книги из ГПНТБ / Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения
..pdf
ЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
П о д р е д а к ц и е й
доктора техн. наук В. Я. ОВЛАСЮКА
М О С К В А «Т Р А Н С П О Р Т », 1 974
УДК 621.331:621.311:621.316.925-523.8 +621- 331:621.311-523.8
Электронные устройства релейной защиты и автоматики в системах тягового энергоснабжения.
Б ы к о в В. |
А., |
|
З и м а к о в |
В. А., |
О вла- |
сю к В. Я., |
Х а л ь к о в В. С., |
Ш и л ов Л. Н. |
|||
Под редакцией |
В. |
Я. О в л а с ю к а . |
М.. «Тран |
||
спорт», 1974 г., 1—304.
В рукописи изложены вопросы применения полупроводниковых приборов в устройствах ре лейной защиты и автоматики тяговых подстан ций. Рассмотрены принципы построения основ ных функциональных и логических элементов, приведено описание этих элементов, дана мето дика их расчета. Значительное место отведено описанию промышленных образцов электронных устройств защиты, которые в настоящее время эксплуатируются или подготовлены к серийному производству. Материал рукописи составлен на основании исследований и разработок, выполнен ных в ЦНИИ МПС, и опыта эксплуатации про мышленных образцов электронных устройств за щиты-
Книга предназначена для широкого круга инженерно-технических работников, занимаю
щихся вопросами |
эксплуатации, |
проектирования |
|
и разработки устройств защиты |
и |
автоматики, |
|
а также может |
быть использована |
студентами |
|
соответствующих специальностей высших и сред них учебных заведений. Рис. 172, табл. 5. список лит. 28 назв.
<g) Издательство «ТРАНСПОРТ», 1974.
ОТ АВТОРОВ
К настоящему времени на электрифицированных железных до рогах страны уже получили широкое применение многие электрон ные устройства. Это в первую очередь системы телемеханики, аппаратура автоматического регулирования мощности выпрями тельных агрегатов, бесконтактная фидерная автоматика, ряд устройств релейной защиты и др. Большие перспективы открыва ются в связи с применением единых электронных комплексов ав томатики, телемеханики и релейной защиты, объединенных эле ментными, схемными и конструктивными решениями, общими входными и выходными узлами, единой системой сигнализации и регистрации процессов и т. д.
В книге рассмотрены отдельные положения теории, принципов построения и некоторые практические реализации - транзисторных (электронных) устройств релейной защиты и автоматики, а также единых электронных управляющих комплексов ЭСА и ТУ (элек тронные системы автоматического и телемеханического управления для устройств энергоснабжения электрифицированных железных дорог), разработанных во Всесоюзном Научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ЦНИИ МПС).
Книга рассчитана на инженерно-технических работников, а также может быть полезна студентам, специализирующимся в об ласти энергоснабжения электрифицированных железных дорог.
Д-ром техн. наук В. Я- Овласюком написаны § 1, 4, 5, 6, |
13, 14, |
|||
15, 18, 19, 21, 22, 23, 26, 27, 29, глава II; В. Я. Овласюком и канд. |
||||
техн. наук В. С. Хальковым — § 3, 7; |
В. Я- |
Овласюком и |
инж. |
|
В. А. Зимаковым — § 16, |
17, 20; В. Я- Овласюком и канд. техн. |
|||
наук В. А. Быковым — § 24, 25, 28, 30; |
В. А. Быковым написаны |
|||
глава VII; § 55, 56, 57; |
В. А. Зимаковым и |
В. С. Хальковым — |
||
§2, 43—51; В. А. Зимаковым — § 52, 61—65 главы XI; канд. техн.
наук Л. Н. Шиловым —- глава VIII и § 53, 54; В. С. Хальковым —
§58, 59, 60; глава VI написана В. А. Быковым, В. А. Зимаковым и В. Я- Овласюком.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензенту книги д-ру техн. наук И. Д. Сухопрудскому за большую работу по рецен зированию и полезные замечания и советы, которые помогли улуч шить содержание книги.
