Элементы автоматических устройств


Министерство образования и науки Российской федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



В.Е. ГЛАЗЫРИН, Г.В. ГЛАЗЫРИН





ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия










НОВОСИБИРСК
2011

УДК681.52(075.8)+621.316.925(075.8)
     Г 525



Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент В.В. Медведков; канд. техн. наук, доцент М.А. Купарев




Работа подготовлена кафедрой электрических станций по курсу «Элементы автоматических устройств» для студентов IV и V курсов специальности 140203 и магистрантов ФЭН по направлению «Электроэнергетика»


            Глазырин В.Е.


Г 525 Элементы автоматических устройств: учеб. пособие /

       В.Е. Глазырин, Г.В. Глазырин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.-130 с.
         ISBN978-5-7782-1733-1

          Рассмотрены принципы построения измерительных органов устройств релейной защиты и автоматики. Также большое внимание уделено средствам линейного преобразования сигналов, используемым при реализации измерительных схем.










                                                УДК 681.52(075.8)+621.316.925(075.8)


ISBN 978-5-7782-1733-1

                   © Глазырин В.Е., Глазырин Г.В., 2011 © Новосибирский государственный

технический университет, 2011

                ОГЛАВЛЕНИЕ





Введение........................................................5
1. ПРИНЦИПЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ..................14
  Классификация измерительных органов..........................14
  Принципы построения схем сравнения...........................15
  Зона действия органа с одной электрической величиной.........16
  Принципы выполнения измерительных органов с одной электрической величиной...............................................17
  Зона действия органа с двумя электрическими величинами.......21
  Принципы осуществления органов с двумя электрическими величинами.........................................................24
  Зона действия ИО при применении СС двух электрических величин по абсолютному значению......................................25
  Определение коэффициентов k, k₂, k₃ и k₄ для получения заданной зоны действия ИО при применении СС двух электрических величин по абсолютному значению..................................28
  Использование произвола в выборе коэффициентов , k₂, k₃ и k₄...30
  Зона действия ИО при применении СС двух электрических величин по фазе......................................................32
  Определение коэффициентов k:₁, k₂, k₃ и k₄ для получения заданной зоны действия при применении СС двух электрических величин по фазе при ф₂ = ф₁ + л......................................36
  Поведение органа при малых значениях подведенных величин.....39
  Зона действия органа с тремя и более электрическими величинами.46
2. ЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИНУСОИДАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ..................................................47
  Классификация преобразователей непрерывных величин в непрерывные..........................................................47
  Линейное преобразование синусоидальных токов и напряжений в синусоидальный ток или напряжение..........................48
  Линейное преобразование напряжения в напряжение..............49
  Линейное преобразование тока I в напряжение kI ................52
  Получение суммарной ЭДС от нескольких преобразователей.......53
  Получение суммарного тока....................................56

3

  Аппараты, входящие в схемы линейных преобразований...........59
  Сопротивления, регулируемые по величине и углу...............60
  Регулируемый потенциометр....................................64
  Регулируемый трансформатор и автотрансформатор напряжения....65
  Угловые погрешности промежуточных трансформаторов............70
  Трансреактор и требования к нему.............................72
3. ФИЛЬТРЫ СИММЕТРИЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ...........................80
  Основные требования, предъявляемые к фильтрам симметричных составляющих...................................................80
  ФНОП. Основные соотношения и сопротивления нагрузки..........83
  Потребление и энергетические показатели а и Р ФНОП...........87
  Напряжение небаланса ФНОП и показатели у.....................89
  Потенциальные диаграммы простейших ФНОП. Конструирование фильтров.....................................................91
  Фильтры напряжения прямой последовательности (ФИНН) и их особенности ....................................................99

  Фильтры тока прямой (ФТШ1) и обратной (ФТОП) последовательности .......................................................100
4. МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ.......................................110
  Основные понятия и область применения......................110
  Принцип действия и основные режимы работы дроссельных магнитных усилителей.............................................110
  Дроссельный магнитный усилитель в режиме свободного намагничивания.............................................112
  Характеристика управления дроссельным магнитным усилителем с малым сопротивлением цепи управления.......................119
  Дроссельный магнитный усилитель с большим сопротивлением цепи управления.................................................123
Библиографический список.....................................129

