Relee de inductie

Relee de inductie

Releele de inductie Ferraris sau wattmetrice cum li se mai spune sunt foarte raspandite in instalatiile de productie, in special ca elemente de baza a pro­tectiilor maximale de curent cu caracteristica dependenta si ale protectiilor direc­tionale; ele se folosesc de asemenea si in protectiile de distanta.

Functionarea releelor de inductie se bazeaza pe actiunea reciproca dintre flu­xurile magnetice variabile in timp create de marimile electrice aplicate re­le­u­lui si curentii indusi de acesta in elemental mobil al acestuia (discul sau rotorul cilin­dric).Rezulta ca ele pot fi folosite numai in current alternative.

Ca si contoarele electrice, pentru realizarea cuplului de rotatie Mrot, re­le­e­le de inductie folosesc cel putin doua fluxuri magnetice alternative, decalate in spa­tiu si defazate in timp. Curentii turbionari indusi in sistemul mobil creeaza im­preuna cu fluxurile, cuplurile de rotatie necesare acestuia.

Se deosebesc doua tipuri de relee de inductie:

- releu de inductie cu rotor disc (cu o singura infasurare)

- releu cu rotor cilindric care se mai numeste si cu circuit profilat (cu doua infasurari).

1. Relee de inductie cu rotor disc

Releele de inductie cu rotor disc sunt utilizate in cazul cand este necesar ca miscarea rotorului sa fie in functie de o singura marime electrica (curentul sau tensiunea). Deoarece insa nu se poate produce miscare cu un singur flux, se recurge la introducerea unei spire in scurtcircuit pe o portiune a miezului de la marginea intrefierului. Astfel se obtine un al doilea flux, decalat fata de primul in spatiu si defazat in timp, realizandu-se un cuplu.

Dupa cum se observa in figura 3.28. fluxul magnetic principal Φ strabate circuitul magnetic 2 si se imparte in doua fluxuri Φ₁ si Φ₂ in apropierea intrefierului. Aceste doua fluxuri sunt decalate in spatiu si defazate in timp cu un unghi φ (figura 3.29.) cu ajutorul spirei de cupru in scurtcircuit 3. Un disc de aluminiu 4 se poate roti o data cu axul 5 in intrefierul circuitului magnetic 2.

Tensiunile electromotoare E₁ si E₂, produse respective de fluxurile magnetice Φ₁ respectiv Φ₂, nu depind de starea de miscare sau de repaus a discului. Ele sunt defazate cu 90° in urma fata de fluxurile Φ₁ respectiv Φ₂, si dau nastere in disc curentilor turbionari I₁ si I₂. Liniile de current incluse de un flux, trec partial si prin portiunea de disc din dreptul axei celuilalt flux.

Figura 3.28. Releu de inductie cu rotor disc.

Portiunile de disc din dreptul axelor fluxurilor vor fi supuse prin urmare unor forte exercitate de campurile magnetice. Daca rezultanta sau momenul aces­tor forte sunt diferite de zero, discul se pune in miscare. Este de observat ca mis­carea este datorita actiunii dintre un flux (de exemplu Φ₁ si curentul Indus de cela­lalt flux I₂), deoarece fortele exercitate de curentii indusi proprii au o rezul­tan­ta nula. Faza acestor curenti este aceeasi cu a tensiunilor electromotoare care i-au creat, intrucat rezistenta discului este de cateva ori mai mare decat reactanta.

Cuplul de rotatie al unui aparat de inductie se determina, dupa cum se stie, cu formula:

M_rot=k₁·f·Φ₁·Φ₂·sinφ    (3.24.)

Unde k - coeficient de proportionalitate

f - frecventa curentului altrnativ

Φ - valori eficace ale fluxurilor magnetice

φ - unghi de defazaj dintre fluxuri

Deoarece la releul examinat fluxurile Φ₁ si Φ₂ sunt proportionale cu curentul I (pana la saturatia miezului), cuplu de rotatie se poate scrie sub forma

M_rot=k₂ f I² sinφ (3.25.)

Pentru un anumit releu, marimile f si φ sunt constante, deci:

M_rot=k·I² (3.26.)

