8.Индукционные реле.

Индукционные реле

Серии РТ-80 (81,85), РТ-90.

Индукционные реле основаны на взаимодействии между индуцированным в каком-то проводнике током и переменным магнитным потоком. Поэтому они применяются только на переменном токе как реле защиты энергосистем. Как правило, это вторичное реле косвенного действия.

Существующие типы индукционных реле можно разделить на три группы: реле с рамкой, реле с диском, реле со стаканом.

В индукционных реле с рамкой (рис. 1, а) один из потоков (Ф2) индуцирует ток в короткозамкнутой обмотке, помещенной в виде рамки в поле второго потока (Ф1), сдвинутого по фазе. Реле имеют высокую чувствительность и наибольшее быстродействие по сравнению с другими индукционными реле. Недостатком их является малый вращающий момент.

Индукционные реле с диском широко распространены. Схема простейшего реле такого типа (с короткозамкнутым витком К и диском) приведена на рис. 1, б. Реле имеют сравнительно простую конструкцию и достаточно большой вращающий подвижной части.

Индукционные реле со стаканом (рис. 1, в) имеют подвижную часть в виде стакана, вращающегося в магнитном поле двух потоков четырехполюсной магнитной системы. Потоки Ф1 и Ф2 расположены в пространстве под углом 90°, а по времени сдвинуты на угол γ.

Внутри стакана 5 проходит стальной цилиндр 1 для уменьшения магнитного сопротивления. Реле со стаканом сложнее реле с диском, но позволяет получить время срабатывания до 0,02 с. Это существенное достоинство обеспечило им широкое применение.

Рис. 1а)

Вращающий момент возникает при взаимодействии переменных магнитных полей неподвижных обмоток с токами, индуцированными этими полями во вращающемся диске.

1- Катушка.

2-Магнитопровод

3- Короткозамкнутый виток.

4- Вращающийся диск.

Чтобы диск вращался нужно создать два магнитных потока, сдвинутых в пространстве и по фазе друг относительно друга. Требуемые магнитные потоки получают с помощью короткозамкнутого витка 3, надеваемого на часть магнитопровода. Возникающий при этом вращающий момент равен

Мвр = К*Ф1*Ф2*SinY

Y - угол сдфига фаз между магнитными потоками потоками Ф1 и Ф2. От воздействия этих потоков в диске индукцируется ЭДС, которая вызывает токи в алюминиевом диске.

Y - угол сдфига фаз между магнитными потоками потоками Ф1 и Ф2.

Вращающий момент равен

Мвр = КI2;

Чеи больше величина тока, протекающего по обмотке реле, тем больше вращающий момент и соответственно скорость вращения диска.

Реле состоит из двух элементов.

1. Индукционный элемент.

2. Электромагнитный элемент.

Индукционный элемент имеет следующие составляющие части:

1. Электромагнит с двумя короткозамкнутыми витками на полюсах. Концы обмотки электромагнита выводятся на панель. Можем менять количество витков катушки.

2. Подвижная рамка.

3. Подвижный алюминиевый диск, закрепленный на рамке.

4.Червяк, насаженный на ось диска.

5. Зубчатый сектор, который входит в зацепление с червяком при повороте рамки.

6. Постоянный магнит, который тормозит диск. Сила торможения зависит от скорости вращения диска.

7. Устройство для регулирования времени срабатывания.

Диск начинает вращаться при токе, проходящем через обмотки реле, равным 0,1 – 0,2 А. Но это не приводит к срабатыванию реле и замыканию контактной системы. Пружина заставляет занимать определенное положение рамку с диском. По мере увеличения проходящего по катушке тока, вращающий момент увеличивается, рамка поворачивается и приводит к зацеплению зубчатого сегмента и червяка.

Ток срабатывания – это ток, при котором происходит сцепление червяка с сегментом.

Это реле обладает выдержкой времени, то есть срабатывает не мгновенно, а через некоторое время ∆t.

∆t – это время между зацеплением зубчатого сегмента и червяка и замыканием контактной системы.

∆t = tсц – tзк;

Характеристика времени срабатывания реле.

Из рисунка видно, что чем больше ток, тем меньше время срабатывания.

При токе реле, равным семи значениям тока срабатывания происходит насыщение магнитопровода, и дальнейшее увеличение скорости диска и времени срабатывания не происходит. Время срабатывания остается постоянным.

