Статическое реле

Статическое реле

Статические реле представляют собой модульные полупроводниковые приборы, содержащие электронные ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. Они применяются для замены традиционных электромагнитных реле.

В статическом реле от источника сигнала берётся лишь информация, а в электромеханическом реле потребляется энергия, необходимая для обработки информации и выполнения переключений в выходных цепях. В статических реле энергия для их функционирования берётся от постороннего источника (сеть оперативного тока) и тем самым снижается нагрузка на датчики информации. Связь с внешним – недостаток статических реле, т.к. к ним требуется подводить дополнительные коммуникации и обеспечивать надлежащую надёжность питания.

В статических реле удалось существенно улучшить коэффициент возврата 𝑘в . Его типовое значение составляет 0,95 … 0,97 (для реле минимального действия 𝑘в = 1,05 … 0,03 ). Механические реле обычно имеют 𝑘в = 0,8 … 0,9 (и, соответственно, 𝑘в = 1,2 … 1,1). Улучшены и такие характеристики, как: точность работы реле; отстроенность реле от влияния апериодической составляющей и высших гармоник. Расширились диапазоны контроля входных величин.

Время срабатывания осталось практически на том же уровне, что и у механических реле, т.е. 𝑡_ср = (1,5 … 3,0) ∙ 𝑇 = (30 … 60) мс.

На вход реле наряду с полезной составляющей могут попадать гармоники и субгармоники, в общем случае и непериодические составляющие. В грамотно спроектированном реле, т.е. хорошо отстроенном от влияния указанных помех, время определения уровня сигнала будет ещё больше.

Реле проектируются с учётом объективных требований, отсюда все реле, даже разных фирм-производителей, будут подобными во многих отношениях.

В релейной технике применяются реле с контактами — электромеханические, бесконтактные — на полупроводниках или на ферромагнитных элементах. У первых при срабатывании замыкаются или размыкаются контакты. У вторых — при определенном значении входной величины х скачкообразно меняется выходная величина у, например напряжение.

Плюсы применение полупроводниковых приборов (диодов и триодов):

• уменьшение размеров реле

• снижение потребления мощности от измерительных трансформаторов

• повышение чувствительности

• улучшение характеристики

• выполнение реле без контактов и движущихся частей.

Таким образом, полупроводниковое реле представляет собой уже полностью электронное устройство, без подвижного механического контакта, которое служит для включения/выключения мощных нагрузок в силовых цепях, путем подачи низкого управляющего напряжения на вход управления электронного устройства.

Минусы полупроводниковых приборов:

• имеют большие разбросы характеристик

• зависимость параметров от температуры

• нелинейность сопротивлений

Однако при учете этих недостатков в процессе конструирования их нежелательное влияние на параметры реле можно ограничить до допустимых пределов.

Требования к статическим реле:

• Простота исполнения;

• Высокая надёжность;

• Низкая стоимость реле;

• Высокая помехозащищённость;

• Требуемая точность.

Одновременное выполнение этих требований приводит к типовым схемотехническим решениям. Например, входной преобразователь должен обеспечивать, наряду с линейным преобразованием контролируемого сигнала, гальваническое разделение входной цепи и измерительной части реле. Наиболее простое решение получается при использовании электромагнитного трансформатора.

Выходной преобразователь обеспечивает гальваническое разделение выходной цепи и сети оперативного тока.

Структурная схема измерительной части

НФП

НФП - нелинейный функциональный преобразователь

БУ -блок усреднения (интегрирования),

ПЭ - пороговый элемент.

Примеры НФП:

1. Формирователь модуля.

В этом случае выходной сигнал НФП, при синусоидальном сигнале на входе 𝑥₁(𝑡) = 𝑋_𝑚sin𝜔𝑡, имеет вид

и наряду с постоянной составляющей (пропорциональной амплитуде) содержит высшие гармонические составляющие.

2) Операция квадратирования 𝑥₂(𝑡) = (𝑡). В этом случае выходной сигнал НФП при синусоидальном входном сигнале равен: 𝑥₂(𝑡)=0,5∙x_m²=0,5 и имеет наряду с постоянной составляющей вторую гармонику.

