книги из ГПНТБ / Фабрикант, В. Л. Элементы устройств релейной защиты и автоматики энергосистем и их проектирование учеб. пособие

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

§ 6.1. Применение полупроводниковых и магнитных усилителей

всхемах релейной защиты

иавтоматики энергосистем

Полупроводниковые и магнитные усилители все шире используются в схемах релейной защиты и автоматики энергосис­ тем. Для уменьшения габаритов и потребления измерительных схем — наиболее сложной и требующей наибольшей точности ча­ сти устройств — необходимо уменьшение мощности сигналов на выходе этих схем. При этом для надежной работы остальных эле­ ментов эти сигналы должны усиливаться. Под усилением пони­ мается возможность изменения большого управляемого сигнала под влиянием изменения малого управляющего сигнала. Основным показателем усиления является коэффициент усиления по мощно­ сти kP, равный отношению изменения мощности управляемого сиг­ нала к изменению мощности управляющего сигнала для рабочего участка характеристики. Иногда применяют также коэффициенты усиления по напряжению kv и по току ku имеющие аналогичный смысл.

Если начальные значения мощности (напряжения, тока) управ­ ляемой и управляющей величин близки к нулю, то коэффициент усиления становится равным отношению мощности (напряжения, тока) управляемой (выходной) величины к мощности (напряже­ нию, току) управляющей (входной) величины.

Усиление может производиться как непосредственно после из­ мерительной схемы, так и после схем сравнения или внутри логи­ ческой части схемы (см. рис. 1.1). Часто усиление производится в нескольких частях схемы.

В § 8.1 указывается возможность использования полупровод­ никового усилителя в качестве элемента нуль-индикатора. В § 3.22 указывалась возможность применения полупроводникового усили­ теля как элемента измерительных схем. В настоящее время в ус­ тройствах регулирования широко используются магнитные усили­ тели.

В данном курсе рассматриваются следующие виды усилите­ лей:

1)полупроводниковые усилители в режиме переключения;

2)полупроводниковые усилители в линейном режиме;

3)магнитные усилители;

4)тиристоры.

231

§ 6.2. Полупроводниковые усилители

врежиме переключения

Вустройствах релейной защиты и автоматики энергоси­ стем полупроводниковые усилители в режиме переключения ис­ пользуются в основном в качестве элементов нуль-индикаторов и усилительных логических элементов. При этом триод находится ли­

бо в режиме насыщения, либо в режиме отсечки.

Нуль-индикатор должен отличить положительный сигнал от отрицательного. При наличии положительного сигнала на входе нуль-индикатор должен усилить его и выдать более мощный сиг­ нал на выходе. При наличии отрицательного сигнала на входе сиг­ нал на выходе нуль-индикатора должен отсутствовать. К нуль-ин­ дикатору не предъявляются требования постоянства коэффициента усиления. Требуется лишь высокая чувствительность, т. е. способ­ ность создания выходного сигнала при слабом входном. Обычно входной сигнал нуль-индикатора может иметь любое значение — от нуля до некоторой максимальной величины (непрерывный сиг­ нал).

В отличие от нуль-индикатора для усилительного логического элемента входной сигнал может иметь два резко отличающихся значения (дискретный сигнал). При одном из этих значений (обычно большом) сигнал должен усиливаться и создаваться со­ ответствующий выходной сигнал. При другом значении (малом) сигнал не должен усиливаться. Усилительные логические элементы рассматриваются более подробно в девятой главе. В данной главе рассматривается использование усилителя в режиме переключения в качестве элемента нуль-индикатора.

Поскольку для нуль-индикатора существенно повышение чув­ ствительности, желательно иметь высокий коэффициент усиления. Поэтому целесообразно включение полупроводниковых триодов по схеме с общим эмиттером, обеспечивающей наибольшее усиление.

Наиболее широкое применение получил двухкаскадный усили­ тель с релейным выходом [Л. 29]. Применение двух каскадов обес­ печивает возможность осуществления положительной обратной связи. При необходимости число каскадов может быть увеличено.

Возможен также и непосредственный бесконтактный выход, когда выходной сигнал усилителя непосредственно воздействует на логическую часть устройства.

