Назначение сглаживающих фильтров в ИВЭ-выпрямителях ЭПУ.

Сглаживающие фильтры применяются для снижения переменной со­ставляющей (пульсаций) выпрямленного напряжения. Они включаются между блоком вентилей и приемником (нагрузкой).

Пульсации выпрямленного напряжения ухудшают работу потребителей ЭПУ. Иногда пульсации приводят к ложному срабатыванию устройств защиты АТ.

Требования к ИВЭ-выпрямителям ЭПУ по снижению пульсаций очень высокие, поскольку электронная аппаратура АТ может надежно работать лишь при малых уровнях пульсаций, определяемых допустимыми для конкретных функциональных узлов ЭПУ коэффициентами пульсаций .

Коэффициент сглаживания фильтра. Способность электрического фильтра снижать пульсации выпрямленного напряжения, а значит - сглаживать кривую выпрямленного тока - оценивается коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициента пульсаций (в относительных единицах или в процентах) на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе

или (1.12)

Чем больше коэффициент сглаживания, тем лучше фильтр выполняет свою функцию по обеспечению требуемого минимума пульсаций на нагруз­ке.

Простые сглаживающие реактивные фильтры. К простым реактивным фильтрам относятся: емкостные С-фильтры; индуктивные L-фильтры; Г-образные и П-образные LC-фильтры. Именно такие фильтры и находят наиболее широкое применение в выпрямителях, питающих РЭС. Схемы фильтров представлены на рисунке 1.9.

а - емкостный С-фильтр;

б - индуктивный L-фильтр;

в - Г-образный LC-фильтр;

г - П-образный CLC-фильтр.

Рисунок 1.9 - Схемы простых сглаживающих LC-фильтров

Емкостный сглаживающий фильтр. Он представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рисунок 1.9, а). При включении в структуру выпрямителя такого фильтра режим работы выпрямителя сразу приобретает активно-емкостный характер, а, следовательно, и расчет выпрямителя необходимо вести с учетом наличия угла отсечки тока вентиля, то есть с использованием расчетных коэффициентов А, В, D, F, Н(см.с. 27...29).

Иллюстрация активно-емкостного режима выпрямителя с таким фильтром представлена на схеме и графиках рисунка 1.7 и рисунка 1.10.

Выпрямленное напряжение на приемнике , равное напряжению на конденсаторе фильтра, имеет (как видно на графике рисунка 1.7, в) пилообразную форму с нарастанием - спадом пульсаций по экспонентам. На рисунке 1.10, б укрупненно показан график изменения этого напряжения, а на рисунке 1.10, в - изображена кривая пульсаций , как бы “снятая” с постоянного (средневыпрямленного) значения напряжения .

а) емкостный С-фильтр;

б) кривая выпрямленного напряжения на нагрузке ,

в) кривая пульсации .

Рисунок 1.10 - К пояснению работы емкостного фильтра

Разложение кривой пульсации в тригонометрический ряд имеет вид , где - амплитуды и начальные фазы первой и второй гармоник; - угловая частота пульсаций; m - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления.

Коэффициент m равен числу положительных импульсов выпрямленного напряжения на нагрузке за период питающего напряжения сети. Для схем выпрямления однофазного тока - мостовой и со средней точкой m=2. В выпрямителях трехфазного тока коэффициент m совпадает с числом фаз трансформатора для однотактной схемы Миткевича (m=3, рисунок 1.3, б), а для схемы Ларионова этот коэффициент равен удвоенному числу фаз (рисунок 1.4, б; m=2·3=6).

Соответственно и основная гармоника пульсаций имеет частоту в m раз больше частоты сети.

" Размах " пульсации (рисунок 1.10, б) можно определить как разность между и , то есть . Обычно кривую пульсаций заменяют (аппроксимируют) ее основной (первой) гармоникой.

