1. Реле с использованием полупроводников

1.1. Общие положения

Применение полупроводников позволяет уменьшить размеры реле, снизить потребление мощности от измерительных трансформаторов, повысить чувствительность, улучшить характеристики и выполнить реле без контактов и движущихся частей.

Необходимо учитывать недостатки полупроводников: большие разбросы характеристик, зависимость параметров от температуры и нелинейность сопротивлений.

С использованием полупроводников выполняются как основные реле, так и элементы логической части схем защит.

Простые реле с использованием полупроводников: тока, напряжения – выполняются на выпрямленном токе с помощью диодов. В качестве реагирующего органа при этом используется высокочувствительные электромагнитные, или поляризованные реле.

Более сложные реле на полупроводниках: мощности и сопротивления, реагирующие на две электрические величины – ток и напряжение выполняются на одном из следующих принципов:

1) На сравнении абсолютных значений двух электрических величин U_I и U_II;

2) На сравнении фаз мгновенных значений двух электрических величин U_I и U_II.

В обоих случаях:

                                                                                        (1.1.1.)

Рекомендуемые материалы

где:     U_P,I_P – напряжение и ток подведенные к реле;

            k₁,k₂,k₃,k₄ – постоянные коэффициенты.

Изменяя коэффициенты k₁ - k₄ – можно получить различные типы реле с различными характеристиками.

1.2. Реле на выпрямленном токе реагирующие на одну электрическую величину

К реле данного класса относят реле тока и напряжения. Реле включаются на ток или напряжение сети через выпрямители на полупроводниковых диодах.

1.2.1. Токовое реле на выпрямленном токе

Принципиальная схема включения реле изображена на рис.1. В качестве исполнительного органа КА применяется электромагнитное реле постоянного тока (например РТ-40). На рисунке буквами VS обозначен двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Пульсация выпрямленного тока (см. рис. 2. б)) вызывает вибрацию контактов исполнительного органа. Для устранения вибрации применяют сглаживающие устройства, например дроссель (см. рис. 3. а)), индуктивное сопротивление которого  имеет значительную величину для переменной составляющей выпрямленного тока (см. рис. 2. с)) с частотой f=100 Гц, а для постоянной составляющей X_L=0. Другим способом является применение т.н. фильтров-пробок (см. рис. 3. б)) не пропускающих в реле токи с частотой f=100 Гц.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Другой вариант выполнения реле тока и напряжения на выпрямленном токе изображен на рис. 4.

Рис. 4.

На рисунке: U_И – измеряемая величина, U_Э – эталонная величина, И.О. – исполнительный орган (поляризованное, магнитоэлектрическое реле или нуль-индикатор).

1.2.2. Полупроводниковые измерительные реле тока и напряжения

У реле тока воздействующей величиной является ток, его предварительно преобразовывают в напряжение. В остальном реле тока и напряжения мало чем отличаются.

1.2.2.1. Операционные усилители постоянного тока

Операционный усилитель (ОУ) – сложное устройство, в состав которого входят несколько транзисторных каскадов усиления напряжения, выходной каскад усиления тока и цепи согласования между собой.

Изображение ОУ в схемах РЗ представлено на рис. 5. ОУ имеет два входа и один выход. Для питания имеются ещё два входа. На рис. «- » - инвертирующий вход И, «+ » - не инвертирующий вход Н.

ОУ может работать в двух режимах: линейном и ключевом. В линейном режиме U_вых связано с U_вх некоторой непрерывной зависимостью, а в ключевом оно принимает два определенных значения, сменяющиеся в зависимости от соотношений входных напряжений U_вх1 и U_вх2.

Рис. 5.

Работа ОУ зависит от схемы включения.

Компаратор –работает в ключевом режиме при подаче на его входы напряжений одного знака. Так, при +U_вх1 и +U_вх2 на выходе:

         +U_вых, если U_вх2 > U_вх1;

         – U_вых, если U_вх2 < U_вх1.

Рис. 6.

Компаратор сравнивает входные напряжения и переключается при изменении знака разности сравниваемых напряжений.

