Реле на выпрямленном токе, реагирующие на одну электрическую величину 1 страница

К реле, реагирующим на одну электрическую величину, отно­сятся реле тока и напряжения. Наибольшее распространение получили реле, включаемые на ток или напряжение сети через выпрямители, выполняемые с помощью полупроводниковых диодов.

Устройство и принцип действия токового реле на выпрямлен­ном токе показаны на рис. 2-42. Реле постоянного тока Р элек­тромагнитное, поляризованное или магнитоэлектрическое вклю­чается на ток сети через выпрямитель В на полупроводниковых диодах. Наилучшей схемой выпрямителя, широко применяемой в релейной технике, является двух полупериод н а я мостовая схема, приведенная на рис. 2-42, а.

Как следует из рис. 2-42, а, в положительный полупериод переменный ток I_t = 1_т sin wt, показанный стрелкой с одним штрихом, проходит через реле по двум открытым для положительного тока вентилям 1 и 3, при этом вентили 2 и 4 закрыты. В отрицательный полупериод ток I_t (стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через вентили 2 и 4, которые в этом случае откры­ваются, а вентили 1 а 3 закрываются.

Из показанного на рис. 2-42, а токораспределения видно, что ток после выпрямителя идет через реле все время в одном (положительном) направле­нии как в положительный, так и в отрицательный полупериод переменного тока.

Мгновенные значения выпрямленного тока пропорциональны соответ­ствующим мгновенным значениям переменного тока, поэтому кривая выпрям­ленного тока | | имеет пульсирующий характер (рис. 2-42, в), изменяясь от нуля до максимума, но в отличие от кривой переменного тока она сохраняет постоянный знак.

Выпрямленный ток можно представить как сумму постоянной составляющей 1_d, равной среднему значению выпрямленного тока, и переменной, соcтавляющей I~, являющейся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис. 2-42 г).

Постоянная составляющая выпрямленного тока

где 1_т = амплитуда выпрямляемого тока I; Iср - среднее значение выпрям­ленного тока. Переменная составляющая  

Из (2-39) следует, что постоянная слагающая I_d пропорциональна мак­симальному значению выпрямляемого тока I и может поэтому рассматри­ваться как модуль (абсолютная величина) его вектора, т. е. I_d = k | |.

Разложение выпрямленного тока на составляющие осуществляется с помощью ряда Фурье [Л. 29 и 95], согласно которому выпрямленный ток | | состоит из постоянной слагающей и гармонических составляющих с нарастающей частотой и убывающими амплитудами.

При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока i = I_тsinwt [см. Л. 29 и 95] переменные слагающие ряда Фурье состоят только из четных косинусоидальных гармоник.

В этом случае выпрямленный ток

где I_d — постоянная слагающая ряда Фурье; I₂, I₄, I₆ … — амплитуды 2, 4, 6-й... гармоник ряда; w = 2pf₁ - угловая скорость выпрямляемого тока I, имеющего частоту f₁ = 50 Гц.

Выражая постоянную и гармонические составляющие через амплитуду выпрямляемого тока 1_т, получаем:

Из (2-40) следует, что среднее значение выпрямленного тока | I |равно сумме средних значений его составляющих, и так как среднее значение каждой гармонической составляющей за период равно нулю, то I_ср = I_d.

Составляющие 4-й гармоники и выше очень малы, и поэтому ими пре­небрегают, считая, что переменная слагающая выпрямленного тока состоит в основном из 2-й гармоники I₂ с амплитудой, равной согласно (2-40а) , угловой скоростью 2w и частотой f₂ =2 f₁ = 100 Гц, т. е. так, как это было принято в (2-39а).

Пульсация выпрямленного тока вызывает вибрацию контак­тов исполнительного органа Р, поэтому ее необходимо устранять ¹. Для этой цели применяются специальные устройства, сглажи­вающие кривую выпрямленного тока.

Устройство для сглаживания тока огра­ничивает попадание переменных составляющих тока в реле. По­добные устройства показаны на рис. 2-43. В схеме на рис. 2-43, а последовательно с обмоткой реле Р включен дроссель L, индук­тивное сопротивление которого х_L, = wL = 2pfL имеет значительную величину для переменной составляющей с f = 100 Гц и равно нулю для постоянного тока. В результате постоянная составляющая выпрямленного тока свободно проходит в реле, а величина переменной ограничивается.

