Обобщенная функциональная схема. На рис.2.38 изображена функциональная схема, характерная для различных видов полупроводниковых ИО, применяемых в отечественных устройствах РЗ. Эта схема состоит из таких же структурных частей, как и общая структурная схема на рис.2.1, но, с учетом особенностей элементной базы, она дополнена блоком – источником питания, необходимым для обеспечения действия полупроводниковых элементов. Поэтому ниже рассматриваются особенности функции каждой структурной части при выполнении ИО на ИМС и реализующие их элементы.

Изучение принципов выполнения схем различных видов ИО (реле) следует начать с рассмотрения отдельных типовых схем функциональных элементов, с помощью которых реализуются описанные выше функции структурных частей ИО, поскольку из этих элементов компонуются схемы измерительных органов полупроводниковых РЗ. К таким элементам относятся промежуточные преобразователи тока и напряжения, частотные фильтры, выпрямители, сумматоры напряжений, схемы сравнения и ряд других элементов, построенных в большинстве случаев на ИМС [40, 45, 53].

Функциональные элементы воспринимающей части ИО. В качестве функциональных элементов этой части используются преобразователи тока, напряжения и выпрямители.

Функциональные элементы, применяемые в преобразующей, сравнивающей и исполнительных частях ИО, выполняются на аналоговых ИМС. В качестве такой микросхемы служат интегральные операционные усилители (ИОУ), являющиеся основным видом аналоговых микросхем, применяемых для преобразования непрерывных сигналов. Они выполняются в виде многокаскадных транзисторных усилителей постоянного тока с непосредственными (гальваническими) связями. От остальных усилителей этого типа ОУ отличаются высокой точностью преобразования входных сигналов и универсальностью применения. В релейной защите ОУ получили широкое распространение в качестве базовых элементов для построения измерительных органов РЗ.

Инвертирующий операционный усилитель выполняется на ОУ с параллельной отрицательной ОС (ООС) по напряжению (рис.2.45, a). Неинвертирующий вход Н соединен с общей (нулевой) шинкой непосредственно или через резистор, поэтому UH = 0. Входной сигнал UBX1 подается через резистор R1 на И-вход ОУ. На этот же вход по цепи ОС через резистор ROC поступает напряжение с выхода ОУ: UOC = –KOCUВЫХ. Коэффициент KOC показывает, какая часть выходного напряжения передается на вход усилителя: KOC = R1/(R1 + ROC).

Определим основной параметр усилителя: КуИ = UBЫX/UBX1. Полагая, что ОУ имеет идеальные параметры (КуОУ =, ZВХ ОУ = ), принимаем напряжение между входными зажимами ОУ UВХ.Д = UН–И = UH– UИ = 0. Отсюда следует, что UИ = UH, а так как UH = 0, то потенциал И-входа (UИ) инвертирующего усилителя будет равен нулю.

Сумматоры напряжения. Сумматоры осуществляют сложение (алгебраическое и геометрическое) нескольких напряжений и используются в качестве устройства, формирующего две и больше сравниваемые величины в ИО по выражениям (2.20).

Сумматор выполняется по схеме инвертирующего усилителя, у которого к И-входу подводится не одно, а несколько суммируемых напряжений. Рассмотрим схему (рис.2.49) алгебраического сложения n напряжений: U1 + U2 + ... + Un. Каждое напряжение подводится к И-входу ОУ через свой резистор R1, R2,...,Rn.

Схемы сравнения двух абсолютных значений электрических величин. Схемы сравнения абсолютных значений получили распространение в ИО, где сравниваются выпрямленные напряжения |UI| и |UII|. Применяются две схемы сравнения: на равновесии сравниваемых напряжений или на балансе токов, пропорциональных сравниваемым напряжениям (рис.2.61).

