Сглаживающие фильтры выпрямителей

Рассмотренные выше выпрямители не обеспечивают идеального выпрямления. Их выходное напряжение содержит большую или меньшую переменную составляющую, которая является помехой для работы потребителя. Многие потребители осуществляют нормальное функционирование при коэффициенте пульсации составляющем лишь тысячные доли.

Обычно необходимый для работы потребителя коэффициент пульсации находится в диапазоне 0,01…0,00003, в то время как даже трехфазный мостовой выпрямитель имеет q=0,057. Это противоречие разрешается с помощью сглаживающих фильтров, которые снижают коэффициент пульсации до необходимого уровня.

Фильтры делятся на активные и пассивные, простые и многозвенные. В активных фильтрах используются полупроводниковые приборы.

Пассивные фильтры строятся на дросселях и конденсаторах. Дроссели имеют большое сопротивление для переменной составляющей и малое сопротивление для постоянной составляющей тока. Поэтому в фильтрах они включаются последовательно, чтобы препятствовать прохождению высших гармоник пульсирующего тока. Конденсаторы наоборот имеют малое сопротивление переменному току и большое сопротивление постоянному току. Поэтому они включаются параллельно, чтобы создать путь, для протекания высших гармоник минуя нагрузку.

Активные (электронные) сглаживающие фильтры имеют полупроводниковые приборы, например, стабилитроны и транзисторы. Стабилитрон имеет большое сопротивление постоянному току и малое сопротивление переменному току, т. е. является электронным аналогом конденсатора. Транзистор может служить электронным аналогом дросселя.

В выпрямителях наибольшее распространение получили простые пассивные фильтры следующих типов: C (рис. 15,а), RC (рис. 15,б), L (рис. 15,в), LC (рис. 15,г).

Путем последовательного соединения простых фильтров получают многозвенные фильтры. Из их числа наиболее часто встречаются двухзвенные фильтры типов LCLC, CRC, LCRC и т. п.

Рис. 15. Схемы сглаживающих фильтров выпрямителей

Эффективность сглаживающего фильтра оценивается коэффициентом сглаживания S, который численно равен отношению коэффициента пульсации q₁ на входе к коэффициенту пульсации q₂ на выходе фильтра

где U_п1m – амплитуда первой гармоники переменной составляющей напряжения на входе фильтра;

U_н,п1m – амплитуда первой гармоники переменной составляющей напряжения на выходе фильтра;

U_d – среднее значение выпрямленного напряжения, которое поступает c выпрямителя на вход фильтра;

U_н – среднее значение напряжения на выходе фильтра.

Для определения коэффициентов сглаживания фильтров рассмотрим отдельно, как проходят через фильтры постоянная U_d и переменная U_п1 составляющие напряжения u_d.

В схеме замещения для постоянной (рис. 16,а) составляющей L- и LC-фильтров: r – активное сопротивление обмотки дросселя;

R_н – сопротивление нагрузки. Выходное постоянное напряжение фильтра равно напряжению на нижнем плече делителя образованного сопротивлениями r и R_н:

Рис. 16. Схемы замещения фильтров: а – для постоянной составляющей; б – для переменной составляющей

В схеме замещения (рис. 16, б) для переменной составляющей тех же фильтров: Z_пос – комплексное сопротивление последовательного элемента фильтра; Z_пар – комплексное сопротивление параллельного элемента фильтра включая сопротивление нагрузки.

Амплитуда первой гармоники переменной составляющей напряжения на нагрузке U_н,п1m определяется падением напряжения пряжения на Z_пар от протекания тока I_п1m пульсации, который в свою зависит от переменного напряжения на входе фильтра и величин сопротивлений Z_пос и Z_пар. Чем больше Z_пос и меньше Z_пар, тем меньше переменная составляющая на выходе и больше коэффициент сглаживания.

Для L-фильтра справедливы равенства:| Z_пар |= R_н: | Z_пос |= ω_пL, где ω_п – угловая частота пульсации, поэтому

Используя выведенную формулу можно получить выражение для коэффициента сглаживания L-фильтра

На практике для параметров, входящих в полученное выражение, существуют следующее соотношения: r << R_н; R_н<<ω_пL.

Тогда приближенно коэффициент сглаживания для L-фильтра определяется по выражению:

Коэффициент сглаживания L-фильтра прямо пропорционален частоте пульсации и индуктивности, но обратно пропорционально сопротивлению нагрузки. Эффективность фильтрации повышается при сильноточной нагрузке, у которых сопротивление мало.

Для LС-фильтра сопротивление последовательного элемента определяется параметрами дросселя

В дросселях выполняется соотношение r << R_н, поэтому, как и в предыдущем случае, | Z_пос |= ω_пL.

Сопротивление параллельного элемента создается емкостным сопротивлением конденсатора Х_с=1/(ω_пС) и сопротивлением нагрузки R_н. Конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей, поэтому с учетом существующего соотношения Х_с<0,1R_н , их эквивалентное сопротивление | Z_пар | ≈ Х_с=1/(ω_пС).

Тогда коэффициент сглаживания LC-фильтра будет равен:

Коэффициент сглаживания LС – фильтра прямо пропорционален индуктивности дросселя и емкости конденсатора. А также имеет прямую квадратичную зависимость от частоты пульсации.

Для RС-фильтра сопротивление последовательного элемента представляется балластным резистором | Z_пос |= R. Обычно принимают R=0,1R_н. Сопротивление параллельного элемента определяется емкостным сопротивлением конденсатора | Z_пар |=Х_с=1/(ω_пС), поскольку сопротивление нагрузки в 10 и более раз превышает емкостное сопротивление конденсатора. Тогда коэффициент сглаживания RC-фильтра будет равен

Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра, содержащего n звеньев, определяется как произведение коэффициентов сглаживания S_i входящих в него простых фильтров: для многозвенного фильтра с разными звеньями ; для многозвенного фильтра с однотипными звеньями .