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