2.4. Сглаживающие фильтры

В тех случаях, когда по условиям питания потребитель требует более сглаженную кривую напряжения, чем это даёт непосредственно выпрямитель, необходимо к цепи выпрямленного тока включить дополнительно фильтр для сглаживания напряжения или тока.

В простейших вариантах фильтр содержит либо последовательно включённую индуктивность, либо параллельную ёмкость. В более общем случае фильтр представляет четырёхполюсник, содержащий разные, преимущественно реактивные сопротивления.

Эффективность работы фильтра при наличии последовательного звена оценивают по коэффициенту эффективности сглаживания, определяемому по отношению коэффициентов пульсаций на выходе выпрямителя и на выходе фильтра

. (2.56)

Коэффициент пульсации на выходе выпрямителя определяется отношением амплитуды переменной составляющей выпрямленного тока к среднему значению выпрямленного тока Id

. (2.57)

Так для однополупериодного однофазного выпрямителя при разложении в ряд Фурье амплитудное значение первой гармоники , где-максимальное значение выпрямленного напряжения при активной нагрузке (рис.2.19).

Для такой схемы первая гармоника будет иметь частоту 50Гц, .

Тогда коэффициент пульсаций

Для схем двухполупериодных и трёхфазных выпрямителей коэффициент пульсаций определяется по выражению (2.57) при к=1 и m, равном числу пульсаций за период.

.

Рис. 2.19. Кривые выходного напряжения однофазной

однополупериодной схемы выпрямления

Для однофазной схемы (с выводом нулевой точки и мостовая) m=2

.

Для трёхфазной схемы с нулевым выводом m=3

.

Для трёхфазной мостовой схемы m=6

и т.д.

Для управляемого выпрямителя коэффициент пульсаций без учёта коммутационных процессов определяется по для максимальных углов управления 

(2.58)

Коэффициент пульсаций на нагрузке S задаётся, исходя из предъявляемых требований к источнику питания.

Эффективность сглаживающего фильтра определяется коэффициентом сглаживания или эффективности S

.

Коэффициент пульсаций на выходе фильтра или, что то же, у зажимов нагрузки определяется из равенства

, (2.59)

где - амплитуда m-ой гармонической у зажимов нагрузки;

U’d-среднее значение напряжения у зажимов нагрузки.

В общем случае UdU’d.

Рассмотрим основные схемы фильтров.

А) Индуктивность как фильтр

Индуктивность как фильтр включается в схему последовательно (рис.2.20).

Рис. 2.20. Схема индуктивного фильтра

Принимая на себя большую долю переменной составляющей напряжения, индуктивность ограничивает пульсации тока в контуре, в силу чего напряжение и ток в нагрузке оказывается более сглаженным. На практике фильтр должен работать эффективно на самой низкой частоте m периодической составляющей. При более высоких частотах по отношению к m индуктивное сопротивление возрастает и фильтр будет действовать более эффективно.

Соответственно приведённой схеме замещения коэффициент сглаживания определяется из равенства

. (2.60)

По цепи проходит один и тот же ток Id

;

;

. (2.61)

Индуктивный фильтр применяется в установках с большими токами нагрузки. Запасаемая энергия в индуктивности пропорциональна выражению.

Недостатком индуктивных фильтров является возможность перенапряжения при сбросе нагрузки. Обычно для избежания перенапряжений индуктивность шунтируют диодом во встречном направлении.