機(jī)電一體化畢業(yè)論文---有源濾波電路探討

1、<p><b>　　有源濾波電路探討</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： </b></p><p><b>　　學(xué)生學(xué)號(hào)：&

2、lt;/b></p><p>　　2012年05月11日</p><p>　　論文題目：有源濾波電路探討 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)：機(jī)電一體化 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p&g

3、t;<p><b>　　摘　要</b></p><p>　　伴隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，有源電力濾波器以其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)大功能，價(jià)格也也逐漸下降，它是同相放大電路的輸出電阻為零;對(duì)負(fù)載有隔離作用，從而保證濾波器的頻率特性不會(huì)隨負(fù)載變化，因此在工業(yè)應(yīng)用發(fā)展上起著巨大的作用。</p><p>　　本文主要對(duì)濾波電路的進(jìn)行了概述，并對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，對(duì)有

4、源和無(wú)源濾波器的區(qū)別進(jìn)行了總結(jié)，包括對(duì)有源濾波器的電路的設(shè)計(jì)，最后對(duì)有源濾波器的未來(lái)進(jìn)行了概述。</p><p>　　關(guān) 鍵 詞：有源濾波電路、低通、高通、工作原理</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p><b>

5、　　1.1 引言1</b></p><p>　　第2章 濾波電路的概述2</p><p>　　2.1 濾波電路的認(rèn)識(shí)2</p><p>　　2.2 濾波電路的分類(lèi)2</p><p>　　2.3 濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)3</p><p>　　2.3.1 通帶增益Avp3</p><

6、;p>　　2.3.2 通帶截止頻率fp3</p><p>　　2.4 濾波電路原理分析3</p><p>　　2.4.1 波的基本概念3</p><p>　　2.4.2 低通濾波器4</p><p>　　2.4.3 高通濾波器7</p><p>　　2.4.4 一階有源濾波電路7</p>

7、<p>　　2.4.5 二階有源濾波電路8</p><p>　　第3章 有源和無(wú)源濾波器的區(qū)別11</p><p>　　第4章 有源濾波電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.1 有源濾波器的結(jié)構(gòu)原理13</p><p>　　4.2 諧波信號(hào)檢測(cè)電路13</p><p>　　4.3 有源電力濾波器

8、的噪聲和干擾抑制14</p><p>　　4.4 有源濾波器的主電路及接入方式14</p><p>　　4.4.1 并聯(lián)型有源電力濾波器15</p><p>　　4.4.2 串聯(lián)型有源電力濾波器15</p><p>　　第5章 有源濾波器發(fā)展前景17</p><p><b>　　第6章 結(jié)論18&

9、lt;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　致　　謝20</b></p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　濾波

10、器技術(shù)在計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、通信、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。如在通信領(lǐng)域中為獲得最高信噪比所設(shè)置的匹配濾波器和為減少基帶傳輸過(guò)程中的碼間串?dāng)_所設(shè)置的均衡器；在數(shù)據(jù)采集中所設(shè)置的限帶抗混迭濾波和D/A轉(zhuǎn)化后的平滑濾波；以及在語(yǔ)音識(shí)別的研究，為提取語(yǔ)音頻譜而設(shè)置的帶通濾波器組等。在信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍不寬的場(chǎng)合，設(shè)定固定截止頻率的濾波器技術(shù)已很成熟，但在許多工程應(yīng)用領(lǐng)域，信號(hào)頻率動(dòng)態(tài)范圍往往很寬，如在0.1Hz ~ 20kHz之間變化，因此，有

11、必要采用多種截止頻率的濾波器，用程控方法對(duì)頻率寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行濾波。傳統(tǒng)的方法是用電阻、電容以及運(yùn)放構(gòu)成，并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選取不同的阻值以實(shí)現(xiàn)截止頻率的改變，但這樣的分布參數(shù)較大，截止頻率精度不高，電路復(fù)雜。而數(shù)字濾波器需要A/D和D/A轉(zhuǎn)換，在成本和微型化方面存在著不足。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了新型的單片濾波電路——開(kāi)關(guān)電容濾波器（SFC）集成電路，設(shè)計(jì)出了可以通過(guò)編程改變截止頻率的濾波器系統(tǒng)，滿足了對(duì)濾波器靈活應(yīng)用的要求。SFC電路的實(shí)質(zhì)

