Параметры L_ф и C_ф выбирают из условия желаемого подавления (уменьшения) в спектре e_d самой низкой по частоте и соответственно наибольшей по амплитуде гармоники выходного напряжения Е_1max. Следующие за ней в спектре более высокочастотные составляющие имеют существенно меньшую амплитуду и подавляются тем же сглаживающим фильтром значительно сильнее. Это обстоятельство позволяет судить об уровне сглаживания на выходе выпрямителя по степени подавления основной гармоники в спектре e_d, т.е. по величине

U_  К_ф Е_1max= К*_1mK_ф E_do = qE_do. (K_ф  1)

В результате относительный уровень пульсации напряжения на выходе выпрямителя с фильтром будет определяться произведением двух коэффициентов

 U_/E_do = q = K^*_1m K_ф (q  1) (3-3)

Индуктивный фильтр (Рис.3-1а) представляет собой дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой R_н. Реактивное сопротивление X_ф = m_сL_ф позволяет «погасить» часть перемен-ной составляющей напряжения выпрямителя и, следовательно, «сгладить» u_н на выходе фильтра.

Величина индуктивности дросселя L_ф , необходимая для получения остаточного (желаемого) уровня пульсации q = K^*_1mK_ф = U_/ E_do, будет определяться выражением , (3-4)

где _с =2f_c – круговая частота сети, питающей выпрямитель (например f_c=50Гц и _с=314рад/с);

r – активное сопротивление обмотки дросселя, а также трансформатора или анодных реакторов в сети, питающей вентильный комплект;

q – допустимый по техническим требованиям относительный уровень пульсаций напряжения на нагрузке, (например 0,1 или 0,01). Чем меньше q и больше R_н тем больше величина L_ф, необходима для его реализации.

Обычно дроссель используется для сглаживания пульсирующего тока выпрямителя и в схемах с небольшим по величине активным сопротивлением R_н.

В электроприводах роль L_ф довольно часто выполняет индуктивность нагрузки (якорной цепи или обмотки возбуждения двигателя).

Емкостной фильтр (Рис.3-1б) В чистом виде емкостной фильтр существовать не может, так как ток заряда конденсатора должен ограничиваться активным либо реактивным сопротивлением. В противном случае диоды выпрямителя могут выходить из строя из-за броска зарядного тока конденсатора в момент включения питающей сети.

Даже, если конденсатор включается на выходные клеммы выпрямителя без ограничительного сопротивления, в качестве такого должно учитываться сопротивление подводящих проводов, анодных реакторов и обмоток согласующего трансформатора. С учётом этих сопротивлений приведённая к выходной цепи выпрямителя величина r = r_вн оказывается не менее 0,05R_н. Это позволяет в большинстве случаев рассчитывать параметры фильтра, используя выражение для коэффициента К_фб на Рис.3-1б.

По аналогии с индуктивным фильтром величина ёмкости С_ф, необходимая для получения желаемого уровня пульсации q, будет определяться выражением

. (3-5)

Следует учитывать, что установившееся значение напряжения U_н на выходе rC-фильтра зависит от отношения R_н /(Rн + r). Для максимального токе нагрузки, получим

U_н = E_do R_min/(R_min+r) ,

где R_min- минимальное сопротивление цепи нагрузки R_н.

У выпрямителей с такой схемой фильтра и меняющимся значением R_н часто устанавливается на выходе фильтра стабилизатор напряжения, выполняющий роль дополнительного регулируемого «балластного» сопротивления R_б, включённого параллельно R_н при этом обычно выполняется условие

[(1/R_н)+(1/R_б)]  (1/R_min)=Const.

Г-образный LC- фильтр (Рис.3-1в). В такой схеме дроссель также сглаживает ток выпрямителя, а конденсатор, шунтируя цепь нагрузки, сглаживает ещё и напряжение на ней. Как и в предыдущих примерах, используя выражение К_фв для первой гармоники, можем записать

. (3-6)

Задаваясь величиной q, при выборе L_ф и C_ф желательно руководствоваться дополнительными условиями: ; . (3-7) . Их выполнение исключает появление резонансных колебаний на основной (m_c) или более высоких (km_c) гармониках. Использование LC – фильтра, позволяет обеспечить более эффек-

тивное сглаживание, чем в двух предыдущих схемах. Следующая

схема на Рис.3.1г может рассматриваться как последовательное соединение фильтров Рис.3.1 б) и в), а уровень пульсаций q - как произведение . (3-8)

Очевидно, что с помощью такого двухзвенного фильтра возможно ещё более интенсивное сглаживание напряжения u_н.

