2.20. Измерительные органы (реле) с двумя, входными величинами на интегральных микросхема.

К этой группе ИО относятся реле направления мощности (РНМ) и реле сопротивления (РС), входными величинами которых являются напряжение и ток защищаемого объекта (U_PиI_P).

Для построения РНМ на ИМС используется в основном принцип сравнения фаз двух входных величин (U_IиU_II), позволяющий получить большее быстродействие, чем у реле, построенных на сравнении абсолютных значений. Ниже рассмотрены реле серии РМ-11 и РМ-12, выпускаемые ЧЭАЗ вместо индукционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа РМ-10 изготовляются из отдельных транзисторов и ИМС (ОУ). В основу работы реле положена схема сравнения фаз двух синусоидальных напряженийu_1t =k₁U_pmsin(ωt+ φ) иu_2t =k₂U_pmsin(ωt+ φ), построенная на сопоставлении времени совпаденияt_СПоднополярных мгновенных значений этих напряже- ний с заданным временем совпадения (уставкой)t_У, при котором реле должно срабатывать. В § 2.18 показано, что значениеt_HC, определяется сдвигом фаз ψ между сравниваемыми напряжениями.

Параметры элементов схемы подобраны так, чтобы реле начинало действовать, если время совпадения превышает четверть периода промышленной частоты, т. е. если t_СП>t_У. В данном реле это соответствует сдвигу фаз междуU_IиU_II, равному 90^o.

Особенностью фазосравнивающей схемы реле РМ-10 является разделение ее на две параллельные части – два канала прохождения сигналов сравниваемых напряжений. В одном измеряется время совпадения положительных значений U_IиU_II, а в другом отрицательных мгновенных значений этих же напряжений. Такое разделение с последующим суммированием выходных сигналов обоих каналов устраняет влияние апериодической составляющей.

Рассмотрим структурную схему реле, показанную на рис. 2.70,а. Напряжение U_Pи токI_Pот ТТ и ТН поступают на вход блоков 1 и 2, являющихся промежуточными преобразователями напряжения и тока. В блоках 1 и 2 входные сигналы преобразуются в пропорциональные им напряженияU_U=k_UU_PиU_I=k_II_P, а затем напряжениеU_U, сдвигается по фазе относительно вектораU_Pс помощью фазоповоротной схемы на некоторый постоянный угол α, аU_Iпроходит через фильтр, снижающий уровень высших гармоник. Сдвиг по фазе напряженияU_UотносительноU_Pобеспечивает получение требуемого угла максимальной чувствительности ψ_М.Чи угловой характеристики срабатывания реле. В результате указанных преобразований на выходе блока 1 появляется напряжениеU_I, а блока 2 –U_II.

Выходные напряжения U_I=U_U–e^jα =k₁U_P иU_II=k₂I_Pблоков 1 и 2 поступают на блоки 3 и 3' фазосравнивающей схемы (ФСС). Блок 3 выявляет и фиксирует совпадение мгновенных значенийU_IиU_IIположительного знака, а блок 3 – тех же напряжений отрицательного знака. В интервале времени совпадения мгновенных значенийU_IиU_IIположительной полярности на выходе блока 3 появляется напряжениеU_СП+прямоугольной формы, а при совпадении отрицательных значений такое же по форме и амплитуде напряжениеU_СП–появляется на выходе блока 3 (рис. 2.70, б).

Каждый из сигналов (U_СП+иU_СП–) поступает на блоки 4 и 4', которые являются интеграторами. Они выполняются в виде цепейRС4 иRС5 с одинаковыми значениямиRи С. По мере заряда конденсаторов С4 и С5 на выходе соответствующего интегратора появляются напряженияU_U+=U_C4на 4 иU_U–=U_C5на 4'. ЗначенияU_U+иU_U–пропорциональны длительности положительных и отрицательных сигналов совпаденияU_U+≡t_СП+, аU_U–≡t_СП–. Каждое из этих напряжений нарастает на обкладках конденсаторов С интеграторов 4 и 4' по экспоненте, имеющей в начальной части линейный характер. После исчезновения напряжения, фиксирующего совпадение входных величин (U_U+иU_U–), конденсатор интегратора разряжается.