12、是采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)，SFC雖然在離散域工作，但屬于模擬濾波器之列，直接處理模擬連續(xù)信號(hào)，與數(shù)字濾波器相比，省去了A/D、</p><p>　　隨著對(duì)微型化要求的日益提高，濾波器的全集成化問(wèn)題擺在了人們的面前。早期的無(wú)源LC濾波器，低頻應(yīng)用時(shí)電感所占體積很大，并且不易集成。因此隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，特別是運(yùn)算放大器的問(wèn)世，有源RC濾波器的使用越來(lái)越廣泛。相對(duì)于無(wú)源LC濾波器來(lái)說(shuō)，有源RC濾波器無(wú)電感，因而便于小型化和

13、集成化 有源RC濾波器的性能與電阻電容乘積RC有關(guān)，但集成電阻精度和穩(wěn)定性都很差，因此集成的RC濾波器性能不高。這樣迫切需要新型的濾波集成電路。開(kāi)關(guān)電容濾波器(Switched Capactor Filter簡(jiǎn)稱(chēng)SCF)集成電路正是在這種情況下出現(xiàn)并獲得越來(lái)越多的重視的。在SCF中開(kāi)關(guān)電容C替代了原來(lái)RC濾波器中的電阻R。這樣濾波器的特性?xún)H取決于開(kāi)關(guān)頻率和網(wǎng)絡(luò)中的電容比。由于單片硅上實(shí)現(xiàn)精確而穩(wěn)定的電容比較為容易，采用特種工藝，其精度通

14、常可達(dá)0．01％，因此單片SCF集成電路作為一種全集成化濾波器非常引入注目。</p><p><b>　　濾波電路的概述</b></p><p>　　濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。</p><p><b>　　

15、濾波電路的認(rèn)識(shí)</b></p><p>　　交流電經(jīng)過(guò)二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給無(wú)線電裝供電的。要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說(shuō)，濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電經(jīng)過(guò)整流后的電源電壓雖然沒(méi)有交流變化成分，但其脈動(dòng)較大，需要經(jīng)

16、過(guò)濾波電路消除其脈動(dòng)成分，使其更接近于直流。</p><p>　　濾波的方法一般采用無(wú)源元件電容或電感，利用其對(duì)電壓，電流的儲(chǔ)能特性達(dá)到濾波的目的。 由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電流

17、減小時(shí)，又把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。</p><p>　　濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面）和電感輸入式（電感器L接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時(shí)，僅用一電感器與負(fù)載串聯(lián)）。</p><p><b>　　濾波電路的分類(lèi)</b&g

18、t;</p><p>　　濾波電路的分類(lèi):(按工作頻率的不同)</p><p>　　低通濾波器:允許低頻率的信號(hào)通過(guò)，將高頻信號(hào)衰減。</p><p>　　高通濾波器:允許高頻信號(hào)通過(guò)，將低頻信號(hào)衰減。</p><p>　　帶通濾波器:允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻帶外的信號(hào)衰減。</p><p>　　帶阻濾波器

19、:阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而允許此頻帶以外的信號(hào)衰減。</p><p>　　濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　通帶增益Avp</b></p><p>　　通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖3所示。性能良好的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。</p><p&g

20、t;<b>　　通帶截止頻率fp</b></p><p>　　其定義與放大電路的上限截止頻率相同，見(jiàn)圖3。通帶與阻帶之間稱(chēng)為過(guò)渡帶，過(guò)渡帶越窄，說(shuō)明濾波器的選擇性越好</p><p><b>　　濾波電路原理分析</b></p><p><b>　　波的基本概念</b></p><

21、p>　　濾波是信號(hào)處理中的一個(gè)重要概念。濾波分經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。</p><p>　　經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)富立葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無(wú)限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說(shuō)，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過(guò)，而阻止另一部分頻率成分通

22、過(guò)的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。</p><p>　　實(shí)際上，任何一個(gè)電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度(對(duì)信號(hào)最高頻率的限制)，頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個(gè)基本特點(diǎn)。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)對(duì)電路頻帶寬度的影響而設(shè)計(jì)出來(lái)的工程應(yīng)用電路。</p><p>　　用模擬電子電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，其基本原理就是利用電路的頻率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。根據(jù)頻率濾波時(shí)，是把信號(hào)看成是由不同

