原创 谐波滤波器电路：如何使用有源和无源谐波滤波器去除谐波

在电力系统中，谐波被定义为基频的正整数倍。谐波是在基频的倍数处出现的电压或电流。它通常被视为电源线中的噪声。

电力系统中的谐波可分为电流谐波和电压谐波两类。

由诸如 VSD（变速驱动器）等非线性负载引起的电流谐波。非线性负载从非完美正弦波形的电源线汲取电流。非正弦电流波形可以是一系列复杂的简单正弦波，它可以在电源线基频的整数倍处振荡。

在大多数情况下，电压谐波是由电流谐波引起的。电压谐波的发生是由于电流谐波与源阻抗的影响而产生的电压失真。

上图显示了非线性负载上的不良电流波形。这里失真的电流波形不跟随正弦波。这显示了电力系统中的电流谐波。

电流和电压谐波与传输到负载的噪声功率成正比。各种家用和办公设备对电力系统中的谐波负责。电力系统谐波通常会增加负载电流。各种仪器，如工厂或房屋或办公室中的荧光灯，都会受到谐波的影响，并出现各种故障。电机受电力系统谐波的影响很大。

有时，电力系统中的谐波可能非常危险，会增加传递给仪器的功率，从而导致负载温度升高并缩短仪器寿命。

为了克服这种电力系统谐波，需要重建电力连接以驱动非线性负载并在电力系统中引入谐波滤波器。

谐波滤波器非常有效地保护昂贵的电气设备免受谐波导致的功率输出失真。根据额定功率、施加电压、单相或三相以及其他与负载相关的参数，电气和电子市场上有不同类型的谐波滤波器可供选择。

但是，有两种主要类型的谐波滤波器可用，即无源谐波滤波器和有源谐波滤波器。

这两种谐波滤波器的主要区别在于滤波器设计所使用的组件。无源谐波滤波器使用简单的无源元件，主要是电阻器、电感器和电容器。而有源谐波滤波器则使用不同类型的BJT、IGBT、MOSFET和集成电路等有源元件。

由于谐波滤波器是电力线路安全设备，它们必须确认国际安全标准，如 IEEE、EN、AS、BS 和保险商实验室的 UL 标志。

此外，谐波滤波器可以设计成不同的阶数。像三次谐波滤波器一样，可以滤除基频的三次倍数的频率。

无源谐波滤波器是最常见和最容易获得的谐波滤波器。它是一种经济实惠的滤波器，用于抑制电源线中的谐波干扰。

如前所述，无源谐波滤波器使用标准无源元件，例如电阻器、电感器和电容器。那些无源元件被用来形成一个储能电路。储能电路以特殊方式设计，使其可以在与不需要的谐波相关的相同谐振频率下运行。无源谐波滤波器阻止不需要的谐波通过。无源谐波滤波器将谐波电流转化为热量并保护终端设备或负载。滤波器可以调谐到需要作为谐波消除的特定频率。

主要使用四种类型的无源谐波滤波器：

1、高通滤波器

2、带通滤波器

3、C型过滤器

4、串联过滤器

高通滤波器

高通无源谐波滤波器用于消除高次谐波并在宽频率范围内进行灵活控制。基本的高通谐波滤波器设计使用三个无源元件，电阻器、电容器和电感器。

在上图中，我们可以看到无源高通谐波滤波器的基本结构。该结构显示电阻器和电感器并联连接一个电容器串联。该滤波器在高频范围内产生平坦的阻抗特性。高频降低了功率损耗。

此类滤波器主要用于过滤5次/6次或更高阶电流。在低阶或低频应用中使用时，通常将不同的滤波器与高通谐波滤波器结合使用，以消除功率损耗。

阻抗随频率变化的曲线如下图所示。

带通滤波器

带通谐波滤波器是一种双调谐滤波器。带通谐波滤波器由两个电容器、两个电感器和一个电阻器组成。它也用于高次谐波过滤目的。该滤波器与标准带通滤波器的组合并联谐振以及电感器和电容器组合的串联谐振一起工作。

在上图中，显示了基本的带通滤波器示意图。滤波电路有两个部分，在第一部分中，电容器C2和电感器L2串联连接，而在第二部分中，电阻器、电感器和电容器并联连接。第一部分和第二部分也串联连接。

阻抗特性随频率变化如下图所示。

C型过滤器

C型滤波器用于二阶或三阶谐波过滤等低阶。C 型滤波器的损耗低于等效带通或串联滤波器。

C 型滤波器由 4 个无源元件组成 -两个电容器、一个电感器和一个电阻器。

在上图中，显示了 c 型过滤器的基本结构。电容器与电感器串联，电感器又与电阻器并联。三元件并联连接再次与第二个电容器串联连接。

电阻器抑制由振荡电感器和电容器产生的基波电流。

阻抗曲线如下图所示 -

系列过滤器

该串联滤波器称为单调谐谐波抑制无源滤波器。该过滤器具有最简单的构造属性。只有三个无源元件——单个电容器、电感器和电阻器串联使用。该滤波器消除了单一频率。

该滤波器的结构如下图所示，其中 3 个无源元件串联连接以形成单调谐串联谐波滤波器。

阻抗特性如下图所示 -

如前所述，无源谐波滤波器可以很好地消除与电力线相关的谐波。然而，无源谐波滤波器的设计确实很复杂，设计者必须根据负载的无功功率要求来设计无源谐波滤波器。在这种情况下，无源滤波器设计非常困难，并且在某些负载条件下会导致较差的功率因数运行。

在这个问题上，有源滤波器更好地处理电力线谐波，而没有基频的无功功率依赖性。

有源谐波滤波器使用一种极好的方法，滤波器使用自产生的谐波分量并将其注入电源线，从而消除不需要的谐波。

有不同类型的有源滤波器可用，它们使用不同的拓扑来消除电力线中的谐波。

最常见的有源谐波滤波器设计使用以下基本内容，例如

1.采用各种电源开关的电压源逆变器

2.来自电源线的采样和控制参考

3.PWM系统将PWM触发脉冲作为谐波注入系统。

有源谐波滤波器使用不同类型的半导体开关，需要电源才能运行。

确定完美的谐波滤波器非常棘手。需要确定滤波器需要调谐的谐波频率。在少数情况下，仅由于在不存在谐波的某个基频处进行了错误调谐，滤波器操作无法达到目的。

第一个重要步骤是确定谐波次数，并根据谐波次数选择滤波器。为了消除单频谐波失真，串联谐波滤波器是有效的，但在少数情况下需要使用双调谐谐波滤波器。

滤波器的损耗也需要得到补偿，这在很大程度上取决于滤波器的选择。有时对于高水平的非线性负载，需要有源和无源两种类型的谐波滤波器。

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