Триггер Шмидта – компаратор с положительной обратной связью. С выхода компаратора. на Н-вход подается т.н. напряжение гистерезиса – U_г, пропорциональное U_вых и одинакового с ним знака.

Поэтому, при         +U_вых ®U’_вх2 = U_вх2 + U_г;

                                 –U_вых ®U’_вх2 = U_вх2 – U_г.

Рис. 7.

По аналогии с электромеханическим реле: U_вх1³ U’_вх1 = (U_вх2 + U_г) – компаратор срабатывает, а при U_вх1 < U’’_вх1 = (U_вх2 – U_г) – возвращается в исходное состояние.

Характеристика компаратора представлена на рис. 8.

Рис. 8.

1.2.2.2. Реле тока серии РСТ

Упрощенная схема, положенная в основу реле представлена на рис. 9. а).

Рис. 9.

ОУ А1 включен по схеме компаратора. В зависимости от соотношения между напряжениями U_А1,вх1; U_А1,вх2, подаваемыми на входы ОУ на выходе появляются положительные или отрицательные импульсы напряжения U_А1,вых.

Это напряжение обусловливает заряд конденсатора С. При +U_А1,вых ток заряда проходит по R5, напряжение на С возрастает и стремится к максимальному значению +U_ст.

При –U_А1,вых открывается VD1 и ток заряда С не только меняет направление, но и благодаря параллельному включению R5 и R6 возрастает, напряжение на С стремится к максимальному отрицательному значению –U_ст.

Стабилитрон VD2 ограничивает максимальные значения напряжения на конденсаторе.

Напряжение на конденсаторе подается на И-вход усилителя А2, включенного по схеме триггера Шмидта, и сравнивается с заданным напряжением Н-входа U_А2,вх2.

Напряжение U_А2,вых может быть как «+», так и «–». Благодаря положительной обратной связи – R9 напряжение U_А2,вх2 будет одного знака с напряжением U_А2,вых.

Работа реле

Временные диаграммы, поясняющие работу реле представлены на рис. 9. б).

В нормальном режиме амплитудное значение входного выпрямленного напряжения U_А1,вх1 < U_А1,вх2 – заданного напряжения. Поэтому U_А1,вых имеет наибольшее положительное напряжение и С заряжен до максимального положительного напряжения +U_ст. Оно подаётся на И-вход А2, т.е. U_А2,вх1 = +U_ст.

U_А2,вх1 > U_А2,вх2, на выходе имеем максимальное отрицательное напряжение U_А2,вых, при этом U_А2,вх2 тоже отрицательно.

При возникновении повреждения амплитуда выпрямленного напряжения U_А1,вх1 > U_А1,вх2 – заданного входного напряжения, и на выходе усилителя А1 появляется импульс максимального отрицательного напряжения. Конденсатор С начинает перезаряжаться. Когда напряжение на конденсаторе, а, следовательно, и на И-входе U_А2,вх1 ОУ А2 достигнет U_А2,вх2, ОУ переключится и на его выходе появится максимальное положительное напряжение U_А2,вых. Последующие положительные и отрицательные импульсы напряжения U_А1,вых будут перезаряжать С, однако при этом напряжение U_А2,вх1 не достигает значения +U_А2,вх2 и ОУ А2 остается в состоянии после срабатывания; так как С заряжается от –U_ст к +U_ст медленнее (ток меньше, см. выше).

Когда на ОУ А1 входное напряжение U_А1,вх1 снизится до значения меньше U_А1,вх2 , схема вернется в исходное состояние.

1.2.2.3. Преобразователи тока в напряжение

Трансреактор – трансформатор тока с воздушным зазором в магнитопроводе. Первичная обмотка включается последовательно в цепь первичного тока. (Рис. 10. а)) Вторичная обмотка трансреактора замыкается на большое (несколько кОм) сопротивление Z_н и по существу трансреактор (в отличие от трансформатора тока) работает в разомкнутом режиме.

