2.14. Типовые функциональные элементы полупроводниковых ио

Изучение принципов выполнения схем различных видов ИО (реле) следует начать с рассмотрения отдельных типовых схем функциональных элементов, с помощью которых реализуются описанные выше функции структурных частей ИО, поскольку из этих элементов компонуются схемы измерительных органов полупроводниковых РЗ. К таким элементам относятся промежуточные преобразователи тока и напряжения, частотные фильтры, выпрямители, сумматоры напряжений, схемы сравнения и ряд других элементов, построенных в большинстве случаев на ИМС [40, 45, 53].

Функциональные элементы воспринимающей части ИО. В качестве функциональных элементов этой части используются преобразователи тока, напряжения и выпрямители.

П реобразователи тока. Одной из функций воспринимающей части является преобразование входного тока в пропорциональное ему напряжение. Эта операция, наряду с другими, отмеченными выше функциями воспринимающей части, выполняется посредством промежуточных трансформаторов тока (ПТТ) или трансреакторов (ПТР), которые наиболее просто исключают непосредственную гальваническую связь ИО с внешними цепями переменного тока.

Промежуточные трансформаторы тока (рис.2.39, а). В первичные обмотки w₁ ПТТ подводится ток I_P от измерительного ТТ (I_A–I_B) защищаемого объекта; вторичная обмотка w₂ замыкается на активное сопротивление резистора R, с зажимов которого снимается выходное напряжение U₂ = I₂R. Выразив с помощью коэффициента трансформации k_ПТТ = w₂/w₁ ток I₂ через I₁ получим, что выходное напряжение ПТТ

(2.21)

Коэффициент k_ПР = k_ПТТ является коэффициентом преобразования тока I₁ в напряжение U_ПТТ - Как следует из (2.21), он равен

Выражение (2.21) показывает, что выходное напряжение пропорционально входному току I₁ = I_P при условии, что k_ПР – постоянная величина. Для выполнения этого условия ПТТ должен работать в линейной части характеристики I₂ = f(I_P) (рис.2.39, б). Изменяя значения w₁ w₂ или сопротивления R, можно изменять значение k_ПР.

В конструкции ПТТ предусматривается экран (показан пунктиром). Экран выполняется в виде дополнительной однослойной обмотки, расположенной между первичной и вторичной обмотками ПТТ. Экран защищает питающиеся от вторичной обмотки элементы от высокочастотных помех, появляющихся по разным причинам в цепях w₁ и w₂ ПТТ. Высокочастотные токи (помехи), проходя через емкость С между витками первичной w₁ и вторичной w₂ обмоток и экраном, замыкаются через последний на нулевую шинку, для этого один конец экрана Э должен быть обязательно связан с нулевой шинкой ("землей"). При таком включении емкость С со стороны экрана будет иметь нулевой потенциал, что надежно препятствует прохождению через нее токов помех, появившихся на первичной обмотке ПТТ.

Промежуточный трансреактор (ПТР) (рис.2.39, в) представляет собой трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе. Как и ПТТ, он выполняет все функции воспринимающей части ИО. Первичная обмотка w₁ трансреактора включается последовательно во вторичную цепь измерительного ТТ. Вторичная обмотка w₂ ПТР замыкается на большое сопротивление нагрузки Z_H и практически работает в разомкнутом режиме, поэтому можно считать, что магнитный поток Ф_ПТР создается только МДС первичной обмотки I₁w₁. Тогда поток Ф_ПТР = I₁w₁/R_M – I₁.

Магнитный поток Ф_ПТР индуцирует во вторичной обмотке ПТР ЭДС E₂, действующее значение которой определяется по известному выражению

(2.22)

Пренебрегая падением напряжения в X и R вторичной обмотки, получаем, что выходное напряжение трансреактора U₂ ≈ E₂ и совпадает с ним по фазе.

Из (2.22) следует, что Е₂, а значит, и U₂ пропорциональны первичному току I_P, который является контролируемым током защищаемого объекта, т.е. выходное напряжение ПТР U₂ = Е₂ = k_ПТРI_P здесь k_ПТР является коэффициентом преобразования входного тока I_P в выходное напряжение U₂. Векторная диаграмма рассматриваемых величин показана на рис.2.39, г. Согласно закону индукции, на диаграмме векторы Е₂ и U₂ изображены отстающими по фазе от потока Ф₁ , а следовательно, и от I₁ на 90°. В комплексной форме зависимость

(2.22а)

Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивление R_M магнитопровода трансреактора имеет повышенное значение. Это уменьшает магнитный поток Ф_ПТР и ограничивает насыщение магнитопровода.

При отсутствии насыщения коэффициент k_ПР в выражении (2.22) постоянен и, как следствие этого, зависимость U₂(E₂) от I_P имеет линейный характер (рис.2.39, б).

С учетом того, что ток I₁ сдвинут относительно U₂ на 90°, величина k_ПР может рассматриваться как некоторое реактивное сопротивление X в цепи первичного тока I_P или как сопротивление взаимоиндукции М между первичной и вторичной обмотками трансреактора.

