Згладжуюча дія фільтрів - 2

Згладжуюча дія фільтрів

Індуктивний фільтр складається з дроселяL, включеного послідовно з навантаженнямRН(рис. 2.15). Згладжує дія дроселя засноване на виникненні в ньому ЕРС самоіндукції, що перешкоджає змінам змінної складової випрямленого струму.

Опір дроселяХL=ПLдля постійної складової струму дорівнює 0 (тутП= 2fП=2mfС= mС), а змінної складової струму не дорівнює 0, і на ньому виходить падіння змінної складової напруги. Для кращого згладжування пульсацій необхідно, щоб індуктивне опір дроселя було набагато більше опоруRН(ХL= ПLRН), тоді коефіцієнт згладжування такого фільтра

. (2.24)

Мал. 2.15. Індуктивний фільтр

При цьому активним опором фільтра (Rдр=0) нехтуємо. Зазвичай знаючи схему випрямлення та допустимий коефіцієнт пульсацій на навантаженні можна легко визначити коефіцієнт згладжуванняКС, тоді необхідна індуктивність дроселя фільтра визначиться згідно (2.25):

(2.25)

L- фільтри можна застосовувати в багатофазних схемах випрямлення при великій потужності і, при невеликому опорі навантаженняRН, тоді індуктивність фільтра вийде невеликий, має малі габарити, і можна знехтувати активними втратами у ньому. Але він має недоліки:

1. При різкій зміні струму навантаження на дроселі виникає велика ЕРС самоіндукції, що створює перенапругу на його обмотці, що небезпечно для ізоляції;
2. що згладжуєдія цього фільтра змінюється при зміні струму навантаження, так як згідно (3) індуктивність дроселя залежить відRН.

Переваги: ​​простота, малі втрати потужності, мала зміна U виходу.

Дія ємнісного фільтра полягає в тому, що при підвищенні напруги на випрямлячі він накопичує електричну енергію, а при зниженні напруги на випрямлячі менше, ніж на конденсаторі останній розряджається на навантаження (рис. 2.16). Для забезпечення згладжування пульсацій потрібно щоб ємнісний опір конденсатора було значно менше, ніж опір навантаження

Тоді конденсатор як би шунтує навантаження, тому більша частина змінної складової струму замикається через нього, при цьому для постійної складовоїХС=, і вона замикається через навантаження . Так як при роботі випрямляча на ємність амплітуда змінної складової напруги залежить від кута відсічки, то її запишемо

, (2.27)

деН– параметр, що залежить від кутаі який визначається з графічної залежностіН= f(A) при заданому значенніm. Тоді коефіцієнт пульсації на виходіС-фільтра запишеться у вигляді

,(2.28)

а за відсутності ємності коефіцієнт пульсації на виході випрямляча

Тоді коефіцієнт згладжуванняС-фільтра

(2.30)

Мал. 2.16. Ємнісний фільтр

Так як допустимий коефіцієнт пульсації на навантаженні зазвичай відомий, то необхідну величину ємності С-фільтр можна знайти з умови

З виразів (2.24) і (2.30) видно, що зі збільшеннямmкоефіцієнт згладжування індуктивного фільтра збільшиться, а ємнісного – зменшується, томуС-фільтр застосовують при випрямленні однофазних струмів і великомуопорі навантаженняRН, так як при зростанні Rн збільшується згладжуюча дія фільтра.

Перевагою його є простота та малі втрати потужності. Але він має й ряд недоліків:

1. наявність ємнісного фільтра призводить до збільшення зворотної напруги на вентиль;
2. при великому струмі навантаження потрібна велика ємність фільтра, інакше напруга на навантаженні різко падає зі збільшенням струму навантаження через швидкий розряд конденсатора;
3. в багатофазних схемах випрямлення через цей фільтр різко зменшується кут відсічки, і може виникнути пропуск фази, тобто один з вентилів випрямляча не проводитиме струм;
4. оскільки струм заряду конденсатора великий, і він проходить по випрямлячу, то кут відсічки струму вентиля сильно зменшується в порівнянні з випадком активного навантаження випрямляча;
5. через вентилі випрямляча проходить велика амплітуда струму, яка обмежується лише невеликим внутрішнім опором випрямляча.

Одноланковий Г-подібний LС-фільтр

Зазвичай починається з індуктивності і складається з дроселя та конденсатора та забезпечує значно більший коефіцієнт згладжування (рис. 2.17). При цьому має дотримуватися умова, що для першої гармоніки

тоді спільно вони використовуються набагато краще, ніж кожен із елементів фільтра окремо.

При дотриманні цієї умови загальний опір ланцюга для змінної складової випрямленої напруги сильно зменшується, тому змінна складова випрямленого струму через дросель збільшиться, падіння напруги на ньому зростає, отже, змінна складова напруги на затискачах навантаження значно зменшується (порівняно з її величиною при роздільному включенніLтаC). У цьому випадку, нехтуючи активним опором дроселя, можна вважати, що U0=UН, тоді коефіцієнт згладжування Г-подібного фільтра дорівнює

якщо врахувати, що0=– власна частота фільтра, то

Мал. 2.17. Одноланковий Г-подібний LС-фільтр

Якщо відомий коефіцієнт згладжування, то

Найчастіше від фільтра потрібна індуктивна реакція на випрямляч, тому він починається з індуктивності, величина якої повинна задовольняти умову

, (2.36)

а, знаючиL, можна знайтиС. У випадку величиниLіСможна визначити різними способами залежно від характеру навантаження (постійна, імпульсна тощо.). Практично умови вибору величинLтаСобмежуються вимогами економічності, відсутністю резонансних явищ та найменшого впливу перехідних процесів на нормальний режим роботи випрямляча. Г-подібніLС-фільтри, що починаються з індуктивності, найчастіше застосовуються для роботи з потужними вентилями.

Одноланковий П-подібний LС фільтр

П-подібний LС фільтр можна представити у вигляді дволанкового, що складається з ємнісного фільтраС0і Г-подібного, що складається зLіС1(рис. 2.18).

Згладжуючу дію такого фільтра можна представити як спільну дію обох ланок, та її коефіцієнт згладжування дорівнює добутку коефіцієнтів згладжування обох ланок, тобто

(2.38)

Мал. 2.18. Одноланковий П-подібний LС фільтр

Зазвичай при розрахунку П-подібних фільтрів величинуС0можна знайти, знаючиm,rф,Hі КПвых- коефіцієнт пульсацій на входіС0- фільтра згідно (2.31)з розрахунку випрямляча, тому подальший розрахунок зводиться до визначення параметрівLC1з умови (2.38), так якКСПтаКСС0відомі, то

(2.39)

Найбільший коефіцієнт згладжування П-подібного фільтра виходить за умовиC0=C1.

Багатоланкові LС-фільтри застосовуються, коли треба отримати гарне згладжування пульсацій. Вони складаються з кількох послідовно з'єднаних Г-подібних ланок і можуть починатися і з індуктивності, як Г-подібні, і з ємності, як П-подібні (рис. 2.19).

Мал. 2.19. Багатоланковий П-подібний (а) та Г-подібний LC-фільтри

Коефіцієнт згладжування такого фільтра дорівнює добутку коефіцієнтів згладжування окремих ланок, тобто

деn-число ланок фільтра.

Так якС0можна завжди знайти з розрахунку випрямляча, то коефіцієнти згладжування інших ланок визначаються, як

---