6.3. Полупроводниковое реле понижения частоты РЧ-1
Индукционное реле понижения частоты обладает двумя существенными недостатками: оно чувствительно к колебаниям контролируемого напряжения и ложно работает при исчезновении и последующей подаче напряжения. В полупроводниковом реле РЧ-1 [37] оба эти недостатка устранены. На рис. 6.5, а показана структурная схема реле, а на рис. 6.5, б приведены временные диаграммы, поясняющие работу реле.
Реле работает следующим образом. Напряжение контролируемой сети Uс через разделительный трансформатор Т и полосовой фильтр Ф, предназначенный для устранения высших гармоник, подается на фазосдвигающую схему. Эта схема состоит из частотно-зависимого измерительного элемента И1 (LC-контур) и активного делителя А. Угол между напряжениями U1-2 на выходе фазосдвигающей схемы зависит от частоты напряжения сети на входе реле. Реле выполнено так, что пока вектор тока в измерительном LC-контуре (вектор напряжения 1 отстает от вектора тока в делителе А (вектора подведенного напряжения или напряжения), реле не работает, а как только вектор тока в этом контуре начнет опережать вектор тока в делителе А — реле сработает.
Фазочувствительная схема реле включает в себя два формирователя импульсов Ф1 и Ф2, дифференцирующий Д и логический Л элементы. С помощью дифференцирующего элемента Д из переднего фронта импульса иф2 формируется короткий импульс. Вместе с импульсом с формирователя ΦΙ импульс Uд подается на логический элемент Л, причем взаимное положение импульсов во времени зависит от частоты сети. Элемент Л пропускает импульс Uд только в случае отсутствия в это время на входе импульса. Если частота сети превышает частоту срабатывания реле, то каждый полупериод на входе элемента Л выдается импульс U'д. При обратном соотношении (fс<fср) такой импульс отсутствует.
Далее с помощью расширителя РИ импульс расширяется во времени. Расширитель импульсов выполнен таким образом, что при подаче на его вход импульса сигнал на выходе отсутствует, а при отсутствии входного сигнала импульс на выходе появляется.
Предотвращение ложной работы реле при исчезновении напряжения сети осуществляется путем подачи сигнала на вход РИ от пускового элемента П. Этот элемент запускает РИ только при наличии на входе реле переменного напряжения. Увеличенный по длительности импульс подается затем на усилитель У и далее на выходной орган В.
С целью расширения возможностей реле РЧ-1 в нем имеются два независимых измерительных контура (И1 и И2).
Рис. 6.6. Фазосдвигающая (измерительная) часть реле: а — принципиальная схема, б — векторная диаграмма, ик — падение напряжения на активном сопротивлении дросселя и резистора; UL — падение напряжения на индуктивном сопротивлении дросселя; U — падение напряжения на конденсаторе
Выход основного измерительного контура И1 подключен к формирователю импульсов наглухо, дополнительного И2 — через внешний контакт К. Если подключены обе измерительные цепи, реле будет срабатывать при частоте, соответствующей более высокой уставке. Вторая измерительная цепь используется обычно для настройки реле на определенную частоту возврата, отличающуюся от частоты срабатывания, например для выполнения ЧАПВ, при перестройке частоты возврата АЧР2 для обеспечения автоматической синхронизации разделившихся энергосистем и т. д. В соответствии с этим первую измерительную цепь называют цепью срабатывания, а вторую — возврата. Вторая измерительная цепь может быть также использована для создания еще одной очереди АЧР.
На рис. 6.6 показаны схема измерительной части реле и векторная диаграмма. Схема состоит из последовательно включенных дросселя с воздушным зазором 1L, конденсатора 4С, 5С и резистора R3. Активный делитель выполнен на резисторах R4 и R5. Зависимость угла φ между напряжениями U1 и U2 от частоты может быть описана выражением
(6.8)
где Rap — активное сопротивление дросселя.
Для принятых в реле параметров схемы эта зависимость составляет 0,4° на 0,1 Гц. Реле РЧ-1 обладает незначительной угловой погрешностью, что достигается применением высокостабильных конденсаторов, резисторов и дросселя с воздушным зазором. Поскольку схема работает в условиях, близких к резонансу (т. е., значения угла φ малые), изменение сопротивления обмотки дросселя Rдp с изменением температуры не вносит существенной погрешности.
Рис. 6.7. Принципиальная схема реле понижения частоты РЧ-1 (1 — 8 — зажимы)
На рис. 6.7 приведена принципиальная схема реле РЧ-1. Включение реле в сеть производится через разделительный трансформатор Т. Полосовой фильтр низких частот состоит из дросселя 3L и конденсатора 1C. Активный делитель фазосдвигающей схемы образуется резисторами R4 и R5, а фазосдвигающая цепочка — дросселем 1L, конденсаторами 4С и 5С и резистором R3. Вторая фазосдвигающая цепочка, подключение которой выполняется внешним контактом (для ее подключения необходимо замкнуть выводы 5 и 6 реле), состоит из дросселя 2L, конденсаторов 2С и 3С и резистора R2. Изменение уставок срабатывания реле ступенями в 1 Гц осуществляется путем переключений отпаек дросселей 1L и 2L. Плавная регулировка уставок осуществляется резисторами 1R и 2R. Формирователи прямоугольных импульсов выполнены на транзисторах VT1 и VT2. Диоды VD3 — VD9, образующие так называемую схему диодного ключа, предназначены для защиты переходов эмиттер — база транзисторов при больших значениях входного напряжения.
