Принцип действия и выполнение индукционных реле

5. Принцип действия и выполнение индукционных реле

На индукционном принципе выполняют измерительные реле тока и реле направления мощности. В системах электроснабжения можно еще встретить реле сопротивления и реле частоты, уже снятые с производства.

Работа индукционных реле основана на взаимодействии переменных магнитных полей неподвижных обмоток, обтекаемых подведенными извне токами с токами, индуцированными этими полями в подвижном элементе. Поэтому на индукционном принципе могут выполняться лишь реле переменного тока.

Мгновенное значение силы взаимодействия между потоком Ф, и током I при расположении проводника с током длинойв плоскости, перпендикулярной оси потока,

При наличии только одного магнитного потока выполнить реле невозможно, так как известно, что силаот взаимодействия тока с потоком, благодаря которому ток возникает, равна нулю. Непременным условием получения вращающего момента на подвижном элементе индукционной системы является наличие не менее двух магнитных потоков, сдвинутых в пространстве. Возникающий при этом вращающий момент

Таким образом, для получения вращающего момента необходим также сдвиг по фазе между потоками на угол. Два магнитных потока, смещенных пространственно и по фазе, можно получить, в частности, с помощью короткозамкнутого витка /, надеваемого на часть магнитопровода. Потоки Ф1 и Ф₂ обусловлены током /_р в обмотке реле; в ненасыщенной магнитной системе они пропорциональны току. Так как уголпри изменении тока не изменяется, то вращающий момент

В неподвижном диске индуцируются только ЭДС трансформации £, и Е₂, которые и обусловливают вращающий момент М_вр. Во вращающемся диске наряду с ЭДС трансформации появляются также ЭДС резания, вызванные пересечением магнитных потоков Ф, и Ф₂ вращающимся диском. Эти ЭДС создают в диске токи, которые при взаимодействии с вызвавшими их потоками обусловливают появление тормозных моментов, где

а — угол поворота подвижной части. Тормозные моменты пропорциональны частоте вращения диска и зависят от магнитных потоков. На подвижную часть реле действуют также тормозной момент пружины М_а и момент инерции

При этом движение диска без учета момента трения определяется условием

или

Анализ выражения показывает, что индукционные системы позволяют выполнить как быстродействующие, так и медленнодействующие реле. Подвижная часть быстродействующих реле за время срабатывания не успевает развить больших окружных скоростей, поэтому можно принять = 0; тогда , откуда

Из выражения следует, что для уменьшения времени срабатывания реле необходимо: угол поворота а принять минимальным; иметь минимальный момент инерции / подвижной части; получить максимальный избыточный момент.

Для реле замедленного действия влияние момента инерции А/_ин на общее время срабатывания незначительно, поэтому можно принять М_ин = 0; тогда откуда

Таким образом, для получения реле замедленного действия необходимо иметь максимальные значения а и к_а. В существующих конструкциях реле это достигается тем, что их снабжают постоянными магнитами, а подвижную часть выполняют в виде диска. При вращении диск пересекает поле постоянного магнита, в результате чего возникает дополнительный тормозной момент. Такие реле имеют ограниченно зависимую от тока характеристику выдержки времени. В ее независимой части удается получить выдержки времени /_ср > 10 с.

6. Индукционные измерительные реле

Реле тока серии РТ-80 и РТ-90. Эти реле являются комбинированными и состоят из двух элементов: индукционного с диском, создающего ограниченно зависимую выдержку времени, и электромагнитного мгновенного действия, срабатывающего при больших кратно-стях тока в обмотке реле. Оба элемента используют одну общую магнитную систему. Реле предназначены для защиты электрических машин, трансформаторов и линий электропередачи при перегрузке и коротких замыканиях.

Индукционный элемент реле состоит из электромагнита / 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 //, 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 /_р = /_ср срабатывания индукционного элемента. При этом вращение диска не приводит к замыканию контактов. На вращающийся диск действуют сила F_K, вызывающая вращение диска, и противодействующая F^, препятствующая его вращению. Противодействующая сила возникает в связи с пересечением вращающимся диском магнитного потока постоянного магнита 75 и пропорциональна частоте вращения диска. Поэтому при увеличении тока в обмотке реле наряду с ростом силы F„ возрастает сила F^. 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„.