23、頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào)，通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。</p><p>　　當(dāng)允許信號(hào)中較高頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做高通濾波器。</p><p>　　當(dāng)允許信號(hào)中較低頻率的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做低通濾波器。</p><p>　　當(dāng)只允許信號(hào)中某個(gè)頻率范圍內(nèi)的成分通過(guò)濾波器時(shí)，這種濾波器叫做帶通濾波器。</p>&l

24、t;p>　　理想濾波器的行為特性通常用幅度-頻率特性圖描述，也叫做濾波器電路的幅頻特性。理想濾波器的幅頻特性如圖所示。圖中，w1和w2叫做濾波器的截止頻率。</p><p>　　圖2-1濾波器頻率響應(yīng)特性的幅頻特性圖</p><p>　　對(duì)于濾波器，增益幅度不為零的頻率范圍叫做通頻帶，簡(jiǎn)稱(chēng)通帶，增益幅度為零的頻率范圍叫做阻帶。例如對(duì)于LP，從-w1當(dāng)w1之間，叫做LP的通帶，其他頻率

25、部分叫做阻帶。通帶所表示的是能夠通過(guò)濾波器而不會(huì)產(chǎn)生衰減的信號(hào)頻率成分，阻帶所表示的是被濾波器衰減掉的信號(hào)頻率成分。通帶內(nèi)信號(hào)所獲得的增益，叫做通帶增益，阻帶中信號(hào)所得到的衰減，叫做阻帶衰減。在工程實(shí)際中，一般使用dB作為濾波器的幅度增益單位。</p><p><b>　　低通濾波器</b></p><p>　　低通濾波器的基本電路特點(diǎn)是，只允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)

26、。</p><p>　　(1) 一階低通Butterworth濾波電路</p><p>　　下圖a和b是用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的兩種一階Butterworth濾波電路的電路。圖a是反相輸入一階低通濾波器，實(shí)際上就是一個(gè)積分電路，其分析方法與一階積分電路相同。</p><p>　　圖2-2 基本濾波電路演示</p><p>　　圖b是同相輸入的一階低

27、通濾波器。根據(jù)給定的電路圖可以得到</p><p>　　對(duì)濾波器來(lái)說(shuō)，更關(guān)心的是正弦穩(wěn)態(tài)是的行為特性，利用拉氏變換與富氏變換的關(guān)系，有</p><p>　　下圖是上式RC=2時(shí)的幅頻特性和相頻特性波特圖。</p><p><b>　　圖2-3 </b></p><p>　　RC=2時(shí)一階Butterworth低通濾波器的

28、頻率響應(yīng)特性</p><p>　　(2) 二階低通Butterworth濾波電路</p><p>　　下圖是用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的二階低通Butterworth濾波電路。</p><p>　　圖2-4 二階Butterworth低通濾波電路</p><p>　　直接采用頻域分析方法得到</p><p>　　其中k = 1+

29、R1/R2 。令Q=1/(3-k)，w0=1/RC，則可以寫(xiě)成</p><p>　　其中k相當(dāng)于同相放大器的電壓放大倍數(shù)，叫做濾波器的通帶增益，Q叫做品質(zhì)因數(shù)，w0叫做特征角頻率。</p><p>　　下圖是二階低通濾波器在RC=2時(shí)的波特圖，其中圖a是Q>0.707時(shí)的效果，圖b是Q=0.707時(shí)的效果，圖c是Q<0.707時(shí)的效果。</p><p>

30、　　(a) Q>0.707</p><p>　　(b) Q=0.707</p><p>　　(c)Q<0.707</p><p>　　圖2-5 二階低通濾波器在RC=2時(shí)的波特圖</p><p>　　從圖中可以看出，當(dāng)Q>0.707 或Q<0.707時(shí)，通帶邊沿處會(huì)出現(xiàn)比較大的不平坦現(xiàn)象。因此，品質(zhì)因數(shù)表明了濾波器通帶

