实验三  无源和有源滤波器

一、实验目的

1、了解RC无源和有源滤波器的种类、基本结构及其特性

2、分析和对比无源和有源滤波器的滤波特性

3掌握扫描仪的使用方法（TKSS-C型）

二、仪器设备

1、信号与系统实验箱TKSS-A型或TKSS-B型或TKSS-C型

2、双踪示波器

三、原理说明

1、滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率（通常是某个频带范围）的信号通过，而其他频率的信号受到衰减或抑制，这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无源滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。

2、根据幅频特性表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）四种。把能够通过的信号频率范围定义为通带，把组织通过或衰减的信号频率范围定义为阻带。而通过与阻带的分界点的频率ω_C 称为截止频率或成转折频率。图3-1中的︳Hjω︳为通带的电压放大倍数，ω₀为中心频率，ω_cL和ω_cH分别为低端和高端截止频率。

四种滤波器的试验线路如图3-2所示：

（a）无源低通滤波器                      （b）有源低通滤波器

（c）无源高通滤波器                       （d）有源高通滤波器

（e）无源带通滤波器                        （f）有源带通滤波器

（g）无源带阻滤波器                         （h）有源带阻滤波器

图3-2-4

图3-2  各种滤波器的试验线路图

3、图3-3所示，滤波器的频率特性H(jω)    （又称传递函数） ，它用下式表示

                                                               （3-1）

式中A(ω)为滤波器的幅频特性，θ（ω）为滤波器的相频特性。它们都可以通过实验的方法来测量。

                                                                      

图3-3   滤波器

四、预习要求1、为使实验能顺利进行，做到心中有数，课前对教材的相关内容和实验原理、目的与要求、步骤和方法要做充分的预习（并预期实验的结果）。

2、指导各类无源和有源滤波器的频率特性，并据此分别画出滤波器的幅频特性曲线。

3、在方波鼓励下，预测各类滤波器的响应情况。

五、实验内容即步骤

1、滤波器的输入端正弦信号发生器或扫频电源，滤波器的的输出端接示波器或交流数字毫伏表，

2、测试无源和有源低通滤波器的幅频特性。

（1） 测试RC 无源低通滤波器的幅频特性。

用图3-2-1 （a）所示的电路。测试RC无源低通滤波器的特性。

实验时，必须保持正弦波信号输入电压（U₁）幅值不变的情况下，逐渐改变其频率，用试验箱提供的数字是真有效值交流电压表（10Hz〈f〈1MＨｚ=，测量RC滤波器输出端电压U₂的幅值，并把所测得数据记录表一。注意每当改变信号源频率时，都必须观测一下输入信号U₁使之保持不变。实验时应介入双踪示波器，分别观测输入U₁和输出U₂的波形）。（注意：在整个实验过程中应保持U₁恒定不变）。

   表一

(2) 测试RC有源低通滤波器的幅频特性

  实验电路如图3-2-1  （b）所示。

取R=1K、C=0.01μF、使放大数K=1。测试方法用（1）中的相同的方法进行试验操作，并将实验数据记入表二中。

  表二

3、分别测试无源、有源HPF、BPF、BEF、幅频特性。

实验步骤、数据记录表格及实验内容，自行拟定。

4、研究各滤波器对方波信号或其它非正弦信号输入的响应（选做，实验步骤自拟）。

六、思考题

1、试比较有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点。

2、各类滤波器参数的改变，对滤波器特性有何影响。

七、注意事项

1、在实验测量过程中，必须始终保持正弦波信号的输出（即滤波器的输入）电压U₁幅值不变，且输入信号幅度不宜过大。

2、在进行有滤波器实验时，输出端不可短路，以免损害运算放大器。

3、用扫频电源作为鼓励时，可很快得出实验结果，但必须熟读电源的操作和使用说明。

八、实验报告

1、根据实验测量所得的数据，绘制各类滤波器的幅频特征。对于同类型的有源滤波器幅频特性，要求绘制在同一坐标纸上。以便比较，计算出各自特征频率、截止频率和通频带。

2、比较分析各类无源和有源滤波器的滤波特性。

3、分析在方波信号激励下，滤波器的响应情况（选做）。

4写出本实验的心得体会及意见。

『注』：本次实验内容较多，根据情况课分两次进行。

 

第二篇：混合型有源滤波器无源网络分析

  混合型有源电力滤波器无源网络分析

王 建      王海涛    

          （山东山大华天科技股份有限公司，山东，济南250101）

摘要：针对谐波治理问题，介绍混合型有源电力滤波器的工作原理，主要讨论混合型有源滤波器无源网络对整机滤波效果的影响。

关键词：电能质量；电力谐波；调谐频率；无源网络

ABSTRACT: To solve the problem of harmonic control, the operating principle of hybrid active power filters is introduced, and the passive network of hybrid active power filters’ impact to the whole filter productivity is primarily discussed.