3
ТРАНЗИСТОРЫ
I В УСТРОЙСТВАХ АВТОМАТИКИ
ИРЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ
§1. Основные параметры транзисторов для низкочастотных переключающихся схем ЭСА и ТУ
Анализ работы транзисторов в низкочастотных переключаю щихся схемах показывает, что основную .роль играют следующие их параметры: средний (статический) коэффициент усиления В, остаточное напряжение на коллекторе в режиме насыщения UKн, напряжение на базе в режиме насыщения Uбн, нулевые токи кол лектора /ко, эмиттера /эо и сквозной ток эмиттер — коллектор при Uбэ=0 и /кэо,' напряжение полного закрытия транзистора Uб3 и на пряжение на базе при открытом транзисторе С/бо или при насы щенном транзисторе /Дн. Определенное значение имеют такие пре дельные параметры, как допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе Рк ДОп, допустимые напряжения на коллек
торном Uбк доп и эмиттерном |
t/бэдоп переходах, а также допусти |
мый ток коллектора в режиме |
переключения. |
Параметры транзисторов В и /ко (в отдельных случаях /э0) яв ляются наиболее нестабильными во времени, имеют большой раз брос значений для различных экземпляров транзисторов и оказы вают значительное влияние на работоспособность транзисторной схемы.
Коэффициент усиления транзисторов В зависит от величины то-, ка коллектора при насыщении / Кн, напряжения UKB> от температу ры, а также изменяется при старении. Для переключающихся схем, работающих в режиме насыщения и при относительно низ ких частотах (на один-два порядка ниже предельной частоты уси
ления по току), имеет значение |
только минимальная величина |
|||
Дмин, при которой транзистор |
(с учетом нагрузки) |
выходит на |
||
порог насыщения. |
Значительное увеличение |
В сверх этой вели |
||
чины не вызывает |
нарушения работы таких |
схем. |
Поэтому при |
|
расчете схем исходя из требований их стабильной работы в раз личных условиях нужно учитывать только возможное умень шение В.
Средний коэффициент усиления транзисторов, работающих в режиме переключения в схеме с заземленным эмиттером,
(1)
где 1оа — ток базы, соответствующий току /кн.
Ток / кн обычно является заданной величиной для каждой |
кон |
||
кретной схемы: |
|
|
|
г |
Ек — U кн |
j о\ |
|
1 КН — |
г |
, |
(■4 ) |
|
ак |
|
|
где Е к — напряжение питания коллекторной цепи; |
|
||
Е к— сопротивление коллекторной нагрузки. |
|
||
При £ к» / / к„ ток коллектора / к„ ~ |
Р |
|
|
— и незначительно меняется |
|||
|
|
Rк |
|
в зависимости от степени насыщения транзистора. •
Ток / бн при /Kn = const сильно возрастает с увеличением степени насыщения транзистора. Ток /бн в значительной степени является неопределенным, так как он в зависимости от степени насыщения может иметь бесконечное множество значений.
.Средний коэффициент усиления связан с дифференциальным
коэффициентом усиления р следующим соотношением: |
|
|
|
Сн |
|
5 = т М |
W * ) d l %. |
(3) |
/кн |
о |
|
Зависимости В==/(/к) и p= f(/K) существенно отличаются друг от друга (рис. 1, б). Значения В определяются наклоном прямой, про веденной из начала координат в точку переходной характеристики
.(рис. 1, а), для которой определяется В, а значение р наклоном ка сательной к данной точке. Максимум B — f(IK) сдвинут в сторону больших значений 1К, а спад характеристики более пологий. Таким образом, если при расчете переключающихся схем воспользовать ся данными технических условий по р, то может быть допущена значительная ошибка.
Для потенциальных переключающихся схем с резисторными, диодными и непосредственными связями большое значение имеет величина остаточного напряжения Z/KHв режиме насыщения. В этих схемах всегда существует некоторая максимальная величина Вкн; при. более высоком остаточном напряжении работа схемы наруша-
Рис- 1. Переходная характеристика
и Р = /(/кн) (6)
5
Рис. 2. Семейство кривых В/Вопт = f (/кн) при разных напряжениях б'кн для транзисторов МП42 (а) и МП25 (б)
Рис. 3. Зависимости параметра В = /( / кн) при разных напряжениях £/кн и Г=20°С для транзисторов МП116 (а), КТ201 (б)
и КТ316 (в):
сплошные кривые — для £ макС; штриховые — для В Мин
Рис. 4. Зависимость |
UoH= f (\кв) при разных значениях UKBи 7 = 20°С для тран |
||
зисторов типов МП42 |
(а) и МП25 (б) |
|
|
ется. В таких транзисторных потенциальных схемах, как |
И-НЕ, |
||
И-ИЛИ-НЕ, |
в триггерах с диодной связью, элементе ИЛИ-HE (на |
||
резисторах) |
всегда имеются очень жесткие ограничения на |
вели |
|
чину t/кн..
