Пассивные сглаживающие фильтры
Их сглаживающее действие основано на накоплении энергии в реактивных элементах от сети в моменты её максимума и передачи в нагрузку в моменты её минимума. Основные схемы пассивных фильтров приведены на рис.3.25.
Рисунок 3.25 – Схемы пассивных сглаживающих фильтров
В резонансных фильтрах контур Lк Cк настраивается на частоту той гармоники, которую следует подавить. Обычно это первая гармоника. В компенсированном фильтре дроссель кроме основной обмотки имеет ещё небольшую компенсационную обмотку Wк. Переменные составляющие напряжения, обусловленные током i ~ на индуктивности и ёмкости противофазны и, в выходном напряжении, компенсируют друг друга. Это позволяет снизить пульсации в 3…5 раз, но требуется настройка и не должно быть перекомпенсации. Фильтр хорошо работает при неизменной нагрузке. В системах
с высокочастотными составляющими пульсаций применяют многозвенные фильтры (рис. 3.26). Каждое звено имеет свою полосу пропускания: по частоте сети, по частоте преобразования и помехам.
Рисунок 3.26 – Многозвенный фильтр для импульсных выпрямителей
Здесь С1- электролитический конденсатор большой ёмкости, С2 - плёночный, С3 - керамический конденсатор; 1 и 2 кабельные индуктивности – ферритовые кольца, нанизанные на проводники ( они не имеют межвитковой ёмкости и не пропускают крутые фронты импульсных помех).
Сглаживающий фильтр характеризуется коэффициентом сглаживания пульсаций, под которым понимают отношение коэффициента пульсаций на входе к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра [3]:
(3.23)
Отношение постоянной составляющей на выходе к постоянной составляющей на входе называют КПД фильтра, тогда
, (3.24)
где – КПД фильтра.
В общем случае, сглаживающий фильтр является частотно зависимым делителем напряжения Z1 и Z2, как показано на рис.3.26.
Рисунок 3.27 – Схема замещения фильтра для первой гармоники
Наибольшие трудности для сглаживания представляет именно первая гармоника пульсаций. Для неё получим: , где . Отсюда находим
(3.25)
Подставив (3.25) в (3.24), нетрудно получить
(3.26)
Выражение (3.26) справедливо для пассивных ФНЧ и показывает, что чем больше Z1 и меньше Z2 , тем выше коэффициент сглаживания.
L – фильтр. Возьмём простейший индуктивный фильтр и найдём модуль его коэффициента сглаживания. Очевидно, что
, (3.27)
где под КПД понимается отношение , а величина rL– омическое сопротивление дросселя. Зависимость q от тока нагрузки показана на рис.3.28.
Рисунок 3.28 – Зависимость коэффициента сглаживания от тока нагрузки
для L – фильтра
С уменьшением тока (RН возрастает) КПД стремится к 1. При увеличении тока (RН уменьшается) q согласно выражению (3.27) растёт. Очевидно, что дроссель должен быть линейным ( индуктивность не зависит от тока нагрузки) для чего требуется немагнитный зазор в магнитопроводе. Величина индуктивности дросселя такова, что дроссель полностью не разряжается за период пульсаций, то есть ток дросселя не спадает до нуля.
Значит, индуктивность должна быть больше некоторой критической величины . Таким условием является следующее неравенство
, (3.28)
где ; ; ;
После подстановки получим
(3.29)
Рассчитывая на худший случай, в формулу следует подставлять минимальный ток нагрузки и если , то . Поэтому индуктивные фильтры целесообразны при больших токах нагрузки.
LC-фильтр (Г-образный). Здесь КПД определяется, как и в предыдущей схеме, а сопротивление (3.30)
Поскольку сопротивление конденсатора первой гармонике тока много меньше сопротивления нагрузки , то .
Тогда . (3.31)
Здесь важным является – отсутствие резонансных явлений на частотах близких к частоте первой гармоники пульсаций, а входное сопротивление фильтра должно иметь индуктивный характер. Обычно это выполняется при q >3 и собственной частоте фильтра
(3.32)
При протекании тока I0 через сглаживающие фильтры с индуктивностями, в последних накапливается энергия
(3.33)
При коммутации или обрыве нагрузки эта энергия освобождается – возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает падающий ток
(3.34)
Величина этой ЭДС может превышать номинальное напряжение выпрямителя на десятки и сотни процентов. Перенапряжение зависит от перепада тока ( ) и волнового сопротивления фильтра
(3.35)
Характер переходного процесса может быть колебательным или апериодическим. Вышесказанное иллюстрируется эпюрами рис.3.29.
Рисунок 3.29 – Напряжение на выходе фильтра при изменении
сопротивления нагрузки
С – фильтр. Возьмём простейший ёмкостный фильтр и найдём его коэффициент сглаживания. Здесь напряжения на входе и выходе одинаковы, поэтому следует говорить о модуле коэффициента передачи переменной составляющей тока от источника в нагрузку. Эквивалентная схема показана на рис. 3.30.
Рисунок 3.30 – Эквивалентная схема для ёмкостного фильтра
На этом рисунке – переменные составляющие тока. Передача постоянной составляющей тока I0 (и напряжения) выполняется с , так как потерь по постоянному току в фильтре нет. Коэффициент сглаживания фильтра равен: (3.36)
Поскольку (3.37)
(3.38)
Подстановка (3.37) и (3.38) в (3.36) даёт
. (3.39)
Очевидно, что с увеличением тока нагрузки (уменьшением RH) коэффициент сглаживания уменьшается. Поэтому ёмкостные фильтры целесообразны при малых токах и высокоомных нагрузках.
Для получения больших коэффициентов сглаживания используют каскадное включение фильтров, как показано на рис.3.31
Рисунок 3.31 – Каскадное включение фильтров
Общий коэффициент сглаживания равен
(3.40)
Выразим его через коэффициенты сглаживания отдельных каскадов, учитывая, что
(3.41)
Подстановка (3.41) в (3.40) даёт
. (3.42)
Видно, что при каскадном соединении коэффициенты сглаживания отдельных звеньев перемножаются, результирующая масса и объём становятся меньше, чем у однозвенного фильтра. Однако возрастает количество собственных резонансных частот, что ухудшает устойчивость всей системы. По этой причине количество звеньев в реальных схемах не превышает 2 (редко 3).
Дата добавления: 2017-09-01; просмотров: 1749;