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電源濾波器基礎知識
發(fā)布時(shí)間:2023-04-11 16:14 瀏覽次數:333

1.濾波器的功能

   濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過(guò),而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制,它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。濾波器中,把信號能夠通過(guò)的頻率范圍,稱(chēng)為通頻帶或通帶;反之,信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱(chēng)為阻帶;通帶和阻帶之間的分界頻率稱(chēng)為截止頻率;理想濾波器在通帶內的電壓增益為常數,在阻帶內的電壓增益為零;實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過(guò)渡帶。


2.濾波器的分類(lèi)

(1)按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。

(2)按所通過(guò)信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種?! ?/span>

         低通濾波器:它允許信號中的低頻或直流分量通過(guò),抑制高頻分量或干擾和噪聲。   

         高通濾波器:它允許信號中的高頻分量通過(guò),抑制低頻或直流分量。

         帶通濾波器:它允許一定頻段的信號通過(guò),抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。

         帶阻濾波器:它抑制一定頻段內的信號,允許該頻段以外的信號通過(guò)。

(3)按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。

        無(wú)源濾波器:僅由無(wú)源元件(L.C.R)組成的濾波器,它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是:電路比較簡(jiǎn)單,不需要直流電源供電,可靠性高;缺點(diǎn)是:通帶內的信號有能量損耗,負載效應比較明顯,使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應,當電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用。

        有源濾波器:由無(wú)源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器)組成。這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是:通帶內的信號不僅沒(méi)有能量損耗,而且還可以放大,負載效應不明顯,多級相聯(lián)時(shí)相互影響很小,利用級聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件);缺點(diǎn)是:通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器)的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無(wú)源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。


3. 濾波器的主要參數

(1)通帶增益A0:濾波器通帶內的電壓放大倍數。

(2)特征角頻率和特征頻率fn:它只與濾波用的電阻和電容元件的參數有關(guān),通常對于帶通(帶阻)濾波器,稱(chēng)為帶通(帶阻)濾波器的中心角頻率或中心頻率f0,是通帶(阻帶)內電壓增益最大(最?。c(diǎn)的頻率。

(3)截止角頻率和截止頻率f0:它是電壓增益下降到 (即)時(shí)所對應的角頻率。必須注意 不一定等于。帶通和帶阻濾波器有兩個(gè),即和。

(4)通帶(阻帶)寬度BW:它是帶通(帶阻)濾波器的兩個(gè)之差值,即。

(5)等效品質(zhì)因數Q:對低通和高通濾波器而言,Q值等于 時(shí)濾波器電路電壓增益的模與通帶增益之比,即;對帶通(帶阻)濾波器而言,Q值等于中心角頻率與通帶(阻帶)寬度BW之比,即。


4. 有源濾波器的階數

    有源濾波器傳遞函數分母中“S”的最高“方次”稱(chēng)為濾波器的“階數”。階數越高,濾波器幅頻特性的過(guò)渡帶越陡,越接近理想特性。一般情況下,一階濾波器過(guò)渡帶按每十倍頻20dB速率衰減;二階濾波器每十倍頻40dB速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。


5. 低通和高通濾波器之間的對偶關(guān)系

(1)幅頻特性的對偶關(guān)系

當低通濾波器和高通濾波器的通帶增益 A0、截止頻率或 f0分別相等時(shí),兩者的幅頻特性曲線(xiàn)相對于垂直線(xiàn)f=f0對稱(chēng)。