Ток I₂ очень мал, поэтому можно считать, что магнитный поток Ф₁ создается только намагничивающей силой первичной обмотки: . Ф₁ создает во вторичной обмотке ЭДС Е₂: Е₂ = kI₁.

Благодаря наличию воздушного зазора d магнитное сопротивление R_м магнитопровода имеет повышенное значение (по сравнению с трансформатором тока). Это уменьшает величину Ф₁, по сравнению с его значением при том же токе I₁ в таком же, но замкнутом магнитопроводе и ограничивает насыщение магнитопровода.

Величина d регулируется так, чтобы в желаемом диапазоне токов I₁ магнитопровод трансреактора не насыщался. Тогда коэффициент k будет константой и зависимость Е₂ = f(I₁)будет линейной: Е₂ º I₁.

Рис. 10.

Таким образом трансреактор преобразует первичный ток I₁ во вторичное напряжение Е₂.

Напряжение с нагрузки Z_Н U_вых подается в схему полупроводниковых реле и приборов.

Напряжение после трансреактора может быть выпрямлено:

Рис. 11.

1.2.2.4. Логический элемент времени

Для осуществления выдержек времени в устройствах на полупроводниках, обычно используется заряд или разряд конденсатора.

Схема элемента времени показана на рис. 12.

При отсутствии сигнала на входе через эмиттерный переход транзистора VT проходит прямой ток. Транзистор открыт и конденсатор С закорочен. К диоду VD приложено обратное напряжение и он закрыт. U_вых = 0.

Когда на входе появляется положительное напряжение U_вх, транзистор закроется и С заряжается.

Рис. 12.

С течением времени потенциал точки а становится ниже потенциала точки б и диод VD открывается, замыкая цепь выхода. Напряжение выхода U_вых снимается с нагрузки R_н.

Время от момента подачи сигнала на вход до момента возникновения сигнала на выходе – выдержка времени.

1.2.2.5. Реле тока с зависимой выдержкой времени

Современные реле тока с зависимой выдержкой времени (ВА-50, АВВ) выполняются на основе интегральных схем. Для создания выдержки времени используется счетчик импульсов. Структурная схема реле представлена на рис. 13.

Рис. 13.

Ток в реле преобразуется в напряжение и выпрямляется. U_вх подается на генератор импульсов, в него входят операционный усилитель, конденсаторы и транзисторы. Если U_вх < U_уст на выходе ГИ – ноль. Счетчик Сч сброшен. Когда U_вх > U_уст, ГИ выдает прямоугольные импульсы, причем чем больше Если U_вх, тем быстрее заряжается конденсатор, быстрее переключается ГИ:

Рис. 14.

Сч - считает импульсы. При достижении его предуставки он срабатывает, на его выходе появляется сигнал, поступающий на исполнительный орган.

Чем больше I_р, тем быстрее считает счетчик:

Рис. 15.

При кратности К схема достигает максимального быстродействия, обусловленного работой полупроводниковых элементов. Наклон характеристики срабатывания реле регулируют параметрами сопротивлений в схеме заряда конденсатора. Максимальное время срабатывания t_max предуставкой счетчика.

Схема реле ВА-50 показана на рис. 16.

Рис. 16.

1.3. Реле на выпрямленном токе реагирующие на две электрические величины

1.3.1. Реле, сравнивающие абсолютные значения двух напряжений

1.3.1.1. Принцип работы

У всех видов реле, сравнивающих два напряжения U_I и U_II одинаковый принцип работы и структурная схема (рис. 17.)

Цифрами на рисунке обозначены: 1. – Суммирующие устройство; 2. – Выпрямители; 3. – Схема сравнения абсолютных значений напряжений U_I и U_II; 4. – Исполнительный орган.

Рис. 17.

Суммирующие устройство образует на своем выходе напряжения:

                                                                                         (1.3.1.1.1.)

Каждое из напряжений выпрямляется двухполупериодным выпрямителями на полупроводниковых диодах.

В схеме сравнения выпрямленные напряжения  и  вычитаются, образуя на выходе напряжение: .

