Реле направления мощности РМ 11

 

Цель работы. ознакомление с конструкцией, принципом действия и характеристиками реле направления мощности типа РМ 11.

Реле выполнено на микроэлектронной базе и предназначено для использования в схемах релейной защиты в качестве органа направления мощности.

Параметры реле РМ 11-18-2: номинальный ток – 5 А, номинальное напряжение – 100 В, угол максимальной чувствительности - минус 30° или минус 45°, питание – переменный оперативный ток, область срабатывания –165°–180° при номинальных значениях тока и напряжения.

На рисунке 17.1 представлена структурная схема реле РМ 11. Принцип действия реле основан на сравнении времени совпадения двух электрических сигналов (тока и напряжения) со временем их несовпадения. С целью повышения отстройки от апериодических составляющих во входных сигналах в реле отдельно сравниваются время совпадения положительных знаков со временем их несовпадения и время совпадения отрицательных знаков со временем их несовпадения.

 

 

Рис. 17.1. Структурная схема реле РМ 11

 

Напряжение U_p и ток I_p подводятся к датчикам напряжения (ДН) и тока (ДТ), с помощью которых входные сигналы преобразуются в напряжения соответственно E_U и E_I. Указанные напряжения поступают к фазоповоротным схемам j, которые обеспечивают такое
положение, чтобы сдвиг между E_U и E_I равнялся нулю, когда сдвиг между подведенными U_p и I_p достигает угла максимальной чувствительности j_x (т.е. обеспечивается заданное значение j_x). Реле подействует в том, случае, если напряжения E_U и E_I окажутся сдвинутыми на угол не более чем ±90°, которым определяется зона срабатывания реле. Это соответствует совпадению знаков мгновенных значений E_U и E_I в течение одной четверти периода и более.

С выхода фазоповоротных схем j сравниваемые напряжения E_U и E_I подаются на входы формирователей импульсов совпадения (ФИС). Причем сигналы положительной полярности поступают к ФИС₊, а отрицательной – к ФИС_-. На выходах ФИС образуются прямоугольные импульсы положительной полярности, которые повторяют интервалы совпадения знаков мгновенных значений E_U и E_I. Прямоугольные импульсы поступают на времясравнивающие цепочки (t_сов/t_нес), где происходит их интегрирование. Полученные сигналы U_c⁺ и U_c^- ограничиваются ограничителем уровня напряжения (), суммируются сумматором (S) и поступают на вход порогового элемента ().Если уровень суммарного сигнала превышает порог срабатывания порогового элемента, то на его выходе возникает командный сигнал, вызывающий срабатывание выходного реле, расположенного в узле выхода (УВ).

Основным узлом реле РМ-11 является узел сравнения (УС), выделенный на рис. 17.1 пунктирной линией. Функциональная схема УС приведена на рис. 17.2, а временные диаграммы его работы – на рис. 17.3.

 

 

Рис. 17.2. Функциональная схема узла сравнения (УС)

На входах УС установлены транзисторы VТ1 иVТ2. При отсутствии сравниваемых напряжений или наличии только одного из них оба транзистора полностью открыты.

При наличии обоих входных сигналов E_U и E_I транзисторы VТ1 и VТ2 работают попеременно в ключевом режиме. В те моменты, когда знаки входных сигналов совпадают, оказываются одновременно закрытыми в одну полуволну диоды VD5, VD6 и транзистор VТ1, а открытыми диоды VД7, VД8 и транзистор VТ2; в другую полуволну – наоборот.

Коллекторные напряжения транзисторов U_kvt1 и U_kvt2 представляют собой положительные прямоугольные импульсы, ширина которых определяется временем совпадения знаков сравниваемых напряжений (см. первые три диаграммы на рис. 17.3). Для обеспечения надежного запирания транзисторов на их базы подано отрицательное смещение с резисторов R10, R11 и стабилитрона VD25. Уровни входных сигналов (чувствительность), при которых диоды VD5, VD6 или VD7, VD8 (следовательно, и транзисторы VТ1 или VТ2) запираются, определяется токами, задаваемыми резисторами R5-R9.

Коллекторные напряжения U_kvt1 и U_kvt2 приходят соответственно каждый на свою времясравнивающую цепочку. Для VТ1 она состоит из резисторов R12, R14, диода VD11 конденсатора С6, для VТ2 - из R13, R15, VD12 и С5. В течение интервала времени, при котором VТ1 (VТ2) закрыт (этот интервал на границе области срабатывания по углу сдвига фаз приблизительно равен четверти периода), интегратор, состоящий из R12(R13), R14(R15), VD11(VD12), С5(С6), заряжается, т.е. напряжение на конденсаторе С5(С6) линейно возрастает, а в течение оставшейся части периода, когда транзистор VТ1 (VТ2) открыт, напряжение на С5(С6) линейно понижается. Поэтому напряжения на конденсаторах U_c5, U_c6 имеют пилообразный вид, а их амплитуды сдвинуты во времени друг относительно друга (рис. 17.3, 4-я диаграмма).