При таком приближении можно качественно оценить и коэффициент пульсаций в процентах С-фильтра как отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения

(1.13)

Приняв в качестве амплитуды значение полуразмаха пульсаций , и выразив через ряд параметров (здесь вывод опускаем), получим приближенную формулу для С-фильтра:

(1.14)

Из последнего выражения следует, что для обеспечения с помощью С- фильтра малого уровня пульсации (малого ) для заданной схемы (коэффициент m для неё известен) и частоте сети необходимо либо увеличивать емкость конденсатора (растут габариты и масса фильтра), либо при ограниченной емкости конденсатора использовать фильтр при больших сопротивлениях нагрузки , а значит - при малых токах, не превышающих 0, 1 А.

По указанным причинам емкостные фильтры применяются только в ИВЭ-выпрямителях малой (до 10 Вт) мощности и больших уровнях пульсации ( ) и они не могут быть рекомендованы к применению при выполнении контрольной работы.

Индуктивный сглаживающий фильтр. Индуктивный фильтр состоит из дросселя L, включенного последовательно с нагрузкой (рисунок 1.9, б).

Любое изменение тока в обмотке дросселя наводит в ней противо-ЭДС , препятствующую этому изменению. А поскольку изменяется только переменная составляющая выпрямленного тока (пульсации тока то она за счет противотока от действия ЭДС уменьшается, уменьшая (" сглаживая" ) тем самым пульсации выпрямленного тока .

Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра [5]

, (1.15)

где - угловая частота напряжения сети, L - индуктивность дросселя.

Данная формула для q индуктивного фильтра получена при следующих допущениях: пульсации выпрямленных напряжения и тока близки к гармоническим с частотой , а индуктивное сопротивление дросселя значительно больше сопротивления нагрузки ( ); активное сопротивление обмотки дросселя много меньше сопротивления нагрузки ( ).

Из анализа формулы (1.15) следует, что для получения достаточно большого коэффициента сглаживания чисто индуктивного фильтра необходимо увеличивать индуктивность L (что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра), число фаз m (применять многофазные выпрямители), уменьшать сопротивление нагрузки (что, в свою очередь, приводит к увеличению тока нагрузки). Все это свидетельствует о целесообразности применения L-фильтров только в мощных многофазных выпрямителях при токах более 1 А.

В проектируемых по условиям контрольной работы выпрямителях требуются очень малые уровни пульсаций, которые трудно достичь с помощью только индуктивного L-фильтра и он не может быть рекомендован к применению при выполнении контрольной работы.

Г-образный LC-фильтр. Простейшие С-фильтры и L-фильтры не могут обеспечить больших коэффициентов сглаживания. Более высокие значения этих коэффициентов могут быть получены при сочетаниях индуктивности и емкости - в так называемых Г-образных LC-фильтрах (рисунок 1.9, в).

Входным элементом фильтра является дроссель, включенный последовательно с нагрузкой, а выходным - конденсатор, подключенный параллельно нагрузке .

Выпрямитель с таким фильтром работает в активно-индуктивном режиме при условиях соблюдения неравенств:

и . (1.16)

При соблюдении этих условий дроссель и конденсатор используются лучше, чем каждый из них в отдельности. Это связано с тем, что общее реактивное сопротивление цепи для переменной составляющей выпрямленного тока существенно уменьшается и, как следствие - возрастает эта составляющая тока в дросселе, возрастает и падение переменной составляющей (пульсации) напряжения на дросселе. Соответственно уменьшается переменная составляющая напряжения на конденсаторе, подключенном параллельно приемнику, а, следовательно, и на нагрузке (по сравнению с её значением при раздельном включении дросселя или конденсатора). Эффект сглаживающего действия LC-фильтра значительно возрастает.

При выборе параметров дросселя и конденсатора обычно рассчитывается произведение

Гн·мкФ. (1.17)

При различных частотах используются формулы:

- при Гн·мкФ; (1.18)

- при Гн·мкФ. (1.19)

Для использования формул (1.17)...(1.19) должен быть известен (задан) коэффициент сглаживания фильтра q.

