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有源滤波技术现状及其进展【摘要】集成电路进展至今,滤波器已经成为系统中不行或缺、很常用的一个单元本文首先对滤波器作一简洁概述然后,着重对滤波器的一个分支模拟滤波器中的有源滤波器进行介绍特殊是对有源滤波技术现状及其进展重点介绍Activefilteringtechnologyanditsdevelopment[AbstractJICdevelopmentsofarthefilterhasbecomeanintegralpartofthesystemusedasingleunit.Firstlyforabriefoverviewofthefilter.Thenontheactivefilterinthefilterisabranchoftheanalogfiltersareintroduced.Inparticulartheintroductionofactivefilteringtechnologyanditsdevelopmentpriorities.
一、概述LI滤波器的产生和进展滤波器是一种专用的选频网络,由于真实的世界中有各种各样需要或者不需要的信息所以它可以以某种规定的方式将输入信号依据需要变换成系统要求的输出信号•,让某些频率成分的信号通过而使其它频率成分的信号受到堵塞或者衰减它是一种应用特别广泛的信号处理系统,在通信、航天、自动掌握、传感器等领域起着重要的作用事实上,任何电子系统,从简洁的放大器到简单的数字信号处理D树taiSignalProcessing系统都需要滤波器由于在实际生活中,全部的模拟系统,都不行避开的要与噪声与外界干扰打交道,这样,滤波器就常被用来消退不必要的噪声以及抑制外界对自身系统的干扰等从20世纪20年月到20世纪60年月,滤波器的设计主要是由无源器件,如电阻、电容和电感组成而其中,又以无源LC梯形网络更为有用,这主要得益于它对元件的变化不太敏感但长期以来,低品质的电感始终限制了无源滤波器的进展20世纪50年月人们发觉,用特地的有源电路来代替体积大且价格昂贵的电感则可以极大地减小电路的规模和成本与此同时,伴随着进入20世纪60年月中期,分立元件中高性能有源器件如运算放大器开头消失,极大地进展了有源滤波器的设计在进入20世纪70年月中期,分立的有源RC滤波器开头流行同时,半导体技术又正在如火如荼的绽开,因此人们这时又开头考虑需要将滤波器进行集成以满意整个工业进展的需要随着航天航空、现代通信和掌握技术的进展,系统对模块集成化的要求也越来越高全集成滤波器是单片集成的,与由分立有源元件构成的滤波器相比,主要有以下优点.集成电路是专用的,设计中都是针对性考虑并设计,所以集成后的滤波器有着分立元件设计的滤波器无可比拟的面积和功耗优势.工艺的特殊性,虽然很难做到器件的肯定值稳定,但是在芯片内,元件之间的匹配可以做得很好,这样也极大地改善滤波器的性能,尤其是线性度.针对工艺的肯定值不稳的特点,自动调谐电路则能够很好地克服因工艺和温度变化所带来的误差.与分立无源滤波器相比,集成滤波器大大地削减了寄生电容这主要得益于芯片内部,各种尺寸间距的减小等
1.2滤波器的概述针对目前所常用的滤波器的设计方法,单片集成有源滤波器的分类如图1—1所示图1单片集成有源滤波器的分类
二、有源滤波技术的历史进展和现状七十年月初有源滤波器的基本原理和电路拓扑结构就已确定,但由于受到当时功率半导体器件水平以及掌握策略的限制,有源电力滤波器的研制始终处于试验讨论阶段.直到进入八十年月以来,随着新型电力半导体器件的不断进展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出,使有源电力滤波器得到快速完善和进展日自1982年世界第一台APF800kVA在日本研制胜利而被正式投入使用以来m经过20多年的讨论和探究,APF技术得到了长足的进展,越来越多的APF投入了运行,不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善其中在日本,已投入使用的APF从50kVA到60MVA功率范围越来越宽,从谐波补偿到抑制闪变和电压调整应用功能越来越丰富.目前,有源滤波器已用在提高电能质量,解决兰相电力系统中终端电压调整、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消退和无功补偿等问题上
