谐波检测电路设计
电力谐波和滤波器的方案设计
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目 录
• 引言 • 电力谐波的产生与影响 • 电力谐波的产生与影响 • 滤波器的种类与原理 • 滤波器的方案设计 • 滤波器的应用与效果 • 结论与展望
01 引言
背景介绍
1 3
电力系统的快速发展
随着电力电子技术的广泛应用，电力系统中的谐波问题日益 突出。
在满足技术要求的前提下，考虑 滤波器的经济成本，选择性价比 高的滤波器。
04
滤波器的方案设计
设计原则与步骤
高效性
确保滤波器能够有效滤除谐波，减少 谐波对电力系统的影响。
稳定性
保证滤波器在各种工况下的稳定运行 ，不受电压、电流或频率波动的影响 。
设计原则与步骤
• 经济性：在满足性能要求的前提下，尽量降低滤波器的成本。
控制策略优化
改进滤波器的控制算法，提高其响应速度和稳定性。
05
滤波器的应用与效果
滤波器的应用场景
工业自动化设备
在工业自动化设备中，由于大量非线性负载的存在，会产生大量的谐波，影响 设备的正常运行。滤波器可以有效地滤除这些谐波，保证设备的稳定运行。
电力系统
在电力系统中，由于各种原因，会产生大量的谐波，影响电能 的质量。滤波器可以滤除这些谐波பைடு நூலகம்提高电能的质量。
THANKS
备的成本。
局限性分析
04
虽然滤波器在谐波抑制方面取得了一定效果， 但仍存在局限性，如设备成本较高、安装难度
较大等。
研究展望
新型滤波器研究
进一步研究新型滤波器技术，提高谐波抑制效 果和设备性能。
智能化控制策略
探索智能化控制策略在滤波器中的应用，实现 自适应调节和远程监控。
电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计
电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平【摘要】为实现电容式振动传感器的谐波失真测量,针对电容式振动传感器表头设计出一种开关电容型接口ASIC芯片,采用相同电极分时复用的方法,从而避免电容敏感与静电力反馈的馈通现象.对传感器敏感电容上下极板与中间质量块间的杂散电容导致的谐波失真进行了原理分析,可知传感器二次谐波与寄生电容成正比,三次谐波与寄生电容无关.提出采用电容阵列补偿、静电力平衡反馈式闭环电路结构进行传感器谐波失真抑制,并基于静电力原理提出一种新的电容式振动传感器谐波失真自检测方法,该方法无需精密振动台,仅需要低失真度电压信号源.实际测试结果显示,谐波失真检测精度可达到-83 dB.ASIC芯片采用2 μm CMOS工艺流片,刻度因子为1.2 V/g(g为重力加速度,g=9.8 m/s2),量程为±2g,噪声密度为3×10-6g/Hz,静态功耗为40 mW.测试结果证明,该电路达到高精度微加速度计系统设计要求,可以应用到地震监测、石油勘探等领域中.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2010(008)006【总页数】8页(P537-544)【关键词】振动传感器;谐波失真;开关电容;专用集成电路(ASIC)【作者】刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平【作者单位】哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TN492微机械电容式振动传感器与传统地震检波器相比，具有噪声低、动态范围大等特点，在地震检波器中已广泛使用.微机械电容式振动传感器中电容检测接口ASIC(专用集成电路)芯片一直是国际研究热点，其中对ASIC芯片的噪声特性[1-3]、多轴检测[4-6]和芯片稳定性[7-8]等已进行深入的研究，但缺少对电容式振动传感器谐波失真原理的分析，而该参数是MEMS检波器优越于传统模拟速度检波器的最大区别.其次，提高电容式振动传感器的谐波失真测试精度一直是一个国际上的难题.目前国内的低频标准振动台的谐波失真(约-60 dB)远远高于电容式振动传感器的谐波失真(理论值-100 dB以下)，无法对电容式振动传感器的谐波失真参数进行准确标定.美国IO公司SYSTEM FOUR数字检波器、法国SERSEL公司的DSU3数字检波器的最低谐波失真皆为-90 dB，其主要原因是标定用的高质量振动台自身产生的谐波失真就接近-100 dB，限制了对电容式振动传感器谐波失真的检测能力[9-10].本文在上述背景下，针对电容式振动传感器设计出一种开关电容接口ASIC芯片，并对振动传感器敏感表头中杂散电容在传感器谐波失真参数引起的影响进行了理论分析，提出采用电容阵列补偿、闭环静电力平衡方法进行谐波失真抑制.针对谐波失真参数难以标定的现状，提出一种新的静电力谐波失真检测方法.该方法无需精密振动台即可进行电容式振动传感器的谐波失真自检测分析，实际测试结果显示：谐波失真测量可达到-83 dB.1 工作原理图1是振动传感器敏感表头结构，该结构由3层半导体材料组成.