Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
51
6. Записать выражение для коэффициента пульсаций выпрямителя и
пояснить смысл его составляющих.
7. Достоинства и недостатки однофазного однотактного однополупе-
риодного выпрямителя.
8. Работа схемы однофазного мостового выпрямителя.
9. Пояснить выражение: "Однофазный двухтактный двухполупериод-
ный выпрямитель".
10. Достоинства и недостатки однофазного мостового выпрями-
теля.
11. Работа схемы трехфазного мостового выпрямителя.
12. Пояснить выражение: "Трехфазный двухтактный двухполупе-
риодный выпрямитель".
13. Начертить схему однофазного мостового выпрямителя и объ-
яснить его работу.
14. Определить среднее значение выпрямленного напряжения и
коэффициент обратного напряжения в однофазном мостовом выпрямителе, если u2 = 15,7 sin ωt.
15. Определить коэффициент пульсаций в однофазном мостовом
выпрямителе, если U2m = 31,4 В.
16. Проведите ранжирование нижеприводимых схем выпрямления
по коэффициенту пульсаций:
- однофазная однотактная однополупериодная;
- однофазная двухтактная двухполупериодная;
- трехфазная двухтактная двухполупериодная.
Аргументируйте свои оценки.
52
ЛЕКЦИЯ №4
Тема лекции: Электрические сглаживающие фильтры.
Параметрические и компенсационные
стабилизаторы напряжения
Вопросы лекции:
1. Необходимость сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.
Классификация сглаживающих фильтров.
2. Энергетические процессы и основные расчетные соотношения в индук-
тивном, емкостном и индуктивно–емкостном фильтрах. Понятие об
электронных сглаживающих фильтрах.
3. Необходимость стабилизации напряжения и тока вторичных источни-
ков питания. Эксплуатационные показатели и классификация стабилизаторов.
4. Параметрические стабилизаторы постоянного и переменного напря-
жения.
5. Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с регули-
рующим элементом непрерывного и импульсного действия.
ВОПРОС 1. Необходимость сглаживания пульсаций выпрямленного
напряжения. Классификация сглаживающих фильтров
Выходное напряжение всех без исключения выпрямителей является
пульсирующим, т.е. на определенном временном интервале его мгновенное
значение изменяется от некоторого минимального до некоторого максимального значения и снова до минимального. Далее этот процесс повторяется [1,3,4].
В соответствии с преобразованием Фурье любой гармонический сигнал (а таковым является выпрямленное напряжение) может быть представлен тригонометрическим рядом. В зависимости от вида исходной функции
(выпрямленного напряжения, обусловленного схемой выпрямителя) этот
ряд может включать в себя составляющие, зависящие от аргумента времени
и не зависящие от него. Например, диаграммы изменения выпрямленного
напряжения на выходе однофазной двухтактной двухполупериодной и
53
трехфазной двухтактной двухполупериодной схем выпрямления представ-
лены соответственно на рисунке 1,а,б.
Разложение в ряд Фурье функций, представленных на рис.1,а,б математически описываются выражениями:
;ω4cos
53
1
2cos
31
1
2
1
π
4
)(
11
max
tt
u
tu
(1)
.ω18cos
323
1
ω12cos
143
1
ω6cos
35
1
2
1
π
6
)(
111
max
ttt
u
tu
(2)
Рисунок 1 - Диаграммы изменения напряжения на выходе
схем выпрямления: а) однофазной двухтактной;
б) трехфазной двухтактной
Выражения (1) и (2) упрощенно можно представить в виде
u(t) = U + u~(t), (3)
где U и u~(t) - соответственно постоянная и переменная составляющие
выпрямленного напряжения.
Применительно к процессу выпрямления переменного напряжения
постоянная составляющая U в выражениях (1), (2) представляет собой сред-
нее значение выпрямленного напряжения. Она является полезным результатом преобразования переменного напряжения в постоянное, не зависит
от аргумента времени и, как правило, в литературе по преобразовательной
технике обозначается символом (Ud). Применительно, например, к выражению (2) постоянная составляющая, определяющая собой среднее значение
выпрямленного напряжения, запишется в виде
U = Ud= 3u
max
/π (4)
54
Переменную составляющую выпрямленного напряжения называют
п у л ь с а ц и е й . Пульсации выходного напряжения ухудшают или
делают вообще невозможной работу потребителей систем
электроснабжения телекоммуникационного оборудования.
Переменная составляющая выпрямленного напряжения является нежелательным, но неизбежным результатом вышеуказанного преобразования и ее стремятся подавить или уменьшить.
Для решения задачи максимального ослабления переменной составляющей и удержания, по возможности неизменной величины постоянной
составляющей выпрямленного напряжения применяются специальные
устройства, называемые электрическими с г л а ж и в а ю щ и м и ф и л ь т р а м и .