Коэффициент возврата данного реле составляет 0,8. Мощность срабатывания реле 10 ВА.

Вторая часть реле – электромагнитная. Происходит срабатывание сразу, без выдержки времени. При токе 2-8 тока срабатывания. Ток срабатывания электромагнитного элемента устанавливается винтом путем изменения воздушного зазора между электромагнитом и концом якоря. На головке винта имеются метки с цифрами 2-8. Они соответствуют кратностям тока срабатывания отсечки – отношению тока срабатывания отсечки к току срабатывания индукционного элемента.

Рисунок 3 – Схема устройства реле РТ-80 и характеристика срабатывания реле

При токах от 2 до 3-5 номинальных - реле работает с выдержкой времени, с зависимым от тока временем срабатывания, при токах более 5- -7 номинальных у реле срабатывает электромагнитный элемент, без выдержки времени, т.е. мгновенно.

Реле максимального тока РТ81, РТ82, РТ83, РТ84, РТ85, РТ86 применяются для защиты электрических машин, трансформаторов и линий передачи при коротких замыканиях и перегрузках.

Реле типов РТ83, РТ84, РТ86 применяются в тех случаях, когда требуется сигнализация о перегрузках.

Реле типов РТ81, РТ82 имеют один главный замыкающий контакт, действующий мгновенно при токах короткого замыкания и с выдержкой времени при перегрузках в защищаемых электроустановках. Перестановкой деталей замыкающий контакт превращается в размыкающий контакт.

Реле типов РТ83, РТ84 имеют один главный замыкающий контакт, действующий мгновенно при токах короткого замыкания и один замыкающий сигнальный контакт, работающий с выдержкой времени при перегрузках.

Реле типов РТ85, РТ86, предназначенные для работы на оперативном переменном токе, имеют усиленные замыкающий и размыкающий контакты с общей точкой, причем реле типа РТ86, кроме главных контактов, имеют замыкающий сигнальный контакт, аналогично реле типа РТ84. Усиленные замыкающий и размыкающий контакты в реле типа РТ85 могут действовать как мгновенно, так и с выдержкой времени. В реле типа РТ86 эти контакты могут действовать только мгновенно.

Индукционные реле максимального тока РТ90

Реле максимального тока РТ91, РТ95 применяются для защиты электрических установок при перегрузках и коротких замыканиях.

Реле выполнены на основе реле серии РТ80 и отличаются от них характеристикой зависимости выдержки времени от тока.

Реле РТ91 имеют один главный замыкающий контакт, действующий мгновенно при токах короткого замыкания и с выдержкой времени при перегрузках в защищаемых электроустановках.

Реле РТ95 имеет усиленные замыкающий и размыкающий контакты с общей точкой и предназначено для работы на оперативном переменном токе. Усиленные замыкающий и размыкающий контакты в реле типа РТ95 могут действовать как мгновенно, так и с выдержкой времени.

10.Полупроводниковые элементы измерительных органов.

1.4.1. Схемы простейших электронных реле

Рассмотрим сему реле на транзисторах (рис.11).

В исходном положении при отсутствии сигнала на базу транзистора поступает отрицательный сигнал от источника смещения. При подаче на вход сигнала +Е транзистор отпирается, в нем появляется коллекторный ток, который из-за инерционности транзистора нарастает постепенно. Когда ток увеличивается до значения Iсраб контакты электромагнитного реле Р замыкаются.

При отсутствии сигнала +Е транзистор запирается обратным сигналом –Есм, коллекторный ток постепенно уменьшается, контакты размыкаются.

Поскольку такое реле обладает определенной инерционностью, оно не может использоваться для быстродействующей защиты. Быстродействующее реле выполняется на основе операционных усилителей.

Реле на операционном усилителе без обратной связи представлено на рисунке 12. Реле называется детектором нуля

Рис. 11. Схема реле на транзисторах

Рис.12. Схема реле на операционном усилителе

без обратной связи

При подаче небольшого сигнала на вход операционного усилителя ОУ происходит скачкообразное изменение выходного сигнала, усиленное до определенного значения напряжения насыщения. В зависимости от знака входного сигнала происходит преобразование выходного сигнала, при минусе на входе, на выходе появляется плюс и наоборот.

В отличие от детектора нуля триггер Шмидта (рис. 13) имеет обратную связь, поэтому при подаче на вход сигнала больше напряжения срабатывания, сигнал на выходе с плюса перебрасывается на минус, при подаче сигнала меньше значения срабатывания сигнал на выходе ОУ перебрасывается с минуса на плюс.