                ВВЕДЕНИЕ




   Производство и распределение электроэнергии отличаются такими специфическими особенностями, как неразрывность процесса производства и потребления во времени при передаче больших потоков электроэнергии на значительные расстояния, с одной стороны, и колоссальная скорость распространения электромагнитных и электромеханических возмущений - с другой. В этих условиях надлежащее качество и надежность электроснабжения при ограниченных затратах могут быть обеспечены только при широком применении средств релейной защиты и автоматики.
   Дисциплина «Элементы автоматических устройств» предполагает ознакомление с общими принципами работы, характеристиками и способами реализации элементов, входящих в состав устройств релейной защиты и автоматики (УРЗА).
   Задача каждого УРЗА заключается в преобразовании входных сигналов, зависящих от состояния электрической системы, в выходные. Выходные сигналы либо воздействуют на те или иные элементы системы, либо привлекают внимание персонала.
   Входные сигналы УРЗА. В качестве входных сигналов обычно используются значения напряжений, токов или углов между ними в какой-либо точке системы, значение частоты или положение коммутационных аппаратов.
   Чаще всего входные величины имеют бесконечное число значений и изменяются непрерывно в некотором диапазоне. Например, напряжение между какими-либо фазами в определенной точке системы может принимать любое значение от нуля до номинального (или несколько больше номинального). В этом диапазоне нет такого значения, которого данное напряжение не могло бы достигнуть при определенных условиях. Такие величины называются непрерывными. К непрерывным величинам относятся также сила тока, угол сдвига фаз, частота и др. Диапазоны изменения этих электрических параметров

5

различны, но в рамках этих диапазонов величины могут иметь любое значение. Непрерывные величины подаются на входы устройств релейной защиты, регуляторов напряжения и частоты или устройств синхронизации.
   Положение коммутационной аппаратуры фиксируется обычно специальными блок-контактами, механически связанными с контактами силовой цепи. Эти контакты замкнуты при одном положении основных контактов и разомкнуты при другом. В одном случае их сопротивление близко к нулю, в другом - очень велико. Это сопротивление является входным сигналом для некоторых устройств автоматики (например, АПВ и АВР). Часто сигнал о положении выключателя используется в устройствах релейной защиты и синхронизации в качестве вспомогательного. В рассматриваемом случае входной сигнал может принимать только два значения: очень малое сопротивление или очень большое. Хотя сопротивление может изменяться в некоторых пределах (например, из-за состояния контакта), оно не может иметь любое значение. Между одним значением сигнала (сопротивление мало) и другим значением (сопротивление велико) имеется разрыв, т. е. ряд значений, которые сопротивление контакта не может принимать. Такой сигнал называется дискретным.
   Почти всегда входные сигналы УРЗА имеют электрический характер. В тех редких случаях, когда используется какая-либо неэлектрическая величина, она обычно преобразовывается в электрическую при помощи специальных аппаратов, называемых датчиками. Например, в газовой защите трансформатора неэлектрические параметры (скорость движения масла и его уровень) преобразуются в электрическое сопротивление контакта специальным датчиком - газовым реле.
   В данном курсе рассматриваются только устройства, имеющие на входе электрические сигналы. Если устройство должно реагировать на неэлектрическую величину, то в качестве входного рассматривается электрический сигнал соответствующего датчика. Сами датчики в курсе на рассматриваются.
   Выходные сигналы УРЗА. Существуют следующие виды выходных сигналов УРЗА.
   1) сигнал на отключение выключателя;
   2) сигнал на включение выключателя;
   3)    сигнал «прибавить», под влиянием которого должна возрасти регулируемая величина (напряжение, частота);
   4)    сигнал «убавить», под влиянием которого та же величина должна уменьшиться;