Исполнительный орган должен действовать, если  >  т.е. U_вых > 0; и не должен работать, если  £ , U_вых £ 0.

Исполнительный орган должен быть направленным, т.е. реагировать на полярность подводимого к нему напряжения.

U_I – рабочее напряжение, U_II – тормозное. Так же именуются элементы схемы, связанные с U_I и U_II.

Изменяя коэффициенты k₁-k₄ с помощью суммирующих устройств можно получить как реле мощности, так и различные виды реле сопротивлений.

1.3.1.2. Основные элементы реле

Суммирующие (формирующие) устройство

Образует напряжения U_I и U_II из тока I_P и напряжения U_P защищаемого элемента по выражениям (1.3.1.1.1.). Устройство состоит из трансформатора напряжения и трансреактора (см. рис. 18.).

Приведенная на рисунке схема формирует напряжения:

                                                                                         (1.3.1.2.1.)

Здесь k₁=k₃, а k₂=k₄, такие схемы служат для получения реле мощности.

Исключив обмотки А₂ и В₁ получают ненаправленное реле сопротивления, а исключив В₁ – направленное реле сопротивления.

Рис. 18.

Выпрямители

Выпрямление напряжений U_I и U_II осуществляется по двухполупериодной схеме выпрямительными мостами из полупроводниковых диодов.

Схема сравнения

Сравнение величин двух выпрямленных напряжений |U_I| и |U_II| можно осуществить:

         1. Электрическим путем, сравнивая:

                     а) эти напряжения;

                     б) пропорциональные им токи.

         2. Магнитным путем, сравнивая магнитные потоки, пропорциональные напряжениям.

В связи с эти применяется три схемы сравнения:

1. на балансе напряжений;

2. на балансе токов;

3. на балансе магнитных потоков.

Рассмотрим схему на балансе напряжений (рис. 19.)

Выпрямители VS1 и VS2 соединяются между собой одноименными полюсами. В рассечку провода, к зажимам m-n включается реле (исполнительный орган). В контуре ИО |U_I| и |U_II| направлены встречно. Под влиянием разности |U_I| – |U_II| в ИО появляется ток I_P, направление которого зависит от того, какое напряжение больше.

Если |U_I| > |U_II| ток I_P положителен и ИО работает;

Если |U_I| < |U_II| ток I_P отрицателен и ИО не действует;

Резисторы R1 и R2 шунтируют выпрямители и образуют контур с малым сопротивлением, по которому проходит ток I_P помимо выпрямителей, представляющих большое сопротивление для токов обратного напряжения.

Схемы на балансе токов и магнитных потоков представлены, соответственно на рис. 20 и рис. 21.

Рис. 19.

Рис. 20.

Рис. 21.

Исполнительный орган

Включается на выходные зажимы схемы сравнения и должен действовать только при положительном значении тока на этих зажимах. Подобное устройство называют нуль-индикатором (НИ).

К НИ предъявляют 4 требования:

1. высокая чувствительность – способность реагировать на знак возможно меньшего сигнала;

2. малое потребление мощности;

3. быстрота действия;

4. надежность работы.

В качестве НИ используются:

1. высокочувствительное электромеханическое реле (поляризованное реле);

2. электромеханические реле, включаемые через полупроводниковый усилитель;

3. бесконтактные реле на полупроводниках.

На рис. 22. изображен НИ выполненный в виде поляризованного реле К, включенного через усилитель на триодах. Обычно усилитель выполняется из нескольких каскадов. На схеме – двухкаскадный усилитель с общим эмиттером.

Рис. 22.

При отсутствии входного сигнала U_вх=0 (I_вх=0). Триод VT1 открыт. Сопротивление открытого триода близко к нулю, потенциал точки (3) и база VT2 имеют положительный знак. При положительном знаке на базе, VT2 закрыт и ток в реле К отсутствует.

При появлении на входе отрицательного сигнала VT1 остается открытым, а VT2 закрытым.