(2)傳遞函數的對偶關(guān)系

將低通濾波器傳遞函數中的S換成1/S,則變成對應的高通濾波器的傳遞函數

(3)電路結構上的對偶關(guān)系

將低通濾波器中的起濾波作用的電容C換成電阻R,并將起濾波作用的電阻R換成電容C,則低通濾波器轉化為對應的高通濾波器。


    濾波器對PWM變頻調速電動(dòng)機端子上電壓波形的影響

    隨著(zhù)微電子技術(shù)和現代控制理論在交流變頻調速系統中的應用,變頻器(或逆變器)的性能也得到飛躍性的提高,并越來(lái)越廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)和日常工作的許多領(lǐng)域之中。但是,變頻器輸出的具有陡上升沿或下降沿的脈沖電壓卻在電動(dòng)機接線(xiàn)端子及繞組上產(chǎn)生了過(guò)電壓,造成電動(dòng)機繞組絕緣的過(guò)早破壞。試驗研究表明,很高的電壓上升率(dv/dt)在電動(dòng)機繞組上產(chǎn)生極不均勻的電壓分布,且隨著(zhù)變頻器與電動(dòng)機之間電纜(線(xiàn))長(cháng)度的增加,在電動(dòng)機接線(xiàn)端子上產(chǎn)生高頻振蕩的過(guò)電壓,當電纜長(cháng)度超過(guò)某一臨界值后,電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的幅值達到變頻器輸出電壓的2倍,長(cháng)時(shí)間重復性的電壓應力的作用將導致電動(dòng)機繞組匝間絕緣的過(guò)早破壞。

    為了降低電動(dòng)機端子上高頻振蕩的過(guò)電壓,最適宜的方法之一是在電動(dòng)機端子上安裝特殊設計的濾波器。濾波器的參數與變頻器特性及電纜參數有關(guān),然而變頻器、電纜及電機一般都不是同一制造商或銷(xiāo)售商提供,變頻器的開(kāi)關(guān)特性、電纜參數及長(cháng)度的不確定性,使得濾波器的參數選擇具有不固定性。關(guān)于濾波器的參數與電機端電壓或電流特性的關(guān)系,目前還未有系統研究的報道。本文主要研究在不同電纜長(cháng)度下,濾波器的參數對電機端電壓特性的影響,確定電纜長(cháng)度、濾波器的電阻和電容與電機端子過(guò)電壓幅值及脈沖上升沿時(shí)間的關(guān)系,找出濾波器參數的選擇范圍,為變頻調速驅動(dòng)系統的制造和使用提供試驗依據和理論基礎。




1、試驗研究及分析

    PWM變頻調速驅動(dòng)系統中,造成電機端子產(chǎn)生高頻振蕩過(guò)電壓的原因,用傳輸線(xiàn)理論可以很好地解釋?zhuān)⑶彝ㄟ^(guò)試驗研究也進(jìn)一步得到證實(shí),它是造成電機絕緣過(guò)早破壞的原因之一,因此為了延長(cháng)電機壽命,除了提高電機自身的絕緣水平外,還必須盡最大可能抑制過(guò)電壓的浪涌沖擊。

(1)濾波器與驅動(dòng)系統的等值電路

    在電動(dòng)機端子上安裝阻抗匹配器可以很大程度地消弱過(guò)電壓,最簡(jiǎn)單的是并聯(lián)一個(gè)與電纜的波阻抗接近的電阻,但由于電纜(線(xiàn))的波阻抗很小,一般為10Ω~500Ω,故并聯(lián)電阻上的功耗很大,達到數百至數千瓦,因此一般不采用純電阻匹配器,通常都采用一階RC低通濾波器。

    無(wú)源低通一階阻尼濾波器是電阻和電容串聯(lián)后并接在電機接線(xiàn)端子相—相上,根據傳輸線(xiàn)一次波過(guò)程的彼得遜(Petersen)規則,濾波器與變頻器、電纜和電機組成了如圖1所示的等值電路,其中2US為等值電源電壓,US即為變頻器輸出電壓,Z0為等值電纜波阻抗,Zm為電機繞組波阻抗,Rf為濾波器電阻,Cf為濾波器電容。

