы путем линеаризации моделей системы вокруг точки равновесия (установившегося состояния). Хотя это очень точный подход, он требует много времени и не подходит для онлайн-приложений, потому что линеаризованные модели необходимо обновлять в соответствии с изменяющимися рабочими условиями, чтобы результаты отражали реальность (Kontis et al., 2018). Методы, основанные на измерениях, такие как Прони и быстрое преобразование Фурье, и многие другие, извлекают модальные характеристики системы с помощью методов обработки сигналов, которые достаточно быстры для онлайн-приложений. Однако, чтобы минимизировать влияние шума, в этих подходах обычно используются модели высокого порядка, которые генерируют искусственные моды, которые трудно идентифицировать и отбрасывать (Kontis et al., 2018). Кроме того, эффективность таких методов в СГ с преобладанием силовой электроники еще полностью не изучена (Контис и др., 2018).

Помимо вышеупомянутых проблем, традиционные методы обработки сигналов требуют зондирующего сигнала (искусственного или естественного возмущения) и временного окна, достаточно широкого для захвата медленных электромеханических колебаний [TP462 (2012)]. Однако обеспечение оптимальных возможностей демпфирования зависит не только от точности оценки частоты моды, но и от ее скорости. Как показано на рисунке 5, методы, основанные на измерениях, должны отслеживать сигналы обратной связи в течение нескольких секунд для точного прогнозирования, однако такая задержка будет ограничивать демпфирование, обеспечиваемое MiPOD.

РИСУНОК 5 . Сравнение предлагаемого подхода к оценке режима на основе ИИ и традиционных методов обработки сигналов. Правильно обученная модель ИИ может обеспечить быструю и точную оценку частоты режима быстрее, чем обработка сигнала.

Возможности моделирования ИИ становятся все более и более привлекательными как средство использования информационной и коммуникационной сети WAMS (Gopakumar et al., 2014; Senesoulin et al., 2019). AI может преодолеть проблемы традиционных методов с разумной вычислительной мощностью и высокой скоростью обработки.В частности, машинное обучение способно вывести функции, которые связывают системные переменные с другими системными переменными или некоторыми индексами стабильности: задача, широко известная как контролируемое обучение, где пары ввода-вывода используются для разработки модели, как показано на рисунке 6. В частности, это В документе ИИ используется для разработки модели, которая будет использовать информацию WAMS для прогнозирования частоты колебаний двух режимов (вместо одной, как в Baltas et al. (2020)) на основе данных устойчивого состояния, как показано на рисунке 5.

.Концептуальное представление контролируемого обучения.

Для разработки указанной модели необходимо создать базу данных, которая будет содержать достаточное количество состояний системы вместе с соответствующими частотами режимов. База данных должна содержать пары ввода-вывода, которые будут использоваться для 1) обучения и 2) тестирования производительности. В этом случае эти входные данные или примеры являются системными переменными, тогда как выходы или метки — это частоты двух режимов для каждого примера. Условия системы изменяются с помощью случайных коэффициентов, которые увеличивают или уменьшают активную и реактивную мощность нагрузки для имитации изменений потребления.Процесс создания данных графически проиллюстрирован на блок-схеме, представленной на рисунке 7. Наконец, база данных состоит из примерно 23 000 примеров и меток. Каждый пример представляет собой уникальную последовательность значений, соответствующих 22 некоррелированным системным переменным.

РИСУНОК 7 . Блок-схема создания базы данных.

3.2.1 Случайные леса

Среди большого разнообразия алгоритмов машинного обучения в этой статье используется особый случай ансамбля, называемый случайными лесами (RF), для прогнозирования целевых частот мод.Ансамбль направлен на улучшение общей производительности нескольких отдельных моделей машинного обучения, которые (обычно) имеют низкую производительность, путем их объединения (Duda et al., 2001). Точно так же RF объединяет Q деревьев решений, размещенных параллельно, с использованием рандомизированной процедуры для обучения отдельного дерева решений Qr (Breiman, 2001; Louppe, 2014), где r∈ {1,…, Q}. Деревья решений просты и понятны (см. Рисунок 8), устойчивы к типам и масштабам входных данных и, кроме того, не делают никаких предположений относительно основного распределения данных (т.е., непараметрический). Однако они имеют тенденцию чрезмерно соответствовать обучающим выборкам, что приводит к высокой ошибке обобщения (Theodoridis and Koutroumbas, 2008).

РИСУНОК 8 . Примерное дерево решений в случайных лесах.

Решающим шагом к разработке дерева решений на каждом нетерминальном узле является выбор критерия разделения. В задаче регрессии, такой как в этой статье, критерий разделения определяется таким образом, чтобы падение примесей от родительских узлов к дочерним было максимальным (Theodoridis and Koutroumbas, 2008), как в уравнении.Значение t рассчитывается согласно формуле. 12.

Часть одного из 1000 деревьев решений предсказателя частоты режима RF MiPOD изображена на рисунке 8. Каждый узел представлен прямоугольником, который инкапсулирует всю информацию, характеризующую этот узел. Критерий разделения находится вверху, за которым следует MSE и количество выборок, выделенных на этом узле. Внизу показаны прогнозируемые значения частоты межзонального и локального режима. Обратите внимание, что путь принятия решения от вершины к конечным узлам (обозначен зеленым контуром) прост и легко интерпретируется.t = 1Nt∑p∈St (y (p)) (12)

3.2.2 Сравнение одномерной и многомерной структуры случайного леса

Разработка предиктора частоты для двух режимов может быть спроектирована как одномерная или многомерная множественная регрессия. В первом случае разрабатываются две модели прогнозирования для прогнозирования частоты определенного режима, как показано на рисунке 9, а во втором — единая модель прогнозирования, предназначенная для прогнозирования обеих частот одновременно, как показано на рисунке 10. Несмотря на это, одномерный / Multivariate RF обучен предсказывать частоту двух режимов (межзональный и локальный), в то время как его производительность оценивается с помощью 5-кратной схемы перекрестной проверки.Как правило, для получения лучшего приближения к истинной ошибке используется метод k-кратной перекрестной проверки (Shalev-Shwartz and Ben-David, 2017). Для этого из исходного набора обучающих данных создаются k подмножеств равного размера, а модель прогнозирования обучается с использованием уникальной комбинации k-1 складок и тестируется с остатком. K-кратное предсказание — это просто среднее предсказание по всем моделям. Для количественной оценки производительности разработанных моделей используются два показателя: R2 Score Eq. 13 и средней абсолютной погрешности (MAE) Eq.i | (14)

РИСУНОК 9 . Одномерная структура 5-кратного перекрестного прогнозирования частоты в межзонном и локальном режимах.

РИСУНОК 10 . Многомерная структура 5-кратного перекрестного прогнозирования частоты в межзонном и локальном режимах.

Сравнение производительности и времени обработки двух схем представлено в таблице 1. На основе этих результатов обнаруживается компромисс между точностью прогнозирования и скоростью обработки. В частности, точность прогноза для обеих частот с использованием отдельных моделей выше, хотя скорость обработки меньше.Напротив, время, необходимое для получения прогноза с помощью многомерной модели, быстрее, а точность немного снижается. Учитывая, что два типа моделей прогнозирования имеют одинаковую производительность, решающим фактором является скорость обработки. Поэтому на основе результатов таблицы 1 принят подход многомерной регрессии. Однако обратите внимание, что при использовании параллельных вычислений разрыв в скорости обработки может быть меньше.

ТАБЛИЦА 1 . Производительность РФ на тестовом наборе.

3.3 Анализ производительности многомерного случайного леса

Анализируя кривые обучения многомерной модели с наименьшей ошибкой, то есть RFBest, необходимо сделать несколько комментариев. Например, разрыв между ошибкой перекрестной проверки и ошибкой обучения уменьшается, когда размер обучения увеличивается, как это видно на рисунке 11. Предполагая, что эта тенденция остается прежней, добавление около 5000 выборок еще больше уменьшит ошибку. Тем не менее, добавление большего количества не сильно повлияет на производительность, а вместо этого время установки может быть увеличено вдвое.Кроме того, стоит упомянуть атрибут РФ — это присущая ему способность ранжировать входные переменные в соответствии с их вкладом в процесс принятия решений. В частности, эта мера на основе примесей основана на вычислении средней капли примеси, ΔI (t), каждой характеристики по всем деревьям решений ансамбля Raschka and Mirjalili (2019). Такой атрибут особенно важен для удаления ненужных функций, что снижает размерность и сложность задачи и одновременно повышает скорость и производительность.Например, в этом случае на Рисунке 12 показаны наиболее важные особенности w.r.t. их участие в принятии решений. В частности, если применяется жесткий порог около 0,025, то установка единиц измерения может быть ограничена только 6 шинами вместо 14.

РИСУНОК 11 . Изучение кривых лучшего многомерного случайного леса.

РИСУНОК 12 . Важность функции Random Forest.

4 Настройка проверки

Производительность предлагаемого MiPOD демонстрируется на двухуровневой системе (Kundur et al., 1994), как показано на рисунке 13. Это хорошо известная система, которая позволяет изучать электромеханические колебания, особенно между двумя взаимосвязанными областями. Система реализована на DIgSILENT Powerfactory 2019, кроме того, Python API платформы моделирования используется при разработке скрипта для автоматизации и оптимизации процесса экспериментального исследования. Для целей данного исследования два несинхронных генерирующих блока, представляющих распределенные электростанции, подключены к B10 через виртуальные синхронные преобразователи энергии.Номинальная полная мощность для каждой установки составляет 100 МВА, около 2,8% полной полной мощности для четырех синхронных генераторов (G1 – G4).

РИСУНОК 13 . Модифицированная двухуровневая система.

Как правило, существует три электромеханических режима колебаний в двухзонной системе: межзональный режим с частотой 0,55 Гц, локальный режим между G1 и G2 (в зоне A) с частотой 1,05 Гц и локальный режим между G3 и G4. (в области B) при 1,1 Гц. Разработанный MiPOD направлен на защиту системы от низкочастотных колебаний путем демпфирования межзонального режима и локального режима в зоне B.После подключения РЭС частота межзонального режима увеличилась до 0,61 Гц, а местного — до 1,14 Гц.

Кроме того, предполагается, что глобальная система мониторинга, оснащенная блоками измерения векторов и концентраторами векторных данных, обеспечивает полную наблюдаемость системы путем записи, хранения и передачи необходимых сигналов на MiPOD, установленный в DPP. Полный список сигналов обратной связи для MiPOD представлен в таблице 2.Выбор этих сигналов был достигнут с помощью алгоритма исключения рекурсивных признаков (REF) [Guyon et al. (2002)]. Из таблицы 2 видно, что алгоритм REF определяет, что важными переменными на шинах генератора являются величина напряжения, а на шинах нагрузки — активная и реактивная мощность. Также обратите внимание, что последние два были использованы для расчета коэффициента мощности, который имел более высокий коэффициент важности на Рисунке 12.

ТАБЛИЦА 2 . Список сигналов обратной связи.

5 Результаты

Электромеханические колебания естественным образом существуют в системе из-за взаимодействия между генерирующими установками и обмена энергией между ними (Grigsby, 2007).Обязательным фактором, влияющим на демпфирование и частоту межзонных мод, являются рабочие условия системы, в значительной степени продиктованные нагрузочными характеристиками (Kundur et al., 1994).

В действительности спрос изменяется постоянно, и, таким образом, демпфирование и частота колебательных режимов в системе также меняются. Чтобы имитировать это поведение и продемонстрировать способность MiPOD адаптироваться и гасить электромеханические колебания при изменении состояния системы, активная и реактивная мощность нагрузок L7 и L9 варьируется случайным образом с использованием масштабных коэффициентов, взятых из гауссова распределения со средним значением 1 и стандартное отклонение 0.1.

5.1 Модальный анализ для случайных рабочих точек

На основе изменения нагрузки, описанной выше, было сгенерировано приблизительно 100 случайных рабочих точек. Характеристики межзонального и локального режима рассчитываются посредством модального анализа для трех исследуемых случаев: базовый вариант, только SPC и MiPOD. Функция плотности вероятности (PDF) для каждого случая получается с использованием оценки плотности ядра Гаусса по всем случайно созданным точкам для их результирующего коэффициента затухания, как в уравнении. 15 и отношение амплитуд, как в формуле.16, где α и β — действительная и мнимая составляющие собственного значения.

