并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

孫昱瓊 周國偉

摘 要：近年來，隨著整流器、變頻裝置、電弧爐以及其它電力電子設(shè)備等的應(yīng)用不斷增加，由于這些負(fù)荷具有非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，引起供電網(wǎng)中的電流（電壓）畸變，產(chǎn)生大量諧波。諧波污染已成為供電系統(tǒng)不容忽視的問題之一，本文設(shè)計(jì)的有源電力濾波器（APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功功率的新型電力電子裝置.

關(guān)鍵詞：諧波;瞬時(shí)無功功率理論;有源電力濾波器;智能功率模塊;脈寬調(diào)制

1. 并聯(lián)有源電力濾波器的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 三相三線制有源濾波器主電路工作原理

有源電力濾波器的補(bǔ)償電流是由主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的。主電路的工作情況是由主電路中的6組開關(guān)器件的通斷組合決定的。有源電力濾波器工作時(shí)通過一定的控制方式控制各橋臂的開關(guān)管的通斷，從而控制加在輸出電感兩端的電壓以達(dá)到控制補(bǔ)償電流的目的。對(duì)于三相橋式變流器其同一橋臂上下開關(guān)不能同時(shí)開通，因此同一橋臂上下兩開關(guān)的控制信號(hào)是互補(bǔ)的。通常，同一相的上下兩個(gè)開關(guān)總有一個(gè)期間是導(dǎo)通的。

假設(shè)三相電源電壓之和，并根據(jù)該電路有，可得到描述主電路工作情況的微分方程如下：

有源電力濾波器主電路中開關(guān)器件的通斷，是由采樣時(shí)刻處和的極性決定的，其中仍以a相為例，當(dāng)時(shí)，應(yīng)該使，而時(shí)，應(yīng)該使，從而使減小，達(dá)到補(bǔ)償電流跟蹤變化的目的。

3 并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件結(jié)構(gòu)

圖2為并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖.

4負(fù)載電流采樣及調(diào)理電路

1 ）負(fù)載電流采樣

.在本設(shè)計(jì)中采用LEM公司的LT200P霍爾效應(yīng)電流傳感器作為負(fù)載電流采樣元件，圖 3 為 LT200P 連接圖。

LT200P 的參數(shù)：額定電流200A，測(cè)量范圍400A，匝數(shù)比1：2000，在額定電流下副邊輸出0.1A，總體精度0.4～0.5，帶寬為DC～100kHz，供電電源±15V。在本設(shè)計(jì)中LT200P自身工作時(shí)提供±15V 的電源，其中 M 端為測(cè)量端。 M 端與地之間串接采樣電阻。采樣電阻的阻值選取時(shí)應(yīng)保證，原邊電流最大時(shí)副邊電流與采樣電阻值的乘積必須在±15V之間。

根據(jù)負(fù)載采樣電流有效值為200A，因此根據(jù)變比以及控制輸出電流的范圍，可以計(jì)算出采樣電阻：

2） 負(fù)載電流信號(hào)調(diào)理電路

.本設(shè)計(jì)中有源電力濾波器主要濾除20次以下的諧波電流，因此在調(diào)理電路中加入濾波電路濾除更高次的諧波。實(shí)際采用二階Butterworth 低通濾波器。對(duì)于濾波器的放大倍數(shù)選取為1，截止頻率f=3kHz。圖 4為信號(hào)調(diào)理電路圖。

首先對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該電路中采用了一個(gè)同相放大器，由于無源RC電路部分反饋到運(yùn)放的同相端，因此，它為正反饋。在運(yùn)算放大器選擇時(shí)，選取LM324作為本次設(shè)計(jì)中的運(yùn)算放大器。LM324通用型集成四運(yùn)算放大器是電力電子設(shè)備中如今極為常用的運(yùn)算放大器。LM324具有極好的設(shè)計(jì)性能，其引腳上下左右對(duì)稱，引腳排列甚為好記，所以很受電力電子行業(yè)技術(shù)工程人員的歡迎。LM324主要參數(shù)限制：①單正工作電源電壓U+：6～36V? ②單負(fù)工作電源電壓U-：-（6～36）V? ③雙電源工作電源電壓U+：±3～±18V? ④工作溫度范圍：0～70℃。

由于A/D轉(zhuǎn)換器的模擬數(shù)據(jù)采樣口允許的電壓幅值為±10V，而被采樣負(fù)載電流信號(hào)為±15V，所以在檢測(cè)電路中需進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。?jīng)濾波后的信號(hào)再經(jīng)比例、反相電路將信號(hào)幅值變換至±10V之間。因此，電路中的反向比例電路應(yīng)該將放大倍數(shù)設(shè)定為2/3。反相電路只是起到使信號(hào)極性相反，這是因?yàn)榍懊娴姆聪啾壤娐窌r(shí)信號(hào)極性已經(jīng)反向。由此，根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以確定各個(gè)電阻值：