三、有源滤波器的分类目前投入使用的APF种类繁多,其分类方法也多种多样图2从不同的角度对APF进行了分类依据应用场合的不同,肛.F可分为有源直流滤波器和有源沟通滤波器两大类.前者主要用来消退高压直流系统中换流器直流侧的电压;后者则应用于沟通电力系统图2有源滤波器的分类依据逆变电路的储能元件不同,有源滤波器分为电流型和电压型两种.电压型滤波装置效率高、初期投资小,可任意并联扩容,易于单机小型化,经济,适用于电网级谐波补偿目前有用装置90%以上为电压型,技术相对成熟电流型滤波装置作为非正弦电流来源来满意非线性负载的谐波电流要求,其结构简洁、性能牢靠,但损耗较大,不适用于大容量系统从与电网的连接方式看,有源滤波器可分为并联和串联型图3a为并联型APF他是最基本的方式由于并联型APF并联接入电网,相当于一个受控电流源,可消退负载引起的谐波电流,也可补偿无功和平衡三相电流其适用于感性电流源型负载的谐波无功补偿优点是它只流过补偿电流和小部分基波有功电流,此外并联型APF可以并联使用以供应大的电流但由于APF和被补偿的谐波负载并联在电网上,须承受电网基波电压,这使其容量很大而构成APF主电路的PWM逆变器的容量和动态成反比,很难是APF在具有很大容量的同时还能具有良好的动态特性和较低的开关耗损串联APF如图3b所示它的逆变器结构主电路不需要电流掌握电路,APF通过变压器串联在电网和负载之间,相当于一个受控电压源其主要用于消退带电容二极管整流电路等电压源型谐波源负载对系统的影响主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡的电压对电压敏感性负载尤为适用但与并联有源滤波器相比,主要缺点是流过很高的负载电流使得变压器额定参数提升,体积变大,耗损大;此外串联APF投切、故障后的退出及各种爱护也较为简单目前,并联型占了大多数虽然SPF能实现大容量和低耗损以及多功能但由于受开关器件的限制,容量增大往往有限而且造价随之增大而无源滤波器结构简洁,造价低廉,所以人们选择有源和无源相结合的混合型APF来减小APF的容量,提高装置的经济性.无源滤波器和串联型有源滤波器也可以混台使用,如图3c所示.图3d和⑹所示分别为并联APF和无源滤波器混合并联以及混合串鞋的使用状况此外为了充分发挥并联有源滤波器和串联有源滤波器各自的优点,可以将二者组合起来使用,这就是统一电能质量调整器的基本结构4T9],如图2f.串联有源滤波器通过变压器接入主电路中,具有谐波隔离、电压调整以及电压闪变,不平衡的补偿等作用,其变压器容量取决于电压调整范围,容量很小.并联有源滤波器直接与主电路相连,起谐波和负序电流消退、无功电流补偿和直流母线电压调整作用.这种结构虽然功率开关较多,但开关应力较小容量不大.两个有源滤波器都采纳电压型逆变器结构.公用直流乎波电容器,损耗低效率高;系统输入和输出波形畸变小;电压调整动态响应时间短范围宽,精度高;能适用于各种用电负载,能抑制电网三相沟通电压不均衡.这种电路结构的掌握方式转变后可以实现统一潮流掌握器和沟通电网移相器的功能.对这种装置电路结构和掌握方法讨论是目前电力电子技术领域的一个讨论热点和进展方向图3有源滤波器的各种拓扑结构
四、有源滤波器的检测技术有源滤波器掌握的第一个环节是补偿指令的猎取.这一环节将直接影响到有源滤波器的性能,由于假如不能精确地得到指令信号,电流的掌握将无从谈起.计算补偿电流指令,酋先必需依据补偿目的将谐波和无功电流重量或者正序、负序及零序等重量进行分别.依据补偿目标,可以对电流进行不同的分解.例如,在补偿全部高次谐波重量以及单位功率因数的条件下,只需检测基波有功电流重量即可假如只进行某些次谐波消退以及基波无功重量补偿,则需要分别检测出各次谐波重量以及基波无功重量.
五、源滤波器的掌握技术有源电力滤波器的闭环掌握策略中最常用的是模拟或数字PI掌握,此外还有变结构掌握、模糊掌握和人工神经网掌握等现代新型掌握方法.PI掌握器一般用于逆变器赢流环节的掌握,如掌握电压源型逆变器直流母线电压或电流源型逆变器直流母线电流.电压源型电流跟踪型有源滤波器直流母线电压的稳定就采纳了PI掌握器给定直流参考电压与直流母线电压的差作为PI的输人信号,掌握器的输出信号作为稳定逆变器直流母线电压的有功电流峰值.它与电网同步单位参考电压的乘积即为PwM电流掌握器的一部分输入信号.
六、有源滤波器的进展前景有源滤波器作为净化电网污染、改善供电质量的一种有效装置,有着宽阔的应用前景.从近年来的讨论和应用可以看出有源滤波器具有如下的进展前景1为了降低成本、提高效率和扩大容量,有源滤波器与LC无源滤波装置组合的混和型有源滤波系统将得到广泛的应用.2为了适应有源滤波器多功能简单掌握的需要,在有源滤波器走向有用化的道路上,一些先进的掌握策略包括变结构和智能掌握将得到真正的应用以获得更好的掌握性能和效果.3通过PWM调制和可提高开关期间等效开关频率的多重化技术,实现对高次谐波的有效补偿.当有源滤波器的容量不大时通常采纳IGBT和PWM技术进行谐波补偿;当容量很大时可采纳GrID以及多重化技术进行谐渡补偿..参考文献
1.顾建军,徐殿国,刘汉奎,公茂忠电机与掌握学报200372哈尔滨工业高校,电气工程系黑龙江,哈尔滨,1500012•汪虎《应用于传感器的CMOS低通滤波器》论文电子科技高校
3.程全红工程建设与设计20227中铁建设集团有限公司,北京,100040。