Сглаживающие фильтры

Общие сведения о сглаживающих фильтрах

При рассмотрении всех схем выпрямителей мы предполагали, что нагррузка имеет только активное сопротивление. Практически выпрямительные устройства редко работают на чисто активную нагрузку, т. к. в большинстве случаев они снабжаются сглаживающими фильтрами, содержащими индуктивные и емкостные звенья. Сглаживающим фильтром называют устройство, служащее для уменьшения амплитуды переменной составляющей в выпрямленном напряжении. Примеры электрических схем пассивных фильтров приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схемы электрические принципиальные пассивных фильтров: индуктивного (а), емкостного (б), Г-образного LC-фильтра (в)

Для количественной оценки сглаживающего фильтра используют коэффициент сглаживания К_сг, который определяется согласно выражению:

где К_п – коэффициент пульсации на выходе выпрямителя (входе фильтра); К_п.вых.ф – коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Сглаживающие фильтры должны отвечать следующим требованиям:

• не нарушать нормальной работы выпрямителя;
• обеспечивать заданный коэффициент сглаживания;
• иметь минимальное падение постоянной составляющей напряжения и потери мощности;
• собственная частота фильтра должна отличаться от частот переменных составляющих сглаживаемого напряжения во избежании резонансных явлений;
• иметь малые габариты, массу и стоимость, быть надежными в работе.

Сглаживающие фильтры бывают как пассивные, так и активные.

Работа выпрямителя на индуктивную нагрузку

Индуктивный фильтр, схема электрическая принципиальнвя которого показана на рисунке 1а, представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель), включённую последовательно с нагрузкой.

Для индуктивных фильтров характерны следующие особенности:

• при работе выпрямителя на индуктивную нагрузку выпрямленное напряжение меньше, чем при активной нагрузке;
• длительность протекания тока через вентиль увеличивается, а максимум тока сдвигается относительно максимума напряжения вторичной обмотки;
• амплитуда и действующее значение тока через вентиль уменьшаются;
• среднее значение выпрямленного напряжения U_0ср меньше, чем при активной нагрузке и для получения прежнего значения U_0ср нужно увеличить напряжение вторичной обмотки трансформатора.

При заданном коэффициенте сглаживания К_сг и при условии, что активное сопротивление фильтра много меньше сопротивления нагрузки r_ф << R_н, значение индуктивности можно рассчитать, используя формулу

Индуктивный фильтр целесообразно применять в многофазных схемах выпрямления при небольшом входном сопротивлении нагрузки.

Недостатки индуктивного фильтра:

1. Зависимость коэффициента сглаживания от тока (сопротивления) нагрузки;
2. Возникновение перенапряжения на дросселе при резком изменении тока нагрузки (особенно при обрыве цепи).

Работа выпрямителя на емкостную нагрузку

Емкостный фильтр (рисунок 1, б) наиболее часто используется в схемах маломощных выпрямителей. При выполнении условия: R_н÷X_с≥10 питающее напряжение (на выходе выпрямителя) можно представить как сумму постоянной составляющей U₀ и переменной U_n.

При конечном значении ёмкости конденсатора С в токе и напряжении нагрузки остаются переменные составляющие (пульсация). Для уменьшения переменной составляющей ёмкость конденсатора С выбирают такой, чтобы выполнялось условие

Для определения значения ёмкости конденсатора С с учетом заданного коэффициента пульсации на выходе фильтра используют формулу

где К_{п вых ф} – коэффициент пульсации на выходе фильтра, а m – параметр фазы выпрямления.

Недостатки схемы:

1. Большая амплитуда тока через вентиль;
2. Большая габаритная мощность трансформатора;
3. Значительное обратное напряжения на вентиле;
4. Резко выраженная зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки (ослабляется с ростом ёмкости фильтра).

С целью ограничения тока через диод между выпрямителем и конденсатором включают добавочный резистор R_ф.

Включение R_ф несколько снижает КПД выпрямительного устройства и напряжение на нагрузке, но одновременно позволяет в несколько раз снизить максимальный ток через диод (вентиль).

Работа выпрямителя на смешанную нагрузку

Индуктивно-емкостный (Г-образный) LC-фильтр представлен на рисунке 1, в. Для такого фильтра габариты и масса дросселя и конденсатора определяются величиной запасаемой в них энергии. Энергия магнитного поля в дросселе пропорциональна квадрату тока, а энергия электрического поля конденсатора пропорциональна квадрату напряжения. Чтобы исключить возможность резонанса на частотах, близких к f_п, необходимо выполнение условия

Одним из способов снижения габаритов и массы LC-фильтров является повышение частоты тока источника электроэнергии ω_c и применение схем с большим числом фаз выпрямления р.

При выборе типа фильтра, его элементов и расчете их параметров руководствуются, прежде всего, заданным значением коэффициента пульсаций на нагрузке К_{п. вых. ф.}

Если заданы схема выпрямления и коэффициент пульсации на нагрузке, то возможно определить коэффициент сглаживания К_сг и рассчитать значения номиналов конденсатора и дросселя, используя выражение

Для обеспечения индуктивного характера нагрузки должны выполняться следующие условия:

Основные параметры неуправляемых выпрямителей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные параметры выпрямителя	Однополупериодный	Двухолупериодный	Двухолупериодный мостовой	Однополупериодный трёхфазный	Двухполупериодный трёхфазный (схема Ларионова)
Среднее значение постоянной составляющей выпрямленного тока I0ср	0,32Im	0,64Im	0,64Im	0,83Im	0,95Im
Среднее значение постоянной составляющей выпрямленного напряжения U0ср	0,32Um	0,64Um	0,64Um	0,83Um	0,95Um
Действующее значение постоянной составляющей выпрямленного тока I0д	0,5Im	0,71Im	0,71Im	0,47Im	0,78Im
Действующее значение постоянной составляющей выпрямленного напряжения U0д	0,5Um	0,71Um	0,71Um	0,73Um	0,41Um
Обратное напряжение на диоде Uобр VD	3,14U0ср	3,14U0ср	1,57U0ср	2,09U0ср	1,05U0ср
Действующие значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2	2,22U0ср	2,22U0ср	1,11U0ср	0,85U0ср	0,74U0ср
Коэффициент пульсации Kп	1,57	0,67	0,67	0,25	0,06
Коэффициент использования трансформатора Kит	0,32	0,67	0,82	0,74	0,96
Частота пульсаций fn	fc	2fc	2fc	3fc	6fc
Параметр m	1	2	2	3	6