Конденсатор С2 выполняет роль дифференцирующего элемента, а транзистор VT3 — логического. При положительной полуволне на входе транзисторы VT1 и VT2 закрыты, при отсутствии сигнала на входе и отрицательной полуволне — открыты.
С изменением контролируемого напряжения меняется xL дросселя и возникает угловая погрешность фазосдвигающей схемы. Стабильность уставок реле при колебаниях напряжения достигается за счет взаимного согласования вольт-амперной характеристики измерительного дросселя и входных параметров формирователя прямоугольных импульсов — транзистора VT1, настраиваемого с помощью сопротивления R*. Зависимость погрешности реле частоты от контролируемого напряжения для одной из уставок показана на рис. 6.8. Как видно из этого рисунка, она может быть практически сведена до нуля в диапазоне изменения напряжения 30 — 120 В.
Рис. 6.8. Зависимость погрешности реле от контролируемого напряжения при различных сопротивлениях
При необходимости путем индивидуальной регулировки реле может быть задана требуемая зависимость уставок от напряжения вплоть до повышения уставок срабатывания при снижении напряжения.
Расширитель импульсов выполнен двухступенчатым. Первая его ступень осуществлена на транзисторах VT4 — VT6 я представляет собой одновибратор с положительной обратной связью. Если импульс на выходе VT4 исчезает, конденсатор С3 заряжается через резистор R18 и транзистор VT6. Время расширения импульса на первой ступени определяется временем заряда конденсатора С3 до потенциала на делителе R22 — R23. После расширения импульс длительностью 1 мс инвертируется и подается на вторую ступень расширителя, которая выполнена на транзисторах VT7 и VT8. В эту же ступень расширения входит емкость, набранная из трех конденсаторов 6С — 8С. Время расширения и, следовательно, время срабатывания реле определяется значением включаемой емкости. Усилитель, на который поступает сигнал с расширителя, выполнен на транзисторе VT9 по схеме с общим эмиттером. В коллекторную цепь этого транзистора включено электромеханическое реле К типа РП-210. Минимальное время нарастания напряжения, достаточное для открытия транзистора VT9, составляет около 0,06 с.
Для исключения ложной работы реле при снижении, а также при снятии и подаче переменного напряжения выполнена специальная блокировка (пусковой орган П) на двухполупериодном выпрямителе (диоды VDI и VD2). В нормальном режиме выпрямленное напряжение пускового органа запирает диод VD10. Если контролируемое напряжение исчезает, транзистор VT4 открывается отрицательным током через резистор R14 и реле не срабатывает.
Для проверки работоспособности реле в условиях эксплуатации без изменения частоты подаваемого на реле напряжения предусмотрена контрольная кнопка SB. С ее помощью шунтируется дроссель измерительного органа, при этом на вход фазочувствительной схемы подается заведомо опережающее по фазе напряжение, что при исправном реле вызовет срабатывание исполнительного органа.
Питание схемы реле может осуществляться как от постоянного, так и от переменного оперативного напряжения. При применении оперативного переменного напряжения реле подключается через вспомогательное устройство ВУ-3, представляющее собой феррорезонансный стабилизатор напряжения с выпрямительным мостом.
Основные технические данные реле РЧ-1 следующие. Номинальное напряжение контролируемой сети переменного тока 100 В, оперативного постоянного тока 220, 110 В, оперативного переменного напряжения 100, 127, 220 В. Предел изменения
уставок срабатывания 45 — 50, возврата 46 — 51 Гц, уставки по времени срабатывания 0,15; 0,3; 0,5 с, время возврата не более 0,15 с. Разность между частотой срабатывания и частотой возврата не более 0,05 Гц на любой уставке (при отключенной цепи возврата). Изменение частоты срабатывания при изменении напряжения постоянного оперативного тока в пределах (0,8 ч-1,1) или напряжения переменного оперативного тока в пределах (0,4 ч-1,3) и одновременном изменении контролируемого переменного напряжения на входе реле в пределах 40-130 В — не более 0,2 Гц, то же при изменении переменного напряжения на входе реле 20 — 130 В не более 0,3 Гц. Изменение частоты срабатывания при изменении температуры окружающего воздуха и номинальных значениях напряжений контролируемой сети и оперативного тока при изменении температуры от 0 до 40° С — не более 0,2, от — 20 до 40° С — не более 0,25, от — 40 до 40° С — не более 0,35, от 20 до 40° С не более 0,1 Гц. Потребляемая мощность реле и устройств при номинальных напряжениях: измерительной цепью — не более 5 В · А, вспомогательной цепью при оперативном постоянном токе — не более 20 Вт, цепью переменного тока устройства, питающего вспомогательные и измерительные цепи реле, — -не более 15 В-А.