Пояснения к работе

Сглаживающие дроссели используются в выпрямителях для уменьшения пульсаций в цепях выпрямленного напряжения. Сглаживающий дроссель состоит из замкнутого магнитопровода и одной обмотки. Обмотка сглаживающего дросселя включается последовательно с нагрузкой и обтекается выпрямленным током.

В любой схеме выпрямления ток имеет пульсирующий характер. Его можно представить в виде суммы постоянной и ряда переменных составляющих различных частот, изменяющихся по синусоидальному закону. Амплитуды переменных составляющих выпрямленного тока значительно уменьшаются с увеличением их частоты, и поэтому можно приближенно считать, что выпрямленный ток изменяется в соответствии с выражением:

, (2.1)

где I₀ – величина тока постоянной (выпрямленной) составляющей;
I_max – амплитуда основной гармоники; w – угловая частота основной гармоники.

На рис. 2.1 приведены кривые изменения магнитного потока Ф в сердечнике сглаживающего дросселя при намагничивании током вида (2.1) для двух режимов работы: при отсутствии и при наличии подмагничивания постоянным током I₀. При циклическом намагничивании сердечника магнитный поток меняется не по основной кривой намагничивания, а по замкнутой петле, носящей название петли гистерезиса (перемагничивания). Для случая, когда постоянное подмагничивание отсутствует, эта петля изображается кривой 1, симметричной относительно кривой первоначального намагничивания. При наличии постоянного подмагничивания процесс намагничивания идет по частным петлям перемагничивания (кривые 2 и 3). Частные циклы характеризуются увеличенной площадью, т. е. ростом потерь, нарушением симметрии петли относительно кривой первоначального намагничивания и уменьшением наклона по отношению к оси абсцисс.

Рис. 2.1. Работа сглаживающего дросселя при подмагничивании

постоянным током

Индуктивность сглаживающего дросселя, работающего с подмагничиванием постоянным током, может быть определена на основании выражения (2.2), в которое следует подставлять отношение Ф_max/I_max при наличии подмагничивания:

, (2.2)

где Е – величина ЭДС индуктированной в обмотке сглаживающего дросселя;
f – частота питающей сети дросселя; – число витков обмотки дросселя.

Из сравнения частных циклов 1, 2 и 3 (см. рис. 2.1) видно, что величина этого отношения, а следовательно и индуктивность дросселя, уменьшаются с увеличением постоянного тока подмагничивания. Примерный вид зависимости L = f (I ₀) приведен на рис. 2.2.

Физически уменьшение индуктивности с увеличением подмагничивающего тока связано с тем, что по мере увеличения этого тока магнитопровод дросселя все более и более насыщается.

Рис. 2.2. Кривая зависимости индуктивности сглаживающего дросселя
от постоянного тока подмагничивания

Введение в магнитную цепь сглаживающего дросселя воздушного (немагнитного) зазора позволяет уменьшить падение индуктивности с увеличением подмагничивающего тока. Как видно (рис. 1.3), при наличии зазора, характеристика намагничивания которого линейна, суммарная кривая намагничивания сглаживающего дросселя становится более пологой, а его магнитопровод насыщается при относительно бό льших значениях тока, чем магнитопровод дросселя, не имеющего зазора. На рис. 2.3 приведены для сравнения кривые зависимостей L = f (I ₀) для сглаживающих дросселей без зазора (кривая 1), сглаживающих дросселей с малым (кривая 2) и большим (кривая 3) зазорами.

Из рис. 2.3 видно, что при увеличении постоянного тока подмагничивания следует выбирать и большую величину немагнитного зазора для увеличения индуктивности дросселя.

1 – без зазора; 2 – с малым зазором; 3 – с большим зазором

На рис. 2.4 приведена кривая зависимости L = f (l_з), показывающая, что для заданного постоянного тока подмагничивания существует оптимальная величина немагнитного зазора, соответствующая максимально возможной величине индуктивности сглаживающего дросселя.

Можно также объяснить целесообразность введения немагнитного зазора в сердечнике сглаживающего дросселя, рассмотрев полное магнитное сопротивление цепи.

Введение немагнитного зазора в сердечник дросселя переменного тока вызывает снижение индуктивности из-за увеличения полного магнитного сопротивления цепи (сердечник и зазор).

В сглаживающих дросселях введение зазора снижает постоянную составляющую индукции, отчего повышается проницаемость материала сердечника и падает его магнитное сопротивление. При оптимальном зазоре уменьшение магнитного сопротивления материала сердечника снижает полное магнитное сопротивление для переменной составляющей потока значительно сильнее, чем его увеличивает введение зазора.

При наличии зазора переменная магнитодвижущая сила обмотки дросселя расходуется на преодоление магнитных сопротивлений сердечника и зазора:

, (2.3)

где l_ст – длина пути магнитного потока в сердечнике без зазора; l_з – длина пути магнитного потока в зазоре; Н_max – амплитуда переменной составляющей напряженности магнитного поля; В_max – амплитуда переменной составляющей магнитной индукции в зазоре.

Таким образом

(2.4)

где – динамическая магнитная проницаемость материала сердечника.

Подставляя (2.4) в (2.2) и учитывая, что

, (2.5)

где S_ст – площадь поперечного сечения сердечника дросселя; k_ст – коэффициент заполнения сердечника дросселя сталью, получаем:

. (2.6)

Из (2.6) видно, что величина индуктивности дросселя при заданных геометрических размерах сердечника и заданном числе витков зависит от величины магнитной проницаемости материала сердечника и длины зазора.

Максимальное значение индуктивности при наличии оптимального воздушного зазора равно

, (2.7)

где m_эф – эффективная магнитная проницаемость при наличии немагнитного зазора,

, (2.8)

L_max и постоянный ток подмагничивания I₀ являются основными параметрами сглаживающего дросселя. Габаритные размеры дросселя определяются величиной энергии, запасаемой в магнитном поле его сердечника. Для сглаживающего дросселя, работающего в цепи пульсирующего выпрямленного тока, среднее значение энергии равно

, (2.9)

где I_д – действующее значение пульсирующего тока,

. (2.10)

Задание к работе

1. Изучить принцип работы сглаживающего дросселя.

2. Снять зависимость амплитудного значения переменной составляющей падения напряжения на сглаживающем дросселе и амплитудного значения переменной составляющей падения напряжения на сопротивлении нагрузки R12 от постоянного тока подмагничивания.

3. Вычислить и построить зависимость индуктивности дросселя L от величины постоянного тока подмагничивания.

4. Рассчитать и построить зависимость коэффициента сглаживания выпрямленного напряжения от постоянного тока подмагничивания.

5. Рассчитать активное сопротивление дросселя.

6. Рассчитать и построить зависимость среднего значения энергии, запасаемой в сердечнике дросселя, от величины постоянного тока подмагничивания.