有源濾波器的設(shè)計(jì)方法，大致可歸結(jié)為級(jí)聯(lián)法和模擬法兩大類(lèi)。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，求出可以物理實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)(通常可由現(xiàn)成的有源濾波器資料和手冊(cè)中查得)，并將它分解為低階函數(shù)(主要是二階函數(shù))之積，將這些低階函數(shù)分別用有源電路實(shí)現(xiàn)后再級(jí)聯(lián)起來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了原轉(zhuǎn)移函數(shù)。實(shí)現(xiàn)低階函數(shù)的電路通稱(chēng)為基本節(jié)，目前已有許多典型的二階基本節(jié)電路供設(shè)計(jì)者選用。按基本節(jié)中使用放大器的數(shù)目可分為單放大器電路、雙放大器電路、三放大器電路、四放大器電路，圖1給出了幾個(gè)基本節(jié)示例。級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，電路特性調(diào)整容易，所實(shí)現(xiàn)的電路比較經(jīng)濟(jì)，是常用的方法。

先設(shè)計(jì)出能滿足技術(shù)指標(biāo)要求的LC濾波器器作為設(shè)計(jì)原型，再用有源電路去模擬實(shí)現(xiàn)。這種方法又可分為元件模擬法和功能模擬法兩類(lèi)，并且多以雙端終接電阻的LC梯型濾波器為原型。通常，模擬法比級(jí)聯(lián)法需用更多元件。

(1)元件模擬法

用模擬電感(能實(shí)現(xiàn)電感特性的不含電感元件的有源電路)取代LC濾波器中的電感元件?，F(xiàn)有浮地模擬電感電路的性能還不夠好，用得較少。當(dāng)LC濾波器中含有浮地電感時(shí)，常通過(guò)變換的方法來(lái)消除它。RLC-CRD變換是常用的一種。它是用因子K/s(s是復(fù)頻率，K為實(shí)常數(shù))使電路中每個(gè)元件的阻抗都增大K/s倍。這種變換不會(huì)改變?cè)娐返膫鬏斕匦?，卻使原電路中的R、L、C元件分別變成了C、R、D(頻變負(fù)阻)元件。圖2是一例子。

(2)功能模擬法 先作出LC原型濾波器電路中各電壓電流的信號(hào)流圖，再用積分器、加法器、乘法器等有源電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

諧波主要危害:

· 增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的有效容量和效率，造成設(shè)備浪費(fèi)、線路浪費(fèi)和電能損失;

· 引起無(wú)功補(bǔ)償電容器諧振和諧波電流放大，導(dǎo)致電容器組因過(guò)電流或過(guò)電壓而損壞或無(wú)法投入運(yùn)行;

· 產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩致使電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命;

· 由于渦流和集膚效應(yīng)，使電機(jī)、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過(guò)熱，浪費(fèi)電能并加速絕緣老化;

· 諧波電壓以正比于其峰值電壓的形式增強(qiáng)了絕緣介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，降低設(shè)備使用壽命;

· 零序(3的倍數(shù)次)諧波電流會(huì)導(dǎo)致三相四線系統(tǒng)的中線過(guò)載，并在三角形接法的變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組電流超過(guò)額定值，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)事故。

· 諧波會(huì)改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，引起繼電保護(hù)設(shè)施的誤動(dòng)作，造成繼電保護(hù)等自動(dòng)裝置工作紊亂;

· 諧波變改變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，影響斷路器的分?jǐn)嗳萘?

· 使計(jì)量?jī)x表特別是感應(yīng)式電能表產(chǎn)生計(jì)量誤差;

· 干擾鄰近的電力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

諧波治理經(jīng)濟(jì)效益:

1、節(jié)能5%~8%

某IDC機(jī)房7臺(tái)400KVAUPS不間斷電源，08年電費(fèi)支出約1500萬(wàn)元，治理諧波后年節(jié)約電費(fèi)110萬(wàn)元，節(jié)能效果7.3%。

2、降容減少變壓器、斷路器、電纜投資

某工廠安裝國(guó)電中自有源濾波器，退還一臺(tái)變壓器給供電局，節(jié)省100多萬(wàn)投資保護(hù)設(shè)備、減少設(shè)備投資;

河南某紙廠變頻器產(chǎn)生的諧波每月燒毀兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，每月?lián)p失3萬(wàn)元。