31、的狀態(tài)。一般要求Q=0.707。</p><p><b>　　由此可以得到：</b></p><p>　　這就是二階Butterworth濾波器電壓增益得計(jì)算0.707公式。令Q=0.707，得</p><p>　　0.414R2 = 0.707R1</p><p>　　通常把最大增益倍所對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率叫做截止頻率，這時(shí)

32、濾波器具有3dB的衰減。利用濾波器幅頻特性的概念，可以得到截止頻率w0 =w  =1/RC，即</p><p><b>　　f =1/2pRC</b></p><p><b>　　高通濾波器</b></p><p>　　高通濾波器的特點(diǎn)是，只允許高于截止頻率的信號(hào)通過(guò)。下圖是二階Butterworth高通濾波器電

33、路的理想物理模型。</p><p>　　圖2-6 二階Butterworth高通濾波電路演示</p><p>　　直接采用頻域分析方法，并令k = 1+R1/R2 ，Q =1/(3-k)，w0=1/RC，則可以得到二階Butterworth高通濾波電路的傳遞函數(shù)為</p><p>　　考慮正弦穩(wěn)態(tài)條件下，s=jw，得</p><p>　　二階

34、Butterworth高通濾波器在頻率響應(yīng)特性與低通濾波器相似，當(dāng)Q>0.707或Q<0.707時(shí)，通帶邊沿處會(huì)出現(xiàn)不平坦現(xiàn)象。有關(guān)根據(jù)品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算電路電阻參數(shù)R1 和R2的方法與二階低通濾波器的計(jì)算相同。</p><p>　　同樣，利用濾波器幅頻特性的概念，可以得到截止頻率w0 =w  =1/RC，即  f =1/2pRC。</p><p><b&

35、gt;　　一階有源濾波電路</b></p><p>　　一階低通濾波器的電路如圖2-7所示，其幅頻特性見(jiàn)圖2-8，圖中虛線為理想的情況，實(shí)線為實(shí)際的情況。特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。</p><p>　　圖2-7 一階低通電路（LPF） 圖2-8 一階LPF的幅頻特性曲線</p><p>　　當(dāng)f = 0時(shí)，電容器可視為開(kāi)路

36、，通帶內(nèi)的增益為</p><p>　　一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下</p><p><b>　　，其中 </b></p><p>　　該傳遞函數(shù)式的樣子與一節(jié)RC低通環(huán)節(jié)的增益頻率表達(dá)式差不多，只是缺少通帶增益Avp這一項(xiàng)。</p><p><b>　　二階有源濾波電路</b></p>

37、<p>　　二階濾波電路一般用他們的發(fā)明者命名。他們中的少數(shù)幾個(gè)至今還在使用。有一些二階濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以組成低通、高通、帶通、帶阻濾波器，有些則不行。這里沒(méi)有列出所有的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是將那些容易實(shí)現(xiàn)和便于調(diào)整的列了出來(lái)。</p><p>　　二階濾波器有40dB 每倍頻的幅頻特性。</p><p>　　通常的同一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的帶通和帶阻濾波器使用相同的元件來(lái)調(diào)整他們的

38、Q 值，而且他們使濾波器在Butterworth 和Chebyshev 濾波器之間變化。必須要知道只有Butterworth 濾波器可以準(zhǔn)確的計(jì)算出拐點(diǎn)頻率，Chebyshev 和Bessell濾波器只能在Butterworth 濾波器的基礎(chǔ)上做一些微調(diào)。</p><p>　　我們通常用的帶通和帶阻濾波器有非常高的Q 值。如果需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)很寬的帶通或者帶阻濾波器就需要用高通濾波器和低通濾波器串連起來(lái)。對(duì)于帶通濾波

39、器的通過(guò)特性將是這兩個(gè)濾波器的交疊部分，對(duì)于帶阻濾波器的通過(guò)特性將是這兩個(gè)濾波器的不重疊部分。</p><p>　　為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱(chēng)為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。二階LPF的電路圖和幅頻特性曲線如圖所示。</p><p>　　圖2-9 LPF的電路圖和幅頻特性曲</p><p&g