Figura 3.29. Diagrama fluxurilor la releul de inductie cu rotor disc.

Sub actiunea cuplului M_rot, discul releului tinde sa se roteasca, insa este franat de cuplu antagonist Mant creat de un magnet de franare si de un resort. In cazul in care M_rot>M_ant discul se roteste si dupa un anumit timp, atinge cu contactul mobil (montat pe axul sau) contactul fix, deci releul actioneaza.

Figura 3.30. Caracteristica temporala de protectie a releului maximal de curent

si reprezentarea releului in schemele electrice.

Rezulta ca relee maximale de curent realizate cu relee de inductie cu rotor disc au o caracteristica dependenta.

2. Releu maximal de curent cu temporizare RTpC

O varianta mixta de releu de inductie cu rotorul profilat si releu elec­tro­mag­netic este Releul maximal de curent cu temporizare tip RTpC pre­zentat in figura 3.31. si care reprezinta de fapt o combinatie intre releul cu inductie si un releu electromagnetic.

Figura 3.31. Schema de principiu a umui releu maximal dde curent cu temporizare

Conform figurii 3.31 pe un miez magnetic 1, prevazut cu 2 poli pe care sunt plasate spirele ecran 3, se afla bobina de excitatie 2, parcursa de curentul din circuitul protejat. In intrefierul polilor circuitului magnetic se afla discul de aluminiu 4, al carui ax este sustinut de tija 5,care poate oscila in jurul axului O₂. La obtinerea de catre curent a unei valori de (0,2÷0,3)·I_r, unde I_r este valoarea reglata a curentului, discul incepe sa se roteasca in jurul axului O₁ cu turatie mentinuta constanta de cuplul de franare determinat de magnetul permanent 7. Daca intensitatea curentului prin releu depaseste valoarea reglata I_r, cuplul motor M_rot invinge cuplul rezistent dat de resortul antagonist 6 si are loc o rotatie a tijei 5de sustinere a discului in jurul axei O₂. Se realizeaza astfel cuplarea rotii melcate 9 cu sectorul dintat 8 si odata cu rotirea discului se roteste sectorul dintat 8 in jurul axei O₃, antrenand piesa 11 ce se ridica si atinge la capatul cursei piesa 12, care basculand in jurul axului O₄ determina inchiderea contactelor 13. Functionarea instantanee a releului este determinata de atragerea armaturii feromagnetice 14 de talpa polara a circuitului feromagnetic 1 si prin rotatia ei in jurul axei O₄ provoaca inchiderea contactelor 13.

Releul maximal de curent cu temporizare are 3 posibilitati de reglare:

- reglarea curentului I_r, care se realizeaza prin scurtcircuitarea unui numar de spire al bobinei 2, astfel ales ca solenatia sa ramana constanta (I_r1N₁=I_r2N₂);

- reglarea temporizarii, prin intermediul pozitiei piesei 10, modificandu-se prin aceasta cursa piesei 11;

- reglarea valorii limita a curentului de la care se produce actionarea instantanee, prin modificarea intrefierului pisei 14.

In figura 3.32. este prezentata o varianta constructiva de releu maximal de curent cu temporizare care are un circuit magnetic este prevazut cu spire in scurt­circuit pentru defazarea fluxului.Fluxul din circuitul magnetic, este generat de bobina b ale carei prize de current sunt racordate la sistemul de comutare a acestora.

Cu ajutorul sistemului de comutare poate fi modificat reglajul de pornire al releului, chiar sub curentul b de sarcina, intrucat printr-un arc si printr-un con­tact special n se sunteaza circuitul de current care alimenteaza releul. Discul de aluminiu c este montat fix pe un ax d care este fixat la randul sau de un cadru e, mobil in jurul axei f. Rotirea discului incepe la curenti de ordinal a 15% din cu­rentul reglat si continua atat timp cat prin infasurarea releului trece curent.

Figura 3.32. Releu RTpC.

Un resort antagonist r face ca discul sa nu-si modifice pozitia decat atunci cand curentul prin infasurarea releului depaseste valoarea reglata; in momentul aces­ta fluxul creat atrage discul de aluminiu si surubul melc h, fixat rigid de axul discu­lui se angreneaza cu sectorul dintat j discul se roteste si sectorul se depla­sea­za in sus.

