3661

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электротехника»

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электротехника и электроника» для обучающихся по специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог»

очной и заочной форм обучения

Составитель: Н.С. Шорохов

Самара

2015

1

УДК 656.254

Сглаживающие фильтры : методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электротехника и электроника» для обучающихся специальности 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог» очной и заочной форм обучения / составитель : Н.С. Шорохов. – Самара : СамГУПС, 2015. – 20 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы, с целью изучения различных схем и принципов действия сглаживающих фильтров, а также экспериментального определения их основных параметров. Методические указания могут использоваться для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электроника» специальности 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов».

Утверждены на заседании кафедры 14 апреля 2015 года, протокол № 9. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составитель: к.т.н. Шорохов Н.С.

Рецензенты: д.т.н., заведующий кафедрой «МАП» проф. Кацюба О.А. (СамГУПС); к.т.н., заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь» проф. Гуменников В.Б. (СамГУПС)

Под редакцией составителя

Подписано в печать 28.05.2015. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 50 экз. Заказ 79.

Самарский государственный университет путей сообщения, 2015

2

Введение

Настоящее методическое руководство содержит общие требования к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электротехника и электроника», описание лабораторного макета, теоретическую часть, список рекомендуемой литературы, контрольные вопросы.

Выполнение лабораторной работы способствует достижению основной цели дисциплины «Электротехника и электроника» - усвоение основ специальных знаний в области схемотехники электронных устройств, принципов построения их базовых элементов,

атакже методов расчета.

Врезультате выполнения лабораторной работы «Сглаживающие фильтры» студент

должен:

- знать принципы построения и функционирования устройств аналоговой электроники;

- уметь обобщать динамические показатели электронных устройств, используя понятия передаточной функции, применять на практике вопросы теории;

- владеть принципами анализа типовых элементов электронных схем и узлов на их основе,

Впроцессе изучения данной дисциплины у студентов формируются следующие компетенции:

- способность использовать навыки проведения измерительного эксперимента и оценки его результатов на основе знаний о методах метрологии, стандартизации и сертификации (ПК-9);

- владение основами расчета и проектирования элементов и устройств различных физических принципов действия (ПК-13).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Цель работы: 1. Изучить принцип работы сглаживающих фильтров.

2.Экспериментально определить основные параметры сглаживающих фильтров.

3.Рассчитать основные параметры сглаживающих фильтров и сравнить результаты с экспериментально определенными.

Теория, изучаемая перед выполнением работы

Назначение и классификация сглаживающих фильтров. Выпрямители очень редко работают на чисто активную нагрузку. В связи с тем, что значительные пульсации выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя не устраивают потребителя, поэто-

3

му между выпрямителем и нагрузкой включают сглаживающий фильтр. Пульсирующее выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие.

Полезный эффект у потребителей создают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные гармонические составляющие, образующие пульсации, приводят к помехам и бесполезной трате мощности [1].

Характер пульсации и амплитуда зависят от типа нагрузки, схемы выпрямления, формы входного переменного напряжения и ряда других факторов.

Конструктивно схемы фильтров могут быть различны. В таблице 1 представлены наиболее распространенные схемы фильтров: а, б – простейшие фильтры, состоят из одного элемента; в, г, д – одно- и многозвенные фильтры, состоят из комбинаций R,L,C; е, ж – фильтры, имеющие резонансные контуры, настроенные на первую гармонику выпрямленного напряжения; з – электронные фильтры, использующие схемы с транзисторами, которые подавляют переменную составляющую; и – фильтры с аккумуляторной батареей.

4

kс U пв х , U пв ых

где Uпвх, Uпвых – амплитудные значения напряжения п-й гармоники соответственно на входе и выходе фильтра.

Особо стоит отметить сглаживающие фильтры с аккумуляторной батареей.

