Переходные процессы в фильтрах

Дополнительный материал к лекции 18 для самостоятельной работы

Переходные процессы при включении выпрямителя. Включение и отключение выпрямителя с фильтром со стороны питающей сети, а также полный или частичный сброс нагрузки сопровождается переходными процессами в фильтре.

В индуктивно-емкостном фильтре нестационарные процессы мо­гут сопровождаться значительными бросками тока (сверхтоки) и напряжения (перенапряжения), которые в некоторых случаях могут быть причиной выхода из строя вентилей (транзисторов), пробоя дросселей и конденсаторов фильтра и даже аварии трансформаторов.

На характер переходного процесса оказывают влияние параметры выпрямителя, фильтра и потребителя. Правильный их подбор обес­печивает нормальную работу устройства.

В цепи фильтра протекает пульсирующий ток i_B, который может быть представлен в виде постоянной и ряда гармонических составля­ющих (из последних наиболее значительна первая гармоника с час­тотой m_nf_c ). Однако анализ переходных процессов в фильтрах показал, что влияние даже первой гармоники гораздо (в 50... 10 раз) слабее, чем постоянной составляющей. Поэтому ограничимся учетом только среднего значения пульсирующего тока и рассмотрим переходные процессы при подключении фильтра к источнику постоянного тока с э. д. с. Е_х (рисунок 2.39, а). На рисунке 2.39, б приведены графики для u_с и i_в ; штриховой линией проведены огибающие, по которым изменяются амплитуды напряже­ния U_пм и тока I_пм в переходном режиме работы.

Принимая во внимание, что U_H,_cp и Е_х мало отличаются друг от друга, можно считать, что предельное напряжение U_cmax = 2 U_H._cp. Для уменьшения перенапряжения следует учитывать сопротивление r_в и выбирать фильтр с меньшим волновым сопротивлением р, т. е. с большей емкостью и меньшей индуктивностью. Ре­зонансные явления слабее проявляются в плохом контуре, у которого волновое

сопротивление р мало, а сопротивление r_в велико.

Однако малое р, создавая хорошие условия в части ограничения перенапряжения, приводит к значительным сверхтокам согласно, причем сверхток может быть во много раз больше тока I_н.ср.. На выбор волнового сопротивления р существенно влияет характер нагрузки. Например, при импульсной нагрузке нельзя увеличивать р. Таким образом, значение р должно подбираться исходя из допустимого перенапряжения и возможного сверхтока. Обычно выбирают перенапряжение порядка 20 % номинального значения в установившемся режиме.

Рисунок 2.39 – Эквивалентная схема и графики напряжения и тока в фильтре

LC- при включении выпрямителя

Поэтому иногда для выбора нужного значения r_в /р во время пуска увеличивают сопротивление r_в, что уменьша­ет сверхток и перенапряжение. Для этого последовательно с первич­ной обмоткой трансформатора включают пусковые резисторы г_пуск . В момент пуска включены все резисторы. Затем они

за­мыкаются один за другим так, чтобы сверхтоки и перенапряжения не превышали допустимых. Объединив реле времени с контакторами, переключающими пусковые резисторы, можно осуществить автомати­ческое включение выпрямителя.

Если выпрямители питают через автотрансформаторы или регуля­торы напряжения, то надобность в пусковых резисторах отпадает, так как первичное напряжение можно плавно поднять до номинала.

Переходные процессы при импульсной нагрузке. При импульсном характере нагрузки потребитель поочередно подключается и отключается от выпрямителя.

Рассматривается случай, когда переходный процесс успевает прак­тически закончиться в промежуток времени между очередными под­ключением и отключением. Если скорость переключения настолько велика, что частота переключений хотя бы в несколько раз превышает собственную частоту фильтра, то это приводит к падению переменного напряжения с частотой переключения на конденсаторе фильтра С.

Сопротивление R_H подключается в момент, когда напряжение u_с = Е_х, а ток

i_в = 0. После этого начинается переходный процесс, который практически

оканчивается за время t_n1 меньшее, чем длитель­ность импульса τ_и. При этом в интервале времени τ_и. — t_n1 высота им­пульса тока i_в = I_н._ср. а напряжение на конденсаторе С равно U_н.ср. Отключается сопротивление R_H в момент времени, когда напряжение на конденсаторе u_с = U_н.ср. а ток i_в = I_н.ср. После этого опять

на­чинается переходный процесс, который также практически оканчи­вается за время t_n2 меньшее, чем время Т_И — τ_и (где Т_И — период чере­дования импульсов). После t_n2 ток i_в = 0 и u_с = Е_х.