В схеме на рис. 2-43, б обмотка реле Р зашунтирована конденсатором С с сопротивлением х_с = которое обратно пропорционально f. Поэтому большая часть переменной состав­ляющей выпрямленного тока, для которой х_с мало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим

¹ В рассматриваемых нише схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин пульсация выпрямленного тока вызывает кроме вибрации нежелательную зависимость срабатывания реле от угла сдвига между сравниваемыми величинами.

сопротивлением, и поэтому она полностью замыкается через реле.

В схеме на рис. 2-43, в применен контур LС, настроенный в ре­зонанс на частоту 2-й гармоники 100 Гц, преобладающей в выпрям­ленном токе. Такой фильтр свободно пропускает постоянную со­ставляющую через индуктивность L и представляет большое со­противление для переменной слагающей. Схемы на рис. 2-43, а, б дают наилучший результат для источников переменного тока с ма­лым сопротивлением по отношению к нагрузкам (реле Р); схема на рис. 2-43, в более эффективна для источников с большим по от­ношению к нагрузке сопротивлением.

Все приведенные схемы содержат индуктивность и емкость, замедляющие нарастание постоянной составляющей тока в обмотке реле, что вызывает замедление их действия. Особенно большое за­медление создают схемы на рис. 2-43, а я б.

В тех случаях, когда увеличение времени действия недопустимо, может применяться более сложная схема (рис. 2-43, г). В этой схеме подлежащий выпрямлению ток I расщепляется на три составляю­щие I_{1 ,} I₂ и I₃, равные по величине и взаимно сдвинутые по фазе

на 120° с помощью индуктивных и емкостных сопротивлений. Ток

рис. 2-43, г и д). Каждый из этих токов самостоятельно выпрямляется, затем они суммируются и подаются, в обмотку реле. Результирующий ток в реле I_р весьма близок к посто­янному. Эта схема не влияет на быстродействие реле.

Имеется второй вариант выполнения реле тока и напряжения: на выпрямленном токе. По этому варианту (рис. 2-44, а) измеряе­мая величина U_и сравнивается с эталонной величиной U_э, изме­няющейся по другому закону или имеющей постоянное значение (как показано на рис. 2-44, б). Реле работает, если U_и ≥ U_э

Реле на выпрямленном токе отличаются малым потреблением и небольшими размерами.

2-16. РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, СРАВНИВАЮЩИЕ АБСО­ЛЮТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ДВУХ НАПРЯЖЕНИЙ U₁ и U_II

а) Принципы выполнения и работы

Общие принципы выполнения и структурная схема всех видов реле на сравнении абсолютных значений двух напряжений и одинаковые и показаны в виде блок-схемы на рис. 2-45. Реле состоят из суммирующего устройства 1 выпрямителей 2 (В1 и В 2), схемы сравнения абсолютных значений и 3 и исполнительного органа 4.

Напряжение и ток сети и подводятся к суммирующему устройству, на выходе которого с помощью вспомогательных трансформаторов образуются два напряжения и , по выражениям (2-38). Каждое из этих напряжении выпрямляется двухполупериодными выпрямителями В1, В2 на полупроводниковых диодах. На их выходе получаются выпрямленные напряжения пропорциональные модулям (абсолютным значениям) векторов и

Выпрямленные напряжения подводятся к схеме сравнения 3, где они вычитаются друг из друга, образуя на выходе схемы напря­жение

На это напряжение к вы­ходным зажимам схемы сравнения включается испол­нительный орган 4.

Реле должно действовать при условии, что | | ≤ | |.

В соответствии с этим исполнительный орган 4 дол­жен действовать только при положительных значениях U_вых; это означает, что исполнитель­ный орган должен быть направленным, т. е. реагиро­вать на полярность подводимого к нему напряжения.

Напряжение U₁, вызывающее работу реле, называется рабо­чим, а U_II — тормозным; соответственно именуются элементы схемы, связанные с U₁ и U_II.

Изменяя с помощью суммирующего устройства характер зави­симости сравниваемых напряжений U₁ и U_II от U_р и I_p, можно получить как реле мощности, так и различные виды реле сопротив­лений.

Рассмотренное реле работает на выпрямленном токе.

б) Выполнение основных элементов реле

Суммирующее (формирующее) устройство служит для образования (ф о р м и р о в а н и я) напряжений и тока I_p и напряжения U_р, защищаемого элемента по выражению (2-38).

Схема суммирования, показанная на рис. 2-46, служит для получения реле мощности. Если исключить из схемы соединения Т_А и Т_В обмотки А₂ и В₁, по =k₁ , а =k_{2 ,}при таком суммирующем устройстве реле превратится в ненаправленное реле сопротивления (см. § и-ш, и;, иимшаи из схемы обмотку В_г, получим направленное реле сопротивления (см. § 11-10, в).

