Индукционные реле
Лекция 10
Индукционные реле.
На индукционном принципе выполняют измерительные реле тока и реле направления мощности. Их работа основана на взаимодействии переменных маг нитных полей неподвижных обмоток, обтекаемых подведенными извне токами с токами, индуцированными этими полями в подвижном элемен те (диске или цилиндрическом роторе). Таким образом могут выполняться реле только переменного тока.
Мгновенное значение силы взаимодействия между потоком Фi, и то ком i при расположении проводника с током длиной в плоскости, перпендикулярной оси потока, определяется зависимостью
Заменяя Bi, потоком Фi можно получить
Непременным условием получения вращающего момента на подвижном элементе ин дукционной системы является наличие не менее двух магнитных потоков (Ф1 и Ф2), сдвинутых в пространстве на угол . Возникаю щий при этом вращающий момент
Два маг нитных потока, смещенных пространственно и по фазе, можно полу чить, в частности, с помощью короткозамкнутого витка, надеваемого на часть магнитопровода. Потоки Ф1 и Ф2 обусловлены то ком Iр в обмотке реле; в ненасыщенной магнитной системе они пропор циональны току. Так как угол при изменении тока не изменяется, то вращающий момент
В неподвижном диске (цилиндрическом роторе) индуцируются только ЭДС трансформации Е1 и Е2, которые и обусловливают вра щающий момент Мвр. Во вращающемся диске наряду с ЭДС трансфор мации появляются также ЭДС резания, вызванные пересечением маг нитных потоков Ф1 и Ф2 вращающимся диском. Эти ЭДС создают в диске токи, которые при взаимодействии с вызвавшими их потоками обусловливают появление тормозных моментов , где угол поворота подвижной части. Тормозные моменты пропорцио нальны частоте вращения диска и зависят от магнитных потоков. На под вижную часть реле действуют также тормозной момент пружины Мп и мо мент инерции
При этом движение диска (цилиндрического ротора) без учета момен та трения определяется условием
или
Индукционные системы позволяют выполнить как быстродействующие, так и медленнодействующие реле. Для получения реле замедленного действия необхо димо иметь максимальные значения и kд. В существующих конструк циях реле это достигается тем, что их снабжают постоянными магнита ми, а подвижную часть выполняют в виде диска. При вращении диск пересекает поле постоянного магнита, в результате чего возникает до полнительный тормозной момент. Такие реле имеют ограниченно зави симую от тока характеристику выдержки времени. В ее независимой части удается получить выдержки времени tс.р. > 10 с.
Среди индукционных измерительных реле тока широкое распространение получили серии РТ-80 и РТ-90. Эти реле являются комбинирован ными и состоят из двух элементов: индукционного с диском, создающе го ограниченно зависимую выдержку времени, и электромагнитного (отсечки) мгновенного действия, срабатывающего при больших кратностях тока в обмотке реле. Оба элемента используют одну общую магнит ную систему. Реле предназначены для защиты электриче ских машин, трансформаторов и линий электропередачи при перегруз ке и коротких замыканиях.
Диск вращается при токе Iр = (0,1...0,2)Iс.р. срабатывания индукцион ного элемента. На вращающийся диск действуют сила Fи, вызывающая враще ние диска, и противодействующая Fтрм, препятствующая его вращению. Противодействующая сила возникает в связи с пересечени ем вращающимся диском магнитного потока постоянного магнита и пропорциональна частоте вращения диска. Поэтому при увеличении тока в обмотке реле наряду с ростом силы Fи возрастает сила Fтрм. Установив шаяся частота вращения диска определяется равновесием этих сил. Их равнодействующая сила F' стремится повернуть диск вместе с рамкой вокруг оси рамки чему препятствует сила пружины Fп. Током срабатывания индукционного элемента называется такой ми нимальный ток, при котором равнодействующая сила F' преодолеет силу пружины Fп, что приводит к замыканию контактов. Реле позволяет установить ток срабатывания не более 10 А. Время от момента начало движения подвижных элементов (сцепления червяка с зубчатым сегментом) до мо мента замыкания контактов является временем срабатывания реле выдержкой времени. Чем больше ток, тем больше частота вращения диска и скорость движения подвижных элементов (подъема сегмента) и тем меньше выдержка времени реле. РТ-80 имеет ограниченно зависимую ха рактеристику выдержки времени.
Достоинства: 1) надежная контактная сис тема, с коэффициентом возврата индукционного элемента не менее kв=0,8 и с малой инерционной ошибкой; 2) с помощью одного реле можно выполнить быстродейст вующую защиту от коротких замыканий и защиту с выдержкой време ни, действующую при перегрузке. Недостатки: 1) слож ность конструкции; 2) значительная потребляемая мощность при срабатывании.