§6.3. Описание двухкаскадного полупроводникового усилителя с релейным выходом, работающего в режиме переключения

Схема усилителя [Л. 29] показана на рис. 6.1. В усили­ теле использованы два триода. При отсутствии положительного входного сигнала триод Т\ открыт, а триод Т2 закрыт. В цепь

232

коллектора триода Т2 включена обмотка реле. Открытое состояние триода Т1 при отсутствии входного сигнала обеспечивается током / 1, протекающим по цепи эмиттер—база триода. Соответственно весь ток 12 протекает через коллектор триода 7V Разность потен­ циалов точек 3 и 4 мала; точка 3 (как и точка 4) имеет положи­ тельный потенциал по отношению к точке 5, и триод Т2 надежно

малый ток 10.с, так как это сопротивление велико. Сумма этих токов, протекающих по ре­

ле, значительно меньше тока возврата реле и не может привести его в действие или удержать в положении срабатывания.

При появлении положительного напряжения между точками 1 и 2 потенциал точки 1 повышается. Однако до полного закрытия триода Тх потенциал точки 1 не может значительно измениться, так как равен потенциалу точки 4 за вычетом падения напряже­ ния в цепи эмиттер—база триода Тх. Повышение потенциала точ­ ки 1 может происходить только за счет уменьшения этого паде­ ния напряжения, которое даже при полностью открытом триоде имеет порядок 0,1 в. Таким образом, напряжение на сопротивле­ нии R1, имеющее порядок 10—20 в, практически не изменяется до полного закрытия триода Тх. Соответственно остается неизменным и ток /1 в этом сопротивлении.

При появлении положительного сигнала между точками 1 и 2 ток Л лишь перераспределяется. При отсутствии сигнала он весь проходит по цепи эмиттер—база триода Тх. Теперь же часть этого тока / с поступает от источника сигнала. Соответственно умень­ шается ток, протекающий по цепи эмиттер—база триода Тх.

При достаточном уменьшении тока через базу триода Тх на­ чинает уменьшаться и ток его коллектора. Ток /2 в сопротивлении R2 остается практически неизменным, так как потенциал точки 3, аналогично потенциалу точки 1, не может значительно изменить­ ся. В отличие от точки 1 потенциал точки 3 мало меняется и при

233

полном закрытии триода Ти как как связан с потенциалом точки 5.

триода Гг. Соответственно появляется ток в цепи эмиттер—коллек­ тор этого триода. При достаточном значении этого тока реле сра­ батывает.

Цепь ЯзД\ предназначена для компенсации изменения чувстви­ тельности схемы с изменением температуры. С повышением тем­ пературы уменьшается падение напряжения в цепи эмиттер—база триода Т1 и повышаются потенциал точки 1 и ток 1\ в сопротивле­ нии R\. Одновременно увеличивается коэффициент усиления по то­ ку h21э1 триода Т\. Оба эти изменения ведут к загрублению схемы, так как требуется больший ток сигнала для уменьшения до того же значения тока в цепи коллектора триода Т\.

Наличие диода Д\ в цепи Д\Яз повышает потенциал точки 2 с повышением температуры за счет уменьшения падения напряже­ ния в диоде Д\. Этим повышается чувствительность схемы, так как при том же напряжении между точками 1 и 2 увеличивается ток сигнала / с. Компенсация может регулироваться изменением по­ тенциала точки 6.

Цепь ЯшДш, шунтирующая реле, предотвращает пробой триода Т2 при его закрытии. Действительно, при отсутствии этой цепи и закрытии триода Т2 ток в реле не имеет выхода и должен резко уменьшаться. При этом из-за индуктивности реле L возникает на­ пряжение — L(dildt), которое может быть очень значительным и приведет к пробою триода. Наличие цепи ДшДш дает возможность току реле замкнуться по этой цепи. Если считать, что ток в реле в начальный момент закрытия триода Т2 не изменяется, дополни­ тельное напряжение ограничивается произведением этого тока на сопротивление Дш. С затуханием тока в цепи реле затухает и это напряжение. Сопротивление Яшдолжно быть выбрано таким, что­ бы напряжение на триоде не превзошло допустимого. Диод Дш предотвращает шунтирование реле сопротивлением Яшпри откры­ том триоде Т2.

Поддерживая ток в реле в течение некоторого времени после закрытия триода Т2, цепь ЯШДш замедляет возврат реле. Поэтому нежелательно выбирать сопротивление Дш слишком малым в тех случаях, когда важно уменьшить время возврата реле. В некото­ рых случаях вместо диода Дш устанавливается емкость.