Известно, что в последовательной LC-цепи возможно явление резонанса напряжений при резонансной угловой частоте [6]. Это явление ухудшает и искажает работу фильтра. Чтобы исключить резонанс, необходимо обеспечить соотношения:

и (1.20)

Следовательно, если коэффициент сглаживания фильтра составляет значение, не менее трех резонансные явления в фильтре не возникают.

Методика расчета LC-фильтра. Она включает перечисленные ниже этапы расчета.

1. Определяется коэффициент сглаживания фильтра по формуле

, (1.21)

где - коэффициент пульсаций в процентах на входе фильтра, равный коэффициенту пульсаций избранной схемы выпрямления без фильтра (см. таблицу 1.4); - заданный вариантом исходных данных коэффициент пульсаций в процентах на выходе выпрямителя.

2. Определяется число звеньев сглаживающего фильтра.

При этом следует руководствоваться рекомендациями: если - эффективно сглаживание однозвенным Г-образным LC-фильтром (рисунок 1.9, в); если - необходим двухзвенный фильтр (рисунок 1.11, а); если - компонуется трехзвенный фильтр (рисунок 1.11, в).

а - двухзвенный Г-образный LC-фильтр;

б - двухзвенный П-образный LC-фильтр;

в - трехзвенный CLC-фильтр.

Рисунок 1.11- двух- и трехзвенные LC-фильтры

Обычно все звенья - идентичные по параметрам L и С, каждое имеет свои коэффициенты сглаживания ,..., которые в данном случае также одинаковы: ,..., где соответствует значению, полученному по формуле (1.21) для однозвенного Г-образного фильтра.

При n звеньях общий коэффициент сглаживания

(1.22)

и соответственно для каждого из составных двух- и многозвенных LC-фильтров имеем:

; ; (1.23)

3. Определяется произведение L·C каждого звена по формулам (1.18) или (1.19).

4. Рассчитывается минимально допустимое значение индуктивности дросселя и соответствующее ему требуемое (расчетное) значение емкости конденсатора:

(1.24)

или , (1.25)

(при ) (при )

5. Выбираются конденсатор и дроссель фильтра. Прежде, чем обратиться к таблицам П7 и П8 Приложения, следует учесть, что выбор этих элементов должен осуществляться из соображений экономичности, минимальных массы и габаритов фильтра. Чем больше емкость и чем выше значение рабочего номинального напряжения конденсатора, тем больше его масса и габариты.

С другой стороны, при выборе дросселя нельзя использовать дроссель с очень малой индуктивностью L (ухудшается эффект сглаживания пульсаций), а значительное увеличение индуктивности влечет за собой существенное возрастание массы и габаритов дросселя.

Можно рекомендовать при выборе элементов фильтра следующие проверенные практикой подходы:

а) вместо одного конденсатора с большой величиной емкости, близкой , можно использовать n параллельно включенных однотипных конденсаторов с меньшей емкостью каждого, обеспечив ;

б) при больших величинах и повышенных рабочих напряжениях на конденсаторе (диапазона 100... 1000 В) целесообразно расчетную емкость , уменьшить, например, на порядок; при этом в таком же отношении надо увеличить индуктивность дросселя L. Это позволяет использовать меньшее количество параллельно включенных конденсаторов (с меньшей емкости ) и, несмотря на возрастание габаритов дросселя, улучшить общие массогаба­ритные показатели фильтра;

в) при выборе типа конденсатора следует отдавать предпочтение низкочастотным конденсаторам, которые и используются преимущественно в сглаживающих фильтрах ИВЭ-выпрямителей ЭПУ, так как частоты пульсации малы.

Наиболее часто применяют в сглаживающих фильтрах керамические конденсаторы типов К10-50, К10-47 и К10-49, а также конденсаторы с оксидным диэлектриком типа К-50, ранее называвшиеся “электролитическими”.

Основными параметрами, по которым выбирается конденсатор, являются:

номинальное рабочее напряжение , В;

номинальная емкость , мкФ; пФ;

тангенс угла потерь (при работе на высоких частотах).

