Меню

Полупроводниковое реле направления мощности

Полупроводниковые реле

Общие сведения. Полупроводниковые реле в отноше­нии быстродействия, чувствительности, селективности и на­дежности превосходят электромагнитные. В ряде случаев полупроводниковые реле обладают характеристиками, ко­торые невозможно получить с помощью электромагнитных реле.

Полупроводниковые реле защиты содержат измерительный орган и логическую часть.

В измерительном органе непрерывные выходные величины преобразуются в дискретный выходной сигнал.

Дискретный выходной сигнал посту­пает на вход логической части, выдающей управляющий сигнал чаще всего на электромагнитное реле.

Измерительный орган полупроводникового реле тока обычно имеет на входе трансформатор тока, нагруженный на малое активное сопротивление. Напряжение на этом сопротивлении пропорционально первичному току в контро­лируемой сети.

В измерительных органах используются следующие три принципа:

1) сравнение однородных физических величин, напри­мер напряжений. В момент равенства измеряемого и опор­ного напряжений на выходе появляется нулевой сигнал, который приводит к срабатыванию нуль-органа. На выходе появляется дискретный сигнал. Регулируя опорное напря­жение, можно менять уставку срабатывания. Реализация такого принципа показана на рис. 8.11. Выпрямленный сигнал, пропорциональный напряжению или току, по­дается на мост R1, R2, R3, VD1. В момент равенства на­пряжений на R2 и VD1 на выходе моста появляется нуле­вой сигнал, который приводит в действие нуль-орган. Глав­ным источником погрешности полупроводниковых реле яв­ляется зависимость параметров полупроводниковых прибо­ров от температуры. Поэтому в схемы вводится темпера­турная компенсация. В данной схеме для температурной компенсации последовательно со стабилитроном VD1 вклю­чается в прямом направлении диод. С ростом температуры у стабилитрона падение напряжения растет, а у диода в проводящем направлении падает;

2) проявление физического эффекта, возникающего, при определенном значении измеряемого напряжения, — скачок в нелинейной характеристике туннельного диода, релейная характеристика триггера Шмидта и др.;

3) преобразование непрерывного входного сигнала и опорного напряжения в цифровую форму. После этого производится сравнение входного сигнала с опорным на­пряжением.

Обработка входного сигнала в цифровой фор­ме может производиться по требуемому алгоритму вычисли­тельного устройства. Последний принцип наиболее перспек­тивен ввиду высокой универсальности и стремительного развития вычислительной техники.

Реле тока. Функциональная схема трехфазного полупроводниково­го реле тока представлена на рис. 8.12. Пропорциональ­ные токам напряжения трех фаз подводятся к промежуточ­ным трансформаторам Т1—ТЗ. Между первичной и вторич­ной обмотками установлен экран. На выходе трансформа­торов включены нелинейные резисторы. Эти меры защищают усилители ОУ Al—A3 от перенапряжений. Сигнал со вторичных обмоток трансформаторов, пропорциональный контролируемому току, подается на входы ОУ Al—A3. На эти же усилители подается опорное напряжение с резисто­ра R. Входные и опорные напряжения сравниваются между собой. При их равенстве на выходе усилителей Al—A3 появляется выходной сигнал, который через элемент ИЛИ, блок расширения импульса А5 и оконечный усилитель А4 подается на исполнительный орган. В блоке А5 кратковременный импульс преобразуется в импульс большой дли-тельности. Светоизлучающие диоды VD1 – VD3 сигнализируют о фазе, в которой произошла перегрузка.

Для того чтобы схема не реагировала на кратковременные и безопасные для защищаемой цепи перегрузки, вводится выдержка времени (рис. 8.13). Для этого один сигнал с элемента ИЛИ подается на элемент И непосредственно, второй – с выдержкой времени, определяемой цепочкой R1, C1. Сигнал на выходе реле появляется только тогда, когда на элемент И придут оба сигнала.

