Индукционные измерительные реле

 Реле тока типа РТ-80. Реле тока указанного типа является ком­бинированным и состоит из двух элементов: индукционного с дис­ком, создающего ограниченно зависимую характеристику выдерж­ки времени, и электромагнитного мгновенного действия, срабатывающего при больших кратностях тока в обмотке реле. Оба эле­мента используют одну общую магнитную систему (рис. 2.14 а).

Индукционный элемент реле состоит из электромагнита 1 с короткозамкнутыми витками 2 на полюсах. Обмотка 3 электромаг­нита имеет ответвления для изменения тока срабатывания. Ответ­вления подведены к гнездам штепсельного мостика 4 и переключа­ются винтами 5. Между полюсами электромагнита расположен алюминиевый диск 16, ось которого укреплена на подвижной рам­ке 13, которая имеет неподвижную ось вращения 14. При токах, в обмотках реле, меньших тока срабатывания индукционного эле­мента, рамка 13 оттянута пружиной 18 в крайнее положение, при этом червяк 11, насаженный на ось диска, не сцеплен с зубчатым сегментом 12, имеющим неподвижную ось вращения и способным свободно перемещаться вверх и вниз. Нижнее положение сегмента фиксируется устройством, с помощью которого устанавливается выдержка времени. Это устройство состоит из регулировочного винта 8 и движка 19. При перемещении вверх сегмент 12 рычагом поднимает коромысло 10.

Диск вращается при токе I_P = (0,1÷0,2) I_{с .р} срабатывания ин­дукционного элемента. При этом вращение диска не приводит к замыканию контактов. На вращающийся диск действуют сила F_И , вызывающая вращение диска, и противодействующая сила F_Т, пре­пятствующая его вращению (рис. 2.14 6). Противодействующая си­ла возникает в связи с пересечением вращающимся диском магнит­ного потока постоянного магнита 15 и пропорциональна частоте вращения диска. Поэтому при увеличении тока в обмотке реле на­ряду с ростом силы F_И возрастает сила F_Т . Установившаяся частота вращения диска определяется равновесием этих сил. Их равнодей­ствующая сила F ' стремится повернуть диск вместе с рамкой 13 вокруг оси рамки. Этому препятствует сила пружины F_П .

Током срабатывания индукционного элемента называется такой минимальный ток, при котором сила F ' преодолеет силу пружины F_П и рамка 13 вместе с диском поворачивается, произведя сцепле­ние червяка 11 с зубчатым сегментом 12. При этом благодаря вра­щению диска червяк 11 поднимает зубчатый сегмент 12. Его рычаг в конце пути соприкасается с коромыслом 10 якоря 6, поднимая его вверх, и якорь 6 поворачивается на оси так, что воздушный зазор между электромагнитом 1 и правым концом якоря 6 уменьшается. Якорь быстро притягивается к электромагниту, замыкая контак­ты 9 с помощью коромысла 10.

В процессе работы индукционного элемента при наличии сцеп­ления между червяком и сегментом на вращающийся диск кроме сил F_И и F_Т действует также сила, обусловленная трением в чер­вячной передаче и собственной массой сегмента. Эта сила возника­ет при зацеплении червяка с сегментом. При этом частота враще­ния диска и результирующая сила F ' уменьшаются, что может при­вести к расцеплению червячной передачи. Для предотвращения этого служит стальная скоба 17, которая за счет потоков рассея­ния обеспечивает дополнительное усилие, удерживающее подвиж­ную рамку в притянутом положении.

Время от момента сцепления червяка с зубчатым сегментом до момента замыкания контактов является временем срабатывания реле — выдержкой времени. Это время при заданной уставке зави­сит только от скорости подъема сегмента вверх. Скорость подъема сегмента определяется частотой вращения диска, т. е. зависит от тока. Чем больше ток, тем больше частота вращения диска и ско­рость подъема сегмента и тем меньше выдержка времени реле.