Рис.13. Схема триггера Шмидта

Электронные реле времени.

Наибольшее распространение получили реле времени конденсаторного типа (рис. 14). Выдержка времени в схеме такого реле обеспечивается интегрирующими цепочками с большой постоянной времени.

Рис. 14. Простейшая схема реле конденсаторного типа

На схеме простейшего реле конденсатор включен параллельно обмотке электромеханического реле. В результате возникает колебательный контур, что отрицательно сказывается на работе реле. Поэтому необходимо выполнить развязку RC-цепей и обмотки реле (рис.15). Время выдержки реле определяется процессом заряда и разряда конденсатора.

Рис. 15. Схема реле конденсаторного типа

Рассмотрим работу реле времени конденсаторного типа на транзисторе (рис. 15). В исходном состоянии на входе схемы положительный потенциал, поэтому диод VD1 открыт, транзистор VT в запертом состоянии, коллекторный ток через обмотку реле К не протекает. Конденсатор заряжается. При подаче отрицательного сигнала на вход диод запирается, и источник отключается от схемы. В это время конденсатор разряжается и в момент достижения на нем нулевого напряжения открывается эмиттерный переход транзистора, вызывая появление коллекторного тока в катушке реле. Контакты реле срабатывают. Для возвращения схемы в исходное состояние необходимо скачком изменить полярность входного напряжения. При этом ток базы также скачком уменьшится до нуля и транзистор быстро закроется. Контакты реле разомкнутся.

Для увеличения времени срабатывания реле времени конденсаторного типа можно увеличить параметры сопротивления и емкости, однако при этом увеличивается время возврата реле в исходное положение, что уменьшает быстродействие реле. Поэтому, как правило, регулируют параметры сопротивления R, при этом ток через коллектор будет уменьшаться.

Фотоэлектронные реле.

Если на входе схемы имеется элемент, изменяющий свою электропроводность под действием света, то такая схема называется фотоэлектронным реле. Элемент, осуществляющий преобразование оптического сигнала в электрический называется фотоприемником.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые фотоприемники. Важнейшими параметрами фотоприемников являются:

1. Темновое сопротивление – это сопротивление фотоприемника при отсутствии светового воздействия (в пределах от 40 кОм до 10 Мом).

2. Удельная интегральная чувствительность. Этот параметр показывает изменение сопротивления фотоприемника под воздействием светового потока (в пределах 500 – 2000 мкА/лм∙В).

Быстродействующее реле выполняется на основе фотодиодов и фототранзисторов. Фотодиоды могут работать как в вентильном режиме, так и в фотодиодном режиме (рис. 16).

Рис. 16. Схемы подключения фотодиодов:

а – вентильный режим; б – фотодиодный режим

В вентильном режиме достаточно осветить фотодиод, чтобы в его цепи появилась ЭДС. Поэтому фотодиод в вентильном режиме можно рассматривать как маломощный источник питания. Однако чаще используется фотодиодный режим, когда к фотодиоду прикладывается обратный потенциал. В результате при отсутствии освещения в цепи протекает ток, но почти все напряжение приложено к фотодиоду. При освещении светодиода ток в цепи возрастает до максимального значения, а все напряжение прикладывается к нагрузке RН. На фотодиоде напряжение близко к нулю. Интегральная чувствительность фотодиода определяется как отношение фототока к изменению светового потока:

Кф= dI_Ф/dФ

Интегральную чувствительность фотоприемника можно повысить с помощью фототранзистора, представляющего собой биполярный транзистор, база которого вместо электрического сигнала управляется световым потоком.

Реле реагирует на уровень светового потока, превышающий заданное значение. В исходном состоянии при недостаточном световом потоке ток протеканий через реле не превышает значения темнового тока. Транзистор закрыт. В момент достижения достаточного уровня освещенности фототок возрастает и достигает установленного значения – транзистор открывается, появляется коллекторный ток в катушке реле и его контакты срабатывают.

Рис. 17. Схема фотореле на транзисторе

Электронные реле на тиристорах. В схемах на тиристорах не имеется выходных контактов, так как коммутация осуществляется тиристорами. В схемах применяется два вида тиристоров: динисторы (два электрода подключены к источнику) и тринисторы (два электрода подключены к источнику, а третий электрод управляющий).

