并联型有源电力滤波器的设计

并联型有源电力滤波器的设计
近年来，随着整流器、变频装置、电弧炉以及其它电力电子设备等的应用不断增加，由于这些负荷具有非线性、冲击性和不平衡的用电特性，引起供电网中的电流（电压）畸变，产生大量谐波。

谐波污染已成为供电系统不容忽视的问题之一，本文设计的有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置.
标签：谐波;瞬时无功功率理论;有源电力滤波器;智能功率模块;脉宽调制
1. 并联有源电力滤波器的主电路结构设计
2 三相三线制有源滤波器主电路工作原理
有源电力滤波器的补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。

主电路的工作情况是由主电路中的6组开关器件的通断组合决定的。

有源电力滤波器工作时通过一定的控制方式控制各桥臂的开关管的通断，从而控制加在输出电感两端的电压以达到控制补偿电流的目的。

对于三相桥式变流器其同一桥臂上下开关不能同时开通，因此同一桥臂上下两开关的控制信号是互补的。

通常，同一相的上下两个开关总有一个期间是导通的。

假设三相电源电压之和，并根据该电路有，可得到描述主电路工作情况的微分方程如下：
有源电力滤波器主电路中开关器件的通断，是由采样时刻处和的极性决定的，其中仍以a相为例，当时，应该使，而时，应该使，从而使减小，达到补偿电流跟踪变化的目的。

3 并联型有源电力滤波器的硬件结构
图2为并联型有源电力滤波器系统硬件整体结构图.
4负载电流采样及调理电路
1 ）负载电流采样
.在本设计中采用LEM公司的LT200P霍尔效应电流传感器作为负载电流采样元件，图3 为LT200P 连接图。

LT200P 的参数：额定电流200A，测量范围400A，匝数比1：2000，在额定电流下副边输出0.1A，总体精度0.4～0.5，带宽为DC～100kHz，供电电源±15V。

在本设计中LT200P自身工作时提供±15V 的电源，其中M 端为测量端。

M 端与地之间串接采样电阻。

采样电阻的阻值选取时应保证，原边电流最大时
副边电流与采样电阻值的乘积必须在±15V之间。

根据负载采样电流有效值为200A，因此根据变比以及控制输出电流的范围，可以计算出采样电阻：
2）负载电流信号调理电路
.本设计中有源电力滤波器主要滤除20次以下的谐波电流，因此在调理电路中加入滤波电路滤除更高次的谐波。

实际采用二阶Butterworth 低通滤波器。

对于滤波器的放大倍数选取为1，截止频率f=3kHz。

图4为信号调理电路图。

首先对滤波器的参数进行设计。

该电路中采用了一个同相放大器，由于无源RC电路部分反馈到运放的同相端，因此，它为正反馈。

在运算放大器选择时，选取LM324作为本次设计中的运算放大器。

LM324通用型集成四运算放大器是电力电子设备中如今极为常用的运算放大器。

LM324具有极好的设计性能，其引脚上下左右对称，引脚排列甚为好记，所以很受电力电子行业技术工程人员的欢迎。

LM324主要参数限制：①单正工作电源电压U+：6～36V②单负工作电源电压U-：-（6～36）V③双电源工作电源电压U+：±3～±18V④工作温度范围：0～70℃。

由于A/D转换器的模拟数据采样口允许的电压幅值为±10V，而被采样负载电流信号为±15V，所以在检测电路中需进行适当的处理。

经滤波后的信号再经比例、反相电路将信号幅值变换至±10V之间。

因此，电路中的反向比例电路应该将放大倍数设定为2/3。

反相电路只是起到使信号极性相反，这是因为前面的反相比例电路时信号极性已经反向。

由此，根据一些经验设计，可以确定各个电阻值：
其中是为了保证实际的两个输入端对地的等效电阻相等，从而使
运放处于对称与平衡的工作状态，减小由输入偏置电流引入的误差。

故又称平衡电阻，取。

为了防止直流电源的干扰，可以在电源引脚和地之间加一独石电容（）防止高频干扰，因此本设计中取电容。

另外，A/D转换器的模拟数据采样口对电压的要求严格，所以在信号的输出端加有限幅电路，由稳压二极管构成。

对于稳压管的选取，因为所要限定的电压是±10V，所以按照上面的接法，根据10V电压限值，选用的稳压管的型号是2DW4，主要参数有：稳定电压10V，稳定电流30mA，最大稳定电流120mA，动态电阻≤4，电压温度系数0.03%/℃。

5 直流电压采样及调理电路
1）直流电压采样
直流侧电压采样采用直流电压传感器进行采样。

采用LEM公司的电压传感
器LV100。

LV100为霍尔效应的闭环电压传感器，所以有非常良好的原副边隔离作用，可測的电压范围为100V～2500V。

2）直流电压调理电路
由于直流电压采样的信号要送入到A/D转换器的模拟输入口，因此采样的电流不能直接接到A/D转换器的模拟输入口，需要经过调理再送到A/D转换输入口。

将采样的信号经二阶滤波电路以减小干扰，由于采样直流信号，滤波器截止频率可以选取的较低，本设计的滤波器截止频率为1kHz。

由于采样的电压为7.5左右波动，而且在设计任务书中要求电压波动为2%，所以电压波动不会超过±10V。

因此，在调理电路中只需要滤波电路和限幅电路即可。

直流电压调理电路如图5所示。

6 A/D转换电路的设计
在本设计中，A/D转换采用美国BB公司推出的ADS7824。

它一种低功耗4通道12位并行/串行模数转换芯片。

该芯片是一种开关电容式逐次逼近模数转换芯片，其内部自带采样保持器（SHA）、时钟源、+2.5V参考电压及与微处理器的并行/串行接口。

同时，它还可以在连续转换模式下对外部4通道模拟输入信号进行顺序转换。

与其它ADC相比，ADS7824具有非常低的功耗和丰富的片上资源，且内部结构紧凑，集成度高，工作性能好，可在-40～80℃范围内正常工作。

本设计中，D/A转换芯片采用美信公司的MAX526芯片。

MAX526是4路12位、电压输出型数模转换器，与MAX527兼容，采用±5V供电，8位数据总线。

数据通过两次写操作（低8位LSB，高4，位MSB）装入各输入寄存器，并通过异步装载DAC输入信号将输入寄存器数据装入DAC寄存器。

MAX526 建立时间为3μs、1LSB不可校正误差的优点，广泛地应用在数字/增益校正、工业处理控制、自动测试设备等方面。

参考文献：
1 姜齐荣、赵东元、陈建业，《有源电力滤波器——结构·原理·控制》，北京：科学出版社，2005年10月
2 王兆安、杨君、刘进军、王跃，《谢波抑制与无功功率补偿》，机械工业出版社
3姜齐荣、谢小荣、陈建业，《电力系统并联补偿——结构、原理、控制与应用》，机械工业出版社，2004年8月
4沙占友，《中外集成传感器实用手册》，电子工业出版社，2005年9月
5 李华、孙晓民、李红青、徐平、张新宇，《MCS—51系列单片机实用接口技术》，北京航空航天大学出版社，2004年3月。