有源无源滤波器的设计及对比

有源与无源滤波电路的优缺点

摘要：本文文主要通过对二阶有源、无源滤波器电路的设计并用Mu ltisim10对其仿真结果，进一步总结概述有源无源滤波器的优缺点。

关键字: 有源无源 Mu ltisim10

Abstract: This text mainly through second order active and passive filter circuit design and the simulation result of Mu ltisim10, further summarizes active passive filter paper of the merits and demerits.

Keyword: active passive Mu ltisim10

1 引言

滤波器是一种使用信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，在信息处理、数据传送和抑制干扰等自动控制、通信及其它电子系统中应用广泛。滤波一般可分为有源滤波和无源滤波, 有源滤波可以使幅频特性比较陡峭, 而无源滤波设计简单易行, 但幅频特性不如有源滤波器, 而且体积较大。从滤波器阶数可分为一阶和高阶, 阶数越高, 幅频特性越陡峭。高阶滤波器通常可由一阶和二阶滤波器级联而成。采用集成运放构成的RC 有源滤波器具有输入阻抗高,输出阻抗低, 可提供一定增益, 截止频率可调等特点。压控电压源型二阶低通滤波电路是有源滤波电路的重要一种, 适合作为多级放大器的级联。本文根据实际要求设计一种压控电压源型二阶有源低通滤波电路, 采用EDA 仿真软件Mu ltisim10对压控电压源型二阶有源低通滤波电路进行仿真分析、调试, 从而实现电路的优化设计并且比较有源无源的优异差别。

2 二阶无源滤波器的设计分析

2.1 二阶无源滤波器的典型结构

二阶无源滤波器的设计跟二阶有源滤波的的区别是没有使用放大器，由有源部分设计的电路图很容易得到二阶无源滤波器的电路图如图4所示：

图1 二阶无源滤波器原理图

2.2 二阶无源滤波器的设计与仿真

经过推导，这种滤波器的传递函数为:

根据二阶低通滤波器典型电压转移函数：

可得增益常熟K=1，极点频率Wp=1/RC,品质因数Q=1/3。设计一个截止频率为10KHz二阶无源低通滤波器,于是可以求出电路中元件器的取值为:R1 = R2 = R = 4 kΩ; C1 = C2 = C = 4nF。用Multisim 10.0 仿真,电路图如图2所示:

图2 Multisim 10. 0 组建的仿真电路

幅频曲线如图3所示：

图3 二阶无源低通滤波器的幅频特性

3 二阶有源滤波器设计分析

3.1 二阶有源滤波器的典型结构

二阶有源滤波器的典型结构如图4 所示。其中, Y1 ~ Y5 为导纳, 考虑到Up = UN , 根据KCL 可求得：

图4 二阶有源滤波器的典型电路

上式( 1)是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式, 式中, Auf = 1+ RF /R 6。只要适当选择Yi, i取值1到5, 就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。

3.2 二阶有源低通滤波器特性分析

设Y1 = 1 /R 1, Y2 = SC1, Y3 = 0, Y4 = 1 /R 2, Y5 =SC2, 将其代入式( 1)中, 得到压控电压源型二阶有源低通滤波器的传递函数为：

上式( 2 ) 为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。

其中, ωn为特征角频率, Q称为等效品质因数。

3.3 二阶有源低通滤波器的设计与仿真

(1) 设计要求

设计一个压控电压源型二阶有源低通滤波电路,要求通带使截止频率f = 100 kH z, 等效品质因数Q =1, 试确定电路中有关元件的参数值。为设计方便选取R1 = R2 = R, C1 = C2 = C, 则根据公式计算得：R1 = R2 = R = 40 kΩ; C1 = C2 = C = 2nF; R3 =10 kΩ, R4 = 5.83k Ω。本试验用Multisim 10.0 仿真,电路图如图5所示:

(2)电路设计

图5 Multisim 10. 0 组建的仿真电路

幅频曲线如图6所示

图6 Multisim 仿真的幅频图

4有源无源滤波器优异性比较

4.1 有源无源滤波器实验分析比较

由理论分析和结果图比较可得，有源滤波器在通频带内对信号进行了放大，使滤波器具有更大的灵活性，并且有源滤波器的Q值优于无源滤波器。从实验结果还可以看出，有源滤波器的截止频率的理论值跟实验值偏差很小，而无源滤波器的截止频率的理论值跟实验值偏差比较大。

