2.14. Типовьп функциональные элемгенты полупроводниковых ио

Изучение принципов выполнения схем различных видов ИО (реле) следует начать с рассмотрения отдельных типовых схем функциональных элементов, с помощью которых реализуются описанные выше функции структурных частей ИО, поскольку из этих элементов компонуются схемы измерительных органов полупроводниковых РЗ. К таким элементам относятся промежуточные преобразователи тока и напряжения, частотные фильтры, выпрямители, сумматоры напряжений, схемы сравнения и ряд других элементов, построенных в большинстве случаев на ИМС [40, 45, 53].

Функциональные элементы воспринимающей части ИО. В качестве функциональных элементов этой части используются преобразователи тока, напряжения и выпрямители.

Преобразователи тока. Одной из функций воспринимающей части является преобразование входного тока в пропорциональное ему напряжение. Эта операция, наряду с другими, отмеченными выше функциями воспринимающей части, выполняется посредством промежуточных трансформаторов тока (ПТТ) или трансреакторов (ПТР), которые наиболее просто исключают непосредственную гальваническую связь ИО с внешними цепями переменного тока.

Промежуточные трансформаторы тока (рис. 2.39,а). В первичные обмоткиw₁, ПТТ подводится токI_Pот измерительного ТТ (I_A–I_B) защищаемого объекта; вторичная обмоткаw₂замыкается на активное сопротивление резистораR, с зажимов которого снимается выходное напряжениеU₂=I₂R. Выразив с помощью коэффициента трансформацииk_ПТТ=w₂/ w₁токI₂ черезI₁получим, что выходное напряжение ПТТ

(2.21)

Коэффициент k_ПР=k_ПТТявляется коэффициентом преобразования токаI₁в напряжениеU_ПТТ. Как следует из (2.21), он равен.

Выражение (2.21) показывает, что выходное напряжение пропорционально входному току I₁=I_Р при условии, чтоk_ПР– постоянная величина. Для выполнения этого условия ПТТ должен работать в линейной части характеристикиI₂ = f(I_P) (рис. 2.39,б). Изменяя значения w₁, w₂или сопротивленияR, можно изменять значениеk_ПР.

В конструкции ПТТ предусматривается экран (показан пунктиром). Экран выполняется в виде дополнительной однослойной обмотки, расположенной между первичной и вторичной обмотками ПТТ. Экран защищает питающиеся от вторичной обмотки элементы от высокочастотных помех, появляющихся по разным причинам в цепях w₁иw₂ПТТ. Высокочастотные токи (помехи), проходя через емкость С между витками первичнойw₁, и вторичнойw₂, обмоток и экраном, замыкаются через последний на нулевую шинку, для этого один конец экрана Э должен быть обязательно связан с нулевой шинкой ("землей"). При таком включении емкость С со стороны экрана будет иметь нулевой потенциал, что надежно препятствует прохождению через нее токов помех, появившихся на первичной обмотке ПТТ.

Промежуточный трансреактор (ПТР) (рис. 2.39, в) представляет собой трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе. Как и ПТТ, он выполняет все функции воспринимающей части ИО. Первичная обмотка в, трансреактора включается последовательно во вторичную цепь измерительного ТТ. Вторичная обмоткаw₁ПТР замыкается на большое сопротивление нагрузкиZ_Hи практически работает в разомкнутом режиме, поэтому можно считать, что магнитный поток Ф_ПТРсоздается только МДС первичной обмотки I₁w₁. Тогда поток Ф_ПТР= I₁w₁/R_M≡I₁.

Магнитный поток Ф_ПТРиндуцирует во вторичной обмотке ПТР ЭДС Е₂, действующее значение которой определяется по известному выражению

E₂ = 4,44Ф_ПТРw₁f = kФ_ПТР. (2.22)

Пренебрегая падением напряжения в XиRвторичной обмотки, получаем, что выходное напряжение трансреактораU₂ ≈ Е₂ и совпадает с ним по фазе.

Из (2.22) следует, что Е₂, а значит, иU₂пропорциональны первичному токуI_P, который является контролируемым током защищаемого объекта, т. е. выходное напряжение ПТРU₂=E₂=k_ПРI_P, здесьk_ПРявляется коэффициентом преобразования входного токаI_P в выходное напряжениеU₂. Векторная диаграмма рассматриваемых величин показана на рис. 2.39,г. Согласно закону индукции, на диаграмме векторыE₂ иU₂ изображены отстающими по фазе от потокаФ₁следовательно, и отI₁, на 90^o. В комплексной форме зависимость

U₂ = E₂ = –jk_ПРI₁. (2.22а)

Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивление R_Mмагнитопровода трансреактора имеет повышенное значение. Это уменьшает магнитный поток Ф_ПТРи ограничивает насыщение магнитопровода.

При отсутствии насыщения коэффициент k_ПРвыражении (2.22) постоянен и, как следствие этого, зависимостьU₂(Е₂) отI_P имеет линейный характер (рис.2.39, 6).

С учетом того, что ток I₁, сдвинут относительноU₂ на 90^o, величинаk_ПРможет рассматриваться как некоторое реактивное сопротивлениеXв цепи первичного токаI_Pили как сопротивление взаимоиндукцииМ между первичной и вторичной обмотками трансреактора.