Расчетные PDF для каждого отношения изображены на рисунке 14, где заштрихованная область под кривыми представляет вероятность, равную 1. Наблюдая за областями под кривыми, можно сделать вывод, что общая стабильность слабого сигнала система улучшается больше всего в случаях, когда используется MiPOD. В частности, область, определяемая PDF и серой вертикальной линией, является наибольшей для случая MiPOD, что означает, что вероятность того, что коэффициент демпфирования между областями и локальным режимом будет более 5%, является наивысшим.Точно так же вероятность того, что отношение амплитуд A1 / A2 больше 2, выше при подключении MiPOD, о чем свидетельствует площадь под кривой, определяемой PDF-файлами, и серая вертикальная линия в точке 2.0 по оси x.

РИСУНОК 14 . Сравнение функций плотности вероятности для демпфирования и соотношения A 1 / A 2 для локального и межзонального режима в совокупности для каждого исследуемого случая.

Помимо высокой вероятности случаев с положительным коэффициентом демпфирования, существует небольшая вероятность, что условия эксплуатации могут привести к отрицательному коэффициенту демпфирования, даже когда MiPOD находится в эксплуатации.Это может быть связано с сочетанием двух факторов: система чрезвычайно загружена (таким образом, демпфирование колебательных режимов очень низкое) и конечная мощность DPP накладывает ограничение на доступное демпфирование, которое он может обеспечить.

5.2 Реакция системы после непредвиденных обстоятельств для случайных рабочих точек

Следуя той же логике, эффективность MiPOD демонстрируется путем анализа реакции системы при различных сценариях непредвиденных обстоятельств для случайно сгенерированных рабочих точек.Все непредвиденные события происходят через 2 секунды от начала моделирования, которое выполняется с разрешением 10 мс в течение общей продолжительности 20 с. Одни и те же события и условия повторяются три раза для получения ответа системы: 1) без распределенной электростанции, то есть в базовом случае, 2) с распределенной установкой с использованием SPC и 3) с распределенной установкой с использованием MiPOD.

5.2.1 Симметричное короткое замыкание

Из-за особой конструкции этой системы непредвиденные обстоятельства могут поставить под угрозу угловую стабильность и синхронизацию двух областей.Чтобы проверить эту гипотезу, предполагается, что трехфазное короткое замыкание произойдет в B07 в течение 100 мс. Событие было смоделировано примерно для 30 случайных рабочих точек. Активная мощность и частота в центре системы (т. Е. B08) для двух случайных точек показаны на рисунке 15. По этим траекториям положительное влияние MiPOD на колебательный отклик системы очевидно. В обоих случаях система установится в точке равновесия быстрее с более узкими колебаниями мощности. В действительности, начальный выброс частоты, который неизбежен с учетом серьезности неисправности и условий эксплуатации, мог вызвать срабатывание ограничения мощности или отключение выключателя.Тем не менее, этот начальный выброс немного меньше в случае использования MiPOD.

РИСУНОК 15 . Частота и поток активной мощности в B08 после симметричного отказа в B07 для 2 случайных рабочих точек.

5.2.2 Ступенчатое изменение активной и реактивной мощности нагрузки

Изменения нагрузки обычны в реальных энергосистемах, особенно в больших взаимосвязанных системах. Эти вариации могут быть смоделированы как линейные или ступенчатые изменения. Тем не менее, оба типа изменения нагрузки влияют на баланс мощности, что может вызвать электромеханические режимы системы.Однако резкие колебания нагрузки (например, ступенчатые изменения) имеют большее влияние на стабильность системы. Конкретно, увеличение реактивной мощности нагрузки 9 на 5% моделируется для 30 случайных рабочих точек. Результаты для двух выбранных рабочих точек показаны на рисунке 16. В этом случае преимущество MiPOD демонстрируется преимущественно в потоке активной мощности соединительной линии, когда система устанавливается в новом равновесии с меньшими колебаниями мощности. Кроме того, новая точка равновесия с точки зрения частоты ближе к основной частоте по сравнению с базовым случаем.

РИСУНОК 16 . Системная частота и поток активной мощности на B08 после внезапного увеличения потребности в реактивной мощности на 5% на L9 для 2 случайных рабочих точек.

Аналогичным образом, чтобы проверить это поведение, проводится вторая серия имитаций (для еще 30 случайных рабочих точек), но теперь для увеличения активной мощности на 5% при нагрузке 9. Результаты представлены на рисунке 17. Как и ожидалось, MiPOD адаптируется. к случайным рабочим точкам, обеспечивающим дополнительное демпфирование межзонального режима.И поток активной мощности, и частота быстро сходятся к установившемуся состоянию с более высокой скоростью затухания.

РИСУНОК 17 . Частота системы и поток активной мощности в B08 после внезапного увеличения потребности в активной мощности на 5% на L9 для 2 случайных рабочих точек.

5.2.3 Событие синхронной генерации

Как правило, непредвиденные обстоятельства, которые обсуждались до сих пор, не могли активировать локальный режим между G3 и G4. В попытке сделать это событие синхронной машины разработано, чтобы заставить два вышеупомянутых генератора колебаться друг относительно друга.В частности, в момент времени t = 2 с входной механический крутящий момент G3 увеличивается на 0,1 на единицу, в то время как входной механический крутящий момент G4 уменьшается в равной степени. Результаты показаны на рисунке 18. Компонент локальной моды в колебаниях системы проявляется только в первой паре колебаний зарегистрированной частоты на шине 8. После этого узкого окна межзональный режим доминирует над сигналом, который сходится к установившемуся. состояние быстрее, когда установлен MiPOD. Примечательно, что в базовом случае система нестабильна, на что указывает возрастающая амплитуда колебаний активной мощности.Даже с SPC система колеблется очень близко к границе устойчивости. Однако с MiPOD система ведет себя значительно лучше с точки зрения стабильности.

РИСУНОК 18 . Системная частота и поток активной мощности в B08 после внезапного изменения механического крутящего момента G3 и G4 для 2 случайных рабочих точек.

5.2.4 Изменение топологии сети

Последний случай — трехфазное короткое замыкание на шине 7 с линией передачи, соединяющей шины 8 и 9, не обслуживаемой.Остальные линии в соединительной линии сильно нагружены, что приводит к значительному изменению демпфирования и частот колебательных мод. Это последнее событие не только оценивает производительность MiPOD в наиболее серьезных (хотя и менее вероятных) случаях, но также и способность предсказателя AI обобщать и предоставлять точную информацию о характеристиках каждого режима. Траектории системных переменных показаны на Рисунке 19. В зависимости от серьезности события существуют большие колебания мощности в соединительной линии и колебания частоты.Тем не менее, превосходная производительность MiPOD очевидна на обоих рисунках в отличие от SPC и базового варианта.

РИСУНОК 19 . Системная частота и поток активной мощности в B08 после симметричного отказа в B07 для 2 случайных рабочих точек, в то время как нижняя линия, соединяющая B08 и B09, не работает.

6 Заключение

Силовая электроника упрощает подключение распределенных электростанций к сети, тем самым способствуя обезуглероживанию энергосистем.Однако более широкая интеграция силовой электроники может поставить под угрозу стабильность и надежность системы во многих аспектах. Тем не менее, характерные для них универсальность и быстрая реакция могут быть использованы для противодействия атакам на определенные проблемы и, наконец, для повышения общей производительности.

Проверка предложенного контроллера демонстрирует улучшение демпфирования за счет учета двух колебательных режимов по сравнению с типичным случаем использования только преобразователей мощности, формирующих сетку, то есть SPC. По результатам можно сделать следующие выводы.

• С введением MiPOD стало возможным сконцентрировать доступную демпфирующую способность силовой панели на основе GCC для ослабления двух критических режимов, таких как межзональный и локальный режим двухзональной системы. После анализа демпфирования и соотношений A1 / A2 для большого количества случайных рабочих точек, MiPOD, похоже, повышает общую стабильность системы намного больше, чем SPC.

• Кроме того, динамические реакции системы при симметричных неисправностях, изменениях механического крутящего момента, нагрузки и изменениях топологии показывают, что предлагаемый контроллер может увеличить демпфирование этих режимов путем точного прогнозирования частоты двух режимов (местного и взаимного). площадь) в зависимости от условий эксплуатации.

• Что наиболее важно, распределенная электростанция имеет только 6% от общей номинальной мощности синхронных генераторов в системе, но она может обеспечить повышение устойчивости.

• ВЧ-модель, разработанная в этой статье, предполагает наличие WAMS, которая облегчает получение измерений из разных мест системы. Как уже упоминалось, может быть разработана жесткая пороговая схема для ограничения количества шин, которые необходимо контролировать, в случае, если полная наблюдаемость нереалистична.

В отличие от обычных устройств PSS, количество параметров, которые необходимо настроить для отслеживания и демпфирования электромеханических режимов, меньше, например, 1 параметр на полосу колебаний. Меньшее количество регулируемых параметров достигается за счет интеграции модели AI в контур управления, который обеспечивает точные прогнозы частоты режимов.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие вывод этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

Концептуализация, Великобритания и Нидерланды; методология, NL; программное обеспечение, LM; проверка, AT, LM и GB; формальный анализ, GB, LM; расследование, NL и FB; ресурсы, NL; курирование данных, ГБ; написание — подготовка оригинального черновика, ГБ; написание – просмотр и редактирование, АТ и ФБ; визуализация, LM, NL и AT; авторский надзор, PR; управление проектами, PR; привлечение финансирования, PR.

Финансирование

Эта работа была поддержана Европейской комиссией в рамках проекта INTERFACE — h3020-LC-SC3-2018-ES-SCC-824330 и Министерством науки Испании в рамках проекта ENE2017-88889-C2-1-R.

Конфликт интересов

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

Номенклатура

Общие сокращения

AI Искусственный интеллект

DPP Распределенные электростанции

ESS Системы накопления энергии

GCC Сетевой преобразователь

Интеллектуальная мощность MiPOD

PCC Точка общего соединения

PLC Контроллер контура питания

PMU Блоки измерения фазора

PSS Стабилизатор энергосистемы

PV фотоэлектрический

RES 3 9000 Системы возобновляемой энергии2 RF Случайные леса

SG Интеллектуальные сети

SPC Синхронный контроллер мощности

WAMS Глобальная измерительная система

Символы контроллера

ω Угловая частота SPC

ωc Центральная частота фильтра

θ Внутренний угол SPC

θPCC Угол решетки

ζi Коэффициент демпфирования

D Демпфирование

H Инерция

H Инерция Межзональный режим

л Локальный режим

Pref Опорная активная мощность

R Виртуальное сопротивление

VPCC Gagnitude напряжения сети

Vref Опорное напряжение

X Virtual импеданс

Символы случайного леса

ΔI (t) Падение примесей на узле t

y ^ t Прогнозируемое значение на узле t

I (t) Среднеквадратичная ошибка на узле t

Nt Общее количество шаблонов в t

NtLeft Общее количество шаблонов в tLeft

NtRight Общее количество шаблонов в tRight

Q Всего деревьев решений в ансамбле

r Индекс дерева решений в ансамбле

St Набор шаблонов в узле t

t Узел дерева решений i

tLeft Left узел-предок

tRight Right узел-предок

y (p) Истинное значение для шаблона p∈St

Footnotes

1 Способность системы оставаться в синхронизме после возмущения (Kundur и другие., 1994)

2 Статический синхронный компенсатор

Ссылки

Алим С.А., Хуссейн С.М.С. и Устун Т.С. (2020). Обзор стратегий повышения уровня проникновения фотоэлектрических модулей в интеллектуальных сетях. Энергия 13, 636. doi: 10.3390 / en13030636

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Andersson, G., Donalek, P., Farmer, R., Hatziargyriou, N., Kamwa, I., Kundur, P., et al. (2005). Причины крупных отключений энергосистемы в 2003 году в Северной Америке и Европе и рекомендуемые средства для улучшения динамических характеристик системы. IEEE Trans. Power Syst. 20, 1922–1928. doi: 10.1109 / tpwrs.2005.857942

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Балтас, Г. Н., Лай, Н. Б., Марин, Л., Таррасо, А., и Родригес, П. (2020). Сетевые преобразователи мощности, настроенные с помощью искусственного интеллекта для гашения подсинхронных взаимодействий в электрических сетях. IEEE Access 8, 93369–93379. doi: 10.1109 / access.2020.2995298

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Beaudin, M., Zareipour, H., Энтони, С., и Роузхарт, В. (2010). Хранение энергии для смягчения изменчивости возобновляемых источников электроэнергии: обновленный обзор. Энерг. Поддерживать. Развивать. 14, 302–314. doi: 10.1016 / j.esd.2010.09.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Berizzi, A. (2004). «Отключение электроэнергии в Италии в 2003 году», на общем собрании энергетического общества IEEE, Денвер, штат Колорадо, 6–10 июня 2004 г., Vol. 2, 1673–1679.