有源无源滤波器实际应用优势分析

4.2.1有源滤波器优特点

有源滤波器技术优势：

(1)绿色化

效率达97.2%，比效率为95%的有源滤波器年节约电能约6, 500kwh

(2)效率更高的拓扑增强型控制算法

基于精确模型的热设计和结构优化

(3)小型化

体积仅为同类主流品牌1/6,占用更少空间，活适应不同的工况安装创新，壁挂式或机架式安装使用更少的原材料,保护环境

(4)智能化

补偿指定次数谐波可调感性、容性无功补偿补偿系统不平衡负载自动检测、抑制系统谐振全功能监控系统

(5)模块化

N+1冗余，显著提高系统可靠性流水线生产，更出色质量保证减少系统单故障点灵活并联，适应不同工况

功能特性：

同时滤除2~50次谐波，或选择2~50次内任意次数谐波进行补偿响应时间小于300μs

采用3DSP+CPLD全数字控制方式和国际知名品牌高速IGBT，闭环控制，精确滤除谐波，应用四相线技术，消除中性线电流，自动消除谐振，不受电网阻抗和系统阻抗变化影响，具有补偿谐波；同时补偿谐波和无功；同时补偿谐波，无功和负载三相电流不平衡三种工作模式。电子式过负荷保护逆变器控制具备了机器快速的FPGA，功率数字信号处理功能模

块化设计，易于扩展多机并联集中监控功能远程网络监控功能维护方便，在符合要求的工作环境下工作，非机器故障无需维护。

4.2.2无源滤波器的优特点

无源滤波器一般只能滤除某阶次谐波，且要求系统符合相对稳定。使用于系统谐波单一，负荷稳定的场景。国际上广泛使用的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。

1单调谐滤波器:一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好,结构简单;缺点是电能损耗比较大,但随着品质因数的提高而减少,同时又随谐波次数的减少而增加,而电炉正好是低次谐波,主要是2~7次,因此,基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时,基波损耗可减少20~50%,属节能型,滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器,但组成复杂些,投资也高些,用于电弧炉系统中,2次滤波器选用三阶滤波器为好,其它次选用二阶单调谐滤波器。

2高通(宽频带滤波器,一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时,对5次以上起滤波作用时,通过参数调整,可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。

无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。

4.3无源滤波器和有源滤波器的区别

无源滤波器和有源滤波器，存在以下的区别：

工作原理：

无源滤波器由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道；而有源滤波器由电力电子元件和DSP 等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出。

（1）谐波处理能力

无源滤波器只能滤除固定次数的谐波；但完全可以解决系统中的谐波问题，解决企业用电过程中的实际问题，且可以达到国家电力部门的标准；有源滤波器可动态滤除各次谐波。（2）系统阻抗变化的影响

无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险；而有源滤波不受影响。（3）频率变化的影响

无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响。

（4）负载增加的影响

无源滤波器可能因为超载而损坏；有源滤波器无损坏之危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。

（5）负载变化对谐波补偿效果的影响

无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化；有源滤波器不受负载变化影响。

（6）设备造价

无源滤波器较低；有源滤波器太高。

（7）应用场合对比分析

1.有源滤波容量单套不超过100KV A，无源滤波则无此限制；

2.有源滤波在提供滤波时，不能或很少提供无功功率补偿，因为要占容量；而无源滤波则同时提供无功功率补偿。

3.有源滤波目前最高适用电网电压不超过450V，而低压无源滤波最高适用电网电压可达3000V。

4.无源滤波由于其价格优势、且不受硬件限制，广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、

煤矿、石化、造船、汽车、电铁、新能源等行业；有源滤波器因无法解决的硬件问题，在大容量场合无法使用，适用于电信、医院等用电功率较小且谐波频率较高的单位，优于无源滤波。

总结

随着电力电子装置等非线性负荷在电力系统中应用的日益广泛，其从电力系统中提取的无功功率和谐波电流所带来的电能质量问题也日益严重。为了解决上述问题，采用无源的比滤波器抑制谐波和利用电容器组对功率因数进行校正等无源补偿技术，结构简单、价格便宜、鲁棒性强，所以实践中得到广泛应用；但是其补偿固定、体积大、可能与系统发生谐振的缺点，随着供电系统容量的不断增大和补偿对象的日益复杂而变得越来越突出，特别是它主要适用于等效串联阻抗固定的系统，而这对于结构和负荷不断变化的配电系统而言，恰恰是难以实现的。而随着电力电子技术的进展发展起来的有源滤波器，则由于可以有效地对包括无功功率和谐波电流在内的干扰电流进行补偿，所以受到越来越广泛的关注列。但是其缺点也十分明显，比如其容量在有些场合会高达负荷容量的80％，再加上构成补偿装置核心的开关器件的价格通常很高，所以往往成为一种代价高昂的电能质量问题解决方法。特别是有时非线性负荷带来的电能质量问题同时包括电流谐波和电压畸变两方面的问题，而单一的有源滤波器又不能同时解决上述问题，所以，装置的高价格和补偿能力的局限，大大地限制了用户对有源滤波器的接受程度。

5参考文献

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