Если на вход 1,2 (и на базу VT1 ) поступит положительный сигнал, то VT2 закрывается. Его сопротивление резко возрастает и в результате этого на базе VT2 появляется отрицательный потенциал, через сопротивление R2. Триод VT2 открывается, в реле К появляется ток I_к. Если I_к > I_с.р. ,то реле срабатывает.

При прекращении входного сигнала схема возвращается в исходное состояние.

Вследствие индуктивности L обмотки реле К, на её зажимах возникает ЭДС самоиндукции , которая может вызвать пробой триода VT2. Для предотвращения этого, обмотка реле шунтируется резистором R и диодом VD. При наличии такого шунта ток в реле после закрытия VT2 исчезает не сразу, а постепенно, замыкаясь по цепи R, VD. Диод VD запирает прохождение тока I_к при открытом триоде VT2 по шунтирующему резистору R. Благодаря этому весь ток I_к проходит через обмотку реле К.

1.3.1.3. Реле направления мощности

Схема и принцип действия

Суммирующее устройство аналогично изображенному на рис. 18. Схема сравнения на балансе напряжений (см. рис. 19.).

Общие формулы:, для реле направления мощности k₁=k₃=1; k₂=k₄=k. С учетом этого:

 Напряжения на выходе выпрямителей: .

Напряжение на выходе схемы сравнения:

.

Реле срабатывает, если: .

Работа реле

Векторные диаграммы реле приведены на рис. 23.

Рис. 23

При КЗ на защищаемой линии |U_p|>|U_торм| U_вых>0 – реле действует.

При КЗ на соседней линии, всё наоборот. Данная схема ведет себя при КЗ как реле направления мощности.

Зависимость U_вых=f(j_p)

Найдем зависимость при следующих условиях: U_p=const, I_p=const, j_p=var от 0° до 360°.

Выводы:

1. j_p от 270° до 90°. |U_I| > |U_II|,U_вых>0 – реле действует.

2. j_p от 90° до 270°. |U_I| < |U_II|,U_вых<0 – реле не действует.

3. j_p=90° или 270°. |U_I| = |U_II|,U_вых=0.

4. j_p=0° или 180°. U_вых=2kI_p-max.

Можно сделать вывод, что данное реле – реле мощности косинусного типа.

Осуществляя поворот напряжений U_p или kI_p на угол a с помощью фазосдвигающих схем, можно сместить угловую характеристику реле на угол a и получить аналогичное реле мощности смешанного или синусного типа.

1.3.2. Реле на сравнении фаз двух электрических величин

На сравнении фаз выполняют реле направления мощности и различные типы реле сопротивлений. В качестве сравниваемых величин используются два напряжения U_I и U_II, которые являются линейными функциями напряжения и тока сети U_p и I_p.

1.3.2.1. Общий принцип действия

Структурная схема реле представлена на рис.25. а). Реле состоит из: 1 – устройства сравнения фаз и 2 – исполнительного органа, реагирующего на знак выходного напряжения U_вых.

Рис. 25.

Реле срабатывает, когда сдвиг между U_I и U_II удовлетворяет условию: j₁<j<j₂, U_вых>0. Если j<j₁ или j>j₂, то U_вых<0, и реле не действует. (См. рис. 25.б).)

Изменяя коэффициенты формул: , можно получить различные виды реле. Например, для реле направления мощности k₂=k₃=0: , см рис. 25. в).

Способы сравнения

Реле по способу сравнения фаз U_I и U_II подразделяются на реле:

1. импульсного принципа сравнения;

2. сопоставления продолжительности времен совпадения фаз с заданным;

3. кольцевой фазосравнивающей схемы.

1.3.2.2. Реле, работающие на импульсном принципе сравнения

Принцип действия

Рис. 26.

Сравнение фаз заключается в сопоставлении знаков мгновенных значений, подведенных к реле напряжений (U_I и U_II) в определенный момент времени (например, в момент положительного максимума U_I).

При прохождении U_I через положительный максимум формируется импульс U’’_I. Если знак импульса совпадает со знаком напряжения U_II - то на выходе появляется положительное напряжение +U_вых и реле срабатывает; если знаки импульса и U_II различны – реле не работает.