        圖1一次波過(guò)程的等值電路圖2電動(dòng)機端子上電壓上升沿波形與濾波器電容Cf和電阻Rf的關(guān)系

        (a)Cf=0.08μF(b)Cf=0.02μF

        (c)Cf=0.005μF(d)Cf=0.001μF

    以前研究中已經(jīng)證實(shí),在通用PWM驅動(dòng)變頻器的載波頻率(600Hz~15kHz)下,平均脈沖寬度在數十微秒以上,而由波過(guò)程產(chǎn)生的高頻振蕩過(guò)程一般約需十幾微秒,因此在分析PWM變頻器輸出的連續脈沖波的波過(guò)程時(shí),可用一個(gè)階躍波的波過(guò)程來(lái)表示。

    電纜的波阻抗Zc可通過(guò)測量單位長(cháng)度的電容C0和電感L0來(lái)求得。本文采用低壓三相PVC絕緣護套電纜線(xiàn),測得相—相間C0約為7?6×10-11F/m,L0約為6?5×10-7H/m,從而根據Zc=(L0/C0)1/2求得Zc約為92Ω。這里考慮電源有很小的內阻抗,因此對圖1中的等值電纜波阻抗Z0可近似取為100Ω。電動(dòng)機由于是電感性負載,其波阻抗Zm遠大于電纜的波阻抗。

(2)濾波器的參數對端子上電壓波形的影響

    對于陡上升沿的電壓波來(lái)說(shuō),濾波器的電容Cf可認為是零波阻抗,相當于短路,如果取濾波器電阻Rf的阻值與電纜的波阻抗相等,而電動(dòng)機的波阻抗又遠大于Rf,則負載阻抗近似為Rf,這樣一來(lái),電纜末端的負載阻抗與電纜的波阻抗相匹配,在電動(dòng)機端子上就不會(huì )產(chǎn)生電壓波的全反射,也就不會(huì )形成過(guò)電壓。

    然而濾波器的電容該如何確定?原理上其電容值越大,對阻抗的匹配性就越好,過(guò)電壓就越小。但是,隨著(zhù)電容值的增大,電阻上的功耗就增加,因為在連續矩形脈沖電壓下,濾波器電阻的總功耗P可近似表示為P=3CfUo2fs(1)式中fs為變頻器的載波頻率,對于普通型變頻器約為600Hz~5kHz,低噪音型變頻器約為8kHz~15kHz,而對于特殊的變頻器可達到20kHz。如取Uo為400V,Cf取為0?1μF,fs分別取為1kHz和10kHz,則根據式1求得電阻上的總功耗分別為48W和480W,隨著(zhù)電阻功耗的增大,濾波器元件的尺寸也相應增大,因此在小型變頻調速電動(dòng)機應用中,就不能不考慮功耗這一因素。

    實(shí)際應用中,如果對濾波器不能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計,就不能達到滿(mǎn)意的匹配效果,這就是說(shuō)濾波器的失匹配程度將影響對電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的抑制效果,本文在不同的電纜長(cháng)度(30m、45m和75m)下,電阻Rf分別取75Ω、100Ω、150Ω和350Ω,及電容Cf取為0?001μF~0?16μF,分別測量了電動(dòng)機端子上電壓的波形、上升沿過(guò)電壓幅值,以及上升時(shí)間的變化。

圖2所示的是電動(dòng)機端子上相—相電壓上升沿的波形與濾波器電阻的關(guān)系,其中電纜長(cháng)度為45m,濾波器電容分別為0?08μF、0?02μF、0?005μF和0?001μF。

    從圖2中可以看出,當濾波器電阻近似等于或小于100Ω時(shí),濾波器的電容對高頻振蕩的幅度及波形有顯著(zhù)的影響,隨著(zhù)濾波器電容的減小,高頻振蕩的幅值增大,濾波效果變差。而當濾波器電阻遠大于100Ω時(shí),濾波器的電容對振蕩的幅值及波形的影響很小。

