有源无源滤波器优缺点以及有源滤波和无功补偿详解

来源:电子发烧友网 作者:2017年08月07日 14:27

  滤波电路是我们经常会遇见的电路,而滤波器则是经常要用到的器件。由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器,其功能是让一定频率范围内的信号通过,抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面,但因受运算放大器频带限制,这类滤波器主要用于低频范围。

        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。

        有源无源滤波器优缺点下文我们将详细解读,我们先来看看有源滤波和无功补偿。

  无功功率补偿ReacTIve power compensaTIon,简称无功补偿,在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用,降低供电变压器及输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置,可以做到最大限度的减少电网的损耗,使电网质量提高。

  那么对于有源滤波和无功补偿两者首先我们要看看有源滤波器是不会能够实现无功补偿的功能?

  有源滤波和无功补偿

有源无源滤波器优缺点以及有源滤波和无功补偿详解

  对于有源滤波和无功补偿我们下来分析下两者的区别。首先它们是两个类别的设备,但是从功能上看,它们有很大的交集,如果不看它们的功率容量的差别,你甚至可以把“动态无功补偿装置”看作为“有源滤波器”的子集。

  动态无功补偿装置,仅仅是补偿无功功率,它的响应很快,就是补偿速度很快。

  有源滤波器,主要是用来滤除电网中的谐波,但是它有补偿无功功率的能力,而且补偿的响应速度更快。目前的产品中,有源滤波器的功率容量相对较小,而且价格较高,所以鲜有专门用来做无功补偿。

  那么对于有源滤波和无功补偿而言为什么有些电路中把有源滤波器和无功补偿装置一起使用?其实首先我们要明确有源滤波器不一定要和无功补偿装置一起使用。是否一起使用要试系统的情况而定的。

  1.当系统中谐波严重且无功需求较大时才会一起使用,这个时候有源滤波器的功能为谐波治理,无功补偿装置做无功补偿。当然有源滤波器也可以进行无功补偿,但是成本较高,所以才选择这样的方式。

  2.当系统中谐波较大而功率因数较高时一般都会只采用有源滤波器就可以了,不需要做无功补偿。

  3.当系统中谐波较小而功率因数较低时一般都只采用无功补偿而不用有源滤波器。

  而有源滤波器在使用过程中要注意一定不能和纯电容补偿及无源滤波器并联使用。

    有源滤波的分类

  根据对频率范围的选择不同,可分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)与带阻(BEF)等四种滤波器。

  1、 低通滤波器(LPF)

  低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。电路性能参数二阶低通滤波器的通带增益截止频率,它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。品质因数,它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

  2、高通滤波器(HPF)

  与低通滤波器相反,高通滤波器用来通过高频信号,衰减或抑制低频信号。只要将图2-2低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换,即可变成二阶有源高通滤波器,如图2-3(a)所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反,其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系,仿照LPH分析方法,不难求得HPF的幅频特性。电路性能参数AuP、fO、Q各量的函义同二阶低通滤波器。

 有源滤波和无源滤波区别

  1、无源滤波

  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。

 有源无源滤波器优缺点以及有源滤波和无功补偿详解 

  图1:无源滤波工作原理图

  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。

  2、有源滤波

  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。

 有源无源滤波器优缺点以及有源滤波和无功补偿详解 

  图2:有源滤波工作原理

  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。

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