Как следует из выражений (1), (2) переменная составляющая выпрямленного напряжения представляет собой алгебраическую сумму бесконечного ряда гармонических составляющих. Каждая из них является изменяющейся по закону синуса или косинуса функцией времени. Применительно
к выражению (2) переменная составляющая выпрямленного напряжения записывается в виде
u~(t) =
π35
6
max
u
cos6ω1t -
π143
6
max
u
cos12ω1t +
π323
6
max
u
cos18ω1t - · (5)
При анализе выражения (5) нельзя не заметить, что амплитудные значения последующих гармонических составляющих значительно меньше
предыдущих, а вот их круговые частоты наоборот - от предыдущих к последующим возрастают практически линейно. Именно эти два обстоятельства: соотношение амплитуд и частот гармонических сигналов в переменной составляющей выпрямленного напряжения и лежат в основе построения и принципа действия сглаживающих фильтров.
Простейшие сглаживающие фильтры могут быть построены на так
называемых реактивных элементах, то есть таких, которые обладают свойством в определенные промежутки времени запасать энергию (электрического или магнитного поля), а затем отдавать ее в нагрузку. В качестве реактивных элементов на практике применяются реактивные катушки с ферромагнитным магнитопроводом - дроссели, конденсаторы и их различные
комбинации.
55
Дроссель, как известно, характеризуется таким параметром как индуктивность L. С достаточной для практики точностью можно считать, что
полное сопротивление дросселя определяется его реактивным (индуктивным) сопротивлением.
ZL ≈ xL= ωL. (6)
Конденсатор характеризуется электрической емкостью - С. По аналогии с дросселем можно считать, что полное сопротивление конденсатора
определяется его реактивным (емкостным) сопротивлением.
Zс ≈ xс = 1/ωC. (7)
Фильтр на основе дросселя называют и н д у к т и в н ы м или L-фильтром, а на основе конденсатора - е м к о с т н ы м или C-фильтром. Понятно, что названия этих фильтров происходят от одноимённых названий
параметров: индуктивности и ёмкости.
Из выражений (6) и (7) следует, что с увеличением круговой частоты
индуктивное сопротивление возрастает, а емкостное - уменьшается. Отсюда следует, что высшие гармонические составляющие переменной составляющей выпрямленного напряжения индуктивным фильтром будут
ослабляться тем сильнее, чем выше номер гармоники, а постоянная составляющая выпрямленного напряжения будет почти беспрепятственно преодолевать этот фильтр.
Наоборот, для высших гармонических составляющих сопротивление
емкостного фильтра тем меньше, чем номер гармоники больше, а для постоянной составляющей выпрямленного напряжения сопротивление емкостного фильтра очень велико.
Для ослабления пульсаций любой фильтр независимо от типа включают между выпрямителем и нагрузкой. Очевидно, что для выполнения
своего функционального назначения индуктивный фильтр должен быть
включен последовательно с сопротивлением нагрузки Rн (рисунок 2,а), а
емкостной - параллельно с ним (рисунок 2,б).
В зависимости от назначения различные приемники, получающие
электрическую энергию постоянного тока от выпрямителей в системах
электроснабжения, предъявляют различные требования к величине и
характеру пульсаций выпрямленного напряжения. Чаще всего качество
ослабления (сглаживания) пульсаций характеризуется допустимой вели-
56
Рисунок 2 - Схема включения индуктивного (а)
и емкостного (б) фильтров
чиной максимального значения переменной составляющей. Это значение
определяется амплитудой пер в ой (основной) гармоники из состава
переменной составляющей выпрямленного напряжения в разложении
Фурье. Под основной понимают гармонику, стоящую первой за постоянной
составляющей выпрямленного напряжения в разложении Фурье
произвольной функции. Ее амплитуда, как следует из выражений (1) и (2)
максимальна по сравнению с последующими за ней гармониками. В этом
случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление первой
(основной) гармоники.
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания (q), под которым понимается отношение коэффициента
пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе. Для
первой гармоники выпрямленного напряжения
λ
вых.1m
вх.1m
п.вых
п.вх
U
U
К
К
q
(8)
где U
m1.вх,Um1.вых
- соответственно амплитуды первой гармоники
переменной составляющей выпрямленного напряжения на входе и выходе
фильтра;
λ = U
d.вых/Ud.вх
- коэффициент, характеризующий потери
постоянной составляющей выпрямленного напряжения на
схеме фильтра;
U
d.вых, Ud.вх
- постоянные составляющие выпрямленного
напряжения на выходе и входе фильтра.
57
Для упрощения в выражении (8) опустим индекс (1), имея в виду
коэффициент пульсаций именно по первой гармонике.
Малым коэффициентом пульсаций считается Kп< 0.1%, средним - от
0.1% до 1% и большим Kп > 1%. Коэффициент пульсаций, например, для
однофазной мостовой схемы выпрямления равен 157%, трехфазной
мостовой – 5,7%. При этом они, как правило, намного больше допустимых
значений Кп для различных потребителей систем телекоммуникаций.
Основное требование к сглаживающему фильтру - обеспечение требуемого значения коэффициента пульсаций у электроприемника. Кроме
того, к нему предъявляют ряд дополнительных требований:
а) минимальное падение напряжения постоянной составляющей на
элементах фильтра;
б) минимальные габариты, масса и стоимость;
в) минимальное изменение режима работы потребителя;
г) высокая надежность.