С интеграторов оба напряжения приходят на вход аналогового сумматора (R16,R17), где происходит их сложение. НапряженияU_U+иU_U–, как и результирующее напряжениеU_Σ, равное их сумме, имеют пилообразный характер (рис. 2.70, б).

С выхода сумматора результирующее напряжение U_Σподводится к блоку 5 – реагирующему элементу РЭ фазосравнивающей схемы ФСС, который выполняется в виде порогового компаратора релейного действия триггера Шмитта. Триггер срабатывает при появлении на его входе напряженияU_Σ=U_ОП, значение которого соответствует продолжительности времени совпаденияt_СП≥ 0,005 с (что имеет место, когда сдвиг фаз междуU_IиU_IIравен 90^о). При этом условииU_Σ≥U_ОПпорога триггера, и на выходе РЭ появляется сигнал отрицательного знакаU_ВЫХРЭ= –U_MAX. Этот сигнал поступает на транзисторный усилитель 6, под действием которого промежуточное реле усилителя К срабатывает и замыкает контакт.

Принципиальная фазосравнивающая схема реле РМ-11 приведена на рис. 2.71, в. Реле типа РМ-12 отличается от приведенной схемы только в части схемы блоков 1 и 2, поскольку оно имеет регулировку чувствительности и другой φ_М.Ч. Схема блока 1 (рис. 2.71, а) состоит из промежуточного трансформатора напряжений (ТVL) и двух фазосдвигающих контуровR1, С1 и С2, подключаемых ко вторичной обмотке ТVLпереключателямиSВ1,SВ3 илиSВ2,SВ4. Трансформатор ТVLпреобразуетU_P(блок 1) в пропорциональное ему напряжениеkU_Pтребуемого уровня, а фазосдвигающие контуры обеспечивают получение одного из двух заданных значений угла максимальной чувствительности φ_М.Ч= – 35^o(при замыканииSВ1,SВ3) и φ_М.Ч= – 45^o(при замыканииSВ2 иSВ4). Преобразователь токаI_P (блок 2) состоит из промежуточного трансформатора тока (ТАL), замкнутого наR2 (рис. 2.71, б). НапряжениеU_Pна зажимахR2 пропорционально токуI_Pи совпадает с ним по фазе. К ТАL. подключены: стабилитроныVD1 иVD2, ограничивающие напряжение наR2 при больших токахI_P; контурR3, С3,VD3,VD4, осуществляющий коррекцию φ_М.Чпри искажении формы вторичного напряжения ТАL; контурR4, С4, отфильтровывающий высшие гармоники в токеI_P.

В результате преобразования входных величин I_PиU_Pна выходе блока 1 появляется напряжениеU_I, а блока 2 –U_II. Эти напряжения поступают на ФСС (рис. 2.71, в), который осуществляет фиксацию совпадения знаков сравниваемых напряженийU_IиU_II, измерение времени их совпаденияt_СПи сравнение его с заданным значением.

Схему можно разделить на три части. Первой частью ФСС является схема, фиксирующая совпадение знаков мгновенных значений U_IиU_II. Она выполнена на транзисторахVT1 иVТ2, диодахVDЗ-VD6, резисторахR6-R9. ДиодыVD3-VD6 исполняют функции ключа, пропускающего на базыVТ1 иVТ2 управляющие их работой сигналы положительного знака, уровень которых зависит от сопротивленийR6-R9. Выходные сигналы схемы совпадения знаков сравниваемых напряженийU_IиU_IIснимаются с коллекторов транзисторовVТ1 иVТ2 в точках К1 и К2 и поступают на вторую часть ФСС – интеграторы (блоки 4 и 4' на рис. 2.70, а), фиксирующие длительность совпадения знаков сравниваемых величинt_СП. Интегратор, получающий сигнал с коллектораVТ1, состоит из С4,R12,R14,VD9. Интегратор, связанный с коллекторомVТ2, состоит из С5,R13,R15,VD10.

