有源滤波器

有源滤波器的设计方法，大致可归结为级联法和模拟法两大类。

根据技术指标要求，求出可以物理实现的转移函数(通常可由现成的有源滤波器资料和手册中查得)，并将它分解为低阶函数(主要是二阶函数)之积，将这些低阶函数分别用有源电路实现后再级联起来，就实现了原转移函数。实现低阶函数的电路通称为基本节，目前已有许多典型的二阶基本节电路供设计者选用。按基本节中使用放大器的数目可分为单放大器电路、双放大器电路、三放大器电路、四放大器电路，图1给出了几个基本节示例。级联法设计过程比较简单，电路特性调整容易，所实现的电路比较经济，是常用的方法。

先设计出能满足技术指标要求的LC滤波器器作为设计原型，再用有源电路去模拟实现。这种方法又可分为元件模拟法和功能模拟法两类，并且多以双端终接电阻的LC梯型滤波器为原型。通常，模拟法比级联法需用更多元件。

(1)元件模拟法

用模拟电感(能实现电感特性的不含电感元件的有源电路)取代LC滤波器中的电感元件。现有浮地模拟电感电路的性能还不够好，用得较少。当LC滤波器中含有浮地电感时，常通过变换的方法来消除它。RLC-CRD变换是常用的一种。它是用因子K/s(s是复频率，K为实常数)使电路中每个元件的阻抗都增大K/s倍。这种变换不会改变原电路的传输特性，却使原电路中的R、L、C元件分别变成了C、R、D(频变负阻)元件。图2是一例子。

(2)功能模拟法 先作出LC原型滤波器电路中各电压电流的信号流图，再用积分器、加法器、乘法器等有源电路来实现。

谐波主要危害:

· 增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失;

· 引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行;

· 产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命;

· 由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化;

· 谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命;

· 零序(3的倍数次)谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事故。

· 谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱;

· 谐波变改变了电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量;

· 使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差;

· 干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行。

谐波治理经济效益:

1、节能5%~8%

某IDC机房7台400KVAUPS不间断电源，08年电费支出约1500万元，治理谐波后年节约电费110万元，节能效果7.3%。

2、降容减少变压器、断路器、电缆投资

某工厂安装国电中自有源滤波器，退还一台变压器给供电局，节省100多万投资保护设备、减少设备投资;

河南某纸厂变频器产生的谐波每月烧毁两台风机，每月损失3万元。

3、提高生产率和保持连续供电

大庆腈纶厂治理谐波后日产量从197吨提高到210吨。

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。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。

技术优势 绿色化

效率达97.2%，比效率为95%的有源滤波器年节约电能约6, 500kwh

效率更高的拓扑增强型控制算法

基于精确模型的热设计和结构优化

小型化

体积仅为同类主流品牌1/6,占用更少空间 ，

活适应不同的工况安装创新，壁挂式或机架式安装使用更少的原材料,保护环境

智能化

补偿指定次数谐波可调感性、容性无功补偿补偿系统不平衡负载自动检测、抑制系统谐振全功能监控系统

模块化

N+1冗余，显著提高系统可靠性流水线生产 ， 更出色质量保证减少系统单故障点灵活并联，适应不同工况

功能特性

同时滤除2~50次谐波，或选择2~50次内任意次数谐波进行补偿 响应时间小于300μs

采用3DSP+CPLD全数字控制方式和国际知名品牌高速IGBT，闭环控制，精确滤除谐波

应用四相线技术，消除中性线电流

自动消除谐振，不受电网阻抗和系统阻抗变化影响 具有补偿谐波;同时补偿谐波和无功;同时补偿谐波，无功和负 载三相电流不平衡三种工作模式

电子式过负荷保护

逆变器控制具备了机器快速的FPGA，功率数字信号处理功能

模块化设计，易于扩展 多机并联集中监控功能 远程网络监控功能

维护方便，在符合要求的工作环境下工作，非机器故障无需维护

产品设计标准

国际标准

EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3(VFI SS 111), CISPR11

国家标准

GB/T14549-93《电能质量:公用电网谐波》

GB/T15543-1995 《电能质量:三相电压允许不平衡度》

GB/T15945-1995 《电能质量:电力系统频率允许偏差》

GB/T12326-2000 《电能质量:电压波动和闪变》

GB/T12325-2003 《电能质量:供电电压允许偏差》

GB/T18481-2001 《电能质量:暂时过电压和瞬态过电压》

GB/T15576-2008 《低压成套无功功率补偿装置》

GB7625.11998 《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》

GB 4208-2008《外壳防护等级(IP代码)》

电压输入范围

额定工作电压为380V，可承受-40%~+20%的电压波动，频率为50/60Hz, 可承受+/-5%的频率波动，适应各种不同工况的电能质量环境。同时，如果电压波动超过上下限，机器自动闭锁输出，并 发出告警。

