|
|
Статическое реле. Статическое реле
Статическое реле
Статические реле представляют собой модульные полупроводниковые приборы, содержащие электронные ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. Они применяются для замены традиционных электромагнитных реле.
В статическом реле от источника сигнала берётся лишь информация, а в электромеханическом реле потребляется энергия, необходимая для обработки информации и выполнения переключений в выходных цепях. В статических реле энергия для их функционирования берётся от постороннего источника (сеть оперативного тока) и тем самым снижается нагрузка на датчики информации. Связь с внешним – недостаток статических реле, т.к. к ним требуется подводить дополнительные коммуникации и обеспечивать надлежащую надёжность питания.
В статических реле удалось существенно улучшить коэффициент возврата 𝑘в . Его типовое значение составляет 0,95 … 0,97 (для реле минимального действия 𝑘в = 1,05 … 0,03 ). Механические реле обычно имеют 𝑘в = 0,8 … 0,9 (и, соответственно, 𝑘в = 1,2 … 1,1). Улучшены и такие характеристики, как: точность работы реле; отстроенность реле от влияния апериодической составляющей и высших гармоник. Расширились диапазоны контроля входных величин.
Время срабатывания осталось практически на том же уровне, что и у механических реле, т.е. 𝑡ср = (1,5 … 3,0) ∙ 𝑇 = (30 … 60) мс.
На вход реле наряду с полезной составляющей могут попадать гармоники и субгармоники, в общем случае и непериодические составляющие. В грамотно спроектированном реле, т.е. хорошо отстроенном от влияния указанных помех, время определения уровня сигнала будет ещё больше.
Реле проектируются с учётом объективных требований, отсюда все реле, даже разных фирм-производителей, будут подобными во многих отношениях.
В релейной технике применяются реле с контактами — электромеханические, бесконтактные — на полупроводниках или на ферромагнитных элементах. У первых при срабатывании замыкаются или размыкаются контакты. У вторых — при определенном значении входной величины х скачкообразно меняется выходная величина у, например напряжение.
Плюсы применение полупроводниковых приборов (диодов и триодов):
уменьшение размеров реле
снижение потребления мощности от измерительных трансформаторов
повышение чувствительности
улучшение характеристики
выполнение реле без контактов и движущихся частей.
Таким образом, полупроводниковое реле представляет собой уже полностью электронное устройство, без подвижного механического контакта, которое служит для включения/выключения мощных нагрузок в силовых цепях, путем подачи низкого управляющего напряжения на вход управления электронного устройства.
Минусы полупроводниковых приборов:
имеют большие разбросы характеристик
зависимость параметров от температуры
нелинейность сопротивлений
Однако при учете этих недостатков в процессе конструирования их нежелательное влияние на параметры реле можно ограничить до допустимых пределов.
Требования к статическим реле:
• Простота исполнения;
• Высокая надёжность;
• Низкая стоимость реле;
• Высокая помехозащищённость;
• Требуемая точность.
Одновременное выполнение этих требований приводит к типовым схемотехническим решениям. Например, входной преобразователь должен обеспечивать, наряду с линейным преобразованием контролируемого сигнала, гальваническое разделение входной цепи и измерительной части реле. Наиболее простое решение получается при использовании электромагнитного трансформатора.
Выходной преобразователь обеспечивает гальваническое разделение выходной цепи и сети оперативного тока.
Структурная схема измерительной части
НФП
Нелинейный функциональный преобразователь, блок усреднения (интегрирования), пороговый элемент. В этом случае выходной сигнал НФП, при синусоидальном сигнале на входе 𝑥1(𝑡) = 𝑋𝑚sin𝜔𝑡, имеет вид
и наряду с постоянной составляющей (пропорциональной амплитуде) содержит высшие гармонические составляющие.
Операция квадратирования 𝑥2(𝑡) = (𝑡). В этом случае выходной сигнал НФП при синусоидальном входном сигнале равен: 𝑥2(𝑡) =0,5 и имеет наряду с постоянной составляющей вторую гармонику.
ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРИНЦИП
В статических реле наиболее широкое распространение получило нелинейное преобразование вида
Этот способ определения интегрального параметра носит название времяимпульсного. Контролируемый сигнал преобразуется из синусоидального в импульсный.
Временные диаграммы работы измерительной части
С использованием полупроводников могут выполняться как основные реле (т. е. реле тока, напряжения, мощности и сопротивления), так и элементы логической части схем защит.
Простые реле, реагирующие на одну электрическую величину— ток или напряжение, выполняются, как правило, на выпрямленном токе с помощью диодов. В качестве реагирующего (исполнительного) органа при этом используются высокочувствительные электромагнитные, поляризованные или магнитоэлектрические реле.
Более сложные реле, такие как реле мощности и сопротивления, реагирующие на две электрические величины — ток и напряжение, могут выполняться с использованием полупроводников на одном из следующих принципов:
1) на сравнении абсолютных значений двух электрических величин UI и UII. Такие реле выполняются на выпрямленном токе: в них сравниваемые напряжения переменного тока UI и UII выпрямляются, а затем сопоставляются по величине с помощью специальных схем сравнения (фазочувствительных схем);
2) на сравнении фаз мгновенных значений двух электрических величин UI и UII.
Реле такого типа выполняются с помощью фазосравнивающих схем, позволяющих определить сдвиг фаз между UI и UII.
В обоих случаях сравниваемые величины U1 и UII являются линейными функциями тока Iр и напряжения Uр подводимых к реле, а именно:
 , (1)
где k1, k1, k1, k1 -постоянные коэффициенты, не зависящие от Up и Ip (могут быть комплексными).
Изменяя коэффициенты k1 — k4, можно получить реле разных типов и с различными характеристиками. К ним в первую очередь относятся реле направления мощности и реле сопротивления.
Полупроводниковые реле на сравнении абсолютных значений двух электрических величин, или, как их часто называют, реле на выпрямленном токе, разработаны в различных вариантах и получили широкое распространение.
Полупроводниковые реле на сравнении фаз разработаны в меньшей степени, но имеют определенную перспективу применения.
РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, РЕАГИРУЮЩИЕ НА ОДНУ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ВЕЛИЧИНУ
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.
Рисунок 1. Токовое реле на выпрямленном токе. а-принципиальная схема; б-ток на входе выпрямителя; в-выпрямленный ток I; г-переменная I и постоянная Id составляющие.
Устройство и принцип действия токового реле на выпрямленном токе показаны на рис. 1. 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 двухполупериодная мостовая схема, приведенная на рис.1а.
Как следует из рис. 1а, в положительный полупериод переменный ток It = 1тsint, 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 It (стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через вентили 2 и 4, которые в этом случае открываются, а вентили 1 и 3 закрываются.
Из показанного на рис. 1а 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 |I| имеет пульсирующий характер (рис. 1в), изменяясь от нуля до максимума, но в отличие от кривой переменного тока она сохраняет постоянный знак.
Выпрямленный ток можно представить как сумму постоянной составляющей 1d, равной среднему значению выпрямленного тока, и переменной, составляющей I, являющейся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис. 1г).
Постоянная составляющая выпрямленного тока:
 (2)
где Im -амплитуда выпрямляемого тока I; Iср - среднее значение выпрямленного тока.
Переменная составляющая:
Из (2) следует, что постоянная слагающая Id пропорциональна максимальному значению выпрямляемого тока I и может поэтому рассматриваться как модуль (абсолютная величина) его вектора, т. е. Id = k|I|.
Разложение выпрямленного тока на составляющие осуществляется с помощью ряда Фурье, согласно которому выпрямленный ток |I| состоит из постоянной слагающей и гармонических составляющих с нарастающей частотой и убывающими амплитудами.
При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока i = Iтsint переменные слагающие ряда Фурье состоят только из четных косинусоидальных гармоник.
В этом случае выпрямленный ток:
где Id— постоянная слагающая ряда Фурье; I2, I4, I6, … — амплитуды 2, 4, 6-й ... гармоник ряда; = 2 f1 - угловая скорость выпрямляемого тока I, имеющего частоту f1= 50 Гц.