К выходу интеграторов (в точках mиn) подключен диодный мостVS1, ограничивающий уровни напряжений, снимаемых с конденсаторов С4 и С5. Выходные сигналы интеграторовU_C4иU_C5поступают на суммирующие сопротивленияR16 иR17 аналогового сумматора. Суммарное напряжениеU_Σ, снимаемое со средней точки сумматора, поступает на третью часть ФСС – инвертирующий вход порогового компаратора А1 с положительной ОС (ПОС) (триггер Шмитта на ОУ). Обратная связь триггера А1 выполнена на делителе напряжения из R19,R21,R22 и диодахVD15 иVD16. В качестве порогового напряжения срабатыванияU_ОП.С, и возвратаU_ОП.Втриггера на Н-вход ОУ подается напряжение, снимаемое сR21 иR22. ДиодыVD15 иVD16 разделяют цепи срабатывания и возврата.

Выход триггера ОУ связан с выходным блоком (усилителем), состоящим из транзисторов VТЗ,VТ4 и промежуточного реле типа РП-13 или геркона РПГ-5 (КL1) (рис. 2.71,г). РелеKL1 срабатывает при появлении на выходе триггера А1 сигнала отрицательного знака, означающего, что РНМ сработало.

Фазосравнивающая схема и схема выходного блока питаются от стабилитронного делителя, включенного между плюсом и минусом напряжения постоянного тока 220 или 110 В: на делителе имеются ответвления ± 28, + 10, -5 и 0 В. Предусмотрена возможность использования в качестве источника питания выпрямленного напряжения, получаемого с помощью комбинированного блока питания, включаемого на напряжение и ток сети.

Работа элементов ФСС. При появлении входных сигналовU_PиI_Pна входе схемы совпадения ФСС появляются сравниваемые напряженияU_IиU_II. Поведение транзисторовVT1 иVT2 будет определяться состоянием диодовVD3-VD6, через которые на базы транзисторов поступает управляющий сигнал с полярностью входных сигналовU_IиU_II, приходящих на анодный вход диодов в точках а иb, с иd

При положительной полуволне входного сигнала, например U₁, один вход источника сигнала (связанный с точкойb) в течение этого полупериода будет иметь положительный потенциал (+), потенциал второго входа а (относительно первого) будет отрицательным (-) (рис. 2.71,в). При указанной полярности во время положительной полуволны диодVD5 будет открыт и через него на базуVТ2 пройдет сумма двух положительных сигналов: от источника входного сигнала +U₁и от источника питания +Е_П. диодVD3 будет заперт, так как точка а имеет отрицательный потенциал, под действием которогоVТ1 закрыт.

Аналогично при положительной полярности U_II(с учетом стрелки на рис. 2.71, б), показывающей направление положительного напряженияU_II, точкаdсвязана с входом, имеющим положительный потенциал, поэтому диодVD6 будет открыт и пропустит суммарный положительный сигнал на базу транзистораVТ2, под действием которого он будет открыт. Точка с связана с входом, имеющим отрицательный потенциал, следовательно, диодVD4 закрыт.

Под действием отрицательного напряжения смещения (-S_B) транзисторVТ1 будет закрыт. Следовательно, при совпадении положительных знаков мгновенных значенийU_IиU_IIодин транзисторVТ2 будет полностью открыт положительным напряжениям, поступающим на его базу через диодыVD5 иVD6, а второй транзисторVТ1 будет заперт.

При совпадении сравниваемых сигналов отрииательного знака стрелки, обозначающие полярность напряжений U_IиU_II, будут направлены противоположно показанным на рис. 2.71, в, соответственно изменится полярность точек а,b, с,d. В результате этого транзисторVT1 откроется, аVТ2 закроется. Таким образом, при совпадении знаков сравниваемых напряжений (U_IиU_II) во время положительных полуволн закрыт транзисторVТ1 и открытVТ2, а во время отрицательных полуволнVТ2 закрыт,VТ1 открыт.

При различной полярности сравниваемых входных сигналов оба транзистора будут открыты одновременно, при этом их выходные сигналы (напряжения на коллекторах) равны нулю.

Во время одновременного открытия обоих транзисторов реле не должно работать, а при поочередном открытии VТ1 иVТ2 (одного – при совпадении положительных знаковU_IиU_II, а второго – отрицательных) реле должно сработать, если продолжительность совпадения соответствует заданной (t_СП=t₃), значениеt₃, определяется порогом срабатыванияU₀триггера А1.

Выходной сигнал схемы совпадения в виде напряжения U_K1иU_K2, снимаемого с коллекторовVТ1 иVТ2, приходит на интеграторы, измеряющие продолжительность сигналов:U_K1 – совпадения сигналов положительного знака,U_K2 – отрицательного.

Работа интеграторов. Когда знаки сравниваемых напряжений совпадают, один из транзисторов будет закрыт и его выходное коллекторное напряжение в точке K1 (или К2) близко к напряжению Е_Писточника питания. В этом режиме выходное напряжение закрытого транзистора, поступившее на соответствующий интегратор, начинает заряжать его конденсатор. Допустим, что совпадают положительные значенияU_IиU_IIи закрыт транзисторVТ1. Тогда под действиемU_K1заряжается С4 током, проходящим по контуру, образованномуR12, через точку К1 и открытый диодVD9. В это же время через второй открытый транзисторVТ2 начинается разряд С5, поскольку напряжение коллектора открытого транзистораU_K2≈ 0. Ток разряда противоположен току заряда (разряд происходит по контуруR15,VТ2, нулевая шинка, шинка + 10 В, нижняя обкладка конденсатора С5). НапряжениеU_C4на заряжающемся конденсаторе С4 нарастает, его конечное значение зависит от времени совпаденияt_СПзнаковU_IиU_IIв течение каждого полупериода промышленной частоты:U_C4≡t_СП.

Напряжение на разряжающемся С5 снижается, его конечное значение в пределах полупериода также зависит от t_СП:U_C5≡ – 0,5Т –t_СП(рис. 2.70, б).

После прекращения совпадения положительных полуволн VТ1 снова открывается, С4 начинает разряжаться черезR14 и открытыйVТ1, диодVD9 в этом режиме закрыт.

При совпадении по времени отрицательных полуволн U_IиU_IIтранзисторVT2 закрывается, С5 заряжается черезR15 и диодVD9 (рис. 2.71, в). Заряд и разряд С4, С5 происходит по экспоненциальному закону, но в начальной части экспонента имеет линейный характер, поэтому на диаграмме рис. 2.70, б характер измененияU_C4иU_C5показан в виде прямых линий.

Выходное напряжение интеграторов U_C4,U_C5приходит на сумматор изR16 иR17 и с их общей точки Σ поступает на интегрирующий вход А1 триггера Шмитта. СопротивлениеR₁₆=R₁₇, поэтому суммарное напряжение точки Σ равно полусумме напряжений конденсаторовU_Σ= 0,5(U_C4+U_C5).

Пока напряжение U_Σ, поступающее на И-вход А1, меньше опорного напряжения, установившегося на Н-входе (U_ОП.С=U_R21), на выходе А1 остается неизменным напряжение положительной полярностиU_выхА1= +U_max. Опорное напряжение выбирается так, чтобы реле начинало работать при сдвиге фаз ψ междуU_IиU_II, равном 90^o, чему соответствует время совпадения, равное четверти периода промышленной частоты, т. е.t_СП= 0,005 с. При сдвиге фаз ψ = 90^o, но меньше 270^o, напряжение на И-входе становится равным или больше опорного:U_Σ≥U_ОП. При достижении этого уровня триггер А1 переключается, и на его выходе вместо положительного сигнала появляетсяU_выхА1= –U_max, имеющее отрицательный знак. Это напряжение поступает на базу транзистораVТ3 выходного блока (рис. 2.71, г), транзистор закрывается и дешунтирует обмотку (реле)KL1, оно срабатывает и подает командный выходной сигнал о действии РНМ.

После срабатывания А1 и появления на его выходе напряжения отрицательной полярности U_MAXдиодVD15 закрывается (рис. 2.71, в), аVD16 открывается. В результате этого на Н-входе появляется новое пороговое напряжениеU_R22. Это напряжение определяет уровень напряжения на И-входе, необходимого для возврата триггера А1 в исходное состояние. Пороговое напряжение возвратаU_ОП.Ввыбирается нижеU_ОП.Счтобы обеспечить непрерывность выходного сигнала А1, когда входной сигналU_Σпилообразной формы близок к напряжению срабатыванияU_ОП.С.

Ограничитель напряжения. При заряде С4 и С5 (рис. 2.71, в) уровень напряжения между их обкладками (U_C4,U_C5) зависит от значенияt_СПи будет наибольшим при ψ = 0, т. е. когда фазыU_IиU_IIсовпадают, а сдвиг фаз междуU_PиI_Pравен φ_М.Ч(в этом случаеt_СП= 0,5 периода). Для ограничения роста напряженияU_Cиспользуется мостVS1. НапряженияU_C4иU_C5подаются на точкиmиnмоста (рис. 2.71, в). Два других зажима моста подключаются: один – к шинке +10 В, второй – к резистору 223. Попустим, что идет заряд С4. ПокаU_C4мало, диодыVD11 иVD12 мостаVS1 заперты положительным напряжениемU₂₃, поступающим сR23, – это напряжение является предельнымU_ОГРограничивающим верхнее значениеU_C4. Как только нарастающее напряжениеU_C4достигает уровняU_ОГР=U_R23, диодVD12 моста открывается и рост напряжения на С4 останавливается на уровнеU_C4=U_ОГР+U_Д, гдеU_Д– падение напряжения в открытом диоде. Аналогично происходит ограничениеU_C5на конденсаторе С5 с помощью диодаVD11. ОграничительVS1 используется в схеме реле и при разряде конденсаторов для ограничения минимального уровня. Как видно из схемы (рис. 2.71, в), нижняя обкладка конденсаторов С4 и С5 жестко соединена с шинкой +10 В, а верхняя связана с точкамиmиnдиодного моста. При полном открытии одного из транзисторов схемы совпадения, напримерVТ1, на конденсаторе С4 появится напряжениеU_K1= 0, и он начнет разряжаться. Тогда диодVD14 мостаVS1 откроется и зашунтирует С4, так как анодный вход диодаVD114 соединен с шинкой +10 В, а точка и моста получила нулевой потенциал. Следовательно, предельным уровнем напряжения при разряде С4 будет падение напряжения в открытом диодеVD14, взятое с обратным знаком.

При разряде С5 предельным значением U_C5будет падение напряжения в открытом диодеVD13, взятое с обратным знаком.

Основными параметрами реле РМ-11 являются: время срабатывания при φ = φ_М.Ч= 30 мс; чувствительностьU_P.CP= 0,25 В; ток срабатыванияI_CP= 0,25I_HOM, потребление цепи переменного токаS_Ц.Т= 0,15 В • А, переменного напряженияS_Ц.H= 01 В • А, цепей оперативного токаS_O.T= 10 Вт.