Реле на выпрямленном токе, реагирующие на одну электрическую величину 2 страница

Таким образом, в триоде р-п-р появляется ток, обусловлен­ный движением положительно заряженных дырок.

На основе сказанного можно сделать краткий вывод: триод типа р-п-р открывается при подаче на базу отрицательного сиг­нала, открывающего эмиттерный переход; после открытия эмит-терного перехода происходит впрыскивание дырок из эмиттера в базу, «дрейф» их в базе в направлении коллекторного перехода и захват дырок коллектором.

Транзистор типа п-р-п включается по схеме на рис. 2-48, г. Для его открытия на базу триода необходимо подать положительный по отношению к эмиттеру потенциал.

В транзисторах обоих типов сигнал, поданный на базу (I_б = 0,05 I_э), открывает транзистор, и под влиянием внешнего источника в нагрузке появляется ток I_к = I_э — I_б. Если принять I_э = 1, то ток I_к приблизительно равен (1 —0,05) I_э = 0,95 I₃. Отношение Δ I_k /Δ I_э = a называется коэффициентом усиления по току, он достигает величины 0,9—0,95.

Транзисторы используются как усилители напряжения, тока и мощности, позволяющие при слабом сигнале на входе (на базе) по­лучить усиленный сигнал на выходе. При этом напряжение на на­грузке R_н, создаваемое внешним источником, во много раз пре­восходит напряжение сигнала на входе усилителя (зажимы 1 — 2). Так, за счет мощности постороннего источника происходит усиление сигнала с помощью полупроводникового триода.

Нуль-индикатор [Л. 17, 18, 87, 105], показанный на рис. 2-49, представляет собой усилитель постоянного тока на полупроводни­ковых триодах, на выходе которого включается поляризованное реле Р. Чем больше усили­вается входной сигнал, тем чувствительнее нуль-индика­тор. Поэтому усилитель нуль-индикатора выполняется из нескольких каскадов. Усили­тель рассматриваемого нуль-индикатора выполнен двух-каскадным по схеме с общим эмиттером (см. § 11-14, в), обеспечивающей наибольшее усиление входного сигнала (U_вх)

От внешнего источника напряжения на коллекторы триодов Т₁ и Т₂ подан минус, а на эмиттеры — плюс. Управляю­щий сигнал U_С, получаемый с выхода схемы сравнения, подается на входные зажимы усилителя 1 и 2, к которым подключены база и эмиттер.

В качестве выходного реле Р (нуль-индикатора) применено поляризованное реле. Его обмотка включена в цепь коллектора триода Т₂.

Резистор R₁ служит для подачи отрицательного смещения на базу триода Т₁. Сопротивление R₂ вместе с сопротивлением три­ода Т₁ (между коллектором и эмиттером) образует делитель напря­жения, к точке 3 которого подключена база триода Т₂.

При отсутствии входного сигнала на зажимах 1—2 (I_С и U_С = 0) триод Т₁ получает отрицательный по отношению к эмиттеру потенциал через сопротивления R₁, поэтому Т₁ открыт. Сопротив­ление открытого триода Т₁ близко к нулю, вследствие этого по­тенциал точки -3 и база Т₂ имеют положительный знак. При положительном знаке на базе триод Т₂ закрыт и ток в реле Р отсутствует (или, точнее, он очень мал и равен обратному току коллекторного перехода Т₂).
При появлении на входе 1 — 2 отрицательного сигнала триод Т₁ остается открытым, а Т₂ закрытым. Если же на вход 1—2, а сле­довательно, и на базу Т₁ поступает положительный сигнал, то триод Т₁ закрывается, его сопротивление резко возрастает и в результате этого на базе Т₂ появляется отрицательный потенциал через сопротивление R₂. Триод Т₂ открывается, в реле Р появля­ется ток I_к. Если I_к > I_{с р} реле Р, то оно действует.

При прекращении входного сигнала, схема возвращается в первоначальное состояние. Триод Т₂ закрывается, и ток I_к в обмотке реле исчезает. Вследствие индуктивности L обмотки реле Р на ее зажимах возникает значительная э. д. с. самоиндукции

e = , которая может вызвать пробой триода Т₂. Для пре­дотвращения этого обмотка реле шунтируется резистором R и ди­одом Д. При наличии такого шунта ток в реле после закрытия Т₂ исчезает не сразу, а постепенно, замыкаясь по цепи R — Д, в результате чего э. д. с. самоиндукции не достигает опасного зна­чения. Диод Д запирает прохождение тока I_К при открытом три­оде Т₂ по шунтирующему резистору R. Благодаря этому весь ток I_к проходит через обмотку реле Р. Для упрощения на схеме не пока­заны диоды и цепи, предусматриваемые для компенсации влияния температуры на работу триодов и ограничения на них напряже­ния, поскольку они не имеют принципиального значения для работы схемы.