Google Scholar

Бесса, Р., Морейра, К., Сильва, Б., и Матос, М. (2014). Учет изменчивости возобновляемых источников энергии и неопределенности в работе энергосистем. ПРОВОДА Energ. Environ. 3, 156–178. doi: 10.1002 / wene.76

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Ла Ри, Дж., Сентено, В., Торп, Дж. С. и Фадке, А. Г. (2010). Приложения для синхронизированных векторных измерений в энергосистемах. IEEE Trans. Smart Grid 1, 20. doi: 10.1109 / TSG.2010.2044815

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дуда, Р.О., Харт П. Э. и Сторк Д. Г. (2001). Классификация образцов . 2-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley.

ENTSO-E (2019). Высокая степень проникновения силовых электронных источников питания и потенциальный вклад преобразователей, формирующих сеть. Европейская сеть операторов систем передачи электроэнергии, Tech. Отчет

Google Scholar

ENTSO-E (2018). Колебательное событие 03.12.2017 — РГ защиты и динамики системы. Tech. Республика Брюссель, Бельгия: Европейская сеть операторов систем передачи электроэнергии.

Google Scholar

Фанг, Дж., Ли, Х., Тан, Ю. и Блаабьерг, Ф. (2019). Об инерционности будущих систем питания — электроника. IEEE J. Emerg. Sel. Верхний. Power Electron. 7, 2130–2146. doi: 10.1109 / jestpe.2018.2877766

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Farah, A., Guesmi, T., Hadj Abdallah, H., and Ouali, A. (2012). «Оптимальная конструкция стабилизаторов многомашинной энергосистемы с использованием эволюционных алгоритмов», Первая международная конференция по возобновляемым источникам энергии и автомобильным технологиям, 2012 г., Хаммамет, Тунис, 26–28 марта 2012 г., 497–501.doi: 10.1109 / REVET.2012.6195319

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гопакумар П., Редди М. Дж. Б. и Моханта Д. К. (2014). Контроль устойчивости интеллектуальных электрических сетей с использованием искусственного интеллекта и измерений синхрофазора на большой площади. Electric Power Components Syst. 42, 1095–1106. doi: 10.1080 / 15325008.2014.

5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Григсби, Л. Л. (2007). Стабильность системы питания и cotrol . Кливленд, Огайо: CRC Press.

Гайон И., Уэстон Дж., Барнхилл С. и Вапник В. (2002). Отбор генов для классификации рака с использованием машин опорных векторов. Машинное обучение. 46, 389–422. doi: 10.1023 / a: 1012487302797

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Howell, S., Rezgui, Y., Hippolyte, J.-L., Jayan, B., and Li, H. (2017). К следующему поколению интеллектуальных сетей: семантическое и холоническое многоагентное управление распределенными энергоресурсами. Обновить. Поддерживать. Energ. Ред. 77, 193–214. doi: 10.1016 / j.rser.2017.03.107

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hu, W., Liang, J., Jin, Y., and Wu, F. (2018). Модель стабилизатора энергосистемы, адаптирующаяся к многопользовательским условиям местной электросети, и настройка параметров. Устойчивое развитие 10, 2089. doi: 10.3390 / su10062089

CrossRef Полный текст | Google Scholar

IEEE (2016). «Практика, рекомендованная IEEE для моделей систем возбуждения для исследований устойчивости энергосистем», IEEE Std 421.5–2016. (Редакция IEEE Std 421.5-2005) (Нью-Йорк, Нью-Йорк: IEEE), 1–207.

Google Scholar

Кемпенер Р., Комор П. и Хок А. (2013). Интеллектуальные сети и возобновляемые источники энергии: руководство по эффективному развертыванию. IRENA — Международное агентство по возобновляемым источникам энергии, Tech. Rep.

Google Scholar

Knüppel, T., Nielsen, J. N., Jensen, K.H., Dixon, A., and Østergaard, J. (2013). Возможности гашения колебаний мощности ветроэлектростанции с полнопреобразовательными ветряными турбинами с учетом ее распределенных и модульных характеристик. IET Renew. Энергетика 7, 431–442. doi: 10.1049 / iet-rpg.2012.0030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Контис, Э. О., Пападопулос, Т. А., Барзегкар-Нтовом, Г. А., Хрисохос, А. И., и Папагианнис, Г. К. (2018). Модальный анализ активных распределительных сетей с использованием методов системной идентификации. Внутр. J. Electr. Power Energ. Syst. 100, 365–378. doi: 10.1016 / j.ijepes.2018.02.038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кропоски, Б., Джонсон, Б., Чжан, Ю., Геворгян, В., Денхольм, П., Ходж, Б. и др. (2017). Создание сети из 100% возобновляемых источников: эксплуатация электроэнергетических систем с чрезвычайно высоким уровнем переменной возобновляемой энергии. IEEE Power Energ. Mag. 15, 61–73. doi: 10.1109 / mpe.2016.2637122

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кундур П., Балу Н. Дж. И Лауби М. Г. (1994). «Стабильность и управление энергосистемой», в Epri Power System Engineering (Нью-Йорк: McGraw-Hill Education).

Google Scholar

Лай, Н. Б., и Ким, К. Х. (2016). Усовершенствованная стратегия управления током для инвертора, подключенного к сети, в условиях искажения сети. Энергия 9, 190. doi: 10.3390 / en

90

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю К., Тан Ф. и Лет Бак К. (2018). Точная онлайн-схема динамической оценки безопасности на основе случайного леса. Energies 11, 1914. doi: 10.3390 / en11071914

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Masters, G.М. (2013). Возобновляемые и эффективные электроэнергетические системы . 2-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley Press — IEEE.

Prasertwong, K., Mithulananthan, N., and Thakur, D. (2010). Понимание низкочастотных колебаний в энергосистемах. Внутр. J. Electr. Англ. Эду. 47, 248–262. doi: 10.7227 / IJEEE.47.3.2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рашка, С., Мирджалили, В. (2019). Машинное обучение Python: машинное обучение и глубокое обучение с помощью Python », Scikit-learn и TensorFlow 2 .Бирмингем, Великобритания: Packt Publishing Ltd.

Google Scholar

Рокаберт Дж., Луна А., Блаабьерг Ф. и Родригес П. (2012). Управление преобразователями мощности в микросети переменного тока. IEEE Trans. Power Electron. 27, 4734–4749. doi: 10.1109 / TPEL.2012.2199334

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Родригес Кортес, П., Кандела Гарсия, Дж. И., Рокаберт Делгадор, Дж. И Теодореску, Р. (2014). Виртуальный контроллер электромеханических характеристик статических преобразователей энергии .Abengoa Solar New Technologies SA, US20140067138A1 [Набор данных].

Родригес П., Ситро К., Кандела Дж. И., Рокаберт Дж. И Луна А. (2018). Гибкое подключение к сети и изоляция фотоэлектрических преобразователей на базе СПК. IEEE Trans. Ind. Applicat. 54, 2690–2702. doi: 10.1109 / tia.2018.2800683

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Senesoulin, F., Hongesombut, K., and Dechanupaprittha, S. (2019). «Глубокая нейронная сеть для оценки режима межзональных колебаний на основе данных синхрофазора», на грандиозной международной конференции и выставке IEEE PES GTD 2019 в азии (GTD Asia), Таиланд, 19–23 марта 2019 г., стр. 1–6.

Google Scholar

Шалев-Шварц, С., и Бен-Давид, С. (2017). Машинное обучение: от теории к алгоритмам . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

Шин, Х., Нам, С., Ли, Дж., Бэк, С., Чой, Ю., и Ким, Т. (2010). Практический метод настройки стабилизатора системы питания и его проверка в полевых испытаниях. J. Electr. Англ. Tech. 5, 400–406. doi: 10.5370 / jeet.2010.5.3.400

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сулла, Ф., Мосбэк, Э., Самуэльссон, О. (2014). «Связывание затухания электромеханических колебаний с условиями работы системы с использованием нейронных сетей», в инновационных технологиях интеллектуальных сетей IEEE PES, Европа, 12–15 октября 2014 г., стр. 1–6.

Google Scholar

Tarrasó, A., Verdugo, C., Lai, N. B., Ignacio Candela, J., and Rodriguez, P. (2019). «Синхронный контроллер мощности для блоков распределенной генерации», на конгрессе и выставке по преобразованию энергии IEEE 2019 г., Балтимор, Мэриленд, 5 октября 2019 г., 4660–4664.

Google Scholar

Theodoridis, S., and Koutroumbas, K. (2008). Распознавание образов . 4-е изд. Орландо, Флорида: Academic Press.

TP462 (2012). Отчет рабочей группы IEEE. Идентификация электромеханических режимов в энергосистемах.

Google Scholar

Варма, Р. К., и Акбари, М. (2020). Одновременное быстрое регулирование частоты и гашение колебаний мощности за счет использования солнечной системы pv в качестве pv-statcom. IEEE Trans. Поддерживать. Energ. 11, 415–425.doi: 10.1109 / tste.2019.2892943

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Варма Р. К. и Салехи Р. (2017). Снижение выбросов парниковых газов с помощью нового элемента управления фотоэлектрической солнечной электростанцией как STATCOM (PV-STATCOM). IEEE Trans. Поддерживать. Energ. 8, 1473–1483. doi: 10.1109 / tste.2017.26

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, Y., Meng, J., Zhang, X., and Xu, L. (2015). Управление ветряными турбинами на основе PMSG для инерционного отклика системы и гашения колебаний мощности. IEEE Trans.Поддерживать. Energ. 6, 565–574. doi: 10.1109 / tste.2015.2394363

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhou, L., Yu, X., Li, B., Zheng, C., Liu, J., Liu, Q., et al. (2017). Демпфирование межзонных колебаний с помощью крупномасштабной электростанции с помощью модифицированной стратегии адаптивного управления с несколькими моделями. IEEE Trans. Поддерживать. Energ. 8, 1629–1636. doi: 10.1109 / tste.2017.2697905

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Что такое сервостабилизатор? — Определение, методы и типы

Сегодня стабилизаторы напряжения стали обязательными для офисного, коммерческого и промышленного использования.Стабилизаторы напряжения призваны защитить любую машину и электронное оборудование от колебаний напряжения. Они поддерживают постоянное напряжение независимо от изменения входящего напряжения и внешних условий. В 1990-х годах для снижения напряжения широко использовались ручные стабилизаторы. Эти стабилизаторы оснащены электромагнитными реле для обеспечения постоянного напряжения. Спустя несколько лет появились электронные схемы, которые считались альтернативой автоматическим регуляторам напряжения.

Основные компоненты сервостабилизатора. Однако новейшая технология стабилизатора напряжения на данный момент — сервостабилизатор. Зная, насколько важно получить один качественный сервостабилизатор для промышленных целей, мы составили подробное руководство по сервостабилизатору .

Что такое стабилизатор?

Колебания напряжения могут вызвать повреждение нагрузки. Если происходят внезапные изменения нагрузки из-за каких-либо неисправностей в энергосистеме, возникают колебания напряжения.Бывают случаи, когда такие колебания напряжения могут сократить срок службы любой бытовой техники. Таким образом, в промышленности используются регуляторы напряжения, чтобы обеспечить стабильную подачу напряжения на нагрузку и убедиться в отсутствии или минимальной причине колебаний напряжения. Зная, насколько важно использовать регулятор напряжения, чтобы избежать проблем с предохранителями, стабилизатор используется во многих коммерческих приложениях.

Стабилизатор — это устройство, которое используется для поддержания устойчивого состояния.В зависимости от качества и спецификации напряжения существуют различные типы стабилизаторов для поддержания стабильности в течение определенного времени. Как правило, стабилизатор используется для поддержания стабильного значения напряжения в энергосистеме, что называется стабилизатором напряжения. Он работает, когда элемент управления используется для преобразования нерегулируемого входа в регулируемый выход.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения спроектирован таким образом, что он может поддерживать стабильный уровень напряжения, чтобы гарантировать постоянное электропитание, даже если есть какие-либо изменения или колебания напряжения для защиты приборов.Когда регулятор напряжения обеспечивает постоянный уровень напряжения для бытовой техники, он называется стабилизатором напряжения. Необходимость и важность этого стабилизатора напряжения огромны, поэтому он является наиболее важным устройством в коммерческой промышленности.

Существуют различные типы регуляторов напряжения, такие как электромеханические регуляторы напряжения, автоматические регуляторы напряжения, активные регуляторы и т. Д. Таким же образом существуют различные типы стабилизаторов напряжения, такие как автоматические стабилизаторы напряжения, стабилизаторы напряжения постоянного тока, переменного напряжения. стабилизаторы.Посмотрим, как именно это работает.