自动限流

自动限定在额定容量范围内100%输出，如果负载侧谐波电流大于机 器额定容量，机器会在额定容量内继续输出电流补偿谐波，不会发生过载导致自身超载或退出运行。

负载短路保护

可承受负载瞬间短路的冲击，在短路消除后重新启动。

并联独立控制

并联接入电网，不会因机器故障导致电网发生断电事故。多台YW-APF有源电力滤波器并联系统，如果一台因故障退出运行，剩余的 机器仍能正常工作实现滤波功能。

三相电流独立控制

各相电流独立控制，单相注入电流，不受系统三相电流不平衡影响，中性线滤波能力为相线的三倍。

IP防护等级及防雷保护

IP保护等级为IP20;防雷保护能力为20kA。

监控系统

系统具备快速、完全的故障自检功能，包括市电欠压或过压、母线 过压或过流、风扇故障、功率器件过温、输入保险丝熔断等各种故障自检，所有故障均通过LCD显示屏及LED运行状态灯发出告警信号，同时机器自动采取相对应的操作保护系统。 监控系统在供电或断电情况下可保存500条故障记录，便于分析原因 及排除故障。

三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论;APF有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高!

优点:可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收;不会产生谐振。

缺点:造价太高;受硬件限制，在大容量场合无法使用:有源滤波容量单套不超过100KVA,目前最高适用电网电压不超过690V。

1.滤波精度高，谐波电流滤除率可达97%以上;

2.滤波范围广，滤波次数:2--50次谐波及间谐波;

3.对负载的波动响应快，响应时间为1us;

4.动态注入电流以抑制谐波和补偿功率因数;

5.不会与系统发生谐振;

6.可多台组合扩展容量;

7.抑制系统过电压，改善系统电压稳定性

8.阻尼电力系统功率振荡;

9.能抑制电压闪变、补偿三相不平衡、提高功率因数;

10、系统的自我保护和稳定性极强。

萨顿斯有源电力滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如:电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。根据应用对象不同，HTAPF-I型有源电力滤波器的应用将起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。

■通信行业

为了满足大规模数据中心机房的运行需要，通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查，通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。其产生的谐波含量都较高，且这些谐波源设备的位移功率因数极高。通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性，延长通信设备及电力设备的使用寿命，并且使配电系统更符合谐波环境的设计规范。

■半导体行业

大多数半导体行业的3次谐波非常严重，主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波，具备在中性线汇集的特点，导致中性线压力过大，甚至出现打火现象，存在着极大的生产安全隐患。谐波还会造成断路器跳闸，耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流，加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。

■石化行业

由于生产的需要，石化行业中存在着大量泵类负载，并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。目前绝大部分变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流，因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。

■化纤行业

为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量，以及延长炉龄、节省能源，在化纤行业常用到电助熔加热设备，借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波，且三相谐波的频谱和幅值差别比较大。

■钢铁/中频加热行业

钢铁业中常用到的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会对电网的电能质量产生重大的影响，使电容补偿柜过载保护动作频繁、变压器和供电线路发热严重、熔断器频繁熔断等，甚至引起电压跌落、闪变。

■汽车制造业

焊机是汽车制造业中不可少的设备，由于焊机具有随机性、快速性及冲击性的特点，使大量使用焊机造成严重的电能质量问题，造成焊接质量不稳、自动化程度高的机器人由于电压不稳而不能工作，无功补偿系统无法正常使用等情况。