Выражая постоянную и гармонические составляющие через амплитуду выпрямляемого тока 1т, получаем:
Из (3) 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 Iср = Id.
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  , угловой скоростью 2 и частотой f2=2f1 = 100 Гц.
Пульсация выпрямленного тока вызывает вибрацию контактов исполнительного органа Р, поэтому ее необходимо устранять. 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. В схеме на рис. 2а последовательно с обмоткой реле Р включен дроссель L, индуктивное сопротивление которого хL, = L= 2 fL 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.
Рисунок 2. Схемы для сглаживания выпрямленного тока. а - с последовательным индуктивным сопротивлением; б - с шунтирующим конденсатором; в - с резонансным фильтром, не пропускающим тока с f=100 Гц; г - с расщеплением тока на три составляющие I1, I2, I3; д – векторная диаграмма.
В схеме на рис. 2б обмотка реле Р зашунтирована конденсатором С, с сопротивлением  которое обратно пропорционально f. Поэтому большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой хс мало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим.
В рассматриваемых ниже схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин пульсация выпрямленного тока вызывает кроме вибрации нежелательную зависимость срабатывания реле от угла сдвига между сравниваемыми величинами.
В схеме на рис. 2в 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. 2а, 2б дают наилучший результат для источников переменного тока с малым сопротивлением по отношению к нагрузкам (реле Р) (то есть, ТТ); схема на рис. 2в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением (то есть, ТН).
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. 2а, 2б.
В тех случаях, когда увеличение времени действия недопустимо, может применяться более сложная схема (рис. 2г). В этой схеме подлежащий выпрямлению ток I расщепляется на три составляющие I1, I2 и I3, равные по величине и взаимно сдвинутые по фазе на 120° с помощью индуктивных и емкостных сопротивлений. Ток  рис. 2г, 2д. Каждый из этих токов самостоятельно выпрямляется, затем они суммируются и подаются, в обмотку реле (аналогично схеме Ларионова, см рисунок 3). Результирующий ток в реле Iр весьма близок к постоянному. Эта схема не влияет на быстродействие реле.
Рисунок 3. Диаграммы исходных и выпрямленных токов в схеме Ларионова
Кроме схемы реле тока и напряжения на выпрямленном токе, выполненной с использованием двухполупериодной мостовой схемы, имеется второй вариант исполнения - схема реле на сравнении измеряемой величины (тока Ip) с эталоном Iэ. По этому варианту (рис. 4а) измеряемая величина Uи сравнивается с эталонной величиной Uэ, изменяющейся по другому закону или имеющей постоянное значение (как показано на рис. 4б). Реле работает, если Uи ≥ Uэ
Реле на выпрямленном токе отличаются малым потреблением и небольшими размерами.
Рисунок 4. Схема реле на сравнении измеряемой величины (тока Ip) с эталоном Iэ (а) и характеристики срабатывания реле (б)
РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, СРАВНИВАЮЩИЕ АБСОЛЮТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ДВУХ НАПРЯЖЕНИЙ UI и UII
Общие принципы выполнения и структурная схема всех видов реле на сравнении абсолютных значений двух напряжений UI и UII одинаковые и показаны в виде блок-схемы на рис. 3. Реле состоят из суммирующего устройства 1 выпрямителей 2 (В1 и В2), схемы сравнения абсолютных значений UI и UII 3 и исполнительного органа 4.
Напряжение и ток сети U ð и Ip подводятся к суммирующему устройству, на выходе которого с помощью вспомогательных трансформаторов образуются два напряжения UI и UII , по выражениям (1). Каждое из этих напряжении выпрямляется двухполупериодными выпрямителями В1, В2 на полупроводниковых диодах. На их выходе получаются выпрямленные напряжения |UI| и |UII|, пропорциональные модулям (абсолютным значениям) векторов UI и UII.
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.
|UI | > |UII| или |Uвых |>0, и не должно работать, если |UI | ⩽ |UII |.