Реле напряжения. В схеме трехфазного реле напряжения (рис. 8.14.) напряжение срабатывания регулируется резистором R1.

Реле может работать как максимальное (переключатель S в положении 1) и как минимальное (переключатель S в положении 2). Коэффициент возврата реле регулируется в широком диапазоне с помощью резистора R2, которым изменяется коэффициент положительной обратной связи в усилителях А1, А2, А3.

Логический элемент И обеспечивает срабатывание реле в случае, когда напряжение хотя бы в одной фазе падает ниже допустимого значения (переключатель S в положении 2).

Источник

Полупроводниковое реле направления мощности

12.Полупроводниковые измерительные реле. Реле направления мощности.

Реле направления мощности.

Наиболее совершенно полупроводниковое реле мощности типа РМ -11.

В реле раздельно сравнивается время совпадения мгновенных значений электрических величин с временем несовпадения в положительном полупериоде и отрицательном полупериоде.

Функциональная схема реле.

1 и 2 — фазоповоротные устройства, с помощью которых обеспечивается заданное значение угла максимальной чувствительно­сти.

С выхода фазоповоротных устройств синусоидальные сигналы положительной полярности поступают на схему совпадения 3, а сигналы отрицательной полярности — на схему совпадения 4.

В схеме совпадения сигналы преобразуются в положительные прямоугольные импульсы.

Эти импульсы интегрируются интеграто­рами 5 и 6 . Интеграторы содержат конденсаторы. При наличии сигнала конденсатор заряжается, а при отсутствии разряжается. При этом прямоугольные импульсы на входе интеграторов преобразуются в преобразуются в пилообразное напряжение U 1 и U 2.

Читайте также:  Сечение одножильного провода по мощности таблица

Напряжения U 1 и U 2 ограничиваются элементом 7 . Ограничитель состоит из выпрямителя.

Выходные напряжения интеграторов суммируются сумматором 8 и поступают на вход порогового элемента 9, который уп­равляет органом 10. В качестве порогового элемента использован операционный усилитель, включенный по схеме триггера. На его инвертирующий вход подается положительное напряжение U å . При достижении этим напряжением значения напряжения срабатывания триггер переключается и на его выходе появляется на пряжение отрицательной полярности. Реле срабатывает.

Если вре­мя совпадения, а следовательно, и продолжительность импульсов меньше допустимых, то конденсаторы в интеграторах не успеют заря­диться до требуемых напряжений, а напряжение U å не достигает значения напряжения срабатывания. Реле не сра­ботывает .

1. Минимальное напряжение сра­батывания не более 0,25 В.

2. Потребляемая мощность во входных цепях тока при I ном — 0,5 ВА, во входных це­ пях напряжения при U ном — 3 ВА.

3. Угол максимальной чувствительности (—30±5); (—45±5) °.

Функциональная схема реализована с исполь­зованием микроэлектронной элементной базы.

Промышленностью выпускаются также полупроводниковые реле:

— понижения частоты типа РЧ-1, реле повышения частоты типа РЧ-2;

— реле сдвига фаз типа РСФ-11;

— реле сопротивления, например, применяемое в дистанционной защите типа ДЗ-10;

-дифференциальные реле тока с торможением , используемые в комплектном устройстве ЯРЭ-2201, предназначенном для защиты трансформаторов.

Источник



Реле направления мощности на полупроводниках с применением параметрического делителя частоты Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — А. П. Пушков

Текст научной работы на тему «Реле направления мощности на полупроводниках с применением параметрического делителя частоты»

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМЕНИ С. М. КИРОВА

РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ НА ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ДЕЛИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

(Представлена научным семинаром кафедры электрических станций)

Как известно, направленные токовые защиты с органами направления мощности обладают зоной нечувствительности по напряжению — «мертвой зоной». Применение так называемых «контуров памяти» не устраняет опасности неправильной работы таких защит, поскольку время работы «контуров, памяти» составляет 1 —1,5 периода для реле электромеханического типа [1] и 2,5—3,5 периода [2] для полупровод-пиковых реле направления мощности, и любое случайное замедление в действии как пусковых органов, так и выходных промежуточных реле может привести к ложному действию защиты.