Током срабатывания индукционного элемента называется такой минимальный ток, при котором сила F' преодолеет силу пружины F„ и рамка 13 вместе с диском поворачивается, произведя сцепление червяка 11 с зубчатым сегментом 12. При этом благодаря вращению диска червяк /] 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 «оромысла 10. Реле позволяет установить ток срабатывания не более 10 А.

В процессе работы индукционного элемента при наличии сцепления между червяком и сегментом на вращающийся диск кроме сил F_K и F^ 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. 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 также от длины 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. Необходимо иметь в виду, что на шкале 20 указаны пределы установки выдержки времени в независимой части характеристики. Так, у реле РТ-81 минимальная уставка равна 0,5 с, а максимальная — 4 с. Реле РТ-82 имеет иные пределы регулирования уставок: минимальная уставка равна 2 с, а максимальная — 16 с.

Наряду с реле РТ-80 отечественная промышленность выпускает реле РТ-90. У них диапазон регулирования уставки такой же, как у реле РТ-81, но сами характеристики мало зависят от кратности тока в обмотке реле.

Электромагнитный элемент реле использует электромагнит / индукционной системы. Подвижной частью является якорь 6 с коромыслом 10. Ток срабатывания электромагнитного элемента устанавливается винтом 7 путем изменения воздушного зазора между электромагнитом / и правым концом якоря 6. На головке винта имеются метки с цифрами 2—8. Они соответствуют кратностям тока срабатывания отсечки, т. е. отношению тока срабатывания отсечки к току срабатывания индукционного элемента. Таким образом, с помощью винта устанавливается не ток срабатывания отсечки, а его кратность по отношению к установленному на реле току срабатывания индукционного элемента. При срабатывании электромагнитного элемента реле действует без выдержки времени. Поэтому реле РТ-80 имеет комбинированную характеристику выдержки времени. Для уменьшения вибрации якоря при срабатывании на часть его правого конца насажен короткозамкнутый виток. Реле РТ-80 выполняют на разные пределы тока срабатывания, с различной контактной системой. Например, реле РТ-85, предназначенное для защиты на оперативном переменном токе, имеет усиленный переходный контакт, который способен коммутировать ток до 150 А. Реле РТ-83, РТ-84 имеют два контакта: один для индукционного элемента, действующего на сигнал и один для электромагнитного элемента, действующего на отключение.

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 А:_в = 0,8 и с малой инерционной ошибкой. К достоинствам реле относится то, что с помощью одного реле можно выполнить быстродействующую защиту от коротких замыканий и защиту с выдержкой времени, действующую при перегрузке. Недостатком реле является его сложность, а также значительная потребляемая мошность при срабатывании. При токе, равном току уставки, потребляемая мощность реле РТ-80 около 10 В • А, а реле РТ-90 достигает 30 В • А и более. При срабатывании реле потребляемая мощность увеличивается на 15%.

Реле направления мощности РБМ. Реле направления мощности является измерительным органом с двумя воздействующими электрическими величинами, сравниваемыми по фазе. Реле выполнено на основе четырехполюсной магнитной системы /.

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.

Реле имеет две обмотки — тока и напряжения. Обмотка тока размещается на двух противоположных полюсах, а обмотка напряжения — на двух других полюсах или непосредственно на магнитопроводе. При этом магнитный поток Ф,, созданный током /_р, проходящим по обмотке тока, и магнитный поток Фц, обусловленный напряжением U_p на зажимах обмотки напряжения, сдвинуты между собой в пространстве на угол тс/2.

При построении векторной диаграммы реле за исходные величины приняты напряжение U_p и отстающий от него на угол <р_р ток /_р. Ток в обмотке напряжения [_и сдвинут по фазе относительно напряжения U_p, на угол у^.

