ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава пятая
ПЕРИОДИЧЕСКИЕ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ ЭДС, ТОКИ И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

5.7. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРАХ

Как следует из временных диаграмм, приведенных на рис. 5.2, а — в, выпрямленные напряжения имеют пульсации. Данные напряжения содержат как постоянную, так и гармонические составляющие. Однако амплитуды гармонических составляющих достаточно быстро уменьшаются с увеличением номера гармоники. Поэтому при анализе выпрямительных устройств часто можно ограничиться рассмотрением лишь одной основной гармоники. В связи с этим пульсации выпрямленного напряжения оценивают коэффициентом пульсаций kп, который представляет собой отношение амплитуды U1m основной гармоники к постоянной составляющей U0*, т. е.

kп = U1m /U0.

Коэффициент пульсаций зависит от качества выпрямительной схемы. Чем меньше kп, тем форма кривой выпрямленного напряжения ближе к горизонтальной линии. Для однополупериодной схемы выпрямителя kп = 1,57, для двухполупериодной схемы kп = 0,67, для трехфазной схемы kп = 0,057. Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей. С целью их снижения применяются сглаживающие фильтры, которые включаются между выпрямительной схемой и потребителем. Сглаживающим фильтром называется устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Эффективность действия, сглаживающего фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания kc , т. е. отношением коэффициента пульсаций на входе фильтра kп.вх к коэффициенту пульсаций на его выходе kп.вых :

kc = kп.вх /kп.вых.

* Иногда kп рассчитывают как отношение удвоенной амплитуды (размаха пульсаций) к постоянной составляющей.

Рис. 5.11, Схемы электрических сгла- живающих фильт- ров: а - емкостный; в — индуктивный; в — Г-образный

Рассмотрим некоторые виды сглаживающих фильтров (рис. 5.11, а—в).

Емкостный фильтр (конденсатор) по рис. 5.11, а включается параллельно нагрузке. Он шунтирует нагрузку по переменной составляющей тока.

Необходимо, чтобы емкостное сопротивление фильтра для основной гармоники ωо.г пульсаций было много меньше сопротивления нагрузки, т. е.

Тогда параллельное подключение конденсатора к нагрузке снижает переменные составляющие напряжения на ней, тем самым снижается коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

Индуктивный фильтр (рис. 5.11, б) включается последовательно с нагрузкой и представляет собой большое сопротивление для переменной составляющей тока. Для удовлетворительного сглаживания необходимо выполнить условие

ωо.гLф >> rп .

При таком условии значительно уменьшаются гармонические составляющие тока i(t) и коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке существенно снижается. При малом значении rф постоянная составляющая тока I0 на нагрузке изменяется незначительно.

Для лучшего сглаживания на практике используются более сложные фильтры, например Г-образный LC-фильтр (рис. 5.11, в). При создании такого фильтра необходимо, чтобы

ωо.гLф >> rп .   и    1/ωо.гСф << rп .

Влияние элементов этого фильтра аналогично двум вышерассмотренным. При многозвенных Г-образных LC-фильтрах, состоящих из двух, трех и т. д. отдельных фильтров, можно получить высокий коэффициент сглаживания (kс > 100).

Рис. 5.12. Схемы простейших резонансных фильтров

Помимо сглаживающих фильтров в практике используются резонансные фильтры.

Работа резонансных фильтров в электрических цепях несинусоидального тока основана на создании условий для возникновения явлений резонанса тока или напряжения для определенных гармоник, Например, если в общей форме кривой несинусоидального тока на нагрузке необходимо выделить кривую тока k-й гармоники, можно использовать резонансный фильтр рис. 5.12, а, параметры которого Lф и Сф подбираются таким образом, чтобы создать условия резонанса напряжения именно для k-й гармоники. В этом случае сопротивление фильтра для тока k-й гармоники становится значительно меньше, чем для токов других гармоник, что и позволяет выделить на нагрузке ток k-й гармоники. Таким образом, рассматриваемый фильтр позволяет выделить ток определенной частоты. На практике подобные фильтры обеспечивают выделение тока в определенной полосе частот, поэтому они называются полосовыми. И наоборот, если есть необходимость исключить на нагрузке ток k-й гармоники несинусоидального тока, то используется фильтр по рис. 5.12, б. Параметры фильтра Lф и Сф подбираются такими чтобы для k-й гармоники создать условия резонанса тока. В этом случае для тока k-й гармоники проводимость фильтра почти равна нулю и ток этой гармоники на нагрузке или резко уменьшается, или полностью исключается. Такой фильтр называют заградительным или фильтром-пробкой для k-й гармоники.