其中是為了保證實(shí)際的兩個(gè)輸入端對(duì)地的等效電阻相等，從而使

運(yùn)放處于對(duì)稱與平衡的工作狀態(tài)，減小由輸入偏置電流引入的誤差。故又稱平衡電阻，取。為了防止直流電源的干擾，可以在電源引腳和地之間加一獨(dú)石電容（）防止高頻干擾，因此本設(shè)計(jì)中取電容。

另外，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬數(shù)據(jù)采樣口對(duì)電壓的要求嚴(yán)格，所以在信號(hào)的輸出端加有限幅電路，由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成。對(duì)于穩(wěn)壓管的選取，因?yàn)樗薅ǖ碾妷菏恰?0V，所以按照上面的接法，根據(jù)10V電壓限值，選用的穩(wěn)壓管的型號(hào)是2DW4， 主要參數(shù)有：穩(wěn)定電壓10V，穩(wěn)定電流30mA，最大穩(wěn)定電流120mA，動(dòng)態(tài)電阻≤4，電壓溫度系數(shù)0.03%/℃。

5 直流電壓采樣及調(diào)理電路

1） 直流電壓采樣

直流側(cè)電壓采樣采用直流電壓傳感器進(jìn)行采樣。采用LEM公司的電壓傳感器 LV100。LV100為霍爾效應(yīng)的閉環(huán)電壓傳感器，所以有非常良好的原副邊隔離作用，可測(cè)的電壓范圍為100V～2500V。

2） 直流電壓調(diào)理電路

由于直流電壓采樣的信號(hào)要送入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入口，因此采樣的電流不能直接接到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入口，需要經(jīng)過調(diào)理再送到A/D轉(zhuǎn)換輸入口。將采樣的信號(hào)經(jīng)二階濾波電路以減小干擾，由于采樣直流信號(hào)，濾波器截止頻率可以選取的較低，本設(shè)計(jì)的濾波器截止頻率為1kHz。

由于采樣的電壓為7.5左右波動(dòng)，而且在設(shè)計(jì)任務(wù)書中要求電壓波動(dòng)為2%，所以電壓波動(dòng)不會(huì)超過±10V。因此，在調(diào)理電路中只需要濾波電路和限幅電路即可。直流電壓調(diào)理電路如圖5所示。

6 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，A/D轉(zhuǎn)換采用美國BB公司推出的ADS7824。它一種低功耗4通道12位并行/串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是一種開關(guān)電容式逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部自帶采樣保持器（SHA）、時(shí)鐘源、+2.5V參考電壓及與微處理器的并行/串行接口。同時(shí)，它還可以在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下對(duì)外部4通道模擬輸入信號(hào)進(jìn)行順序轉(zhuǎn)換。與其它ADC相比，ADS7824具有非常低的功耗和豐富的片上資源，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，工作性能好，可在-40～80℃范圍內(nèi)正常工作。

本設(shè)計(jì)中，D/A轉(zhuǎn)換芯片采用美信公司的MAX526芯片。MAX526是4路12位、電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與MAX527兼容，采用±5V供電，8位數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)通過兩次寫操作（低8位LSB，高4，位MSB） 裝入各輸入寄存器，并通過異步裝載DAC輸入信號(hào)將輸入寄存器數(shù)據(jù)裝入DAC寄存器。MAX526 建立時(shí)間為3μs、1LSB不可校正誤差的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在數(shù)字/增益校正、工業(yè)處理控制、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等方面。

作者簡介：孫昱瓊 （1978年—），女，河北固安，技師，研究方向：水電廠運(yùn)行

參考文獻(xiàn)：

1 姜齊榮、趙東元、陳建業(yè)，《有源電力濾波器——結(jié)構(gòu)·原理·控制》，北京：科學(xué)出版社，2005年10月

2 王兆安、楊君、劉進(jìn)軍、王躍，《謝波抑制與無功功率補(bǔ)償》，機(jī)械工業(yè)出版社

3姜齊榮、謝小榮、陳建業(yè)，《電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償——結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社，2004年8月

4沙占友，《中外集成傳感器實(shí)用手冊(cè)》，電子工業(yè)出版社，2005年9月

5 李華、孫曉民、李紅青、徐平、張新宇，《MCS—51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)》，北京航空航天大學(xué)出版社，2004年3月