3、提高生產(chǎn)率和保持連續(xù)供電

大慶腈綸廠治理諧波后日產(chǎn)量從197噸提高到210噸。

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(zhuān)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。

技術(shù)優(yōu)勢(shì) 綠色化

效率達(dá)97.2%，比效率為95%的有源濾波器年節(jié)約電能約6, 500kwh

效率更高的拓?fù)湓鰪?qiáng)型控制算法

基于精確模型的熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

小型化

體積僅為同類(lèi)主流品牌1/6,占用更少空間 ，

活適應(yīng)不同的工況安裝創(chuàng)新，壁掛式或機(jī)架式安裝使用更少的原材料,保護(hù)環(huán)境

智能化

補(bǔ)償指定次數(shù)諧波可調(diào)感性、容性無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償系統(tǒng)不平衡負(fù)載自動(dòng)檢測(cè)、抑制系統(tǒng)諧振全功能監(jiān)控系統(tǒng)

模塊化

N+1冗余，顯著提高系統(tǒng)可靠性流水線生產(chǎn) ， 更出色質(zhì)量保證減少系統(tǒng)單故障點(diǎn)靈活并聯(lián)，適應(yīng)不同工況

功能特性

同時(shí)濾除2~50次諧波，或選擇2~50次內(nèi)任意次數(shù)諧波進(jìn)行補(bǔ)償 響應(yīng)時(shí)間小于300μs

采用3DSP+CPLD全數(shù)字控制方式和國(guó)際知名品牌高速I(mǎi)GBT，閉環(huán)控制，精確濾除諧波

應(yīng)用四相線技術(shù)，消除中性線電流

自動(dòng)消除諧振，不受電網(wǎng)阻抗和系統(tǒng)阻抗變化影響 具有補(bǔ)償諧波;同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功;同時(shí)補(bǔ)償諧波，無(wú)功和負(fù) 載三相電流不平衡三種工作模式

電子式過(guò)負(fù)荷保護(hù)

逆變器控制具備了機(jī)器快速的FPGA，功率數(shù)字信號(hào)處理功能

模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展 多機(jī)并聯(lián)集中監(jiān)控功能 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能

維護(hù)方便，在符合要求的工作環(huán)境下工作，非機(jī)器故障無(wú)需維護(hù)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

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

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T14549-93《電能質(zhì)量:公用電網(wǎng)諧波》

GB/T15543-1995 《電能質(zhì)量:三相電壓允許不平衡度》

GB/T15945-1995 《電能質(zhì)量:電力系統(tǒng)頻率允許偏差》

GB/T12326-2000 《電能質(zhì)量:電壓波動(dòng)和閃變》

GB/T12325-2003 《電能質(zhì)量:供電電壓允許偏差》

GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量:暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓》

GB/T15576-2008 《低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置》

GB7625.11998 《低壓電氣電子產(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值》

GB 4208-2008《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》

電壓輸入范圍

額定工作電壓為380V，可承受-40%~+20%的電壓波動(dòng)，頻率為50/60Hz, 可承受+/-5%的頻率波動(dòng)，適應(yīng)各種不同工況的電能質(zhì)量環(huán)境。同時(shí)，如果電壓波動(dòng)超過(guò)上下限，機(jī)器自動(dòng)閉鎖輸出，并 發(fā)出告警。

自動(dòng)限流

自動(dòng)限定在額定容量范圍內(nèi)100%輸出，如果負(fù)載側(cè)諧波電流大于機(jī) 器額定容量，機(jī)器會(huì)在額定容量?jī)?nèi)繼續(xù)輸出電流補(bǔ)償諧波，不會(huì)發(fā)生過(guò)載導(dǎo)致自身超載或退出運(yùn)行。

負(fù)載短路保護(hù)

可承受負(fù)載瞬間短路的沖擊，在短路消除后重新啟動(dòng)。

并聯(lián)獨(dú)立控制

并聯(lián)接入電網(wǎng)，不會(huì)因機(jī)器故障導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生斷電事故。多臺(tái)YW-APF有源電力濾波器并聯(lián)系統(tǒng)，如果一臺(tái)因故障退出運(yùn)行，剩余的 機(jī)器仍能正常工作實(shí)現(xiàn)濾波功能。

