Контрольні запитання

1. Чому виникає потреба у використанні електричних фільтрів ?

2. Що таке коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги ?

3. На яких властивостях базується принцип дії кожного з фільтрів?

4. Перерахувати існуючі типи фільтрів та вказати їх особливості.

5. Що таке коефіцієнт згладжування та фільтрації фільтра?

Рисунок 2.53.

Короткі теоретичні відомості

Як відомо, випрямляч перетворює змінну напругу в однополярну пульсуючу . Для згладжування пульсацій цієї напруги до рівня, що забезпечує потрібні умови екс­плуатації пристроїв, які живляться від випрямлячів, і використовуються згладжувальні фільтри. Вони бувають різних типів і їх застосування залежить від ряду факторів, головними з яких є забезпечувана якість постійного струму та напруги споживачів, а також по­тужність навантаження і режим роботи випрямляча.

Фільтри як пристрої належать до перетворювачів електромагнітної енергії і в основі їх дії лежить залежність опору реактивних елементів від номера гармонічної складової несинусоїдного сигналу, яким є випрямлений струм чи напруга.

Найпростішими є індуктивний та ємнісний фільтри. Перший використо-вують в потужних випрямлячах, а другий - в низьковольтних та малопо-тужних. До складних слід віднести фільтри Г- та П-типу, а також багато-ланкові ,що складаються з кількох послідовно з'єднаних фільтрів Г- або П-типу.

Схема фільтру, що вмикається як додаткова ланка між випрямлячем та наван­таженням, залежить від потрібної якості згладженої напруги чи струму, вибору ре­жиму роботи випрямляча або його навантаження. Наприклад, індуктивний фільтр використовують в тих випадках, коли потрібно забезпечити безперервний струм в колі навантаження та сприятливий режим роботи випрямляча по відношенню до мережі живлення.

Більш ефективне згладжування пульсацій в кривій випрямленої напруги здійснюються за допомогою фільтрів, складених з Г-подібних або П-подіб-них схем, що повторюються. Це так звані ланцюгові схеми фільтрів. Як елементи цих схем можна використовувати і конденсатори, і дроселі, а для малопотужних споживачів - і рези­стори.

Параметри Г-подібного фільтра вибирають таким чином, щоб послідовно ввімкнуті з джерелом живлення елементи мали більший опір для змінної складової струму та малий опір для постійної складової. Послідовно ввімкнутими елементами можуть бути індуктивність, резонансний контур з паралельно ввімкну­тих дроселя та конденсатора, а для малопотужних споживачів - резистор. Елементи фільтра, що вмикаються паралельно споживачу, навпаки, повинні мати малий опір (більшу провідність) для змінної складової струму та великий опір для постійної складової. Паралельно ввімкнутими елементами можуть бути конденсатор або резонансні контури з послідовно з'єднаними конденсатором та дроселем.

В лабораторній роботі використовуються три типи фільтрів: індуктивний, ємнісний та Г-подібний, послідовним елементом якого є індуктивність, а паралельним - кон­денсатор. Усі вони зображені на рисунку 2.54.

а) б)

в)

Рисунок 2.54.

Окрім вказаних існують резонансні фільтри та фільтри з компенсацією змінної складової. Резонансні фільтри виготовляються за Г-подібною схемою. Вони мають високий коефіцієнт фільтрації для нульової та нижчих гармонік. Їх дія базується на явищі резо­нансу напруг (режекторні фільтри). Резонансні фільтри більш компактні та дешевші порівняно зі звичайними Г-подібними.

Фільтри-пробки, як правило, використовують замість дроселя LC- кон-тури, що дозволяє значно посилити згладжуючу дію фільтра для певної гармоніки (див. рис. 2.55,а).

Режекторні фільтри (рис. 2.55,б) рекомендують в Г-подібних фільтрах для підвищення їхнього коефіцієнту фільтрації. Замість конденсатора, що шунтує навантаження, вмикається послідовний коливальний контур, налаштований на головну гармонічну складову випрямленої напруги. Для фільтрації вищих гармонічних складових пульсуючої напруги, паралельно навантаженню вмикається декілька режекторних фільтрів, кожен з яких налаштований на відповідну частоту.

а) б)

в)

Рисунок 2.55.

Такого типу фільтри використовуються для згладжування пульсацій в поту­жних випрямляючих пристроях. Можливе сумісне використання фільтра-пробки та режекторного фільтра.