В схеме сравнения на равновесии напряжений (рис.2.61, а) выпрямители VS1 и VS2 соединяются одноименными полюсами, а в рассечку провода включается реагирующий орган РО. Под влиянием разности напряжений |UI| – |UII| в РО появляется ток IРО. При |UI| > |UII| ток IРО имеет положительный знак, и РО действует. Резисторы R1 и R2 шунтируют выпрямители и образуют контур с малым сопротивлением, по которому проходит ток IVS помимо выпрямителей, представляющих большое сопротивление для токов обратного направления.

Общие принципы выполнения. Поскольку отечественная промышленность выпускает полупроводниковые реле тока и напряжения на ИМС, ниже рассмотрены принципы построения ИО только на базе микросхем.

Реле тока и напряжения относятся к ИО с одной воздействующей и одной сравниваемой величинами. Принцип действия таких реле основан на сравнении абсолютного значения контролируемой входной величины (I или U) с эталонной величиной, соответствующей заданному значению контролируемой величины (тока или напряжения), при котором реле должно срабатывать. Воздействующая величина поступает с выхода измерительных ТТ или ТН. Поскольку токи и напряжения сети имеют синусоидальный характер, то для выполнения реле можно использовать либо мгновенные (амплитудные) значения, либо среднее за период значение измеряемой величины. Действующие значения этих величин, как правило, не используются вследствие большей сложности схем их получения. Наиболее распространенными являются ИО тока и напряжения, выполненные на выпрямленном токе (напряжении).

К этой группе ИО относятся реле направления мощности (РНМ) и реле сопротивления (PC), входными величинами которых являются напряжение и ток защищаемого объекта (UР и IР).

Для построения РНМ на ИМС используется в основном принцип сравнения фаз двух входных величин (UI и UII), позволяющий получить большее быстродействие, чем у реле, построенных на сравнении абсолютных значений. Ниже рассмотрены реле серии РМ-11 и РМ-12, выпускаемые ЧЭАЗ вместо индукционных реле типов РБМ-171 и РБМ-177. Новые РНМ типа РМ-10 изготовляются из отдельных транзисторов и ИМС (ОУ). В основу работы реле положена схема сравнения фаз двух синусоидальных напряжений u1t=k1UPmsin(ωt + φ) и u2t= k2IPmsinωt, построенная на сопоставлении времени совпадения tСПоднополярных мгновенных значений этих напряжений с заданным временем совпадения (уставкой) tУ, при котором реле должно срабатывать. В §2.18 показано, что значение tHC определяется сдвигом фаз ψ между сравниваемыми напряжениями.

Элементы логической части (ЛЧ). Основными компонентами ЛЧ являются логические элементы (ЛЭ), выполняющие типовые логические операции: органов времени (ОВ), сигнальных органов, органов памяти, продлевающих действие выходного сигнала элемента, триггеров, используемых как двухпозиционные элементы, и др.

В релейно-контактных устройствах все эти элементы выполняются на электромеханических реле, в статических бесконтактных – на базе полупроводниковых приборов, первоначально в неинтегральном, а в последнее время в интегральном исполнении.

Для выполнения ЛЭ используются цифровые ИМС, предназначенные для преобразования входных двоичных сигналов высокого и низкого уровней (1 и 0) в дискретные выходные сигналы. По выполняемым функциям цифровые микросхемы можно подразделить на схемы, выполняющие логические операции И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, И, НЕ, ИЛИ (логические схемы), и на схемы функциональных узлов (триггеры, счетчики, дешифраторы и др.). Эта группа ИМС выполняется в виде различных сочетаний типовых логических схем. На чертежах микросхемы изображаются и обозначаются так же, как и соответствующие им логические элементы (см. рис.2.72).

Как правило, одна микросхема обычно состоит из нескольких однотипных логических схем. При этом каждая схема имеет выведенные из корпуса входы и выходы и два общих для всех схем вывода для подсоединения источника питания (рис.2.78, а). При таком исполнении каждая из схем, входящих в микросхему, может использоваться как самостоятельный ЛЭ в разных частях логической схемы РЗ.