Мы можем изучить работу стабилизатора напряжения, проанализировав различные типы стабилизаторов напряжения. Для поддержания постоянного уровня напряжения используется регулятор напряжения. Это устройство, предназначенное для автоматического управления всем постоянным уровнем напряжения. Есть много типов регуляторов напряжения. Например, один может использовать подход к проектированию с прямой связью, а другой — отрицательную обратную связь.

Типы регуляторов напряжения

В целом стабилизаторы напряжения можно разделить на 3 типа.Их

Электронные регуляторы напряжения

Регуляторы электромеханические

Регулятор напряжения автоматический

Электронный регулятор напряжения

Электронный регулятор напряжения состоит из серии диодов. Из-за формы кривых V-I напряжение на всех диодах немного изменяется. Это из-за изменения ввода. Конструкции работают нормально, если точный уровень напряжения и КПД не играют важной роли.

Электромеханические регуляторы

Электромеханические регуляторы используются для поддержания постоянного напряжения на распределительных линиях переменного тока. Электромеханические регуляторы известны как стабилизаторы напряжения. Для использования в автотрансформаторе эти регуляторы адаптируют работу сервомеханизма.

Регулировка напряжения завершается намоткой измерительного провода. Создает электромагнитное поле. Поле притягивает движущееся железное ядро ​​к силе гравитации.В результате, когда напряжение увеличивается, увеличивается и ток. Также магнит подключен к выключателю питания. Он открывается, когда магнит движется в поле. Когда напряжение уменьшается, то же самое происходит и с током, а значит, и с ослаблением натяжения пружины. Таким образом, выключатель замыкается, и мощность снова начинает течь. Сервомеханизм используется для простого переключения ответвления, когда диапазон напряжений не лежит в указанном значении. Вторичное напряжение электромеханического регулятора можно изменять для получения желаемых значений выходного напряжения.

Регулятор напряжения автоматический

Автоматический регулятор напряжения обычно используется на электростанциях. Он имеет автоматические регуляторы напряжения (АРН), с помощью которых он может стабилизировать и поддерживать напряжение при изменении нагрузки генератора. В традиционных регуляторах напряжения раньше использовалась электромеханическая система, а сегодня в автоматических регуляторах напряжения используются твердотельные устройства. По сути, АРН сравнивает все выходное напряжение генератора с заданным значением. Затем он отправляет сигнал, с помощью которого регулируется возбуждение.

Реле стабилизатора напряжения

В этом типе стабилизатор представляет собой электронную схему, схему реле, блок управления, выпрямитель и некоторые крошечные компоненты. Когда напряжение падает или повышается, схема управления переключает реле для подключения ответвления к выходному напряжению. Он изменяет уровень выходного напряжения на 10%. Вот почему он используется только для низкоуровневой бытовой техники в офисе, дома и на производстве. Бывают случаи, когда некоторое электрическое оборудование может иметь несколько ограничений, таких как меньшая долговечность, отключение питания, неожиданная работа, повреждение катушки и т. Д.. Чтобы избежать этих колебаний в многонациональных компаниях, имеет смысл использовать стабилизатор напряжения релейного типа. Несмотря на то, что это устаревший стабилизатор, он широко используется для приложений с низким энергопотреблением в школах, офисе и т. Д.


Разница между стабилизаторами с масляным и воздушным охлаждением

Сегодня на рынке доступны два типа сервомоделей. Один из них представляет собой стабилизатор с воздушным охлаждением с сервоприводом, а другой — стабилизатор с масляным охлаждением с сервоприводом. Оба этих стабилизатора работают по одному принципу.Однако их эффективность уникальна.

Сервостабилизатор с воздушным охлаждением Сервостабилизатор с масляным охлаждением
Вес 1% Масса 1,5%
Коэффициент мощности 0,9 Коэффициент мощности 0,8
75 кВА выдерживает 30 кВА выдерживает
Низкая нагрузка летом Большая нагрузка даже летом

Стабилизаторы переменного напряжения

Регуляторы переменного напряжения вращения катушки

Трансформатор постоянного напряжения

Стабилизаторы переменного напряжения

подразделяются на различные типы, такие как регуляторы переменного напряжения, вращение катушки, трансформаторы постоянного напряжения.Регулятор напряжения переменного тока — это традиционный тип регуляторов, который использовался в 1920-х годах.

Регулятор напряжения переменного тока вращения катушки

Он не получил широкого распространения во многих приложениях из-за устаревшей модели схемы. Он работает по принципу вариоэлемента. Он имеет две неподвижные катушки, одна фиксированная, а другая установлена ​​на оси, параллельной другой катушке.

Регулятор напряжения переменного тока вращения катушки поддерживает постоянное напряжение, поддерживая магнитные силы, которые действуют на подвижную катушку.Вращая катушку, напряжение во вторичной катушке может быть уменьшено и соответственно увеличено. Здесь он работает по принципу механизма сервоуправления, который можно использовать для управления положением катушки при вращении катушки. Таким образом, эти регуляторы напряжения действуют как стабилизаторы напряжения.

Трансформатор постоянного напряжения

Трансформатор постоянного напряжения также известен как феррорезонансный регулятор или феррорезонансный трансформатор. В этом стабилизаторе используется своего рода бак-схема, в которой есть конденсатор для генерации постоянного выходного напряжения с изменяющимся током и напряжением резонансной обмотки.Вторичная катушка используется для регулирования уровня напряжения. Здесь источник питания переменного тока должен быть стабилизирован насыщающими трансформаторами.

Спецификация:

* Диапазон входного напряжения от 90 В до 290 В.

* Диапазон КПД 98%.

* Отключение высокого напряжения на 290 В.

* Специально разработан для электроприборов.

* Защита линии от шума и всплесков

* Поставляется с технологией первичной коммутации.

Заявка

* Регулятор напряжения можно использовать по-разному.

* Используются для компенсации всех колебаний напряжения в основной сети

* Некоторые из крупных регуляторов напряжения устанавливаются непосредственно на распределительных линиях. Они размещены на постоянной основе

* Некоторые регуляторы небольшого размера и портативности используются для включения между чувствительными устройствами аналогичного типа или розетками.

* АРН часто используется на судовых генераторах. Наряду с этим они используются в аварийном электроснабжении, на нефтяных вышках и т. Д. Для поддержания колебаний. Когда потребность в мощности увеличивается, это может вызвать некоторые колебания. Эти регуляторы используются для стабилизации колебаний.


Разница между регулятором и стабилизатором

Регулятор используется для регулирования количества на выходе. Выход контролируется на основе входных критериев. Существуют различные типы регуляторов, такие как регуляторы расхода топлива, регуляторы напряжения, регуляторы скорости и т. Д.. С другой стороны, стабилизатор — это устройство, которое используется для стабилизации электропитания от любых внешних / внутренних помех.

Активные регуляторы

Активные регуляторы — регуляторы, в которых есть хотя бы один активный компонент. Усиливающий компонент может быть операционным усилителем или транзистором. Шунтирующие регуляторы бывают обоих типов. Он может быть активным или пассивным. В большинстве случаев они пассивны. Хотя, будучи пассивными, они малоэффективны. Причина этого в том, что они сбрасывают больше тока, который не загружен.Поэтому, когда необходимо подать больше энергии, используется другой тип устройства.

* Активные регуляторы можно разделить на 3 различных класса. Ниже приведены

* Регуляторы линейные серии

* Регуляторы переключения

* Регуляторы SCR (выпрямители с кремниевым управлением)

Линейные регуляторы

Первый тип активных регуляторов — линейные регуляторы.Линейные регуляторы — это устройство, которое работает постоянно. Есть импульсный регулятор, который используется как переключатель включения и выключения. Кроме того, линейные регуляторы также делятся на два разных типа.

Регуляторы серии *

* Шунтирующие регуляторы

Регулятор серии : Регулятор серии, также известный как регулятор последовательного прохода, обычно использует переменный элемент последовательно. Сопротивление изменяется, чтобы падение напряжения оставалось постоянным.

Шунтирующий регулятор : Шунтирующий регулятор — это другой тип линейного регулятора, в котором ток шунтируется на землю с помощью регулирующего элемента.

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы — это регуляторы, в которых используется переключающий элемент для преобразования источника питания на другой ток. Затем оно преобразуется в другое напряжение. Это достигается за счет использования конденсаторов, катушек индуктивности и многих других элементов. После этого он снова преобразуется в DC.Чтобы получить стабильный выходной сигнал, внутри схемы используются различные типы компонентов фильтрации и регулирования.

SCR (выпрямитель с кремниевым управлением)

SCR означает выпрямитель с кремниевым управлением. Это четырехслойное устройство, относящееся к классу тиристоров. По сути, SCR — это не что иное, как одно полупроводниковое устройство с 3 выводами. Большая часть SCR предназначена для управления мощностью, поскольку они имеют очень высокое напряжение и большой ток. Другими словами, SCR — это просто диод Шокли, в котором есть дополнительный вывод.Терминал известен как ворота. Основное использование затвора — запускать все устройство в проводимость. Это делается путем подачи небольшого напряжения. Некоторые виды использования SCR также включают управление сварочными аппаратами. Он используется в некоторых процессах сварочных аппаратов, таких как MTAW (дуговая сварка металла вольфрамом) и GTAW (газовая дуговая сварка вольфрама).

Гибридные регуляторы

Гибридные регуляторы представляют собой комбинацию всех трех. Некоторые из них также называют это комбинированным регулятором.Он используется, потому что существует множество источников питания, в которых используется более одного или двух методов регулирования в серии. Они могут быть любого типа, например, выходная мощность, регулируемая импульсным регулятором, может дополнительно регулироваться линейным регулятором. Это связано с тем, что импульсный стабилизатор иногда генерирует более широкий диапазон напряжения из-за большего входного напряжения. Издает шум. Так, в некоторых случаях они используют линейный генератор вместе с импульсным регулятором. Когда импульсные регуляторы завершили регулирование, линейный регулятор используется для регулирования напряжения с целью уменьшения шума.Более того, может быть любой тип регулятора, за которым следует другой регулятор. Некоторые из них также используют кремниевый выпрямитель в качестве предварительного регулятора. Это наиболее эффективный способ создания переменного, а также точного напряжения.


Детали стабилизатора

Вот основные компоненты стабилизатора, благодаря которым они работают эффективно.

* Диммер

* Понижающий повышающий трансформатор

* Угольная щетка

* Серводвигатель

* Угольная щетка

* Контактор

* MCB / MCCB

Диммер

Диммер — это регулируемый трансформатор, обычно круглой формы.Он изготовлен из тороидального сердечника CRGO, который используется для регулировки коэффициента поворота до желаемой мощности. Диммер специально разработан с осторожностью и вниманием, поскольку он используется для увеличения или уменьшения напряжения, которое поступает на повышающий трансформатор. С помощью этого невероятного устройства уровень выходного напряжения можно увеличить или уменьшить только до 50%.

Например: если заданное входное напряжение трансформатора составляет 160 В, диммер увеличит его как минимум до 190 В. Нагрузка будет сбалансирована понижающим трансформатором.

Понижающий повышающий трансформатор

В отличие от диммера, повышающего трансформатора, понижающего трансформатора. Во время тестирования сервостабилизатора на обмотки, которые будут использоваться в повышающем понижающем трансформаторе, применяется какой-то изолирующий затвор, называемый «трансформатор для затухания». Этот лак предохраняет обмотки трансформатора от любых внешних воздействий и воздействия окружающей среды. если не использовать лак, катушки могут быть повреждены из-за сильной вибрации внутри.

Серводвигатель

Из самого названия видно, что серводвигатель является неотъемлемой частью сервостабилизатора. В серводвигателе есть синхронизирующий двигатель, который вращает рычаг, установленный на диммере, по или против часовой стрелки в зависимости от входного напряжения.

Угольная щетка — Угольная щетка — подвижная часть в этих сервостабилизаторах, которая хорошо установлена ​​на валу и может контактировать с диммером. Производителю сервостабилизатора важно получить щетки хорошего качества, поскольку угольная щетка исчезнет раньше, если колебания напряжения будут частыми.

Контактор — Контактор обычно используется для отключения выходного сигнала любого сервостабилизатора, когда он превышает пороговый предел.

MCB, MCCB — MCCB используется для балансировки перегрузки, а MCB используется для защиты от короткого замыкания.

Электронная схема

Неудивительно, что электрическому устройству нужна электронная схема для обработки. В стабилизаторе электрическая цепь посылает сигнал на некоторые части стабилизатора, такие как диммер, двигатель и т. Д.Устройство работает по сигналу, который проходит по электрической цепи.