Рассмотренный усилитель потребляет при срабатывании выход­ного реле около 6 • 10^-5 Вт.

На базе описанной схемы выполняются полупроводниковые бесконтактные реле. В этом случае схема усилителя дополняется обратной связью (показана пунктиром) и он работает как триггер [Л. 17, 18, 87]. Широкое применение находят также трехкаскадные усилители, позволяющие по­лучить на выходе большую мощ­ность, чем двухкаскадные.

в) Реле направления мощности

Схема и принцип действия.

Схема реле направления мощности на сравнении величин двух на­пряжений U₁ и U_II, построенная по блок-схеме (рис. 2-45), приве­дена на рис. 2-50. Для упрощения на схеме не показано суммирую­щее устройство, которое выпол­няется согласно рис. 2-46, а. В качестве схемы сравнения принята довольно распространенная схема на балансе напряжений, а в качестве нуль-индикатора НИ показано магнитоэлектрическое (или поляризованное) реле. Применяются и другие варианты использования обоих элементов.

2-17. РЕЛЕ НА СРАВНЕНИИ ФАЗ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН U₁ и U_II

а) Общие принципы выполнения реле

На сравнении фаз двух электрических величин можно выпол­нять реле направления мощности и различные типы реле сопро­тивлений. В качестве сравниваемых величин используются два напряжения U₁ и U_II, которые являются линейными функциями напряжения и тока сети U_р и I_p по выражениям (2-38).

Принцип действия. Реле на сравнении фаз (рис. 2-53, а) со­стоят из устройства сравнения фаз (фазосравнивающей схемы) 1 иисполнительного органа 2, реагирующего на знак выходного напряжения U_вых.

Реле реагирует на угол ψ сдвига фаз между сравниваемыми на­пряжениями U₁ и U_II и приходит в действие при значении ψ,

б) Реле на сравнении фаз, работающие на импульсном принципе

Принцип действия. Сравнение фаз в этой конструкции осущест­вляется сопоставлением знаков мгновенных значений, подведенных к реле напряжений (U₁ и U_II), в определенный мо­мент времени, например в момент положительного макси­мума напряжения U₁ (рис. 2-54).

Для этой цели при прохождении напряжения U₁ через поло­жительный максимум формируется короткий импульс напряжения U²₁ (рис. 2-54, а). Если положительный импульс U²₁ совпал с положительным мгновенным значением второго напряже­ния U_II то на выходе схемы (рис. 2-53, а) появляется сигнал (напряжение U_вых) и исполнительный орган реле срабатывает. Если знаки импульса U²₁ и напряжения U_II различны — реле не действует.

Как видно из рис. 2-54, а, при выбранном моменте сравнения (во время прохождения U₁ через максимум) совпадение положи­тельных значений U₁ и U_II возможно при условии, что угол сдвига фаз ψ между U₁ и U_II будет находиться в пределах от — 90° до +. 90°. Следовательно, условие работы реле имеет вид:

-90° ≤ ψ ≤ + 90°. (2-45)

Выражение (2-45) показывает, что диапазон изменения угла ψ, в пределах которого реле срабатывает, равен 180°. Угловая характеристика работы импульсного реле приведена на рис. 2-54, б.

в диапазоне + 90° ÷ - 90°. На этом базируется устройство им­пульсных реле.

Структурная схема и диаграмма работы импульсного реле при­ведены на рис. 2-55. Основным элементом схемы является устрой ство 1 для формирования импульса напряжения U²₁ в момент про­хождения U₁ через положительный максимум.

Импульс U²₁ и напряжение U_II подаются на схему совпадения 2. Последняя выполнена так, что напряжение на ее выходе U_вых появляется, только когда оба входных напряжения U²₁ и U_II положительны. Выходное напряжение имеет характер кратко­временного импульса, продолжительность которого равна дли­тельности U²₁ и составляет доли периода. Чтобы обеспечить про­должительность действия выходного реле 4, достаточную для отключения выключателей, предусматривается устройство 3, удлиняющее импульс U_вых до необходимой величины. Удлиненный импульс U´_вых воздействует на исполнительный орган 4, который дает команду на отключение.

Диаграмма работы импульсного реле показана на рис, 2-55, б.