■直流电机谐波治理

大型直流电机场所都需要先通过整流设备将交流电转换为直流电，由于此类工程的负载容量都较大，因此在交流侧存在严重的谐波污染，造成电压畸变，严重时会引起事故。

■自动化生产线和精密设备的使用

在自动化生产线和精密设备场合，谐波会影响到其正常使用，使智能控制系统、PLC系统等出现故障。

■医院系统

医院对供电的连续性和可靠性有非常严格的要求，0类场所自动恢复供电时间T≤15S，1类场所自动恢复供电时间0.5S≤T≤15S， 2类场所自动恢复供电时间T≤0.5S，电压总谐波畸变率THDu≤3%，X光机、CT机、核磁共振都是谐波含量极高的负载。

■剧场/体育馆

可控硅调光系统、大型LED设备等都是谐波源，在运行过程中会产生大量的三次谐波，不但造成配电系统的电力设备效率低下，而且还会造成灯光频闪，对通信、有线电视等微弱电回路产生杂音，甚至产生故障。

1.额定工作电压:380V/220V，50Hz

2.额定谐波补偿容量:50A/100A/150A/200A

3.整机功耗:小于容量的3%

4.抑制谐波效果:达到国标要求，稳态THD可降低至5%以下

5.额定绝缘电压:3000V AC，2500V DC

有源滤波器是用电流互感器采集直流线路上的电流，经采样，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单相桥，根据技术的原理，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

1.动态有源滤波，全面改善电能质量;

2.DSP全数字控制，20KHz开关频率，对负载的动态变化迅速响应;

3.谐波补偿次数可选择，最高能滤除50次谐波;

4.萨顿斯有源电力滤波器可选择同时补偿无功;

5.具备三相不平衡补偿能力;

6.具有自动限流功能，不会发生过载;

7.效率高，满载损耗小于2.57;

8.并联安装方式，安装简单，体积小;

9.降低线路损耗，消除谐波引起的变压器和电机发热，实现系统大幅度节能;

10.有源电力滤波器的滤波效果不受系统阻抗变化影响，并能自动抑制系统谐振;

11.按照配电结构，可选择局部补偿、部分补偿或总补偿，CT可位于电源侧或负载侧;

12.易于扩展和冗余设计，可最多10台并联运行。

1.熟悉ispPAC80可编程模拟器件的结构、功能。

2.掌握可编程模拟器件设计有源滤波器的方法。

3.学会使用PAC-Designer软件进行有源滤波器的设计。

4.学会有源滤波器的幅频、相频特性曲线的测试方法。

(一)设计原理

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制(或衰减)无用频率信号的电子电路或装置。在工程上，常用它来进行信号处理，数据传送或抑制干扰等。以往滤波器主要采用无源元件R、L、和C组成，目前一般用集成运放、R、C组成，常称为有源滤波器。

在一个实际的电子系统中，有时输入信号往往受干扰等原因而含有一些不必要的成分，应当把它衰减到足够小的程度。而在另一些场合，有时我们需要的信号和别的信号混在一起，应当 设法把我们需要的信号挑出来。要解决这些问题都需要采用有源滤波器。

用在系统可编程模拟器件实现有源滤波器的设计非常方便。通常用三个运算放大器就可以实现双二阶型函数的电路。而双二阶型函数能实现所有的滤波器函数，如低通、高通、带通、带阻。双二阶函数的表达式如3-17-1所示，式中m=1或0，n=1或0。

3-17-1

这种电路的灵敏度相当低，电路容易调整。另一个显著特点是只需增加少量的元件就能实现各种滤波函数。3.16节可知ispPAC10、ispPAC20器件结构与功能，实现这样的电路很容易。首先讨论低通滤波器的转移函数如3-17-2式。

3-17-2

3-17-3

3-17-4

3-17-4式可写成3-17-5式形式

b=k1k2 3-17-5

3-17-1为双二阶有源滤波器方框图。

不难看出方框图中的函数可以分别用反相器电路、积分电路、有损积分电路来实现。把各个运算放大器电路代入3-17-1的方框图即可得到3-17-2电路。

然而现在已不再需要电阻、电容、运放搭电路了，调试电路了。利用在系统可编程器件可以很方便的实现此电路。ispPAC10能够实现方框图中的每一个功能块。PAC块可以对两个信号进行求和或求差，K为可编程增益，电路中把K11、K12、K22设置成+1，把K12设置成-1。因此三运放的双二阶型函数的电路用两PAC块就可以实现。在开发软件中使用原理图输入方式，把两个PAC块连接起来。