40、t;<b>　　（1）通帶增益</b></p><p>　　當(dāng)f = 0時(shí)，各電容器可視為開(kāi)路，通帶內(nèi)的增益為</p><p>　?。?）二階低通有源濾波器傳遞函數(shù)可以寫(xiě)出</p><p>　　通常有，聯(lián)立求解以上三式，可得濾波器的傳遞函數(shù)</p><p><b>　　(3)通帶截止頻率</b>&l

41、t;/p><p>　　將s換成jω，令ω0＝2πf0=1/(RC)可得</p><p>　　當(dāng)f=fp 時(shí)，上式分母的模</p><p><b>　　解得截止頻率：</b></p><p>　　與理想的二階波特圖相比，在超過(guò)f0以后，幅頻特性以-40 dB/dec的速率下降，比一階的下降快。但在通帶截止頻率fp→f0之間幅頻

42、特性下降的還不夠快。</p><p>　　這里沒(méi)有介紹反相 Chebyshev 和 Elliptic 濾波器，因?yàn)樗麄円呀?jīng)不屬于電路集需要介紹的范圍了。</p><p>　　不是所有的濾波器都可以產(chǎn)生我們所設(shè)想的結(jié)果――比如說(shuō)濾波器在阻帶的最后衰減幅度在多反饋濾波器中的會(huì)比在Sallen－Key 濾波器中的大。由于這些特性超出了電路圖集的介紹范圍，請(qǐng)大家到教科書(shū)上去尋找每種電路各自的優(yōu)缺點(diǎn)

43、。不過(guò)這里介紹的電路在不是很特殊的情況下使用，其結(jié)果都是可以接受的。</p><p>　　有源和無(wú)源濾波器的區(qū)別</p><p>　　有源低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是同相放大電路的輸出電阻為零;對(duì)負(fù)載有隔離作用，從而保證濾波器的頻率特性不會(huì)隨負(fù)載變化。而無(wú)源RC濾波器的通帶增益及其截止頻率都隨負(fù)載而變化</p><p>　　無(wú)源電力濾波器裝置：這種電路主要有無(wú)源元件R、L和C

44、組成。</p><p>　　有源電力濾波器裝置：集成運(yùn)放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。</p><p><b>　　無(wú)源電力濾波器裝置</b></p><p>

45、;　　該裝置由電容器、電抗器，有時(shí)還包括電阻器等無(wú)源元件組成，以對(duì)某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用；由于SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴(kuò)大到容性區(qū)，所以濾波器與動(dòng)態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，這樣既滿足無(wú)功補(bǔ)償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。</p><p>　　國(guó)際上廣泛使用的濾波器種類(lèi)有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。</p>

46、<p><b>　　有源電力濾波器裝置</b></p><p>　　雖然無(wú)源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源電力濾波器（Active PowerFliter，縮寫(xiě)為APF）。&

47、lt;/p><p>　　APF即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。它與無(wú)源濾波器相比，有以下特點(diǎn)：</p><p>　　a．不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性?xún)r(jià)比上較為合理；</p><p>　　b．有源電力濾波器特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系

48、統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。</p><p>　　c．具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)；</p><p>　　濾波器是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，它允許某些頻率（通常是某個(gè)頻率范圍）的信號(hào)通過(guò)，而其它頻率的信號(hào)幅值均要受到衰減或抑制。這些網(wǎng)絡(luò)可以由RLC 元件或RC 元件構(gòu)成的無(wú)源濾波器，也可由RC 元件和有源器件構(gòu)成的有源濾波器。&

49、lt;/p><p>　　圖3-1 四種濾波器的幅頻特性</p><p>　　根據(jù)幅頻特性所表示的通過(guò)或阻止信號(hào)頻率范圍的不同，濾波器可分為低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、和帶阻濾波器（BEF）四種。</p><p><b>　　有源濾波電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　有源濾波器的結(jié)構(gòu)

50、原理</p><p>　　基于全模擬器件的有源電力濾波器同樣也是由圖1所示的這幾個(gè)部分組成， 只是其各個(gè)部分都是由模擬器件構(gòu)成?，F(xiàn)分別對(duì)電路各個(gè)部分進(jìn)行介紹。</p><p>　　圖4-1 并聯(lián)型有源濾波器原理框圖</p><p><b>　　諧波信號(hào)檢測(cè)電路</b></p><p>　　采用ip、iq諧波檢測(cè)法， 諧波

