有源濾波器工作原理,以及結(jié)構(gòu)

有源電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。有源濾波器之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源(用以補(bǔ)償主電路的諧波)，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)(傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功。三相電路瞬時(shí)無功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論;APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多;并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振，但是價(jià)位相對(duì)高!有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。

在高階濾波器鏈中添加緩沖運(yùn)算放大器還可以減少鏈中每個(gè)環(huán)節(jié)之間的衰減，并防止鏈中的濾波器元件扭曲鏈中其他濾波器元件的濾波器特性。

例如，我們看下面的二階低通濾波器，那么可以看到，第二個(gè)濾波器的電阻元件不僅僅是R2=10k，而是 R1 + R2 = 20k。而第一個(gè)濾波器中的電容，不僅需要考慮C1的電容，還需要考慮C2的電容。

二階低通濾波器

截止頻率公式：F= 1/2πRC

這具有降低濾波器截止頻率的效果。

降低濾波器截止頻率

對(duì)于10k 和 1nF 的 R 和 C 值，預(yù)計(jì)截止頻率(第一濾波器級(jí)為 -3dB，第二濾波器級(jí)為 -6dB)為 15.9kHz，但發(fā)現(xiàn)它略低于該值。

這里要注意，二階階段1的頻率響應(yīng)如何遵循二級(jí)階段2的頻率響應(yīng)。在低頻下，電容充當(dāng)開路，但在較高頻率下，二階級(jí)1跟在一階濾波器之后，因此C1開始充當(dāng)短路電路，其電阻(與 R2 相比)較低。

如果我們在濾波器第二級(jí)中降低電阻并增加電容(但保持相同的 RC 常數(shù))，這種情況會(huì)更加明顯：

在濾波器第二級(jí)中降低電阻并增加電容

這樣的話，截止頻率會(huì)變得更低。

緩解這種情況的一種方法是讓第二級(jí)的輸入阻抗至少比第一級(jí)的輸出阻抗大一個(gè)數(shù)量級(jí)(10x)，即使R2 比 R1 大 10 倍(并使 C2 小 10 倍) ，保持 RC 恒定)。

二階濾波器第一級(jí)的頻率響應(yīng)與一階濾波器的頻率響應(yīng)非常匹配

現(xiàn)在可以看到二階濾波器第一級(jí)的頻率響應(yīng)與一階濾波器的頻率響應(yīng)非常匹配。截止頻率也更接近預(yù)期的 15.9kHz。

截止頻率也更接近預(yù)期的 15.9kHz

進(jìn)一步降低第一級(jí)的輸出阻抗和/或增加第二級(jí)的輸出阻抗，就會(huì)讓截止頻率更接近預(yù)期，但是不會(huì)完全達(dá)到預(yù)期。

如果增加第三(或第四等)過濾器階段，問題就會(huì)更復(fù)雜，這就是為什么要添加緩沖運(yùn)算放大器原因。

一、鉗位濾波器的工作原理

鉗位濾波器的工作原理基于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限制，使得輸入信號(hào)在將其轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)之前必須滿足一定的限制條件。鉗位濾波器通常由兩個(gè)

比較器

和一個(gè)反饋

網(wǎng)絡(luò)

組成。其中一個(gè)比較器用于比較輸入信號(hào)與設(shè)定的上限閾值，另一個(gè)比較器用于比較輸入信號(hào)與設(shè)定的下限閾值。當(dāng)輸入信號(hào)超過上限閾值時(shí)，上限比較器將輸出高電平，下限比較器輸出低電平;當(dāng)輸入信號(hào)低于下限閾值時(shí)，上限比較器輸出低電平，下限比較器輸出高電平。反饋網(wǎng)絡(luò)的作用是將比較器輸出反饋給輸入信號(hào)，以修正輸入信號(hào)的偏移。

二、鉗位濾波器的特點(diǎn)

1. 鉗位濾波器能夠有效地消除非線性失真帶來的偏移問題，提高信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2. 由于鉗位濾波器是通過比較輸入信號(hào)和閾值來實(shí)現(xiàn)濾波，因此對(duì)于大部分非線性失真信號(hào)都能有效處理。