Рисунок 4. Блок-схема реле на сравнении абсолютных значений двух напряжений UI и UII
Реле должно действовать при условии, что |UI| ≤ |UII|. 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 UI, вызывающее работу реле, называется рабочим, а UII — тормозным; соответственно именуются элементы схемы, связанные с UI и UII. Изменяя с помощью суммирующего устройства характер зависимости сравниваемых напряжений UI и UII от Uр и Ip, можно получить как реле мощности, так и различные виды реле сопротивлений.
Рассмотренное реле работает на выпрямленном токе.
РЕЛЕ НА СРАВНЕНИИ ФАЗ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН U1 и UII
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 UI и UII, которые являются линейными функциями напряжения и тока сети Uр и Ip.
Рисунок 5. Реле на сравнении UI и UII (а); угловая характеристика работы реле (б) и угловая характеристика реле направления мощности (в)
Принцип действия. Реле на сравнении фаз (рис. 5a) состоят из устройства сравнения фаз (фазосравнивающей схемы) 1 и исполнительного органа 2, реагирующего на знак выходного напряжения Uвых.
Фазосравнивающая схема
Особенностью фазосравнивающей схемы реле является разделение ее на две параллельные части – два канала прохождения сигналов сравниваемых напряжений. В одном измеряется время совпадения положительных значений UI и UII, а в другом отрицательных мгновенных значений этих же напряжений. Такое разделение с последующим суммированием выходных сигналов обоих каналов устраняет влияние апериодической составляющей.
Реле реагирует на угол ψ сдвига фаз между сравниваемыми напряжениями UI и UII и приходит в действие при значении ψ, удовлетворяющем условию
 (4)
где  и  – углы, ограничивающие зону действия реле (рис. 5(б)).
Знак и значение выходного напряжения Uвых фазосравнивающей схемы, определяющего поведение реле, зависят от величины сдвига фаз  между UI и UII, т.е. Uвых=f( ). При выполнении условия (4) Uвых положительно и исполнительный орган действует. Если меньше , или больше , то Uвых отрицательно и исполнительный орган не работает.
Изменяя коэффициенты k в (1), т. е. меняя зависимость UI и UII от напряжения Up и тока Ip сети, можно получить различные виды реле.
В частности, для получения реле направления мощности необходимо принять k2=k3=0. Тогда UI=k1Up, UII = k4Ip, а угол , на который реагирует реле, равен углу сдвига фаз  между Up и Ip. Если в (4) взять  , то характеристика срабатывания реле изображается прямой АОВ′ (рис. 5в). Подобное реле ведет себя как орган направления мощности.
Способы сравнения. Реле сравнения фаз по способу сравнения фаз UI и UII, или, иначе говоря, по типу фазосравнивающей схемы, подразделяются на реле, основанные на импульсном принципе, на схеме, сопоставляющей продолжительность времени совпадения фаз с заданным, и на кольцевой фазосравнивающей схеме.
РСТ11-РСТ14
Класс точности реле – 5,0
Изменение уставок по току срабатывания осуществляется ступенями по 0,1𝐼𝑚𝑖𝑛, где 𝐼𝑚𝑖𝑛 – минимальная уставка реле данного исполнения. Полный диапазон изменения уставок: от 𝐼𝑚𝑖𝑛 до 4,1𝐼𝑚𝑖𝑛.
Коэффициент возврата: 𝑘в=0,9
Время срабатывания: 0,06с при 𝐼 = 1,2 𝐼ср
0,035 с при 𝐼 = 3,0
При синусоидальном входном токе реле, превышающем уставку, на выходе компаратора 𝑆𝐹1 формируется последовательность импульсов. Длительность импульса 𝜏 зависит от амплитуды входного тока реле: по мере возрастания амплитуды увеличивается и длительность импульса.
Регулирование уставок реле производится дискретно ступенями по 0,1 от минимальной уставки диапазона, указанного в таблице 1. Значение тока срабатывания на соответствующей уставке определяется по формуле
Iср = Imin(1 +  i),
где Imin - минимальная уставка по току диапазона уставок, выбранная по таблице 1;
N - сумма чисел на шкале уставок (0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6), около которых шлицы переключателей уставок SV1 - SV5 установлены горизонтально.