Аккумуляторная батарея используется как резервный источник тока и применяется в буферных электропитающих установках. Совместно с элементами фильтра аккумуляторная батарея обеспечивает сглаживание выпрямленного тока. Переменная и постоянная составляющие выпрямленного тока проходят по двум путям – через батарею и через нагрузку таблица 2, [2].

Таблица 2

Схемы подключения аккумуляторной батареи к выпрямителю и нагрузке

Каждая из этих цепей имеет различное сопротивление для переменного и постоянного токов [3, 4]. Постоянная составляющая выпрямленного тока протекает в основном через нагрузку и только небольшая часть (в режиме непрерывного подзаряда) ответвляется через батарею. Это происходит потому, что батарея аккумуляторов включена таким образом, что ее ЭДС направлена навстречу ЭДС выпрямителя и препятствует прохождению постоянного тока. Переменная составляющая выпрямленного тока ответвляется через аккумуляторную батарею и только незначительная часть – через нагрузку.

Для эффективного сглаживания пульсации при буферной системе электропитания необходимо, чтобы сопротивление цепи батареи для переменной составляющей выпрямленного тока было гораздо меньше, чем сопротивление нагрузки. Сопротивление суще-

5

ственно зависит от способа подключения аккумуляторной батареи. Существует несколько способов подключения батареи.

В двухпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (таблица 2, а) сопротивление цепи батареи (между точками а, б)

Rаб Rп Rш1 Rш 2 Rб .

Внекоторых случаях, особенно для электропитающих установок, рассчитанных на низкие напряжения и большие токи, может оказаться, что сумма сопротивлений, включенных в цепь батареи, значительно превосходит ее собственное сопротивление, что резко снижает фильтрующее свойство батареи.

Вчетырехпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (таблица 2, б) все дополнительные элементы исключены из цепи батареи и перенесены в главную цепь питания. Сопротивление цепи батареи для этой схемы Rцб = Rб. Схема обеспечивает эффективное сглаживание, но малоэкономична, так как к аккумуляторной батарее необходимо проложить две пары шин.

Вупрощенной двухпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (таблица 2, в) часть элементов, повышающих сопротивление цепи батареи, перенесена в главную цепь питания. Сопротивление цепи батареи для этой схемы Rцб = Rшl + Rш2 + Rб. Если в этой схеме шины выбрать с такой площадью поперечного сечения, что сопротивление их не будет превышать 10 % от сопротивления батареи, то схема по своим качествам не будет отличаться от четырехпроводной. Схема имеет широкое распространение.

Содержание работы

1.Изучение работы и определение параметров сглаживающих фильтров в однофазной двухполупериодной мостовой схеме выпрямления.

2.Изучение работы и определение параметров сглаживающих фильтров в трехфазной однотактной схеме выпрямления.

3.Изучение работы и определение параметров сглаживающих фильтров в трехфазной мостовой схеме выпрямления разомкнутого типа.

Описание лабораторного макета

Изучение работы сглаживающих фильтров проводится с использованием сменного блока «Исследование схем выпрямителей», (рис. 1, 2, 3).

В основу лабораторной работы положено определение коэффициента сглаживания

при различных схемах выпрямления;

различных схемах фильтра;

различных сопротивлениях нагрузки.

6

Рис. 1. Панель лабораторного макета № 1

Питание 2002-2 №2

Рис. 2. Панель лабораторного макета № 2

7

Рис. 2. Внешний вид правой лицевой панели

Рис. 3. Панель лабораторного макета № 3

Анализ результатов лабораторного исследования должен выявить зависимость качества сглаживания пульсаций

от схемы выпрямления;

схемы фильтра;

сопротивления нагрузки.

Элементы сглаживающего фильтра собраны в блоке нагрузок и подключаются к схеме фильтра с помощью тумблеров S1–S4. Верхнее положение рычага тумблера соответствует замкнутому состоянию его контактов.

