1 Полупроводниковые и гибридные электрические аппараты часть1

Полупроводниковые и гибридные электрические аппараты
(часть 1)

1. Общие сведения

Полупроводниковые реле в отношении быстродействия, чувствительности, селективности и надежности превосходят электромагнитные. В ряде случаев полупроводниковые реле обладают характеристиками, которые невозможно получить с помощью электромагнитных реле.
Полупроводниковые реле защиты содержат измерительный орган и логическую часть. В измерительном органе непрерывные входные величины преобразуются в дискретный выходной сигнал. Дискретный выходной сигнал поступает на вход логической части, выдающей управляющий сигнал чаще всего на электромагнитное реле.

Рис. 1. Измерительный орган со стабилитроном
Измерительный орган полупроводникового реле обычно имеет на входе трансформатор тока, нагруженный на малое активное сопротивление. Напряжение на сопротивлении пропорционально первичному току в контролируемой сети.
В измерительных органах используются следующие три принципа:
сравнение однородных физических величин, например напряжений. В момент равенства измеряемого и опорного напряжений на выходе появляется нулевой сигнал, который приводит к срабатыванию нуль-органа. На выходе появляется дискретный сигнал. Регулируя опорное напряжение, можно менять уставку срабатывания. Реализация такого принципа показана на рис. 1. Выпрямленный сигнал, пропорциональный напряжению или току, подается на мост R1, R2, R3, VD1. В момент равенства напряжений на R2 и VD1 на выходе моста появляется нулевой сигнал, который приводит в действие нуль-орган. Главным источником погрешности полупроводниковых реле является зависимость параметров полупроводниковых приборов от температуры. Поэтому в схемы вводится температурная компенсация. В данной схеме для температурной компенсации последовательно со стабилитроном VD1 включается в прямом направлении диод. С ростом температуры у стабилитрона падение напряжения растет, а у диода в проводящем направлении падает;
проявление физического эффекта, возникающего при определенном значении измеряемого напряжения, - скачок в нелинейной характеристике туннельного диода, релейная характеристика триггера Шмидта и др.;
3) преобразование непрерывного входного сигнала и опорного напряжения в цифровую форму. После этого производится сравнение входного сигнала с опорным напряжением. Обработка входного сигнала в цифровой форме может производиться по требуемому алгоритму вычислительного устройства. Последний принцип наиболее перспективен ввиду высокой универсальности и стремительного развития вычислительной техники.
Функциональная схема трехфазного полупроводникового реле тока представлена на рис. 2. Пропорциональные токам напряжения трех фаз подводятся к промежуточным трансформаторам Т1-ТЗ. Между первичной и вторичной обмотками установлен экран. На выходе трансформаторов включены нелинейные резисторы. Эти мероприятия защищают усилители ОУ от перенапряжений. Сигнал со вторичных обмоток трансформаторов, пропорциональный контролируемому току, подается на входы ОУ А1-A3. На эти же усилители подается опорное напряжение с резистора R. Входные и опорные напряжения сравниваются между собой. При их равенстве на выходе усилителей А1-A3 появляется выходной сигнал, который через элемент ИЛИ, блок расширения импульса А5 и оконечный усилитель А4 подается на исполнительный opгaн. В блоке А5 кратковременный импульс преобразуется в импульс большей длительности. Светоизлучающие диоды VDI-VD3 сигнализируют о фазе, в которой произошла перегрузка.

Рис. 2. Трёхфазное полупроводниковое реле тока
Для того чтобы схема не реагировала на кратковременные и безопасные для защищаемой цепи перегрузки, вводится выдержка времени (рис. 3). Для этого один сигнал с элемента ИЛИ подается на элемент И непосредственно, второй - с выдержкой времени, определяемой цепочкой R1, C1. Сигнал на выходе реле появляется только тогда, когда на элемент И придут оба сигнала.

