Конспект лекций для студентов специальностей 5В071800 Электроэнергетика, 5В081200- энергообеспечение сельского хозяйства сторінка 4

30
Представим себе такой идеальный логический элемент (рисунок 6.1) в виде некоторого переключающего устройства, обладающего несколькими входными зажимами Х
1
, Х
2
, Х
3
., . . , Х
n и одним выходным зажимом Y.
Рисунок 6.1 - Общее условное изображение логического элемента
За исходное состояние элемента примем такое, когда на его входные зажимы поданы нулевые сигналы и когда его переключение происходит после поступления на его входы некоторого сочетания единичных сигналов. Такие элементы зовутся элементами «единичной» или «положительной» логики.
Если в исходном состоянии к элементам подводятся единичные сигналы, то их называют элементами «нулевой» или «отрицательной» логики. В наших примерах рассматриваются элементы «положительной» логики.
Операции ИЛИ. У идеального элемента, обеспечивающего выполнение операции ИЛИ при нулевых сигналах на всех его выходах, выходной сигнал имеет тоже нулевое значение. Если хотя бы на одном из входных зажимов подается единичный сигнал, элемент немедленно подействует, и на его выходе установится единичный сигнал. Единичный сигнал на выходе сохранится при любом числе сигналов 1, поданных на его входы. Когда со всех входных зажимов сигналы 1 снимаются, выходной сигнал ИЛИ опять становится нулевым. На структурных схемах элемент ИЛИ принято изображать так, как показано на рисунке 6.2, а. а) условное обозначение; б) на полупроводниковых элементах; в) на электромеханических элементах; г) таблица соответствия.
Рисунок 6.2 - Логический элемент ИЛИ

31
Операции И. Элемент, осуществляющий операцию И, при нулевых сигналах на всех его входных зажимах имеет на выходном зажиме сигнал 0.
Но в отличие от элемента ИЛИ этот элемент переключится только тогда, когда единичные сигналы поступят на все его входы.
Только при этом условии на его выходном зажиме образуется сигнал 1.
В случаях, когда единичные сигналы поступят только на часть входных зажимов, на выходе элемента И будет оставаться нулевой сигнал. После срабатывания элемента И сигнал 1 на его выходе будет сохраняться до тех пор, пока не снимается единичный сигнал хотя бы с одного из его входных зажимов. а) условное изображение; б) на электромеханических элементах; в) на полупроводниковых элементах; г) таблица соответствия.
Рисунок 6.3- Логический элемент И
На структурных схемах элемент И изображается так, как дано на рисунке 6.3, а.
Операция НЕ или ИНВЕРСИЯ. В исходном положении элемента НЕ принято, что на его единственном входном зажиме X имеется нулевой сигнал, при этом на его выходном зажиме Y держится единичный сигнал. В случае появления на входном зажиме единичного сигнала сигнал на выходе элемента
НЕ принимает нулевое значение. Действие элемента НЕ называют в математической логике инвертированием сигнала или инверсией, а сам элемент – инвертором. Для его изображения применяется прямоугольник с небольшим кружочком, нанесенным посредине правой или левой его стороны.

32 а) условное изображение; б) на электромеханических элементах; в) на полупроводниковых элементах; г) таблица соответствия.
Рисунок 6.4- Логический элемент НЕ
На структурных схемах элемент НЕ изображается так, как дано на
(рисунке 6.4, а.) а) элемент ИЛИ; б) элемент И; в) элемент НЕ; г) элемент И-НЕ; д) элемент
ЗАПРЕТ.
Рисунок 6.5 -Условные изображения логических элементов
Для промышленной автоматики изготовляют серийные логические микросхемы, представляющие собой набор из сложных элементов и предназначенные для одновременного выполнения операций И и НЕ. Такой элемент сокращенно записывается так: элемент И-НЕ.
Изображение элемента И-НЕ приведено на рисунке 6.5, г. Ниже дана таблица переключений для элемента И-НЕ; в целях упрощения принято, что элемент имеет всего два входа Х
1
и Х
2
:
Состояние элемента Х
1
Х
2
Y
Исходное
0 0
1
Поданы сигналы
1 0
1 0
1 1
1 1
0
Как видно, мы приняли за исходное состояние такое, когда на входы элемента поданы нулевые сигналы, что соответствует «положительной»

