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 w1, ПТТ подводится ток IP от измерительного ТТ (IA – IB) защищаемого объекта; вторичная обмотка w2 замыкается на активное сопротивление резистора R, сзажимов которого снимается выходное напряжение U2 = I2R. Выразив с помощью коэффициента трансформации kПТТ = w2/ w1 ток I2через I1 получим, что выходное напряжение ПТТ
(2.21)
Коэффициент kПР = kПТТ является коэффициентом преобразования тока I1 в напряжение UПТТ. Как следует из (2.21), он равен .
Выражение (2.21) показывает, что выходное напряжение пропорционально входному току I1 = IРпри условии, что kПР – постоянная величина. Для выполнения этого условия ПТТ должен работать в линейной части характеристики I2 = f(IP) (рис. 2.39,б). Изменяя значения w1, w2 или сопротивления R,можно изменять значение kПР.
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 w1 и w2 ПТТ. Высокочастотные токи (помехи), проходя через емкость С между витками первичной w1, и вторичной w2, 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 w1 ПТР замыкается на большое сопротивление нагрузки ZH и практически работает в разомкнутом режиме, поэтому можно считать, что магнитный поток ФПТР создается только МДС первичной обмотки I1w1. Тогда поток ФПТР = I1w1/RM ≡ I1.
Магнитный поток ФПТР индуцирует во вторичной обмотке ПТР ЭДС Е2, действующее значение которой определяется по известному выражению
E2 = 4,44ФПТРw1f = kФПТР. (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 IP, который является контролируемым током защищаемого объекта, т. е. выходное напряжение ПТР U2 = E2 = kПРIP,здесь kПР является коэффициентом преобразования входного тока IPв выходное напряжение U2. Векторная диаграмма рассматриваемых величин показана на рис. 2.39, г. Согласно закону индукции, на диаграмме векторы E2и U2 изображены отстающими по фазе от потока Ф1 следовательно, и от I1, на 90o. В комплексной форме зависимость
U2 = E2 = –jkПРI1. (2.22а)
Благодаря наличию воздушного зазора δ магнитное сопротивление RM магнитопровода трансреактора имеет повышенное значение. Это уменьшает магнитный поток ФПТР и ограничивает насыщение магнитопровода.
При отсутствии насыщения коэффициент kПР выражении (2.22) постоянен и, как следствие этого, зависимость U2(Е2) от IP имеет линейный характер (рис.2.39, 6).
С учетом того, что ток I1,сдвинут относительно U2на 90o, величина kПР может рассматриваться как некоторое реактивное сопротивление X в цепи первичного тока IP 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 RH,значительно превышающим его внутреннее сопротивление: RH >> RПТН.
Это позволяет с некоторым приближением считать, что ПТН работает в режиме холостого хода. В этом режиме коэффициент трансформации ПТН kПТН = U2/U1 = w1/w2следовательно, 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 kПТН изменением числа витков w2, 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 IPи UP 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 = Imsinωt, 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 Id, 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 Im – амплитуда выпрямляемого тока i = Imsinωt, Icpi – среднее значение выпрямленного тока.
Переменная составляющая
i100 = I2cosωt = 0,425Im cos2ωt. (2.24а)
Из (2.24) следует, что постоянная составляющая Id пропорциональна максимальному значению выпрямленного тока Im 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)Im + (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 f2 = 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 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 = 2πf L = 2π ∙ 50L значительно для переменной составляющей с f2 = 100 Гц и равно нулю для постоянного тока.
В схеме на рис. 2.41, б обмотка реле KL, зашунтирована конденсатором С с сопротивлением XC =1/ωC = 1/2 πf С. Большая часть переменной составляющей выпрямленного тока, для которой XC 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.
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 422;