Рис. 3. Реле тока с выдержкой времени
2. Реле тока с выдержкой времени, зависящей от тока

В таких реле используются и аналоговые, и дискретные схемы. На рис. 4 в качестве примера показана функциональная схема полупроводникового токового расцепителя автоматического выключателя. Hапряжения, пропорциональные токам в фазах, через промежуточные трансформаторы подаются на выпрямитель, после чего поступают на резисторы R1, R2, R4. Пропорциональный току сигнал U(I) с R1 подается на суммирующий блок U13 EMBED Equation.3 1415, на который приходит сигнал U(I), снимаемый с цепочки временной задержки R3, C1. Канал сигнала U(t) начинает работать, когда под действием тока перегрузки срабатывает полупроводниковое реле К1. Когда суммарный сигнал U13 EMBED Equation.3 1415 достигает порога срабатывания полупроводникового реле КЗ, оно выдает сигнал на тиристорный усилитель А, воздействующий на обмотку электромагнита расцепителя К5.
Процесс срабатывания реле поясняется на рис. 5. Пусть Un - пороговое напряжение, при котором превосходит срабатывание реле КЗ. Это напряжение равно сумме напряжения U(I), пропорционального току, и напряжения U(t), получаемого от элемента задержки R3-C1 (см. pиc. 4). Пусть ток I1 I1 выдержку времени tC2 < tC1 Выдержка времени зависит от тока перегрузки. При токах КЗ работает канал R4, К2, R5, С2, К4.

Рис. 4. Полупроводниковый расцепитель для управления автоматическим выключателем

Рис. 5. Графики к работе расцепителя с зависимой характеристикой времени срабатывания
Уровень тока срабатывания регулируется потенциометром R4, а время срабатывания – резистором R5. Недостатком реле является сложность регулировки.
3. Реле защиты от замыкания на землю

Реле применяется в схемах защиты при замыканиях на землю генераторов, двигателей и линий с малыми токами замыкания на землю. Основные параметры реле: ток срабатывания регулируется в пределах 0,02-0,12 А; коэффициент возврата не менее 0,93; коммутируемое напряжение не более 250 В; механическая износостойкость 104 циклов; электрическая износостойкость не менее 103 циклов.

Рис. 6. Реле защиты от замыканий на землю

Рис. 6. Реле защиты от замыканий на землю (продолжение)
Схема реле представлена на рис. 6. Измерительный орган реле содержит промежуточный трансформатор ТА и резисторы R2-R7, которые вместе с выключателями SB1-SB5 служат для дискретной регулировки тока срабатывания. При отключенных выключателях ток срабатывания реле минимален. По мере включения R3-R7 уменьшается напряжение на выходе операционного усилителя А1 и ток срабатывания увеличивается. Диоды VD1-VD4 служат для ограничения сигнала на входе А1. При большом входном сигнале трансформатор ТА насыщается и его входное сопротивление падает. Резистор R1 ограничивает ток в цепи трансформатора ТА.
Операционный усилитель А1 работает как активный фильтр. Многоконтурная отрицательная обратная связь с помощью резисторов R8, R9, R10 и конденсаторов CI, C2 позволяет отфильтровать высшие гармоники в сигнале и оставить основную частоту 50 Гц.
Сравнивающая часть реле состоит из порогового элемента на операционном усилителе А2, время-измерительной цепи VD5, R15, R16, С8 и триггера Шмидта на операционном усилителе A3. Конденсаторы СЗ-С10 служат для стабилизации работы усилителя, исключая его самовозбуждение. Резистор R17 создает положительную обратную связь. Выходной каскад реле выполнен на транзисторе VT1, в цепь коллектора которого включено быстродействующее электромагнитное реле К.
Питание схемы осуществляется от сети постоянного тока (контакты 4, 1 при напряжении 220 В и 4, 2 при напряжении 110 В) или от сети переменного тока 100 В (контакты 4, 3). С помощью стабилитронов VD6 и VD7 получаются два симметричных напряжения -15 В и +15 В для питания операционных усилителей. Порог срабатывания порогового элемента определяется резисторами R11-R14. Настройка реле на минимальную уставку производится резистором R11.
4. Реле защиты асинхронных двигателей (РЗД)

Реле (рис. 7) обеспечивает защиту асинхронных двигателей от больших перегрузок и неполнофазных режимов. В цепи вторичных обмоток трансформаторов тока через мосты VI-V3 включены нагрузочные резисторы, напряжения на которых пропорциональны токам двигателя. Конденсаторы С1-СЗ сглаживают пульсации напряжения. Эти напряжения через диоды VD1-VD3 приложены к потенциометру R1, напряжение с которого поступает на пороговый элемент К1. Если токи в фазах двигателя не превышают номинальное значение, то напряжение на входе К1 недостаточно для его срабатывания. Если токовая перегрузка превышает допустимую, то К1 срабатывает и запускает промежуточное реле К4, которое подает сигнал на цепь задержки R4, С4. Напряжение с конденсатора С4 подается на пороговый элемент КЗ, усилитель А и выходное электромагнитное реле К, контакты которого включены в цепь катушки пускателя или электромагнитного расцепителя автомата.