三相電流獨(dú)立控制

各相電流獨(dú)立控制，單相注入電流，不受系統(tǒng)三相電流不平衡影響，中性線濾波能力為相線的三倍。

IP防護(hù)等級(jí)及防雷保護(hù)

IP保護(hù)等級(jí)為IP20;防雷保護(hù)能力為20kA。

監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)具備快速、完全的故障自檢功能，包括市電欠壓或過(guò)壓、母線 過(guò)壓或過(guò)流、風(fēng)扇故障、功率器件過(guò)溫、輸入保險(xiǎn)絲熔斷等各種故障自檢，所有故障均通過(guò)LCD顯示屏及LED運(yùn)行狀態(tài)燈發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)機(jī)器自動(dòng)采取相對(duì)應(yīng)的操作保護(hù)系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)在供電或斷電情況下可保存500條故障記錄，便于分析原因 及排除故障。

三相電路瞬時(shí)無(wú)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(wèn)題。有源濾波器同無(wú)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!

優(yōu)點(diǎn):可動(dòng)態(tài)濾除各次諧波，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的諧波能夠完全吸收;不會(huì)產(chǎn)生諧振。

缺點(diǎn):造價(jià)太高;受硬件限制，在大容量場(chǎng)合無(wú)法使用:有源濾波容量單套不超過(guò)100KVA,目前最高適用電網(wǎng)電壓不超過(guò)690V。

1.濾波精度高，諧波電流濾除率可達(dá)97%以上;

2.濾波范圍廣，濾波次數(shù):2--50次諧波及間諧波;

3.對(duì)負(fù)載的波動(dòng)響應(yīng)快，響應(yīng)時(shí)間為1us;

4.動(dòng)態(tài)注入電流以抑制諧波和補(bǔ)償功率因數(shù);

5.不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振;

6.可多臺(tái)組合擴(kuò)展容量;

7.抑制系統(tǒng)過(guò)電壓，改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

8.阻尼電力系統(tǒng)功率振蕩;

9.能抑制電壓閃變、補(bǔ)償三相不平衡、提高功率因數(shù);

10、系統(tǒng)的自我保護(hù)和穩(wěn)定性極強(qiáng)。

薩頓斯有源電力濾波器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和機(jī)關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)中，如:電力系統(tǒng)、電解電鍍企業(yè)、水處理設(shè)備、石化企業(yè)、大型商場(chǎng)及辦公大樓、精密電子企業(yè)、機(jī)場(chǎng)/港口的供電系統(tǒng)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等。根據(jù)應(yīng)用對(duì)象不同，HTAPF-I型有源電力濾波器的應(yīng)用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產(chǎn)品質(zhì)量、增長(zhǎng)設(shè)備壽命減少設(shè)備損壞等作用。

■通信行業(yè)

為了滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行需要，通信配電系統(tǒng)中的UPS使用容量在大幅上升。據(jù)調(diào)查，通信低壓配電系統(tǒng)主要的諧波源設(shè)備為UPS、開(kāi)關(guān)電源、變頻空調(diào)等。其產(chǎn)生的諧波含量都較高，且這些諧波源設(shè)備的位移功率因數(shù)極高。通過(guò)使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，并且使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計(jì)規(guī)范。

■半導(dǎo)體行業(yè)

大多數(shù)半導(dǎo)體行業(yè)的3次諧波非常嚴(yán)重，主要是由于企業(yè)中使用了大量的單相整流設(shè)備。3次諧波屬于零序諧波，具備在中性線匯集的特點(diǎn)，導(dǎo)致中性線壓力過(guò)大，甚至出現(xiàn)打火現(xiàn)象，存在著極大的生產(chǎn)安全隱患。諧波還會(huì)造成斷路器跳閘，耽誤生產(chǎn)時(shí)間。3次諧波在變壓器內(nèi)形成環(huán)流，加速了變壓器的老化。嚴(yán)重的諧波污染必然對(duì)配電系統(tǒng)中的設(shè)備使用效率和壽命造成影響。

■石化行業(yè)

由于生產(chǎn)的需要，石化行業(yè)中存在著大量泵類(lèi)負(fù)載，并且不少泵類(lèi)負(fù)載都配有變頻器。變頻器的大量應(yīng)用使石化行業(yè)配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖將交流轉(zhuǎn)化為直流，因此產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現(xiàn)為對(duì)電力設(shè)備的危害及在計(jì)量方面的偏差。使用有源濾波器可以很好地解決這方面的問(wèn)題。