Магнитная система реле РТ-80 выполнена так, что примерно при семикратном токе срабатывания она насыщается. Дальнейшее увеличение тока не приводит к росту магнитного потока, поэтому остаются постоянными вращающий момент, частота вращения дис­ка и выдержка времени. Таким образом, реле РТ-80 имеет ограниченно зависимую характеристику выдержки времени.

Выдержка времени реле зависит от длины пути перемещения сегмента 12, определяемой его начальным положением, которое мо­жет изменяться при перемещении движка 19 по винту 8. Благодаря этому можно получить серию характеристик выдержек времени (1—5 на рис. 2.14, в). Необходимо иметь в виду, чти на шкале 20 (рис. 2.14, а) указаны пределы установки выдержки времени в не­зависимой части характеристики.

Электромагнитный элемент реле использует электромагнит 1 индукционной системы (рис. 2.14, а). Подвижной частью является якорь 6 с коромыслом 10. Ток срабатывания электромагнитного элемента устанавливается винтом 7 путем изменения воздушного зазора между электромагнитом 1 и правым концом якоря 6 в пре­делах (2÷8) I _с.р индукционного элемента. При этих токах электромагнитный элемент срабатывает мгновенно и реле действует без выдержки времени. Для уменьшения вибрации якоря при сраба­тывании на часть его правого конца насажен короткозамкнутый виток.

Использование в одном реле индукционного и электромагнитно­го принципов, а также применение в индукционном элементе сцеп­ления червяка с сегментом и постоянного магнита для создания противодействующей силы позволяют выполнить реле с надежной контактной системой, с коэффициентом возврата индукционного элемента не менее k_В = 0,8 и с малой инерционной ошибкой. К до­стоинствам реле следует отнести то, что с помощью одного реле РТ-80 можно выполнить быстродействующую защиту от коротких замыканий и защиту с выдержкой времени, действующую при пе­регрузке. Недостатком реле является его сложность, а также зна­чительная потребляемая мощность при срабатывании (~ Р _с.р=10ВА).

Реле РТ-80 выполняют на разные пределы уставок тока и вре­мени срабатывания, с различной контактной системой. Например, реле РТ-85, предназначенное для защиты на оперативном перемен­ном токе, имеет усиленный переключающий контакт, который спо­собен коммутировать ток до 150 А.

Реле направления мощности типа РБМ. Реле направления мощ­ности является измерительным органом с двумя воздействующими электрическими величинами, сравниваемыми по фазе. Реле выпус­кают на основе четырехполюсной магнитной системы 1 (рис. 2.15, а).

Для уменьшения магнитного сопротивления системы между полюсами магнитопровода помещают неподвижный цилиндрический сердечник 2. Подвижным элементом системы является выполненный из алюминия полый цилиндрический ротор 3, боковые стенки которого расположены в зазоре между стальным сер­дечником 2 и полюсами магнитной системы. Ротор укреплен на оси, связанной с подвижным контактом 4. Начальное положение ротора зафиксировано пружи­ной (на рисунке не показана).

Реле имеет две обмотки — тока и напряжения. Обмотка тока размещается на двух противоположных полюсах (рис. 2.15, a), a обмотка напряжения — на двух других полюсах или непосредст­венно на магнитопр оводе (рис. 2.15, в). При этом магнитный поток Ф_I , созданный током I_Р , проходящим по обмотке тока, и магнитный поток Ф_U , обусловленный напряжением U_Р на зажимах обмотки напряжения, сдвинуты между собой в пространстве на угол π/2.

При построении векторной диаграммы реле (рис. 2.15,6) за ис­ходные величины приняты напряжение Ů_Р и отстающий от него на угол φ_Р ток İ_Р . Ток в обмотке напряжения İ_U сдвинут по фазе отно­сительно напряжения Ů_Р на угол γ_U . У существующих конструкций реле РБМ сопротивление обмотки напряжения таково, что угол γ_U (естественный угол) обычно составляет π/3. Угол α дополняет его до π /2.