Промежуточный трансформатор напряжения ПТН (рис. 2.39, д) – обычно понижающий входное напряжение. К первичной обмотке ПТН подается напряжениеU₁снимаемое с ТН защищаемого объекта. Вторичная обмотка ПТН замкнута на нагрузку с сопротивлениемR_H, значительно превышающим его внутреннее сопротивление:R_H>>R_ПТН.

Это позволяет с некоторым приближением считать, что ПТН работает в режиме холостого хода. В этом режиме коэффициент трансформации ПТН k_ПТН=U₂/U₁ = w₁/w₂ следовательно, напряжение

(2.23)

С учетом (2.23) коэффициент преобразования выбирается из условия получения напряжения U₂, допустимого для полупроводниковых элементов.

Для изменения уставки срабатывания предусматривается ступенчатое регулирование k_ПТНизменением числа витковw₂, возможно регулирование с помощью делителя напряжения по рис. 2.39,д.

В конструкции ПТН предусматривается экран для тех же целей, что и в предыдущих схемах.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямленное). В ИО, построенных на сравнении выпрямленных токов и (или) напряжений, функция выпрямления осуществляется в воспринимающей части (после преобразования I_P иU_Pс помощью рассмотренных выше ПТТ, ПТР, ПТН). При этом в составе этой части появляются дополнительные функциональные элементы: выпрямитель и сглаживающее устройство.

Выпрямители. Наиболее распространенной схемой выпрямителя, широко применяемой в релейной технике, является двухполупериодная мостовая схема, собранная на полупроводниковых диодах VD (рис. 2.40, а). Двухполупериодные выпрямители применяются в воспринимающей и преобразующей частях ИО, использующих для формирования из входных синусоидальных токов и напряжений сравниваемых величин.

В положительный полупериод переменный ток i=I_msinωt, показанный стрелкой с одним штрихом, проходит через реле по двум открытым для положительного тока диодам 1 и 3, при этом диоды 2 и 4 закрыты. В отрицательный полупериод токi(стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через диоды 2 и 4, которые в этом случае открываются, а диоды 1 и 3 закрываются.

Таким образом, после выпрямителя ток идет через реле все время в одном направлении как в положительный, так и в отрицательный полупериод переменного тока. Кривая выпрямленного тока имеет пульсирующий характер (рис. 2.40, в), изменяясь от нуля до максимума, но в отличие от кривой переменного тока она сохраняет постоянный знак. Выпрямленный ток можно представить как сумму постоянной составляющейI_d, равной среднему за период значению выпрямленного тока, и переменной составляющейI_~, илиI₁₀₀, являющейся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис. 2.40,г):

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока

(2.24) гдеI_m – амплитуда выпрямляемого токаi=I_msinωt,I_cpi – среднее значение выпрямленного тока.

Переменная составляющая

i₁₀₀ = I₂cosωt = 0,425I_m cos2ωt. (2.24а)

Из (2.24) следует, что постоянная составляющая I_d пропорциональна максимальному значению выпрямленного токаI_m и может поэтому рассматриваться как модуль его вектора.

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

При двухполупериодном выпрямлении синусоидального тока переменные составляющие ряда Фурье состоят только из четных гармоник:

=(2/π)I_m + (2/1,3)cos2ωt − (2/3,5)cos4ωt + (2/5,7)cos6ωt + …

Составляющими 4-й и более высоких гармоник пренебрегают и считают, что переменная слагающая выпрямленного тока состоит в основном из 2-й гармоники с амплитудой, равной

, частотойf₂= 2 f₁, = 100 Гц.

Если пульсация выпрямленного тока недопустима, то ее необходимо устранять (точнее, уменьшать), для чего применяется устройство, сглаживающее пульсацию.

Устройство для сглаживания пульсации токаограничивает попадание переменных составляющих тока в реле. Подобные устройства показаны на рис. 2.41. В схеме на рис. 2.41,а последовательно с обмоткой релеKLвключен дроссельL, индуктивное сопротивление которогоXL= ωL= 2πf L= 2π ∙ 50L значительно для переменной составляющей сf₂= 100 Гц и равно нулю для постоянного тока.

В схеме на рис. 2.41, б обмотка релеKL, зашунтирована конденсатором С с сопротивлениемX_C= 1/ωC= 1/2 πfС. Большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которойX_Cмало, замыкается через конденсатор С, минуя реле. Для постоянной составляющей конденсатор является бесконечно большим сопротивлением, и поэтому она полностью замыкается через обмотку реле. Такое реле реагирует на среднее значение тока.

В схеме на рис. 2.41, вдля сглаживания применен контурLC, настроенный в резонанс на частоту 2-й гармоники 100 Гц, преобладающей в выпрямленном токе. Такой фильтр свободно пропускает постоянную составляющую через индуктивностьLи представляет большое сопротивление для переменной составляющей. Схемы на рис. 2.41,а и б дают наилучший результат для источников переменного тока с малым сопротивлением по отношению к нагрузкам (релеKL); схема на рис. 2.41, в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением.

Наиболее распространенным является сглаживание с помощью контура RC по схеме на рис. 2.41,г.

Изучение функциональных элементов формирующих и сравнивающих частей следует начать с рассмотрения типовых ИМС, на базе которых построены элементы указанных структурных частей.