Фільтр з компенсаційною обмоткою (рис. 2.55,в) забезпечує краще згла­джування пульсацій порівняно зі звичайними LС-фільтрами. Зустрічна обмотка створює е.р.с, що частково компенсує напругу на конденсаторі . Ефект ком­пенсації змінної складової особливо помітний у випадку згладжування пульсацій відносно великих струмів навантаження, коли важко виконати дросель з великою індуктивністю. Компенсаційна обмотка дозволяє зменшити намагнічування осердя дроселя, що рівнозначно зростанню магнітної проникності матеріалу осердя та індуктивності дроселя. Повної компенсації змінних складових напруги отрима­ти не вдається, оскільки практично неможливо досягти зсуву фаз між напруга­ми головної та компенсаційної обмоток точно на 180°ел. Кількість витків ком­пенсаційної обмотки вибирають не дуже велику для запобігання значного зрос­тання габаритів та маси дроселя.

Згладжувальна дія фільтра за гармонічною складовою q оцінюється рівнем його коефіцієнта згладжування К_згл.

Коефіцієнт згладжування К_згл за гармонічною складовою q є відношення коефіцієнтів пульсації на його вході та виході, розрахованих для тієї ж гармоніки q.

, (2.44)

де: - коефіцієнт пульсацій на вході фільтру

- коефіцієнт пульсацій на виході фільтру

В свою чергу коефіцієнт пульсації випрямленої напруги чи струму за гар­монікою q визначається як відношення:

або , (2.45)

де: , - амплітуди q-ї гармоніки випрямленої напруги та струму.

, - середнє значення (постійна складова) випрямленої напруги та струму.

У більшості випадків коефіцієнт пульсацій визначається за головною (нижчою) гармонічною складовою, тому коефіцієнт згладжування також оціню­ється за нижчою гармонічною складовою пульсації випрямленої напруги, при­чому індекс q опускають.

В розгорнутому вигляді коефіцієнт згладжування для головної гармоніки має вигляд:

(2.46)

Відношення у виразі (2.46) називають коефіцієнтом передачі постійної складової фільтру з його входу на вихід, що характеризує втрати постійної напруги у фільтрі, а відношення - коефіцієнтом фільтрації, який встановлює, в скільки разів зменшується амплітуда пульсацій ос­новної гармоніки на виході фільтра порівняно з амплітудою пульсацій на його вході.

Коефіцієнт передачі λ фільтрів для випрямлячів великої потужності λ≈0.99 , а малої потужності λ≈ 0.9 - 0.95. Для фільтрів без втрат λ = 1.

Нехтуючи втратами у фільтрі, коефіцієнт згладжування можна приблизно прирівняти до коефіцієнта фільтрації.

(2.47)

Коефіцієнт пульсації на навантажені визначається умовами експлуатації і для різних споживачів електричної енергії може бути різним. На­приклад, для анодних кіл електронно-променевих трубок допускається = 0.005, а для потужних підсилювачів низької частоти = 0.02.

Коефіцієнт пульсації на вході фільтра з індуктивною реакцією зале­жить від вибраного типу випрямляча і визначається з виразу:

(2.48)

де: - число пульсацій випрямленої напруги за період напруги живлення.

В лабораторній роботі використовується випрямляч з .

Рисунок 2.56.

Таким чином, коефіцієнт фільтрації фільтра для згладжування напруги до певного рівня визначається через допустимий коефіцієнт пульсацій

споживача та число пульсацій на виході випрямляча:

(2.49)

Щоб суттєво не змінювався режим роботи випрямляча як в усталеному, так і в перехідному режимах, потрібно правильно вибрати схему та параметри фільтра.

Наприклад, в потужних випрямлячах небажане використання фільтрів з ємнісною вхідною ланкою, оскільки вони погіршують форму струмів в діодах та обмотках трансформатора, що при­зводить до зростання втрат в них та підвищення встановленої потужності останнього, а також погіршення гармонічного складу струму мережі живлення. Навпаки, для випрямлячів малої потужності, в яких великий внутрішній опір, застосу­вання ємнісних фільтрів є найбільш ефективним.

До згладжувальних фільтрів висуваються також вимоги, пов'язані з конс­труктивним виконанням (маса, габарити, ккд, тощо), а також певні експлуа­таційні особливості (вартість, надійність, тощо).

В ході виконання лабораторної роботи потрібно здійснити ряд вимірювань, що потребують додаткового пояснення. Для визначення коефіцієнту пульса­ції на виході кожного з досліджуваних фільтрів потрібно визначити ампліту­ду пульсації основної гармонічної складової. Це завдання виконується за до­помогою осцилографа і дає досить точний результат Наприклад, у випадку відсутності будь-якого фільтра амплітуда головної гармоніки випрямленої напруги приблизно дорівнює половині амплітуди пульсації цієї напруги, як це зображено на рис. 2.56,а. У випадку використання ємнісного фільтра подвійна амплітуда головної гармоніки визначається напругою розмаху змінної складової випрямленої напруги (див. рис. 2.56,б). В усіх випадках нульовою віссю для змінної складової є рівень середньої напруги, яка вимірюється за допомогою вольтметра.