В качестве примера на рис. 2-56, а приведено устройство для получе­ния импульса U²_1. Напряжение U₁ подается на промежуточный трансформатор ПТН, питающий мостовую фазоповоротную схему.

Напряжение U´₁ между вершиной моста В и средней точкой А вторичной обмотки ПТН подается на базу триода Т₁. Сопротивление R принимается равным х_с, при этом условии U´₁ опережает U₁ на угол 90° (рис. 2-56, б). В цепи коллектора Т₁ включен пик-трансформатор ПТ.

Триод Т₁ заперт в течение положительной полуволны U´₁ и открыт в те­
чение отрицательной. Открываясь, триод Т₁ замыкает цепь первичной об­
мотки ПТ, в которой под действием э. д. с. Е возникает постоянный ток 1₁
(рис. 2-56, а).

Открытие и закрытие триода происходит в момент перехода U´₁ через нуль. В этот момент в первичной обмотке ПТ появляется и исчезает ток I₁ и возникает переходный процесс, сопровождающийся появлением во вторич­ной цепи ПТ пикообразного напряжения U²₁ = — М обратной поляр-

ности. Кривые токов и напряжений в пик-трансформаторе даны на рис. 2-56, б.

Таким образом, импульс напряжения U²₁ получается с помощью пик-трансформатора. Его возникновение в момент прохождения через макси­мум U₁ обеспечивается тем, что напряжение U´₁, управляющее пик-трансфор­матором, смещено посредством фазосмещающей схемы на 90° по отноше­нию к U₁.

Если принять ψ_у= p/2, то область действия реле будет ограничена прямой линией, совпадающей с осью х (рис. 2-59, б), и

Транзисторы Т₁ и Т₂ образуют схему совпадения. Их эмиттеры и кол­лекторы включены параллельно. При отсутствии положительных напря­жений U₁ и U_II на базе транзисторов Т₁ и Т₂ каждый из них открыт отрица­тельным потенциалом, поступающим по R₃ и R₄, и поэтому напряжение между входными зажимами а и 6 схемы совпадения равно нулю. Появление положительной полуволны напряжения U₁ или U_II на одном из триодов закрывает его, но поскольку второй триод открыт, выходное напряжение остается равным нулю, и только одновременное поступление положительных полуволн U₁ и U_II на оба транзистора Т₁ и Т₂ приводит к одновременному закрытию их и появлению напряжения U_сов на выходных зажимах а и Ь схемы совпадения. Напряжение имеет формы прямоугольных импульсов неизменной амплитуды. Продолжительность импульса равна t_С.

Конденсатор С₁ и сопротивление R= R₆ + R₇ образуют интегрирую­щий элемент. Конденсатор С₁ нормально зашунтирован транзисторами Т₁ и Т₂ и начинает заряжаться только в период времени t_С совпадения положи­тельных значений U₁ и U_II. В течение этого времени напряжение на конден­саторе нарастает от 0 до U_с = t_c, как показано на рис. 2-60, б. При заряде

Управление транзистором Т₃ происходит под влиянием разности по­тенциалов между точками б и d, равной U_б — U_d. Потенциал точки d задан и равен U_э≡t_н (см. рис. 2-60, б). Напряжение поддерживается постоянным с помощью стабилитронов Д₁₂ и Д₁₃. Потенциал точки b определяется состоя­нием транзисторов Т₁ и Т₂. Когда один или оба транзистора Т₁ и Т₂ открыты, т.о. точка b имеет положительный потенциал, равный потенциалу точки е (при этом предполагается, что сопротивление открытого транзистора равно нулю). В этом случае U_с — 0, а U_b > U_d и триод Т₃ закрыт, так как разность U_b — U_d имеет положительное значение. Когда транзисторы Т₁ и Т₂ закры­ваются, то вследствие заряда конденсатора С₁ напряжение U_с на его зажимах (а и 6) начинает расти, соответственно начинает уменьшаться потенциал точки b, который связан с U_с уравнением: U_b = U_пит — U_с. При U_b < U_d транзистор Т₃ и диод Д₁₀ открываются на время Δt (рис. 2-60) пока не откро­ется вновь транзистор Т₁ или Т_г.

Зажимы эмиттера и коллектора Т₃ зашунтированы конденсатором С₂, которые обеспечивает работу реле Р после кратковременного открытия транзистора Т₃. При открытии Т₃ конденсатор С₂ шунтируется и мгновенно разряжается. Когда Т₃ закроется, зарядный ток конденсатора С₂, проходя через реле Р, удерживает его в сработанном состоянии до поступления нового импульса, открывающего транзистор Т₃.

