7. Сглаживающие фильтры.

Обязательной принадлежностью выпрямителя является фильтр, передающий на выход смены постоянную составляющую выпрямленного напряжения и сглаживающий его пульсации. Он равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

S= , (7.1)

Простейшими фильтрами являются конденсатор, включённый параллельно нагрузке (рис. 3а) и дроссель, включённый последовательно с нагрузкой (рис.7а). Последовательный элемент обладает большим сопротивлением переменному току, а параллельный элемент (конденсатор) – калым. Величина ёмкости С_ф, необходимая для получения заданного коэффициента пульсаций К_п.вх., определяется из выражения (6.13). Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра определяется по приближённой формуле:

S= . (7.2)

В тех случаях, когда требуется получить коэффициент сглаживания, превышающий 20..40, применяются Г-образные (рис. 11а) и многозвенные (рис. 11б) фильтры. В Г-образном фильтре сопротивление конденсатора должно быть значительно меньше R_H, сопротивление же дросселя ^.f_о.г.^.L_ф должно значительно больше, чем . Коэффициент сглаживания определяется по формуле:

S 40 f²_о.г.L_фС_ф . (7.3)

При заданном коэффициенте сглаживания S формула (7.3) позволяет найти произведение L_фС_ф. Для выбора значений L_ф и С_ф необходимо предварительно определить минимальную (критическую) индуктивность фильтра:

L_Фкр.= . (7.4)

В формуле (7.4) сопротивление R_н выражается в Омах, частота f_с в герцах; значения коэффициента «а» составляют 0,332 , 0,083 и 0,01 для m, равного соответственно 2; 3 и 6.

Минимальная индуктивность L_Фмин. выбирается с некоторым запасом:

L_Фмин. (1,3 2,0) L_Фкр . (7.5)

Расчёт многозвенного фильтра проводится исходя из общего коэффициента сглаживания:

S=S₁^. S₂^...^.S_n , (7.6)

где S₁^. S₂^...^.S_n – коэффициенты сглаживания отдельных звеньев фильтра.

Так П- образный фильтр (рис. 11б) представляет собой каскадное соединение ёмкостного и Г-образного фильтра. Следовательно, коэффициент сглаживания его определяется как произведение коэффициентов сглаживания соответствующих фильтров.

8. Рекомендации по проектированию выпрямителей.

Исходными данными для расчёта схем выпрямления обычно являются:

- номинальные значения выпрямленных напряжения U_dн и тока I_dн;

- допустимая величина коэффициента пульсаций на выходе К_п.вых.;

- номинальные значения напряжения U_с и частоты f_c сети.

Проектирование выпрямителей включает в себя следующие этапы:

- выбор схемы выпрямителя;

- выбор типа вентиля;

- выбор схемы фильтра и её расчёт;

- расчёт выпрямителя;

- построение внешней (нагрузочной) характеристики.

8.1. Выбор схемы выпрямителя.

Для мощностей P_d< 1 кВт необходимо использовать схемы выпрямления однофазного тока. Однополупериодная схема (рис. 2а) целесообразна при очень малых уровнях мощности (менее 1 Вт) в случаях, когда нагрузка начинается с ёмкости. Среди двухполупериодных схем наиболее высокие технико-экономические данные имеет мостовая схема (рис. 4а) на полупроводниковых диодах. Она обеспечивает лучшее использование трансформатора и вентилей и применяется даже при больших мощностях, допустимых для однофазной нагрузки сети. При выпрямленных напряжениях

U_dн 10 В часто применяется не мостовая, а двухполупериодная схема с нулевым выводом (рис. 3а), достоинством которой является в два раза меньшее число вентилей.

Если выпрямитель должен отдавать потребителю мощность более киловатта, то с точки зрения оптимальной нагрузки сети переменного тока необходимо применять трёхфазные схемы. Трёхфазная схема с нулевым выводом (рис.5а) применяется на средних мощностях (единицы – десятки киловатт), а также в тех случаях, когда допустима большая амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения. При мощностях Р_d> 100 кВт, а также при малых допустимых пульсациях (< 5%) следует использовать мостовую схему выпрямления (схему Ларионова), представленную на рис. 6а.

Нередко приходится предварительно просчитывать несколько вариантов схем с тем, чтобы выбрать оптимальное решение.

8.2. Выбор типа вентиля.