Промежуточный трансформатор напряжения ПТН (рис.2.39, д) – обычно понижающий входное напряжение. К первичной обмотке ПТН подается напряжение U₁, снимаемое с ТН защищаемого объекта. Вторичная обмотка ПТН замкнута на нагрузку с сопротивлением R_H, значительно превышающим его внутреннее сопротивление: R_H >> R_ПTH.

Это позволяет с некоторым приближением считать, что ПТН работает в режиме холостого хода. В этом режиме коэффициент трансформации ПТН k_ПТН = U₂/U₁ = w₂/w₁, следовательно, напряжение

(2.23)

С учетом (2.23) коэффициент преобразования выбирается из условия получения напряжения U₂, допустимого для полупроводниковых элементов.

Для изменения уставки срабатывания предусматривается ступенчатое регулирование k_ПТН изменением числа витков w₂, возможно регулирование с помощью делителя напряжения по рис.2.39, д.

В конструкции ПТН предусматривается экран для тех же целей, что и в предыдущих схемах.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямленное). В ИО, построенных на сравнении выпрямленных токов и (или) напряжений, функция выпрямления осуществляется в воспринимающей части (после преобразования I_P и U_Р с помощью рассмотренных выше ПТТ, ПТР, ПТН). При этом в составе этой части появляются дополнительные функциональные элементы: выпрямитель и сглаживающее устройство.

В ыпрямители. Наиболее распространенной схемой выпрямителя, широко применяемой в релейной технике, является двухполупериодная мостовая схема, собранная на полупроводниковых диодах VD (рис.2.40, а). Двухполупериодные выпрямители применяются в воспринимающей и преобразующей частях ИО, использующих для формирования из входных синусоидальных токов и напряжений сравниваемых величин.

В положительный полупериод переменный ток i = I_msint, показанный стрелкой с одним штрихом, проходит через реле по двум открытым для положительного тока диодам 1 и 3, при этом диоды 2 и 4 закрыты. В отрицательный полупериод ток i (стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через диоды 2 и 4, которые в этом случае открываются, а диоды 1 и 3 закрываются.

Таким образом, после выпрямителя ток идет через реле все время в одном направлении как в положительный, так и в отрицательный полупериод переменного тока. Кривая выпрямленного тока имеет пульсирующий характер (рис.2.40, в), изменяясь от нуля до максимума, но в отличие от кривой переменного тока она сохраняет постоянный знак. Выпрямленный ток можно представить как сумму постоянной составляющей I_d, равной среднему за период значению выпрямленного тока, и переменной составляющей I_d~, или I₁₀₀, являющейся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис.2.40, г):

Постоянная составляющая выпрямленного тока

(2.24)

где I_m – амплитуда выпрямляемого тока i = I_msint; I_{CP i} – среднее значение выпрямленного тока.

Переменная составляющая

(2.24a)

Из (2.24) следует, что постоянная составляющая I_d пропорциональна максимальному значению выпрямленного тока I_m и может поэтому рассматриваться как модуль его вектора.

Разложение выпрямленного тока на составляющие осуществляется с помощью ряда Фурье, согласно которому выпрямленный ток состоит из постоянной слагающей и гармонических составляющих с нарастающей частотой и убывающими амплитудами.

При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока переменные составляющие ряда Фурье состоят только из четных гармоник:

Составляющими 4-й и более высоких гармоник пренебрегают и считают, что переменная слагающая выпрямленного тока состоит в основном из 2-й гармоники с амплитудой, равной

, частотой f₂ = 2f₁, = 100 Гц.

Если пульсация выпрямленного тока недопустима, то ее необходимо устранять (точнее, уменьшать), для чего применяется устройство, сглаживающее пульсацию.

У стройство для сглаживания пульсации тока ограничивает попадание переменных составляющих тока в реле. Подобные устройства показаны на рис.2.41.

В схеме на рис.2.41, а последовательно с обмоткой реле KL включен дроссель L, индуктивное сопротивление которого X_L = L = 2πfL = 2π • 50L значительно для переменной составляющей с f₂ = 100 Гц и равно нулю для постоянного тока.

В схеме на рис.2.41, б обмотка реле KL зашунтирована конденсатором С с сопротивлением Х_C = 1/С = 1/2πfС. Большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой Х_C мало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим сопротивлением, и поэтому она полностью замыкается через обмотку реле. Такое реле реагирует на среднее значение тока.

В схеме на рис.2.41, в для сглаживания применен контур LC, 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 составляющей. Схемы на рис.2.41, а и б дают наилучший результат для источников переменного тока с малым сопротивлением по отношению к нагрузкам (реле KL); схема на рис.2.41, в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением.

Наиболее распространенным является сглаживание с помощью контура RC по схеме на рис.2.41, г.

Изучение функциональных элементов формирующих и сравнивающих частей следует начать с рассмотрения типовых ИМС, на базе которых построены элементы указанных структурных частей.