Полупроводниковые реле направления мощности в последнее время начали получать весьма широкое распространение [3,4]. Такие реле имеют меньшую мощность срабатывания при- меньшей мощности, потребляемой от измерительных трансформаторов, а также являются более быстродействующими. Уменьшение мощности срабатывания, необходимое для сокращения «мертвой зоны» в полупроводниковых реле направления мощности с использованием фазбчувствительных схем, достигнуто за счет применения высокочувствительных нуль-органов (нуль-индикатор с усилителем постоянного тока или магнитоэлектрическое реле). Однако применение таких нуль-органов требует повышенной точности изготовления и наладки отдельных узлов реле (особенно при использовании схемы сравнения абсолютных значений).

В настоящей статье описывается полупроводниковое реле направления мощности на базе двухполупериодной фазочувствительной схемы на транзисторных ключах. В описываемом реле для устранения «мертвой зоны» использовано устройство для устранения «мертвой зоны», содержащее электромагнитный параметрический делитель частоты (ПДЧ) [5]. Принципиальная схема такого реле показана на рис. 1.

Устройство для устранения «мертвой зоны», основанное на принципе преобразования фазы при умножении и делении частоты, позволяет использовать для питания цепей напряжения реле энергию от трансформаторов тока при близких трехфазных к. з., когда напряжение сети в месте установки защиты снижается до нуля, а ток значительно возрастает, причем энергия подводится к реле во все время существования к. з.

В общем виде такое устройство содержит удвоитель частоты 1 (рис. 1), питающийся от трансформаторов тока и подключенный к его

выходу ПДЧ 2. Выход ПДЧ связан с трансформатором напряжения, установленном в месте подключения защиты.

В такой схеме условия работы делителя частоты не изменяются при изменении фазы тока на 180°. Так, если мгновенное значение тока при к. з, в защищаемой зоне равно

Рис. 1. Принципиальная схема реле направления мощности на полупроводниках

а при повороте вектора тока на 180°, что может быть при к. з. «за спиной», —

Читайте также:  Формула электрическая мощность приемника

¿2 = Im sin((o/ + q> + Tr), то на выходе удвоителя частоты в любом случае

Известно, что делитель частоты при отсутствии внешнего управляющего сигнала принципиально может возбуждаться в двух противоположных фазах О или я, но так как последний связан с трансформатором напряжения, то фаза колебаний на выходе делителя будет определяться фазой напряжения сети. При этом колебания с фазой О будут возникать, если фаза напряжения сигнала (в данном случае напряже-

ния сети) будет находиться в пределах ±

• Практически для ПДЧ

эта зона однозначного возбуждения по фазе несколько уже и составляет 120—140°.

При близких трехфазных к. з., когда напряжение сигнала исчезает, на контурной обмотке ПДЧ некоторое время сохраняются колебания с той же фазой, что и до возникновения к. з. Благодаря увеличению тока ПДЧ возбуждается и на его выходе появляется напряжение, фаза которого определена фазой напряжения предшествующего режима. При

этом фаза напряжения на ПДЧ может несколько отличаться от фазы напряжения предшествующего режима, однако при соответствующем подборе параметров схемы, как это показано ниже, оно обеспечивает вращающий момент у реле того же знака, что и естественные электрические величины. При этом важно то, что фаза напряжения ПДЧ однозначно определяется фазой напряжения предшествующего режима, при изменении фазы тока на 180°. ,

Особенностью работы ПДЧ с реле мощности является то, что напряжение питания его изменяется в широких пределах. Область существования устойчивых параметрических колебаний в обычных двухсердеч-никовых ПДЧ довольно небольшая. Поэтому в описываемом реле применен ПДЧ особой конструкции, в которой весь магнитопровод разделен на два, не связанных между собой. Один из них — насыщающийся, представляет собой Ш-образный сердечник, на крайних стержнях которого расположены обмотки возбуждения wH. На среднем стержне расположена контурная обмотка шк> которая охватывает второй — П-об-разный сердечник с зазором.