Осуществляется на основании предварительного определения следующих параметров выпрямителя:

- среднего значения тока через вентиль при полной нагрузке:

I_a= ; (8.1)

- максимального значения обратного напряжения на вентиле:

U_о.м. ^. U_d , (8.2)

где коэффициент для выбранной схемы выпрямления находится из таблицы 1 , а параметр U_d оценивается по формуле:

U_d U_dн + U , (8.3)

где U – потери напряжения из-за протекания тока I_d > 0, имеющие порядок от 0,05^.U (при мощности P_d > 100 кВт) до 0,015^.U_d (при мощности P_d < 1 кВт).

Величины I_a и U_о.м. не должны превышать значений соответствующих паспортных параметров у выбранного вентиля – номинального прямого тока

I_а.н. и допустимого обратного напряжения:

(1,2..1,4)^.I _a< I_a.н.; (8.4)

(1,2..1,4)^.U_од.< U_о.м.

При выборе вентиля следует учитывать коэффициент использования по току к_i = , величина которого рекомендуется в пределах 0,5 0,8 . Для уменьшения прямого тока I_a практикуется параллельное включение однотипных вентилей (рис. 12а). Величина добавочных сопротивлений выбирается из соотношения:

R_д=(2..5)r_а . (8.5)

Последовательное соединение вентилей (рис. 12б) применяется в тех случаях, когда максимальное обратное напряжение U_о.доп. отдельных вентилей. Выравнивающие сопротивления при этом рассчитываются по формуле:

R_ш.=(0,1..0,2)R_обр. (8.6)

После уточнения значения напряжения холостого хода U_d и определения параметра I_о.м. (параграф 8.4), проверяется нагрузочная способность выбранного типа вентиля по обратному напряжению и прямому току.

8.3. Выбор схемы фильтра и её расчёт.

В трёхфазных выпрямителях средней и большой мощности обычно применяются фильтры с индуктивной реакцией, т.е. начинающиеся с дросселя. В маломощных двухфазных выпрямителях для выбора типа фильтра целесообразно воспользоваться соотношением С_мин.= , определяющим минимальную ёмкость конденсатора выпрямителя. Если она окажется непрактично большой, то следует использовать индуктивный фильтр. В случае, когда величина ёмкости окажется приемлемой, более рационален фильтр, начинающийся с ёмкости, т.к. он обеспечивает лучшее сглаживание пульсаций.

Необходимый коэффициент сглаживания S определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра. Значение первого находится из таблиц 1,2,3 для выбранной схемы выпрямления с учётом характера её нагрузки. Величина второго берётся из исходных данных на проектирование схемы. При небольших коэффициентах сглаживания используются простейшие фильтры – индуктивность или ёмкость. При коэффициентах сглаживания, превышающих несколько десятков, наиболее подходящим оказывается Г-образный фильтр (рис. 11а), либо П-образный фильтр (рис. 11б), содержащий два звена. Расчёт значений элементов индуктивного, Г-образного и П-образного фильтра ведётся по формулам (7.2.)…(7.6).

8.4. Расчёт выпрямителя.

Если нагрузка выпрямителя носит ёмкостной характер, т.е. если фильтр начинается с ёмкости, то расчёт выпрямителя проводится по формулам (6.1.)…(6.15). Для расчёта необходимо знать омическое сопротивление обмотки трансформатора. Его величина выбирается ориентировочно по данным таблицы 4. Если нагрузка носит индуктивный характер (например Г-образный фильтр с индуктивностью), то прежде всего вычисляется напряжение холостого хода U_d . Для этого можно воспользоваться формулами (5.5) и (5.7). Омическое сопротивление дросселя r_др. , входящее в выражение (5.7.), находится из таблицы 4.

Таблица 4.

Мощность выпря- мителя, Вт	10..102	102..103	103..105	105
Сопротивление обмотки транс- форматора.	(0,08..0,05)Rd	(0,06..0,04)Rd	(0,05..0,025)Rd	(0,025..0,01)Rd
Сопротивление обмотки дросселя.	(0,2..0,1)Rd	(0,1..0,05)Rd	(0,05..0,025)Rd	(0,025..0,01)Rd

В маломощных выпрямителях можно пренебречь сопротивлением индуктивности рассеивания X_S , а в выпрямителях большой и средней мощности – активным сопротивлением R_T обмотки трансформатора. После определения напряжения U_d находятся прочие параметры выпрямителя. Расчётные формулы для двухполупериодных схем с индуктивной нагрузкой даются в таблице 2, и для трёхфазных схем – в таблице 1.