Работа реле. При совпадении положительных значений U₁ и U_II транзисторы Т₁ и Т₂ закрываются одновременно на время t_с, в течение ко­торого оба напряжения имеют положительный знак. В этот интервал вре­мени t_С происходит заряд емкости С₁. Если t_С ≥ t_у, то потенциал точки b (U_b) станет меньше потенциала точки d (U_э). Транзистор Т₃ откроется, и выход­ное реле Р сработает. Принимая t_у = Т/4 из (2-44), получим, что условием действия рассмотренного реле является неравенство —90 ≤ φ_p ≤ +90°; здесь учтено, что ψ = φ_р. Характеристика такого реле показана на рис. 2-59, б.

Реле с такой характеристикой является органом направления мощ­ности синусного типа. Для получения косинусного или промежуточного реле необходимо соответствующим образом сместить по фазе U₁.

Реле, работающие на рассмотренном принципе, отличаются особым быстродействием, их время действия не превышает поло­вины периода сравниваемых напряжений, так как время совпаде­ния

t_c =

г) Реле сравнения фаз на кольцевой фазочувствительной схеме

Устройство и принцип действия реле (рис. 2-62, й). Основ­ным элементом фазосравнивающей схемы являются четыре выпря­мителя /, 2, 3, 4, соединенные последовательно по замкнутой кольцевой схеме. Сравниваемые напряжения U₁ и U_II по­даются на кольцевую схему к точкам АС и ВD соответственно.

Исполнительный орган Р подключен к средним точкам т и n делителей напряжения R₁ и R_II. В качестве исполнительного органа Р используется любое чувствительное реле, реагирующее на полярность постоянного тока, в том числе имагнитоэлектрическое реле.

Выпрямители в данной схеме выполняют роль коммутацион­ных устройств (переключателей), открывающих путь току

независимо от другой ¹. Полные токи находятся наложением токов от U₁ и от U_II.

Сначала рассмотрим токи, возникающие под действием напря­жения U₁ при U_II = 0.

В положительный полупериод U₁ (рис. 2-62, б) выпрямители 1 и 2 открываются, а 3 и 4 закрываются, так как управляющее напряжение U₁ приложено к первым — в прямом, а ко вторым — в обратном направлениях, что видно из рис. 2-62, а, где стрелкой показано положительное направление U₁. Под дей­ствием U₁ возникают два тока I₁´ и I²₁ (рис. 2-62, б). Ток I₁´ замы­кается по контуру тАВпРт, а ток I²₁ — по контуру тРпВСт. Оба тока равны, так как напряжение и сопротивления контуров одинаковы. В реле Р эти токи направлены встречно и взаимно компенсируются. Поэтому любое управляющее напряжение, в том числе и U₁, тока в реле Р не создает. Токи, обусловленные напряже­нием U₁, замыкаются по открытым выпрямителям 1 и 2.

Теперь рассмотрим токораспределение от меньшего напряже­ния U_II при U₁ = 0 (рис. 2-62, в), считая, что выпрямители 1 и 2 открыты. Под влиянием U_II возникает ток I_II. Положительный ток I_II изображен на рисунке сплошными стрелками.

¹ Метод, наложения применим только для линейных цепей, поэтому полупроводниковые диоды в схеме реле должны условно рассматриваться как линейные сопротивления.

Он проходит по выпрямителям 1 и 2, открытым управляющим напряжением U₁, по обеим половинкам делителя R₁ и по обмотке реле Р, как пока­зано на рис. 2-62, в. Напряжение U_II не может создать тока поло­жительного знака на нижней половине сопротивления R_II (рис. 2-62, а и б), так как выпрямители 3 и 4 закрыты напряже­нием U₁ и меньшее напряжение U_II их открыть не может.

Ток I_II отрицательного знака, появляющийся в отрицательный полупериод U_II, показан пунктирными стрелками. Он проходит по тому же пути, что и положительный ток I_II, но противоположен ему по направлению. С учетом, что U₁ тока в реле не дает, ток, полученный от U_II, является током, питающим исполнитель­ный орган Р, при этом положительный и отрицательный ток на­правлены в реле противоположно.

Кривая тока в реле за положительный полупериод U₁ показана на рис. 2-63, б; при этом учтено, что U₁ отстает от U_II на угол ψ, и принято, что ток I_II совпадает по фазе с U_II, так как в конту­ре, по которому циркулирует I_II, преобладает активное сопро­тивление.

Следует заметить, что в токораспределении на рис. 2-62, в по­ложительный ток I_II проходит по выпрямителю 1 и отрицательный ток I_II — по выпрямителю 2 в обратном для него направлении.