51、信號(hào)檢測(cè)電路可由乘法、加減法以及低通有源濾波電路組成。</p><p>　　由于本濾波器是基于全模擬器件的， 其電路全部由常規(guī)電路元件構(gòu)成。故此濾波器的性能也受到元件的溫度漂移、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、相移等因素的影響。因此， 元件的選型對(duì)于本有源電力濾波器尤為關(guān)鍵。</p><p>　　運(yùn)算放大器電路的最終精度和穩(wěn)定性與其電路中的無(wú)源元件的精度和穩(wěn)定性具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本硬件選擇好的電容和電阻關(guān)系到該

52、電路的整體性能表現(xiàn)。</p><p>　　電容的類(lèi)別也是多種多樣。該濾波器電路中使用的電容主要是要求其頻率特性較好，溫度系數(shù)小， 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。聚苯乙烯電容的損耗較低、體積小， 容量相對(duì)時(shí)間、溫度、電壓都很穩(wěn)定。</p><p>　　電阻有繞線電阻、金屬箔電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、碳膜電阻、碳實(shí)芯電阻、厚膜電阻、薄膜電阻、金屬釉質(zhì)電阻等。常用的是碳膜、金屬膜以及碳質(zhì)線繞電阻。本電路

53、選用金屬膜電阻，該電阻是在真空中加熱合金，并使合金蒸發(fā)， 從而使瓷棒表面形成一層導(dǎo)電金屬膜。</p><p>　　刻槽和改變金屬膜厚度可以控制電阻值。該電阻體積小、噪聲低、穩(wěn)定性好， 當(dāng)然成本也較高。</p><p>　　有源電力濾波器的噪聲和干擾抑制</p><p>　　模擬電子電路有其自身的特點(diǎn)，由于本有源電力濾波器使用的是全模擬電路， 故在模擬信號(hào)的放大、運(yùn)算

54、以及傳輸過(guò)程中不可避免地會(huì)引入外界和內(nèi)部的一些無(wú)規(guī)則信號(hào)及干擾。如果無(wú)規(guī)則信號(hào)及外部干擾很強(qiáng)，若其大小可與正常工作信號(hào)相比較， 那么勢(shì)必給模擬有源電力濾波器的諧波抑制性能造成破壞。所以， 在模擬電路的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)進(jìn)行抗干擾和濾除噪聲的設(shè)計(jì)。</p><p>　　噪聲及干擾的消除和抑制一般有屏蔽、接地和濾波等幾種措施。但也應(yīng)該根據(jù)其產(chǎn)生的性質(zhì)分別加以處理。</p><p>　　對(duì)于元器件本身

55、所產(chǎn)生的噪聲，只能在器件選型中加以注意。應(yīng)盡量選用低噪聲、高精度的集成芯片?，F(xiàn)代的模擬電子已經(jīng)發(fā)展的很成熟，各種模擬元件都能達(dá)到令人滿意的性能。對(duì)于電阻的熱噪聲，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量做到不將噪聲在最后結(jié)果中放大，故應(yīng)在放大電路中選用較小阻值的電阻。熱噪聲會(huì)隨帶寬的增加而增加，并由于有源電力濾波器所針對(duì)的電力系統(tǒng)本身的電壓、電流頻率不高，因此，模擬電路可采用較低頻率帶寬的運(yùn)算放大器來(lái)降低熱噪聲的影響。</p><p>　　

56、對(duì)于接地噪聲，可減小公共地線部分的阻抗，這樣，公共地線上的電壓也會(huì)隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。具體做法是地線聯(lián)結(jié)采用較粗的導(dǎo)線并盡量減短。減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感?？稍陔娐分胁捎枚鄺l相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作為接地線。</p><p>　　對(duì)于輻射噪聲， 則應(yīng)該采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有靜電屏蔽、磁性屏蔽及電磁屏蔽等方式。屏蔽的結(jié)構(gòu)可以將干擾源或受干擾元件用屏蔽罩屏蔽起來(lái)。具體采用何種方

