單相電源濾波器設計 淺析單相電源濾波器的設計過程

本文主要介紹了關于單相電源濾波器的設計及其設計過程相關知識，希望通過本文能讓你對單相電源濾波器有更深的理解。

電源濾波器

電源濾波器就是對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電器設備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率后的電源信號。

利用電源濾波器的這個特性，可以將通過電源濾波器后的一個方波群或復合噪波，變成一個特定頻率的正弦波。

電源濾波器常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復式濾波（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。直流電中的脈動成分的大小用脈動系數S來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。

脈動系數（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絡：電源濾波器輸入、輸出側與電源和負載側的阻抗適配越大，對電磁干擾的衰減就越有效。

單相電源濾波器設計

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計過程。

基本原理及系統結構

有源電力濾波器是一種可以對動態變化的諧波無功進行補償的裝置，它能夠對各次諧波進行主動跟蹤和補償。其通過采樣負載電流和電壓，通過指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號，反相后用該信號控制逆變器的導通，得出補償電流，從而抵消負載中相應電流，實現了動態跟蹤補償，而且既可以補償諧波又可以補償無功[4]。圖1所示為單相并聯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載都并聯在單相電源上。接入電網的非線性負載產生負載電流，向電網注入諧波和無功電流，系統通過傳感器將采集到的負載電流送到諧波電流檢測運算電路，經計算得出的指令信號來控制補償電流發生電路（由電流跟蹤控制電路、驅動電路和逆變器主電路三個部分構成）工作，逆變器輸出的電壓與電網電壓的壓差作用在濾波電感上，產生補償電流注入電網，從而補償了諧波無功電流，使電網電流信號呈現標準的正弦波形。

圖1?單相有源電力濾波器原理圖

2?諧波檢測與控制策略

諧波檢測是有源電力濾波器的關鍵環節，其快速性與精確度直接影響補償電流的輸出結果。本文選擇了基于鑒相原理的諧波檢測方法。以電網電壓信號為基準信號，通過鎖相環產生出標準的正弦與余弦信號，把檢測到的瞬時電流與標準的正余弦信號進行線性變化處理再通過低通濾波器后濾出其直流分量，從而得到諧波和無功電流[5]。該方法高效、簡便，易于在實驗中實現，如圖2所示為帶直流側電壓控制的諧波檢測過程。

圖2?諧波檢測過程

將檢測到的諧波電流進行系統閉環總體控制，本系統的外環是直流側電壓環控制，內環是逆變器輸出的補償電流控制。有源電力濾波器的直流側電壓一般是由功率管反并聯的二極管電網電壓整流來獲得，通過控制電壓環可以達到直流側與電網有功能量的交換，保證有源電力濾波器在啟動時直流側充電到預期電壓。在正常運行時控制電壓環從電網得到有功功率，維持直流側電壓穩定[6~7]。

圖中，Udc為直流側實際電壓，Uref為直流側給定電壓，兩者的差值經PI調節器調節后疊加到諧波檢測出來的有功電流的直流分量Ip上，然后再乘以標準正弦信號，就得到了瞬時有功電流。檢測到的負載電流is(t)減去該有功電流就可得到諧波和無功電流之和ih(t)。

如圖3所示為系統控制圖，本文選擇PI+三角波的調制方法。將ih(t)反相后得到的，其與逆變器輸出的補償電流ic(t)做差，該誤差信號經PI調節后與三角波信號比較，產生相應的PWM信號控制逆變器導通。

圖3?系統控制圖

3?系統軟硬件設計

單相并聯型有源電力濾波器的硬件系統主要由APF主電路、DSP控制板、信號采樣調理電路、MOSFET驅動電路等組成，本設計系統采用TMS320F28335作為主控芯片，搭建了系統平臺如圖4所示。

由于有源電力濾波器對實時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位的具有浮點內核的DSP芯片，也是目前工業控制領域最先進的處理器之一。

其主頻高達150MHz(6.67nS時鐘周期)，內核電壓1.9V/1.8V，IO口電壓為3.3V；具有IEEE-754單精度浮點運算單元（FTU），16×16和32×32介質訪問控制（MAC）運算，哈佛總算結構，快速中斷響應和處理；16位或32位外部接口，可處理超過2M×16位地址范圍；片內存儲器256K×16位Flash存儲器，34K×16位單口隨機存儲器（SARAM），1K×16位一次性可編程（OTP）ROM[8]。

圖4?系統硬件架構圖

系統通過傳感器將采集到的信號先送到采樣調理電路，經過調理后的信號輸入DSP控制板進行諧波計算，計算得出的指令信號來控制APF主電路的工作，最終主電路輸出的電壓與電網電壓的壓差作用在濾波電感L上，從而產生補償電流注入電網，補償了諧波和無功電流，使電網電流信號呈現標準的正弦波形。系統軟件包括主程序和中斷程序。主程序如圖5所示。

圖5?系統主程序流程圖

主程序中主要完成初始化，對系統變量進行定義并且對系統中斷向量以及引腳初始化進行設置。主要包括CPU及外設時鐘的設置、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入循環狀態，等待中斷的到來。

中斷程序主要由外部中斷子程序和定時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實現電網電壓同步，正余弦表復位，開啟定時器工作，其通過不斷檢測方波信號的上升沿來初始化系統計數值，然后復位正余弦表。

圖6?外部中斷主程序流程圖

定時器周期中斷子程序中負責所有的控制過程，包括AD采樣、正弦表地址移位、諧波計算、低通濾波、直流側電壓PI控制、補償電流指令控制、PWM信號生成等。設計中設置采樣周期為6.4kHz，由定時器觸發AD采樣，然后進入諧波計算部分，依次進行數字低通濾波、直流側電壓控制、PI+三角波比較生成PWM信號。

圖7?定時器中斷子程序流程圖

4?實驗結果

根據圖4所示硬件結構，設計了一臺220VA的單相并聯型有源電力濾波實驗裝置，開關頻率選擇為6.4kHz，諧波負載為帶感性負載的單相不控整流電路，在110V交流系統下實驗。采集觀察補償前后電網電壓與負載電流如圖8所示，對補償前后的負載電流進行FFT分析，所得結果如圖9所示。

圖8?補償前后的電網電壓與電網電流

圖9?補償前后電流畸變率對比

從圖中可以看出，電流畸變率從補償前的29.5%降到了3.82%，說明本設計的有源電力濾波器具有良好的補償性能。

怎樣判別單相交流電源濾波器好壞

用萬用表電阻檔測電阻:

1、相同線色的輸入-輸出線應該分別短路.

2、不同線色的輸入線、輸出線應該分別開路.

3、如果有第三根線（地線），不同線色的輸入線、輸出線，應該與地線開路.

結語

本文對單相并聯型有源電力濾波器進行了研究，介紹了諧波檢測的一種新方法，并對控制策略進行了分析，在基于TMS320F28335的基礎上搭建了一臺樣機，對所討論的理論進行了實驗驗證，實驗結果表明，該有源電力濾波器具有很好的補償性能。

本文擬作參考，如有不足之處還望海涵。