Можно условно считать, что сопротивление открытого диода равно нулю как для прямого, так и для обратного тока.

Физически ток через выпрямитель может проходить только в прямом направлении. В действительности в контуре тока I_II на рис. 2-62, в (контур пВАтРп) действуют не одно, (как условно рассматривалось по методу нало­жения), а одновременно два встречно направленных напряжения: 0,5 U₁ и 0,5 U_II. Создаваемый ими действительно идущий через выпрямитель 1 ток

где R_к — сопротивление контура, в котором открытый выпрямитель 1 учтен сопротивлением прямого направления.

Ток I проходит по выпрямителю 1 в прямом направлении поскольку U₁ > U_II и, следовательно, разность 0,5 (U₁ — U_II) положительна.

Из (2-50) видно, что ток I можно рассматривать состоящим из двух составляющих:

Эти составляющие получаются и при применении метода наложения, как это было показано в приведенном выше рассмотрении. Ток 1₁ положителен, а ток I_II отрицателен, ото означает, что I_I проходит через вы­прямитель 1 в прямом направлении, а I_II — в обратном. Такое представ­ление и принято в приведенном рас­смотрении, оно является условным (математическим) и вытекает из ме­тода наложения. Наложение фиктив­ных токов + I_II и —I_II дает действи­тельный ток I. Аналогичным обра­зом объясняется прохождение в об­ратном направлении тока I_II по вы­прямителю 2.

Во втором, отрица­тельном полуперио­де U₁ (рис. 2-62, г) выпрями­тели 1 и 2 закрываются, а вы­прямители 3 и 4 открываются. Под действием U_II через откры­вшиеся выпрямители 3 и 4 пой­дет ток I_II, так же как и в предыдущем случае, замыкаясь через обмотку исполнительного органа — реле Р.

Из токораспределений на рис. 2-62, в и г видно, что поло­жительный ток I_II в течение положительного полупериода U₁ и отрицательный ток I_II во время отрицательного полупериода U₁ идут в реле Р в одном положительном направлении. Соответственно совпадают отрицательные и положительные то­ки I_II. С учетом этого на рис. 2-63, б построена кривая тока I_II в реле Р для отрицательного полупериода U₁.

Исполнительный орган Р реагирует на знак среднего значения тока I_II:

где S(₊) — S(_) — разность площадей положительного и отрица­тельного знака ограниченных кривой тока I_II (рис. 2-63) за полу­период напряжения U₁ (Т/2).

Если за полупериод преобладает положительный ток I_II (т. е. S(₊) > S₍_₎), то реле работает; при преобладании отрицательной составляющей (S_{(_)} > S₍₊₎) реле не действует.

Соотношение площадей S₍₊₎ и S_{(_)} зависит от угла сдвига фаз ψ между U₁ и U_II, это видно из рис. 2-63. Границей действия реле будет ψ ± 90°, при этом 5₍₊₎ = 5₍_), а ток в реле I_{II ср} = 0. Отсюда следует, что условие работы реле выражается неравенством

—90°< ψ < + 90°. (2-52)

При ψ = 0 ток I_{I ср} достигает максимального значения, и, следовательно, реле имеет наибольшую чувствительность. К таким же выводам можно прийти аналитическим путем:

Найденное выражение подтверждает, что I_IIср = f (ψ) и что зона действия реле определяется (2-52).

При рассмотрении работы реле было принято, что U₁» U_II. В тех случаях, когда разница амплитуд U₁ и U_II невелика, а ψ ≠ 0, функции управляющего напряжения будут поочередно выполняться как U₁, так и U_II.

Это не меняет принципа работы реле, но затрудняет определения и расчет I_ср, поэтому в вышеприведенном анализе и было принято условие U₁» U_II.

ность при φ_p = 0). Сдвигая искусственным путем фазу U₁ или U_II, можно получить реле промежуточного и синусного типа.

Отечественная промышленность выпускает реле направления мощности на кольцевой схеме.

д) Общая оценка реле на сравнении фаз

Из принципа действия рассмотренных реле следует, что они срабатывают в течение первого полупериода тока к. з. В резуль­тате этого реле, работающие на сравнении фаз, отличаются большим быстродействием. Это порождает и недостаток. Работа таких быстродействующих реле может искажаться влиянием апериоди­ческой слагающей тока к. з., возникающей в переходных режимах, и гармонических составляющих в напряжениях U₁ и U_II. От­стройка от помех является важной проблемой при конструиро­вании реле, работающих на сравнении фаз.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

Дата добавления: 2014-12-23