Обмотки возбуждения соединяются последовательно и встречно, контурная обмотка замкнута на конденсатор и образует с ним колебательный контур. За счет встречного соединения обмоток возбуждения энергия передается в контур только вследствие изменения параметра — магнитной проницаемости насыщающегося сердечника.

Ампер-витки обмотки шн и размеры насыщающегося сердечника подобраны так, что он насыщается уже при минимальном токе, достаточном для возбуждения. Поэтому при дальнейшем увеличении тока магнитная проницаемость этого магнитопровода изменяется между своими, максимальным и минимальным, значениями. Поскольку магнитное сопротивление ненасыщающегося магнитопровода не изменяется, глубина модуляции магнитной проницаемости эквивалентного магнитопровода, который охвачен контурной обмоткой, остается практически постоянной. Следовательно, и глубина модуляции индуктивности колебательного контура остается постоянной в широком диапазоне изменения напряжения питания. Так как существование колебаний половинной частоты в данном случае обусловлено именно модуляцией индуктивности, то при постоянстве глубины модуляции и прочих неизменных условиях амплитуда выходного напряжения также остается постоянной.

Ф азный ток /р (рис. 1), подводимый к реле, преобразуется трансреактором Txi в напряжение. Удвоитель частоты, подключенный к трансреактору, состоит из полупроводникового мостового выпрямителя ДМЬ цепочки R\C2 и промежуточного трансформатора Тр, служащего для отделения переменной составляющей напряжения от постоянной. Такой удвоитель частоты является практически безынерционным и не дает фазовых искажений, что при применении его в данном устройстве имеет важное значение. Ко вторичной обмотке трансформатора Тр подключен ПДЧ. Последний через резисторы R2y Ra нагружен на фазо-чувствительную схему и через резисторы R2— Rs связан с трансформатором напряжения.

Выбор фазочувствительной схемы, использованной в данном реле, был основан, исходя из следующих требований, связанных с применением ПДЧ:

1. В цепи должна отсутствовать связь между цепями тока и напряжения для исключения воздействия электрических величин, зависящих от тока, на фазу возбуждаемых в ПДЧ колебаний.

2. Схема должна иметь по возможности больший коэффициент передачи, что позволит снизить мощность ПДЧ.

В двухтактной фазочувствительной схеме помимо выполнения перечисленных требований имеет место высокая стабильность нуля без подбора параметров и при невысокой точности изготовления элементов реле.

На рис. 1, в качестве напряжения U\, создающего ток /н через исполнительный орган Р, используется величина, пропорциональная напряжению сети Up, или напряжению ПДЧ UK. Управление ключами фазочувствительной схемы осуществляется за счет напряжения klv, по фазе жестко связанного с током электроустановки /р. Это напряжение не создает тока в цепи исполнительного органа, а осуществляет только коммутацию транзисторных ключей.

Известно, что в такой схеме ток через нагрузку равен

Читайте также:  Мощность электромагнитного поля земли

Rp—сопротивление обмотки реле Р постоянному току, — угол между векторами U\ и

Как видно из выражения (4), ток нагрузки зависит от угла q?i таким образом, что зона действия реле при использовании данной фазочувствительной схемы будет равна 180°.

Для получения парафазного напряжения, необходимого для фазочувствительной схемы такого вида, контурная обмотка ПДЧ выполнена со средней точкой. В нормальном режиме и при удаленных к.з.,

когда ПДЧ не возбуждается, напряжение

определяется напряжением, подводимым к реле Up, величинами сопротивлений резисторов R2—и параметрами колебательного контура ПДЧ. При близких к. з.у

когда напряжение определяется напряжением ПДЧ и пара-

метрами тех же элементов.