Asupra discului actioneaza cuplul de rotatie M_rot si cuplul antagonist M_ant. Acesta din urma rezulta din franarea data de magnetul permanent I. In ca­zul cresterii curentului in infasurarea releului, se mareste cuplul care actione­aza asu­pra discului, insa creste cuplul antagonist, in functie de viteza acestuia. In acest fel, viteza discului este limitata de actiunea magnetului permanent.

Surubul g serveste ca limitator de cursa a discului, astfel incat inceputul si sfarsitul cursei acestuia sa asigure o angrenare sau o decuplare optima (cu frecari minime) cu sectorul dintat j. Dupa angrenarea sectorului cu surubul melc h al discului si in timpul rotirii permanente a acestuia, sectorul dintat se deplaseaza in sus, pana cand atinge cu parghia k paleta p a partii mobile l a electromagnetului. Aceasta basculeaza in sensul indicat de sagetile din figura, si impinge contactul mobil M. Deplasarea contactului M pana la capatul cursei se produce datorita faptului ca partea mobila l este atrasa puternic de corpul a al electromagnetului, ca urmare a micsorarii intrefierului. Contactul k1 al releului poate fi normal deschis sau normal inchis. El isi schimba pozitia normala ori de cate ori armatura mobila l a electromagnetului principal isi modifica pozitia.

Dupa angrenarea surubului fara sfarsit h cu segmentul j si dupa deplasarea acestuia in sus, viteza de rotatie a discului scade, ceea ce poate avea ca urmare decu­plarea surubului fara sfarsit h de segmentul j. Pentru evitarea acestui lucru, pe cadrul e este fixata o lama de otel q, asupra careia actioneaza fluxurile mag­ne­tice de dispersie ale electromagnetului a. Dupa angrenarea surubului fara sfar­sit h cu segmentul h, lama q este atrasa de fluxurile de dispersie si impiedica decu­plarea.

Portiunea dependenta a caracteristicii de timp a releului din figura 3.31. este determinata de viteza de rotatie a discului, care determina viteza de deplasare in sus a sectorului dintat si unghiul de rotatie a acestuia, temporizarea la un current dat fiind cu atat mai mare cu cat acest unghi este mai mare, adica cu cat opritorul t este lasat mai jos prin surubul limitator o.

Armatura l mai poate actiona si in cazul unor fluxuri foarte puternice. In acest caz se realizeaza o "taiere rapida de current" adica o actionare care depa­ses­te o anumita valoare, capatul drept al armaturii l este atras de miezul electro­mag­netului, intr-un timp mai scurt decat acela in care parghia h a sectorului j ajunge la piesa p.

Timpul de actionare rapida a "taierii de current" este de 0,05- 0,1s.

Valoarea curentului la care actionarea releului este rapida se regleaza prin va­riatia intrefierului dintre capatul drept al armaturii l si miezul electro­mag­ne­tu­lui a, cu ajutorul surubului m. Acesta este marcat cu cifrele 2,4,6,8 si ∞ care re­pre­zinta coeficientul de multiplicare a curentului reglat, la care releul actioneaza ne­temporizat. Daca se mareste foarte mult intrefierul δ releul nu actioneaza instantaneu.

Temporizarea releului se realizeaza prin modificarea distantei dintre piesa k si parghia p. Prin rotirea surubului o se ridica sau se coboara opritorul t preva­zut cu indicatorul v, care se deplaseaza in fata scarii gradate in secunde a rele­u­lui. Limitele reglajului de timp al acestui releu sunt cuprinse intre 0,7 si 10 s.

Caracteristica temporala de protectie a acestui releu este limitat depen­den­ta. Partea caracteristicii intre limitele careia temporizarea depinde de curent se nu­meste parte dependenta, iar cea intre limitele careia temporizarea nu depinde de current se numeste parte independenta (Figura 3.33.).

Figura 3.33. Caracteristica de protectie limitat dependenta a unui releu RTpC.