Сопротивление R0.с осуществляет в схеме положительную об­ ратную связь, обеспечивая релейный эффект, т. е. скачкообразное возрастание тока в реле при превышении сигналом определенного уровня. Такой эффект обеспечивается тем, что при открытии трио­ да Т2 ток / 0. с, ответвлявшийся через сопротивление R0.с в реле, уменьшается и тем самым еще больше снижает ток через базу триода 7V

234

Так, установившийся ток Л<2 коллектора триода Гг зависит от тока / 6i базы триода Т\ (прямая связь) по закону

/ с —ток сигнала; Ьх— напряжение точки 1 относительно шинки «ми­ нус»; Rk2, Ro.c— сопротивление в цепи коллектора триода Т2 и соп­

ротивление обратной связи; йгы и йгиг — коэффициенты усиления по току триодов 7 \ и Г2 с учетом сопротивления в цепи коллектора.

Выражение (6.1) справедливо при триодах Ti и Т2, находящих­ ся в линейном режиме. В режиме отсечки или насыщения это урав­ нение становится недействительным.

При достаточно быстром изменении тока в реле сказывается ин­ дуктивность реле, не учтенная в этом уравнении.

Выражения (6.1) и (6.2) могут быть представлены прямыми в координатах /оь Л;2 (рис. 6.2). Точка пересечения этих прямых яв­ ляется возможной точкой равновесия, соответствующей случаю, когда уравнения (6.1) и (6.2) удовлетворяются. Однако это рав­ новесие может быть устойчивым или неустойчивым.

На рис. 6.2, а показан случай устойчивого равновесия. Пусть ток /6i получит некоторое значение, отличное от состояния равно­ весия. Это значение показано на оси абсцисс точкой 1. Тогда соот­ ветствующее значение /„г может быть определено по (6.1) и пря­ мой /1 (точка 2). Соответственно Ли приобретает новое значение по выражению (6.2) и прямой /г (точка 5). Процесс идет далее в том же направлении: Ли и / кг приобретают значения, соответст­ вующие точкам 4, 5, 6 и т. д., неограниченно приближаясь к точке равновесия (пересечение прямых).

235

На рис. 6.2, б показан другой случай. Производя аналогичные построения, находим, что /51 и / кг приобретают значения, соответ­ ствующие точкам 2, 3, 4 и т. д., удаляясь от точки пересечения прямых. Удаление происходит до тех пор, пока не изменяется за­ кономерность, определяемая нанесенными на рисунке прямыми, т. е. прекращается действие уравнения (6.1). Это происходит, ког­ да один из триодов попадает в режим отсечки или насыщения.

В первом случае, представленном на рис. 6.2, а, каждому зна­ чению тока сигнала / с соответствуют значения токов /б1 и /к2, оп­ ределяемые пересечением прямых f\ и f2. При плавном увеличении тока / с прямая f2, согласно (6.2), плавно перемещается влево. При этом плавно перемещается и точка пересечения прямых, ток /51 плавно уменьшается, ток /к2 плавно возрастает.

Во втором случае, представленном на рис. 6.2, б, точка Ли, / к2 занимает крайнее положение, наиболее удаленное от точки пере­ сечения. Поскольку до появления сигнала (/^ « О ) это значение сохраняется до тех пор, пока точка пересечения находится выше оси абсцисс (второй триод находится в режиме отсечки), уравне­ ние (6.1), изображаемое прямой f\, недействительно. Точка /бь / к2 находится на пересечении прямой f2 с осью абсцисс (/кг= 0).

Однако с возрастанием тока сигнала / с прямая f2 перемещает­ ся влево и точка пересечения прямых f\ и f2 передвигается вниз. Когда эта точка окажется ниже оси абсцисс (рис. 6.2, в), значе­ ния токов /б1 и /к2 начнут изменяться так, что точка /бь /К2 станет удаляться от точки пересечения прямых. Ток /б1 уменьшается, а ток /ц2 возрастает до тех пор, пока триод Т2 перейдет в режим на­ сыщения или триод Т\ — в режим отсечки. После этого уравнение

происходит опрокидывание, ток 1к2 резко возрастает и реле сраба­

тывает.

Релейный режим обычно предпочтительнее, так как предотвра­ щает вибрацию реле на грани срабатывания (см. также § 7.16). Критерием получения релейного режима, как видно из сравнения рис. 6.2, а и 6.2, 6, является соотношение наклонов прямых /1 и f2.

