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濾波器的濾波電路原理
點擊次數(shù)：5630 發(fā)布時間：2011-3-14
用電路原理解釋其濾波功能如下圖1和圖2所示。
圖1 并聯(lián)無源濾波器ppf 圖2 并聯(lián)有源濾波器
電流分布圖 電流分布圖
圖1中: s—電源系統(tǒng);
l—負(fù)載（全部諧波源負(fù)載）;
ppf—lc型濾波器（無源）;
paf—有源濾波器;
efa—有源濾波器產(chǎn)生的某h次諧波;
電勢，數(shù)量上和ih·xfa相等，但方向相反;
ih—由全部負(fù)載l產(chǎn)生的某h次諧波合成電流;
xfp和xfa—無源和有源濾波器支路的
第h次諧波電抗;
ihs—流向電源系統(tǒng)的某h次諧波電流;
ihp和iha—流向無源和有源濾波器的電流;
uh—分支點的某h次諧波電壓。
（1） 無源濾波器電路:對系統(tǒng)s產(chǎn)生的諧波電壓
uh= ihs·xs=ihp·xfp
由于xfp＜＜xs，因此ihs＜＜ihp ih= ihs＋ihp，這樣大部分諧波電流都流向濾波器，而其諧波 阻抗xfp很小，因此uh=ihp·xfp就可以限制到標(biāo)準(zhǔn)值以下。
（2） 有源濾波器電路:在其中可產(chǎn)生1個反電勢其大小和iha·xfa相等（或極接近）但方向相反，因此uh= iha·xfa-efa=0。也就是說分支點的諧波電壓uh=0，諧波電流全部流向有源濾波器，理論上流向系統(tǒng)中的諧波電流可為0，實際上不可能，據(jù)介紹，某工程濾波前后的諧波電流為:3次為28/2a,5次為358/3.,7次為86/3.6a。
2 濾波器的結(jié)構(gòu)原理及特點
（1） 無源濾波器
以5次諧波的單調(diào)諧波濾波器為例，它由電感電容串聯(lián)后并聯(lián)在電網(wǎng)上，其結(jié)線如圖3。
圖3 lc濾波器結(jié)線圖
若忽略電阻，其5次諧波阻抗zui小時，濾波效果，理論上可使xhc=xhl即總諧波阻抗為0，此時5ωl=1/5ωc，ω為基波角頻，l、c為電感電容值。經(jīng)換算ωl= 1/25×1/ωc=4%×1/ωc，即xl=4%xc為可靠起見，往往取值比4%要大。
因此它有下列特點:
諧波為容抗，可用來補償無功，但事先要加以考慮，否則過補償會使母線電壓升高;
有3次諧波，仍為容抗，3次諧波將通過此濾波器，因此必須并聯(lián)裝設(shè)3次諧波濾波器;
對5次諧波為低阻抗，略有感性，5次諧波電流可大部分通過;
對7次及更高次諧波為大電抗,無濾波作用;
電容，仍然有可能和系統(tǒng)的電抗對某次諧波構(gòu)成振蕩回路而放大電流;
濾波器一旦制成，性能參數(shù)難以變動，因此當(dāng)電網(wǎng)諧波阻抗降低時，濾波效果將隨之降低，當(dāng)電網(wǎng)參數(shù)不變而諧波電流增加時，可能使濾波器過載。另一方面即使電網(wǎng)參數(shù)和諧波電流都不變，但由于溫度變化，濾波器部件老化和其它因素都會影響濾波器性能而降低效率。此外濾波器的電抗電容值通常也會有容差即偏離其標(biāo)準(zhǔn)值±10%而增加了失諧度，也會降低濾波效率;
當(dāng)電網(wǎng)短路容量大（即電源阻抗?。r，則要求濾波器阻抗還要更小，即要求濾波器是調(diào)諧（銳調(diào)諧），但由于部件性能的容差和變動（如6條所述）使濾波器的設(shè)計有很大的困難;
周波變流器輸入側(cè)諧波頻率成份復(fù)雜而且與輸出頻率有關(guān)。無源濾波器對此不能適應(yīng);
無源濾波器的zui大特點是結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)實、造價相對較低。
（2） 有源濾波器
有源濾波器的核心部分為逆變器，文獻(xiàn)[5]有原理介紹，它產(chǎn)生和系統(tǒng)中各次諧波大小相等，相位相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，從而凈化電網(wǎng)諧波。按電學(xué)電路原理，本文前面第2節(jié)和圖2的解釋能清楚地說明概念，因此關(guān)鍵是按諧波電壓的相位產(chǎn)生一個和ih·xfa壓降數(shù)值相等而方向相反的電勢efa,理想狀態(tài)下有諧波電流通過濾波器而沒有電壓降。因此利用電力電子裝置，閉環(huán)控制efa的大小，就能快速調(diào)節(jié)通過的諧波電流大小。
由于有源濾波器利用數(shù)字閉環(huán)控制和電力電子裝置，則濾波控制功能可以很完善，如可以選擇濾去的諧波次數(shù)，zui多可同時濾去20個諧波，可以選擇濾波程度的目標(biāo)值（值或按比例），可以選擇有無無功補償功能等等。
因此它的特點主要如下:
由于控制目標(biāo)值穩(wěn)定，且不受電網(wǎng)諧波阻抗變化的影響。也不會引發(fā)諧振;
應(yīng)可以具備限幅功能，避免濾波器過載損壞;
和lc型濾波器相比，價格是高的。
濾波器的應(yīng)用
1 無源濾波器
當(dāng)前在工業(yè)與建筑電氣系統(tǒng)中，絕大部分都是用的并聯(lián)無源濾波器ppf這一種，串聯(lián)無源濾波器spf只用在中性線上作過濾三次諧波用，在后面再詳細(xì)討論。
ppf用在諧波電流和無功負(fù)荷比較穩(wěn)定的場合是合適的，注意點在前面中已有討論，現(xiàn)在已有人在嘗試將它用于負(fù)荷波動例如礦井提升機的變頻調(diào)速裝置近旁，措施是將例如5次諧波濾波器分成幾組并聯(lián)，根據(jù)5次諧波電流的大小來增減并聯(lián)的組數(shù)，這同時也改變了無功補償?shù)哪芰Γ且⒁鈳淼膯栴}及解決辦法。
2 有源濾波器
（1） 并聯(lián)有源濾波器paf[6]［7］
有諧波源同時要求電源非常干凈即為正弦波的場合，就不得不采用paf。對諧波電流頻繁變化而采用ppf又不能取得滿意效果的場合，也只能采用paf，防礙廣泛應(yīng)用paf的*因素是它的價格。在技術(shù)性能上它是優(yōu)異的。
（2） 串聯(lián)有源濾波器saf[6]［7］
對付電壓型諧波的*技術(shù)措施就是采用saf，它可以省去變頻器前面的線路電抗器，但由于它串聯(lián)在電路中間，要通過全部線路電流，而且一旦出現(xiàn)故障就會中斷供電。目前，國內(nèi)尚無商品（包括進(jìn)口品在內(nèi)）面市。