Чаще схемы бесконтактных реле строятся как триггерные схемы на двух динисторах (рис. 18).

Рис. 18. Схема электронного реле на динисторах

После подключения питания к схеме динисторы VD1 и VD2 заперты. С подачей отрицательного импульса на первый вход Uвх1 динистор VD1 отпирается и конденсатор С начинает заряжаться через резистор R2 и динистор VD1. По окончании зарядки конденсатора схема приходит в рабочее состояние, при котором динистор VD1 открыт, а динистор VD2 закрыт.

Далее на второй вход Uвх2 также подается отрицательный импульс и динистор VD2 отпирается. Конденсатор С разряжается на динистор VD1 и запирает его. Происходит перезарядка конденсатора С и наступает новое рабочее состояние, когда VD1 закрыт, VD2 открыт, а конденсатор заряжен.

Статическое реле сдвига фаз РСФ – 11. Реле применяется в устройствах автоматического повторного включения, предназначено для контроля наличия напряжения и сдвига фаз на шинах подстанции и линии электропередач (рис. 19).

Рис. 19. Схема статического реле сдвига фаз РСФ – 11

Шины должны быть с двухсторонним питанием. Напряжение подается на входной трансформатор напряжения с выводами 1,2,3,4. Обмотки включены встречно, поэтому при появлении разности фаз или напряжения на шинах и в линии на вторичной обмотке появляется сигнал. Выпрямитель В1 питает усилительный каскад, выпрямитель В2 является датчиком входного сигнала. При небольшой разнице напряжений и фаз на выходе выпрямителя В2 появляется незначительный сигнал, минимум которого приходит на инвертирующий вход операционного усилителя, поскольку он меньше напряжения на «+»,на выходе появляется отрицательный потенциал, который приходит на базу транзистора VT, запирая его. Выходное реле теряет возбуждение, контакты не срабатывают. При значительной разности фаз и напряжения на вход операционного усилителя приходит напряжение большее чем напряжение на «+» операционного усилителя, на выходе сигнал перебрасывается с минуса на плюс, который приходит на базу транзистора

32

VT. Транзистор отпирается и в катушке реле появляется ток. Реле срабатывает.

Релейный элемент путевого выключателя. В схеме реле два фотодиода, которые поочередно засвечиваются по мере перемещения какого-либо объекта управления (рис. 20).

Рис. 20. Схема релейного элемента путевого выключателя

Величина и полярность выходного сигнала операционного усилителя зависит от величины напряжения на его входе U1 и U2. Значения этих напряжений зависят от засветки фотодиодов В2 и В3 светодиодом В1.

В исходном положении затемнен В2 и поэтому закрыт, В3 засвечен и открыт. Напряжение на входе усилителя U1 < U2. На выходе операционного усилителя сигнал «+», который приходит на базу транзистора VT1 и он открывается его небольшое напряжение приходит на базу транзистора VT2, на выходе которого появляется также небольшой сигнал.

При движении экрана путевого выключателя В2 открывается, В3 закрывается и на входе операционного усилителя напряжение U1 > U2, сигнал

33

на выходе усилителя перебрасывается на отрицательный максимум, VT1 запирается, VT2 открывается, на выходе появляется сигнал большого уровня, что и приводит к срабатыванию путевого выключателя.

Промежуточное реле УВБ-11-19-3721. Выходное устройство УВБ-11 служит для усиления выходных командных сигналов логических устройств и для коммутации цепей нагрузки постоянного (до 4А) и переменного (до 6А) тока. В качестве коммутирующего устройства служит симистор VS, зашунтированный варистором R для защиты от перенапряжения (рис. 21).

Рис.21. Промежуточное реле УВБ-11-19-3721: а – условное обозначение; б – функциональная схема

Симистор включается при подаче сигнала на управляющий электрод через контакт герконового реле К. Назначение этого реле – гальваническая разрядка между входной цепью и нагрузкой. При разомкнутом герметичном контакте симистор запирается при первом прохождении тока через нуль. Сигнал снимается с интегральной микросхемы К511, которая является источником логических сигналов, а также позволяет согласовать схему с другими элементами.

Полупроводниковые элементы измерительных органов.

1. Двухкаскадные усилители.

2. Операционные усилители постоянного тока.

Операционный усилитель (ОУ) может работать в различных режимах, которые отличаются схемой включения ОУ.

2.1. Инвертирующий усилитель.