236

или

Выполнение (6.5) необходимо для опрокидывания, если не учи­ тывать индуктивность реле. При учете этой индуктивности опро­ кидывание возможно и при больших значениях R0.с [Л. 12].

§ 6.4. Расчет двухкаскадного усилителя

срелейным выходом

Воснову расчета должны быть положены следующие исходные данные:

1)мощность срабатывания реле на выходе Рс.р, коэффици­ ент возврата реле kB и необходимая кратность по току kpi или по

мощности kpP в режиме насыщения;

2)типы применяемых триодов и диодов и все необходимые данные о них;

3)диапазон температур, при которых должен работать усили­

для срабатывания.

Необходимо отметить, что для выбора цепочки температурной компенсации (MiR& на рис. 6.1) требуется также знание вольт-ам- перной характеристики источника сигнала и зависимость этой ха­ рактеристики от температуры. В излагаемой ниже методике рас­ чет этой цепочки для упрощения опущен. При этом нельзя также определить и напряжение Uc, необходимое для срабатывания, и его зависимость от температуры. Напряжение Uc принимается, в дальнейшем, приближенно. Не рассматривается также расчет де­ лителя. Предполагается, что напряжения, снимаемые с делителя, стабилизированы и не зависят от режимов усилителя и от темпе­

Расчет ведется, начиная с напряжения и токов на выходе с посте*

237

выбирать достаточно большим (&ни=1,5-7-2), что повышает на­ дежность триодов.

Напряжение на реле в режиме насыщения

Для этого расчетанапряжение U3.K02 можно принять ориентиро­ вочно, так какреле выбирается с запасом.

2. Выбирается сопротивление реле и определяются его токи срабатывания и возврата:

Р р ~ k p p P с.р — Up/Rp,

откуда

В действительности ток коллектора в режиме насыщения /к2 не­ значительно больше тока в реле за счет обратного тока диода Д т (см. рис. 6.1). Однако, так как ток базы, обеспечивающий насы­ щение, принимается с достаточным запасом, этой разницей можно пренебречь.

4. Определяется сопротивление /?ш из условия, чтобы при за­ крытии триода Т2 напряжение на нем не превзошло допустимого. При этом считается, что ток / р при закрытии триода замыкается

Падение напряжения 1/д> ш на диоде Д т определяется по характе­ ристике диода при известном токе /р, протекающем по диоду.

Следует иметь в виду, что для ускорения возврата реле жела­ тельно увеличение сопротивления Rm- Значение напряжения С/доп может быть принято без запаса, так как повышение напряжения кратковременно.

5. Определяется минимальный коэффициент усиления по ток /121Эмин2 триода Т2. Коэффициент определяется с учетом гарантий,

влияния нагрузки и зависимости от температуры и значений кол­ лекторного тока:

238

(6.13)

где khi — коэффициент изменения Ицэ из-за изменения коллектор­ ного тока Iк с /к.rap до расчетного значения. При определении рас­

с 0гар до расчетного значения. В качестве расчетной следует прини­ мать минимальную температуру 0МИН, так как при этом коэффициент khd — минимален;

Лгь.мин.гар — минимальное гарантируемое значение /г21э при / к =

= 7к.гар И 0 = 0гар>

Лггэ.макс.гар — максимальное гарантируемое значение выходной проводимости И.22Э при 0= 0Гар. Поправка на снижение температуры не учитывается, так как при снижении температуры проводи­ мость Лггэ уменьшается, а это увеличивает h2\a. Максимальное же значение температурной поправки не гарантируется.

6. Определяется ток базы /бг триода Т2 в режиме насыщения

(6.14)

где kH — коэффициент насыщения, обеспечивающий необходимые запасы.

7. Определяются падения напряжения U3.K2 и t/a. 62 триода Т2 в режиме насыщения по характеристикам триода. Увеличение этих напряжений из-за понижения температуры не учитывается, так как и реле и значение тока /62 выбраны с достаточными запасами. Кроме того, понижение температуры вызовет уменьшение началь­ ного тока триода 7\. Определяется потенциал точки 3 (см. рис. 6.1)

в режиме насыщения триода Т2:

8. Определяются максимальные значения начальных обратных токов /б.ко1 и /б.ког триодов Тх и Т2 в режиме отсечки. Токи по принятой в настоящее время методике определяются, как состоя­ щие из двух слагаемых: тока проводимости 1б. коп и температурно­ го тока /б.косе)

г д е

(6.17)

(6.18)

239