Если пренебречь потерями в стали и размагничивающим действием тока ротора, то магнитные потоки Ф_I и Ф_U совпадают по фазе с вызвавшими их токами, соответственно İ_Р и İ_U. Вращающий момент индукционного реле согласно (2.12) М_вр = k'Ф₁Ф_U sinψ. Для ненасыщенной магнитной системы Ф_I~I_P и Ф_U~I_U~U_P, поэтому М_вр = kU_P I_P sinψ. По векторной диаграмме (рис. 2.15, б) ψ = [π/2 – (φ_Р+α)] и

 

               М_вр = kU_P I_P sin[π/2 – (φ_Р+α)] = kU_P I_P cos(φ_Р+α).              (2.18)

 

Выражение (2.18) определяет вращающий момент реле смешанного типа. Из него следует, что при cos(φ_Р+α) > 0 момент положительный, а при cos(φ_Р+α) < 0 – отрицательный. Максимальное значение положительного момента наступает при cos(φ_Р+α) = 1, т.е.при φ_Р = -α. Угол φ_Р, при котором положительный вращающий момент максимален, называется углом максимальной чувствительности φ_{Р max ч} Таким образом, угол φ_{Р max ч} всегда равен и противоположен по знаку углу α, т.е. φ_{Р max ч} = -α.

Реле с различными углами α и соответственно с различными углами максимальной чувствительности получаются путем изменения угла γ_U. Для этого последовательно с обмоткой напряжения реле включаются добавочные активное и емкостное сопротивления.

При угле γ_U = π/2 угол α = 0 и вращающий момент

 

              М_вр = kU_P I_P cosφ_Р.                                                               (2.19)

 

Такое реле получил название косинусного. Ежели γ_U = 0, то угол α = π/2 и вращающий момент

 

              М_вр = kU_P I_P sinφ_Р.                                                                (2.20)

 

Реле с таким выражением вращающего момента называется си­нусным. Положительный знак момента по (2.20) достигается изме­нением полярности выводов одной из обмоток.

Направление тока в обмотке изменится, если поменять местами ее начало и конец в схеме включения реле, поэтому, принимая на­чало одной из обмоток произвольно, началом второй считают тот ее вывод, которому соответствует положительный вращающий мо­мент (реле срабатывает) при указанном угле максимальной чувст­вительности. Начало обмоток обозначают точками (см. ниже рис. 2.18, а).

Конструкция реле направления мощности типа РБМ с одним контактом приведена на рис. 2.15, б. Выпускается и реле двусто­роннего действия. Оно имеет два разомкнутых контакта: один из них замыкается при положительном вращающем моменте, а вто­рой — при отрицательном.

Работа реле направления мощности определяется его характе­ристиками: угловой, представляющей собой зависимость мощности срабатывания (произведение напряжения на ток при срабатыва­нии) от угла φ_Р, т.е. S_с.р = f(φ_Р) или напряжения (тока) сраба­тывания от угла при заданном токе (напряжении), т.е. U_c.p = f(φ_Р) или I_с.р = f(φ_Р) соответственно (см. рис. 2.16, а); вольт-амперной, представляющей собой зависимость напряжения сраба­тывания от тока при угле максимальной чувствительности, т.е. U_c.p=f(I_P) при φ_Р = φ_{Р mах ч} (см. рис. 2.16, ж). Характеристики зависят от типа реле и его выполнения.

В реальных реле на подвижную часть наряду с вращающим мо­ментом действуют силы трения и удерживающей пружины. Для их преодоления при срабатывании реле необходим минимальный вращающий момент M _{вр min} . Для срабатывания реле направления мощности со смешанной характеристикой должно выполняться условие

 

                   kU_P I_P cos(φ_Р+α) = M _{вр min}                                                   (2.21)

или

                  S_с.р = U_P I_P = M _{вр min}/[ kcos(φ_Р+α) ].                                       (2.22)   

 

Здесь U_P I_P = S_с.р – фиктивная мощностьсрабатывания реле. Так как M _{вр min}/ k – величина постоянная, то S_с.р изменяется с изменением угла φ_Р, принимая минимальное значение S_{с.р min} при φ_{Р mах ч} , при котором cos(φ_Р+α) = 1, т.е. S_{с.р min} = M _{вр min}/ k.