Величины сопротивлений резисторов R2—R5 выбираются таким образом, чтобы одновременно выполнялись следующие два условия:

1. Вектор сигнала, управляющий фазой ПДЧ, должен располагаться в зоне однозначного возбуждения ПДЧ при любых значениях угла фр между напряжением ир и током /р , подводимыми к реле, и его модуль должен быть не менее 5% от t/Kmax для нормального управления фазой напряжения ПДЧ.

2. Напряжения-—- при Uv = 0 и UK = Uктахдолжно быть достаточным для срабатывания исполнительного реле.

Напряжение для управления транзисторными ключами снимается со вторичной обмотки трансреактора Тхг- Для устранения пробоя транзисторов при значительных кратностях тока к. з и при резких изменениях тока параллельно цепям управления транзисторов включены последовательно — встречно полупроводниковые стабилитроны Д2—Д5-

Как уже было сказано выше, увеличение чувствительности реле направления мощности необходимо только для уменьшения «мертвой зоны», поэтому применение устройства для полного устранения «мертвой зоны» позволяет использовать в схемах полупроводниковых реле грубый нуль-орган — поляризованное реле, поскольку напряжение, приложенное к реле при трехфазных к. з. вблизи места установки защиты, не

снижается относительно заданного значения, определяемого чувствительностью исполнительного реле по напряжению. Применение грубого нуль-органа, естественно, позволяет дотгустить большие погрешности при изготовлении и наладке.

Угол максимальной чувствительности реле зависит от фазовых сдвигов как в цепи напряжения, так и в цепи тока и определяется величинами сопротивлений резисторов Я2—и параметрами колебательного контура ПДЧ, а также параметрами элементов и ЯвС^. Резисторы Яе и одновременно служат для ограничения тока через стабилитроны. Угол максимальной чувствительности реле установки около 45°. При изменении угла полного сопротивления линии нет необходимости изменять угол максимальной чувствительности, поскольку при близких трехфазных к. з. реле работает от напряжения ПДЧ.

Реле направления мощности всех применяемых в настоящее время типов принято характеризовать такими зависимостями, как угловая характеристика, вольт-амперная характеристика и зависимость минимальной мощности срабатывания от тока в токовой обмотке. Все эти зави-

мощности при различных режимах работы

симости характерны для реле, обладающих конечной чувствительностью и отражающей последнюю. Для реле с использованием устройства для устранения «мертвой зоны» такие зависимости перестают быть необходимыми. Важной для данного случая может считаться угловая характеристика, используемая для идеальных реле направления мощности, для мощности срабатывания 5,р [1,6]. При удаленных к. з. такая характеристика представляет собой практически прямую линию нулевого вращающего момента Мвр , повернутую на угол внутреннего сдвига реле а относительно закрепленного вектора напряжения 0вс Для 90° схемы включения реле (рис. 2). Линия максимального момента расположена перпендикулярно к линии нулевого момента, Незаштрихованная область показывает зону изменения угла фр между током 7Р и напряжением £/р, внутри которой обеспечивается положительный вращающий момент. При к. з. в «мертвой зоне» такая характеристика вырождается в зону однозначного возбуждения ПДЧ по фазе (на рис. 2 эта зона заштрихована), внутри сектора 1 обеспечивается постоянный положи-

тельный момент, а в секторе II — отрицательный. Эта зона должна охватывать все возможные значения угла срр.

На рис. 3,а показана векторная диаграмма реле при питании его от напряжения сети. На этой диаграмме штрихами показана зона изменения угла фр, при котором обеспечивается однозначное предопределение фазы ПДЧ. По величине и расположению зоны видно, что однозначное возбуждение ПДЧ будет предопределено при 0^фр^90, то есть при всех возможных углах полного сопротивления петли к. з.

На рис. 3,6 приведена векторная диаграмма реле при к. з. вблизи места установки защиты, когда (/р= 0 и £/к = ¿7ктах • Поскольку векторы Iа и ик жестко между собой связаны, при любом значении фр обеспечивается постоянный угол Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Источник