6

   5)    световой или звуковой сигнал, который должен привлечь внимание персонала к какому-либо явлению;
   6) отсутствие выходного сигнала.
   Обычно сигнал выдается в виде определенного значения выходного напряжения ивък. Равенство этого напряжения нулю (USbк = 0) говорит об отсутствии сигнала.
   Выходной сигнал воздействует на исполнительный механизм, который и производит необходимую операцию. Исполнительными механизмами являются: привод выключателя с отключающей и включающей системами, двигатель изменения скорости вращения агрегата и др. В данном курсе исполнительные механизмы не рассматриваются.
   В задачу настоящего курса входит анализ методов проектирования элементов устройств, предназначенных для преобразования входных электрических сигналов - непрерывных или дискретных в выходные электрические дискретные сигналы.
   Структура УРЗА. На рис. 1 показана обобщенная структурная схема УРЗА. Схема содержит несколько измерительных органов (ИО), на входы каждого из которых подаются непрерывные величины. Информация об этих величинах (значения напряжений, токов, углов между ними, частота) содержится обычно во вторичных напряжениях и токах, которые подводятся к рассматриваемым устройствам от измерительных трансформаторов напряжения (TH) и трансформаторов тока (ТТ).


ИО

Рис. 1. Структурная схема устройства релейной защиты и системной автоматики

7

   Определенный выходной сигнал (например, «отключить») должен быть получен в том случае, если входные величины удовлетворяют некоторым условиям. Выполнение этих условий фиксируется ИО, каждый из которых подает сигнал одного вида, если определенное условие удовлетворяется. Например, в одной из фаз ток превышает заданное значение. Для этого в защите имеются токовые ИО (реле), к каждому из которых подводится ток одной из фаз. Орган выдает сигнал, если ток этой фазы превышает заданное значение.
   Таким образом, ИО преобразует непрерывный сигнал на входе (например, значение тока) в дискретный сигнал на выходе (нулевое или бесконечное сопротивление выходного контакта).
   Действие реле напряжения зависит от входного напряжения, реле направления мощности - от угла между напряжением и током, реле сопротивления - от отношения напряжения к току, а также от угла между ними, реле частоты - от частоты и т. д.
   Обычно ИО состоит из двух частей.
   Первая часть - измерительная схема (ИС) - преобразует поступающие на вход непрерывные сигналы в непрерывные же, но такие, которые могут быть использованы как входные для второй части ИО -схемы сравнения (СС).
   Часто входные переменные содержат целый ряд параметров. Задача измерительной схемы - выделить величины, несущие информацию о контролируемом параметре, и исключить влияние остальных.
   На входы СС подаются подготовленные измерительной схемой непрерывные величины. В зависимости от соотношения этих величин на выходе появляется определенный стандартный сигнал, т. е. непрерывные сигналы на входе преобразуются в дискретный сигнал на выходе.
   Кроме деления измерительного органа на ИС и СС, возможно деление его на воспринимающую, преобразующую, сравнивающую и исполнительную части.
   Воспринимающая часть превращает непрерывные входные величины в непрерывные же, но более удобные для дальнейшего преобразования. При этом предполагается, что род величины (характер поведения) не изменяется.
   Преобразующая часть преобразует характер изменения во времени или род величины (например, переменный ток - в постоянный ток или напряжение; мощность (активную, реактивную или полную) - в постоянное напряжение; частоту - в величину угла фазового сдвига между напряжениями и др.). При этом входные и выходные величины имеют непрерывный характер.