При проведении лабораторной работы по изучению сглаживающих фильтров между гнездами 3 и 4 блока нагрузок необходимо установить перемычку. Напряжение с выхода выпрямителя подавать на гнезда 1 и 2.

В качестве нагрузки выпрямителя используется переменный резистор блока нагрузок. Регулирование тока, протекающего через нагрузку, производится ручками «RН грубо» и «RН точно».

Напряжение на резисторе нагрузки и ток, протекающий через резистор, контролируются вольтметром PV2 и миллиамперметром РА2. Вольтметр PV2 позволяет измерять как постоянную, так и переменную составляющие напряжения.

8

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Id – среднее значение выпрямленного тока;

Ud – постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения) до фильтра;

UdФ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения после фильтра;

Udo – постоянная составляющая выпрямленного напряжения в режиме холостого

хода;

p – коэффициент пульсности: p = mnк,

где m – число фаз выпрямляемого напряжения; n – число полупериодов выпрямления; к

–число каскадов, образующих выпрямитель.

kП – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

kП = U~m / Ud ≈ U~m1 / Ud,

где U~m – амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения;

U~m1 – амплитуда первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения.

kС – коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения фильтром

kС = kП / kПФ ,

где kП – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения до фильтра; kПФ – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения после фильтра. Для емкостных фильтров в данной формуле следует читать: kП – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения без фильтра; kПФ – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения с фильтром.

Для индуктивного фильтра (таблица 1, рис. а), можно записать при условии

где Lдр – индуктивность дросселя; RН – сопротивление нагрузки; rдр – активное сопротивление дросселя; ω – угловая частота напряжения сети, m p q , p = 1, 2 – число полупериодов, q = 1, 2, 3, 6 – число фазовых обмоток трансформатора.

Коэффициент сглаживания зависит от величины нагрузки, что является недостатком индуктивного фильтра. Коэффициент сглаживания будет высоким при малом сопротивлении Rн , поэтому индуктивные фильтры применяются при больших токах нагрузки. При отключении нагрузки или резком ее изменении возникает перенапряжение в схеме.

9

Емкостной фильтр представляет собой емкость С, включенную параллельно нагрузке Rн (таблица 1, рис. б):

где kсгл зависит от Rн и чем больше Rн, тем больше коэффициент сглаживания, поэтому емкостные фильтры применяются при малых токах нагрузки.

Индуктивно-емкостный фильтр используется при большой мощности нагрузки. К достоинствам фильтра относится: малые габаритные размеры, малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки Недостатки: высокий уровень перенапряжения, возникающего во время переходного процесса, и большое время его установления.

Коэффициент сглаживания LC-фильтра

kС m2 12 LC 1.

Коэффициент сглаживания kсгл не зависит от сопротивления нагрузки Rн, а только лишь от индуктивности L и емкости С фильтра. Практически, при расчете параметров LC-фильтров после определенного произведения L на С, необходимо проверить отсутствие в контуре резонансных явлений. Для этого необходимо, чтобы собственная резонансная частота фильтра была в два раза меньше частоты первой гармоники.

Активно-емкостный фильтр (таблица 1, рис. в) используются при малых токах нагрузки, так как с ростом тока уменьшается постоянная цепи разряда, что увеличивает пульсацию напряжения (из-за большой глубины провала). К достоинствам фильтра можно отнести: отсутствие повышения уровня напряжения или его снижение при переходных процессах. Недостатком фильтра является: воздействие на выпрямитель (угол отсечки тока меньше 180 градусов), поэтому при использовании такого фильтра с большой величиной емкости необходимо вводить в звено выпрямителя защитные элементы.

Коэффициент сглаживания RC-фильтра

kС m 1RC ,

при условии, что R<<RН.

kС не зависит от величины нагрузки. Данный фильтр, по сравнению с LC-фильтром, наиболее простой и дешевый. А его основным недостатком является рассеивание постоянной составляющей тока на активном сопротивлении фильтра.

η – КПД фильтра