Key words: power quality; power harmonic; tuning frequency; passive network

1．引言

随着现代工业技术的不断发展，不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷接入电网，造成大量电力谐波污染，导致电能质量日益恶化。混合型有源电力滤波器就是结合有源滤波器（APF）和无源滤波器（PPF），兼顾APF性能好和PPF造价低等优点，提高谐波补偿系统的性价比。

2．混合型有源电力滤波器的结构和工作原理

混合型有源电力滤波器的基本结构如下图（1），它将APF和PPF通过耦合变压器串联后与非线性负载并联。PPF是APF的一个注入网络，用PPF代替原有的电感，和电容器串接构成无源网络，该PPF对谐波电流呈现低阻抗，容易注入，对基波阻抗较大，承担了绝大部分的基波电压，可以大大降低有源部分的容量。通过实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流，并经过无源网络注入电网，实现谐波补偿（抵消）。

图（1）混合滤波器的基本结构

3．混合型有源电力滤波器无源网络对滤波效果的影响

无源网络的设计对整个滤波器系统的性能好坏起着重要的作用， 它主要给注入的谐波电流提供一个低阻抗的谐波通道，保证APF的谐波功率很小；在合理实现无功补偿的情况下，能够提供较高的基波阻抗，减少APF承担的基波相关功率。

3.1 无源网络构成特点

混合型滤波器无源网络由多组单调谐滤波器组合，吸收谐波源产生的谐波电流和兼顾无功补偿的需要。基本原理是通过设计无源网络电感、电容的参数，使滤波器在所要滤除主要特征次谐波频率处呈现很小的谐波阻抗，为负载谐波电流提供一个明显低于电网内阻的低阻抗分流通路，来抑制注入电网中的谐波电流。其原理图如2（a）,谐波阻抗特性如2（b）所示。

图（2） 单调谐滤波器

滤波器对特征次谐波的阻抗为

                  Z=R+ j(nL -)

在调谐频率处，谐波阻抗Z最小，nL -=0，即Z=R，为纯电阻，该次谐波主要由R来分流吸收。而对其它次谐波如果谐波频率小于调谐频率，滤波器呈容性；如果谐波频率大于调谐频率，滤波器呈感性。

3.2 无源网络设计时调谐支路谐振点的偏差对滤波效果的影响

在无源网络设计时，当调谐支路谐振点偏离谐振频率时，|Z|增加很快，所以该谐振频率两侧谐波不能被大量的分流和吸收。设计时只要将调谐支路的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数，则该次谐波通过谐振支路大量流入滤波器，起到滤除该次谐波的目的。如果谐振支路的谐振点发生偏差，对滤波器的滤波效果会产生一定的影响。通过对混合型有源滤波器系统进行建模仿真，根据公式f_n=,改变无源网络调谐支路的电感和电容值，将谐振点上下偏移，分析其对整机滤波效果的影响。

混合型有源滤波器建模图如下图（3）,包括配电系统，三相整流负载，混合滤波器有源控制部分和无源网络部分，通过改变无源网络电容值和电感值，来调整无源网络各个支路的调谐频率，通过仿真结果来验证无源网络的参数改变对整机滤波效果的影响情况。

图（3） 混合型有源滤波器系统仿真图

1）更改各个无源支路中电抗器的电感量，在其电感量正负偏差30%范围内，进行多组数据的仿真实验，当其电感量改变时，调谐频率发生偏移，在不同调谐频率处，配电系统的滤波效果受到不同程度的影响，具体数据如下图（4）所示。

图（4） 不同电感量偏差时滤波效果

通过仿真结果可以看出，当电感量改变时，滤波器的滤波效果变差，在正常情况下配电系统谐波剩余含量为1.8%左右，随着电感量正负偏差的增加，配电系统剩余谐波含量不断增大。

2）更改各个无源支路中电容器的容值，在其电容容值正负偏差30%范围内，进行多组数据的仿真实验，当其电容容值改变时，调谐频率同样会发生偏移，在不同调谐频率处，滤波器的滤波效果受到不同程度的影响，具体数据如下图（5）所示。

图（5）不同容值偏差时滤波效果

通过仿真结果可以看出，同样当容值改变时，滤波器的滤波效果变差，随着电容器容值正负偏差的增加，配电系统剩余谐波含量不断增大，尤其当电容容值负偏差时滤波效果影响更明显。

3）增加无源网络调谐支路的电感值或电容值，使其谐振点下移，通过仿真可以看出，对于5次，7次，11次等特征次谐波，各调谐支路都呈感性，虽然滤波效果变差，但是混合型有源滤波器、负载和配电网络运行稳定，整个配电系统稳定性不受影响。

减少无源网络调谐支路的电感值或电容值，使其谐振点上移，通过仿真可以看出，对于5次，7次，11次等特征次谐波，各调谐支路都呈容性，对整个配电系统稳定性有一定影响。同时非线性负载的带载率相对减少，滤波器输出谐波能力增加，但滤波器补偿的谐波相位与非线性负载产生的谐波相位相差不是180°，存在一定的相位角，而且差值较大，故滤波效果变差。当调谐频率偏差更大时，有可能导致配电系统发生谐振。

通过仿真结果可以看出，无源网络调谐支路的谐振点偏移会对滤波器的滤波效果产生较大影响，特别是当谐振点上移时，还会对系统的稳定运行带来不利影响。因而混合型有源电力滤波器的无源网络参数选择是否合理，对配电系统的谐波治理和稳定运行至关重要。

4．结论

由于电子元器件受耐压的限制，有源电力滤波器无法在中高压范围中应用，因而国内在中高压范围内主要还是以传统的无源滤波器来治理谐波。混合型有源电力滤波器兼顾了有源滤波器的良好滤波效果和无源滤波器的低成本特点，在中高压系统中有很大的应用优势。处理好混合型有源滤波器无源网络的参数设计，使其达到较高的滤波性能，可以很好的填补国内中高压有源滤波器谐波治理的空白。

参考文献

[1] 王兆安等. 谐波抑制和无功功率补偿. 机械工业出版社, 2005

[2]  GB T 14549-93 电能质量 公共电网谐波