Не инвертирующий вход (Н-вход) соединяют с общей нулевой шиной, а на инвертирующий вход (И-вход) включить резистор R1 и соединить выход ОУ с И-входом отрицательной обратной связью.

Если на И-вход подать отрицательное напряжение, то напряжение на выходе будет положительным, и наоборот.

2.2. Неинвертирующий усилитель.

И-вход соединяется с общей нулевой шиной. Входной напряжение Uвх подается на Н-вход.

Напряжение на выходе uвых имеет одинаковый знак с напряжением u вх.

2.3. Дифференциальный усилитель.

При равенстве коэффициентов усиления по И-входу и Н-входу напряжение на выходе Uвых пропорционально разности входных напряжений

U вых = (Uвх2 – U вх1)*К,

а его знак определяется значениями и знаками этих напряжений.

2.4. Компаратор.

Компаратор сравнивает входные напряжения. При положительных напряжениях Uвх1 и Uвх2 на выходе компаратора положительное напряжение при Uвх2 > Uвх1 и отрицательное при Uвх2 < Uвх1.

Он переключается всякий раз при изменении знака разности сравниваемых напряжений.

2.5. Нуль-орган. Компаратор без положительной обратной связи, один из входов которого Uвх2 соединен с нулевой шиной. При этом напряжение Uвх1 сравнивается с нулевым Uвх2=0.

1.6. Схемы сравнения абсолютных значений двух величин.

Схема состоит из двух выпрямителей, выпрямляющих сравниваемые величины А и В и исполнительной части. В качестве исполнительной части используется нуль-орган. На его вход подается разность сравниваемых сигналов А и В. При |А|>|B| ток в исполнительном органе имеет одно направление, а при |А|<|B| - другое. При изменении направления тока нуль-орган срабатывает.

2.7. Схемы сравнения двух электрических величин по фазе. Две величины сравнивают по фазе путем определения доли полупериода, в течении которой их мгновенные значения совпадают по знаку. Например, если величины совпадают по фазе, то их знаки одинаковы в течение всего полупериода.

11. Полупроводниковые измерительные реле. Реле тока РСТ-14.

Полупроводниковые измерительные реле.

Реле тока серии РСТ-14.

Схема реле

Основными элементами схемы являются А1 и А2, конденсатор C и стабилитрон VD2. ОУ А1 включен по схеме компаратора. В зависимости от сравнения входных напряжений Ua1 вх1 и Ua1 вх2 на выходе появляются положительные или отрицательные импульсы напряжения Ua1 вых. Это напряжение заряжает конденсатор. Если Ua1 вых>0, то ток заряда проходит по резистору R5 и напряжение на конденсаторе возрастает до максимального положительного значения +Uс max. При Ua1 вых<0 через диод VD1 конденсатор заряжается до максимального отрицательного значения –Uс min.

Значения напряжения на конденсаторе ограничиваются стабилитроном VD2.

В нормальном режиме Ua1 вх1 < Ua1 вх2. Напряжение на выходе первого ОУ А1 имеет наибольшее положительное значение и конденсатор заряжается до максимального положительного значения +Uс max. Оно подается на инвертирующий вход ОУ А2. Uа2 вх1 = +Uс max.

Ua2 вх1 > Ua2 вх2, поэтому на выходе ОУ А2 максимальное отрицательное напряжение - Ua2 вых. При этом благодаря обратной связи Ua2 вх2 также меньше нуля. Это исходное состояние реле.

При КЗ Ua1 вх1 > Ua1 вх2. На выходе ОУ А1 появится максимальное отрицательное напряжение. Конденсатор С начнет перезаряжаться. Когда Uc= Ua2 вх1 станет меньше Ua2 вх2 усилитель А2 переключится и на его выходе появится максимальное положительное напряжение + Ua2 вых. Благодаря обратной связи ОУ А2 напряжение Ua2 вх2 также станет положительным.

Временные диаграммы работы реле.

Если напряжение Ua1 вых будет менять знак (например, из-за пульсаций напряжения Ua1 вх1), то конденсатор будет перезаряжаться. Но при этом будет соблюдаться соотношение

Ua2 вх1 < Ua2 вх2,

поэтому ОУ А2 положения не изменит. В положении после срабатывания он будет находиться, пока Ua1 вх1 будет больше Ua1 вх2

Эта схема используется также для выполнения реле напряжений РСН – 14 и РСН – 17.