上下两层镀有金属电极，中间为质量体，其表面也有金属电极，上中下3层构成两个电容器CS1、CS2，其中CP1、CP2为电极间的杂散电容.当外界加速度ain发生变化时，中间质量块将垂直与上下盖板产生位移，从而导致电容CS1、CS2发生变化，通过检测上述两电容的变化，可以间接测量出外界加速度信号.上下电极分别施加正负电源电压+VS、-VS，通过电容检测电路将中间质量块的位移转换为电压输出Vf，同时将Vf反馈到质量块上，其闭环工作原理如图2所示.图2中d为电容两极板间距；ε为机械电容的介电系数；A为机械电容极板面积；Cf为电荷敏感放大器的电荷敏感电容；AV为接口电路的开环放大倍数.图1 闭环振动传感器敏感表头结构图2 闭环振动传感器静电力反馈原理框图当系统稳定时，在质量块上施加的反馈静电力近似等于输入加速度ain与质量块质量M的乘积，即(1)当系统的开环增益较大时，质量块的位移可以近似为零.近似认为CS1=CS2=CS，从而闭环电容振动传感器的刻度因子为(2)式中：CS为静态电容；VS为电源电压.2 电容式振动传感器谐波失真原理分析2.1 电容式振动传感器开环模式谐波失真分析电容式振动传感器接口电路原理如图3所示.当开关S7始终断开时，传感器为开环模式，得到开环检测电压输出为(3)式中：VOS为极板间非对称杂散电容导致的输出失调电压；Δd为振动信号输入引起的质量块位移；A0为开环增益.由于上下极板与中间质量块间存在非对称的杂散电容，导致位置敏感电压输出产生失调，如式(3)所示.当输入加速度信号较小时，即Δd较小时，可以近似认为Δd≈ainM/k.当输入ain为aINcos ωt时，三次谐波失真为(4)式中：k为传感器刚度；ωn为传感器无阻尼固有谐振频率.由式(4)可见，开环模式下传感器输出的谐波失真与寄生电容影响无关.然而高动态范围的电容式振动传感器通常情况下采用高灵敏度的机械表头，即相同加速度信号输入时质量块位移Δd较大，导致位移Δd与ain呈非线性关系，使谐波失真加剧.由于上述原因，高动态范围的振动传感器采用闭环工作模式.图3 电容式振动传感器接口ASIC芯片原理框图2.2 电容式振动传感器静电力闭环谐波失真分析当模拟开关S7工作时，传感器为闭环工作模式.振动传感器通过闭环静电力减小了质量块的位移Δd，提高了位移Δd与ain的线性度，降低了传感器的谐波失真.机械敏感电容的中间质量块相对中间位置发生位移时，其产生的反馈静电力为(5)式中：af为反馈等效加速度.将式(3)代入式(5)，由于传感器工作于闭环模式，因此Δd<<d，近似忽略高次项，可以近似认为Δd≈aeM/k，其中ae为反馈静电力等效的质量块加速度值，得到反馈等效加速度信号为(6)式中对af采用了泰勒展开，由于传感器为闭环结构，ae较小，因此忽略了ae的高阶项.闭环振动传感器的非线性输出反馈原理如图4(a)所示，当系统失调c0相对较小时，闭环反馈系统的输出计算函数(将af表示为ain的级数形式，并忽略高次项，结合模型1并利用系数对比)可以得到(7)根据式(3)、式(7)及图4(b)原理，得到输出电压为Vf≈γ0+γ1(aIN-af)=(8)根据图2所示的电容式闭环振动传感器工作原理，若输入信号为aINcos ωt，根据式(2)、式(8)及表1的振动传感器表头和电路参数，得出二次谐波失真为(9)三次谐波失真为(10)式中CP为寄生电容|CP1-CP2|(见图1).将表1参数代入式(9)和式(10)可知：传感器输出的三次谐波失真与传感器的寄生电容无关，当输入加速度幅值aIN小于±0.2g(g为重力加速度，g=9.8 m/s2)时，三次谐波失真将小于-100 dB.传感器输出的二次谐波失真与传感器的寄生电容有关，由于开环增益A0过大导致稳定性问题，电源电压受集成电路工艺限制，因此消除二次谐波失真最简单的方法是减小VOS，即消除极板间的非对称杂散电容CP.当采用电容阵列补偿方法(该方法详细描述见第3.2节)将杂散电容CP匹配至小于0.001CS时，其电容式振动传感器的二次谐波失真理论上将小于-120 dB.图4 电容式闭环振动传感器非线性反馈原理表1 电容式振动传感器表头及电路参数物理量数值静态电容CS/pF150质量块质量M/mg40传感器刚度k/(N·m-1)4000极板间距d/μm2电荷放大器反馈电容Cf/pF5位移电压转换系数A0200电源电压VS/V53 谐波失真自检测ASIC芯片设计3.1 电容式振动传感器接口ASIC芯片原理设计电容式振动传感器接口ASIC芯片原理如图3所示.电路采用调制解调、分时复用检测电极方式完成静电力平衡电容振动传感器的工作过程.电容检测电路采用CMOS开关电容检测方式有效提高电荷检测能力，利用大面积输入P管、相关双采样等电路结构降低电荷放大器的1/f低频噪声；利用PID反馈控制结构提高系统稳定性.其模拟开关的工作时序如图5所示，各个开关周而复始地执行该工作时序，完成电容式振动传感器的闭环工作过程.芯片整个工作周期T包括4个时间相位：放大器误差拾取相位(P1)、电荷放大器准备相位(P2)、电荷采样相位(P3)和静电力闭环反馈相位(P4).图5 闭环振动传感器ASIC芯片工作时序不同相位下的电路结构如图6所示.