Уставка устанавливается с помощью выкорачивания резисторов R9-R13. При этом контакты соответствующих переключателей исходно разомкнуты, а резисторы R9 - R13 введены в работу, что приводит к повышению порога срабатывания компаратора DA1. При необходимости ток срабатывания реле может быть подкорректирован с помощью переменного резистора R3, расположенного на печатной плате реле.
Для реагирования на среднее значение тока в измерительной схеме предусмотрено интегрирующее звено 𝑈2. Характерной особенностью интегрирующего звена является зависимость его постоянной времени от полярности входного сигнала  .
Таблица 1. Основные технические данные реле тока
Принципиальная схема реле РСТ13
Временные диаграммы работы
Измерительный узел реле представляет собой промежуточный трансформатор тока ТV1, а узлом формирования служит выпрямительный мост VI. Преобразующей частью узла сравнения является од- нопороговый компаратор DА1, который используется одновременно как первая ступень сравнения, определяющая ток срабатывания реле, — поступающий сигнал сравнивается с заданным опорным напряжением. Для установки опорного сигнала, с помощью которого задается уставка реле, предусмотрены переключатели уставок SV1-SV5. Ими шунтируется часть резисторов, образующих делитель напряжения, питающийся от источника напряжения ±15 В. При размыкании переключателей изменяется доля напряжения, подаваемая на вход компаратора.
Выходной сигнал однопорогового компаратора поступает на следующую ступень сравнения — времясравнивающую цепочку, содержащую резисторы R7, R8, диод VD2, конденсатор С2 и стабилитроны VD3. Пороговым элементом этой цепочки и одновременно исполнительной частью узла сравнения служит триггер Шмитта DА2.
РСН14-РСН17
Реле РСН 14 и РСН 15 являются реле максимального напряжения, которые реагируют на повышение напряжения в сети защищаемого объекта, а реле РСН 16 и РСН 17 представляют собой реле минимального напряжения, срабатывающие при понижении напряжения в сети.
Мощность, потребляемая реле на минимальной уставке при напряжении, равном напряжению срабатывания (Uср), и при номинальном напряжении (Uном) не превышает значений, указанных в табл. 2.
Таблица 2. Мощность, потребляемая реле РСН
Регулирование уставок реле напряжения также производится дискретно ступенями по 0,1 от минимальной уставки диапазона, указанного в таблице 2. Значение напряжения срабатывания на соответствующей уставке определяется по формуле:
U = Umin(1 + N),
где Umin - минимальная уставка диапазона, выбранная по таблице 3,
Уставка корректируется с помощью резисторов R9-R13. N - сумма чисел на шкале уставок (0,1; 0,2; 0,4; 0,8), около которых шлицы переключателей уставок SB1 - SB4 установлены горизонтально.
Таблица 3. Основные технические данные реле напряжения
Принципиальная схема реле РСН14
Временная диаграмма работы РСН14
Временные диаграммы работы реле минимального напряжения РСН16
Реле максимального и минимального напряжений входят в серии РСН 14-РСН 17, каждая из которых имеет несколько типовых исполнений. Реле РСН 14 и РСН 15 являются реле максимального напряжения, которые реагируют на повышение напряжения в сети защищаемого объекта, а реле РСН 16 и РСН 17 представляют собой реле минимального напряжения, срабатывающие при понижении напряжения в сети.
По своему устройству реле серий РСН 14 - РСН 17 подобны реле РСТ. Различаются они лишь тем, что вместо датчика тока в них установлен датчик напряжения. Датчик напряжения содержит промежуточный трансформатор и два добавочных резистора, включенных последовательно в цепь его первичной обмотки. Датчик имеет три вывода, которые дают возможность использовать реле в двух диапазонах рабочих напряжений. Переход в другой диапазон обеспечивается за счет исключения одного из добавочных резисторов. В остальной части схема реле ничем не отличается от схемы реле РСТ |
|
|
Скачать 2.09 Mb.