Электрический фильтр

Электрический фильтр – устройство для подавления или, напротив, отделения некой составляющей сигнала. Речь, к примеру, о частоте либо фазе. По амплитуде обычно электрические сигналы не фильтруются.

Благодарности

Нельзя обойти вниманием существенную помощь В.Е. Коковина.

Общие сведения

Фильтры аппаратуры связи

Частотная фильтрация становится основой создания передающих и приёмных устройств для распространения информации через эфир. Спектр сигнала обрезается сильнее с обеих сторон канала, чтобы уменьшить шумы. В результате полезная информация передаётся на большие расстояния. Электрические фильтры считаются лишь методом определения сигнала. Дополнительно используются:

  1. Подбор длины волны. Лучшей частотой считается частота, удовлетворяющая установленным критериям. К примеру, длинные волны хорошо огибают поверхность Земли, а отдельные частоты отражаются от облаков или других небесных формаций, позволяя передать информацию в любую точку планеты. Короткие волны хороши для связи на малых дистанциях. Для космической связи используются частоты, не поглощаемые водяными парами. Детектирование частоты ведётся на приёмной стороне входными фильтрами высокой частоты.
  2. Кодировка информации псевдошумовыми последовательностями. С введением в практику двоичных сигналов передача сигнала на дальние расстояния стала реальной задачей. Использование псевдошумового кода снижает требования к мощности, скрывает сигнал от «врага» на фоне природных течений эфира. Зная структуру закодированного сигнала, возможно принять информацию при отношении сигнал/шум меньше единицы. Фактически засечь подобную трансляцию невозможно.
  3. Кодировка информации избыточной длиной позволяет на приёмной стороне исправлять ошибки. Этот метод скомбинирован с псевдошумовым. Потеря информация исключена. Особенно при наличии двухстороннего (дуплексного) канала. Псевдошумовая последовательность состоит из нулей и единиц. От её длины прямо зависит чувствительность приёмника – чем больше, тем лучше. Каждая длинная последовательность представляет единственный символ, как правило, двоичного алфавита: нолик или единичку.
Фильтр связи

Фильтр связи

В указанных случаях вычислить сигнал позволяет электрический фильтр. Разного типа устройствами, относящимися к теме, напичкана аппаратура связи. На приёмной стороне антенна ловит широкий диапазон, характеризуясь избирательными свойствами. Тарелку, волновой канал, шип на крыше автомобиля допустимо назвать электрическими фильтрами конкретного диапазона. По указанной причине бытовой приёмник помимо телескопической имеет встроенные ферромагнитные антенны.

Волна улавливается входным контуром, представляющим подстраиваемые электрические фильтры. Современная технология не позволяет создать устройство, которое охватит все частоты. Поэтому входных фильтров в широковещательных приёмниках несколько, переключаются ручкой управления. Каждый включает блок подстраиваемых конденсаторов, ведь изменить величину индуктивности сложно. Получается громоздкое и неудобное устройство. Мобильные гаджеты миниатюрны, работают на сверхвысоких частотах, но и там присутствуют аналогичного рода электрические фильтры.

После первичного отбора канала и обрезки помех по бокам сигнал направляется на усилитель высокой частоты. Его избирательность сильно влияет на чувствительность приёмника. В избранных конструкциях применяются фильтры, аналогичные входным для этого каскада. Потом сигнал следует на смеситель, где преобразуется в промежуточную частоту. Благодаря фиксированному значению, последующие каскады усилителей удаётся тонко настроить, получив грандиозный коэффициент передачи. Фильтры здесь применяются особенные с высокой избирательностью. Это становится возможным, благодаря фиксированной частоте.

На детекторе выделяется полезный сигнал в виде человеческой речи, подаётся на усилитель низкой частоты. В передающей аппаратуре используются подобного рода методики для очистки сигнала, но требования гораздо лояльнее — эфир не вносит зашумляющего воздействия.

Фильтры электросетей

Помимо указанных выше в любой аппаратуре устанавливаются фильтры цепей питания. Их задача пропускать внутрь лишь напряжение частотой 50 Гц, остальное отсеивать. Техника, выпускаемая в СССР, не способна была похвастаться качественной фильтрацией, требования были иные. Сегодня чуткая электроника легко выходит из строя от статической и обычной помехи. Наводки легко сжигали графические адаптеры первых компьютеров.

Постепенно электроника стала более защищённой, но сетевой фильтр входит в состав любого оборудования, где содержатся микросхемы. Это не совсем правильно, работающие двигатели любого типа создают много помех:

  • Асинхронные создают большие скачки напряжения при старте и пуске. В процессе работы влияние на питающую цепь не столь велико.
  • Коллекторные постоянно засоряют линию питания помехой из-за искрения. Работающий пылесос сильно мешает соседям.

Фильтры регулирующей и защитной аппаратуры

Помимо электрических фильтров цепей питания бытовой аппаратуры своеобразное оборудование со схожими задачами встречается в промышленности. Речь сейчас идёт о регулировании. В процессе эксплуатации двигателей создаются помехи, специальные фильтры занимаются указанной ситуацией, но отдельной строкой идёт эффективность. Подразумевается фактор мощности и реактивная составляющая.