57、式，取決于屏蔽的噪聲對(duì)象。</p><p>　　有源濾波器的主電路及接入方式</p><p>　　目前應(yīng)用的有源濾波器多種多樣， 但總的來(lái)說(shuō)， 其主電路都是基于脈沖調(diào)制(PWM) 變流器的， 由于變流器有電壓型變流器(VSC) 和電流型變流器(CSR) 兩種。兩種變流器都可以應(yīng)用于各種有源電力濾波器中。電壓型PWM整流器最顯著的拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能， 從而使VSR直流側(cè)呈

58、低阻抗的電壓源特征；電流型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最顯著特征就是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能， 從而使CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性。</p><p>　　并聯(lián)型有源電力濾波器</p><p>　　電力系統(tǒng)的諧波有兩類(lèi)，即電流源型諧波源與電壓源型諧波源。因?yàn)槔硐腚娏髟吹膬?nèi)阻是無(wú)窮大，因此，采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞讲荒転V除諧波。而對(duì)于電流源型諧波源， 只能采用并聯(lián)濾波進(jìn)行分流才能對(duì)注入到電力系統(tǒng)中

59、的諧波進(jìn)行抑制。濾波效果與成本會(huì)因?yàn)橹C波源的性質(zhì)是偏于電流源還是偏于電壓源而有所不同。如果諧波是由用戶(hù)自己產(chǎn)生， 則基本屬于電流源型，故應(yīng)采取并聯(lián)濾波。</p><p>　　為消除各節(jié)點(diǎn)電壓的諧波，應(yīng)該采用就近并聯(lián)諧波補(bǔ)償?shù)却胧a(bǔ)償諧波電流與非線性負(fù)荷注入諧波電流大小相等，方向相反，從而使各個(gè)節(jié)點(diǎn)注入的諧波電流為零，以最終消除各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的諧波。</p><p>　　并聯(lián)型有源濾波器的主

60、要功能是使補(bǔ)償電流ic (t) 能快速跟蹤負(fù)荷電流中的諧波電流，從而使流入配電系統(tǒng)的諧波電流很小，避免對(duì)系統(tǒng)的污染。為了提高跟蹤能力，同時(shí)提高dic (t) /dt，一般要么減小有源濾波器的等效電感L，要么提高逆變器的輸出電壓uc (t)。但應(yīng)注意，有源電力濾波器的等效電感不能無(wú)限制地減小。當(dāng)L過(guò)小時(shí)， 有源電力濾波器輸出電流中基于開(kāi)關(guān)頻率的特征諧波就會(huì)很大。所以，提高逆變器輸出電壓uc (t) 就成為提高有源電力濾波器的有效手段。&l

61、t;/p><p>　　串聯(lián)型有源電力濾波器</p><p>　　雖然并聯(lián)就地補(bǔ)償可以完全消除非線形負(fù)荷造成的諧波問(wèn)題，但許多情況下，由于電力系統(tǒng)負(fù)荷組成很復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地找到非線性負(fù)荷所在的位置，或者更有非線性負(fù)荷分布在許多節(jié)點(diǎn)上，因此很難利用就地并聯(lián)補(bǔ)償來(lái)徹底補(bǔ)償電壓的諧波。為了更有效地消除諧波電壓的影響，為用戶(hù)提供無(wú)污染的電壓，串聯(lián)型有源濾波器正在逐步受到電力用戶(hù)的歡迎。</p>

62、;<p>　　串聯(lián)型有源濾波器可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上電壓的異常， 其容量可以由用戶(hù)根據(jù)自身容量靈活決定，比較適合對(duì)電能質(zhì)量要求較高的用戶(hù)使用。采用檢測(cè)負(fù)載諧波電壓控制方式，串聯(lián)型有源電力濾波器投入工作時(shí)，首先應(yīng)檢測(cè)負(fù)載諧波電壓，然后產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波電壓大小相等，方向相反的諧波電壓進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后，電源電流會(huì)發(fā)生變化，從而使得整流橋橋臂的導(dǎo)通角增加，進(jìn)而使其交流側(cè)電壓波形也隨之發(fā)生變化，最終導(dǎo)致負(fù)載諧波電壓增加。同時(shí)，有源

