Особливості роботи випрямляча на резистивне навантаження

При работе выпрямителя на активную нагрузку ключ К₁ в схеме на рис 3.1 включен, ключ К₂ выключен. Временные диаграммы, характеризующие этот режим работы, приведены на рис. 3.2. Из временных диаграмм следует, что, например, при положительной полярности напряжения u₁ к аноду тиристора Т₁прикладывается напряжение u_2-1 положительной полярности, а к Т₂ – напряжение u _2-2 отрицательной полярности. На интервале 0 –?₁ тиристры Т₁ и Т₂закрыты. Следовательно, на этом интервале напряжение на выходе выпрямителя u_d = 0 (рис 3.2, в).

В момент времени?₁, определяемый углом?, от системы управления (СУ) выпрямителя подается импульс на управляющий электрод тиристора Т₁ и он отпирается (рис. 3.2, а, б). Угол задержки?, отсчитываемый от точки естественного отпирания тиристоров и выраженный в электрических градусах, называют углом управления выпрямителя.

Рис. 3.2 – Временные диаграммы, характеризующие работу

схемы при активной нагрузке
При отпирании тиристора Т₁ нагрузка R_н подключается на напряжение вторичной обмотки трансформатора u_2-1 = u₂. На нагрузке на интервале?₁ –? появляется напряжение u_d, которое представляет собой участок кривой напряжения u_2-1 = u₂. Через нагрузку протекает ток, равный?_d =?_a1 = u_d /R_н. При переходе напряжения u₁ через нуль (? =?) ток тиристора Т₁ становится равным нулю и он закрывается.

На следующем интервале (? - 2?) полярность напряжения питания изменяется на противоположную. Схема работает аналогично, но с тиристором Т₂, обеспечивая протекание тока через нагрузку?_d =?_a2 = u_d /R_н .

При работе схемы на чисто активную нагрузку напряжение u_d на нагрузке и ток нагрузки?_d имеют прерывистый характер.

Токи вторичных обмоток трансформатора определяются токами тиристоров Т₁ и Т₂, следовательно имеют нулевые паузы. Первичный ток?₁ связан с током вторичной обмотки коэффициентом трансформации и также имеет паузы на интервалах?.

При отпирании тиристора Т₂ на тиристоре Т₁ действует обратное напряжение (и наоборот), равное 2 u₂. Максимальное обратное напряжение на тиристоре, как и в схеме неуправляемого выпрямителя, определяется соотношением U_bm = 2 (рис.3.2, в).

Неуправляемый выпрямитель можно рассматривать как частный случай управляемого выпрямителя, работающего с углом управления? = 0, поэтому основные соотношения, характеризующие работу неуправляемого выпрямителя, справедливы и для управляемой схемы. Расчетные мощности обмоток и типовую мощность трансформатора определяют исходя из неуправляемого режима.

Важнейшей особенностью управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения U_d при изменении угла управления?.. Очевидно, если угол? = 0, кривая выходного напряжения u_d соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и среднее значение выпрямленного напряжения максимально U_d = = 0,9 U₂. При? =? значение напряжений на выходе схемы равны: u_d = 0 и U_d = 0. Таким образом, изменяя угол управления в пределах от 0⁰ до 180⁰ можно регулировать напряжение U_d от максимального значения до 0. Кривые напряжения u_d = f (?) при различных углах управления? показаны на рис. 3.3.

Рис 3.3 – Кривые выходного напряжения выпрямителя при

активной нагрузке и различных углах управления
Определим среднее значение выпрямленного напряжения для произвольного значения угла управления
U_d = . (3.1)
где U_d0 = 0,9 U₂ – среднее значение выпрямленного напряжения при угле управления? = 0.

Зависимость U_d = f (?) называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя, а выражение (3.1) представляет собой уравнение регулировочной характеристики. На рис. 3.4 построены регулировочные характеристики однофазного управляемого двухполупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку (L_н = 0) и на активно-индуктивную нагрузку (L_н??).

Рис. 3.4 – Регулировочные характеристики однофазного управляемого выпрямителя при различном характере нагрузки

Шляхи покращення енергетичних характеристик випрямляча.

Электрические фильтры

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот.

Диапазон частот, пропускаемых фильтром без затухания (с малым затуханием), называется полосой пропускания или полосой прозрачности; диапазон частот, пропускаемых с большим затуханием, называется полосой затухания или полосой задерживания. Качество фильтра считается тем выше, чем ярче выражены его фильтрующие свойства, т.е. чем сильнее возрастает затухание в полосе задерживания.

В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC-фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки.

Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике.

Для упрощения анализа будем считать, что фильтры составлены из идеальных катушек индуктивности и конденсаторов, т.е. элементов соответственно с нулевыми активными сопротивлением и проводимостью. Это допущение достаточно корректно при высоких частотах, когда индуктивные сопротивления катушек много больше их активных сопротивлений (), а емкостные проводимости конденсаторов много больше их активных проводимостей ().

Фильтрующие свойства четырехполюсников обусловлены возникающими в них резонансными режимами – резонансами токов и напряжений. Фильтры обычно собираются по симметричной Т- или П-образной схеме, т.е. при или (см. лекцию №14). В этой связи при изучении фильтров будем использовать введенные в предыдущей лекции понятия коэффициентов затухания и фазы.