Работа сервостабилизатора или стабилизатора

Понять принцип работы сервостабилизатора очень просто. Это основная схема управления, которая содержит микропроцессор, который управляет действием. Когда основная схема получает вход автоматического регулятора напряжения, сигнал отправляет обратную связь в основную схему управления. Микропроцессор непрерывно получает входное напряжение.Если есть какие-либо колебания входного напряжения, регулятор побуждает микропроцессор дать больше триггера драйверу двигателя. Количество автомобильных обмоток на трансформаторе может быть увеличено или уменьшено в зависимости от серводвигателя. Таким образом, напряжение поступает на повышающий трансформатор. Вал серводвигателя установлен на повышающем трансформаторе. Таким образом, если есть какое-либо изменение уровня напряжения на первичной обмотке повышающего трансформатора, что приводит к изменению входного уровня во вторичной обмотке.Серводвигатель движется идеально, так что на первичной обмотке понижающего трансформатора можно наблюдать надлежащее напряжение. Выходное напряжение сервостабилизатора — это напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будут достигнуты правильные входные напряжения.

Как правило, три фазы автоматического регулятора напряжения управляются независимыми фазами. Это очень похоже на однофазный сервостабилизатор.

Для управления моторным регулируемым трансформатором в сервостабилизаторе используется усовершенствованная концепция серводвигателя.Поскольку это следует за моторизацией, происходит задержка корректировки напряжения. Когда входное напряжение изменяется до + 50%, выходное напряжение будет + 1%. Даже при колебаниях напряжения или частоты серводвигатели не будут повреждены. Этот принцип работы хорошо работает для всех трех фаз, таких как фаза-линия, фаза-нейтраль и т. Д., Независимо от баланса нагрузки и баланса напряжений. Устройство сконструировано таким образом, чтобы выдерживать внешние условия и большие пусковые токи, колебания напряжения и т. Д.Несмотря на новейшие технологии, сервостабилизаторы такого типа требуют хорошего и регулярного обслуживания. Он следует разным проектным топологиям.

Однофазный вход и однофазный выход

Этот вид сервостабилизатора содержит синхронный двигатель переменного тока, который может быть соединен с автотрансформатором через шестерни. В зависимости от того, как колеблется входной сигнал, серводвигатель может регулировать выход автотрансформатора для обеспечения стабильного выхода устройства.

Двухфазный вход и двухфазный выход

Он содержит синхронный двигатель переменного тока, который соединен с автотрансформатором с помощью совместимых шестерен / вала.Серводвигатели регулируют выходную мощность автотрансформатора, и это зависит от колебаний на входе. Используется в микроконтроллере RISC. Некоторые области применения: станки с ЧПУ, цветные офсетные печатные машины, эскалаторы, лифты и т. Д.

Трехфазный вход и трехфазный выход — это тип сервостабилизатора, который содержит три независимых синхронных двигателя переменного тока, которые соединены с тремя автотрансформаторами с помощью валов и совместимых шестерен. Некоторые из его областей применения — медицинское оборудование, приложения для осветительной нагрузки, установки для кондиционирования воздуха.

Преимущество использования сервостабилизатора

* Снижение количества отказов медицинского / электрического оборудования.

* Снижение затрат на содержание

* Повышение коэффициента напряжения / мощности.

* Немедленная реакция на скачки напряжения

* Экономит энергопотребление

* Предотвращает возгорание, несчастные случаи и т. Д.

* Защитить и спасти человеческую жизнь.

Стабилизатор напряжения

имеет множество реальных примеров. Например, это можно увидеть в цепях питания, которые обеспечивают питание всех других электронных и электронных цепей. Как правило, регуляторы 7805 вставляются для обеспечения питания комплектов проектов на основе микроконтроллеров. Причина, по которой это используется, заключается в том, что микроконтроллеры работают при 5В. Первые две цифры в стабилизаторах 7805 показывают положительную серию, а последние две используются для определения значения выходного напряжения.


7805 Регулятор

Поскольку технологии развиваются день ото дня, появляется много новых конструкций стабилизаторов напряжения. Некоторые из них могут быть автоматизированы и могут автоматически регулировать уровень напряжения в соответствии с требуемым диапазоном. Если требуемый диапазон напряжения нарушен, источник питания автоматически отключится от нагрузки. Следовательно, бытовая техника защищена от получения большего количества напряжения, и колебания не видны. Вы можете использовать поле для комментариев, приведенное ниже, чтобы узнать больше о технических деталях стабилизаторов напряжения.

Колебания электричества в настоящее время распространены во всем мире. Следовательно, прекращение постоянного напряжения и защита сервостабилизатора приборов необходимы, поскольку они обеспечивают требуемую производительность.

В настоящее время почти все электрооборудование поставляется с SMP, поэтому потребность в стабилизаторах напряжения значительно уменьшилась. Хотя все эти дополнительные функции предназначены для рекламы и есть большая вероятность, на самом деле они могут отличаться. Следовательно, мы обсудим, зачем вам нужен сервостабилизатор.Кроме того, мы увидим, как с его помощью можно сэкономить много денег, защитив все свои устройства, установив сервостабилизатор.

Есть некоторые из огромных приложений, которые могут быть затронуты высоким напряжением, такие как рентгеновские аппараты, PH-метр, а также некоторые другие устройства, такие как регистраторы, в то время как некоторые из низкопроизводительных устройств будут подвержены влиянию низкое сетевое напряжение, такое применение включает морозильники, холодильники, компрессоры и т. д. Следовательно, вам нужен стабилизатор напряжения, чтобы защитить все ваши устройства от высокого или низкого напряжения.Особенно в тех отраслях, которые работают в течение всего дня, на них может повлиять колебание напряжения I. Следовательно, стабилизатор сервоприводов является обязательным для защиты и защиты ваших ценных устройств.

Сегодня электрические щиты дают постоянное напряжение. Однако, пока напряжение достигает пользователя, величина изменяется и не остается постоянной. Причина этого заключается в нагрузке при распределении напряжения. Следовательно, серво стабилизатор напряжения стабилизирует все напряжения, и вы можете легко сэкономить деньги, не повредив свои электрические приборы из-за напряжения.

Диапазон для однофазного / трехфазного тока составляет от 230 В до 415 В. Все соединения в трех фазах делятся на 3 разные линии. Каждый из них состоит из 23В. Таким образом, в работающей технике используется диапазон от 220 до 240 В. Встроенные SMPS не могут работать с диапазоном более высоких или низких напряжений. Поскольку они не могут обслуживать их должным образом, используемые вами приборы могут выйти из строя или перестать работать. Таким образом, с использованием серво стабилизатора напряжения приложение будет безопасным в использовании и не будет повреждено.Наряду с этим, дайте нам сначала узнать больше о напряжении и их использовании.


Узнайте больше о напряжении и использовании

Вам необходимо знать об электрических нагрузках, прежде чем покупать сервостабилизатор. Это применимо в обоих местах, будь то ваш дом / офис или вы устанавливаете его в своей отрасли. Выполнив оценку нагрузки, вы можете узнать, какое количество энергии необходимо системе. Возможно, вы думаете о том, как рассчитать нагрузки и амперы.Вам не нужно беспокоиться об этом, есть простая формула для его расчета. Формула

* Для расчета кВА в амперах используется приведенная ниже формула

Формула: 1 кВА = 4,3 А

* Для расчета кВА с использованием кВт, можно использовать приведенную ниже формулу

Формула: 1 кВА = кВт / 0,8

Вы можете легко рассчитать KVA, используя формулу. Например, если ваш двигатель работает, допустим, 17.2 ампера, вы можете рассчитать его, разделив на 4,3, что дает нам 4КВА. Это означает, что вам следует использовать стабилизаторы 4KVA. Точно так же, если вы хотите рассчитать кВтч, вы можете подсчитать все напряжение через кВт во всех ваших приложениях. Теперь вам нужно разделить ответ на 0,8 по формуле. После этого вы получите требуемый ответ. Вы можете купить стабилизатор этого кВА и обезопасить всю бытовую технику в вашем доме / офисе. Обратите внимание, что в каждом доме и офисе он отличается, и то же самое касается отраслей.Поэтому не ослепляйте, покупая стабилизатор. Вы можете обратиться к инженеру, если хотите, чтобы все было сделано более точно.

Кроме того, вы можете увидеть, есть ли у вас какие-либо колебания мощности. В зависимости от этого вы можете выбрать окно входного / выходного напряжения и потребляемую мощность. Если вы не получаете желаемого результата, то есть не получаете постоянной мощности. Это означает, что входное / выходное напряжение не подходит. Следовательно, вам необходимо получить серво стабилизатор напряжения и защитить схему от перегрузки и под нагрузкой, контролируя мощность и напряжение.


Область применения и технические характеристики:

Теперь как вы понимаете, почему обязательно установка стабилизатора. Посмотрим спецификации. Он изготовлен из материала класса A, что делает его прочным и долговечным. Он поставляется по доступной цене с качеством. Сервостабилизатор используется во многих отраслях промышленности, таких как бумажные фабрики, текстильная промышленность, телекоммуникационная промышленность, офсетные печатные машины и многие другие. Очень важно выбрать лучший стабилизатор, так как многие из них имеют ряд недостатков.Так что убедитесь, что вы выбрали лучший сервостабилизатор и не соглашайтесь на меньшее.


Заявка

Применение сервостабилизаторов обширно и, следовательно, это наиболее важная часть коммерческой промышленности. Вот некоторые из его приложений.

* Станки с ЧПУ

* Больницы

* Двигатели переменного тока

* Бензонасосы

* Токарный станок

* Лабораторное оборудование

* Радиолокаторы сигнальные

* АТС

* Установки кондиционирования воздуха

* Эскалаторы и лифты

* Офсетные печатные машины

* Медицинское оборудование

Модуляция клеточной активности и поддержание ее специфической функции с помощью электромеханического наногенератора с биоинспирированием

Формирование электромеханических био-NG с биоинспирированием

Недавно в некоторых статьях сообщалось о пьезоэлектрических свойствах полиакрилонитрила (PAN) ( 17 , 18 ).Хотя в целом было установлено, что PAN обычно имеет низкое сегнетоэлектричество, по сравнению с поливинилиденфторидом (современный пьезоэлектрический полимер), PAN имеет меньшие диэлектрические потери и более высокую термическую стабильность и обрабатываемость. В частности, группы ─CN на PAN могут быть гидролизованы в группы ─NH 2 и группы ─COOH, которые способствуют адгезии клеток и функционализации поверхности. Эта плотная адгезия ячеек была необходима для создания пьезоэлектрического эффекта. Следовательно, PAN был чрезвычайно подходящим для электростимуляции in situ в масштабе клетки.Однако узкие микропоры среди плотноупакованных волокон обычно 5 мкм). В этом случае эти каркасы все еще объединяются с клетками в режиме почти 2D роста и не могут обеспечить истинное пространство для роста клеток в 3D. Чтобы решить эту проблему, в раствор электропрядения PAN были введены магнитные наночастицы Fe 3 O 4 для изготовления высокодискретных волокон Fe 3 O 4 / PAN с использованием устройства для электроспиннинга с помощью магнитов (рис. 2A и рис. S1). В этом электроспиннинге неодимовый железо-борный магнит может притягивать наночастицы Fe 3 O 4 , легированные в волокнах PAN, чтобы преодолевать поверхностное натяжение воды и, таким образом, получать 3D-каркасы Fe 3 O 4 / PAN с хорошо -связанные между собой поры и дискретные волокна для свободной миграции клеток.

Рис. 2. Схематическое изображение и пьезоэлектрический анализ био-НГ.

( A ) Принципиальная схема изготовления высокодискретных пьезоэлектрических волокон Fe 3 O 4 / PAN. С помощью неодима железо-борного магнита магнитные наночастицы Fe 3 4 были введены в раствор электропрядения ПАН для преодоления поверхностного натяжения воды. ( B ) Проводящий слой PEDOT загружали методом полимеризации in situ; Нанолисты GO адсорбировались на самом внешнем слое волокон под действием электростатической силы адсорбции с образованием целевых волокон GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN.Изображения одиночного волокна на просвечивающей электронной микроскопии, полученные на каждом этапе. ( C до E ) Оптическое изображение и изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) био-НГ. На вставке (D) показано распределение пор по размерам и пористость. На вставке (E) показан диапазон распределения диаметров волокон для волокон GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN. ( F ) Моделирование методом конечных элементов пьезоэлектрических волокон, соединенных с живой клеткой, генерирующих максимальное напряжение 141 мВ при растяжении под действием тангенциальной силы 10 нН.( G ) Пьезоэлектрический потенциал, создаваемый одним волокном, как функция приложенной тангенциальной силы ячейки. ( H ) Упрощенная схема резистор-конденсатор, созданная NG, интерфейсом NG-ячейка и клеточной мембраной. ( I ) Пьезоэлектрическая силовая микроскопия (PFM) фазовые и амплитудные изображения PFM одиночного волокна в био-NG. ( J ) Гистерезис фазового электрического потенциала и петли амплитуды «бабочка» волокон в био-NG, полученные при постоянном напряжении от -10 до 10 В.( K ) Напряжение на выходе из био-природного газа при той же силе удара 1 Н (синий) и при вибрации 0,7 Гц (красный). На вставке представлены методы удара (слева) и вибрации (справа), используемые для характеристики волокон в био-НГ. F, сила. Фото: Чуанмей Ши, Нанкинский университет науки и технологий.