С учетом этого выражение (2.22) принимает вид

 

                    S_с.р = S_{с.р min}/[ cos(φ_Р+α) ].                                                    (2.23)

 

В соответствии с выражением (2.23) на рис. 2.16, а построена угловая характеристика в прямоугольной системе координат. Мощность срабатывания, как указывалось, принимает минимальное значение S_{с.р min} при φ_{Р mах ч}. По мере уменьшения cos(φ_Р+α) мощность S_с.р возрастает и становится бесконечной при cos(φ_Р+α) =0, что наблю­дается при углах φ_Р = (p/2 - α) и φ_Р = - (p/2 + α).

Угловую характеристику реле можно построить в полярной си­стеме координат (рис. 2.16, б). При этом угол φ_Р отсчитывается от положительной оси против ча­совой стрелки при его положи­тельных значениях. Мощность срабатывания принимает мини­мальное значение S_{с.р min} при уг­ле φ_{Р mах ч} = - α. С изменением угла φ_Р мощность срабатывания увеличивается так, что конец ра­диуса-вектора S _с.р скользит по прямой, перпендикулярной радиу­су-вектору S_{с.р min} . Эта прямая и является угловой характеристи­кой реле в полярной системе ко­ординат или в комплексной плос­кости мощностей. Реле направле­ния мощности срабатывает, если конец вектора полной мощности S =ŮI находится в пределах за­штрихованной области комплексной плоскости или касается угло­вой характеристики. Аналогично строят угловые характеристики синусного (рис. 2.16, в) и косинусного (рис. 2.16, г) реле.

Рис. 2.16. Характеристики индукцион­ного реле направления мощности

У идеальных реле силы трения и удерживающей пружины от­сутствуют, поэтому S_{с.р min} = 0, в связи с чем их идеальные угло­вые характеристики отличаются от рассмотренных тем, что прохо­дят через начало координат (рис. 2.16, д).

При анализе работы реле направления мощности часто поль­зуются его идеальной угловой характеристикой. При этом в ряде случаев целесообразно считать фиксированным вектор напряже­ния Ů_Р и относительно него производить отсчет углов φ_Р сдвига фаз между Ů_Р и İ_Р (рис. 2.16, е). Следует иметь в виду, что угол φ_Р считается положительным при отстающем по фазе токе (отсчет по часовой стрелке) и отрицательным — при опережающем.

Прямая, проведенная под углом φ_{Р mах ч} к вектору Ů_Р , является линией максимальной чувствительности (1 на рис. 2.16, е). Зона работы реле ограничивается линией нулевой чувствительности (2 на рис. 2.16, е), проведенной перпендикулярно линии максималь­ной чувствительности. С вектором напряжения Ů_Р она образует углы φ_Р = (p/2 - α) и φ_Р = - (p/2 + α), при которых cos(φ_Р+α) =0 и вращающий момент M_вр = 0. Таким образом, зона работы реле ограничивается углами - (p/2 + α) < φ_Р < (p/2 - α), от­считанными от вектора напряжения Ů_Р. При расположении векто­ра тока İ_Р в этой зоне, т. е. слева от линии нулевой чувствительности, реле мощности срабатывает.

Для построения вольт-амперной характеристики U_c.p=f(I_P) при φ_{Р mах ч} используется выражение (2.22). На рис. 2.16, ж кри­вая 1 — расчетная вольт-амперная характеристика (U_c.p= S_{с.р min}/ I_P), а кривая 2 — характеристика, полученная экспери­ментально; она показывает, что начиная с некоторого значения то­ка I_P напряжение U_c.p перестает уменьшаться. Это объясняется насыщением магнитной системы реле. Таким образом, эксперимен­тальная вольт-амперная характеристика дает возможность опреде­лить минимальное напряжение U_{c.p min} , необходимое для срабаты­вания реле. Насыщение магнитной системы снижает чувствитель­ность реле, так как при U_{c.p min} и росте тока увеличивается S_{с.р min} = U_{c.p min} I_P. Таким образом, если при коротком замыкании к реле подводит­ся напряжение U_P <U_{c.p min} , то оно не сможет сработать. В таких случаях считают, что реле имеет мертвую зону.