У реле РБМ сопротивление обмотки напряжения таково, что угол обычно составляетУгол а дополняет его до

Если пренебречь потерями в стали и размагничивающим действием тока ротора, то магнитные потоки Ф ₇ и Ф _v совпадают по фазе с вызвавшими их токами, соответственно /„ и 1_и. Вращающий момент индукционного реле, согласно,Для ненасыщенной магнитной системы Ф₇~ /_р и , поэтомуПо векторной диаграмме и

Выражение определяет вращающий момент реле смешанного типа. Из него следует, что примомент положительный, а при

— отрицательный. Максимальное значение положительного момента наступает при, т. е. приУголпри котором положительный вращающий момент максимален, называется углом максимальной чувствительностиТаким образом, уголвсегда равен и противоположен по знаку углут. е.

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

При углеуголи вращающий момент

Такое реле получило название косинусного. Если угол, то угол и вращающий момент

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

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

Конструкция реле направления мощности РБМ с одним контактом приведена на рис. 17, в. 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 от угла <р_р т. е., или напряжения срабатывания от угла при заданном токе, т. е.соответственно; вольт-амперной, представляющей собой зависимость напряжения срабатывания от тока при угле максимальной чувствительности, т. е.при. Характеристики зависят от типа реле и его выполнения.

Угловая характеристика. 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 Af_Bpmin. Для срабатывания реле направления мощности со смешанной характеристикой должно выполняться условие

Так как Af„_pmin/fe — величина постоянная, то 5_ср изменяется с изменением углапринимая минимальное значение ■S^,_c._pnii_n, при котором т. е.

С учетом этого выражение принимает вид

В соответствии с выражением на рис. 18, а построена угловая характеристика в прямоугольной системе координат. Мощность срабатывания, как указывалось, принимает минимальное значение 5_cpmin при По мере уменьшениямощность S_cр возрастает и становится бесконечной причто наблюдается при углах

Угловую характеристику реле можно построить в полярной системе координат. При этом уголотсчитывается от положительной оси против часовой стрелки при его положительных значениях. Мощность срабатывания принимает минимальное значениепри угле С изменением угламощность срабатывания увеличивается так, что конец радиуса-вектора 5_ср скользит по прямой, перпендикулярной радиусу-векторуЭта прямая является угловой характеристикой реле в полярной системе координат или в комплексной плоскости мощностей. Реле направления мощности срабатывает, если конец вектора полной мощности S— Щ находится в пределах заштрихованной области комплексной плоскости или касается угловой характеристики. Аналогично строят угловые характеристики синусного и косинусного реле.

У идеальных реле силы трения и удерживающей пружины отсутствуют, поэтому S_cpain = 0, в связи с чем их идеальные угловые характеристики отличаются от рассмотренных тем, что проходят через начало координат.

При анализе работы реле направления мощности часто пользуются его идеальной угловой характеристикой. При этом в ряде случаев целесообразно считать фиксированным вектор напряжения U_p и относительно него производить отсчет угловсдвига фаз между U_p и /_р. Следует иметь в виду, что уголсчитается положительным при отстающем по фазе токе и отрицательным — при опережающем.

Прямая, проведенная под угломк вектору Ц_р является линией максимальной чувствительности. Зона работы реле ограничивается линией нулевой чувствительности, проведенной перпендикулярно линии максимальной чувствительности. С вектором напряжения Ц_р она образует утлыи при которыхи вращающий момент М_т = 0. Таким образом, зона работы реле ограничивается углами , отсчитанными от вектора напряжения Ц_р. При расположении вектора тока /_р в этой зоне, т. е. слева от линии нулевой чувствительности, реле мощности срабатывает.

Вольт-амперная характеристика. Для построения вольт-амперной характеристикиприиспользуется выражение. На рис. 18, ж кривая / — расчетная вольт-амперная характеристика а кривая 2 — характеристика, полученная экспериментально; она показывает, что начиная с некоторого значения тока /_р напряжение U_cp перестает уменьшаться. Это объясняется насыщением магнитной системы реле. Таким образом, экспериментальная вольт-амперная характеристика дает возможность определить минимальное напряжение необходимое для срабатывания реле. Насыщение магнитной системы снижает чувствительность реле, так как прии росте тока увеличивается

Таким образом, если при коротком замыкании к реле подводится напряжение U_p < t/_cpmin, то оно не сможет сработать. В таких случаях считают, что реле имеет мертвую зону.