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 обмотки w ₁, ПТТ подводится ток I_P от измерительного ТТ (I _A – I _B) защищаемого объекта; вторичная обмотка w ₂ замыкается на активное сопротивление резистора R, сзажимов которого снимается выходное напряжение U₂ = I₂R. Выразив с помощью коэффициента трансформации k_ПТТ = w ₂/ w ₁ ток I₂через I₁ получим, что выходное напряжение ПТТ

(2.21)

Коэффициент k_ПР = k_ПТТ является коэффициентом преобразования тока I₁ в напряжение U_ПТТ. Как следует из (2.21), он равен .

Выражение (2.21) показывает, что выходное напряжение пропорционально входному току I₁ = I_Рпри условии, что k_ПР – постоянная величина. Для выполнения этого условия ПТТ должен работать в линейной части характеристики I₂ = f (I_P) (рис. 2.39,б). Изменяя значения w ₁, w ₂ или сопротивления R,можно изменять значение k_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 w ₁ и w ₂ ПТТ. Высокочастотные токи (помехи), проходя через емкость С между витками первичной w ₁, и вторичной w ₂, 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 обмотка w ₁ ПТР замыкается на большое сопротивление нагрузки Z_H и практически работает в разомкнутом режиме, поэтому можно считать, что магнитный поток Ф_ПТР создается только МДС первичной обмотки I₁ w ₁. Тогда поток Ф_ПТР = I₁ w ₁/R_M ≡ I₁.

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

E₂ = 4,44Ф_ПТР w ₁ f = kФ_ПТР. (2.22)

Пренебрегая падением напряжения в X и R вторичной обмотки, получаем, что выходное напряжение трансреактора U₂≈Е₂и совпадает с ним по фазе.

Из (2.22) следует, что Е₂,а значит, и U₂ пропорциональны первичному току I_P, который является контролируемым током защищаемого объекта, т. е. выходное напряжение ПТР U₂ = E₂ = k_ПРI_P,здесь k_ПР является коэффициентом преобразования входного тока I_Pв выходное напряжение U₂. Векторная диаграмма рассматриваемых величин показана на рис. 2.39, г. Согласно закону индукции, на диаграмме векторы E ₂и U ₂ изображены отстающими по фазе от потока Ф ₁ следовательно, и от I ₁, на 90^o. В комплексной форме зависимость

U ₂ = E ₂ = –jk_ПР I ₁. (2.22а)

Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивление R_M магнитопровода трансреактора имеет повышенное значение. Это уменьшает магнитный поток Ф_ПТР и ограничивает насыщение магнитопровода.

При отсутствии насыщения коэффициент k_ПР выражении (2.22) постоянен и, как следствие этого, зависимость U₂(Е₂) от I_P имеет линейный характер (рис.2.39, 6).

С учетом того, что ток I ₁,сдвинут относительно U ₂на 90^o, величина k_ПР может рассматриваться как некоторое реактивное сопротивление X в цепи первичного тока I_P или как сопротивление взаимоиндукции М между первичной и вторичной обмотками трансреактора.

Промежуточный трансформатор напряжения ПТН (рис. 2.39, д) – обычно понижающий входное напряжение. К первичной обмотке ПТН подается напряжение U₁ снимаемое с ТН защищаемого объекта. Вторичная обмотка ПТН замкнута на нагрузку с сопротивлением R_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 = w ₁ /w ₂следовательно, 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_ПТН изменением числа витков w ₂, 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_Pи U_P спомощью 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 1и 3, при этом диоды 2 и 4 закрыты. В отрицательный полупериод ток i (стрелка с двумя штрихами) проходит в реле через диоды 2 и 4, которые в этом случае открываются, а диоды 1и 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 составляющей I_d, равной среднему за период значению выпрямленного тока, и переменной составляющей I_~, или I₁₀₀, являющейся синусоидальной функцией с частотой 100 Гц (рис. 2.40, г):

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока

(2.24) где I_m – амплитуда выпрямляемого тока i = 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 тока I_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

,частотой f ₂ = 2 f ₁, = 100 Гц.

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

Устройство для сглаживания пульсации тока ограничивает попадание переменных составляющих тока в реле. Подобные устройства показаны на рис. 2.41. В схеме на рис. 2.41, а последовательно с обмоткой реле KL включен дроссель L, индуктивное сопротивление которого XL = ωL = 2π f L = 2π ∙ 50L значительно для переменной составляющей с f ₂ = 100 Гц и равно нулю для постоянного тока.

В схеме на рис. 2.41, б обмотка реле KL, зашунтирована конденсатором С с сопротивлением X_C =1/ωC = 1/2 π f С. Большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой X_C мало, 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, в для сглаживания применен контур LC, 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 составляющей. Схемы на рис. 2.41, а и б дают наилучший результат для источников переменного тока с малым сопротивлением по отношению к нагрузкам (реле KL); схема на рис. 2.41, в более эффективна для источников с большим по отношению к нагрузке сопротивлением.

Наиболее распространенным является сглаживание с помощью контура RCпо 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.