При выборе конденсатора нужно учитывать, что при включении выпрямителя в сеть возможны всплески напряжения (перенапряжения) на конденсаторе, которые не должны превышать . Это достигается в том случае, когда выбор конденсатора осуществлен по значению рабочего напряжения, не менее значения напряжения холостого хода выпрямителя , увеличенного на 10... 15%;

г) при выборе типа дросселя по пересчитанному в п. б) значению целесообразно в справочной таблице брать дроссель с минимальным табличным значением , но удовлетворяющий требованиям по току.

При этом уточняется падение напряжения на дросселе

, (1.26)

где - сопротивление обмотки дросселя постоянному току (дается в справочных данных для каждого типа дросселей).

6. Проверяется величина перенапряжения на конденсаторе фильтра при включении выпрямителя в сеть и, особенно, при резком возрастании тока на­грузки.

(1.27)

Значение максимума (амплитуды) переменной составляющей выпрямленного напряжения на выходе фильтра (на конденсаторе) ориентировочно принимают

(1.28)

Конденсатор выбран правильно, если .

В заключение отметим, что Г-образные LC-фильтры используются главным образом в многофазных выпрямителях при токах , а также и при меньших значениях тока, но при повышенных выпрямленных напряжениях .

П-образный CLC-фильтр. Сглаживающий фильтр данного типа еще более эффективен в обеспечении малых уровней пульсаций на выходе выпрямителя. Схема фильтра представляет собой комбинацию из двух фильтров: С1-фильтра (входного конденсатора) и Г-образного LС2-фильтра (рисунок 1.9, г).

Применяются такие П-образные фильтры чаще всего в выпрямителях малой и повышенной мощностей при необходимости обеспечить очень малые уровни пульсаций напряжений на нагрузке и при токах, не превышающих 0, 3...0, 5 А.

Первое звено - С1-фильтр - составляет только входной конденсатор С1. Для такого фильтра существует соотношение между емкостью С₁ (в микрофарадах) и коэффициентом пульсаций на его выходе:

, (1.29)

где Н - расчетный параметр, определенный на предшествующем этапе расчета выпрямителя; r - активное сопротивление фазы выпрямителя, Ом.

Расчеты по данной формуле достаточно точны, лежат в пределах 2...4%. Поэтому, чтобы определить емкость конденсатора и учесть отсутствие резонанса ( ) нужно иметь на выходе С1-фильтра .

Методика расчета CLC-фильтра. Расчет ведется в изложенной ниже последовательности.

1. Подсчитывается коэффициент пульсации по формуле (1.29), подбирая значение емкости С₁ так, чтобы он не превысил 2...3%.

2. Определяется коэффициент сглаживания Г-образного LC2 - фильтра (он же является коэффициентом сглаживания всего П-образного фильтра)

. (1.30)

3. Определяется амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе С1

. (1.31)

4. Выбирается конденсатор С1 из условий, что его емкость равна или близка принятой при использовании формулы (1.29), рабочее напряжение

больше амплитуды выходного напряжения трансформатора , а допустимая амплитуда пульсации напряжения на конденсаторе больше её расчетного значения ( ).

Значение определяется по формуле (1.32) с учетом допустимой реактивной мощности на конденсаторе . Для керамических конденсаторов вар, а для электролитических вар:

, (1.32)

где С - емкость конденсатора, мкФ; - частота сети, Гц.

Емкость конденсатора С2 принимается равной емкости конденсатора C1. Конденсаторы выбирают одного типа. При таком подходе обеспечивается наибольший сглаживающий эффект фильтра.

5. Определяется индуктивность дросселя по одной из формул, в зависимости от заданной частоты сети:

, Гн или , Гн (1.33)

(при ) (при )

Выбирается тип дросселя по таблице П7 Приложения, параметры которого и близки к значениям и .

Фиксируются и другие паспортные значения: - допустимая переменная составляющая напряжения на дросселе; её амплитуда ; сопротивление дросселя .

6. Определяется фактический коэффициент сглаживания фильтра и фактический коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя:

, Гн или , Гн (1.34)

(при ) (при )

. (1.35)

Фактическое значение q не должно быть меньше заданного

. (1.36)

На этом завершается расчет фильтра.

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: