Выпрямителя

Из приведенного рисунка видно, что кривая выпрямленного напряжения кроме постоянной составляющей содержит переменную составляющую: u_d = U_d + ~ u_d, т.е. переменная составляющая представляет разность напряжений ~ u_d = u_d(ωt) - U_d.

Как правило, наличие переменной составляющей ~ u_d ухудшает работу потребителей, получающих питание от выпрямителя. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения, с помощью подключения к выходу выпрямителя специального устройства – сглаживающего фильтра.

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов: дросселей (L) и конденсаторов (С). Дроссель оказывает большое сопротивление переменному току и малое постоянному току, а конденсатор наоборот. Указанные свойства используют при построении простейших сглаживающих фильтров. Сглаживающие дроссели (L) включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор (С) – параллельно ей.

Рассмотрим сглаживающее действие фильтров с индуктивным входом (L- и LC- фильтры).

1. L- фильтр

Схема L – фильтра показана на рисунке 2.12. Основным параметром, характеризующим эффективность сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания s, равный отношению коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра q_вх к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра q_вых, т.е s = q_вх/ q_вых.

q₁(q_вх1) L q_1вых

R_н U_dн

Рис. 2.12 – Схема индуктивного фильтра

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания, фильтры должны иметь минимальное падение напряжения на элементах, минимальные габариты, массу, стоимость.

Рассчитывают коэффициент сглаживания по первой (основной) гармонике по формуле

s₁ = = , (2.31)

где U_d1m – амплитудное значение напряжения первой гармоники на входе фильтра; U_dн1m- амплитудное значение напряжения первой гармоники на выходе фильтра т.е. на нагрузке.

Напряжения U_d1m и U_dн1m определяют как падения напряжения от протекания первой гармоники тока пульсации I_п(1) по формулам:

,

.

Подставим эти значения в формулу (2.31). После преобразования получаем коэффициент сглаживания, равный

s .

На практике обычно справедливо следующее соотношение между параметрами ω_п(1)L_ф » R_н, следовательно

,

отсюда

L_ф = . (2.32)

Анализ формулы (2.32) показывает, что сглаживающая способность фильтра повышается с увеличением числа фаз выпрямителя m и с увеличением индуктивности L, а также с уменьшением R_н.

Сопротивление R уменьшается с увеличением мощности НГ. Поэтому использование L-фильтра эффективно в выпрямителях средней и большой мощности.

В маломощных выпрямителях применение простейшего L-фильтра менее эффективно, поскольку R_н здесь относительно большое, поэтому для получения требуемого значения коэффициента s₁ необходимо значительно увеличивать индуктивность дросселя L.

В маломощных выпрямителях эту задачу решают не увеличением L, а уменьшением R_н переменному току, путем включения параллельно нагрузке конденсатора, т.е. используют Г-образный LC- фильтр. Включением конденсатора создается самостоятельная цепь для протекания переменной составляющей тока, обусловленного переменной составляющей напряжения u_d, минуя цепь нагрузки.

2. LC- фильтр

­

L_ф

U_d q_1вх

С_ф R_н U_dн

Рис. 2.13 – Схема LC- фильтра

Так как сопротивление конденсатора С переменному току мало, то падение напряжения на емкости от протекания переменного тока ι_d тоже мало, чем и достигается уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке u_dн .

Коэффициент сглаживания Г-образного LC-фильтра определяют по выражению (2.31).

Формулы для расчета величин U_d1m и U_dн1m при использовании LC- фильтра будут иметь следующий вид:

U_dн1m = I_п(1) ,

U_d1m = I_{п(1) .}

Следует учесть, что для LC- фильтра справедливо неравенство « R_н, т.е. Х_с « R_н. Так как конденсатор фильтра подключается параллельно нагрузке, то суммарное сопротивление на выходе фильтра (для параллельно подключенных сопротивлений Х_с // R_н), определится величиной Х_с. Поэтому в формуле для U_d1m отсутствует сопротивление R_н.

После подставки приведенных выше соотношений для U_d1m и U_dн1m в формулу (2.31) получим

s₁ = ,

или в выражении через f_с

.

Для однофазных двухполупериодных выпрямителей m = 2, следовательно, коэффициент сглаживания равен

s₁ = . .

С учетом того, что s₁, как правило, требуемая величина, (или заданная), расчет параметров LC- фильтра проводят по формуле

L_ф C_ф ≥ . (2.33)

При расчете LC- фильтра следует избегать явления резонанса. Для этого необходимо, чтобы собственная частота фильтра ω_ф = была меньше частоты основной гармоники пульсаций ω_п(1) и не была кратна ей, т.е. должно выполняться условие ω_ф < ω_п(1). Поэтому при выборе параметров фильтра требуется соблюдать условие Х_Lф>X_Сф. Здесь С_ф- емкость фильтра, равная единицам или десяткам микрофарад. При расчете фильтра обычно является достаточным обеспечение следующих условий:

(5 ÷ 10) R_н,

(0,1 ÷0,2) R_н, т.е. Х_Lф ≈ 50Х_сф.

Используя эти условия, определяют значение конденсатора С_ф (или индуктивности L_ф), а далее по формуле (2.33) определяют значение второго элемента LC- фильтра.

3. С- фильтр

q_1вх q_1вых

Рис. 2.14 – Схема С – фильтра

Рассмотрим сглаживающее действие фильтров с емкостным входом (С- и RС-фильтры). Расчет С- фильтра выполняется по формуле

С_ф = . (2.33)

Для двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром получим

С_ф = . (2.34)

Если расчет схемы выпрямителя с емкостным фильтром выполняют методом Терентьева с помощью расчетных коэффициентов, то требуемую емкость фильтра, С_ф, мкФ, можно определить с помощью коэффициента Н = f(А) по формуле

С_ф ≥ . (2.35)

4.RC- фильтр

Для выпрямителей с очень малой нагрузкой (I_д не превышает нескольких мА) используют Г-образный RC- фильтр (вместо С- фильтра. Для расчета RC- фильтра и выпрямителя с RC- фильтром также пользуются упрощенной методикой (методом Терентьева).

В этом случае для определения расчетных коэффициентов, параметр А определяется с учетом активного сопротивления фильтра по формуле

А = . (2.36)

Далее расчет емкости фильтра выполняется как для С- фильтра, с учетом активного сопротивления RC- фильтра

С_ф ≥ . (2.37)

Значение активного сопротивления фильтра выбирают по условию R_н / (R_ф + R_н) = 0,750,9.