Напряжения U_c5, U_c6 поступают на вход аналогового сумматора, выполненного на резисторах R16, R17 равного сопротивления, сигнал на выходе которого U_вхА1 равен полусумме напряжений на конденсаторах.

В качестве порогового элемента используется триггер Шмидта, выполненный на операционном усилителе (ОУ) А1, диодах VD17 и VD18, и резисторах R18, R21, R22.

На инвертирующий вход ОУ А1 подается напряжение U_вхА1.

Если принять, что на границе зоны срабатывания по углу сдвига фаз (90°) амплитуды напряжений на конденсаторах С5 и С6 в относительных единицах равны 1, то амплитуда на выходе сумматора равна U_вхА1=2/3. Таким и выбран порог срабатыванияU_п,с триггера Шмидта. Порог возврата триггера U_п,в определяется глубиной положительной обратной связи (резистор R18) и выбирается меньшим минимума напряжения U_вхА1 на границе срабатывания.

Если U_вхА1 < U_п,с, то на выходе триггера А1 держится максимальное положительное напряжение. При достижении напряжением U_вхА1 значения порога срабатывания U_п,с, триггер Шмидта переключается и на его выходе устанавливается напряжение U_вхА1, близкое к нулю, которое приводит к срабатыванию реле. Если время совпадения, а следовательно, и продолжительность прямоугольных импульсов меньше допустимых, то конденсаторы С5 и С6 не успевают зарядиться до требуемых напряжений, а напряжение U_вхА1 не достигает значения U_п,с. В этом случае реле сработать не сможет.

Важное значение для работы реле имеют "верхний" и "нижний" ограничители, выполненные на диодном "мосту" VS1 и резисторе R19.

При понижении напряжения до нуля вступает в действие нижний ограничитель. Он шунтирует своими диодами конденсаторы С5 и С6, вследствие чего напряжение на них не опустится ниже уровня прямого падения напряжения на диодах U_огр1. Это оказывает стабилизирующее действие на время срабатывания реле.

"Верхний“ ограничитель препятствует повышению напряжения на С5 и С5 выше значения U_огр2, которое определяется потенциалом средней точки резистора R19. Благодаря этому, при появлении на входах реле двух, совпадающих по знаку апериодических составляющих, срабатывание реле не происходит, т.к. уровень суммарного напряжения U_вхА1=1/2, что меньше порога срабатывания триггера Шмидта U_п,с=2/3.

Реле типа РМ 11-18 работает от сети переменного тока, что осуществлено при помощи встроенного узла питания (УП). УП является комбинированным, осуществляя питание схемы реле как от источника напряжения, так и от источника тока. В схеме узла имеется накопительный конденсатор, на котором поддерживается постоянное напряжение с помощью управляемых тиристоров, установленных в обеих цепях питания.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с назначением и принципом действия реле направления мощности РМ 11.

2. Собрать схему по рис. 17.4.

 

 

Рис. 17.4. Схема испытания реле

 

Установить I_p = 5А, U_p = 100 В. Вращая ручку фазорегулятора, определить область срабатывания реле, т.е. предельные значения углов j_max и j_min, при которых контакты реле замкнуты.

3. Установить значение напряжения U_p = 80 – 100 В и поддерживать его неизменным. Изменяя фазорегулятором углы j_p в пределах области срабатывания с шагом 20° (на границах срабатывания – с шагом 1-2°), поднимать ток от нуля до I_cp. Результаты занести в табл. 17.1.

 

Таблица 17.1

 

jp, град
Icp, А
Scp, ВА

 

U_p=_____ В.

Определить S_cp = U_pI_cp, построить угловую характеристику реле S_cp=f(j_p).

4. Определить время срабатывания реле для значений мощностей S_cp; 2S_cp; 3 S_cp. Для этого установить: U_p= 100 В, j_p= 0,5 (j_max – j_min ),I_p=I_cp. Отключить установку, ввести в работу секундомер и включить снова установку. Записать показания секундомера. Затем при неизменном U_p установить 2I_cp, 3I_cp и повторить измерения.

5. Снять осциллограммы напряжений в контрольных точках ХР1-ХР5 в исходном и сработанном состояниях реле.

 

Содержание отчета

Схемы рис. 17.1 и 17.2, временные диаграммы (рис. 17.3), экспериментальные осциллограммы, угловая характеристика S_cp = f(j_p).

 

Лабораторная работа № 18