■化纖行業(yè)

為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質(zhì)量，以及延長(zhǎng)爐齡、節(jié)省能源，在化纖行業(yè)常用到電助熔加熱設(shè)備，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。

■鋼鐵/中頻加熱行業(yè)

鋼鐵業(yè)中常用到的中頻爐、軋機(jī)、電弧爐等設(shè)備都會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響，使電容補(bǔ)償柜過(guò)載保護(hù)動(dòng)作頻繁、變壓器和供電線路發(fā)熱嚴(yán)重、熔斷器頻繁熔斷等，甚至引起電壓跌落、閃變。

■汽車(chē)制造業(yè)

焊機(jī)是汽車(chē)制造業(yè)中不可少的設(shè)備，由于焊機(jī)具有隨機(jī)性、快速性及沖擊性的特點(diǎn)，使大量使用焊機(jī)造成嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)、自動(dòng)化程度高的機(jī)器人由于電壓不穩(wěn)而不能工作，無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)法正常使用等情況。

■直流電機(jī)諧波治理

大型直流電機(jī)場(chǎng)所都需要先通過(guò)整流設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，由于此類(lèi)工程的負(fù)載容量都較大，因此在交流側(cè)存在嚴(yán)重的諧波污染，造成電壓畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起事故。

■自動(dòng)化生產(chǎn)線和精密設(shè)備的使用

在自動(dòng)化生產(chǎn)線和精密設(shè)備場(chǎng)合，諧波會(huì)影響到其正常使用，使智能控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)等出現(xiàn)故障。

■醫(yī)院系統(tǒng)

醫(yī)院對(duì)供電的連續(xù)性和可靠性有非常嚴(yán)格的要求，0類(lèi)場(chǎng)所自動(dòng)恢復(fù)供電時(shí)間T≤15S，1類(lèi)場(chǎng)所自動(dòng)恢復(fù)供電時(shí)間0.5S≤T≤15S， 2類(lèi)場(chǎng)所自動(dòng)恢復(fù)供電時(shí)間T≤0.5S，電壓總諧波畸變率THDu≤3%，X光機(jī)、CT機(jī)、核磁共振都是諧波含量極高的負(fù)載。

■劇場(chǎng)/體育館

可控硅調(diào)光系統(tǒng)、大型LED設(shè)備等都是諧波源，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的三次諧波，不但造成配電系統(tǒng)的電力設(shè)備效率低下，而且還會(huì)造成燈光頻閃，對(duì)通信、有線電視等微弱電回路產(chǎn)生雜音，甚至產(chǎn)生故障。

1.額定工作電壓:380V/220V，50Hz

2.額定諧波補(bǔ)償容量:50A/100A/150A/200A

3.整機(jī)功耗:小于容量的3%

4.抑制諧波效果:達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，穩(wěn)態(tài)THD可降低至5%以下

5.額定絕緣電壓:3000V AC，2500V DC

有源濾波器是用電流互感器采集直流線路上的電流，經(jīng)采樣，將所得的電流信號(hào)進(jìn)行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號(hào)，作為的調(diào)制信號(hào)，與三角波相比，從而得到開(kāi)關(guān)信號(hào)，用此開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制單相橋，根據(jù)技術(shù)的原理，將上下橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)反接，就可得到與線上諧波信號(hào)大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點(diǎn)后的線上電流的諧波分量反饋回來(lái)，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差

1.動(dòng)態(tài)有源濾波，全面改善電能質(zhì)量;

2.DSP全數(shù)字控制，20KHz開(kāi)關(guān)頻率，對(duì)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化迅速響應(yīng);

3.諧波補(bǔ)償次數(shù)可選擇，最高能濾除50次諧波;

4.薩頓斯有源電力濾波器可選擇同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功;

5.具備三相不平衡補(bǔ)償能力;

6.具有自動(dòng)限流功能，不會(huì)發(fā)生過(guò)載;

7.效率高，滿載損耗小于2.57;

8.并聯(lián)安裝方式，安裝簡(jiǎn)單，體積小;

9.降低線路損耗，消除諧波引起的變壓器和電機(jī)發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大幅度節(jié)能;

10.有源電力濾波器的濾波效果不受系統(tǒng)阻抗變化影響，并能自動(dòng)抑制系統(tǒng)諧振;