Из рисунка 26 видно, что при выбранном моменте сравнения совпадение положительных значений U_I и U_II возможно при условии, что угол сдвига y между U_I и U_II лежит в пределах от –90° до +90°. Таким образом условие работы реле: –90 £ y £ +90°.

Структурная схема реле

Рис. 27.

Обозначения на схеме реле (рис. 27. а)):

УФИ   – устройство формирования импульса;

СС       – схема совпадения;

УУИ   – устройство удлиняющее импульс (иначе, U_вых носит импульсный характер);

ИО       - исполнительный орган.

Временные диаграммы работы реле представлены на рис. 27. б).

Устройство для формирования импульса

В качестве подобного устройства может применяться блокинг-генератор, работающий в режиме постороннего запуска от мостовой фазоповоротной схемы.

Рассмотрим работу схемы (см. рис. 28.). Напряжение U_I подается на промежуточный трансформатор TL1, питающий мостовую фазоповоротную схему. Напряжение U’_I между вершиной моста В и средней точкой А вторичной обмотки TL1 подается на базу триода VT1. Сопротивление R=X_C, при этом U’_I опережает U_I на 90°. В цепи коллектора VT1, включен пик-трансформатор TL2.

Триод VT1 заперт в течение положительной полуволны U’_I и открыт в течении отрицательной. Открываясь, триод VT1 замыкает цепь первичной обмотки TL2, в которой под действием ЭДС Е возникает постоянный ток I_I.

Открытие и закрытие триода происходит в момент перехода U’_I через ноль. В этот момент в первичной обмотке TL2 появляется и исчезает ток I_I - возникает переходный процесс, сопровождающийся появлением во вторичной цепи TL2 пикообразного напряжения – обратной полярности.

Таким образом импульс напряжения U’’_I получается с помощью пик-трансформатора. Его возникновение в момент прохождения через максимум U_I обеспечивается тем, что напряжение U’_I, управляющее пик-трансформатором, смещено посредством фазосдвигающей схемы на 90° по отношению к U_I.

Рис. 28.

Реле направления мощности

Если принять: , то реле работающее по схеме изображенной на рис. 27. а) будет работать как реле направления мощности синусного типа. Сместив на угол a напряжение U_p, можно получить реле промежуточного и косинусного типа.

1.3.2.3. Реле, основанное на измерении времени совпадения знаков мгновенных значений сравниваемых напряжений

Принцип действия

Рис. 29.

К реле подводятся напряжения U_I и U_II, сдвинутые на угол y (см. рис. 29. а). В течение определенной части положительного полупериода U_I, знаки мгновенных значений U_I и U_II одинаковы, а в другой – различны. То же и в отрицательном полупериоде. (См. рис. 29. б)).

Угол совпадения j_с и соответствующее ему время t_c зависят от угла сдвига фаз y.

; , , , .

Зависимость  можно представить графически (см. рис. 29. в)). При совпадении фаз y=0, знаки U_I и U_II будут совпадать в течение всего полупериода - . Когда фазы U_I и U_II разойдутся на 180°(j=p) j_с и t_c =0.

Взаимосвязь t_c и y положена в основу конструкции реле. Схема измеряет время t_c. Это время сравнивается с установленным временем t_у, которому соответствует определенное значение y=y_у.

Реле действует, если t_c³ t_у и не работает, если t_c< t_у . Т.к. каждому t_c и t_у соответствует определенный y, реле работает при: . Зона действия реле ограничена двумя углами:  и .

Область работы реле: . (См. рис. 29. г)).

Если принять , то область действия реле будет ограничена прямой линией. (См. рис. 29. д)).

Структурная схема реле

Рис. 30.

Обозначения на схеме:

         УС1  – устройство совпадения;

         УИ     – устройство интегрирования;

         УС2  – устройство сравнения;

         ИО    – исполнительный орган.