Удовлетворение этих требований зависит от схемы фильтра и параметров его элементов.
Современные сглаживающие фильтры подразделяются на фильтры,
построенные на реактивных элементах, и электронные сглаживающие
фильтры (рисунок 3). В свою очередь, фильтры на реактивных элементах
Рисунок 3 - Классификация сглаживающих фильтров
58
можно разделить на п р о с т ы е фильтры, в том числе и н д у к т и в н ы е
и е м к о с т н ы е , сложные, в том числе однозвенные типа LC и RC, резонансные и многозвенные типа CRC и CLC.
На рисунке 4 показаны представители группы сложных фильтров: LC-
фильтр (рисунок 4,а), RC-фильтр (рисунок 4,б), многозвенные фильтры
типа CRC (рисунок 4,в) и CLC (рисунок 4.4,г). Электронные фильтры подразделяют на ламповые и транзисторные схемы.
Рисунок 4 - Основные схемы фильтров выпрямителей
ВОПРОС 2. Энергетические процессы и основные расчетные
соотношения в индуктивном, емкостном и
индуктивно–емкостном фильтрах. Понятие об
электронных сглаживающих фильтрах
В предыдущем вопросе было показано, что индуктивный фильтр будучи включенным последовательно с сопротивлением нагрузки обеспечивает подавление пульсаций выпрямленного напряжения. Причем ослабление пульсаций тем сильнее, чем выше частота пульсаций, или, что то же
самое, больше номер гармоники в переменной составляющей выпрямленного напряжения. Наоборот, постоянная составляющая выпрямленного
напряжения индуктивным фильтром практически не подавляется, а то
ослабление постоянной составляющей, которое имеет место в реальных
условиях обусловлено падением напряжения на омическом сопротивлении
дросселя фильтра. Главной причиной, обуславливающей такую избира-
59
тельность и поведение индуктивного фильтра в отношении переменной и
постоянной составляющих выпрямленного напряжения, является свойство
индуктивного сопротивления дросселя (xL = ωL) изменять свою величину в
зависимости от частоты сигнала. Рассмотрим процессы в индуктивном
фильтре, поясняющие принцип действия с точки зрения физической сущности происходящего явления на примере диаграммы напряжений и токов
однофазного мостового выпрямителя (рисунок 5).
Для упрощения будем полагать, что в разложении Фурье функции,
описывающей пульсирующее напряжение ud (рисунок 5,б - кривая 1) на вы-
ходе выпрямителя имеется только одна (основная) гармоника. Как следует
из (1), её максимальное значение имеет вид:
=
(9)
Она, как видно из (9), изменяется по закону косинуса. Знак минус
перед амплитудным значением означает, что в начальный момент времени
t0 = 0 её максимальное значение имеет отрицательный знак и далее
изменяется (рисунок 5,б - кривая 2) в соответствии с (9). Под действием
напряжения этой гармоники в обмотке дросселя возникает ток i1. Если
принять допущение о том, что zL ≈ xL=ωL, то при малых значениях
сопротивления нагрузки Rн ток через дроссель можно считать практически
индуктивным. Следовательно, этот ток отстает (рисунок 5,б кривая 3) от
напряжения u1 на 90о. Протекая по обмотке дросселя, эта гармоника тока
создает в его магнитопроводе переменный магнитный поток (кривая 4).
Этот магнитный поток, сцепляясь с витками обмотки дросселя, наводит в
них ЭДС самоиндукции (рисунок 5,б - кривая 5). Отставая от магнитного
потока на 90О, эта ЭДС оказывается в противофазе с напряжением первой
гармоники (рисунок 5,б - кривая 2). Это означает что в каждый момент
времени мгновенное значение ЭДС самоиндукции (кривая 5 на рисунке 5,б)
равно и противоположно по знаку с мгновенными значениями напряжения
первой гармоники (кривая 2 на рисунке 5,б), в результате чего и происходит
ослабление этой гармоники. Аналогичные рассуждения можно произвести
и для других гармонических переменной составляющей выпрямленного
напряжения. В этом и состоит сглаживающее действие дросселя,
включенного последовательно с сопротивлением нагрузки.
60
Рисунок 5 - Схема однофазного мостового выпрямителя
с индуктивным фильтром (а) и диаграммы,
поясняющие механизм подавления пульсаций
Исходя из вышеизложенного, рассмотрим основные расчетные соотношения в индуктивном фильтре (рисунок 6). Используя принятые в подразделе допущения, будем считать внутреннее сопротивление источника
питания равным нулю. Обозначениям Ud и Ud' соответствуют постоянные
составляющие выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра; Um1
и U'm1 - амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра; RL - активное сопротивление дросселя фильтра; xL - индуктивное сопротивление дросселя.
Коэффициент пульсаций на входе фильтра (или на нагрузке, когда
фильтр отсутствует) определяется выражением:
,
111
п.вх
d
m
нd
нm
d
m
I
I
RI
RI
U
U
К
(10)
где Im1 - амплитуда первой гармоники тока переменной составляющей
выпрямленного напряжения на входе фильтра.
При включении фильтра коэффициент пульсаций на выходе:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]