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 U ₁, вызывающее работу реле, называется рабо­чим, а U_II — тормозным; соответственно именуются элементы схемы, связанные с U ₁ и U_II.

Изменяя с помощью суммирующего устройства характер зави­симости сравниваемых напряжений U ₁ 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 U ₁ 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 U ₁ 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 I ₂ очень мал, и поэтому можно счи­тать, что магнитный поток трансреактора Ф₁ создается только н. с. первичной обмотки, равной в нашем случае I_pw₁. 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 I ₁ = I_p. Из (2-42 а) k = Е₂/ I _Р . Это выражение показывает, что коэффициент k имеет размерность сопротивления. С учетом, что ток I ₁ (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 I ₂ резко возрастает магнитный поток Ф₁ вследствие чего увеличиваются до опасного значения вызываемые им э. д. с. E ₂ 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 U ₁ 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 U ₁  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 U ₁  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 U ₁  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 U ₁  или U_II больше. При равенстве U ₁  и U_II ток I_p = 0. Таким образом, в дан­ной схеме сравнение U ₁  и U_II производится путем вычитания созда­ваемых ими токов в обмотке реле. Балластные сопротивления R ₁ и R ₂ 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_{p 1} и I_p2 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 U ₁  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.

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 сиг­ нала, 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 = 0,95I ₃ . Отношение ΔI_k/ΔI _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 R ₁ служит для подачи отрицательного смещения на базу триода Т₁. Сопротивление R ₂ 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 R ₁ , 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 R ₂ . 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 U ₁ 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 U ₁ и U_II

---

Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 339; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!