В дополнение к трехмерному пространству, среда обитания клеток, более близкая к in vivo, требовала еще одного биофизического сигнала — биоэлектричества. Чтобы улучшить этот биофизический сигнал, на Fe 3 O 4 / Волокна PAN посредством процессов самосборки.Введение слоя PEDOT производилось для ускорения межфазного переноса заряда. Полимеризация EDOT на поверхности волокон Fe 3 O 4 / PAN происходила в реакционной системе EDOT-FeCl 3 в безводном диэтиловом эфире; однородный слой PEDOT (~ 2 нм), сформированный под действием ультразвука в бане с ледяной водой (рис. 2B и рис. S2). Примечательно, что поверхность полимеризованного ПЭДОТ в такой реакционной системе обычно была положительно заряженной. Поскольку GO был богат анионными группами, такими как карбоксильные и гидроксильные группы, он мог электростатически адсорбироваться слоем PEDOT и, таким образом, самоорганизовываться во внешний слой GO (~ 30 нм; рис.2Б, рис. S3 и примечание S1), в результате чего целевой каркас состоит из однородных, беспорядочно ориентированных волокон с диаметром в диапазоне от 400 до 900 нм (рис. 2E, вставка). Этот диапазон размеров находился между фибриллами коллагена и их пучками (от 10 нм до 10 мкм; таблица S1). В этом целевом каркасе PEDOT способствовал передаче биоэлектрических и пьезоэлектрических сигналов, а самый внешний слой GO действовал как активные центры для клеточной адгезии. Углеродный скелет в ГО может быть π-π конъюгирован с белком, а его полярные группы также могут привлекать гидрофильные функциональные группы клеток.Эти два синергетических эффекта способствовали обмену информацией между клетками. В результате в этом каркасе существовала серия хорошо связанных между собой микропор (пористость 89,38%) со средним размером пор 18 ± 2 мкм (рис. 2, C – E и рис. S4, A – C), таким образом обеспечение того, чтобы клетки могли беспрепятственно мигрировать в каркас для формирования микроокружения трехмерной культуры клеток (таблица S2) ( 19 ). Помимо этих макропор, много микро / мезопор 20 ). Наконец, био-НГ с электромеханической связью, собранные этим каркасом, могут создавать локальный поверхностный пьезоэлектрический потенциал за счет присущих клеткам сил, что будет способствовать передаче и передаче сигналов между клетками, имитируя биоэлектрические эффекты коллагеновых фибрилл / волокон в ECM.Пьезоэлектрический потенциал, создаваемый клеточной силой в био-НГ, был смоделирован и изучен с помощью анализа методом конечных элементов. Обычно механические напряжения, создаваемые ячейками, находились в диапазоне наноньютонов (от 0,1 до 10 нН). Два конца пьезоэлектрических волокон были определены как якоря или фиксированные ограничения, и сила нагрузки от 0,1 до 10 нН была приложена к контакту ячейка-волокно. Этих напряжений было достаточно, чтобы изгибать пьезоэлектрические волокна и приводить в движение био-НГ (рис. 2F, рис. S5 и примечание S2). В результате волокна в био-NG давали пьезоэлектрический потенциал, начиная с 14.От 1 мкВ до 1,41 мВ при увеличении силы растяжения клеток с 0,1 до 10 нН (рис. 2G). Этот пьезопотенциал был теоретическим напряжением холостого хода вдоль волокон; однако на конечное напряжение, достигающее клеточной мембраны, будет влиять проводимость интерфейса NG-клетка (1/ R int ) и электрическая модель клеточной мембраны (Рис. 2H и примечание S3). Параллельно с теоретическим пьезоэлектрическим потенциалом, пьезоэлектричество одиночного волокна в био-NG было непосредственно охарактеризовано с помощью пьезоэлектрической силовой микроскопии (PFM; рис.2I). Сильный и высокий фазовый контраст можно было наблюдать от одного волокна, что хорошо согласуется с высоким контрастом на пьезоэлектрическом амплитудном изображении. Это свидетельствует о том, что одиночное волокно в био-NG имеет одиночный пьезоэлектрический домен большой площади вдоль волокна, который был очень предпочтительным для получения высокого пьезоэлектрического отклика под действием сил тяги ячейки. О его сегнетоэлектричестве свидетельствовал гистерезис локального электрического поля и поляризации, полученный из фазовых и амплитудных петель МЭД. Как показано на рис.2J, наши целевые волокна продемонстрировали четкий гистерезис изменения фазы на 180 ° и гистерезис амплитуды в форме бабочки при переключении приложенного смещения. Кроме того, пьезоэлектрический коэффициент был рассчитан из ЧИМ с рассчитанной d 33 амплитудой 4,5 пм / В (примечание S4). Это значение d 33 почти соответствовало заявленному пьезоэлектрическому коэффициенту волокон PAN. В дополнение к демонстрации прямого пьезоэлектрического эффекта, связанного с пьезоэлектрическими волокнами, мы изготовили гибкое испытательное устройство, состоящее из встроенных в полимер пьезоэлектрических волокон, зажатых между верхним медным электродом и проводящей подложкой из полиэтилентерефталата.Сигналы напряжения, генерируемые во время периодических испытаний устройства на ударные нагрузки и колебания, дополнительно подтверждают теоретическую пьезоэлектричество био-NG (рис. 2K).

Физико-химические характеристики био-NG

Пьезоэлектрическая конформация волокон на основе PAN в био-NG была исследована с помощью инфракрасного (FTIR) и рентгеновского (XRD) спектров с преобразованием Фурье. Полосы колебаний при 1250 и 1230 см −1 были отнесены к зигзагообразной конформации и 3 1 -спиральной конформации PAN соответственно (вставка на рис.3A и рис. S6), в котором плоская зигзагообразная конформация играет ключевую роль в пьезоэлектричестве. На основе спектров FTIR содержание зигзагообразной конформации [ f ( z )] было оценено с использованием уравнения. 1, где A 1230 и A 1250 были пиковой интенсивностью на 1230 и 1250 см -1 , соответственно. Зигзагообразное содержание волокон GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN составило 59,1%, что сопоставимо с волокнами PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN (59.3%) и немного выше, чем волокна Fe 3 O 4 / PAN (58,6%) (рис. 3C, синий столбчатый). Картины XRD дополнительно подтвердили зигзагообразную конформацию во всех волокнах на основе PAN (рис. 3B, вставка). 2θ больше 17 ° объясняется зигзагообразной конформацией в конформации PAN. Кроме того, Δθ = 2θ — 17 может использоваться для обозначения зигзагообразной конформации ( 18 , 21 ). Как показано на фиг. 3C (красный столбец), все 2θ волокон на основе PAN были больше 17 °, что указывает на преобладание зигзагообразной конформации волокон на основе PAN, что хорошо согласуется с результатами FTIR.Опять же, высокое содержание зигзагообразной конформации указывает на высокую пьезоэлектричество волокон в био-NG.

Рис. 3. Характеристики кристалличности и стабильности пространственной структуры пьезоэлектрических волокон на основе ПАН в био-НГ.

( A ) FTIR и ( B ) XRD-спектры Fe 3 O 4 / PAN, PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN и GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN волокна. а.е., условная единица. ( C ) Содержание зигзагообразной конформации и значения Δθ (2θ — 17) Fe 3 O 4 / PAN, PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN и GO / PEDOT / Fe 3 O 4 волокна / PAN, количественно определено по спектрам FTIR и XRD соответственно.( D ) термограммы DSC, ( E ) профили циклической вольтамперограммы (CV) и ( F ) угол смачивания воды Fe 3 O 4 / PAN, PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN и GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN волокна. ( G ) Скорость отскока при сжатии волокон Fe 3 O 4 / PAN, PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN и GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN при сжатии 5, 7 и 9 мм.( H ) Кривая напряжение-деформация био-NG при 90% сжатии. ( I ) Распределение среднего размера пор и соотношение среднего размера частиц> 15 мкм. Все планки погрешностей указывают ± SD. Фото: Чуанмей Ши, Нанкинский университет науки и технологий.

Термодинамические свойства пьезоэлектрических волокон на основе PAN в био-NG были проанализированы с помощью термограммы дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC). На всех термограммах ДСК появляется слабый экзотермический пик при 110 ° C, который представляет собой тепло, выделяемое кристаллами в ПАН (рис.3D, врезка). Кристалличность ( X c ) может быть рассчитана по формуле. 2 где X c — кристалличность образца, ∆ H — энтальпия плавления образца, а ∆ H f (87,74 Дж / г) — стандартная энтальпия плавления ПАН при полной кристаллизации. . В результате волокна GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN дали наивысшее значение X c , равное 4,77%, а значение X c для Fe 3 O 4 волокна / PAN было самым маленьким (3.22%). Это указывает на то, что модификация PEDOT и GO была полезна для улучшения пьезоэлектрических характеристик. Кроме того, в волокнах GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN температура плавления предварительного окисления PAN сместилась к более высокой температуре с 301,01 ° C до 317,07 ° C, что указывает на то, что введение PEDOT и GO может повысить его термическую стабильность и, следовательно, длительное время удерживают пьезоэлектричество в теле при более высокой температуре, чем температура окружающей среды. Мы дополнительно протестировали свойства накопления и передачи заряда пьезоэлектрических волокон на основе PAN в био-NG с помощью циклической вольтамперограммы (CV) (рис.S2B). На рис. 3E показано, что все образцы на основе ПАН демонстрируют сильно обратимые CV-профили без каких-либо очевидных побочных реакций (пики окисления и восстановления), что свидетельствует о высокой электрохимической стабильности и отсутствии реакции в био-НГ. Кроме того, из-за высокой проводимости PEDOT и эффекта псевдоемкости GO, волокна GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN показали самую высокую зарядную емкость 7,534 × 10 -6 ° C. Это облегчит передачу пьезоэлектрических зарядов к интерфейсам NG-клеток и, таким образом, будет способствовать взаимодействию между клетками и, в конечном итоге, модулировать клеточную активность.Кроме того, введение PEDOT и GO привело к изменению каркаса культуры с гидрофобного на гидрофильный, при этом угол контакта с водой уменьшился с 108 ± 3 ° до 84 ± 2 ° (фиг. 3F и фиг. S3C). Эта гидрофильность почти такая же, как у натуральных коллагеновых волокон ( 22 ), что указывает на то, что разработанные нами био-НГ способствуют клеточной адгезии и пролиферации / росту. Для проверки устойчивости к сжатию и механических свойств пьезоэлектрических волокон, собранных в био- NG эти волокна были изготовлены в цилиндрической форме диаметром 10 мм и высотой 10 мм (рис.3G, врезка). Мы использовали универсальную испытательную машину для сжатия каркасов, и изученные величины сжатия составили 5 мм (50%), 7,5 мм (75%) и 9 мм (90%) соответственно. Как показано на рис. 3G, волокна обычно демонстрируют отличную упругость. При сжатии на 50% скорость отскока каркасов была близка к 100%. Даже при сжатии на 90% скорость отскока каркасов оставалась> 93,33%; в частности, целевые волокна GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN достигли 98.44%. С другой стороны, при сжатии 90% модуль сжатия этих волокон, модифицированных GO, заметно увеличился до 117 Па, что почти в три раза больше, чем у волокон Fe 3 O 4 / PAN (рис. 3H). Такой превосходный модуль упругости обеспечивает механические свойства, необходимые для культуры клеток мягких тканей (от 0,1 до 3 кПа) ( 23 ). Эти превосходные эластичность и механические свойства гарантируют, что био-НГ, состоящие из волокон GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / PAN, могут эффективно сохранять свой достаточно большой размер пор (> 15 мкм; рис.3I), обеспечивая тем самым стабильную микросреду трехмерного роста для движения и роста клеток.