Реле сопротивления. К измерительному реле сопротивления, как и к реле направления мощности, подводятся напряжение Ů_P и ток İ_P. Отношение Ů_P/İ_P , определяющее некоторое фиктивное комплексное сопротивление Z _P , называется характеристической ве­личиной. Обычно применяют минимальное реле сопротивления, срабатывающее при снижении значения Z _P до заданного сопротив­ления срабатывания.

Характеристика срабатывания реле в комплексной плоскости представляет собой геометрическое место точек, удовлетворяющих условию Z _P = Z _с.р . В зависимости от вида характеристики разли­чают реле полного сопротивления (рис. 2.17, а), направленное реле сопротивления (рис. 2.17, б), реле сопротивления со смещенной (рис. 2.17, е) и с эллиптической (рис. 2.17, г) характеристиками и др.

 

 

Рис. 2.17. Характеристики измерительных реле со­противления

 

Из характеристик срабатывания следует, что Z _с.р постоянно только у реле полного сопротивления. У остальных реле оно зави­сит от угла φ_Р . Некоторому углу φ_{Р mах ч} соответствует наибольшее сопротивление срабатывания, т. е. наибольшая чувствительность.

Для получения характеристики срабатывания в виде окружнос­ти (рис. 2.17, а, б, в) в общем случае необходимо сравнить по аб­солютному значению или по фазе две величины вида

                       A = k ₁Ů_P + k ₂İ_P; B = k ₃Ů_P + k ₄İ_P.                             (2.24)

Формирование величин осуществляется с помощью схем, рас­смотренных выше (см. § 1.6). Вид характеристики определяется коэффициентами k ₁ ¸ k ₄. Выбор коэффициентов для получения за­данной характеристики дан в [10]. Так, например, при k ₁ = k ₃ = k _U и k ₂ = - k ₄ = k _I получается реле полного сопротивления (рис. 2.18, а).

Реле сопротивления с указанными характеристиками можно выполнить на основе четырехполюсной индукционной магнитной системы, котораяосуществляет сравнение электрических величин по фазе. Поэтому необходимо, чтобы изменение величины Z _P приводило к изменению угла между магнитными потоками, обуславливающими вращающий момент индукционного реле.

Обмотки реле (рис 2.18, а) объединены в два контура. К одному из них подводится величина Ǻ = k_UŮ_P +k_I İ_P , ток в контуре İ₁ и вызванный им магнитный поток Ф₁ отстают по фазе от Ǻ на угол φ₁ (рис. 2.18, б). Ко второму контуру подводится величина В = k_UŮ_P + + k _I İ_P, ток в контуре İ₂ и обусловленный им магнитный поток Ф₂ опережают по фазе величину В на угол φ₂. Конденсатор С и резистор R в контуре принимают такими, чтобы φ₁+ φ₂ = p/2. При этом ψ = γ - p/2, а sinψ = cosγ. Так как Ф₁ = k'₁A, а Ф₂ = k''₂B, то M _вр = kABcosγ.

Если пренебречь моментом удерживающей пружины и трением, то при M _вр =0 обеспечиваются гарничныеусловия срабатывания реле, наступающие при γ = p/2. При этом, как следует из векторной диаграммы (рис. 2.18, в),

 

                       | k_UŮ_P | = | k _I İ_P | или Ů_P/İ_P = k _I /k_U = Z _с.р .

 

Идеальная характеристика реле в комплексной плоскости Z (граничная линия) имеет форму окружности радиусом Z _с.р с центром в начале координат. Зона действия расположена внутри окружности. Действительно, при | k_UŮ_P | > | k _I İ_P |, т.е. при Z _Р > Z _с.р , угол γ > p/2 (рис. 2.18, г) и момент М _вр принимает отрицательное значение. Он действует в сторону размыкания контактов. Можно выполнить и более сложные индукционные реле, например, направленные реле сопротивления.