在相位P1，电荷放大器将失调电压与低频噪声电压(通称为误差电压Vn)施加于节点Vx，此时该节点的电荷量为Qx=(Vx-VS)CS1+(Vx+VS)CS2(11)在相位P2，开关S6断开，电荷放大器处于电荷检测准备状态，其节点Vx的电荷量与相位P1时相同.在相位P3，机械敏感电容CS1、CS2的驱动端接地，节点Vx 的电荷量保持不变，此时节点Vx的电荷总量满足方程Vn(CS1+CS2)+(Vn-VOUT)Cf=(Vn-VS)CS1+(Vn+VS)CS2(12)此时电荷放大器输出电压Vout被保持到采样电容CH，则Vout电压幅值为(13)在时钟相位P3，电路完成振动传感器机械表头电容量变化的检测.在时钟相位P4，开关S5、SH断开、S7闭合，电路结构如图6(d)所示，采样保持电压Vhold通过PID电路反馈至机械表头质量块Vx处，从而实现静电力反馈.然后，时序从时钟相位P1重新开始，并无限循环下去.本方案对机械表头质量块采用分时复用(检测、反馈分时)原理，减小电容检测、静电力反馈之间的馈通现象，实现振动传感器的静电力闭环反馈工作.图6 ASIC芯片中模拟开关工作原理3.2 电容阵列失调补偿工作原理考虑电容式振动传感器的寄生电容时，实际电路如图7所示.当输入加速度信号为0时，开关SA1、SA2断开，CS1=CS2，CP1-CP2=CP≠0时，电容敏感检测电路输出产生失调电压，由于反馈是通过PID电路进行的，积分器的作用将迫使电压节点Vhold = 0，即静电力反馈将迫使质量块位置发生变化Δd，使得CS2-CS1= CP，当Δd较小时，可以近似认为Δd≈afM/k.此时电路节点Vf的输出失调为(14)此时的VOS造成了式(9)所示的传感器输出二次谐波失真.为消除寄生电容造成的二次谐波失真，采用电容阵列进行补偿，即将阵列CA1或阵列CA2并列连接于CS1或CS2上，使得当输入aIN为0时，CS1+CP1+CA1=CS2+CP2+CA2，消除电容振动传感器的输出失调VOS.3.3 谐波失真自检测工作原理采用周期施加静电力的方法等效输入加速度信号，从而进行电容式振动传感器的谐波失真检测，该方法可以避免高精度振动台的使用，其检测原理如图3所示，在接口电路的PID反馈控制结构Vin处施加自检测电压VT，该信号经PI电路传输至模拟开关S7输入端，模拟开关按数字时序分别闭合S5、S7，分别进行质量块位置检测、静电力平衡负反馈、自检测静电力施加功能，整个周期T小于100μs(采样频率fs大于10 kHz).其自检测电压为低频正弦电压信号(信号频率fs<100 Hz).中间电极对输入自检测信号的采样结果为(15)式中τ为模拟开关S7在单位周期T内闭合的时间.对式(15)进行傅里叶变换，结果为(16)式中ωs=2πfs.根据工作时序图5，为常数并不引入失真项.此外，根据抽样原理，电路采样频率fs远大于奈奎斯特采样频率，不会出现频谱混叠现象，并可重现输入信号的频谱特性.传感器开环工作时，在量程范围内Δd<0.05d，系统环路增益>5，因此传感器闭环工作时Δd<0.01d，其施加自检测静电力近似为(17)图7 电容阵列失调补偿工作原理由电路原理(图3)可知，反馈结构采用的是PID反馈结构，因此节点Vhold的直流电压应为0，可近似认为(18)将式(18)带入式(17)，得到自检测等效输入加速度幅值aIN及电压输出Vhold分别为(19)(20)式中L为传感器的环路增益，其传感器输出Vhold二次谐波失真为(21)该方法产生的等效加速度信号如式(19)所示，由于所施加的自检测电压信号与等效加速度信号呈非线性关系，因此该自检测信号本身就存在谐波失真，影响最终测试精度.且由式(21)可知：自检测静电力的二次谐波与输入自检测电压VT、杂散电容CP成正比，三次谐波可近似忽略.根据式(19)～式(21)，要提高传感器谐波失真的自检测精度，可通过提高电源电压VS，或采用电容阵列补偿杂散电容CP来实现.4 测试结果与分析电容式振动传感器接口ASIC芯片采用2 μm模拟CMOS工艺，实际芯片照片如图8所示，芯片面积为4.2 mm×3.8 mm.电容式振动传感器的混合封装如图9所示，机械敏感部分采用瑞士COLIBRYS公司SF1500传感器的真空封装电容式机械表头.图8 电容式振动传感器接口ASIC芯片照片图9 电容式振动传感器混合封装测试照片4.1 电容式振动传感器性能测试电容式振动传感器在实验室条件下的性能测试结果如表2所示.测试噪声时，将振动传感器悬挂并处于0g状态进行减震，并采用动态分析仪HP35670A进行噪声频谱测试，其噪声频谱如图10所示.表2 电容式振动传感器测试结果静态功耗/mW刻度因子/(V·g-1)噪声密度/Hz-12量程401.23×10-6g±2g图10 电容式振动传感器噪声频谱4.2 谐波失真自检测功能测试在实验室测试环境下，采用动态分析仪HP35670A进行传感器谐波失真测试，电容传感器电源采用±5 V，传感器实际使用时的量程为±0.2g，对应输出电压为±240 mV.利用HP35670A的信号源输出40 Hz、480 mVpp正弦电压信号(等效0.4gpp加速度输入信号)，该信号源的谐波失真为-90 dB，将该信号输出施加于电容式振动传感器自检测输入端，其传感器输出频谱如图11所示.