Curba 1, corespunde reglarii timpului la o valoare prestabilita si a curentului limitat (de actionare instantanee) la I_l=8·I_r;

Curba 2 corespunde unui reglaj t_r=4s si I_l=6·I_r ;

Curba 3 corespunde la un reglaj t_r=2s si I_l=4·I_r.

Se obtine in acest fel o caracteristica de protectie temporala mixta (limitat dependenta).

Dintre avantajele folosirii releelor de tip TRpC cel mai important este faptul ca releul permite taierea de curent fara relee suplimentare.

Releul se roteste si in regim normal de functionare permite sa se controleze permanent starea releului (in acest scop pe capacul carcasei releului, in fata discului exista o fereastra cu geam) si a circuitului de current. De ase­me­nea nu actioneaza la variatii scurte de sarcina. Deoarece viteza de rotatie a dis­cu­lui este dependenta de valoarea curentului, releul poate indica calitativ sarcina li­ni­ei pe care este montat, fapt pentru care este denumit uneori si releu am­per­me­tric.

Aderarea buna a contactelor normal deschise nu depinde de valoarea curentului de defect care circula prin infasurarea releului.

Coeficientul de revenire al sistemului de inductie este relativ bun

k_r =0,75 . 0,85

Folosirea releelor de inductie de tip RTpC are si unele dezavantaje, comparativ cu alte tipuri de relee de protectie:

- Sistemul mecanic destul de complicat face ca precizia sa fie redusa.

- Coeficientul de revenire al sistemului electromagnetic este mai mic (k_r = 0,4 ).

- Eroarea in ceea ce priveste curentul de actionare al taierii este mare.

- Consumul de putere este relative mare (circa 30VA)

3. Relee de inductie cu rotor cilindric

La releele de inductie cu rotor cilindric, miscarea rotorului se face sub actiunea a doua marimi electrice. In aceasta constructie ele se folosesc ca relee direc­tionale, de distanta si altele. In cazul in care releele actioneaza la schim­ba­rea sensului puterii, se numesc directionale; cele care masoara impedanta sau reac­tanta liniei pana la locul defectului, deci marimi proportionale cu distanta pana la defect, se numesc relee de distanta.

Releele directionale bazate pe principiul inductiei se executa cu disc, cu rotor cilindric sau cu cadru mobil.

In ultimul timp, date fiind conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca protectia, in special rapiditatea de actionare, s-au adoptat constructiile cu rotor cilindric si cu cadru mobil, care permit sa se realizeze relee cu timp de actionare de ordinal a 0,01 s.

O varianta constructiva de releu directional realizat pe baza releului de inductie cu circuit profilat (denumit si releu cu rotor cilindric sau releu de inductie cu doua infasurari) este prezentat in figura 3.34.

Figura 3.34. Schema de principiu a unui releu de inductie cu rotor cilindric.

In principiu releul este format dintr-un circuit magnetic m cu poli apa­renti, un rotor cilindric de aluminiu r, infasurarile de curent si tensiune pe cir­cu­i­tul magnetic si un contact normal deschis. Contactul mobil este fixat pe axul ci­lin­drului de aluminiu. In interiorul cilindrului de aluminui se gaseste un alt ci­lin­dru, de fier, f, care serveste la reducerea reluctantei circiutului magnetic total; Un magnet permanent, care cuprinde intre polii sai cilindrul de aluminiu, ser­ves­te la amortizarea miscarilor rotorului, iar un resort mentine contactele deschise

Dupa cum stim, functionarea releelor de inductie se bazeaza pe actiunea re­ciproca dintre fluxurile magnetice variabile in timp si curentii indusi de aces­tea in elemental mobil al releului. Cuplul de rotatie al unui releu de inductie se de­termina cu relatia generala 3.24..

In figura 3.35. este reprezentata realizarea practica a releului si se observa modul cum sunt dispuse resortul antagonist si contactele.

Figura 3.35. Releu de inductie cu rotor cilindric.