Как уже отмечалось, напряжения U₁ и U_II, образуемые сум­мирующим устройством, должны иметь линейную зависимость от U_р и I_p. Для выполнения этого требования э. д. с. вторичных об­моток трансформаторов Т_а и Т_в, из которых формируются напряже­ния U₁ и U_II, должны быть строго пропорциональны: Еа₁ и Еа₂. — напряжению U_р, а Е_В1 и Е_В2 — току I_p. Чтобы получить вто­ричную э. д. с, пропорциональную U_р, трансформатор Т_а выпол­няется в виде трансформатора напряжения. Электродвижущая си­ла, индуктируемая напряжением U_р в каждой вторичной обмотке Т_а, Е_а= , и так как коэффициент трансформации п_Н имеет по­стоянное значение, то Еа₁ и Е_а2 пропорциональны U_р.

Электродвижущая сила Е_В ≡ I_p получается от трансформатора Т_В, который для этой цели выполняется в виде трансреак­тора.

Трансреактор (рис. 2-46, б) представляет собой трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе. Первичная обмотка транс­реактора, так же как и у трансформатора тока, включается после­довательно в цепь первичного тока (в схеме на рис. 2-46, а в цепь тока I_p). Вторичная обмотка трансреактора замыкается на боль­шое сопротивление нагрузки z_Н и по существу (в отличие от транс­форматора тока) работает в разомкнутом режиме. Как следствие этого вторичный ток I₂ очень мал, и поэтому можно счи­тать, что магнитный поток трансреактора Ф₁ создается только н. с. первичной обмотки, равной в нашем случае I_pw ₁. и что Ф₁ = .

Магнитный поток Ф₁ создает во вторичной обмотке трансреак­тора э. д. с. Е₂ (обозначенную на рис. 2-46, а Е_В1 и Е_В2). Вторичная э. д. с. трансреактора

Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивле­ние R_м магнитопровода трансреактора имеет повышенное значение и определяется в основном сопротивлением воздушного зазора. Это уменьшает величину магнитного потока Ф₁ по сравнению с его значением при том же токе I_p в таком же, но замкнутом сталь­ном магнитопроводе и ограничивает насыщение магнитопровода трансформатора.

Величина воздушного зазора δ подбирается так, чтобы в жела­емом диапазоне токов I_p магнитопровод трансреактора не насы­щался. При соблюдении этого условия коэффициент к в выра­жении (2-42а) будет постоянной величиной и, как следствие этого, зависимость Е₂ от I_p будет линейной (рис. 2-46, г), и следовательно условие Е₂ ≡ I_p будет обеспечено. Следует отметить, что коэф­фициент k в (2-42 а) определяет соотношение между величинами вторичной э. д. с. Е₂ и первичным током I₁ = I_p. Из (2-42 а) k = Е₂/I_Р. Это выражение показывает, что коэффициент k имеет размерность сопротивления. С учетом, что ток I₁ (I_p) сдвинут отно­сительно Е₂ на 90°, величина к может рассматриваться, как некоторое реактивное сопротивление х в цепи первичного тока I_p или как сопротивление взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками трансреактора. Таким образом; трансреактор равноценен реактору с сопротивлением х = к, включенным в цепь тока I_p. Этим и объясняется его название трансформаторный реак­тор или сокращенно трансреактор.

Из всего сказанного выше следует, что трансреактор преобра­зует первичный ток I_p во вторичное напряжение Е₂, пропорцио­нальное первичному току, и может работать с разомкнутой вто­ричной обмоткой аналогично трансформатору напряжения. Эти особенности трансреактора объясняются наличием воздушного зазора в его магнитопроводе. Обычный трансформатор тока не может обеспечить линейной зависимости Е₂ от I_p из-за насыщения магнитопровода и не допускает работы с разомкнутой вторичной об­моткой, так как при этом за счет исчезновения размагничиваю­щего действия тока I₂ резко возрастает магнитный поток Ф₁ вследствие чего увеличиваются до опасного значения вызываемые им э. д. с. E₂ и вихревые токи в магнитопроводе.

Трансреакторы применяются не только в суммирующих устройствах, они широко используются в схемах и устройствах современ­ных релейных защит.

Выпрямители. Выпрямление напряжений U₁ и U_II осуще­ствляется по двухполупериодной схеме выпрями­тельными мостами из полупроводниковых диодов. Сглаживание выпрямленных напряжений производится с помощью схем на рис. 2-43.