Регуляция клеточной активности и поддержание ее функции с помощью био-NG

Взаимодействие NG-клетки в трехмерном пространстве оценивали с использованием двух различных клеточных линий: клеток RGC5 и первичных гепатоцитов. Первые представили потенциал-управляемые кальциевые каналы в своих мембранах, тогда как вторые были подвижными клетками с высокими метаболическими функциями. Чтобы полностью оценить возможность трехмерного жизненного пространства клеток и взаимодействия NG-клеток в качестве электростимулятора живых клеток, мы использовали планшет для культивирования тканей (TCP), 2D-NG (примечание S5) и непьезоэлектрический 3D GO / PEDOT / Fe 3 O 4 / волокна из полимолочной кислоты (называемые 3D-волокнами; примечание S6) в качестве контрольных субстратов.Среди них TCP в качестве основной контрольной группы использовался для оценки цитосовместимости наших био-NG. 2D NG и непьезоэлектрические 3D волокна использовались для оценки воздействия 3D пространства и электростимуляции на клетки соответственно. Клетки

RGC5 с высокой электрической чувствительностью использовали для оценки потенциальной нейронной индукции био-NG. Сначала был проведен анализ ДНК для оценки пролиферации клеток RGC5 в био-NG. OD 260 представляла собой оптическую плотность двухцепочечной ДНК, возбуждаемой лазером с длиной волны 260 нм, которую использовали для подсчета относительного количества клеток.Как показано на фиг. 4A, тесты ДНК показали, что количество RGC5 в био-NG не показало существенной разницы по сравнению с TCP за 5 дней, что свидетельствует о цитосовместимости био-NG. Затем мы всесторонне оценили апоптоз клеток RGC5, культивированных в течение 5 дней. На диаграмме апоптоза (фиг. 4B и фиг. S7) Q1, Q2, Q3 и Q4 представляли мертвые клетки от механического повреждения, нежизнеспособные апоптотические клетки, нормальные клетки и ранние апоптотические клетки, соответственно. Мы обнаружили, что значение Q1 (11,71%) и значение Q4 (23.91%) клеток в био-NG были ниже, чем у TCP (Q1: 13,42%; Q4: 37,1%), что указывает на то, что био-NG не влияли на клеточный цикл. Примечательно, что значение Q2 био-NG (41,16%) было значительно выше, чем значение TCP (25,0%), в то время как значение Q2 (38,61%) 2D-NG, приготовленных из тех же материалов, что и био-NG, было значительно снижено. Клетки с развитым апоптозом в био-НГ в основном были вызваны слишком большим количеством клеток для эффективного обмена метаболитов и питательных веществ с культуральной средой.Это было дополнительно подтверждено значением Q2 (41,28%) 3D-волокон. Эти данные еще раз подтвердили, что био-НГ можно использовать для создания биологически безопасного микроокружения для клеточных культур.

Рис. 4. Рост и развитие нейронов RGC5 в био-НГ.

( A ) Пролиферация нейронов RGC5 с помощью анализа ДНК на 1, 3 и 5 дни. ( B ) Апоптоз нейронов RGC5 после 5 дней культивирования в био-NG. ( C ) Рост нейритов из нейронов RGC5 по средней длине нейритов после 5 дней культивирования в био-NG.( D ) 3D конфокальное сканирование нейронов RGC5, культивируемых на TCP, 2D NG и 3D волокнах. ( E ) 3D конфокальное сканирование нейронов RGC5, культивируемых в био-NG, с разных точек зрения. ( F ) Сила, присущая живым клеткам, выращенным в био-НГ. Это вызовет локальное электрическое поле, пропорциональное уровню деформации, которое может в конечном итоге изменить мембранный потенциал и / или конфигурацию мембранных рецепторов, что приведет к открытию каналов Ca 2+ .Ins3P, трифосфат инозита. PLC, фосфолипаза C. ( G ) Флуоресцентные изображения клеток, предварительно инкубированных с Fluo-4 AM (мембранопроницаемым и зависимым от Ca 2+ красителем) на волокнах в био-NG и 3D-волокнах. Зеленый, Ca 2+ . Все планки погрешностей указывают ± SD.

Затем была оценена адгезия клеток к био-НГ, поскольку это был ключевой параметр для индукции пьезоэлектрического эффекта ( 20 , 24 ). Внутриклеточное напряжение может передаваться через фокальные контакты на нижележащий субстрат ( 25 27 ).Следовательно, если ячейка прочно прилегает к поверхности пьезоэлектрических волокон, то любые внутренние силы, создаваемые этой ячейкой, приведут к генерации электрического поля около плазматической мембраны ячейки. Чтобы лучше наблюдать взаимодействие между клетками и био-NG, био-NG и клетки RGC5 окрашивали флуоресцентным агентом родамином B и живым флуоресцентным красителем цитоскелета кальцеином-AM, соответственно. При выполнении трехмерного конфокального сканирования состояние адгезии между NG и клетками можно наблюдать путем одновременного возбуждения родамина B (красный) и кальцеина-AM (зеленый).Эти клетки плотно прилипали к волокнам и оборачивались на них в био-NG под разными углами обзора (рис. 4E), но росли только на поверхности 2D-NG (рис. 4D, посередине). Хотя пространственная структура трехмерных волокон (рис. S8) была подобна структуре био-НГ, локальные клеточные агрегаты все еще были распределены в трехмерных волокнах в виде листов [рис. 4D (справа) и рис. S9]. Это может быть связано с тем, что электрический потенциал существует на границе раздела NG-клетки, что способствует образованию множества псевдоподий и, таким образом, лучшему прилипанию к NG.Этот пьезопотенциал, создаваемый био-NGs, ускорял нейраксонизацию клеток, что подтверждается средней длиной нейритов клеток RGC5 (рис. S10). Как показано на фиг. 4C, средняя длина нейритов био-NG была самой длинной, достигая 40 мкм, в то время как средняя длина нейритов 3D волокон составляла всего 18 мкм. Несмотря на это, средняя длина нейритов на 2D NG (31 мкм) была в 1,72 раза больше, чем у 3D волокон. Таким образом, эти результаты предполагают, что электромеханическое взаимодействие с NG может ускорять развитие нейрональных клеток.Наконец, мы проанализировали изменения внутриклеточной концентрации кальция (Ca 2+ ), вызванные взаимодействием клетки с NG. Хорошо известно, что клетки RGC5, подвергнутые воздействию электрического поля, могут претерпевать изменения в их цитозольном Ca 2+ ( 3 , 28 ). Ca 2+ был вторичным мессенджером, участвующим во множественных путях передачи сигналов. Ca 2+ в цитозоле покоящихся клеток было чрезвычайно низким, но когда передача сигналов была активирована, происходит большое увеличение.Несколько факторов могут вызывать повышение внутриклеточного кальция, например факторы роста ( 29 ) или электрическая стимуляция ( 30 32 ). Напряжения, способные локально изменять мембранный потенциал, будут запускать открытие потенциал-управляемых кальциевых каналов (рис. 4F), обеспечивая приток внеклеточного Ca 2+ , который активирует кальмодулинкиназы. Чтобы проверить это, Ca 2+ -зависимый краситель Fluo-4 AM был использован для флуоресцентного окрашивания нейронов RGC5 в био-NG и непьезоэлектрических 3D-волокнах, соответственно, в которых интенсивность флуоресценции могла выражать внутриклеточный Ca 2+ . концентрация до определенной степени.По сравнению с 3D-волокнами клетки в био-NG показали более сильную экспрессию Ca 2+ (рис. 4G). Эти результаты свидетельствуют о том, что силы клеточной адгезии способны сотрясать или сгибать волокна в био-НГ, вызывая генерацию локального электрического поля, достаточно большого, чтобы стимулировать клетки и изменять их активность. Хорошо известно, что электрический потенциал может стимулировать и регулировать движение подвижных клеток ( 33 , 34 ). Здесь первичные гепатоциты были выбраны в качестве типичных подвижных клеток для оценки взаимодействия био-NG-клетки.Сначала мы использовали световой микроскоп для периодической регистрации подвижности гепатоцитов в час 3, день 1 и день 3. Как показано на фиг. 5A, после 3-часового посева клеток прикрепленные гепатоциты в био-NG оставались отдельными. В следующее время культивирования гепатоциты в био-НГ начали двигаться вместе и, наконец, образовали сфероидные агрегаты гепатоцитов диаметром ~ 60 мкм. Затем за состоянием гепатоцитов, культивированных в течение 3 дней, дополнительно внимательно наблюдали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Каждый агрегат в био-НГ состоит из нескольких отдельных гепатоцитов (рис.5Б). Большинство гепатоцитов на 3D-волокнах также образовывали сфероидные агрегаты, но их диаметр обычно был меньше 30 мкм (рис. S11B). Что касается 2D NG, некоторые гепатоциты образовывали пластинчатые агрегаты (диаметр от 10 до 60 мкм), но многие гепатоциты не попадали в эти агрегаты (рис. S11C). Подвижность клеток дополнительно оценивали путем подсчета размера и количества агрегатов гепатоцитов. После 3 дней культивирования мы случайным образом выбрали и обследовали 10 участков на каждом образце с помощью инвертированного микроскопа и вручную записали количество агрегатов гепатоцитов (диаметр> 25 мкм) и средний диаметр агрегатов гепатоцитов (рис.5С). Bio-NG и 3D-волокна имели сходное совокупное количество гепатоцитов с диаметром более 25 мкм, что было намного выше, чем у TCP и 2D NG. Это предполагает, что волокна в трехмерном пространстве могут обеспечивать стрессовую поддержку гепатоцитов и вызывать их миграцию с образованием агрегатов. Однако размер агрегатов в био-NG был самым большим — 60 мкм (средний диаметр), что в 2,1 раза больше, чем у 3D-волокон (28 мкм), что указывает на то, что взаимодействие клетки с NG может способствовать миграции гепатоцитов на большие расстояния.Это было дополнительно доказано 2D NG. Хотя на 2D-НГ образовалось меньше агрегатов, средний диаметр агрегатов также достиг 40 мкм. Всесторонне рассматривая количество и размер агрегатов, можно сделать вывод, что взаимодействие электромеханической ячейки и NG в трехмерном пространстве может дополнительно улучшить мобильность ячейки и облегчить перемещение на большие расстояния.

Рис. 5. Подвижность и поддержание функции первичных гепатоцитов в био-НГ.

( A ) Схематическая диаграмма и изображения с помощью светового микроскопа движения гепатоцитов с образованием кластеров клеток.( B ) СЭМ-изображения агрегатов гепатоцитов. ( C ) Размер и количество агрегатов гепатоцитов на 3-й день ( D F ) Морфология клеток и взаимодействие NG-клеток, включая адгезию клеточной мембраны и очаговый контакт, оцененные с помощью SEM после 15 дней культивирования, показали, что гепатоциты были приклеены к волокнам в био-НГ. ( G ) SEM-изображение, показывающее обмен информацией между агрегатами ячеек. ( H ) Изображения с лазерной сканирующей конфокальной микроскопии обнаружения эпителиального кадгерина (зеленый), показывающие обмен клеточной информацией внутри клеточных агрегатов.( I ) МТТ-анализ не показал признаков токсичности для клеток, культивируемых в био-НГ. Оценка функции печени: ( J ) секреция альбумина (Alb) и ( K ) синтез мочевины в различные моменты времени культивирования. Метаболические функции гепатоцитов: продукция ( L ) 3-циано-7-гидроксикумарина (CHC) и ( M ) 4-метилумбеллиферилглюкуронида (4-MUG) в различные моменты времени культивирования. Все планки погрешностей указывают ± SD. n = 3. * P <0.05 и ** P <0,01.