Рис. 7. Реле защиты асинхронных двигателей

Если длительность перегрузки меньше, чем время задержки в цепи R4, С4, то двигатель не отключается. При нормальном пуске или допустимой технологической перегрузке благодаря наличию цепи задержки двигатель не отключается. Если длительность перегрузки больше, чем время задержки, то двигатель обесточивается.
При обрыве одной фазы, например фазы А, пропадает напряжение на нагрузочном резисторе R3 этой фазы. Поскольку фазы В и С остались под током, то на выходе MN имеется напряжение UВЫХ указанной полярности. Под действием этого напряжения протекает ток через резистор R3, диод VD4, который открывается, и потенциометр R2. Напряжение с потенциометра R2 прикладывается к пороговому элементу К2, который срабатывает. После этого действует цепочка К4, R4, С4, КЗ, А, К и происходит отключение двигателя.
5. Трёхфазные реле напряжения

В схеме трехфазного реле напряжения (рис. 8) напряжение срабатывания регулируется резистором R1. Реле может работать как максимальное (переключатель S в положении 1) и как минимальное (переключатель S в положении 2). Коэффициент возврата реле регулируется в широком диапазоне с помощью резистора R2, которым изменяется коэффициент положительной обратной связи в усилителях A1, A2, A3. Логический элемент И обеспечивает срабатывание реле в случае, когда напряжение хотя бы в одной фазе падает ниже допустимого (при S в положении 2).

Рис. 8. Трёхфазное реле напряжения
Для защиты электродвигателей, тиристорных преобразователей, других трехфазных потребителей при недопустимом снижении симметричного напряжения, асимметрии междуфазных напряжений, обратном чередовании фаз служит реле ЕЛ-10-1 (с выдержкой времени) и ЕЛ-10-2 (без выдержки времени). Структурная схема этого реле приведена на рис. 9. На входе реле включены пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2, ПЭЗ, образующие пороговый блок ПБ. С выхода ПБ система полученных в нем прямоугольных импульсов (рис. 10) поступает в логический блок ЛС, на триггеры Т1, Т2 и логический элемент И. Полученная в ЛС система прямоугольных импульсов через дифференцирующую цепочку RC подается на схему временной уставки СВУ, которая с выдержкой времени открывает транзистор VT выходного усилителя ВУ. Если контролируемое напряжение симметрично и близко к номинальному значению, то выходные импульсы ЛБ не приводят к срабатыванию СВУ и ВУ.
Когда изменения трехфазного напряжения или порядка чередования фаз выходят за пределы допустимых, на выходе ЛС исчезает показанная на рис. 10 последовательность импульсов. При этом по истечении выдержки времени в СВУ выдается сигнал на ВУ и выходное реле срабатывает. Допустим, исчезло напряжение в фазе А. При этом перестает работать триггер Т1 и на выходе логического элемента И появится логический 0. Триггер Т2 тоже перестает переключаться. На выходе RС-цепочки сигнал пропадает, на вход СВУ и ВУ не подается сигнал ЛС, и реле К отключает цепь. Реле срабатывает при снижении напряжения в одной из фаз до 55 - 65 % UНОМ при номинальном напряжении в остальных. При обрыве двух или трех фаз одновременно или при обратном следовании фаз реле срабатывает при напряжении 70 - 75% UНОМ. Коэффициент возврата реле не менее 0,9. Время срабатывания реле ЕЛ-10-1 не превышает 5 с. Реле не срабатывает при колебании симметричного напряжения в пределах 85-110% UНОМ.

Рис. 9. Структурная схема реле напряжения

Рис. 10. К работе схемы рис. 9
Рисунок 999Рисунок 1003Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 8747609
    Размер файла: 233 kB Загрузок: 7

Добавить комментарий