С помощью БУ высшие гармоники в первом случае и вторая гармоника во втором случае фильтруются.

На входе статических реле установлен заградительный фильтр, который позволяет убрать апериодическую составляющую из входных величин.

График заградительного фильтра с бесконечной импульсной характеристикой

Убрать апериодическую составляющую необходимо для согласования уставок.

ВРЕМЯ-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРИНЦИП

В статических реле наиболее широкое распространение получило нелинейное преобразование вида

Этот способ определения интегрального параметра носит название времяимпульсного. Контролируемый сигнал преобразуется из синусоидального в импульсный.

Временные диаграммы работы измерительной части

С использованием полупроводников могут выполняться как основные реле (т. е. реле тока, напряжения, мощности и сопротивления), так и элементы логической части схем защит (например, это используют чтобы реле не «клевало» или так можно задать выдержку времени. Преимущество такого подхода в том, что выдержка времени не сбрасывается сразу при достижении значения возврата реле, а возвращается постепенно, таким образом можно, например, отключить перемежающуюся дугу - МЧ).

Простые реле, реагирующие на одну электрическую величину— ток или напряжение, выполняются, как правило, на выпрямленном токе с помощью диодов. В качестве реагирующего (исполнительного) органа при этом используются высокочувствительные электромагнитные, поляризованные или магнитоэлектрические реле.

Более сложные реле, такие как реле мощности и сопротивления, реагирующие на две электрические величины — ток и напряжение, могут выполняться с использованием полупроводников на одном из следующих принципов:

1) на сравнении абсолютных значений двух электрических величин U_I и U_II. Такие реле выполняются на выпрямленном токе: в них сравниваемые напряжения переменного тока U_I и U_II выпрямляются, а затем сопоставляются по величине с помощью специальных схем сравнения (фазочувствительных схем);

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

Реле такого типа выполняются с помощью фазосравнивающих схем, позволяющих определить сдвиг фаз между U_I и U_II.

В обоих случаях сравниваемые величины U₁ и U_II являются линейными функциями тока I_р и напряжения U_р подводимых к реле, а именно:

, (1)

где k₁, k_1, k_1, k₁ -постоянные коэффициенты, не зависящие от U_p и I_p (могут быть комплексными).

Изменяя коэффициенты k₁ — k₄, можно получить реле разных типов и с различными характеристиками. К ним в первую очередь относятся реле направления мощности и реле сопротивления.

Полупроводниковые реле на сравнении абсолютных значений двух электрических величин, или, как их часто называют, реле на выпрямленном токе, разработаны в различных вариантах и получили широкое распространение.

Полупроводниковые реле на сравнении фаз разработаны в меньшей степени, но имеют определенную перспективу применения.

РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, РЕАГИРУЮЩИЕ НА ОДНУ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ВЕЛИЧИНУ

К реле, реагирующим на одну электрическую величину, относятся реле тока и напряжения. Наибольшее распространение получили реле, включаемые на ток или напряжение сети через выпрямители, выполняемые с помощью полупроводниковых диодов.

Рисунок 1. Токовое реле на выпрямленном токе. а-принципиальная схема; б-ток на входе выпрямителя; в-выпрямленный ток I; г-переменная I~ и постоянная I_d составляющие.

Устройство и принцип действия токового реле на выпрямленном токе показаны на рис. 1. Реле постоянного тока Р электромагнитное, поляризованное или магнитоэлектрическое включается на ток сети через выпрямитель В на полупроводниковых диодах. Наилучшей схемой выпрямителя, широко применяемой в релейной технике, является двухполупериодная мостовая схема, приведенная на рис.1а.

Как следует из рис. 1а, в положительный полупериод переменный ток I_t = 1_тsint, показанный стрелкой с одним штрихом, проходит через реле по двум открытым для положительного тока вентилям 1 и 3, при этом вентили 2 и 4 закрыты. В отрицательный полупериод ток I_t (стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через вентили 2 и 4, которые в этом случае открываются, а вентили 1 и 3 закрываются.

Из показанного на рис. 1а токораспределения видно, что ток после выпрямителя идет через реле все время в одном (положительном) направлении как в положительный, так и в отрицательный полупериод переменного тока.