8

   Сравнивающая часть дает на выход дискретный сигнал, зависящий от соотношения входных величин.
   Исполнительная часть является усилителем дискретных сигналов.
   Если измерительных органов несколько, то возможны различные комбинации их выходных сигналов. При одних комбинациях на выходе устройства в целом должен появляться один сигнал, при других -другой. Иногда сигнал на выходе всего устройства зависит от времени появления сигналов на выходах ИО.
   Формирование выходного сигнала устройства в целом в зависимости от выходных сигналов ИО осуществляется логической частью (ЛЧ) устройства. Входными для ЛЧ являются выходные дискретные сигналы ИО, а также дискретные входные сигналы всего устройства. Выходной дискретный сигнал всего устройства является выходным сигналом ЛЧ. Таким образом, ЛЧ преобразует дискретные входные сигналы в дискретные выходные.
   В некоторых случаях УРЗА могут не содержать той или иной части, указанной на рис. 1. Так, входные сигналы для устройств АПВ или АВР имеют иногда только дискретный характер. Поэтому в них отсутствуют ИО и имеется лишь ЛЧ. Регуляторы, напротив, часто имеют непрерывный выходной сигнал, т. е. содержат только измерительную схему.
   Основная классификация элементов УРЗА. Все части УРЗА состоят из отдельных элементов. Каждый элемент так или иначе преобразует входные величины в выходные. Преобразование происходит так, что выходная величина зависит от входной по определенному закону, который называется функцией преобразования. Таким образом, элементы защиты и системной автоматики отличаются один от другого прежде всего функцией преобразования.
   В соответствии с функцией основных частей УРЗА элементы можно разделить на три основные группы.

1. Элементы, преобразующие непрерывные входные величины в непрерывные выходные
   Функция преобразования может быть задана в аналитической или графической форме. Графическая форма приемлема, если график дает зависимость выходной величины от аналитически выраженной функции входных.
   Так, в продольной дифференциальной защите линий (ДЗЛ), ЭДС (Е), используемая для сравнения, зависит по некоторому закону от функции токов линии Д - к1₂\ (рис. 2).


9

Рис. 2. Пример преобразования непрерывной входной величины |Д - k/₂1 в непрерывную Е

2. Элементы, преобразующие непрерывные входные величины в дискретные выходные
   Обычно выходная величина имеет одно из двух заданных значений (небольшие возможные колебания этих значений несущественны для действия устройства).
   Функция преобразования должна определять области значений входных величин, при которых выходная имеет одно из возможных значений. Так, сопротивление контакта токового реле зависит от тока в его обмотке. Если ток велик, то контакт реле замыкается и сопротивление его становится малым. Если же ток мал, то контакт остается разомкнутым и сопротивление контакта велико (рис. 3). Изменение положения контакта происходит при некотором значении тока 7Ср, который называется током срабатывания реле.
   В действительности возможно колебание значения входной величины, при которой происходит скачок выходной или непрерывное изменение выходной величины в некотором (небольшом) диапазоне изменения входной.
   При двух входных величинах изображение функции преобразования сложнее. Еще более усложняется это изображение при числе входных величин более двух.


10

Рис. 3. Пример преобразования непрерывной входной величины I в дискретную R*

3. Элементы, преобразующие дискретные входные величины в дискретные выходные
   Как и в предыдущем случае, выходная величина обычно имеет одно из двух значений. То или иное значение выходной величины зависит от комбинации входных, а иногда и от времени их появления (рис. 4).


Рис. 4. Пример преобразования дискретного сигнала в дискретный

   Функция преобразования должна определять, при каких именно комбинациях входных сигналов появляется тот или иной выходной, а

11

также изменение во времени выходного сигнала в зависимости от входных. Так, в реле времени сопротивление контакта резко уменьшается спустя заданное время ty после появления сигнала на входе и вновь возрастает сразу после снятия сигнала на входе.
   Направленность элементов. Обратные связи. В большинстве случаев элементы схем УРЗА обладают направленностью действия. Это значит, что выходная величина элемента зависит от входной, но входная от выходной не зависит.
   Таким образом, в цепочке элементов, действующих последовательно друг на друга (рис. 5, а), величина X в каком-либо месте цепочки зависит от всех предыдущих элементов, но не зависит от последующих. Однако иногда желательно (или даже необходимо) обеспечить влияние последующих элементов на предыдущие. Тогда в устройство включают специальные элементы обратной связи, на вход которых подаются величины с последующих элементов, а выход присоединяется к предыдущим (рис. 5, б).


а

б

Рис. 5. Цепочка последовательных элементов, действующих друг на друга:
а - без обратной связи; б - с обратной связью

    Различают положительную и отрицательную обратные связи. При изменении сигнала в точке а обратная связь, осуществляемая элементом 5, воздействует на элементы 2 и 3 на дополнительное изменение сигнала в точке а. Если это дополнительное изменение совпадает

12