    圖4電動(dòng)機端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系

    圖3電動(dòng)機端子上過(guò)電壓倍率(Ump/Ums)與濾波器電阻Rf及電容Cf的關(guān)系

    為了更進(jìn)一步地研究濾波器的電阻和電容與電動(dòng)機端子上電壓特性的關(guān)系,下面將分別測量不同濾波器的電阻和電容下,電動(dòng)機端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率及電壓上升時(shí)間。

(3)濾波器的參數與端子上過(guò)電壓的關(guān)系

    按照上述方法,在電纜長(cháng)度分別為30m和75m時(shí),在不同的濾波器電阻及電容下,測取電動(dòng)機端子上電壓上升沿的波形,從而得到電動(dòng)機端子上電壓上升沿過(guò)電壓倍率與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線(xiàn),如圖3所示,其中過(guò)電壓倍率為上升沿的電壓峰值Ump與穩態(tài)值Ums(即近似等于變頻器輸出電壓幅值)之比。

    從圖3中可以清楚地看出:濾波器的電容值Cf越大,濾波器的電阻值Rf越小,則過(guò)電壓的倍率就越??;另外,電纜長(cháng)度L越長(cháng),過(guò)電壓倍率也相應略增大。這樣看來(lái),當電纜長(cháng)度為75m時(shí),如Cf大于0?02μF,Rf小于150Ω,過(guò)電壓的倍率將不超過(guò)12。

(4)濾波器的參數與端子上電壓上升沿時(shí)間的關(guān)系

    同樣,在電纜長(cháng)度分別為30m和75m時(shí),在不同的濾波器電阻及電容下,測取電動(dòng)機端子上電壓上升沿的波形,從而得到電動(dòng)機端子上電壓上升沿時(shí)間與濾波器電阻及電容的關(guān)系曲線(xiàn),如圖4所示。

    從圖4中可以清楚地看出:濾波器的電阻值Rf越小,上升沿時(shí)間tr就越大,且隨濾波器的電容值Cf的增大而增加,并當Cf超過(guò)0?01μF后,tr趨于飽和;當Rf大于150Ω時(shí),上升沿時(shí)間與電容值幾乎無(wú)關(guān);另外,電纜長(cháng)度L越長(cháng),上升沿時(shí)間也相應增大。這樣看來(lái),當電纜長(cháng)度為75m時(shí),如Cf大于0?01μF,Rf為100Ω,則上升沿時(shí)間超過(guò)0?9μs,它是濾波前(約045μs)的2倍。

(5)濾波器的Rf和Cf的選擇

    由上述試驗結果可知,濾波器電阻值Rf越小,電容值Cf越大,電纜長(cháng)度L越短,則電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的倍率就越小。而且Rf越小,Cf越大,上升沿時(shí)間就越大,即電壓上升率(dv/dt)也就越小。如果電纜的長(cháng)度約為75m,取濾波器的電容值Cf為0?02μF,Rf近似取為100Ω,則電動(dòng)機端子上過(guò)電壓的倍率從濾波前的1?8減小到1?2,上升沿時(shí)間從濾波前的0?45μs增大到0?9μs,則電壓上升率減小到濾波前1/3,這有利于減弱過(guò)電壓對電動(dòng)機絕緣的破壞。


2、結語(yǔ)

    用RC一階阻尼濾波器可以很好地抑制變頻調速電動(dòng)機端子上高頻振蕩的過(guò)電壓,濾波器的電阻值越小,電容值越大,則過(guò)電壓幅值就越小。當濾波器的電容大于一定值(如0?02μF)后,過(guò)電壓幅值隨濾波器電阻值的減小而減小,并在電阻值等于或小于電纜的波阻抗時(shí)趨于電源電壓值,且隨電纜長(cháng)度的增加而略有增加,而上升沿時(shí)間隨濾波器電阻值的減小而增加,并隨電纜長(cháng)度的增加而增加??紤]到濾波器的功耗,電容值不宜很大,應低于0.1μF。

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