單相電源濾波器設(shè)計(jì) 淺析單相電源濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程

本文主要介紹了關(guān)于單相電源濾波器的設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)知識(shí)，希望通過(guò)本文能讓你對(duì)單相電源濾波器有更深的理解。

電源濾波器

電源濾波器就是對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過(guò)在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。

利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過(guò)電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。

電源濾波器常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類。無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型、LC濾波、LCπ型濾波和RCπ型濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)S來(lái)表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。

脈動(dòng)系數(shù)（S）=輸出電壓交流分量的基波最大值/輸出電壓的直流分量

電源濾波器的原理就是一種阻抗適配網(wǎng)絡(luò)：電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對(duì)電磁干擾的衰減就越有效。

單相電源濾波器設(shè)計(jì)

本文主要以單相有源電力濾波器為例，淺談單相電源濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源電力濾波器是一種可以對(duì)動(dòng)態(tài)變化的諧波無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置，它能夠?qū)Ω鞔沃C波進(jìn)行主動(dòng)跟蹤和補(bǔ)償。其通過(guò)采樣負(fù)載電流和電壓，通過(guò)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，反相后用該信號(hào)控制逆變器的導(dǎo)通，得出補(bǔ)償電流，從而抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且既可以補(bǔ)償諧波又可以補(bǔ)償無(wú)功[4]。圖1所示為單相并聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖。

從圖中可以看出，有源電力濾波器與非線性負(fù)載都并聯(lián)在單相電源上。接入電網(wǎng)的非線性負(fù)載產(chǎn)生負(fù)載電流，向電網(wǎng)注入諧波和無(wú)功電流，系統(tǒng)通過(guò)傳感器將采集到的負(fù)載電流送到諧波電流檢測(cè)運(yùn)算電路，經(jīng)計(jì)算得出的指令信號(hào)來(lái)控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和逆變器主電路三個(gè)部分構(gòu)成）工作，逆變器輸出的電壓與電網(wǎng)電壓的壓差作用在濾波電感上，產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，從而補(bǔ)償了諧波無(wú)功電流，使電網(wǎng)電流信號(hào)呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。

圖1?單相有源電力濾波器原理圖

2?諧波檢測(cè)與控制策略

諧波檢測(cè)是有源電力濾波器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其快速性與精確度直接影響補(bǔ)償電流的輸出結(jié)果。本文選擇了基于鑒相原理的諧波檢測(cè)方法。以電網(wǎng)電壓信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生出標(biāo)準(zhǔn)的正弦與余弦信號(hào)，把檢測(cè)到的瞬時(shí)電流與標(biāo)準(zhǔn)的正余弦信號(hào)進(jìn)行線性變化處理再通過(guò)低通濾波器后濾出其直流分量，從而得到諧波和無(wú)功電流[5]。該方法高效、簡(jiǎn)便，易于在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，如圖2所示為帶直流側(cè)電壓控制的諧波檢測(cè)過(guò)程。

圖2?諧波檢測(cè)過(guò)程

將檢測(cè)到的諧波電流進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)總體控制，本系統(tǒng)的外環(huán)是直流側(cè)電壓環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是逆變器輸出的補(bǔ)償電流控制。有源電力濾波器的直流側(cè)電壓一般是由功率管反并聯(lián)的二極管電網(wǎng)電壓整流來(lái)獲得，通過(guò)控制電壓環(huán)可以達(dá)到直流側(cè)與電網(wǎng)有功能量的交換，保證有源電力濾波器在啟動(dòng)時(shí)直流側(cè)充電到預(yù)期電壓。在正常運(yùn)行時(shí)控制電壓環(huán)從電網(wǎng)得到有功功率，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定[6~7]。

圖中，Udc為直流側(cè)實(shí)際電壓，Uref為直流側(cè)給定電壓，兩者的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后疊加到諧波檢測(cè)出來(lái)的有功電流的直流分量Ip上，然后再乘以標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，就得到了瞬時(shí)有功電流。檢測(cè)到的負(fù)載電流is(t)減去該有功電流就可得到諧波和無(wú)功電流之和ih(t)。

如圖3所示為系統(tǒng)控制圖，本文選擇PI+三角波的調(diào)制方法。將ih(t)反相后得到的，其與逆變器輸出的補(bǔ)償電流ic(t)做差，該誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與三角波信號(hào)比較，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)控制逆變器導(dǎo)通。

圖3?系統(tǒng)控制圖

3?系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

單相并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件系統(tǒng)主要由APF主電路、DSP控制板、信號(hào)采樣調(diào)理電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路等組成，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用TMS320F28335作為主控芯片，搭建了系統(tǒng)平臺(tái)如圖4所示。