Классификация фильтров в зависимости от диапазона пропускаемых частот приведена в табл. 1.

 

Таблица 1. Классификацияфильтров

Названиефильтра	Диапазонпропускаемыхчастот
Низкочастотный фильтр (фильтр нижних частот)
Высокочастотный фильтр (фильтр верхних частот)
Полосовой фильтр (полосно-пропускающий фильтр)
Режекторный фильтр (полосно-задерживающий фильтр)	и , где

В соответствии с материалом, изложенным в предыдущей лекции, если фильтр имеет нагрузку, сопротивление которой при всех частотах равно характеристическому, то напряжения и соответственно токи на его входе и выходе связаны соотношением

. .

(1)

В идеальном случае в полосе пропускания (прозрачности) , т.е. в соответствии с (1) , и . Следовательно, справедливо и равенство , которое указывает на отсутствие потерь в идеальном фильтре, а значит, идеальный фильтр должен быть реализован на основе идеальных катушек индуктивности и конденсаторов. Вне области пропускания (в полосе затухания) в идеальном случае , т.е. и .

Рассмотрим схему простейшего низкочастотного фильтра, представленную на рис. 1,а.

Связь коэффициентов четырехполюсника с параметрами элементов Т-образной схемы замещения определяется соотношениями (см. лекцию № 14)

или конкретно для фильтра на рис. 1,а

;

(2)

 

;

(3)

 

.

(4)

 

Из уравнений четырехполюсника, записанных с использованием гиперболических функций (см. лекцию № 14), вытекает, что

.

Однако в соответствии с (2) - вещественная переменная, а следовательно,

.

(5)

Поскольку в полосе пропускания частот коэффициент затухания , то на основании (5)

.

Так как пределы изменения : , - то границы полосы пропускания определяются неравенством

,

которому удовлетворяют частоты, лежащие в диапазоне

.

(6)

Для характеристического сопротивления фильтра на основании (3) и (4) имеем

.

(7)

Анализ соотношения (7) показывает, что с ростом частоты w в пределах, определяемых неравенством (6), характеристическое сопротивление фильтра уменьшается до нуля, оставаясь активным. Поскольку, при нагрузке фильтра сопротивлением, равным характеристическому, его входное сопротивление также будет равно , то, вследствие вещественности , можно сделать заключение, что фильтр работает в режиме резонанса, что было отмечено ранее. При частотах, больших , как это следует из (7), характеристическое сопротивление приобретает индуктивный характер.

На рис. 2 приведены качественные зависимости и .

Следует отметить, что вне полосы пропускания . Действительно, поскольку коэффициент А – вещественный, то всегда должно удовлетворяться равенство

.

(8)

Так как вне полосы прозрачности , то соотношение (8) может выполняться только при .

В полосе задерживания коэффициент затухания определяется из уравнения (5) при . Существенным при этом является факт постепенного нарастания , т.е. в полосе затухания фильтр не является идеальным. Аналогичный вывод о неидеальности реального фильтра можно сделать и для полосы прозрачности, поскольку обеспечить практически согласованный режим работы фильтра во всей полосе прозрачности невозможно, а следовательно, в полосе пропускания коэффициент затухания будет отличен от нуля.

Другим вариантом простейшего низкочастотного фильтра может служить четырехполюсник по схеме на рис. 1,б.

Схема простейшего высокочастотного фильтра приведена на рис. 3,а.

Для данного фильтра коэффициенты четырехполюсника определяются выражениями

;

(9)

 

;

(10)

 

.

(11)

Как и для рассмотренного выше случая, А – вещественная переменная. Поэтомунаосновании (9)

.

Данномунеравенствуудовлетворяетдиапазонизменениячастот

.

(12)

Характеристическоесопротивлениефильтра

,

(13)

 

изменяясь в пределах от нуля до с ростом частоты, остается вещественным. Это соответствует, как уже отмечалось, работе фильтра, нагруженного характеристическим сопротивлением, в резонансном режиме. Поскольку такое согласование фильтра с нагрузкой во всей полосе пропускания практически невозможно, реально фильтр работает с в ограниченном диапазоне частот.

Вне области пропускания частот определяется из уравнения

(14)

при . Плавное изменение коэффициента затухания в соответствии с (14) показывает, что в полосе задерживания фильтр не является идеальным.

Качественный вид зависимостей и для низкочастотного фильтра представлен на рис. 4.

Следует отметить, что другим примером простейшего высокочастотного фильтра может служить П-образный четырехполюсник на рис. 3,б.

Полосовой фильтр формально получается путем последовательного соединения низкочастотного фильтра с полосой пропускания и высокочастотного с полосой пропускания , причем . Схема простейшего полосового фильтра

приведена на рис. 5,а, а на рис. 5,б представлены качественные зависимости для него.

У режекторного фильтра полоса прозрачности разделена на две части полосой затухания. Схема простейшего режекторного фильтра и качественные зависимости для него приведены на рис.6.

В заключение необходимо отметить, что для улучшения характеристик фильтров всех типов их целесообразно выполнять в виде цепной схемы, представляющей собой каскадно включенные четырехполюсники. При обеспечении согласованного режима работы всех n звеньев схемы коэффициент затухания такого фильтра возрастает в соответствии с выражением , что приближает фильтр к идеальному.