图11(a)和图11(b)分别对应敏感电容偏差2%、20%时传感器输出谐波失真.由图11可知，二次谐波清晰可见，且电容偏差较大时，二次谐波也较大，其中三次谐波已被传感器输出噪声所淹没，对传感器谐波失真影响较小，可近似忽略，符合第3.3节的分析.表3描述了不同电容偏差导致的二次谐波理论值(据式(21)计算所得)与实测值的对比，由于信号源的谐波失真为0.003%，导致传感器实测值略高于理论值0.006%，而二次谐波与电容偏差呈线性关系且斜率相同，符合式(21)的分析.图11 电容失调导致的电容传感器谐波失真测试结果图12为不同幅值加速度信号输入的传感器输出频谱，输入幅值分别为240 mVpp、480 mVpp，对应输入等效加速度信号为0.1g、0.2g.谐波失真测试结果分别为-83 dB、-79 dB，二次谐波为主要谐波分量，输入信号幅值增加一倍，二次谐波失真约增加一倍，说明传感器二次谐波与输入幅值呈线性关系，符合式(21)的分析.表3 不同电容偏差下二次谐波理论值和实测值对比电容偏差CP/CSHD2理论值/%HD2实测值/%0.010.00150.0070.020.0030.0090.040.0060.0120.060.0090.0150.200.0300 .042图12 电容式振动传感器谐波失真测试频谱根据上述测试结果可知：(1)针对电容式振动传感器表头设计出一种基于静电力平衡原理的开关电容式接口ASIC芯片，该芯片对传感器表头中间检测电极分时进行静电力反馈、质量块位置检测功能.整体ASIC芯片采用自动清零、相关双取样、闭环反馈等方式抑制CMOS芯片噪声，最终与表头匹配后的噪声密度为3×10-6g/.(2)利用静电力自检测原理可以完成传感器谐波失真自检测，该方法无需精密振动台，通过周期施加静电力、并调整电容阵列的原理，谐波失真检测精度达到-83 dB，与理论分析基本相符.5 结语对闭环电容式振动传感器的谐波失真进行了理论分析，认为电容敏感结构间的杂散电容将导致位置检测输出失调，从而出现谐波失真现象.设计了一种电容式振动传感器接口ASIC芯片，芯片采用2 μm CMOS工艺实现，测试结果表明，与真空封装电容表头匹配后，刻度因子为1.2 V/g，噪声密度为3×10-6g /.芯片采用电容阵列、闭环结构进行谐波失真抑制，理论分析谐波失真可降至-120 dB.利用静电力原理，提出一种电容式振动传感器谐波失真自检测方法，提供了理论分析结果.在等效输入信号为0.4gpp时，检测精度达到-83 dB，与理论分析结果相符.【相关文献】[1] Amini Babak Vakili, Abdolvand Reza, Ayazi Farrokh. A 4.5-mW closed-loop ΔΣ micro-gravity CMOS SOI accelerometer [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 2006, 41(12): 2983-2991.[2] Aaltonen L, Halonen K. Continuous-time interface for a micromachined capacitive accelerometer with NEA of 4 μg and bandwidth of 300 Hz [J]. Sensors and ActuatorsA:Physical, 2009, 154(1): 46-56.[3] Kulah H, Chae J, Najafi K. Noise analysis and characterization of a sigma-delta capacitive microaccelerometer [J]. IEEE J Solid-State Circuits, 2006, 41(2):352-361.[4] Rödjegård Henrik, Lööf Anders. A differential charge-transfer readout circuit for multiple output capacitive sensors [J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2005, 119(2): 309-315.[5] Takao H, Fukumoto H. A CMOS integrated three-axis accelerometer fabricated with commercial sub-micrometer CMOS technology and bulk-micromachining [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2001, 48(9): 1961-1968.[6] 潘武，张昱.力平衡式三轴微加速度计的设计与分析[J].纳米技术与精密工程， 2006， 4(2)：141-145.Pan Wu, Zhang Yu.Design and analysis of a three-axis micro accelerometer with force balance feedback[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2006, 4(2): 141-145(in Chinese).[7] Kulah H, Salian A, Yazdi N, et al. A 5 V closed-loop second-order sigma-delta micro-gmicro accelerometer [C]// Proc Solid-State Sensors and Actuators Workshop. Hilton Head, SC, 2002:219-222.[8] Yin L, Chen W P, Liu X W, et al. CMOS interface circuit for closed-loop accelerometer [J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(6):1311-1315.[9] Gannon J C, McMahon M G, Pham H T, et al. A seismic test facility [C]// Meeting of the Society of Exploration Geophysicists. New Orleans, LA, 1999.[10] Goldberg H, Gannon J, Marsh J, et al. An extremely low-noise MST accelerometer using custom ASIC circuitry [C]// Proceedings of Sensor Expo Fall 2000. Detroit, MI, 2000: 479-482.。
有源电力滤波器中的谐波检测电路设计
谐 波 电流 是 非 常 关 键 的 ， 的 快 速 性 、 确性 、 活 性 以 及 它 准 灵
成 ： 波 电流 检测 电路 、 谐 电流 跟 踪 控 制 电路 、 开 关 器 件 驱 主 动 电路 和 主 电路 。谐 波 电流 检 测 电路 采 用 基 于 瞬 时 无 功 功率 理 论 的 ｉ一ｉ 法 ， 据 有 源 电力 滤 波 器 的 补偿 目 的 。算 根 检测 出 负载 电 流 中 的谐 波 分 量 ， 同时 还 要 检 测 直 流 侧 母 线
部 分 的 程序 流 程 ， 并研 制 出谐 波检 测 电路 。 实验 结果 验 证 了谐 波检 测 的 快 速 性 和 准 确 性 ， 系统 运 行 稳 定 可 靠 ， 较 好 的 有
应 用前 景 。
关 键 词 ：谐 波 检 测 ； ＴＭＳ ２ Ｆ ８ ２； ３ ０ ２ １ ＡＤ７ ５ ； ＬＬ； ＡＸ２ ０ Ｃ ０ １ ３ ０ ６ ６Ｐ Ｍ ６ ； ８ ５ Ｆ ３
１
迟 的缺 点 ， 得 测 量 精 度 高 。 以 上 优 点 弥 补 了 目前 ＡＰ 使 Ｆ
中谐 波 电流 检 测 技 术 的缺 陷 ， 且 抗 混 叠 滤 波 器 、 离 放 而 隔
大器 、 过零 检 测 电路 、 相 倍 频 电 路 的设 计 增 强 了检 测 的 锁
可 靠 性 直 接 决 定 ＡＰ Ｆ的补 偿 性 能 。
参 考 文 献 ［ — ］ 计 的谐 波 检 测 电路 检 测 出 的 多 路 １ ３设
模 拟 信 号 会 有 一 定 的 延 迟 性 ， 会 大 大 影 响 ＡＰ 这 Ｆ计 算 谐 波 的 精 确 性 和 准 确 性 。 本 文 中 谐 波 检 测 装 置 所 用 的
谐波滤波电路
谐波滤波电路谐波滤波电路是一种常用的电子电路，用于滤除输入信号中的谐波成分，使输出信号更加纯净。
谐波滤波电路的设计和工作原理对于电子工程师来说是非常重要的知识。
谐波滤波电路的设计要根据输入信号的频率和谐波成分的特点来确定。
常用的谐波滤波电路有LC谐振电路、RC谐振电路和LCR谐振电路等。
这些电路都是通过选择合适的电感、电容和电阻来实现对谐波的滤除。
LC谐振电路是谐波滤波电路中最简单的一种。
它由一个电感和一个电容组成，通过调节电感和电容的数值，可以实现对特定频率的谐波的滤除。
当输入信号的频率接近谐振频率时，电感和电容会形成一个谐振回路，从而使谐振频率的谐波被滤除。
RC谐振电路是另一种常用的谐波滤波电路。
它由一个电阻和一个电容组成，通过调节电阻和电容的数值，可以实现对特定频率的谐波的滤除。
和LC谐振电路类似，RC谐振电路在特定频率附近形成谐振回路，从而使谐振频率的谐波被滤除。
LCR谐振电路是一种更加复杂的谐波滤波电路。
它由一个电感、一个电容和一个电阻组成，通过调节这三个元件的数值，可以实现对多个谐波的滤除。
LCR谐振电路的滤波效果比较好，可以同时滤除多个谐波成分。
除了上述的谐波滤波电路，还有一些其他的滤波电路，如陷波滤波电路和带通滤波电路等。
陷波滤波电路可以选择性地滤除特定频率的信号，而带通滤波电路可以选择性地通过一段频率范围内的信号。
这些滤波电路在实际应用中也具有很大的价值。