Реле направления мощности являет ся измерительным органом с двумя воздействующими электрическими ве личинами, сравниваемыми по фазе. Реле выполнено на основе четырехполюсной магнитной системы и имеет две обмотки тока и напряжения.
Вращающий момент индукционного реле:
смешанного типа
косинусного типа
синусного типа
Работа реле направления мощности определяется его характеристи ками: угловой, представляющей собой зависимость мощности срабаты вания (произведение напряжения на ток при срабатывании) от утла , т. е. или напряжения (тока) срабатывания от угла при задан ном токе (напряжении), т. е. соответственно; вольтамперной, представляющей собой зависимость напря жения срабатывания от тока при угле максимальной чувствительности (угол при котором положительный вращающий момент максимален), т. е. при . Характеристики зависят от типа реле и его выполнения.
Угловая характеристика. В реальных реле на подвижную часть наря ду с вращающим моментом действуют силы трения и удерживающей пру жины. Для их преодоления при срабатывании реле необходим минималь ный вращающий момент Mвр.min. Для срабатывания реле направления мощ ности со смешанной характеристикой должно выполняться условие
или
Так как постоянная величина, то Sс.р. изменяется с изме нением угла , принимая минимальное значение Sс.р.min при котором , т. е.
С учетом этого выражение для угловой характеристики имеет вид
.
Такая характеристика отражает зависимость мощности срабатывания реле при различных углах сдвига фаз.
Вольтамперная характеристика. Для построения вольтамперной ха рактеристики при используется записанное ранее выражение
.
Экспериментальная вольтамперная характеристика дает возможность определить минимальное напряжение необходимое для срабатывания реле. Насыщение магнитной сис темы снижает чувствительность реле, так как при и росте тока уве личивается . Таким образом, если при коротком замыкании к реле подводится напряжение , то оно не сможет сработать. В таких случаях считают, что реле имеет мертвую зону.
Электромеханические реле с постоянным магнитом
Электромеханические реле с постоянным магнитом разделяют на магнитоэлектрические и поляризованные реле. Такие реле имеют малое потребление мощности и являются высокочувствительны ми и быстродействующими реле; благодаря постоянному магниту они реагируют на направление постоянного тока в обмотке. Применяются, например, в качестве реагирующих элементов (нуль-органов) полупроводниковых схем сравнения.
Поляризованные реле. Это реле постоянного тока, действие которого основано на взаимодействии магнит ного поля обмотки и вспомогательного поляризующего магнитного поля, и изменение состояния которого зависит от полярности его входной воз действующей величины. На подвижную систему реле действуют два не зависимых магнитных потока: один Фр рабочий поток, другой Фп поляризующий. Первый создается постоянным током, проходящим по обмотке реле, второй в большинстве случаев постоянным магнитом. Конструктивно выделяют две магнитных системы: дифференциальную и мостовую. Более проста дифференциальная сис тема. Однако мостовая система в связи с характером распределения по токов позволяет осуществить более чувствительные реле.
Рассмотрим принцип действия дифференциальной системы. При прохождении по обмотке реле постоянного тока появляется рабочий магнитный поток Фраб, направление которого зависит от полярности тока. В воздушных зазорах и (суммарный зазор ) создаются результирующие магнитные потоки со ответственно
На якорь реле действует электромагнитная сила стремящаяся притянуть его к правому полюсу. После подстановки в выражение для Fэ значений потоков Ф1 и Ф2 и соответствующих преобразований получим
В условиях срабатывания Левая часть равенства постоянная величина, а правая зависит от . При движении якоря она уменьшается до нуля, а затем изменяет знак и увеличивается. Поэто му электромагнитная сила Fэ по мере движения якоря при срабатывании реле нарастает. Якорь остается в крайнем правом положении и после отключения обмотки реле. Для возвращения его в крайнее левое положение не обходимо подать в обмотку ток противоположного направления. Такое реле обладает направленностью действия.
Магнитоэлектрические реле. Принцип действия такого реле базируется на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и тока в обмотке, расположенной на подвижной рамке в поле постоянно го магнита. Сила, действующая на подвижную рамку описывается зависимостью
где B индукция в воздушном зазоре, обусловленная постоянным магни том, Тл; ток в обмотке реле, А; w число витков обмотки; ак тивная длина витка обмотки, м. Cила F имеет линейную зависимость от тока в обмотке. Изменение направления постоянного тока приводит к изменению направление силы, т. е. реле обладает направленностью действия. Наличие поля постоянного магнита обеспечивает очень высокую чувстви тельность реле. Потребляемая мощность при срабатывании может составлять Рр = 10-10 Вт.
Индукционные реле