11.按照配電結(jié)構(gòu)，可選擇局部補(bǔ)償、部分補(bǔ)償或總補(bǔ)償，CT可位于電源側(cè)或負(fù)載側(cè);

12.易于擴(kuò)展和冗余設(shè)計(jì)，可最多10臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。

(一)設(shè)計(jì)原理

濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制(或衰減)無(wú)用頻率信號(hào)的電子電路或裝置。在工程上，常用它來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。以往濾波器主要采用無(wú)源元件R、L、和C組成，目前一般用集成運(yùn)放、R、C組成，常稱(chēng)為有源濾波器。

在一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)中，有時(shí)輸入信號(hào)往往受干擾等原因而含有一些不必要的成分，應(yīng)當(dāng)把它衰減到足夠小的程度。而在另一些場(chǎng)合，有時(shí)我們需要的信號(hào)和別的信號(hào)混在一起，應(yīng)當(dāng) 設(shè)法把我們需要的信號(hào)挑出來(lái)。要解決這些問(wèn)題都需要采用有源濾波器。

用在系統(tǒng)可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)有源濾波器的設(shè)計(jì)非常方便。通常用三個(gè)運(yùn)算放大器就可以實(shí)現(xiàn)雙二階型函數(shù)的電路。而雙二階型函數(shù)能實(shí)現(xiàn)所有的濾波器函數(shù)，如低通、高通、帶通、帶阻。雙二階函數(shù)的表達(dá)式如3-17-1所示，式中m=1或0，n=1或0。

3-17-1

這種電路的靈敏度相當(dāng)?shù)?，電路容易調(diào)整。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是只需增加少量的元件就能實(shí)現(xiàn)各種濾波函數(shù)。3.16節(jié)可知ispPAC10、ispPAC20器件結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)這樣的電路很容易。首先討論低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)如3-17-2式。

3-17-2

3-17-3

3-17-4

3-17-4式可寫(xiě)成3-17-5式形式

b=k1k2 3-17-5

3-17-1為雙二階有源濾波器方框圖。

不難看出方框圖中的函數(shù)可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。把各個(gè)運(yùn)算放大器電路代入3-17-1的方框圖即可得到3-17-2電路。

然而現(xiàn)在已不再需要電阻、電容、運(yùn)放搭電路了，調(diào)試電路了。利用在系統(tǒng)可編程器件可以很方便的實(shí)現(xiàn)此電路。ispPAC10能夠?qū)崿F(xiàn)方框圖中的每一個(gè)功能塊。PAC塊可以對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行求和或求差，K為可編程增益，電路中把K11、K12、K22設(shè)置成+1，把K12設(shè)置成-1。因此三運(yùn)放的雙二階型函數(shù)的電路用兩PAC塊就可以實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)發(fā)軟件中使用原理圖輸入方式，把兩個(gè)PAC塊連接起來(lái)。

電路的CF是反饋電容值，Re是輸入運(yùn)放的等效電阻。其值為250kΩ。兩個(gè)PAC塊是輸出分別為Vo1和Vo2?？梢苑謩e得到兩個(gè)表達(dá)式，3-17-6表達(dá)式為帶通函數(shù)、

3-17-6

3-17-7表達(dá)式為低通函數(shù)

3-17-7

實(shí)際利用ispPAC進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，一般在其開(kāi)發(fā)軟件PAC-Designer中含有一個(gè)宏，專(zhuān)門(mén)用于濾波器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者只要根據(jù)所要求選擇不同類(lèi)型，不同性能指標(biāo)的濾波器配置電路，不需要自己連接電路，只要輸入濾波器的相應(yīng)指標(biāo)。如fo、Q等參數(shù)，即可自動(dòng)產(chǎn)生濾波器電路。例如:用ispPAC10或ispPAC20設(shè)計(jì)時(shí)，需要在自動(dòng)生產(chǎn)的濾波器電路里設(shè)置相應(yīng)的增益和電容值。然后用模擬器模擬出所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性。并與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行較，是否符合技術(shù)要求。

例如:根據(jù)3-17-6和3-17-7給出的方程，輸入相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，便可以在PAC Designer軟件中濾波器設(shè)計(jì)的宏里自動(dòng)產(chǎn)生雙二階濾波器電路，增益和相應(yīng)電容值根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。開(kāi)發(fā)軟件中還有一個(gè)模擬器，用于模擬濾波器的幅頻和相頻特性。

(二).ispPAC器件設(shè)計(jì)有源濾波器舉例

ispPAC80是lattice公司繼ispPAC10和ispPAC20后推出的一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能連續(xù)時(shí)間低通濾波器的模擬可編程器件。該器件內(nèi)部包含了儀表放大器增益級(jí)，內(nèi)核是一個(gè)五階濾波器，其軟件設(shè)計(jì)方法與ispPAC10、ispPAC20稍有不同。

每一片ispPAC80器件可以同時(shí)存儲(chǔ)兩組不同參數(shù)的五階濾波器配置(cfgA和cfgB),在進(jìn)行設(shè)計(jì)前其默認(rèn)值是空的(cfgA.unknown,cfgB.unknown)。ispPAC80軟件庫(kù)中含有八千多種不同類(lèi)型和參數(shù)的五階濾波器庫(kù)，設(shè)計(jì)者可以調(diào)用該庫(kù)從而方便地完成設(shè)計(jì)。例如:先設(shè)計(jì)第一個(gè)配置(cfgA):雙擊cfA unkown所在的矩形框，產(chǎn)生如圖3-17-7所示的五階濾波器庫(kù)。

該庫(kù)中含有各種不同類(lèi)型的濾波器，如薩頓斯濾波器(Satons)、巴塞爾濾波器(Bessel)、線性濾波器、高斯濾波器(Gaussian)，巴特沃斯濾波器(Butterworth)、橢圓濾波器等，每種類(lèi)型的濾波器根據(jù)其參數(shù)值的不同，又分為不同的具體型號(hào)，共8244種。設(shè)計(jì)者只需要具備關(guān)于濾波器技術(shù)指標(biāo)等知識(shí)，如通帶頻率、止帶頻率、止帶衰減，相位線性度，群延時(shí)等。設(shè)計(jì)者根據(jù)所需要的設(shè)計(jì)的目標(biāo)濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)里挑選出與目標(biāo)技術(shù)指標(biāo)比較接近(相差不會(huì)超過(guò)3.0﹪)的組構(gòu)方案。比如根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求選定一種濾波器，如第4001種(ID號(hào)為4000)的橢圓濾波器，雙擊該ID號(hào)，將該種濾波器拷貝進(jìn)ispPAC80的第一組配置ConfigurationA中。

雙擊輸入使用運(yùn)放IA圖形，可以調(diào)整輸入增益倍數(shù)(1.2.5或10)。同樣，雙擊wakeup=cfgA的梯形圖標(biāo)，可以設(shè)置激活配置cfgA或cfgB。在上述設(shè)計(jì)輸入完畢后，軟件就可自動(dòng)完成對(duì)濾波器的電路進(jìn)行連接與參數(shù)配置。設(shè)計(jì)輸入完畢后，按Tool=Run Simulator菜單，可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，方法與3.16節(jié)相同。若仿真結(jié)果仍與設(shè)計(jì)要求有所偏差，則還可以調(diào)整3-17-8中濾波器的參數(shù)C1、C2、C3、C4、L2、L4和C5(雙擊該處即可進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整狀態(tài))。

(二)spPAC80的特性曲線如3-17-10所示，供設(shè)計(jì)參考

1. 低通五階濾波器增益為1，轉(zhuǎn)折頻率為10kHz，通帶內(nèi)允許最大波動(dòng)為±1dB。

2. 設(shè)計(jì)一雙二階有源濾波器，要求實(shí)現(xiàn)低通、帶通、高通輸出。帶通中心頻率fo為10kHz，低通、高通轉(zhuǎn)折頻率均為10kHz，增益為2。

1.畫(huà)出所設(shè)計(jì)有源濾波器原理圖

2.用PAC-Designer軟件根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出濾波器，打印出仿真曲線，并把設(shè)計(jì)好的濾波器下載到相應(yīng)的芯片里。

3. 在實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，芯片里的濾波器性能指標(biāo)是否符合要求。

五.實(shí)驗(yàn)儀器及器件

所用儀器同3.16

ispPAC20、ispPAC10、ispPAC80適配板各一塊。

有源濾波器

70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器APF(Active Power Filter)的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

與無(wú)源濾波器相比，AFP具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn);濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。