63、電力濾波器所產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓所跟蹤的負(fù)載諧波電壓的變化也隨之增大。這種狀態(tài)將一直持續(xù)到最后負(fù)載諧波電壓保持不變，有源電力濾波器進(jìn)入補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定狀態(tài)。只要串聯(lián)型有源電力濾波器能實(shí)時(shí)產(chǎn)生與負(fù)載諧波電壓大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓，就能取得理想的補(bǔ)償效果， 從而使電源電流接近正弦波。</p><p><b>　　有源濾波器發(fā)展前景</b></p><p>　　由于有源濾波存在的

64、不足和缺陷，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要以無(wú)源濾波為主；國(guó)際上以ABB、ABLEREX（愛(ài)普瑞斯）、諾基亞、施耐德（梅蘭日蘭）、西門(mén)子為代表，國(guó)內(nèi)以山大華天，哈工大、西安賽博、安徽佑賽、南京亞派為代表，另外清華大學(xué)電機(jī)系研制的CleanPower系列有源電力濾波器在自適應(yīng)能力，穩(wěn)定性以及對(duì)各種延時(shí)的最優(yōu)補(bǔ)償方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為了最先進(jìn)的產(chǎn)品之一。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，有源電力濾波器以其巨大的技術(shù)

65、優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)大功能、逐漸下降的價(jià)格，必將最終取代傳統(tǒng)的電容型無(wú)功補(bǔ)償裝置，占據(jù)市場(chǎng)主流。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　有源電力濾波器(APF) 是一種用于動(dòng)態(tài)諧波抑制和功率補(bǔ)償?shù)男滦碗娏﹄娮友b置。它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。與無(wú)源濾波器相比， 有源電力濾波器具有更高的可控性和快速響應(yīng)性。而使用發(fā)展成熟、價(jià)格低廉的模

66、擬器件則可降低有源電力濾波器的成本，從而促進(jìn)有源電力濾波器的廣泛應(yīng)用。另外， 使用模擬器件也可以更容易的集成為芯片，使用起來(lái)更加方便、靈活， 同時(shí)也對(duì)電磁環(huán)境的抗干擾性更強(qiáng)。有源電力濾波器在電力系統(tǒng)諧波治理中發(fā)揮著重要作用， 未來(lái)也有著廣闊的發(fā)展空間。由此可見(jiàn)，基于全模擬器件的有源濾波器借助發(fā)展成熟、價(jià)格低廉的模擬電子技術(shù)，其工業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

67、;</p><p>　　[1] 鬲淑芳，段新文.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.西安：陜西師范大學(xué)出版社出版，2000.</p><p>　　[2] 楊素行.模擬電子電路［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社出版，1994.</p><p>　　[3] 王至正，朱漢榮，肖福坤，等.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社出版，1994.</p><p>

68、;　　[4] 梁明理，周建平，鄧仁清，等.電子線路［M］.北京：高等教育出版社出版，1995.</p><p>　　[5] 鬲淑芳，段新文.電子技術(shù)基礎(chǔ)解題指導(dǎo)［M］.西安：陜西師范大學(xué)出版社出版，2000.</p><p>　　[6] 李遠(yuǎn)文.有源濾波器設(shè)計(jì).中國(guó)：人民郵電出版社，2006 4</p><p>　　[7] AT89C51 DATA Active f

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70、社 2005.10</p><p><b>　　致　　謝</b></p><p>　　時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)節(jié)，春夢(mèng)秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，一直都離不開(kāi)老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!</p><p>　　本文最終得以順利完成，也

71、是與老師的幫助分不開(kāi)的，雖然他們沒(méi)有直接參與我的論文指導(dǎo)，但在開(kāi)題時(shí)也給我提供了不少的意見(jiàn)，提出了一系列可行性的建議，在此表示感謝！</p><p>　　最后要感謝的是我的父母，他們不僅培養(yǎng)了我對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)文化的濃厚的興趣，讓我在漫長(zhǎng)的人生旅途中使心靈有了虔敬的歸依，而且也為我能夠順利的完成畢業(yè)論文提供了巨大的支持與幫助。在未來(lái)的日子里，我會(huì)更加努力的學(xué)習(xí)和工作，不辜負(fù)父母對(duì)我的殷殷期望！我一定會(huì)好好孝敬和報(bào)答他們