33 логике, применяемой в промышленной автоматике. Если представить себе, что в исходном положении на оба входа поданы сигналы 1, то на выходе установится сигнал 0 (нижняя строка таблицы). И тогда достаточно заменить хотя бы один из входных сигналов нулевым, чтобы на выходе появился сигнал 1. А такое действие элемента представляет собой уже операцию ИЛИ-
НЕ, но при единичных сигналах в исходном состоянии элемента. Она часто применяется на практике.
В качестве реагирующего органа используются операционные усилители. Питание операционных усилителей, применяемых при изготовлении реле защиты, осуществляется от двух разнополярных источников напряжения постоянного тока с общей нулевой точкой. Значения питающих напряжений берутся в диапазоне от ±5 до ± 15 В в зависимости от конструкции ОУ. Операционный усилитель имеет два независимых входа и один общий выход. Он является усилителем дифференциального типа и реагирует на знак напряжения, определяемого разностью двух напряжений, поданных на его входы. Тот из входов, при преобладании напряжения на котором знак выходного напряжения совпадает с поданным на этот вход, называется неинвертирующим, или сокращенно Н-входом. До последнего времени этот вход обозначался на схемах усилителей условным знаком плюс.
Другой вход, преобладание напряжения на котором приводит к изменению знака выходного напряжения на противоположный по сравнению со знаком напряжения на этом же входе, называется инвертирующим, или сокращенно
И-входом. Ему присваивался условный знак минус. а)старое; б)допускаемое; в) новое.
Рисунок 6.6- Условные изображения операционных усилителей
Все типы реле, изображаются с помощью структурных схем, в которых каждое звено (функциональный элемент) представлено своим условным изображением. Условное изображение отдельного звена, выполненного на
ОУ, представляет собой вытянутый вверх прямоугольник, внутри которого помещен знак, отображающий свойства этого звена.

34
7 Лекция №7. Реле защиты, выполненные на операционных
усилителях, и интегральных микросхемах
Содержание лекции: приведены сведения о принципах исполнения и реле тока и напряжения выполненных на операционных усилителях.
Цель лекции: изучить назначение основных узлов реле, выполненных на операционных усилителях.
У реле защиты, содержащих операционные усилители, имеется ряд узлов, которыми не располагают электромеханические реле.
Обобщенная структурная схема реле защиты, в котором применены ОУ, показана на рисунке 7.1. У таких реле имеется пять основных узлов. узел измерения (УИ), содержащий измерительные преобразователи или датчики тока и напряжения, подаваемых на реле от измерительных трансформаторов тока и напряжения защищаемого объекта.
Узел формирования (УФ), в котором получают из поступающих вход- ных сигналов специально сформированные напряжения переменного или выпрямленного тока, требуемые для реализации характеристики реле после их сопоставления в узле сравнения.
Узел сравнения (УС), служащий для дальнейшего преобразования сравниваемых напряжений в форму, удобную для сравнения, собственно сравнения и получения на выходе узла управляющего сигнала, когда результат сравнения свидетельствует о соответствии поданных на реле токов и напряжений условиям его срабатывания.
Узел выхода (УВ) обеспечивает действие содержащегося в нем электромеханического реле при поступлении управляющего сигнала из узла сравнения.
УП — узел питания; УИ - узел измерения; УФ - узел формирования; УС -узел сравнения (ПЧ - преобразующая часть, СС - схема сравнения, ИЧ - испол- нительнаячасть); УВ — узел выхода.
Рисунок 7.1 - Структурная схема статического реле зашиты

