Лекция 4. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Работа выпрямителей на активно-ёмкостную нагрузку. Схемы с умножением напряжения

4.1. Пульсации выпрямленного напряжения

Как было отмечено в лекции 3, выходное напряжение выпрямителя представляет собой пульсирующую величину, изменяющуюся от 0 до U_2m. Частота пульсаций выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы равна частоте питающей сети (50 Гц), а для двухполупериодной и мостовой – удвоенной частоте (100 Гц).

В табл. 3.1 в последнем столбце приведено значение коэффициента пульсации К_П(1). Коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя к его среднему значениюU_d. Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники выходного напряжения (50 Гц)

, (4.1)

а для двухполупериодной и мостовой (100 Гц)

. (4.2)

Среднее значение выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы U_d = 0,45U₂, а для двухполупериодной и мостовой U_d = 0,9U₂. Тогда коэффициент пульсаций:

для однополупериодной схемы ;

для двухполупериодной и мостовой .

Такие коэффициенты пульсации являются слишком большими для радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в системах управления движением поездов и электроснабжением. Поэтому в схемах источников питания после выпрямителя устанавливается сглаживающий фильтр.

4.2. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется для нормальной работы потребителя. Сглаживающее действие фильтра обычно оценивается по величине коэффициента сглаживания.

Коэффициентом сглаживания фильтра по гармонике пульсаций qпринято считать отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя)K'_П(q)к коэффициенту пульсаций на его выходе (в нагрузке)K_П(q)для той же гармоникиq:

. (4.3)

Обычно коэффициенты пульсаций определяются по основной гармонике, поэтому коэффициент сглаживания оценивают также по низшей гармонике пульсаций выпрямленного напряжения (в нашем случае 50 Гц для однополупериодной схемы и 100 Гц для двухполупериодной и мостовой).

Сглаживающие фильтры в зависимости от элементов, из которых они выполнены, делятся на две категории: фильтры с пассивными LC-элементами и электронные. Рассмотрим фильтры с пассивными элементами – дросселемL_дри конденсаторомС_ф, схемы которых представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Сглаживающие фильтры с пассивными элементами:

а – индуктивный, б – ёмкостный

При расчете фильтра на его входе обычно учитывают только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и основную гармонику пульсаций с амплитудой U_(1)m, так как амплитуды высших гармоник с увеличением номера гармоники резко уменьшаются. В результате выпрямитель по отношению к фильтру может быть заменен двумя генераторами с постоянной ЭДСU_ср=constи синусоидальной ЭДС, имеющей амплитудуU_(1)mи частоту, зависящую от схемы выпрямителя.

Расчёт индуктивного фильтра сводится к определению необходимой величины L_др. Под воздействием синусоидальной ЭДС с амплитудойU_(1)mв нагрузке возникает напряжение с амплитудой

. (4.4)

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна среднему значению напряжения на выходе выпрямителя, поэтому коэффициент сглаживания фильтра

,

откуда индуктивность дросселя фильтра

. (4.5)

Учитывая, что коэффициент сглаживания, выраженный через коэффициент пульсаций на входе и выходе фильтра, определяется из формулы (4.3), а также пренебрегая единицей в формуле (4.5), получим

.

Чем больше индуктивность дросселя, тем сильнее будут ослаблены пульсации. Индуктивный фильтр обычно применяется при больших токах нагрузки. Более подробные сведения о работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку можно причитать в [1, 11, 14].

Для маломощных потребителей простейшим фильтром является конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке (рис. 4.1, б). Рассмотрим работу выпрямителя на активно-ёмкостную нагрузку более подробно.