Infasurarea de curent este formata din doua boboine legate in serie si asezate pe doi poli, iar infasurarea de tensiune din patru bobine legate tot in serie si asezate pe circuitul magnetic exterior. Prin infasurarea de curent circula curentul I_r, din circuitul secundar al transformatoareloe de current, iar infasurarii de tensiune I se aplica tensiunea U_r din circuitul secundar al transformatoarelor de tensiune.

Figura 3.36. Diagrama fazoriala a marimilor electrice si magnetice ale releului de inductie cu rotor cilindric.

Datorita tensiunii aplicate U_r prin infasurareea de tensiune circula curen­tul I_u. Curentii I_r si I_u dau nastere fluxurilor Φ_i si Φ_u 90° ca in figura 3.35.

Pana la saturatia circuitului magnetic, se poate considera ca fluxul Φi este proportional cu curentul Ir, iar fluxul Φu cu curentul Iu adica:

Φi =k₂ ·Ir (3.27.)

Φ_u =k₃·I_u = (3.28.)

Unde: Z_u - impedanta infasurarii de tensiune

k₂,k₃.k₄ - coeficienti de proportionalitate

Inlocuind in relatia (3.28.) valorile fluxurilor de mai sus si considerand frecventa constanta, rezulta cuplul releului:

M_rot = k·I_r·U_r· sinφ (3.29)

Diagrama fazoriala a releului este reprezentata in figura 3.35. Ea a fost construita luandu-se ca marimi initiale tensiunea U_r, curentul I_r si unghiul de defazaj dintre ele φ_r.

Curentul I_u este defazat fata de U_r cu unghiul γ_u, determinat de raportul dintre reactanta si rezistenta infasurarii de tensiune.

Fluxurile Φ_i si Φ_u sunt defazate fata de curentii I_r, respectiv I_u, cu unghiul δ determinate de pierderile in fier ale circiutului magnetic. S-au obtinut astfel doua fluxuri decalate in spatiu cu 90° si defazate in spatiu cu unghiul φ .

In diagrama fazoriala din figura 3.36. s-a notat cu γ_u defazjul dintre I_u si U_r si cu α complementul lui γ_u (unghi de defazaj interior).

Rezulta:

φ = γ_u - φ_r (3.30)

Tinand seama de aceste notatii, cuplul de rotatie al releului devine

M_rot =k ·I_r· U_r· sinφ =k ·I_r· U_r ·cos(φ_r + α) (3.31)

Se observa ca cuplul de rotatie al releului, la valori constante ale marimilor I_u si U_r este maxim cand φ_r + α=0. In functie de unghiul de defazaj φ_r, cuplul de rotatie poate fi pozitiv sau negativ, deci rotorul se roteste intr-un sens sau in sens opus.

La punerea in functie a protectiei care foloseste astfel de relee se determina prin schema de conectare a acestora, sensul in care se roteste rotorul pentru nu anumit sens al puterii.

Pentru pornirea releului, cuplul de rotatie trebuie sa fie mai mare decat cuplul antagonist, creat de resort si de frecarea partilor mobile.

Cuplul de pornire este definit prin expresia:

(3.32.)

Notand cu , care se mai numeste si putere de pornire, obtinem relatia:

(3.33.)

Sensibilitatea releului directional se caracterizeaza, de obicei prin valoarea minima a puterii de pornire corespunzatoare unghiului , pentru care cos(φ_r + α) = 1; unghiul φ_r = -α se numeste unghiul sensibilitatii maxime.

Puterea de pornire maxima este:

(3.34.)

Puterea de pornire a releului directional depinde de unghiul sensibilitatii maxime si de curentul care circula prin infasurarea de current.

Figura 3.37. Reprezentarea in schemele electrice a releului directional F2.

F1-releu maximal de curent, K- releu intermediar.

Releele directionale au timpi foarte scurti de actionare aproximativ 0,04 s la o putere de pornire de cinci ori mai mare decat cea nominala.

La protectia liniilor electrice se urmareste deconectarea cu atat mai rapida cu cat curentul de scurtcircuit este mai mare. Una din solutiile gasite este cea a folosirii protectiei maximale de curent cu caracteristica dependenta realizata cu ajutorul releelor de inductie. In prezent protectia maximala de curent si directionala se realizeaza ca parte a protectiilor integrate a liniilor electrice.