Затем адгезию клеток к NG после 3-дневного культивирования оценивали с помощью SEM. Мы наблюдали, что мембрана клеток, культивируемых в био-НГ, находилась в тесном контакте с волокнами и что эти клетки испускали короткие и длинные выступы (т. Е. Псевдоподы), прочно прикрепленные к пьезоэлектрическим волокнам в био-НГ (рис. 5, D — F). ). ЕСМ, секретируемый клетками, полностью покрывает волокна, что дополнительно указывает на то, что био-NG прекрасно слились с клетками. Такая тесная адгезия между клетками и NG может заставить NG создавать локальный потенциал на клеточной мембране.Чтобы более четко наблюдать взаимодействие клетки с NG, первичные гепатоциты окрашивали кальцеином (зеленый), флуоресцентным красителем, связанным с плотностью внутриклеточного кальция и кровообращением. Изображение окрашивания кальцеином показало наличие сверхэкспрессированного клеточного матрикса между клетками (ярко-зеленый), как показано на фиг. 5H, что было вызвано слиянием между клетками, что позволяет предположить, что клетки в агрегатах имели обильный обмен информацией. Кроме того, благодаря непрерывной трехмерной волоконной структуре различные агрегаты ячеек также могут обмениваться информацией друг с другом (рис.5G). Эти данные подтвердили, что трехмерное пространство роста и взаимодействие NG-клеток скоординировано для управления миграцией и воссоединением клеток и в конечном итоге формируют широко распространенные кластеры клеток с морфологией клеток, аналогичной естественной ткани печени. Как мы ранее сообщали, агрегация клеток может помочь поддерживать жизнеспособность и функцию печени. экспрессия первичных гепатоцитов ( 35 , 36 ). Сначала проводили анализ 3- (4,5-диметилтиазол-2ил) -2,5-дифенил-2 H -тетразолийбромида (МТТ) для оценки клеточной метаболической активности.Как показано на рис. 5I, тесты МТТ показали, что гепатоциты на каркасах культур на основе волокон проявляли в целом лучшую клеточную активность, чем гепатоциты на TCP; в частности, гепатоциты в био-NG показали хорошую жизнеспособность клеток даже после 15 дней культивирования. Это произошло потому, что в био-NG существовали широкие клеточные агрегаты, тогда как большинство гепатоцитов на TCP были округлыми, разделенными и имели небольшой межклеточный контакт (рис. S11A). Затем секреция альбумина (Alb) была выбрана в качестве эталона для оценки поддержания функции печени, поскольку продукция Alb была основной синтетической функцией гепатоцитов.Как показано на фиг. 5J, гепатоциты, культивируемые в био-NG, экспрессировали самый высокий уровень секреции Alb. С 1 по 7 день секреция Alb гепатоцитами, культивируемыми в био-NG, немного снизилась (день 1: 84,7 мкг; день 7: 75,9 мкг), а с 7 по 15 день — быстрое снижение секреции Alb с 75,9 до 45,1 мкг. произошел. Это может быть связано с гибелью свободных гепатоцитов и неизбежным повреждением в процессе выделения клеток. В отличие от био-NG, секреция Alb гепатоцитов, культивируемых в 3D-волокнах, продолжала резко падать с первого дня.Это указывало на то, что выход локального потенциала напряжения NG был благоприятным для функциональной стабильности гепатоцитов. С другой стороны, секреция Alb гепатоцитов, культивируемых в 3D-каркасах, включая био-NG и 3D-волокна, была значительно выше, чем у 2D-каркасов (то есть TCP и 2D NG), что позволяет предположить, что 3D-пространство важно для функционального поддержания гепатоциты. Аналогичные закономерности были обнаружены также в синтезе мочевины (рис. 5K). Соответственно, трехмерное пространство роста и взаимодействие NG-клеток могут координироваться для поддержания и продления функциональной стабильности гепатоцитов.Цитохром P-450 1A (CYP1A; метаболический фермент I фазы) и ферментативная активность уридиндифосфат-глюкуронилтрансферазы (UGT; метаболический фермент II фазы), стимулированная 3-циано-7-этоксикумарином (CEC) и 4-метилумбеллифероном (4-MU), соответственно, были использованы для оценки метаболических функций гепатоцитов. Гепатоциты, культивируемые в 3D-каркасах, показали значительно более высокую скорость превращения ЦИК в 3-циано-7-гидроксикумарин (CHC), чем гепатоциты на 2D-каркасах на протяжении всего периода культивирования (рис.5L), указывая на то, что трехмерное пространство роста клеток может увеличивать ферментативную активность CYP1A. Наибольшая ферментативная активность CYP1A проявлялась на 7-й день из-за образования крупных монослоев клеток и последующего восстановления функции печени гепатоцитами в био-НГ. В отличие от био-NG, самая высокая ферментативная активность CYP1A гепатоцитов, культивируемых в 3D-волокнах, проявлялась в день 1, а затем продолжала снижаться. Эти значения обычно были ниже, чем у био-НГ, что указывает на то, что местный потенциал может способствовать метаболизму I фазы гепатоцитов.Аналогичная тенденция при оценке ферментативной активности UGT наблюдалась (рис. 5M), что свидетельствует о том, что трехмерное пространство роста и взаимодействие NG-клеток также улучшают метаболизм гепатоцитов в фазе II. Кроме того, hMSC были выбраны в качестве еще одной группы клеточных линий для дальнейшего подтверждения. это био-NG-клеточное взаимодействие (рис. S12 и примечание S7). Электрическая стимуляция хорошо известна как эффективный метод, вызывающий остеогенную дифференцировку стволовых клеток / клеток-предшественников и формирование костей ( 37 ). Чтобы четко наблюдать морфологию дифференцировки клеток, hMSC флуоресцентно окрашивали диацетатом флуоресцеина (FDA).ЧМСК имели веретенообразную морфологию, особенно на 3D-волокнах и био-НГ. Параллельно, hMSC, культивируемые в трехмерных каркасах, включая био-NG и трехмерные волокна, демонстрируют более высокий уровень распространения клеток. Судя по увеличенному изображению флуоресцентных окрашенных изображений FDA, био-NG индуцировали прикрепление клеток с более распространенной морфологией по сравнению с другими каркасами (т.е. TCP, 2D NG и 3D-волокна). Такая уплощенная и многоугольная морфология hMSCs в био-NGs, аналогичная особенностям остеобластов, указывает на раннее начало дифференцировки.Чтобы подтвердить эту дифференцировку остеобластов, была оценена активность щелочной фосфатазы (ЩФ), одного из ранних остеогенных маркеров. Почти в каждый изучаемый момент времени активность ЩФ (ранние остеогенные маркеры) hMSC была значительно выше в био-NG по сравнению с другими каркасами (т.е. TCP, 2D NG и 3D-волокна). Опять же, это дополнительно доказало, что трехмерное пространство, связанное с взаимодействиями NG-клеток, способствует дифференцировке остеобластов. Вместе био-NG-клеточные взаимодействия могут поддерживать и продлевать специфическую функциональную экспрессию, которая, как ожидается, будет применяться в исследованиях клеточной / тканевой инженерии и в потенциальных терапевтических приложениях, таких как биоискусственные устройства для печени, восстановление повреждений нервов, восстановление повреждений печени и т. Д. .

Стимуляция восстановления печени с помощью био-NG in vivo

В качестве примера, био-NG имплантировали в область повреждения печени (фиг. 6A). Эта область, связанная с регенерацией гепатоцитов, перекликается с вышеупомянутой первичной культурой гепатоцитов in vitro, которую можно использовать для отражения реальной практичности био-НГ. Для клинических исследований на животных в качестве стандартных модельных животных использовали крыс Sprague-Dawley. Мы удалили ткань печени цилиндрической формы диаметром 10 мм и высотой 6 мм из средней части третьей доли печени, что привело к острому повреждению печени.Имплантаты были удалены через 1, 2 и 4 недели имплантации. Анализы воспаления выполняли путем окрашивания подготовленных слайдов ткани из печени вокруг био-NG гематоксилином и эозином (H&E). Легкое воспаление было обнаружено на первой неделе, которое уменьшилось со второй недели и снизилось до нормального уровня на 4 неделе (рис. 6, B и D). Синхронно были проведены патологические тесты на большинстве жизненно важных органов, включая сердце, легкие, почки и мозг. Окрашивание H&E собирали с этих органов в разные моменты времени (недели 1, 2 и 4) после имплантации.Все органы не показали деформации и аномальной инвазии лимфатических клеток (рис. S13), что дополнительно подтвердило, что все крысы были в хорошем состоянии, а био-НГ не имели системных побочных эффектов. С другой стороны, острое повреждение печени обычно сопровождалось отложением фибрина (огена) в печени, который играл ключевую роль в процессе коагуляции и гемостаза. Крупномасштабное отложение фибрина (огена) произошло в первую неделю, а затем вернулось к нормальному уровню на 4 неделе (рис. 6, C и E). Это указывало на то, что новая система кровообращения (т.е. кровеносный сосуд) образовался внутри регенерированных тканей печени. Примечательно, что по сравнению с био-НГ даже после 4 недель имплантации ткань, регенерированная в 3D-волокна, все еще показывала небольшое воспаление и кровяные барьеры (рис. S14). Такие данные предполагают, что взаимодействия био-NG-клетки могут облегчить воспаление и способствовать восстановлению тканей. Это согласуется с другими опубликованными выводами о том, что электрическая стимуляция может минимизировать воспаление и ускорить ангиогенез ( 38 ).

Рис.6. Стимуляция восстановления печени с помощью био-НГ in vivo.

( A ) Хирургические изображения, показывающие имплантацию био-НГ в дефект печени. ( B ) Окрашивание срезов печени H&E в разные моменты времени (1, 2 и 4 недели) после имплантации. ( C ) Репрезентативные изображения иммуноокрашивания фибрином (оген) печени (зеленый) в окрашенных 4 ‘, 6-диамидино-2-фенилиндолом (DAPI) (синий) срезах печени в имплантированной области. ( D ) Средний процент положительной области, измеренный по окрашиванию H&E.( E ) Количественная оценка иммунофлуоресцентного мечения фибрина печени. ( F ) Иммуноокрашивание на Alb (красный) на срезах печени в разные моменты времени (1, 2 и 4 недели) после имплантации. ( G ) Уровень экспрессии Alb, измеренный с помощью иммуноокрашивания Alb. ( H ) Схема, показывающая три зоны печени от перицентральной до перицентральной области. 1, 2 и 3 обозначают зону 1 (E-CAD + ), зону 2 (E-CAD GS ) и зону 3 (GS + ) соответственно.Пунктирная стрелка указывает кровоток. ( I и J ) Иммуноокрашивание для GS (зеленый) и E-CAD (красный) на срезах печени на четвертой неделе после имплантации. ( K ) Количественная оценка GS и E-CAD показывает более сильное выражение функции печени новых гепатоцитов в био-NG, чем у 3D-волокон. Hep, гепатоцит. Звездочки (*) показывают места имплантации. Данные выражены в виде средних значений ± стандартное отклонение. n = 5. ** P <0,01 и *** P <0.001. Фотография предоставлена: Фей Цзинь, Нанкинский университет науки и технологий.

Затем иммуноокрашивание на Alb использовали для оценки уровня экспрессии функции печени в области регенерации. Как показано на фиг. 6F, интуитивно можно было увидеть, что как плотность клеток регенерации (синий), так и уровень секреции Alb (красный) в био-НГ увеличивались со временем имплантации. Чтобы количественно оценить этот уровень экспрессии, мы извлекли процент области с выражением Alb, как показано на рис. 6G. С 1 по 4 неделю уровень секреции Alb значительно увеличился, что указывает на большее образование гепатоцитов в этой области.Напротив, уровень экспрессии Alb в регенерированной ткани в 3D-волокнах был значительно ниже, чем в био-NG (рис. S15), что хорошо согласуется с выводами, полученными из первичной культуры гепатоцитов in vitro. Было высказано предположение, что гепатоциты во всех трех зонах (т.е. перипортальной зоне, центральной зоне и мидзональной зоне) способствовали гомеостазу или возобновлению роста печени после травмы или заболевания ( 39 , 40 ). Чтобы глубоко оценить производительность отрастающей печени, мы дополнительно изучили регенерированные гепатоциты в этих трех различных зонах.Перипортальная зона, окружающая воротную вену, была отмечена E-кадгерином (E-CAD), которая была определена как зона 1, в то время как центральная зона, ближайшая к центральной вене, обозначенная как зона 3, была иммуноокрашена глутамин синтетазой (GS). Что касается зоны 2, она состояла из мидзональных гепатоцитов между зонами 1 и 3 (рис. 6H). Было обнаружено, что пролиферирующие перипортальные гепатоциты постепенно устремлялись к центральной вене, где они в конечном итоге были устранены (рис. 6, I и J), что свидетельствует о хорошей экспрессии функции печени, которая хорошо соответствовала типичной модели потока гепатоцитов с ее портальными воротами. к центральной направленности ( 41 ).Однако это явление не было обнаружено в 3D-волокнах из группы сравнения (рис. S16). Это указывает на то, что био-НГ эффективно ускоряют восстановление печени. С другой стороны, экспрессия E-CAD была ограничена перипортальными гепатоцитами, тогда как в перивенозных гепатоцитах экспрессировался GS. Следовательно, уровни экспрессии E-CAD и GS также можно использовать для оценки кровеносных сосудов в регенерированной печени, а затем косвенно отражать кровоток внутри. Очевидно, что уровни экспрессии E-CAD и GS в регенерированных тканях в био-НГ были почти на порядок выше, чем у 3D-волокон (рис.6K), что хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью иммуноокрашивания фибрином (оген), которые показали, что био-NG могут ускорять образование кровеносных сосудов. В результате все данные свидетельствуют о том, что взаимодействия био-NG-клетки также применимы in vivo, которые могут координироваться для ускорения восстановления печени и поддержания ее специфической функциональной экспрессии.
Стабилизат

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *