Полупроводниковые реле

Полупроводниковые реле в отношении быстродействия, селективности и надежности превосходят электромагнитные. В ряде случаев полупроводниковые реле обладают характеристиками, которые невозможно получить с помощью электромагнитных реле.

Рассмотрим некоторые полупроводниковые реле, например реле защиты от замыкания на землю, трёхфазное реле напряжения, полупроводниковые реле времени.

Реле защиты от замыкания на землю применяется в схемах защиты при замыкании на землю генераторов, двигателей, линий с малыми токами замыкания на землю. Основные параметры реле: ток срабатывания регулируется в пределах 0, 02-0, 12 А; коэффициент возврата не менее 0, 93; коммутируемое напряжение не более 250 В; механическая износостойкость 10⁴ циклов; электрическая износостойкость не менее 10³ циклов.

Схема реле представлена на рис. 11.1.

Измерительный орган реле содержит промежуточный трансформатор ТА и резисторы R2-R7, которые вместе с выключателями SB1-SB5 служат для дискретной регулировки тока срабатывания. При отключенных выключателях ток срабатывания реле минимален. По мере включения R2-R 7 уменьшается напряжение на выходе операционного усилителя А1 и ток срабатывания увеличивается. Диоды VD1- VD4 служат для ограничения сигнала на входе А1. При большом входном сигнале трансформатор ТА насыщается и его входное сопротивление падает. R1 ограничивает ток в цепи трансформатора ТА.

Операционный усилитель А1 работает как активный фильтр. Многоконтурная отрицательная обратная связь с помощью резисторов R8, R9, R10 и конденсаторов С1, С2 позволяет отфильтровать высшие гармоники в сигнале и оставить основную частоту 50 Гц.

Сравнивающая часть реле состоит из порогового элемента на операционные усилители А2, времяизмерительной цепи VD5, R15, R16, С8и триггера Шмидта на операционном усилителе А3. Конденсаторы С3-С10 служат для стабилизации работы усилителя, исключая его самовозбуждение. Резистор R17 создает положительную обратную связь. Выходной каскад реле выполнен на транзисторе VT1, в цепь коллектора которого включено быстродействующее электромагнитное реле К.

Рис. 11.1. Реле защиты от замыканий на землю

Питание схемы осуществляется от сети постоянного тока (контакты 4, 1 при U=220 B и 4, 2 при U=110 B) или от сети переменного тока напряжением 100 В (контакты 4, 3). С помощью стабилитронов VD6 и VD7 получаются два симметричных напряжения -15 В и +15 В для питания операционного усилителя.

Порог срабатывания порогового элемента определяется резисторами R11 - R14. Настройка реле на минимальную уставку производится резистором R11.

В схеме трехфазного реле напряжения (рис. 11.2) напряжение срабатывания регулируется резистором R 1.

Реле может работать как максимальное (переключатель S в положении 1) и как минимальное (переключатель S в положении 2). Коэффициент возврата реле регулируется в широком диапазоне с помощью резистора R2, которым изменяется коэффициент положительной обратной связи в усилителях А1, А2, А3. Логический элемент И обеспечивает срабатывание реле в случае, когда напряжение хотя бы в одной фазе падает ниже допустимого (при S в положении 2).

Рис. 11.2. Трёхфазное реле напряжения

Структурная схема реле напряжения для защиты электродвигателей, тиристорных преобразователей и других трехфазных потребителей при недопустимом снижении симметричного напряжения, асимметрии междуфазных напряжений, обратном чередовании фаз приведена на рис. 11.3.

На входе реле включены пороговые элементы ПЭ1, ПЭ2, ПЭ3, образующие пороговый блок ПБ. С выхода ПБ система полученных в нем прямоугольных импульсов (рис. 11.4).поступает в логическую схему ЛС на триггеры Т1, Т2 и логический элемент И. Полученная в ЛС система прямоугольных импульсов через дифференцирующую цепочку RC подается на схему временной установки СВУ, которая с выдержкой времени открывает транзистор VT выходного усилителя ВУ. Если контролируемое напряжение симметрично и близко к номинальному значению, то выходные импульсы ЛБ не приводят к срабатыванию СВУ и ВУ (см. рис. 11.4).

Рис. 11.3. Структурная схема реле напряжения

Рис. 11.4. Диаграммы к работе схемы на рис. 11.3

Когда изменения трёхфазного напряжения или порядка чередования фаз выходят за пределы допустимых, на выходе ЛС исчезает показанная на рис. 11.4 последовательность импульсов. При этом по истечении выдержки времени в СВУ выдаётся сигнал на ВУ и выходное реле срабатывает. Например, при исчезновении напряжения в фазе А перестает работать триггер Т1 и на выходе логического элемента И появится логический 0. Триггер Т2 тоже перестает переключаться. На выходе RC цепочки сигнал пропадает, на вход СВУ и ВУ не подается сигнал ЛС, и реле К отключает цепь. Реле срабатывает при снижении напряжения в одной из фаз до (55-65)% от номинального при номинальном напряжении в остальных фазах. При обрыве двух или трех фаз одновременно или при обратном чередовании фаз реле срабатывает при напряжении (70-75)% от номинального. Коэффициент возврата реле составляет не менее 0, 9, время срабатывания не превышает 5 с. Реле не срабатывает при колебании симметричного напряжения в пределах (85-110)% от номинального.

Полупроводниковые реле времени служат для регулирования времени срабатывания основной коммутационной аппаратуры

В схеме простейшего полупроводникового реле времени (рис. 11.5.) при замыкании контакта 1 напряжение на конденсаторе растёт по экспоненте с постоянной времени T=RC и подается на пороговый элемент. При равенстве пороговому напряжению пороговый элемент срабатывает с выдержкой времени и выдает сигнал на усилитель мощности, который управляет выходным электромагнитным реле. Возможно использование процесса разряда конденсатора (при этом контакт замыкается в положение 2).

а б

Рис. 11.5. Полупроводниковое реле времени:

а – принципиальная схема;

б – процессы заряда 1 и разряда 2 конденсатора С

Процесс разряда конденсатора происходит по кривой 2 (рис. 11.5, б). Реле работает на начальных участках кривых 1 и 2. Выдержка времени регулируется за счёт изменения величин сопротивления R и ёмкости конденсатора С. Предельная выдержка времени достигает 10 с.

Для повышения точности работы реле заряд конденсатора производят через токостабилизирующее устройство (рис. 11.6).

Поскольку напряжение на базе транзистора стабилизировано, то коллекторный ток не зависит от напряжения на коллекторе (схема генератора тока). Ток заряда конденсатора устанавливается потенциометром R1. Чем больше ток заряда конденсатора, тем меньше выдержка времени t_с. Стабилитрон VD стабилизирует напряжение на R1, что позволяет получить постоянное время срабатывания при данном положении движка потенциометра.

Рис. 11.6. Полупроводниковое реле времени с зарядом конденсатора

от источника тока (а) и процесс заряда конденсатора (б)

Для увеличения выдержки времени реле используется заряд конденсатора от источника импульсного напряжения (рис.11.7, а).

Рис. 11.7. Полупроводниковое реле времени (а) и диаграмма его работы (б)

На цепочку R2-С2 подаётся импульсное напряжение прямоугольной формы, вырабатываемое генератором G. При каждом импульсе напряжение на конденсаторе возрастает на небольшую величину, после чего во время паузы остается неизменным. Напряжение приложено к пороговому элементу. При равенстве напряжения порогового элемента и напряжения на конденсаторе С2 () реле срабатывает. Чем больше скважность импульса тем большая выдержка времени может быть получена. Грубая регулировка выдержки времени осуществляется изменением частоты импульсов с помощью резистора R₁, а плавная – с помощью резистора R₂.

Цифровые реле времени применяются для обеспечения высокой точности задания и отработки выдержек времени. Схема цифрового реле времени приведена на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Цифровое реле времени

Управляющее устройство УУ запускает генератор G. Импульсы от генератора G подаются на вход несинхронизируемого двоичного счётчика СТ2. На входе дешифратора DC сравниваются сигналы заданной выдержки времени и выход счетчика, величина которого увеличивается на единицу после прихода счетного импульса с заданной частотой. В момент совпадения кода времени на выходе счетчика с заданной установкой сигнал дешифратора DC скачкообразно меняется и выходной импульс подается на усилители А1, А2, АЗ. После каждого цикла работы счётчик обнуляется. Возможны цифровые реле времени без дешифраторов.

Цифровые реле времени типов ВЛ могут использоваться как реле времени и как программные устройства. Диапазон выдержек времени реле от 0, 1 с до 10 ч.

Для обеспечения гальванической развязки между цепью управления и нагрузкой применяются оптоэлектронные приборы (оптроны). В корпусе оптрона установлены излучающий элемент, обычно фотодиод, и воспринимающий элемент – фототранзистор, фототиристор или фоторезистор, образующие вместе оптопару.

При подаче сигнала на фотодиод он начинает излучать, и его излучение воздействует на воспринимающий элемент, открывая фототранзистор или фототиристор в цепи нагрузки. Электрическое сопротивление между цепями управления и нагрузки составляет ёмкость между ними менее пФ. Эти свойства оптронов позволяют повысить помехоустойчивость и надёжность аппарата, упростить его схему. Оптроны дают малую задержку в срабатывании (1 мкс).

На рис. 11.9 показан один из вариантов бесконтактного оптронного реле.

Рис. 11.9. Оптронное реле

Нагрузка включается тиристором , включенным в диагональ моста. Управление тиристором производится с помощью оптопары и транзисторов и . При отсутствии управляющего сигнала транзистор оптрона закрыт, открыт. Сигнал на управляющем электроде равен нулю, и он закрыт. При подаче сигнала транзистор открывается, а закрывается. На подаётся открывающий потенциал, он открывается и через нагрузку потечёт ток. Тиристор открывается каждый полупериод. При снятии сигнала закрывается. Если напряжение питания превысит заданный уровень, то открывается и отключается.

Оптронные реле могут быть выполнены на силовых оптронах (рис. 11.10).

Силовые оптроны непосредственно управляют током в нагрузке Светоизлучающие диоды оптронов управляются транзистором В настоящее время созданы опторезисторы на ток до и напряжение до

Рис. 11.10. Реле на силовых оптронах