На выходе УС1 получают импульсы U_сов, длительность каждого импульса равна t_с. Непосредственно сравнение времен t_с и t_у – сложно, поэтому вместо времен сравниваются пропорциональные им напряжения U_c и U_э. Напряжение  получается с помощью интегрирующей схемы УИ.

Напряжение U_c сравнивается с эталонным напряжением  в устройстве УС2. На выходе появляется напряжение U_вых значение и знак U_вых зависят от разности U_c – U_э:

 - U_вых >0 – ИО срабатывает;

 - реле не действует.

Схема реле направления мощности

Отечественной промышленностью выпускается несколько типов реле. Более совершенно реле РМ-11. В нем раздельно сравнивается время совпадения мгновенных значений электрических величин в положительном полупериоде с временем несовпадения в отрицательном полупериоде. Этим достигается отстройка реле от апериодических составляющих во входных сравниваемых величинах.

Структурная схема реле представлена на рис. 31. а).

Рис. 31.

На структурной схеме: 1,2 – фазоповоротные устройства, с помощью которых обеспечивается заданное значение угла максимальной чувствительности; 3,4 – формирователи импульсов совпадения.

С выхода 1,2 синусоидальные сигналы положительной полярности поступают на схему совпадения 3, а сигналы отрицательной полярности – на схему 4. Здесь они преобразуются в положительные прямоугольные импульсы. Далее эти импульсы интегрируются соответствующими интеграторами 5,6. Ограниченные элементом 7, они суммируются сумматором 8 и поступают на вход порогового элемента 9, который управляет исполнительным органом 10.

Принципиальная схема представлена на рис. 31. б).

Схемы совпадения выполнены на диодах VD1-VD6, транзисторах VT1, VT2 и резисторах R1-R6.

При наличии несовпадающих по фазе A_i и B_i транзисторы открыты, так как в течение времени несовпадения открытым будет один из каждой пары диодов VD1, VD3 и VD2, VD4 и на базы VT1 и VT2 подаются положительные потенциалы. Только при совпадении по фазе A_i и B_i оба диода каждой пары закрываются. В этом случае потенциал базы соответствующего транзистора становится отрицательным и транзистор закрывается на время совпадения входных величин A_i и B_i.

Дискретные сигналы а и b на выходе схем совпадения подаются на интеграторы 5,6 состоящие из конденсаторов С1, С2, зарядных резисторов R7, R8, разрядных резисторов R9, R10 и диодов VD7, VD8. При наличии сигнала соответствующий конденсатор заряжается, а при отсутствии сигнала разряжается. Таким образом, прямоугольные сигналы на входе интеграторов преобразуются в напряжения U1, U2, изменяющиеся пилообразно на выходе. Эти напряжения ограничиваются ограничителем 7, состоящим из выпрямителя VS. Пределы ограничения U_огр и U’_огр устанавливаются резистором R14.

Выходные напряжения интеграторов U1 и U2 суммируются сумматором 8, состоящим из резисторов R11, R12 равного сопротивления. Поэтому напряжение на выходе сумматора: .

В качестве порогового элемента 9 использован ОУ А, включенный по схеме триггера Шмидта. На его И-вход подается положительное напряжение . При достижении этим напряжением значения U_сраб триггер Шмидта переключается и на его выходе появляется напряжение отрицательной полярности. Реле срабатывает.

Если время совпадения, а следовательно и продолжительность импульсов меньше допустимых, то конденсаторы С1 и С2 не успевают зарядиться до требуемых напряжений, а . не достигает значения напряжения срабатывания.

Параметры реле: U_{ср. мин}=0,25 В; Мощность – 0,5 ВА при номинальном токе и 3 ВА при номинальном напряжении; j_м.ч.=30±5°;45±5°.

Временные диаграммы реле представлены на рис. 31. в).

1.3.2.4. Реле, основанное на кольцевой фазочувствительной схеме

Устройство и принцип действия

Основу устройства составляют четыре диода VD1-VD4 соединенные последовательно по замкнутой кольцевой схеме. (См. рис. 32. а))

Рис. 32.

