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  • 2017-01-05 17:05
主题:  深度解析有源滤波和无源滤波的区别

滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一项重要措施。谐波治理首先要控制好谐波产生的源头,其次我们还要通过增加滤波装置进行谐波的消除。如何正确选择有效的谐波质量方案非常关键。


一、无源滤波

 
定义
 

无源滤波器,又称LC滤波器,是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路,可滤除某一次或多次谐波,最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联,可对主要次谐波(3、5、7)构成低阻抗旁路;单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器由LC等被动元件组成,将其设计为某频率下极低阻抗,对相应频率谐波电流进行分流,其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。如图1所示为无源滤波原理图。


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图1  无源滤波原理图
 
优缺点
 
优点:无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低。
缺点:通带内的信号有能量损耗,负载效应比较明显,使用电感元件时容易引起电磁感应,当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大,在低频域不适用。
应用
由于无源滤波的具有大容量低价位的优点,钢铁行业的滤波都采用无源滤波,目前国内滤波市场(电力谐波治理市场)上主要以无源滤波为主。国际上以ABB、施耐德、西门子为代表,国内以Satons、温州清华电子、山大华天、哈工大、西安赛博、绿波杰能为代表。发展形势以快速反映,谐波治理彻底,综合控制为主。
 
二、有源滤波
 
定义
 
有源滤波器(Active Power Filter,简称APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。之所以称为有源,顾名思义该装置需要提供电源(用以补偿主电路的谐波),其应用可克服LC无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点(传统的只能固定补偿),实现了动态跟踪补偿,而且可以既补谐波又补无功。
 

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。如图 2所示为有源滤波结构图。


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图2  有源滤波器结构图
 
优缺点
 
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。通带内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大,负载效应不明显,多级相联时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器,并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽。
 
缺点:通带范围受有源器件的带宽限制,需要直流电源供电,可靠性不如无源滤波器高,在高压、高频、大功率的场合不适用。
 
应用
 
有源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;
半导体行业;
汽车制造业;
直流电机谐波治理;
医院系统;
剧场和体育馆。
 
三、有源滤波和无源滤波的对比
 
工作原理
 
无源滤波器由LC等被动元件组成,将其设计为某频率下极低阻抗,对相应频率谐波电流进行分流,其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道;而有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备,检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流,补偿后的源电流几乎为纯正弦波,其行为模式为主动式电流源输出。
 
阻抗影响
 
无源滤波器受系统阻抗影响严重,存在谐波放大和共振的危险;而有源滤波不受影响。
 
频率影响
 
无源滤波器谐振点偏移,效果降低;有源滤波器不受影响。
 
负载影响
 
无源滤波器可能因为超载而损坏;有源滤波器无损坏之危险,谐波量大于补偿能力时,仅发生补偿效果不足而已。无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化;有源滤波器不受负载变化影响。
 
设备造价
 
无源滤波器较低;有源滤波器太高。
 
四、E6500在谐波处理上的应用
 

谐波危害已经不言而喻了,例如增加电力设施负荷,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……等等。


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图 3  E6500谐波实测图
 

既然谐波出现了,那我们就要想办法将它滤除掉,但是前提是我们可以准确的测量谐波。致远电子E6500电能质量分析仪采用抗混叠核心技术,每通道都配备单独的抗混叠滤波器,即二阶有源滤波器,在正常量程范围内截止频率是14KHz,在满量程范围内截止频率是22KHz,完全符合电能质量输入信号范围(最高10KHz),从而在硬件上保证了测量计算的准确性。


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图 4  谐波测量分析图
 
在测量现场可能存在许多高频干扰,例如电源信号、无线电信号等均可能会引入高频干扰输入,从而引起频率混叠现象。如果没有进行混叠处理,就会出现错误。比如图3第一幅图是没有进行混叠处理,谐波分析结果是7次谐波超标,这个是错误的; 
 
唯一可靠的方法是在对信号进行模数转换之前做抗混叠处理,保证测量结果的正确性。比如图3第二幅图进行了混叠处理,谐波分析结果是9次谐波超标,跟原始信号分析结果一致。

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