Мгновенные значения выпрямленного тока пропорциональны соответствующим мгновенным значениям переменного тока, поэтому кривая выпрямленного тока |I| имеет пульсирующий характер (рис. 1в), изменяясь от нуля до максимума, но в отличие от кривой переменного тока она сохраняет постоянный знак.

Выпрямленный ток можно представить как сумму постоянной составляющей 1_d, равной среднему значению выпрямленного тока, и переменной, составляющей I, являющейся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис. 1г).

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

(2)

где I_m -амплитуда выпрямляемого тока I; I_ср - среднее значение выпрямленного тока.

Переменная составляющая:

Из (2) следует, что постоянная слагающая I_d пропорциональна максимальному значению выпрямляемого тока I и может поэтому рассматриваться как модуль (абсолютная величина) его вектора, т. е. I_d = k|I|.

Разложение выпрямленного тока на составляющие осуществляется с помощью ряда Фурье, согласно которому выпрямленный ток |I| состоит из постоянной слагающей и гармонических составляющих с нарастающей частотой и убывающими амплитудами.

При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока i = I_тsint переменные слагающие ряда Фурье состоят только из четных косинусоидальных гармоник.

В этом случае выпрямленный ток:

где I_d— постоянная слагающая ряда Фурье; I₂, I₄, I₆, … — амплитуды 2, 4, 6-й ... гармоник ряда; = 2 f₁ - угловая скорость выпрямляемого тока I, имеющего частоту f₁= 50 Гц.

Выражая постоянную и гармонические составляющие через амплитуду выпрямляемого тока 1_т, получаем:

Из (3) следует, что среднее значение выпрямленного тока |I| равно сумме средних значений его составляющих, и так как среднее значение каждой гармонической составляющей за период равно нулю, то I_ср = I_d.

Составляющие 4-й гармоники и выше очень малы, и поэтому ими пренебрегают, считая, что переменная слагающая выпрямленного тока состоит в основном из 2-й гармоники I₂ с амплитудой, равной , угловой скоростью 2 и частотой f₂=2f₁ = 100 Гц.

Пульсация выпрямленного тока вызывает вибрацию контактов исполнительного органа Р, поэтому ее необходимо устранять. Для этой цели применяются специальные устройства, сглаживающие кривую выпрямленного тока.

Устройство для сглаживания тока ограничивает попадание переменных составляющих тока в реле. Подобные устройства показаны на рис. 2. В схеме на рис. 2а последовательно с обмоткой реле Р включен дроссель L, индуктивное сопротивление которого х_L, =  L= 2 fL имеет значительную величину для переменной составляющей с f=100 Гц и равно нулю для постоянного тока. В результате постоянная составляющая выпрямленного тока свободно проходит в реле, а величина переменной ограничивается.

Рисунок 2. Схемы для сглаживания выпрямленного тока. а - с последовательным индуктивным сопротивлением; б - с шунтирующим конденсатором; в - с резонансным фильтром, не пропускающим тока с f=100 Гц; г - с расщеплением тока на три составляющие I₁, I₂, I₃; д – векторная диаграмма.

В схеме на рис. 2б обмотка реле Р зашунтирована конденсатором С, с сопротивлением которое обратно пропорционально f. Поэтому большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой х_с мало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим.

В рассматриваемых ниже схемах сравнения абсолютных значений двух электрических величин пульсация выпрямленного тока вызывает кроме вибрации нежелательную зависимость срабатывания реле от угла сдвига между сравниваемыми величинами.

В схеме на рис. 2в применен контур LС, настроенный в резонанс на частоту 2-й гармоники 100 Гц, преобладающей в выпрямленном токе. Такой фильтр свободно пропускает постоянную составляющую через индуктивность L и представляет большое сопротивление для переменной слагающей. Схемы на рис. 2а, 2б дают наилучший результат для источников переменного тока с малым сопротивлением по отношению к нагрузкам (реле Р) (то есть, ТТ); схема на рис. 2в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением (то есть, ТН).

Все приведенные схемы содержат индуктивность и емкость, замедляющие нарастание постоянной составляющей тока в обмотке реле, что вызывает замедление их действия. Особенно большое замедление создают схемы на рис. 2а, 2б.