谐波滤波电路在电子设备中有着广泛的应用。
在音频设备中，谐波滤波电路可以滤除音频信号中的杂散谐波，使音质更加纯净。
在通信设备中，谐波滤波电路可以滤除信号中的谐波成分，提高通信质量。
在电力系统中，谐波滤波电路可以滤除电网中的谐波，保护设备的正常运行。
谐波滤波电路是一种重要的电子电路，用于滤除输入信号中的谐波成分。
通过选择合适的电感、电容和电阻，可以实现对特定频率的谐波的滤除。
谐波滤波电路在音频设备、通信设备和电力系统等领域有着广泛的应用。
毕业论文《电力系统谐波的检测》
摘要随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。
由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。
谐波是目前电力系统中最普遍现象，是电能质量的主要指标。
电力系统谐波是电能质量的重要参数之一，随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电网谐波含量大大增加，电能质量下降。
谐波给供电众业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。
所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。
因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。
对电力系统谐波的治理，需要电力部门和用户共同参与。
一方面，用户需要电力部门公共电网电能质量能确保用户正常生产用电；另一方面，电力部门也要求用户的生产用电不影响公共电网的正常供电，特别是对于一些会对公必电网电能质量造成睡大影响的大型用户，从源头上进行电能质量的治理是必须的。
本文介绍了谐波的概念、检测及危害，详细介绍了谐波产生的来源于，电力系统中的谐波来自电气设备。
也就是说来自发电设备和用电设备。
同时介绍了谐波的危害，包括对电网运行和用电设备的危害，还包括对继电保护和自动装置的影响。
为了有效补偿负荷产生谐波电流，首先对谐波的成分有精确认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波。
本文着重介绍了基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量的理论。
进而研究了电力系统谐波的抑制措施，消除或抑制谐波的对策,可以有效地减小谐波对电网的影响，以消除和防止谐波的影响。
关键词：电力系统谐波；危害；p、q检测方法,；ip、iq检测方法目录摘要 (I)目录 (I)第1章绪论 (3)1.1 谐波的提出及意义 (3)1.2国内外研究状况及进展 (4)1.2.1国外研究现状 (4)1.2.2国内研究现状 (6)1.3本文主要研究的内容 (7)第2章电力系统谐波的分析 (8)2.1 谐波的基本概念 (8)2.1.1 谐波的定义 (8)2.1.2 电力系统谐波的表达式 (8)2.1.3 电力系统谐波的标准 (9)2.2 电力系统谐波的产生 (10)2.3 电力系统谐波的危害 (12)2.3.1 对电机的危害 (12)2.3.2对变压器的危害 (12)2.3.3 对线路的危害 (13)2.3.4 对电容器的影响 (13)2.3.4 对继电保护、自动装置工作的影响 (14)2.3.5 对其通信系统的影响 (14)2.4 本章小结 (14)第3章电力系统谐波的检测 (16)3.1谐波检测的几种方法比较 (16)3.2基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量 (18)3.2.1 瞬时有功功率和瞬时无功功率 (18)3.2.2 瞬时有功电流和瞬时无功电流 (20)3.2.3 基于瞬时无功功率的p、q检测方法 (21)3.2.4 基于瞬时无功功率的ip、iq检测法 (22)3.2.5 检测示例 (24)3.3本章小结 (26)结论 (27)参考文献 (28)附录1 (29)附录2 (32)致谢 (337)燕山大学毕业论文评审意见表 (38)个人简介 (40)第1章绪论1.1 谐波的提出及意义“谐波”一词起源于声学。
如何利用滤波器对谐波检测电路进行检测
高通和低通滤波器对谐波检测电路检测摘要从基于瞬时无功功率理论的一种谐波电流检测方法，推出了采纳高通和低通滤波器的两种谐波电流检测电路。
利用MATLAB仿真软件建立了相应的仿真电路，并就滤波器对谐波电流检测电路检测效果的妨碍进行了仿真研究，同时对两种电路的性能进行了比照，结果讲明，滤波器的截止频率、阶数和类型对检测电路的动态响应过程、检测精度都有非常大妨碍。
谐波电流检测电路采纳低通滤波器，不管从设计上依然从检测效果都有优势。