Реле частоты. Это реле, как и реле направления мощности, вы­полняется на четырехполюсной магнитной системе (рис. 2.19, а). Вращающий момент согласно (2.12) пропорционален синусу угла сдвига фаз между магнитными потоками. Следовательно, индук­ционное реле частоты нужно выполнять так, чтобы изменение час­тоты подведенного к реле напряжения приводило к изменению угла сдвига фаз между магнитными потоками. Это возможно, если об­мотки реле при изменении частоты действуют как частотно-зависи­мые цепи. У реле частоты обмотки образуют два контура, соединен­ные параллельно. Первый контур состоит из четырех последова­тельно включенных обмоток 1 и конденсатора С, а второй контур образуется двумя обмотками 2 и резистором R.

Оба контура реле подключаются к напряжению Ů_Р. В первом контуре про­ходит ток İ₁, а во втором контуре — ток İ₂ . Ток İ₁ смещен по фазе относительно напряжения Ů_Р на угол φ₁ , а ток İ₂ — на угол φ₂. Углы определяются соотно­шениями реактивных и активных составляющих полных сопротивлений контуров, т.е.

(2.25)

                        φ₁ = arctg(X₁/R₁) =arctg[(ωL₁ – 1/ωC)/R₁];

                        φ₂ = arctg(X₂/R₂) =arctg(ωL₂ /R₂].

Токи İ₁, İ₂ обусловливают соответствующие магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, сдвинутые относительно друг друга в пространстве на угол p/2. Если пренебречь потерями в стали и размагничивающим действием тока ротора, то магнитные по­токи Ф₁ и Ф₂ совпадут по фазе с вызвавшими их токами и, следовательно, сдвинутся по фазе относительно напряжения Ů_Р соответственно на углы φ₁ и φ₂ .

Из выражения (2.25) следует, что углы φ₁ и φ₂ зависят от частоты (ω=2πf), но в разной степени. Сопротивления контуров подбирают так, что для некоторой частоты f угол φ₁ равен углу φ₂ (рис. 2.19, б). При этом момент M _вр =0, контакты реле разомкнуты, подвижная часть реле удерживается в началь­ном положении пружиной и постоянным магнитом. Благодаря постоянному маг­ниту достигаются четкая работа реле и надежное замыкание контактов без ис­крения и вибрации. При частоте f₁ < f реле срабатывает. Это происходит потому, что векторы магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ смещаются друг относительно друга: при понижении частоты сопротивление X₁, а следовательно, и угол φ₁ уменьша­ются в большей степени, чем сопротивление Х₂ и угол φ₂, и магнитный по­ток Ф₁ начинает опережать по фазе поток Ф₂ (рис. 2.19, в). Угол между пото­ками ψ = φ₂ — φ₁ > 0, поэтому появляется положительный вращающий момент и реле срабатывает.

При частоте f₂ > f реле не срабатывает, так как М _вр < 0. Возрастание ча­стоты приводит к увеличению сопротивления Х₁ и Х₂. Однако, как это следует из выражения (2.25), сопротивление Х₁ и угол ψ₁ увеличиваются в большей сте­пени, чем сопротивление Х₂ и угол ψ₂, поток Ф₁, начинает отставать от потока Ф₂ (рис. 2.19, г). Угол между потоками ψ = φ₂ — φ₁ < 0, поэтому появляется отри­цательный вращающий момент M _вр < 0, действующий в сторону размыкания контактов.                                                

Погрешность реле при номинальном напряжении не превышает Δf_{c p} = ± 0,1 Гц. Однако при понижении напряжения погрешность увеличивается, а при напряжении U_Р < 0,2 U _ном реле перестает действовать. Это его главный недостаток. Реле имеет относительно большое потребление мощности P_Р ≈ 10BА.