Схемы сравнения [Л. 87, 105]. Сравнение величины двух вы­прямленных напряжений | |и | |можно осуществить электриче­ским путем, сравнивая эти напряжения или пропорциональные им токи, или магнитным путем, сравнивая магнитные потоки, пропорциональные напряжениям U₁ и U_II. В соответствии с этим применяются три схемы сравнения: на равновесии (на балансе) напряжений, на балансе (циркуляции) токов и на балансе маг­нитных потоков (рис. 2-47).

В. схеме сравнения на равновесии (ба­лансе) напряжений (рис. 2-47, а) выпрямители В₁ и В₂ соединяются между собой одноименными полюсами (плюс с плю­сом и минус с минусом). В рассечку провода к зажимам т — п включается реле (исполнительный орган) ИО. В контуре ИО на­пряжения | | и | | направлены встречно. Под влиянием раз­ности | | — | |в исполнительном органе появляется ток I_p, направление которого зависит от того, какое из напряжений боль­ше. При | |> | | ток I_p имеет положительный знак и ИО рабо­тает, при | |> | | ток /_р имеет отрицательный знак и ИО не действует.

Резисторы R₁ и R₂ шунтируют выпрямители и образуют кон­тур с малым сопротивлением, по которому проходит ток I_p помимо выпрямителей, представляющих большое сопротивление для токов обратного напряжения. В рассмотренной схеме балансируются (уравновешиваются) напряжения U₁ и U_II, что и определило название схемы.

В схеме сравнения на циркуляции (ба­лансе) токов (рис. 2-47, б) выпрямители В₁ и В₂ соединяются последовательно разнополярными зажимами. Исполнительный орган ИО включается к зажимам тп параллельно обоим выпрями­телям. Сравниваемые напряжения U₁ и U_II создают пропорциональ­ные им токи | | и | |, замыкающиеся через ИО навстречу друг другу. В реле ИО проходит ток I_p = | |— | |. Направление этого тока зависит от того, какое из напряжений U₁ или U_II больше. При равенстве U₁ и U_II ток I_p = 0. Таким образом, в дан­ной схеме сравнение U₁ и U_II производится путем вычитания созда­ваемых ими токов в обмотке реле. Балластные сопротивления R₁ и R₂ устанавливаются для того, чтобы исполнительный орган не оказался зашунтированным сопротивлением работающего вы­прямителя приемной стороны (так называется выпрямитель, имею­щий меньшее напряжение). Необходимость балластных сопротивле­ний зависит от соотношения сопротивлений реле и выпрямителей.

Рассмотренная схема называется схемой с циркулирующими токами, поскольку в проводах, соединяющих выпрямители В₁ и В₂, всегда проходит (циркулирует) ток.

В схеме с магнитным сравнением (рис. 2-47, в) исполнительный орган выполняется с двумя обмотками Р_г и Р₂.

Каждая из обмоток подключается к своему выпрямителю так, чтобы токи в них имели встречное направление.

При этом условии токи I_p1 и I_{p 2} создают встречно-направленные магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, которые и сравниваются между собой в магнитопроводе реле.

На рис. 2-47, б показана полная схема реле направления мощ­ности на фазочувствительной схеме при сравнении напряжений U₁ и U_II на принципе баланса токов. Для упрощения в схеме не пока­заны сглаживающие устройства.

Исполнительный орган. Как уже отмечалось, исполнительный орган включается на выходные зажимы схемы сравнения и должен действовать только при положительных значениях тока или на­пряжения на этих зажимах. Поэтому исполнительный орган дол­жен выполняться с помощью направленных реле постоянного тока, реагирующих на знак тока I_p.

Устройство подобного типа часто называют нуль-инди­катором, поскольку оно реагирует на отклонение от нуля выходного тока или напряжения, т. е. реагирует не на величину, а на знак входного сигнала. К рассматриваемому реагирующему (исполнительному) органу (нуль-индикатору) предъявляются че­тыре основных требования: высокая чувствительность, т. е. спо­собность реагировать на знак возможно меньшего сигнала (тока или напряжения); малое потребление мощности; быстрота действия; надежность работы.

В качестве исполнительных органов (нуль-индикаторов), отве­чающих предъявленным требованиям, могут использоваться:

1) высокочувствительные электромеханические реле — поля­ ризованные или магнитоэлектрические;

2) электромеханические реле, включаемые через полупровод­никовый усилитель;

3) бесконтактные реле на полупроводниковых приборах.
Наиболее простым и довольно часто применяемым вариантом является первый: использование поляризованных или магнито­электрических реле.