要害词：有源电力滤波器瞬时无功功率理论谐波检测滤波器AStudyaboutInfluenceofHighandLowPassFiltersonDetectingEffectofHarmonicsDetectionCircuitsWangQun YaoWeizheng WangZhaoan(Xi'anJiaotongUniversity710049China)Abstract Twocircuitsusinghighpassandlowpassfiltersareobtainedbyintroducingadet ectingapproachofharmoniccurrentsbasedontheinstantaneousreactivepower theory.TheirsimulationcircuitsarebuiltbyMATLABsimulationsoftware,res pectively.Thesimulationstudiesabouttheinfluenceofthefiltersinthedetecting circuitontheirdetectingeffectarecarriedoutand,atthesametime,theperforma ncesoftwocircuitsarecompared.Theresultsshowthatthedynamicresponsean dthedetectingprecisioncangreatlybeinfluencedbythecut-offfrequencies,the orderandthetypeofthefilters,andthatthecircuitcontainingLPFisbetterthanthe onecontainingHPFinbothdesignanddetectingeffect.Keywords:Activepowerfilter InstantaneousreactivepowertheoryHarmonicdetection Filter1 引言有源电力滤波器(APF——ActivePowerFilter)是近年来开展起来的一种抑制电网谐波的先进手段［1］。
二次谐波 电路
二次谐波电路二次谐波电路是一种能够产生二次谐波的电路。
在电路中，二次谐波是指频率是基波频率的二倍的信号。
二次谐波电路通常由非线性元件和线性元件组成。
非线性元件是产生二次谐波的关键，它能够将输入信号的非线性特性转化为输出信号的二次谐波分量。
常见的非线性元件有二极管、晶体管、三极管等。
在二次谐波电路中，线性元件起到传输和放大信号的作用。
它们对输入信号的幅度和相位进行调整，以便产生期望的二次谐波输出。
常见的线性元件有电阻、电容、电感等。
二次谐波电路的工作原理是利用非线性元件的非线性特性。
当输入信号经过非线性元件时，非线性元件会产生新的频率成分，其中包括了频率是输入信号频率的二倍的二次谐波。
为了实现二次谐波的产生，二次谐波电路需要满足一定的条件。
首先，输入信号的频率必须是非线性元件的工作频率。
其次，非线性元件必须具有足够的非线性特性，以便将输入信号转化为二次谐波信号。
最后，线性元件的选择和配置也对二次谐波电路的性能有重要影响。
在实际应用中，二次谐波电路具有广泛的用途。
例如，在无线电通信中，二次谐波电路常用于频率合成器和混频器等电路中。
通过控制输入信号的频率和幅度，可以实现对输出信号频率和幅度的精确控制。
此外，二次谐波电路还可以用于频率调制、频率倍频和信号检测等应用。
需要注意的是，二次谐波电路在设计和应用过程中需要考虑非线性元件的特性、线性元件的选择和配置，以及对输入信号频率和幅度的控制。
此外，非线性元件的温度、电压和功率等因素也会对二次谐波电路的性能产生影响。
因此，在实际应用中，需要进行充分的测试和调整，以确保二次谐波电路的稳定性和可靠性。
二次谐波电路是一种能够产生二次谐波的电路。
通过合理选择和配置非线性元件和线性元件，可以实现对输入信号的频率和幅度的精确控制，从而产生期望的二次谐波输出。
二次谐波电路在无线电通信和其他领域有着广泛的应用，对于提高系统性能和信号处理能力具有重要意义。
基于ADE7878芯片的谐波电能表的设计与校表流程
基于 ADE7878 芯片的谐波电能表的设计与校表流程孙建军 世健国际贸易(上海)有限公司南京办事处，南京 210005摘要：本文主要介绍了 ADI 公司最新推出的三相高精度多功能电能计量芯片 ADE7878，以及其在谐波计量 中的应用，重点阐述了 ADE7878 的功能特点，典型电路以及电能计量方法，尤其对 ADE7878 校表流程及其 算法做了详细介绍。
关键词：谐波计量，低功耗模式，防窃电特性，相位校准 1.引言 随着中国的社会用电量迅速增长，全国特高压电网建设，百万千瓦级发电机并网，家居网络化进程， 以及电网经营管理改进和计量新技术应用等要素，电能表市场发展迅猛，中国目前已成为世界电能计量行 业最具有活力的市场。
电能表市场需求正迈向前所未由的高速增长期，电能表也从普通功能型向长寿命、 高精度、分时段、多功能、网络化等高科技含量和高附加值的方向发展。
目前国内电能表大多具有计量有 功，无功，电压，电流，需量，电压跌落等功能。
但是很少具有谐波计量功能，为了计量和读取谐波电量， 笔者详细分析了 ADI 公司的 ADE7878 三相多功能电能计量芯片的设计以及校表流程。
