4.6 Электрические фильтры
/- Введение
- 4.1 Периодические несинусоидальные токи и напряжения в линейных электрических цепях
- 4.2 Мощность в электрической цепи при несинусоидальном токе
- 4.3 Расчет электрических цепей с несинусоидальными ЭДС и токами
- 4.4 Влияние параметров L и C на форму кривой тока и напряжения
- 4.5 Резонансные явления при несинусоидальных токах
- 4.6 Электрические фильтры
- 4.7 Особенности высших гармоник в трехфазных цепях
При увеличении частоты индуктивное сопротивление увеличивается, а емкостное уменьшается. Ток в индуктивном сопротивлении отстает по фазе от напряжения на угол π/2, а в емкостном сопротивлении напряжение отстает от тока на такой же угол.
Эти свойства реактивных сопротивлений используются для устройства электрических фильтров различного назначения.
Цель применения фильтров можно сформулировать в общем виде: при заданном несинусоидальном напряжении источника получит нужную форму кривой тока в нагрузке.
В схеме рис. 4.4,а между источником несинусоидального напряжения и нагрузкой включена индуктивная катушка с малым активным сопротивлением. Такая катушка обладает малым сопротивлением для постоянной составляющей и гармоник низких частот, но имеет большое сопротивление для токов высоких частот.
Рисунок 4.4 - Электрические фильтры
Благодаря этому в кривой тока и напряжения нагрузки высокочастотные гармоники будут выражены слабее, чем во входном напряжении фильтра.
Аналогичное действие оказывает конденсатор, включенный параллельно с нагрузкой (рис.4.4,б).
Для гармоник низкой частоты конденсатор представляет большое сопротивление, а постоянная составляющая тока в нем равна нулю. Для высокочастотных гармоник емкостное сопротивление мало, поэтому в нагрузке они выражены слабо.
Если включить одновременно катушку и конденсатор, как показано на рисунке 4.4,в, то их действие в указанном направлении будет еще более эффективно.
Фильтры такого типа называются низкочастотными.
При создании фильтров широкое применение находят резонансные явления. Как известно, в контурах с последовательным и параллельным соединением катушки и конденсатора при определенных условиях возникает явление резонанса: в последовательном контуре (рис. 4.5,а) – резонанс напряжений, а в параллельном – резонанс токов.
Рисунок 4.5 - Последовательный и параллельный резонансные контуры
Если резонансная частота контура совпадает с частотой k-й гармоники, то контур настроен в резонанс на частоту этой гармоники.
Сопротивление z контура для k-й гармоники при резонансе напряжений минимально (для контура без потерь ), а при резонансе токов максимально (для контура без потерь ).
Это явление используется для выделения или подавления в нагрузке тока k-й гармоники.
Для выделения в приемнике напряжение k-й гармоники следует включить последовательно с ним колебательный контур (рис. 18.3,а), в котором на частоте k-й гармоники возникает резонанс напряжений.
Сопротивление этого контура на частоте k-й гармоники будет минимальным. Поэтому k-я гармоника напряжения будет выражена в приемнике наиболее полно, а другие гармоники будут выражены тем слабее, чем больше их частота отличается от резонансной частоты контура.
Аналогичный результат можно получить, если параллельно с приемником включить колебательный контур, в котором на частоте k-й гармоники возникает резонанс токов (рис.4.6,б). Этот контур, обладая большим сопротивлением, при частоте k-й гармоники позволяет выделить на приемнике напряжение этой частоты, подавив остальные гармоники. Два колебательных контура, включенных по схеме рис.4.6,в, действуя в одинаковом направлении, позволяют более эффективно выделить в приемнике ток k-й гармоники. Избирательная способность резонансных фильтров обычно характеризуется графиками зависимости выходного напряжения от частоты входного напряжения (рис.4.6,г); при резонансной частоте ωp выходное напряжение становится практически равным входному, а при частотах, значительно отличающихся от ωp, выходное напряжение близко к нулю.
Рисунок 4.6
Колебательные контуры, настроенные в резонанс на частоту k-й гармоники, можно также применить для уменьшения напряжения этой гармоники.
Для этого последовательно с приемником нужно включить колебательный контур, в котором возникает резонанс токов (рис.4.7,а), или параллельно приемнику включить контур, в котором возникает резонанс напряжений (рис.4.7,б). Применение одновременно обоих контуров, как показано на рисунке 4.7,в, еще больше уменьшает k-ю гармонику выходного напряжения. Фильтр такого типа называют заградительным. В точке резонанса напряжение на его выходе равно нулю (рис. 4.7,г).
Рисунок 4.7 - Фильтры для подавления в токи нагрузки k-ой гармоники
Другие разделы главы 4: