Полупроводниковые и комбинированные реле

Полупроводниковое реле тока обычно содержит полупроводниковый ключ (импульсный усилитель) в составе исполнительного устройства, измерительный преобразователь, а также элементы логики в составе устройства управления (см. [1] п. 6.1 … 6.4). Полупроводниковое реле называют также электронным реле [2]. С помощью электронного чаще всего транзисторного ключа осуществляется включение и отключение выходного электромагнитного реле напряжения, которое конструктивно объединяют с полупроводниковым реле. Упрощенная функциональная схема полупроводникового реле переменного тока показана на рис. 4.7 [9].

Измерительный преобразователь (ИП) обычно имеет на входе трансформатор тока (ТА), нагруженный на малое по величине активное сопротивление R. Падение напряжения на этом сопротивлении пропорционально первичному току в контролируемой цепи (ЭЦ1). Напряжение, снимаемое с сопротивления R, выпрямляется (UZ) и сравнивается в компараторе ¹ (пороговым элементом А) с опорным напряжением, от величины которого зависит ток срабатывания реле. В качестве компаратора обычно используют операционный усилитель ² с положительной обратной связью. Характеристику управления компаратора можно представить по табл. 4.1 нелинейностью 2 (первый квадрант), если под А понимать опорное напряжение и под d - напряжение на выходе компаратора.

Сигнал с компаратора передается на формирователь импульсов управления (ФИУ) электронным ключом (ЭК). Когда ток в контролируемой цепи превысит значение уставки, заданной опорным напряжением, электронный ключ откроется по сигналу с компаратора, снизив сопротивление в коммутируемой цепи (ЭЦ2) от большого значения до малого значения. Ключ изменяет свое состояние, если к цепи подведено от источника электрической энергиии необходимое по величине напряжение U. Если в цепи ЭЦ2 установлено контактное выходное реле (точнее его включающая катушка), то выходное реле сработает. Уменьшение тока в контролируемой цепи ниже определенного значения вызовет переход электронного ключа в непроводящее состояние и отключение выходного реле в цепи ЭЦ2.

В некоторых полупроводниковых реле предусматривают элементы (например, тиристорные оптопары), обеспечивающие гальваническую развязку электрических цепей ЭЦ1 и ЭЦ2.

1. Компаратор – устройство сравнения двух копий одних и тех же данных с целью проверки их корректности, идентичности. - см. Терминологический словарь по автоматике, информатике и вычислительной технике/ В. В. Зотов, Ю. Н. Маслов, А. Е. Пядочкин и др. – М.: Высш. шк., 1989.

2. Операционный усилитель (ОУ) – усилитель постоянного тока интегрального исполнения с большим коэффициентом усиления по напряжению (до 10⁵). Напряжение на выходе ОУ изменяется в диапазоне, ограниченном двумя фиксированными значениями напряжения разного знака.

У реле постоянного тока в составе измерительного преобразователя применяют шунт и специальную схему преобразования напряжения, снимаемого с шунта.

Полупроводниковое реле напряжения имеет в своем составе измерительный преобразователь, логические элементы, электронный ключ. Оно может быть представлено функциональной схемой как на рис. 4.7 с той лишь разницей, что вместо трансформатора тока в измерительном преобразователе используется трансформатор напряжения.

На рис. 4.8 приведена упрощенная функциональная схема трехфазного реле минимального напряжения [9].

С помощью трехфазного реле минимального напряжения осуществляется защита трехфазных приемников электрической энергии при недопустимом снижении симметричного фазного или линейного напряжения в контролируемых цепях ЭЦ1 _А, ЭЦ1 _В, ЭЦ1 _С.

Уставка напряжения отпускания реле U_от задается с помощью резистора R _о одинаковой для всех трех контролируемых напряжений U_А, U_В, U_С. Величины U_А, U_В, U_С сравниваются компараторами (нелинейными элементами) с уставкой U_от. По результатам сравнения каждый компаратор формирует на своем выходе сигнал, уровень которого соответствует логической единице или логическому нулю. Любой кратковременный сигнал на выходе компаратора, вызванный провалом напряжения, преобразуется в сигнал большей длительности и подается в логическую схему И-НЕ. Появление нулевого сигнала на входе схемы И-НЕ вызывается снижением напряжения U_А, U_В или U_С за порог U_от. Тогда по единичному сигналу с выхода логической схемы И-НЕ формирователь импульсов управления ФИУ откроет электронный ключ ЭК. Сопротивление в управляемой электрической цепи ЭЦ2 будет скачком снижено им до минимального значения. Если, например, в этой цепи предусмотрено выходное электромагнитное реле, то оно сработает и подаст команду на отключение приемника электрической энергии (электродвигателя) от питания по всем контролируемым цепям ЭЦ1 _А, ЭЦ1 _В, ЭЦ1 _С.

Для защиты электродвигателей, тиристорных преобразователей или других трехфазных потребителей при снижении симметричного напряжения, асимметрии междуфазных напряжений и обратном чередовании фаз применяют полупроводниковые реле ЕЛ-10-1, ЕЛ-10-2. В каждом из них предусматривается выходное электромагнитное реле, которое срабатывает, при снижении напряжения в одной из фаз до 55…65% U _ном. При обрыве двух или трех фаз одновременно или при обратном следовании фаз реле срабатывает при напряжении 70…75% U _ном. Коэффициент возврата реле не менее 0,9. Время срабатывания реле ЕЛ-10-1 не превышает 5 с. Реле не срабатывает при колебаниях симметричного напряжения в пределах (0,85…1,10) U _ном.

Полупроводниковое комбинированное реле времени (типа ВЛ) создает выдержку времени (0,1…200 с и более до 100 ч) с помощью электронного устройства замедления. В качестве исполнительного элемента используется малогабаритное выходное электромагнитное реле. Структурная схема полупроводникового комбинированного реле времени приведена на рис. 4.9а.

Сигнал х_л передается из электрической цепи ЭЦ1 в цепь ЭЦ2 с задержкой времени τ_ср (рис. 4.9б). Выходной сигнал d_л формирует электромагнитное реле напряжения (РН), катушка которого подключается под напряжение U цепи ЭЦ3 выходным сигналом у_л электронного устройства задержки (УЗЭ).

В реле времени типов ВЛ-43, ВЛ-44, ВЛ-48 выдержка времени (до 200 с) создается с помощью цепочки R-С, обеспечивающей экспоненциальное возрастание напряжения U_С на конденсаторе С после подачи по цепи ЭЦ1 напряжения на вход устройства задержки. Выходной сигнал у_л формируется компаратором устройства задержки на основе сравнения U_С с заданной величиной.

В реле времени типов ВЛ-45, ВЛ-46, ВЛ-47 создаются большие выдержки времени (до 10 ч) с помощью цифрового устройства задержки, в составе которого предусматривается генератор импульсов и счетчик импульсов. Импульсы отсчитываются счетчиком до тех пор, пока их число не будет соответствовать уставке времени замедления срабатывания. Тогда счетчик останавливается и открывается транзисторный ключ, обеспечивая подключение катушки реле РН под напряжение U в цепи ЭЦ3 (см. рис. 4.7а).