3. 鉗位濾波器的輸出信號(hào)與閾值的關(guān)系可以通過調(diào)整閾值來控制輸出信號(hào)的幅值和相位。

三、鉗位濾波器的應(yīng)用

1. 低噪聲

放大器

中的偏置控制：鉗位濾波器可以用于低噪聲放大器中，通過對(duì)輸入信號(hào)的偏置進(jìn)行修正，減少放大器的非線性失真，使得輸出信號(hào)更加準(zhǔn)確。

2. 輸出級(jí)直流偏置的消除：在某些電子設(shè)備中，由于工作環(huán)境的不穩(wěn)定性或者器件

參數(shù)

的波動(dòng)，輸出級(jí)的直流偏置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變化，使用鉗位濾波器可以修正這種偏置，并保持輸出信號(hào)始終在設(shè)定范圍內(nèi)。

3.

傳感器

信號(hào)處理：傳感器在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)受到各種干擾，導(dǎo)致輸出信號(hào)不準(zhǔn)確。使用鉗位濾波器可以在一定程度上抑制干擾信號(hào)，提高傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性。

4.

數(shù)字信號(hào)

后處理：在數(shù)字信號(hào)處理中，鉗位濾波器可以用于對(duì)

模擬

信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理，消除由于A/D轉(zhuǎn)換等非線性引起的誤差，提高數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確度。

綜上所述，鉗位濾波器是一種可靠、高效的信號(hào)

處理器

件，它能夠消除非線性失真引起的偏移問題，提高信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。在電子電路中的應(yīng)用非常廣泛，特別適用于需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正和濾波的場合。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鉗位濾波器的應(yīng)用也將得到進(jìn)一步的擴(kuò)展和改進(jìn)。

無源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，因而不適用于信號(hào)處理要求高的場合。

有源濾波電路的負(fù)載不影響濾波特性，因此常用于信號(hào)處理要求高的場合。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，因而必須在合適的直流電源供電的情況下才能使用，同時(shí)還可以進(jìn)行放大。但電路的組成和設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。

下面我們就來認(rèn)識(shí)一下有源濾波電路是怎么樣的。

02

有源低通濾波電路

先看看它的電路構(gòu)成，對(duì)比無源濾波器是不是就是再無源濾波器的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)運(yùn)放(當(dāng)然，實(shí)際運(yùn)用時(shí)也可能是多階點(diǎn)入級(jí)聯(lián)而成的)，工程中我們使用時(shí)往往都是采用多階濾波，在一定條件下多階濾波電路性能會(huì)更好，它的優(yōu)勢最前面介紹無源濾波器的視頻中演示過，沒注意到的朋友可以回頭再看一下。與無源濾波電路一樣，我們可以計(jì)算出它的截止頻率，又由運(yùn)放基礎(chǔ)“虛短”，“虛斷”知識(shí)，我們可以計(jì)算出在截止頻率前電路的增益。傳遞函數(shù)如果看不懂先不要糾結(jié)，這里就先簡單知道它就是輸入輸出信號(hào)的關(guān)系式。這個(gè)還是最簡單的，多級(jí)級(jí)聯(lián)就更復(fù)雜了，容易把人看懵，我們的工作不是要死記硬背這些公式，而是學(xué)會(huì)具體問題具體分析，后面我還會(huì)專門介紹一些設(shè)計(jì)濾波電路的工具，也會(huì)用到一些常用的濾波器模型以供我們選擇，所以我們具體應(yīng)用時(shí)先根據(jù)需求分析需要什么功能的電路，再用工具設(shè)計(jì)獲得初步的參數(shù)，然后再實(shí)際電路上測試結(jié)果，最后修正得到符合功能要求的穩(wěn)定的參數(shù)。所以還是希望你看了之后不要談“圖”色變，但對(duì)于要專研的朋友就必須要多看看課本或查找資料學(xué)習(xí)了。我在這里也不例舉多階電路了。

有源帶阻濾波電路

與有源帶通濾波電路相仿，這是由低通并聯(lián)高通電路得到的，看圖片是不是又看到了熟悉的雙T電路了?

因?yàn)閹?，帶阻電路是由高通低通組合而來，高通，低通電路都有非常多的應(yīng)用形式了，再組合就更多了，不好統(tǒng)一分析，所以這里就都沒做過多介紹。