35
Узел питания (УП) предназначен для получения от источника опера- тивного тока защищаемого объекта стабилизированных напряжений постоянного тока, требующихся для работы интегральных микросхем и исполнительного выходного реле. Для каждого типа реле указывается, к какому источнику оперативного тока оно должно подключаться.
Содержащиеся в УИ измерительные преобразователи (датчики) представляют собой промежуточные трансформаторы или трансреакторы, предназначенные для отделения полупроводниковой части реле от вторичных цепей защищаемого объекта. Одновременно эти преобразователи служат для трансформации токов и напряжений. Уровень трансформированных сигналов выбирается по условиям управления операционными усилителями.
Число датчиков определяется схемой реле. В токовых реле применяют один или несколько датчиков тока, а в реле напряжения — соответствующее число датчиков напряжения.
В реле сопротивления и в реле направления мощности устанавливают как датчики тока, так и датчики напряжения.
Остановимся более подробно на исполнении узлов формирования и узлов сравнения, в которых наиболее широко применяются ОУ. В УФ производится обработка сигналов, поступающих из датчиков тока и напряжения. Узел сравнения может быть представлен состоящим из трех частей. В преобразующей части узла сравнения осуществляется превращение поступающих из узла формирования синусоидальных или выпрямленных сигналов в импульсы определенной формы, наиболее удобной для выполнения операции сравнения. Чаще всего используются импульсы прямоугольной формы заданной длительности. В ряде типов реле в этой части
УС производится сопоставление полученных импульсов между собой или с заранее подготовленным сигналом установленного уровня или продолжительности. В качестве сигнала заданного уровня чаще всего используется напряжение постоянного тока стабильного значения, названное опорным U
оп
Другой составной частью узла сравнения является схема сравнения СС,
в которой сравниваемые импульсы сопоставляются между собой не только по значению, но и по длительности их возникновения. Схемы сравнения, в которых происходит сравнение входных сигналов с опорным напряжением, применяются в основном в реле тока и в реле напряжения общего назначения.
В конце узла сравнения имеется исполнительная часть ИЧ, в которой создается командный сигнал, если результат сравнения показывает, что параметры токов и напряжений, поступающих в реле, соответствуют условиям его срабатывания. Обычно она представляет собой усилитель с положительной обратной связью, обеспечивающей «релейный» эффект при действии реле.
Узлы сравнения,используемые в серийных реле зашиты, имеют несколько вариантов исполнения. Одним из них является узел сравнения, применяемый в большинстве серийных реле тока и напряжения, реагирующих

36 на полные значения измеряемых электрических величин. Этот узел работает на время импульсном принципе (рисунок 7.2, а). Для срабатывания таких реле требуется, чтобы, во-первых, входной сигнал превысил некоторое заданное значение, и, во-вторых, обеспечивалось бы определенное соотношение между временем превышения заданного уровня и временем, когда входной сигнал ниже уровня срабатывания. Эти условия обеспечивают хорошую отстройку реле от помех, возникающих в сети питания реле оперативным током, а также из-за наведенных напряжений от смежных цепей.
В соответствии с принципом работы в схеме рисунка 7.2, а содержится два индикатора уровня. Один из них входит в состав преобразующей части узла и представляет собой компаратор, собранный на операционном усилителе А1. На не инвертирующий вход А1 через делитель на резисторах
R2 и R3 - R13 подается от источника оперативного тока положительное опорное напряжение U
оп1
, значение которого определяется заданной уставкой реле. На инвертирующий вход А1 подается выпрямленное напряжение, пропорциональное току, поступающему от соответствующего датчика через диодный мост. Если значение поступающего выпрямленного напряжения меньше опорного напряжения, на выходе А1 будет иметься напряжение положительного знака максимального значения, равное примерно 13 В. На временной диаграмме (рисунок 7.2, б), характеризующей работу узла при различных значениях входного сигнала, это соответствует первому полупериоду изменения входного сигнала. Имеющееся на выходе А1 положительное напряжение заряжает конденсатор С1 через резистор R3, так как диод VD2 закрыт. Максимум напряжения на конденсаторе ограничивается напряжением стабилизации VD3, которое равно примерно 9
В. Полученное напряжение подается на другой индикатор уровня, собранный на операционном усилителе А2. Он представляет собой инвертирующий триггер Шмитта. Положительное напряжение, поступающее с конденсатора
С1 на инвертирующий вход А2,создает на выходе ОУ напряжение отрицательного знака, достигающее минус 13 В. Через цепь положительной обратной связи на неинвертирующий вход А2 приходит часть этого напряже- ния, зависящая от соотношения между сопротивлениями резисторов R
6 и R
7
.
Она служит опорным напряжением срабатывания определяющим второе условие срабатывания реле. При возрастании входного напряжения до значения, превышающего опорное, происходит изменение режима компаратора, и знак выходного напряжения А1 становится отрицательным, оставаясь равным максимуму, т.е. минус 13 В. Изменение знака напряжения на выходе А1 вызывает перезаряд конденсатора С1. Если уровень U
в х становится выше U
о п1
на небольшой промежуток времени, как получается во втором и третьем полупериодах изменения U
в х на рисунке 7.2, б, то емкость
С1 не успевает полностью перезарядиться. Происходит лишь снижение напряжения на емкости С1 до значения, близкого к нулю, а затем после спадания U
в х ниже U
о п1
- повторный заряд емкости до максимального положительного уровня. Исполнительная часть узла сравнения подействует