В тех случаях, когда увеличение времени действия недопустимо, может применяться более сложная схема (рис. 2г). В этой схеме подлежащий выпрямлению ток I расщепляется на три составляющие I₁, I₂ и I₃, равные по величине и взаимно сдвинутые по фазе на 120° с помощью индуктивных и емкостных сопротивлений. Ток  рис. 2г, 2д. Каждый из этих токов самостоятельно выпрямляется, затем они суммируются и подаются, в обмотку реле (аналогично схеме Ларионова, см рисунок 3). Результирующий ток в реле I_р весьма близок к постоянному. Эта схема не влияет на быстродействие реле.

Рисунок 3. Диаграммы исходных и выпрямленных токов в схеме Ларионова

Кроме схемы реле тока и напряжения на выпрямленном токе, выполненной с использованием двухполупериодной мостовой схемы, имеется второй вариант исполнения - схема реле на сравнении измеряемой величины (тока I_p) с эталоном I_э. По этому варианту (рис. 4а) измеряемая величина U_и сравнивается с эталонной величиной U_э, изменяющейся по другому закону или имеющей постоянное значение (как показано на рис. 4б). Реле работает, если U_и ≥ U_э

Реле на выпрямленном токе отличаются малым потреблением и небольшими размерами.

Рисунок 4. Схема реле на сравнении измеряемой величины (тока I_p) с эталоном I_э (а) и характеристики срабатывания реле (б)

РЕЛЕ НА ВЫПРЯМЛЕННОМ ТОКЕ, СРАВНИВАЮЩИЕ АБСОЛЮТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ДВУХ НАПРЯЖЕНИЙ U_I и U_II

Общие принципы выполнения и структурная схема всех видов реле на сравнении абсолютных значений двух напряжений U_I и U_II одинаковые и показаны в виде блок-схемы на рис. 3. Реле состоят из суммирующего устройства 1 выпрямителей 2 (В1 и В2), схемы сравнения абсолютных значений U_I и U_II 3 и исполнительного органа 4.

Напряжение и ток сети U ð и I_p подводятся к суммирующему устройству, на выходе которого с помощью вспомогательных трансформаторов образуются два напряжения U_I и U_II , по выражениям (1). Каждое из этих напряжении выпрямляется двухполупериодными выпрямителями В1, В2 на полупроводниковых диодах. На их выходе получаются выпрямленные напряжения |U_I| и |U_II|, пропорциональные модулям (абсолютным значениям) векторов U_I и U_II.

Выпрямленные напряжения подводятся к схеме сравнения 3, где они вычитаются друг из друга, образуя на выходе схемы напряжение

На это напряжение к выходным зажимам схемы сравнения включается исполнительный орган 4.

|U_I | > |U_II| или |U_вых |>0, и не должно работать, если |U_I | ⩽ |U_II |.

Рисунок 4. Блок-схема реле на сравнении абсолютных значений двух напряжений U_I и U_II

Реле должно действовать при условии, что |U_I| ≤ |U_II|. В соответствии с этим исполнительный орган 4 должен действовать только при положительных значениях U_вых; это означает, что исполнительный орган должен быть направленным, т. е. реагировать на полярность подводимого к нему напряжения.

Напряжение U_I, вызывающее работу реле, называется рабочим, а U_II — тормозным; соответственно именуются элементы схемы, связанные с U_I и U_II. Изменяя с помощью суммирующего устройства характер зависимости сравниваемых напряжений U_I и U_II от U_р и I_p, можно получить как реле мощности, так и различные виды реле сопротивлений.

Рассмотренное реле работает на выпрямленном токе.

РЕЛЕ НА СРАВНЕНИИ ФАЗ ДВУХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН U1 и UII

Общие принципы выполнения реле. На сравнении фаз двух электрических величин можно выполнять 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_р и I_p.

Рисунок 5. Реле на сравнении U_I и U_II (а); угловая характеристика работы реле (б) и угловая характеристика реле направления мощности (в)

Принцип действия. Реле на сравнении фаз (рис. 5a) состоят из устройства сравнения фаз (фазосравнивающей схемы) 1 и исполнительного органа 2, реагирующего на знак выходного напряжения U_вых.