5.4 Электронные и комбинированные реле автоматики и защиты

В электронных реле автоматики и защиты ком­мутация основной электрической цепи осуществля­ется полупроводниковым элементом; в комбиниро­ванных реле информационно-логические и управ­ляющие функциональные узлы выполнены на элек­тронных элементах, а исполнительные — на основе электромеханических реле. К комбинированным ре­ле можно также отнести электромеханические ре­ле, которые схемотехнически и конструктивно до­полнены электронными компонентами (транзисто­рами, диодами и др.) в целях расширения функци­ональных возможностей реле и улучшения их тех­нико-экономических характеристик. В состав неко­торых типов электронных реле защиты входят дат­чики контролируемых параметров (трансформатор­ные, делители напряжения, датчики частоты и др.).

Элементной базой электронных реле являются как дискретные полупроводниковые элементы (транзисторы, тиристоры, диоды и др.), так и ин­тегральные микросхемы различной степени интег­рации, включая средства микропроцессорной техни­ки. Технология изготовления современных реле со­ответствует технологии микроэлектронной техники.

Простейшими вариантами транзисторных реле являются схемы усилителей постоянного тока с глу­бокими положительными обратными связями, обес­печивающими релейный режим работы основного транзистора, например схема двухкаскадного уси­лителя с положительной связью по напряжению в виде резистора R_oc (рис. 5.4).

Рис. 5.4

В электронных реле используются в основном два способа обеспечения гальванической развязки: оптоэлектронный (рис. 5.5) и трансформаторный (рис. 5.6).

На рис. 5.5 представлено реле с оптоэлектронной развязкой, выполненное на основе фототранзи­стора VT_p. При отсутствии сигнала управления на входе фототранзистора VT_p все транзисто­ры выключены, что соответствует разомкнутому со­стоянию цепи нагрузки. Включение реле осущест­вляется подачей маломощного сигнала управления . Функции оптоэлектронной развязки могут вы­полнять различные типы оптоэлектронных пар (фо­тодиодная, фоторезисторная и др.).

Основой реле с трансформаторной развязкой яв­ляются маломощные высокочастотные генераторы ВЧГ обычно с прямоугольной формой выходного напряжения. Это напряжение выпрямляется и ис­пользуется для управления транзисторным ключом.

Рис. 5.5 Рис. 5.6

В целях улучшения технико-экономических по­казателей промежуточный выпрямитель может быть исключен за счет введения в схему дополнительных транзисторов в оконечном каскаде, как это показано на схеме рис. 5.6.

В реле с расширенными функциями, например, имеющими несколько каналов управления или окон­ченных каскадом, могут использоваться оба способа гальванической развязки. Так, например, в бескон­тактном реле постоянного тока с защитой от корот­кого замыкания в цепи нагрузки, схема которого приведена на рис. 5.7, основной канал управления имеет трансформаторную развязку, а канал защи­ты — оптоэлектронную. Принцип действия реле следующий. При подаче напряжения на входные зажимы управления преобразователь 1 формирует переменное напряжение, которое поступает на трансформатор 2, затем выпрямляется в выпрями­теле 3 и подается на базу коммутирующего состав­ного транзистора 4. При возникновении КЗ детек­тор 5 формирует сигнал, который через оптоэлект­ронную пару 6 и устройство задержки 7 поступает на вход триггера защиты 8. Срабатывание триггера приводит к выключению преобразователя 7 и от­ключению реле. После срабатывания защиты для повторного включения реле необходимо обесточить цепь управления.

Рис. 5.7

Для электронных бесконтактных реле перемен­ного тока выходной транзистор VT обычно включа­ется в схему, как показано на рис. 5.8.

Рис. 5.8

Функциональные возможности реле в основном определяются схемотехникой системы управления СУ. Включением в СУ времязадающих электрон­ных устройств регулируются электронные реле вре­мени. Применение для этих целей интегральных микросхем позволяет обеспечить точность и стабиль­ность значений времени выдержки срабатывания реле в широких диапазонах от долей секунд до де­сятков часов и более. Вариант структурной схемы СУ электронного реле времени представлен на рис. 5.9. Выдержки времени в этом реле формируются посредством подсчета

Рис. 5.9

числа импульсов генератора тактовых импульсов ГТИ счетчиком Сч. Сигнал с дешифратора ДШ поступает на формирователь им­пульса управления ФИ, который включает выход­ной транзистор (или каскад составных транзисто­ров).

Выходным ключевым элементом большинства типов бесконтактных реле являются транзисторы (биполярные, полевые и др.). Однако в отдельных случаях схемотехника реле, включая его СУ, суще­ственно упрощается, если используются другие ти­пы полупроводниковых элементов, например мало­мощные тиристоры. Так, поляризованное одновходовое реле может быть выполнено на основе двух маломощных тиристоров VS1 и VS2 (рис. 5.10). При воздействии импульса управления U_упр в за­висимости от его полярности формируется отпира­ющий импульс на управляющем электроде соответ­ствующего тиристора. Последний включается, если находился в выключенном состоянии, или сохраняет включенное состояние. Другой тиристор сохра­няет выключенное состояние либо выключается.

Рис. 5.10

Выключение этого тиристора происходит под воздействием разрядного тока коммутирующего конденсатора СУ. Так, если тиристор VS1 был вы­ключен, a VS2 включен, то конденсатор С1 к мо­менту поступления импульса U_ynp был заряжен до напряжения, близкого к 2Е. Включение тиристора VS1 вызывает разряд конденсатора С1 током, на­правленным встречно току включенного тиристора VS2 и, следовательно, выключение последнего. Время выключения тиристора определяется посто­янной времени разрядной цепи τ = C₁R_I1. После коммутации схема сохраняет свое состояние до мо­мента прихода импульса управления U_ynp противо­положной полярности.

На основе рассмотренной схемы реализуются функции двухпозиционного поляризованного реле.

Современная технология микроэлектроники по­зволяет выполнить СУ электронных реле с очень ши­рокими функциями, включая самоконтроль и диаг­ностику реле. Такие реле с расширенными функци­ями в интегральном исполнении относятся к новому классу электронных устройств, схемы которых на­зывают "интеллектуальными" или "разумными".

Для релейной защиты электрических систем оте­чественной промышленностью разработаны элект­ронные и комбинированные реле с контрольными функциями различных электрических параметров (реле частоты, контроля токов нулевой или обрат­ной последовательности, мощности и др.). Ниже приводятся краткие технические характеристики некоторых из таких устройств.

Лекция 21