Когда работает двигатель, случается порой, что энергия отдаётся обратно в сеть. К примеру, при динамическом торможении вал кратковременно входит в зону генерации, цепь питания получает скачок напряжения. Но и в номинальных режимах развивается процесс возвращения мощности.

Трансформаторы подстанций формируют напряжение не для возврата. Наличие реактивных сопротивлений в цепи приводит к подобному. Образуется нечто вроде колебательного контура, по которому энергия без дела снуёт туда и сюда. Разогревает провода, не выполняя полезной работы. Это давно замечено, порой предприятие штрафуется. Энергетики требуют установки счётчиков реактивной (возвращаемой) мощности.

Для анализа промышленных цепей в 1918 году разработан метод симметричных составляющих. Оказалось, что потребляемый ток представляется в виде трёх компонентов:

  1. Прямая последовательность.
  2. Обратная последовательность.
  3. Нулевая последовательность.

В литературе, в особенности современной, нет чёткого описания значения выражений. Намеренное внесение путаницы только отупляет читателей. В действительности названия чётко определяют предмет разговора, точно отражая суть. Прямая последовательность присутствует при чисто активной мощности, когда энергия назад не отражается, а нулевая показывает, текут ли токи в цепи нейтрали. Последнее случается при авариях, несимметричной нагрузке. Обратная по смыслу характеризует реактивную мощность и возникает в идентичных условиях.

Симметричные составляющие

Из-за наличия реактивных сопротивлений по линиям трёхфазного тока напряжение несимметричное. Оно отклонено от номинала на некоторый угол на векторной диаграмме. В результате становится сложным провести анализ. Ток течёт одновременно для питания оборудования и обратно – отражённый реактивной частью сопротивления.

Придуман анализ методом симметричных составляющих. Где каждый сигнал раскладывается на последовательности, как указано выше. Любое несимметричное напряжение или ток представляется в виде суммы трёх симметричных составляющих. Каждая характеризовать конкретный процесс. К примеру, прямая последовательность характеризует потребляемую мощность. Векторное сложение всех трёх даёт напряжение или ток в фазе, в которой они текут по цепи.

В прямой последовательности векторы сдвинуты в соседних линиях на 120 градусов, формируя питающий трансформатор. В обратной – аналогично, но порядок фаз обратный. Если брать прямой порядок, сдвиг фаз составляет 240 градусов. Это причина названия обратной последовательности. Третий ряд векторов принципиально отличается от двух прочих. В нем сдвиг фаз между напряжениями или токами равен нулю. Они вращаются синхронно.

Для проведения указанных математических операций созданы специальные формулы. Результат разложения несимметричной последовательности — на рисунке. Поскольку метод искусственный, нельзя видеть составляющие при помощи обычных амперметров и вольтметров. Исключениями служат идеальные случаи:

  1. В идеально симметричных режимах потребления по всем фазам или аналогичного рода коротких замыканиях видим на осциллографе прямую последовательность.
  2. Обратная последовательность отмечается в случае короткого замыкания по одной либо двум фазам. Либо в случае выраженной асимметрии потребления.
  3. Аналогичное говорится про нулевую последовательность. При коротких замыканиях между фазами подобная составляющая отсутствует. И ярко проявляется исключительно при утечках на грунт.

Итак, любая трёхфазная сеть представляется тремя вымышленными, где текут по отдельности перечисленные последовательности. И значения токов и напряжений тогда допустимо использовать для регулирования и защиты. Чтобы реализовать это на практике, применяют фильтры-реле симметричных последовательностей.

Фильтры симметричных составляющих

Фильтры симметричных составляющих работают с напряжением или током и подключаются через соответствующие трансформаторы. На вход указанных устройств поступают входные снимаемые величины, на выходе образуется управляющий сигнал. Напряжение обычно отбирается по схеме звезды, требуется получить информацию по каждой линии в отдельности.

Фильтры последовательностей считаются специфическим оборудованием и называются так за то, что при отсутствии целевого сигнала не выдают управляющих воздействий. Даже если на входе присутствуют параметры. Выходит, выполняют фильтрующую функцию. Отсюда проистекает требование наличия трёх типов. К примеру, фильтры прямой последовательности используют для учёта активной энергии. Но в большинстве случаев оборудование становится частью оснастки крупных предприятий.

Встречаются комбинированные фильтры. Все виды коротких замыканий не отслеживаются по одному типу последовательности. Фильтры симметричных последовательностей включают в состав реле, не способные работать с обычными, выпускаемыми серийно. При попытке подогнать их нагрузочную характеристику сильно возрастает объем, увеличивается масса. В этом секрет странного названия – фильтр-реле.

Дополнительной особенностью становится отсутствие единого корпуса. Составляющие фильтра расположены отдельно в силу наличия разнородных устройств в составе: трансформаторов, дросселей, ёмкостей, резисторов и пр. Помимо тока и напряжения эти устройства способны отслеживать и мощность. В последнем случае становится возможным реализация на их основе счётчиков. Но, как говорилось выше, электрические фильтры-реле гораздо чаще применяются в цепях защиты.