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 Uвых; 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 UII — тормозным; соответственно именуются элементы схемы, связанные с U 1 и UII.
|
|
Изменяя с помощью суммирующего устройства характер зависимости сравниваемых напряжений U 1 и UII от U р и Ip, 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 Ip и напряжения Uр, защищаемого элемента по выражению (2-38).
Схема суммирования, показанная на рис. 2-46, служит для получения реле мощности. Если исключить из схемы соединения ТА и ТВ обмотки А2 и В1, по =k1 , а =k2 ,при таком суммирующем устройстве реле превратится в ненаправленное реле сопротивления (см. § и-ш, и;, иимшаи из схемы обмотку Вг, получим направленное реле сопротивления (см. § 11-10, в).
Как уже отмечалось, напряжения U 1 и UII , образуемые суммирующим устройством, должны иметь линейную зависимость от U р и Ip. Для выполнения этого требования э. д. с. вторичных обмоток трансформаторов Та и Тв, из которых формируются напряжения U 1 и UII, должны быть строго пропорциональны: Еа1 и Еа2. — напряжению U р, а ЕВ1 и ЕВ2— току Ip. Чтобы получить вторичную э. д. с, пропорциональную U р, трансформатор Та выполняется в виде трансформатора напряжения. Электродвижущая сила, индуктируемая напряжением U р в каждой вторичной обмотке Та, Еа= , и так как коэффициент трансформации пН имеет постоянное значение, то Еа1 и Еа2 пропорциональны U р.
|
|
Электродвижущая сила ЕВ ≡ Ip получается от трансформатора ТВ, 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 Ip). 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 Ipw1. и что Ф1 = .
Магнитный поток Ф1 создает во вторичной обмотке трансреактора э. д. с. Е2 (обозначенную на рис. 2-46,а ЕВ1 и ЕВ2). Вторичная э. д. с. трансреактора
Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивление Rм 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 Ip в таком же, но замкнутом стальном магнитопроводе и ограничивает насыщение магнитопровода трансформатора.
|
|
Величина воздушного зазора δ подбирается так, чтобы в желаемом диапазоне токов Ip магнитопровод трансреактора не насыщался. При соблюдении этого условия коэффициент к в выражении (2-42а) будет постоянной величиной и, как следствие этого, зависимость Е2 от Ip будет линейной (рис. 2-46, г), и следовательно условие Е2 ≡ Ip 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 = Ip. Из (2-42 а) k = Е2/ I Р . Это выражение показывает, что коэффициент k имеет размерность сопротивления. С учетом, что ток I 1 (Ip) сдвинут относительно Е2 на 90°, величина к может рассматриваться, как некоторое реактивное сопротивление х в цепи первичного тока Ip или как сопротивление взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками трансреактора. Таким образом; трансреактор равноценен реактору с сопротивлением х= к, включенным в цепь тока Ip. Этим и объясняется его название трансформаторный реактор или сокращенно трансреактор.
|
|
Из всего сказанного выше следует, что трансреактор преобразует первичный ток Ip 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 Ip 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 UII 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 UII . 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 Ip, направление которого зависит от того, какое из напряжений больше. При | |> | | ток Ip 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 Ip помимо выпрямителей, представляющих большое сопротивление для токов обратного напряжения. В рассмотренной схеме балансируются (уравновешиваются) напряжения U 1 и UII , 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 UII создают пропорциональные им токи | | и | |, замыкающиеся через ИО навстречу друг другу. В реле ИО проходит ток Ip = | |— | |. Направление этого тока зависит от того, какое из напряжений U 1 или UII больше. При равенстве U 1 и UII ток Ip = 0. Таким образом, в данной схеме сравнение U 1 и UII 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 Рг и Р2.
Каждая из обмоток подключается к своему выпрямителю так, чтобы токи в них имели встречное направление.
При этом условии токи Ip 1 и Ip2 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 UII 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 Ip.
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 Uвых 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 ΔIk/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 Rн, 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 Iк > Iс р реле Р, то оно действует.
При прекращении входного сигнала, схема возвращается в первоначальное состояние. Триод Т2 закрывается, и ток Iк 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 Iк 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 UII , 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 UII
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 339; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!