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無源濾波器與有源濾波器的工作原理和區別

發表時間:2019/3/12  來源:RF技術社區  瀏覽次數:4960  
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無源濾波器

這種電路主要有無源元件R、L和C組成。

無源濾波裝置
該裝置由電容器、電抗器,有時還包括電阻器等無源元件組成,以對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路,以達到抑製高次諧波的作用;由於SVC的調節範圍要由感性區擴大到容性區,所以濾波器與動態控製的電抗器一起並聯,這樣既滿足無功補償、改善功率因數,又能消除高次諧波的影響。  
國際上廣泛使用的濾波器種類有:各階次單調諧濾波器、雙調諧濾波器、二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。

一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波並聯低阻(調諧濾波)狀態,給某次諧波電流構成一個低阻態通路。這樣諧波電流就不會流入係統。無源濾波的優點為成本低,運行穩定,技術相對成熟,容量大。缺點為諧波濾除率一般隻有80%,對基波的無功補償也是一定的。


有源濾波器工作原理
用電流互感器采集直流線路上的電流,經A/D采樣,將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理,得到諧波參考信號,作為PWM的調製信號,與三角波相比,從而得到開關信號,用此開關信號去控製IGBT單相橋,根據PWM技術的原理,將上下橋臂的開關信號反接,就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流,將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控製部分。再將有源濾波器接入點後的線上電流的諧波分量反饋回來,作為調節器的輸入,調整前饋控製的誤差。


有源電力濾波器
有源電力濾波器,是采用現代電力電子技術和基於高速DSP器件的數字信號處理技術製成的新型電力諧波治理專用設備。

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它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流,並將模擬電流信號轉換為數字信號,送入高速數字信號處理器(DSP)對信號進行處理,將諧波與基波分離,並以脈寬調製(PWM)信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈衝,驅動IGBT或IPM功率模塊,生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網,對諧波電流進行補償或抵消,主動消除電力諧波。

 

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諧波是怎麽產生的?
諧波的產生是由於正弦波電壓施加在非線性負載上,電流就變成了非正弦波,非正弦波電流在電網阻抗上產生降壓,會使電壓波形也變成非正弦波。如今在通訊、半導體、石化、化纖、鋼鐵中加熱爐和汽車製造等行業中廣泛使用的負載大部分為非線性負載,如變頻調速設備、整流器、不間斷電源、開關電源、電弧爐、焊接設備、電腦、電梯、變頻空調、節能燈和複印機等等。由於這些非線性負載所產生的大量諧波電流湧入電網中,導致電壓波形發生畸變現象。這種諧波汙染對電網和用戶產生了嚴重的危害。
諧波的危害
1、造成電纜、電動機和變壓器過熱,導致其實用壽命下降或損壞; 
2、損壞敏感的設備,導致生產或者實驗中斷,造成重大損失;
3、引發斷路器誤動作,區域性停止事故;
4、造成電容器過載或因故障而損毀;
5、導致中性線上出現大電流而引發係統故障;
6、誘發電網諧振;
7、電網中存在的諧波將降低供電效率;
8、如諧波汙染等級過高,將得不到供電部門的入網批準;
再說簡單點,用一句話表示就是:APF出現在整流器、變頻器、UPS、一次電源等出現的地方。

什麽是SVG?
SVG中文名叫做靜止無功發生器,英文描述為:Static Var Generator,簡稱為SVG。又稱高壓動態無功補償發生裝置,或靜止同步補償器。是指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。SVG是目前無功功率控製領域內的最佳方案。相對於傳統的調相機、電容器電抗器、以晶閘管控製電抗器TCR為主要代表的傳統SVC等方式,SVG有著無可比擬的優勢。
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區別

SVG是靜態無功補償設備,是用來提高係統功率因數的;而有源濾波器(目前市麵所能見到的有源濾波器都是並聯的)是諧波補償設備,是用來消除係統內的諧波的。這是兩者最重要的區別。

聯係
兩者可以組合在一起使用,在補償無功功率的同時,亦可以對係統內的諧波電流進行抑製。
簡單來講,APF主要是濾波功能,SVG主要是無功補償。如果有諧波,SVG需要配濾波器進行。SVG的好處是容量可以做的比較大一些。APF,一般有50A,75A,100A不等。APF對係統要求比較高。但是可能係統又需要無功,因此就需要比較精密計算和仿真。


無源濾波器與有源濾波器的區別與聯係
有源濾波器:集成運放和R、C組成,具有不用電感、體積小、重量輕等優點。集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗均很高,輸出電阻小,構成有源濾波電路後還具有一定的電壓放大和緩衝作用。但集成運放帶寬有限,所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。
有源濾波自身就是諧波源!其依靠電力電子裝置,在檢測到係統諧波的同時產生一組和係統幅值相等,相位相反的諧波向量,這樣可以抵消掉係統諧波,使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外,同時還可以動態補償無功功率。其優點是反映動作迅速,濾除諧波可達到95%以上,補償無功細致。缺點為價格高,容量小。由於目前國際上大容量矽閥技術還不成熟,所以當前常見的有源濾波容量不超過600kvar。其運行可靠性也不及無源。
目前在容量大且要求補償細致的地方一般使用有源加無源混合型,即無源進行大容量的濾波補償,有源進行微調。
原理上講,有源濾波器可以達到很高的Q值,但是過高的Q值對於有源濾波器來說是不夠穩定的。有源濾波器的特性曲線不夠好,有可能是你使用的運放帶寬不夠。從原理上,無論有源無源,實現出來的特性應該是一致的。主要還是一個製作問題。
無源RC濾波器當然不能等同於有源RC濾波器,有源RC和無源LC可以實現出Bottworth函數,而用無源RC實現這個函數是很不理想的,它的最低衰耗值極高(此點鮮為人知)。所以一般不用無源RC函數作濾波器逼近函數。   
不僅如此,而且經過計算,無源低通二階濾波器的品質因數非常的低,最高能達到0.5,但是這個還不是所有的頻率都能夠達到的。
雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單及維護方便等優點,在現階段廣泛用於配電網中,但由於濾波器特性受係統參數影響大,隻能消除特定的幾次諧波,而對某些次諧波會產生放大作用,甚至諧振現象等因素,隨著電力電子技術的發展,人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器(Active PowerFliter,縮寫為APF)。  
APF即利用可控的功率半導體器件向電網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,達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比,有以下特點:
1、不僅能補償各次諧波,還可抑製閃變,補償無功,有一機多能的特點,在性價比上較為合理;
2、濾波特性不受係統阻抗等的影響,可消除與係統阻抗發生諧振的危險;  
3、具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化著的諧波,即具有高度可控性和快速響應性等特點。
無源濾波電路:若濾波電路僅由無源元件(電阻、電容、電感)組成。  
有源濾波電路:若濾波電路不僅由無源元件,還由有源元件(雙極型管、單極型管、集成運放)組成。  
有源電路說白點就是元件必須有工作電源支持。無源電路中的器件不需要工作電源支持。   
這裏可理解源就是電源。  
無源電路中的信號如果沒有外部信號補充最後將衰減為零,有源元件定義為可以給外部電路提供大於零的平均功率的元件,而且該平均功率可以持續無限長的時間;反之,則是無源元件。 這時候可理解源就是有源元件提供的信號源。
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