由于有源電力濾波器對(duì)實(shí)時(shí)性和高效性要求比較高，所以本文的主控芯片選擇了TI公司的TMS320F28335。TMS320F28335是TI的2000系列中新推出的一款32位的具有浮點(diǎn)內(nèi)核的DSP芯片，也是目前工業(yè)控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。

其主頻高達(dá)150MHz(6.67nS時(shí)鐘周期)，內(nèi)核電壓1.9V/1.8V，IO口電壓為3.3V；具有IEEE-754單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FTU），16×16和32×32介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）運(yùn)算，哈佛總算結(jié)構(gòu)，快速中斷響應(yīng)和處理；16位或32位外部接口，可處理超過(guò)2M×16位地址范圍；片內(nèi)存儲(chǔ)器256K×16位Flash存儲(chǔ)器，34K×16位單口隨機(jī)存儲(chǔ)器（SARAM），1K×16位一次性可編程（OTP）ROM[8]。

圖4?系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

系統(tǒng)通過(guò)傳感器將采集到的信號(hào)先送到采樣調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的信號(hào)輸入DSP控制板進(jìn)行諧波計(jì)算，計(jì)算得出的指令信號(hào)來(lái)控制APF主電路的工作，最終主電路輸出的電壓與電網(wǎng)電壓的壓差作用在濾波電感L上，從而產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，補(bǔ)償了諧波和無(wú)功電流，使電網(wǎng)電流信號(hào)呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷程序。主程序如圖5所示。

圖5?系統(tǒng)主程序流程圖

主程序中主要完成初始化，對(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)行定義并且對(duì)系統(tǒng)中斷向量以及引腳初始化進(jìn)行設(shè)置。主要包括CPU及外設(shè)時(shí)鐘的設(shè)置、EPWM模塊初始化、ADC模塊初始化、GPIO初始化、外部中斷配置，完成初始化后程序然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，等待中斷的到來(lái)。

中斷程序主要由外部中斷子程序和定時(shí)器周期中斷子程序組成。分別如圖6、7所示。外部中斷子程序用來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓同步，正余弦表復(fù)位，開(kāi)啟定時(shí)器工作，其通過(guò)不斷檢測(cè)方波信號(hào)的上升沿來(lái)初始化系統(tǒng)計(jì)數(shù)值，然后復(fù)位正余弦表。

圖6?外部中斷主程序流程圖

定時(shí)器周期中斷子程序中負(fù)責(zé)所有的控制過(guò)程，包括AD采樣、正弦表地址移位、諧波計(jì)算、低通濾波、直流側(cè)電壓PI控制、補(bǔ)償電流指令控制、PWM信號(hào)生成等。設(shè)計(jì)中設(shè)置采樣周期為6.4kHz，由定時(shí)器觸發(fā)AD采樣，然后進(jìn)入諧波計(jì)算部分，依次進(jìn)行數(shù)字低通濾波、直流側(cè)電壓控制、PI+三角波比較生成PWM信號(hào)。

圖7?定時(shí)器中斷子程序流程圖

4?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖4所示硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)220VA的單相并聯(lián)型有源電力濾波實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)關(guān)頻率選擇為6.4kHz，諧波負(fù)載為帶感性負(fù)載的單相不控整流電路，在110V交流系統(tǒng)下實(shí)驗(yàn)。采集觀察補(bǔ)償前后電網(wǎng)電壓與負(fù)載電流如圖8所示，對(duì)補(bǔ)償前后的負(fù)載電流進(jìn)行FFT分析，所得結(jié)果如圖9所示。

圖8?補(bǔ)償前后的電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流

圖9?補(bǔ)償前后電流畸變率對(duì)比

從圖中可以看出，電流畸變率從補(bǔ)償前的29.5%降到了3.82%，說(shuō)明本設(shè)計(jì)的有源電力濾波器具有良好的補(bǔ)償性能。

怎樣判別單相交流電源濾波器好壞

用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)電阻:

1、相同線色的輸入-輸出線應(yīng)該分別短路.

2、不同線色的輸入線、輸出線應(yīng)該分別開(kāi)路.

3、如果有第三根線（地線），不同線色的輸入線、輸出線，應(yīng)該與地線開(kāi)路.

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)單相并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了研究，介紹了諧波檢測(cè)的一種新方法，并對(duì)控制策略進(jìn)行了分析，在基于TMS320F28335的基礎(chǔ)上搭建了一臺(tái)樣機(jī)，對(duì)所討論的理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該有源電力濾波器具有很好的補(bǔ)償性能。

本文擬作參考，如有不足之處還望海涵。