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无源滤波器与有源滤波器的工作原理和区别

发表时间:2019/3/12  来源:RF技术社区  浏览次数:5211  
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无源滤波器

这种电路主要有无源元件R、L和C组成。

无源滤波装置
该装置由电容器、电抗器,有时还包括电阻器等无源元件组成,以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路,以达到抑制高次谐波的作用;由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区,所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联,这样既满足无功补偿、改善功率因数,又能消除高次谐波的影响。  
国际上广泛使用的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤波)状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低,运行稳定,技术相对成熟,容量大。缺点为谐波滤除率一般只有80%,对基波的无功补偿也是一定的。


有源滤波器工作原理
用电流互感器采集直流线路上的电流,经A/D采样,将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理,得到谐波参考信号,作为PWM的调制信号,与三角波相比,从而得到开关信号,用此开关信号去控制IGBT单相桥,根据PWM技术的原理,将上下桥臂的开关信号反接,就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流,将线上的谐波电流抵消掉。这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来,作为调节器的输入,调整前馈控制的误差。


有源电力滤波器
有源电力滤波器,是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。

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它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流,并将模拟电流信号转换为数字信号,送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理,将谐波与基波分离,并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲,驱动IGBT或IPM功率模块,生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网,对谐波电流进行补偿或抵消,主动消除电力谐波。

 

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谐波是怎么产生的?
谐波的产生是由于正弦波电压施加在非线性负载上,电流就变成了非正弦波,非正弦波电流在电网阻抗上产生降压,会使电压波形也变成非正弦波。如今在通讯、半导体、石化、化纤、钢铁中加热炉和汽车制造等行业中广泛使用的负载大部分为非线性负载,如变频调速设备、整流器、不间断电源、开关电源、电弧炉、焊接设备、电脑、电梯、变频空调、节能灯和复印机等等。由于这些非线性负载所产生的大量谐波电流涌入电网中,导致电压波形发生畸变现象。这种谐波污染对电网和用户产生了严重的危害。
谐波的危害
1、造成电缆、电动机和变压器过热,导致其实用寿命下降或损坏; 
2、损坏敏感的设备,导致生产或者实验中断,造成重大损失;
3、引发断路器误动作,区域性停止事故;
4、造成电容器过载或因故障而损毁;
5、导致中性线上出现大电流而引发系统故障;
6、诱发电网谐振;
7、电网中存在的谐波将降低供电效率;
8、如谐波污染等级过高,将得不到供电部门的入网批准;
再说简单点,用一句话表示就是:APF出现在整流器、变频器、UPS、一次电源等出现的地方。

什么是SVG?
SVG中文名叫做静止无功发生器,英文描述为:Static Var Generator,简称为SVG。又称高压动态无功补偿发生装置,或静止同步补偿器。是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。SVG是目前无功功率控制领域内的最佳方案。相对于传统的调相机、电容器电抗器、以晶闸管控制电抗器TCR为主要代表的传统SVC等方式,SVG有着无可比拟的优势。
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区别

SVG是静态无功补偿设备,是用来提高系统功率因数的;而有源滤波器(目前市面所能见到的有源滤波器都是并联的)是谐波补偿设备,是用来消除系统内的谐波的。这是两者最重要的区别。

联系
两者可以组合在一起使用,在补偿无功功率的同时,亦可以对系统内的谐波电流进行抑制。
简单来讲,APF主要是滤波功能,SVG主要是无功补偿。如果有谐波,SVG需要配滤波器进行。SVG的好处是容量可以做的比较大一些。APF,一般有50A,75A,100A不等。APF对系统要求比较高。但是可能系统又需要无功,因此就需要比较精密计算和仿真。


无源滤波器与有源滤波器的区别与联系
有源滤波器:集成运放和R、C组成,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。
有源滤波自身就是谐波源!其依靠电力电子装置,在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等,相位相反的谐波向量,这样可以抵消掉系统谐波,使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外,同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速,滤除谐波可达到95%以上,补偿无功细致。缺点为价格高,容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟,所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源。
目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型,即无源进行大容量的滤波补偿,有源进行微调。
原理上讲,有源滤波器可以达到很高的Q值,但是过高的Q值对于有源滤波器来说是不够稳定的。有源滤波器的特性曲线不够好,有可能是你使用的运放带宽不够。从原理上,无论有源无源,实现出来的特性应该是一致的。主要还是一个制作问题。
无源RC滤波器当然不能等同于有源RC滤波器,有源RC和无源LC可以实现出Bottworth函数,而用无源RC实现这个函数是很不理想的,它的最低衰耗值极高(此点鲜为人知)。所以一般不用无源RC函数作滤波器逼近函数。   
不仅如此,而且经过计算,无源低通二阶滤波器的品质因数非常的低,最高能达到0.5,但是这个还不是所有的频率都能够达到的。
虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点,在现阶段广泛用于配电网中,但由于滤波器特性受系统参数影响大,只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用,甚至谐振现象等因素,随着电力电子技术的发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器(Active PowerFliter,缩写为APF)。  
APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比,有以下特点:
1、不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变,补偿无功,有一机多能的特点,在性价比上较为合理;
2、滤波特性不受系统阻抗等的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;  
3、具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波,即具有高度可控性和快速响应性等特点。
无源滤波电路:若滤波电路仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成。  
有源滤波电路:若滤波电路不仅由无源元件,还由有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)组成。  
有源电路说白点就是元件必须有工作电源支持。无源电路中的器件不需要工作电源支持。   
这里可理解源就是电源。  
无源电路中的信号如果没有外部信号补充最后将衰减为零,有源元件定义为可以给外部电路提供大于零的平均功率的元件,而且该平均功率可以持续无限长的时间;反之,则是无源元件。 这时候可理解源就是有源元件提供的信号源。
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