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)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補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行補償。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償方法的缺點(傳統(tǒng)的只能固定補償)，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功。三相電路瞬時無功功率理論是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，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高!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。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器(DSP)對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制(PWM)信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

在高階濾波器鏈中添加緩沖運算放大器還可以減少鏈中每個環(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，第二個濾波器的電阻元件不僅僅是R2=10k，而是 R1 + R2 = 20k。而第一個濾波器中的電容，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

對于10k 和 1nF 的 R 和 C 值，預(yù)計截止頻率(第一濾波器級為 -3dB，第二濾波器級為 -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))，這種情況會更加明顯：

在濾波器第二級中降低電阻并增加電容

這樣的話，截止頻率會變得更低。

緩解這種情況的一種方法是讓第二級的輸入阻抗至少比第一級的輸出阻抗大一個數(shù)量級(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

進一步降低第一級的輸出阻抗和/或增加第二級的輸出阻抗，就會讓截止頻率更接近預(yù)期，但是不會完全達(dá)到預(yù)期。

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

一、鉗位濾波器的工作原理

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

比較器

和一個反饋

網(wǎng)絡(luò)

組成。其中一個比較器用于比較輸入信號與設(shè)定的上限閾值，另一個比較器用于比較輸入信號與設(shè)定的下限閾值。當(dāng)輸入信號超過上限閾值時，上限比較器將輸出高電平，下限比較器輸出低電平;當(dāng)輸入信號低于下限閾值時，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，以修正輸入信號的偏移。

二、鉗位濾波器的特點

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，提高信號的準(zhǔn)確性。

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

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

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，通過對輸入信號的偏置進行修正，減少放大器的非線性失真，使得輸出信號更加準(zhǔn)確。

2. 輸出級直流偏置的消除：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，輸出級的直流偏置經(jīng)常會出現(xiàn)變化，使用鉗位濾波器可以修正這種偏置，并保持輸出信號始終在設(shè)定范圍內(nèi)。

3.

傳感器

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

4.

數(shù)字信號

后處理：在數(shù)字信號處理中，鉗位濾波器可以用于對

模擬

信號進行數(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

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，特別適用于需要對信號進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)用也將得到進一步的擴展和改進。

無源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，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，同時還可以進行放大。但電路的組成和設(shè)計也較復(fù)雜。

下面我們就來認(rèn)識一下有源濾波電路是怎么樣的。

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有源低通濾波電路

先看看它的電路構(gòu)成，對比無源濾波器是不是就是再無源濾波器的基礎(chǔ)上添加了一個運放(當(dāng)然，實際運用時也可能是多階點入級聯(lián)而成的)，工程中我們使用時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，我們可以計算出它的截止頻率，又由運放基礎(chǔ)“虛短”，“虛斷”知識，我們可以計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的關(guān)系式。這個還是最簡單的，多級級聯(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)會具體問題具體分析，后面我還會專門介紹一些設(shè)計濾波電路的工具，也會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)用時先根據(jù)需求分析需要什么功能的電路，再用工具設(shè)計獲得初步的參數(shù)，然后再實際電路上測試結(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?

因為帶通，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。