电路的CF是反馈电容值，Re是输入运放的等效电阻。其值为250kΩ。两个PAC块是输出分别为Vo1和Vo2。可以分别得到两个表达式，3-17-6表达式为带通函数、

3-17-6

3-17-7表达式为低通函数

3-17-7

实际利用ispPAC进行滤波器的设计时，一般在其开发软件PAC-Designer中含有一个宏，专门用于滤波器的设计，设计者只要根据所要求选择不同类型，不同性能指标的滤波器配置电路，不需要自己连接电路，只要输入滤波器的相应指标。如fo、Q等参数，即可自动产生滤波器电路。例如:用ispPAC10或ispPAC20设计时，需要在自动生产的滤波器电路里设置相应的增益和电容值。然后用模拟器模拟出所设计滤波器的幅频和相频特性。并与现实进行较，是否符合技术要求。

例如:根据3-17-6和3-17-7给出的方程，输入相应的技术指标，便可以在PAC Designer软件中滤波器设计的宏里自动产生双二阶滤波器电路，增益和相应电容值根据需要进行设置。开发软件中还有一个模拟器，用于模拟滤波器的幅频和相频特性。

(二).ispPAC器件设计有源滤波器举例

ispPAC80是lattice公司继ispPAC10和ispPAC20后推出的一种专门用来实现高性能连续时间低通滤波器的模拟可编程器件。该器件内部包含了仪表放大器增益级，内核是一个五阶滤波器，其软件设计方法与ispPAC10、ispPAC20稍有不同。

每一片ispPAC80器件可以同时存储两组不同参数的五阶滤波器配置(cfgA和cfgB),在进行设计前其默认值是空的(cfgA.unknown,cfgB.unknown)。ispPAC80软件库中含有八千多种不同类型和参数的五阶滤波器库，设计者可以调用该库从而方便地完成设计。例如:先设计第一个配置(cfgA):双击cfA unkown所在的矩形框，产生如图3-17-7所示的五阶滤波器库。

该库中含有各种不同类型的滤波器，如萨顿斯滤波器(Satons)、巴塞尔滤波器(Bessel)、线性滤波器、高斯滤波器(Gaussian)，巴特沃斯滤波器(Butterworth)、椭圆滤波器等，每种类型的滤波器根据其参数值的不同，又分为不同的具体型号，共8244种。设计者只需要具备关于滤波器技术指标等知识，如通带频率、止带频率、止带衰减，相位线性度，群延时等。设计者根据所需要的设计的目标滤波器的各项指标的数据，从数据库里挑选出与目标技术指标比较接近(相差不会超过3.0﹪)的组构方案。比如根据设计设计要求选定一种滤波器，如第4001种(ID号为4000)的椭圆滤波器，双击该ID号，将该种滤波器拷贝进ispPAC80的第一组配置ConfigurationA中。

双击输入使用运放IA图形，可以调整输入增益倍数(1.2.5或10)。同样，双击wakeup=cfgA的梯形图标，可以设置激活配置cfgA或cfgB。在上述设计输入完毕后，软件就可自动完成对滤波器的电路进行连接与参数配置。设计输入完毕后，按Tool=Run Simulator菜单，可对设计进行仿真，方法与3.16节相同。若仿真结果仍与设计要求有所偏差，则还可以调整3-17-8中滤波器的参数C1、C2、C3、C4、L2、L4和C5(双击该处即可进入参数调整状态)。

(二)spPAC80的特性曲线如3-17-10所示，供设计参考

1. 低通五阶滤波器增益为1，转折频率为10kHz，通带内允许最大波动为±1dB。

2. 设计一双二阶有源滤波器，要求实现低通、带通、高通输出。带通中心频率fo为10kHz，低通、高通转折频率均为10kHz，增益为2。

1.画出所设计有源滤波器原理图

2.用PAC-Designer软件根据设计要求设计出滤波器，打印出仿真曲线，并把设计好的滤波器下载到相应的芯片里。

3. 在实验仪器对芯片进行测试，芯片里的滤波器性能指标是否符合要求。

五.实验仪器及器件

所用仪器同3.16

ispPAC20、ispPAC10、ispPAC80适配板各一块。

有源滤波器

70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF(Active Power Filter)的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、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。

与无源滤波器相比，AFP具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。