Значительное влияние на работу схем напряжения t/KHобъяс няется тем, что транзистор переходит из надежно закрытого состо яния в открытое при изменении потенциала базы от Uд3 до (Уво,- которое в некоторых случаях может составлять всего 0,2—0,4 В. Поэтому даже незначительное изменение напряжения £/кн отно сительно принятого нулевого уровня может нарушить работу по следующих узлов.
Практически важна та минимальная величина В, при кото рой напряжение на коллекторе открытого транзистора еще не вы шло за пределы некоторой допустимой величины. Выйдет ли тран зистор при этом на порог насыщения (U^g^Um) или нет для низ кочастотных схем не имеет решающего значения.
В связи с этим целесообразно величину |
В определять, |
поль |
|
зуясь выражением (1), но при некотором |
постоянном |
значении |
|
Uкв, допустимом для схемы. |
|
|
|
Величину Uкв выбирают, используя зависимости -g— = f(/KH) |
|||
либо B = f(IKH) при Uкн==const и температуре окружающей |
среды |
||
Г—const. При этом приходится сталкиваться с двумя |
противоре |
||
чивыми требованиями: с одной стороны, необходимо, чтобы напря жение и кя было минимальным, так как оно определяет уровень по тенциальной помехи; с другой — необходимо возможно более пол но использовать усилительные свойства'транзистора.
Для транзисторов МП39-Е41, МП42, МП25 (рис. 2) при 11№л более 0,2—0,25 В (при токах коллектора 20—50 мА) практически не увеличивается В. Для транзисторов МП20, часто используемых
при токах |
100—150 мА, |
целесообразно выбирать расчетную вели |
||
чину Пкн^0,3-у0,4 В. |
Для кремниевых |
сплавных |
транзисторов |
|
МП116, |
а также современных планарных п-р-п |
транзисторов |
||
КТ316, КТ201 (рис. 3) |
величину t/KHпри Аш<15 мА можно выби |
|||
рать в пределах 0,3-^0,4 В. Понижение |
Umi до 0,1—0,15 В приво |
|||
дит к значительному снижению В, повышение Umi выше 0,3—0,4В практически не дает выигрыша в В.
0 |
w |
w |
0 |
10 |
W |
|
1<н,мА |
|
|
Ikh,ma |
|
Рис. 5. Зависимости Uбп — }(1кв) |
при разных значениях Uкн и Т — верхние |
|
(сплошные) и нижние (штриховые) границы 98-процентного |
разброса: |
|
а — для транзисторов МП116; б и в |
— для транзисторов КТ-201Б; |
г — для транзисторов |
КТ-316Г |
|
|
Величина UKS также оказывает сильное влияние на зависимость B=f(T). Поэтому целесообразно выбирать напряжение С/кн таким,
чтобы получить |
необходимую |
(например, минимальную) зависи |
||||||
мость В от Т (см. § 2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
Величину Uбн удобно представлять в виде семейства характери |
||||||||
стик Пбн=/(/кн) |
при t/KH=const |
(рис. 4 и 5), пользуясь которыми |
||||||
можно непосредственно |
определять |
по заданному |
значению |
|||||
тока /кн. |
|
|
|
|
|
|
|
|
§ 2. Зависимости коэффициента усиления В |
|
|
|
|||||
от режима работы и температуры |
|
|
|
|
||||
Исследования |
показывают, |
что |
зависимости |
B=f(T) |
и |
|||
D |
|
|
|
|
|
зависимости |
||
—— = f(T ) значительно отличаются от аналогичной |
||||||||
V = f(T). |
в функции |
температуры зависит |
от |
тока |
/кн |
|||
Изменение В |
||||||||
и напряжения Uкн (рис. |
6). Зависимость В от температуры умень |
|||||||
шается при увеличении тока /кнПри некоторых значениях /кн ме няется знак изменений В, причем величина тока, при котором про исходит изменение знака, зависит от напряжения Uim. Так, для транзисторов МП42 (МП16) при /кн<20 мА и Пкн—0,15 В коэф фициент усиления В уменьшается при понижении температуры и увеличивается при повышении ее.
При токах больших 20 мА наблюдается обратная зависимость, коэффициента усиления В от Т (рис. 7). Изменение относительного
м" |
' j |
|____ I |
ьI __ |
|
о |
15 |
50 |
75 ЮО |
1шм |
Рис. 6. Зависимость ~б----- = /(7кн) при
£*опт
различных Т для транзисторов МП42 (а), МП116 с малой величиной В (б) и МП116 с большой величиной В (б). Штриховые кривые — для UKn = 0,1 В
9