37 только тогда, когда за счет увеличения входного сигнала время превышения
U
в х над U
о п1 равное промежутку а ср на рисунке 7.2, б, станет достаточным, чтобы емкость С1 перезарядилась настолько, что отрицательное напряжение на конденсаторе С1 стало ниже, U
о п2 ,
с - Потенциал инвертирующего входа
А2 достигнет в этом случае такого значения, что произойдет немедленное изменение знака выходного напряжения триггера на положительный. Это является признаком срабатывания узла. Процесс срабатывания виден на рисунке 7.2, б на четвертом полупериоде, соответствующем началу срабатывания, и двух следующих полупериодах изменения U
в х
, После изменения знака напряжения на выходе А2 напряжение на его не инвертирующем входе А2 становится тоже положительным. Его называют опорным напряжением возврата U
оп2
,
В так как им определяется значение входного сигнала, которое требуется для возврата триггера Шмитта. По окончании промежутка времени, соответствующего а ср
, емкость С1 снова начнет заряжаться.
Постоянные времени заряда и разряда емкости С1 благодаря наличию диода VD2 получаются неодинаковыми, так как сопротивление цепи заряда примерно в 3 раза больше сопротивления цепи разряда. Поэтому, когда емкость С1 снова начнет заряжаться, она не успеет достичь уровня U
оп 2
, как снова наступит разряд. Этим достигается релейное действие реагирующего органа.
Рисунок 7.2 - Узел сравнения реле тока и напряжения. Принципиальная схема

38
Рисунок 7.3 - Временные диаграммы узла сравнения реле тока и реле напряжения
Статические реле максимального тока серий РСТ 11— РСТ 14 пред- назначены для использования в качестве измерительных органов токовых защит как мгновенного действия, так и работающих с выдержкой времени любых присоединений электроустановок. Для питания реле этих серий оперативным током должны использоваться надежные источники постоянного или переменного тока напряжением 220 В.
В условном обозначении реле, приводимом в заводской информации, первым указывается номер серии реле. Рядом с ним располагается двухзначное число, обозначающее максимальную уставку по току реле данного типо исполнения. Имеется семь вариантов типовых исполнений, записываемых следующими числами: 04 на ток 0,2 А, 09—0,6 А. 14 - 2 А, 19 -

39 6 А, 24 - 20 А, 29 — 60 А и 32 - 120 А. Третий знак условного обозначения — цифры 1 или 5. Цифра 1 показывает, что реле собрано на заводе для переднего подключения соединительных проводов, а цифра 5 — соответственно для заднего подключения проводов. В конце условного обозначения приводится вид климатического исполнения реле: УХЛ4 для умеренного климата и 04 — для тропических условий.
Нормальная работа реле в зоне умеренного климата гарантируется в диапазоне температур окружающей среды от —20 до +55 °С и относительной влажности воздуха не более 80 % при 25 °С.
Например, условное обозначение РСТ 13-19-1-УХЛ4 относится к реле максимального тока, предназначенному для использования в сетях с промышленной частотой 50 Гц на объектах с постоянным оперативным током
220 В, наибольшая уставка реле по току - 6 А, подсоединение внешних проводов — переднее, а само реле должно работать в условиях умеренного климата.
Коэффициент возврата реле РСТ 11, РСТ 13 на любой уставке не менее
0,9, что значительно выше, чем у электромеханических максимальных реле тока.
Реле РСТ имеет один замыкающий и один размыкающий контакты.
Коммутационная способность контактов в цепи постоянного тока составляет
30 Вт, в цепи переменного тока 250 В - А при напряжении не более 250 В и токе не более 1 А (постоянного) и 2 А (переменного).
Уставки (токи срабатывания реле) выставляются дискретно с помощью пяти переключателей, имеющихся на лицевой плате (рисунок 7.3), в соответствии с формулой
I
c p
= I
min
( 1+ ∑N),
(7.1) где I
min
— минимальная уставка для соответствующего типа реле;
∑N — сумма чисел, определяемая положением переключателей на лицевой плате реле (шкале уставок).
При этом в выражении (7.1) учитываются цифры только возле тех переключателей, которые находятся в выступающемположении, а шлиц под отвертку на их головках расположен горизонтально.
Например, для реле типа РСТ 11-24 с I
min
= 5 А минимальное значение тока срабатывания I
ср
= 5 А, если ни один из переключателей не выступает и у всех шлицы на головках находятся в вертикальном положении (рисунок 7.3,а).
Максимальное значение тока срабатывания для этого типа реле может быть установлено при переводе всех переключателей в выступающее положение, при котором шлицы на головках находятся в горизонтальном положении:
I
ср
= 5(1 +0,1 +0,2 + + 0,4 + 0,8 + 1,6) = 5 х 4,1 = 20,5 А.