Часто при импульсной нагрузке происходит неполное отключение R_H, вследствие чего ток изменяется от I_н._ср до I_н.ср.ч. В таком режиме при изменении нагрузки от частичной I_н._Ср.ч до полной I_н._ср.

При импульсной нагрузке, так же как и при вклю­чении выпрямителя, работающего в режиме неизменного тока, жела­тельно иметь р небольшим для уменьшения перенапряжений, но это приведет к увеличению сверхтока. Однако в импульсном режиме ра­боты сверхток не достигает значения, большего 2I_н._ср, в то время как перенапряжения (при больших р) могут быть весьма значительными. (При включении выпрямителя со стороны сети перенапряжение не достигает

2U_Н.Ср). С целью уменьшения перенапряжения и сверх­тока в импульсном режиме работы невозможно использовать пуско­вые сопротивления и поэтому значение р фильтра должно выбираться исходя из допустимых сверхтоков и перенапряжений. Если полученное при этом р не будет достаточно большим, чтобы ог­раничить сверхток при включении выпрямителя со стороны сети (при пуске устройства), то желаемые результаты будут получены с помощью пусковых резисторов или регуляторов первичного напряже­ния. При работе выпрямителя в режиме неизменного тока может про­изойти полное отключение нагрузки. Поэтому фильтр и вентили долж­ны выдерживать перенапряжение. Для уменьшения возникающих при включении выпрямителя или сбросе нагрузки перенапряжений ухудшают добротность контура, в котором возникает колебательный процесс, подключением в цепь конденсатора (последовательно с ним или в качестве шунта) добавоч­ного сопротивления.

Нестационарные процессы в выпрямителях малой мощности вследствие больших сопротивлений г_в имеют апериодический характер. В фильтрах таких выпрямителей сверхтоки и перенапряжения очень малы.

Фильтры маломощных выпрямителей в большинстве П - образные, т. е. начинаются с конденсатора С₀, к которому при холостом ходе может быть приложено напряжение Е_х. От повышенного напряжения конденсатор можно предохранить подключением балластного рези­стора.

Переходные процессы в транзисторных фильтрах. При включении выпрямителя с транзисторным фильтром происхо­дит заряд конденсаторов С₂ и С₁ в фильтре ФК (рисунок 2.35, а и б), кон­денсатора С₂ в фильтре ФЭ (рисунок 2.37, а), а также заряд конденсатора С₀, если он установлен после выпрямительной схемы. Постоянная времени заряда конденсатора С₀ значительно меньше, чем у С₂ и С₁, и поэтому можно считать, что в момент включения выпрямителя на­пряжение на входе фильтра мгновенно достигает установившегося значения U_вx.cp. Поскольку в этот момент u_сБ =0 и u_с1 = 0, то э. д. с. Е_вх практически полностью прикладывается к участкам кол­лектор — эмиттер и коллектор — база (в фильтре ФЭ). По мере заря­да конденсатора эти перенапряжения постепенно снимаются. Таким образом, в момент

включения для фильтров ФК и ФЭ.

U_КБмакс = Е_вх. (2.38)

Перенапряжения будут также в случае пробоя конденсаторов С₂ или С₁ и при коротком замыкании на выходе фильтров.

Значения сверхтоков наибольшие при коротком замыкании на выходе фильтров. Такие сверхтоки имеют по сравнению с перенапря­жением более длительный характер (пока не сработает защита — до­ли секунд) и вызывают значительное импульсное выделение мощности на транзисторе.

Фильтры ФЭ и ФК защищают от перенапряжений и сверхтоков, применяя стабилитроны, ограничивающие резисторы и электронную быстродействующую защиту.

Фильтры ФП (рисунок 2.38) не нуждаются в защите от корот­кого замыкания на выходе и при включении выпрямителя. Однако при холостом ходе увеличиваются Iк, Iэ, Uк и Рк, которые не должны превышать допустимых паспортных значений.

Дата добавления: 2014-01-04