Резонансный фильтр Рис.3-1д в принципе может обеспечить полное подавление вполне определённой гармоники в кривой выпрямленного напряжения. Условие, при котором обеспечивает-ся, например, К_ф5 = 0 достигается при

L₂ C_ф m²_c² = 1.

Однако, реализация этого условия требует точной настройки и поддерживания параметров фильтра (высокой их стабильности), а также стабильности частоты питающей сети. Обеспечить вы-полнение всех условий в схеме не всегда удаётся из-за отсут-ствия переменных (подстроечных) индуктивностей и емкостей, невысокой стабильности параметров этих элементов и «плаваю-щей» частоты питающей сети. Проблемы настройки и неста-бильная работа такого фильтра затрудняют его эксплуатацию в реальных условиях.

3. Влияние фильтров на работу выпрямителя.

Реактивные сопротивления фильтра оказывают существенное влияние на работу и на внешние характеристики выпрямителя.

Дроссель в однополупериодной однофазной схеме выпрямителя (Рис.3.2а). Ток в такой схеме определяется дифференциальным уравнением

i_d R_н + L_ф di_d/dt = 2E₂ Sin_сt (3-9)

и имеет форму импульсов, показанных на диаграмме Рис.3-2б, каждый из которых описывается выражением

i_d (_сt)= I_m [Sin (_сt-) + e^-tR/L Sin] , (3-10)

где (3-11)

Выражение (3-10) есть результат решения уравнения (3-9) при нулевых начальных условиях, когда i_нач= 0 при _сt = 0. Индук-тивность L_ф сглаживает импульсы тока i_d(t), уменьшая их ампли-туду I_m и увеличивая длительность . Ток продолжает протекать по сопротивлению нагрузки и в отрицательную часть периода (.), т.е. какое-то время против э.д.с. сети. Это возможно за счёт запасённой энергии, которая накапливается в индуктивности L_ф , пока происходит нарастание тока в импульсе i_d (_сt). После достижения током амплитудного значения происходит её возврат. Длится он до тех пор, пока ток не снизится до нуля. а накоплен-ная энергия не израсходуется в сопротивлении R_н и частично не возвратится в питающую сеть.

а)

б)

в)

г)

д)

Рис.3.2 Однополупериодная однофазная схема выпрямителя (Рис.3.2а) D2-шунтирующий диод, L-индуктивный фильтр, R- активное сопротивление нагрузки;

б) напряжение сети и ток нагрузки, в) напряжение и ток нагрузки, г) напряжение на диоде D1, д) напряжение сети и ток в нагрузке при замкнутой цепи шунтирующего диода D2.

В кривой u_d (t) возникают интервалы, на которых кривая выпрямленного напряжения становится отрицательной (Рис.3.2в). Это равносильно уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения U_d. Чем больше отношение _cL_ф /R_н тем больше ,

больше отрицательная вольтсекундная площадь этих интервалов и меньше величина U_d.

Трансцендентная зависимость между  и отношением _cL_ф /R_н достаточно подробно исследована в [6]. Здесь лишь отметим, что при _cL_ф /R_н =0 (L_ф=0) длительность = и U_d.= E_do , а при _cL_ф /R_н   длительность  2 и U_d  0.

Опасными для диода D1 в рассматриваемой схеме выпрямителя являются «скачки» обратного напряжения после окончания каж-дого импульса тока (Рис.3.2г). В течение некоторого времени по-сле того как ток вентиля снизится до нуля, диод продолжает свободно проводить ток и в обратном направлении (пока рассасы-вается объёмный заряд на его р-n переходе). За это время ток ус-певает вырасти в обратную сторону до величины, обрыв которой после исчезновения носителей заряда вызывает недопустимый «всплеск» обратного напряжения и пробой p-n перехода, т.е. раз-рушение диода. Одним из способов защиты от опасного режима может быть включение нулевого диода D2, показанного на схеме Рис.3.2а пунктиром. В схеме с включённым D2 в момент t = 

диод D1 запирается напряжением сети, а под действием э.д.с. самоиндукции L_ф открывается диод D2. Энергия, накопленная в индуктивности дросселя, теперь отдаётся по шунтирующей цепи только в нагрузку R_н без возврата в питающую сеть. В схеме с D2 не может быть ни отрицательных вольтсекундных площадок, ни опасных для диодов скачков обратного напряжения. Напряжение на выходе выпрямителя с шунтирующим диодом D2, поэтому всегда равно максимальному значению U_d =Е_do =2Е₂/, как в схеме без сглаживающего дросселя (L_ф =0).