В тех случаях, когда требуется повышенная чувствительность, применяется включение электромеханических реле через усилитель постоянного тока. Потребление мощности при срабатывании таких усилителей составляет около 3 • 10^-5 Вт.

Усилитель постоянного тока реагирует на знак входного сиг­нала, поэтому исполнительное реле, включаемое на его выходе, может быть ненаправленным, так как усилитель будет подавать в него ток только при положительных значениях U_вых схемы срав­нения. Поэтому имеется возможность применения обычного более грубого электромагнитного реле с более надежной контактной системой.

Еще большее повышение чувствительности при полном исклю­чении электромеханических конструкций можно получить при при­менении усилителя, работающего в релейном режиме. Мощность, необходимая для срабатывания такого реле, равна примерно 10^-5 - 10^-6 Вт.

В виде примера на рис. 2-49 приведена одна из наиболее про­стых схем усилителя, разработанная лабораторией Энергосетьпроекта, которая может применяться в качестве нуль-индикатора по второму варианту.

Поскольку основным элементом усилителя являются полупро­водниковые триоды (транзисторы), напомним некоторые особенно­сти их работы [Л. 15, 16, 17, 105].

Плоскостной полупроводниковый триод (транзистор) (рис. 2-48, а) представляет монокристалл (германия или кремния), состоящий из трех слоев

с чередующейся проводимостью: р-п-р или п-р-п. В области полупроводника с проводимостью п основными (преобладающими) носителями заряда являются отри­цательные электроны, а в области с проводимостью р — положи­тельные дырки. Рассмотрим транзистор типа р-п-р. Нижняя об­ласть транзистора (рис. 2-48, а) называется эмиттером (Э), средняя — базой (Б) и верхняя — коллектором (К). База по сравнению с эмиттером и коллектором имеет очень малень­кую ширину слоя и значительно меньшую концентрацию носите­лей заряда.

Эмиттер, база и коллектор выполняют функции, аналогичные функциям катода, сетки и анода электронной лампы (рис. 2-48, а и б), при этом роль управляющей сетки лампы выполняет база транзистора.

Полупроводниковый триод состоит из двух переходов р-п и п-р: один — между эмиттером и базой, называемый эмиттерным, и второй — между базой и коллектором, называемый коллек­торным.

Переход р-п работает как выпрямитель, пропускающий ток только в одном направлении при подаче на него внешнего напря­жения прямой полярности, т. е. при подводе плюса к области -р. и минуса к области п. При отсутствии внешнего напряжения пере-

ход заперт вследствие образующихся на его границе объемных зарядов противоположных знаков, которые создают электрическое поле препятствующее переходу дырок из области р в область п и электронов из области п в область р. При подаче обратного внеыь него напряжения (плюса на п и минуса на р) поле объемных заря­дов усиливается внешним полем и переход запирается еще больше.

Это свойство переходов р-п играет решающую роль в работе триодов.

Для усиления мощности поступающего сигнала очень распространена схема с общим эмиттером (рис. 2-48, в), при которой на транзистор р-п-р от источника внешнего напряжения плюс подается к эмиттеру, а минус — к коллектору. Управляющий сигнал подключается между базой и эмиттером.

При отсутствии входного сигнала оба перехода — эмиттерный и коллекторный — заперты и триод не работает — закрыт. Если на базу подан положительный потенциал относи­тельно эмиттера, то эмиттерный переход остается закрытым, так как такая полярность напряжения является для него обратной.

При подаче на базу транзистора р-п-р отрицательного по отношению к эмиттеру потенциала переход база — эмиттер открывается, поскольку поданное напряжение является прямым для перехода р-п.

В этом случае дырки, являющиеся носителями положитель­ных зарядов, двигаются под действием электрического поля, соз­данного приложенным напряжением от эмиттера в базу, частично рекомбинируются, вызывая ток I_б, замыкающийся через источник управляющего сигнала. Остальная, большая часть дырок (90—99%) вследствие малой толщины слоя базы достигает границы коллек­торного перехода. Коллекторный переход закрыт для основных но­сителей базы — электронов, но дырки обладают положительным зарядом и поэтому, попадая в сильное электрическое поле, созда­ваемое отрицательным потенциалом коллектора, ускоряются и втя­гиваются — «захватываются» коллектором. Там они рекомби­нируются с электронами, поступающими из внешней сети.

Дата добавления: 2014-12-23