Полупроводниковые реле
Электромеханическими называют реле, работа которых основана на использовании относительного перемещения элементов под воздействием электрического тока, проходящего по входным цепям реле.
Электромеханические реле
Примеры электромеханических реле, находящихся в эксплуатации, показаны в табл. 7.1
Таблица 7.1
Примеры электромеханических реле, находящихся в эксплуатации
| Для промышленной автоматики | Реле защиты РТ40 (РП 250) | Реле для радиоэлектроники |
| Самые большие по габаритам РП 21, РП 20; 106 циклов коммутации; tср = 0,1...180 с; G = 300-750 грамм; 45х70х75 мм; Iвых до 10 А; U до 660 В. | Промежуточные: (РП 23) РП 16, РП 17, РП 18. Указательные: РУ 21, РУ-1. Тока: РТ 40; tср = 0,03...0,1с; S = 0,2 ВА. КВ³0,85; Iср = 0,05-200 А. Напряжения: РН 51, РН 53, РН 54, РН 58, РН 153; Износостойкость: 102 -104 циклов; 180х110*60мм. Времени: ЭВ-100,ЭВ-217. | Самые разнообразные fком до 10 кГц, токи до 10 А, герметичные корпуса; выдерживают вибрацию; РКН, РПН, МКУ-48С, РЭС 80; 5х10х10 мм; S = 0,2 ВА. |
Недостатки электромеханических реле:
· большая мощность;
· наличие подвижных элементов;
· низкая вибростойкость.
Тяговые характеристики реле
В электромеханических реле энергия электромагнитного поля преобразуется в механическую энергию перемещения. Используется изменение магнитной составляющей энергии. Обычно конструкция реле выполняется так, что подвижные части вращаются вокруг оси, поэтому для характеристики условий перемещения используют момент М и угловое перемещение a.
Общее выражение вращающего электромагнитного момента вытекает из уравнения Лагранжа:
где 
– энергия электромагнитного поля, функция a, t.
Решение этого уравнения находится отдельно для каждого конкретного типа реле.
Схема электромагнитного реле тока представлена на рис. 7.5.
Схема электромагнитного реле тока РТ-40
1 - магнитопровод; 2 - две полуобмотки; 3 - стальной якорь; 4 - пружина; 5 - поводок; 6 - подвижные контакты; 7 - неподвижные контакты; 8 и 8’ - оси.
Рис. 7.5
2-х позиционное реле фиксации оперативных переключений представлено на рис.7.6.
Для наиболее распространенного электромагнитного реле определим вращающий момент на примере реле тока поворотного типа. Принимаем, что в реле тока величина тока не зависит от угла поворота подвижной части, а определяется только параметрами контролируемой через трансформаторы тока силовой цепи. В этом случае можно записать:
где L – индуктивность обмотки;
a - угол поворота.
При питании от 
, получим:
где 
, так как 
.
График зависимости Мвр от wt приведен на рис.7.7.
Для устранения дребезга при несинусоидальном токе расщепляют магнитный поток, в результате уменьшается переменная составляющая момента.
Токовое реле РТ 40 и его характеристики приведены на рис.7.8.
Статическими называют реле, принцип работы которых не связан с использованием относительного перемещения его механических частей. Наибольшее распространение получили полупроводниковые статические реле и соответственно полупроводниковая элементная база. Вначале применялись диодные реле, затем диодно-транзисторные и, наконец, реле с использованием интегральных схем как аналоговых (на основе операционных усилителей), так и цифровых.
Статические реле применяются в устройствах автоматического контроля, встроенных в РЗ, в защитах тяговой сети переменного тока:
Их рациональная область применения определяется:
· большими функциональными возможностями по заданию алгоритмов обработки информации о контролируемом объекте, в случае, когда такие алгоритмы реализовать на электромеханических реле затруднительно;
· большей надежностью измерительной части защиты и возможностью построения более быстродействующих защит.
В энергетике полупроводниковые элементы позволили получить надежные дистанционные защиты. После замены электромеханического нуль-индикатора в измерительной части защиты на схемы, выполненные на операционных усилителях, отказы защит резко сократились.
На отечественных железных дорогах с 1971 года эксплуатируются полупроводниковые защиты фидеров контактной сети. При этом пришлось разработать элементную базу, т.е. типовые логические и функциональные элементы. На то время это были самые современные решения в области релейной защиты.
Созданный функциональный набор элементов «Сейм» использовался как для построения защит, так и для выполнения схем автоматики и телемеханики. В качестве примера рассмотрим токовое реле РТ-3К из набора “Сейм” (рис.7.9).
В это же время ВНИИЖТом был разработан оригинальный фазочувствительный элемент с время-импульсным принципом действия (рис.7.10).
Полупроводниковая элементная база потребовала решения задач по согласованию входных цепей этих защит с датчиками тока (трансформаторами тока) и датчиками напряжения (трансформаторами напряжения). Решалась также задача согласования выходных цепей релейной защиты с исполнительными устройствами управления (электромагнитами включения и выключения). Кроме согласования уровней сигналов потребовалось обеспечить гальваническую развязку цепей защиты от входных и выходных цепей, поскольку последние располагались в зонах сильного электромагнитного влияния первичных цепей.
Структурная схема полупроводниковой релейной защиты представлена на рис.7.11.
Согласующие устройства для токовых цепей и цепей напряжения показаны на рис.7.12 – 7.13.
Очень остро стоит вопрос помех, уровень которых выше уровня полезного сигнала. Меры борьбы – гальваническая развязка и временные задержки.
На рис.7.14 показан колебательный контур от помехи, который до 10 мс не приведет к ложному отключению. Он создается либо с помощью оптронного тиристора, либо с помощью герконового реле.
а). колебательный контур, созданный с помощью оптронного тиристора;
б). колебательный контур, созданный с помощью герконового реле.
Основные выводы по полупроводниковым реле
Преимущества:
· ниже потребляемая мощность от ТТ и TН;
· выше техническое совершенство;
· проще осуществить тестовый контроль.
Недостатки:
· большое количество разнотипных узлов и блоков (20-30 типов микросборок);
· необходимость гальванической развязки;
· высокая чувствительность к помехам.