Сравниваемые напряжения U_I и U_II подаются к точкам АС и BD. Исполнительный орган ЕА подключен к средним точкам m и n делителей напряжения R1 и R2. Работа выпрямителей в каждый момент времени определяется большим из двух подведенных напряжений U_I и U_II. Большее напряжение является управляющим. Меньшее – управляемым или измеряемым – питает током исполнительный орган реле ЕА через выпрямители, открываемые управляющим напряжением. При такой схеме среднее значение тока в ЕА  зависит от угла сдвига фаз y между U_I и U_II .

Работа реле

Рассмотри работу реле используя метод наложения. Будем считать, что напряжение U_I намного превышает напряжение U_II по величине, напряжения сдвинуты на некоторый угол y.

Положительный полупериод U_I

VD1 и VD2 открыты, 3 и 4 закрыты. (См. рис. 32. б)) Под действием U_I возникают два тока  и . Контура замыкания токов показаны на рис. 32. б). Оба тока равны, так как напряжения и сопротивления контуров одинаковы. В реле эти токи направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому любое управляющее напряжение тока в реле ЕА не создает.

Рассмотрим токораспределение от меньшего напряжения (см. рис. 32. в)).

Под влиянием U_II возникает ток I_II. В положительный полупериод U_II он показан жирной стрелкой Ток I_II отрицательного знака, появляющийся в отрицательный полупериод U_II - тонкой.

С учетом того, что U_I тока в реле не создает, ток полученный от U_II, является током, питающим ЕА, при этом положительный ток и отрицательный ток направлены в реле противоположно.

Кривая тока в реле представлена на рис. 33.

Рис. 33.

Ток I_II совпадает по фазе с U_II так как в контуре, по которому циркулирует I_II, преобладает активное сопротивление.

На рис. 32. в). положительный ток I_II проходит по выпрямителю 1, а отрицательный ток I_II по выпрямителю 2 в обратном для него направлении.. Физически же ток может проходить через выпрямитель только в прямом направлении. В действительности же в контуре тока I_II действуют не одно, а одновременно два встречно направленных напряжения  и . Создаваемый ими действительно идущий через выпрямитель ток: , где k – сопротивление контура.  и ток I проходит по выпрямителю 1 в прямом направлении.

Ток I можно рассматривать состоящим из двух составляющих:  и  наложение фиктивных токов и дает действительный ток I.

Отрицательный полупериод U_I

Рис. 34.

Открыты выпрямители 3 и 4.

Под действием U_I через открывшиеся выпрямители пойдет ток I_II.

Из токораспределения на рис. 34. видно, что положительный I_II в течение положительного полупериода U_I и отрицательный I_II во время отрицательного полупериода U_I идут в исполнительном органе ЕА в одном (положительном) направлении. С учетом этого построена кривая тока I_II в реле. Исполнительный орган ЕА реагирует на знак среднего значения тока: . Если за полупериод преобладает положительный ток I_II (т.е. ), то реле работает.

Соотношение  и  зависит от угла y между U_I и U_II. Границей действия реле будет . Условие работы реле: . При y=0 . Реле имеет наибольшую чувствительность.

Лекция "56 Требования к нормативно-правовому акту" также может быть Вам полезна.

При рассмотрении работы реле принято, что . В тех случаях, когда разница амплитуд невелика, а y¹0, функции управляющего напряжения будут поочередно выполнять как U_I так и U_II. Это не меняет принцип работы реле.

Реле направления мощности

Если , то реле будет работать как реле направления мощности. Это будет реле косинусного типа. Сдвигая искусственным путем фазу U_I или U_II можно получить реле промежуточного и синусного типа.

Оценка реле на сравнении фаз

Достоинства: из принципа работы реле следует, что они срабатывают в течении первого полупериода тока КЗ – то есть отличаются большим быстродействием.

Недостатки: работа таких реле может искажаться влиянием апериодической слагающей тока КЗ и гармонических составляющих в напряжениях. Отстройка от помех – важная проблема при конструировании таких реле.