2．ADE7878 电能计量精度 该 ADE7878 是美国 ADI 公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片，超越了工业上对电能计量 0.2 级表 的精度和动态的要求。
ADE7878 的电压和电流通道为 24bit ∑-△型 ADC，电压和电流有效值在动态范围为 1000：1 的动态下小于 0.1%，电能在动态 1000：1 下小于 0.1%，在动态 3000：1 下小于 0.2%。
具体性能 如图 1 所示。
ADE7878 提供 I2C，SPI，HSDC 多种数据接口和 3 个灵活的脉冲输出，ADE7878 可以同时提供 基波有功和无功功率，总（基波+谐波）有功和无功功率，视在电能计量，基波有功和无功电能计量和 RMS 计算。
ADE7878 适合测量各种三相配置下有功，无功和视在电能，如三相三线（角接）、三相四线（星形）以 及其他的计量方式，同时也支持电流互感器（CT）和微分线圈电流传感器，支持所有通道的波形数据输出。
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谐波检测电路设计
对于有源电力滤波器(APF)而言，实时准确地检测出谐波电流是非常关键的，它的快速性、准确性、灵活性以及可靠性直接决定APF的补偿性能。
设计的谐波检测电路检测出的多路模拟信号会有一定的延迟性，这会大大影响APF计算谐波的精确性和准确性。
本文中谐波检测装置所用的AD7656具有6路同步采样特性，克服了测量结果之间延迟的缺点，使得测量精度高。
以上优点弥补了目前APF中谐波电流检测技术的缺陷，而且抗混叠滤波器、隔离放大器、过零检测电路、锁相倍频电路的设计增强了检测的精确性。
1 装置整体运行原理及相关算法
1．1 装置运行原理
图1为并联型有源电力滤波器的原理结构框图。
图中，交流电网对非线性负载电，非线性负载为谐波源，产生谐波并且消耗无功功率。
有源电力滤波器由4部分组成：谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。
谐波电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，根据有源电力滤波器的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量，同时还要检测直流侧母线电容电压。
然后将这些信号输入电流跟踪控制电路，通过控制算法生成一系列PWM信号，以此作为补偿电流的指令信号。
这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的主开关器件。
此时，APF产生并向电网注入补偿电流，该电流与非线性负载电流相位相反，幅值为负载电流中的谐波分量，从而达到滤波目的。
有源电力滤波器检测模块的工作框图如图2所示。
6路电流信号包括三相电流ia、ib、ic以及由APF发出的补偿电流，这6路电流信号经霍尔电流传感器变换后，在高精度取样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，霍尔电流传感器采用LEM公司生产的LA55-P，采用这种霍尔传感器加高精度取样电阻的方式，可以获得更好的抗干扰能力，模拟信号变换的精度更高。
直流母线电压信号经霍尔电压传感器变换后，由于对直流母线电压的精度要求不高，就不再进行信号调理而直接进入A／D芯片的模拟信号输入通道。
A／D采样启动信号也可以由DSP内部的定时器发出，但是由于电网频率会有所波动，而定时器的计时周期并不会随电网的频率变化而变化，使用内部定时器作为A／D启动信号时，会影响到瞬时无功算法的精度，使用了锁相倍频电路发出的12．8 kHz方波作为A／D 芯片采样控制信号。
在谐波计算当中，需要用到采样点的电角度所对应的正、余弦值，由于将电网频率256倍频，也就是在一个电网电压信号周期内要采256个点，每个点对应角度的正、余弦值已经计算出来，并存储到了非易失性铁电存储器当中。
每次DSP启动后，会预先把正、余弦表从铁电存储器中读取到内存中，节省查表时间。
在DSP的CAP4捕获到过零检测电路信号的上升沿时，就会启动CAP5来捕获12．8 kHz 方波的上升沿，同时将查询正弦表和余弦表的指针清零，回到表格首地址，开始下一个周期的查询。
1．2 谐波分析算法
针对APF的谐波电流检测的特点，本课题采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法。
瞬时无功功率理论是将三相电流变换到α、β坐标，大大地简化了负载有功功率和无功功率的计算，在检测三相电路谐波及无功电流中得到了成功的应用。
经坐标变换后，电网基波电流的瞬时
无功功率和有功功率在α、β坐标系中已成为直流成分，因而只要用低通滤波器滤除交流成分，将直流成分逆变换后，就得到电网基波电流。
这样，电网电流减去已检测出的基波电流，就得到电网的谐波电流。
基于ip-iq算法的谐波电流检测方法原理图如图3所示。
系统硬件设计
谐波检测电路由DSP外围电路、模拟信号调理电路、A／D采样电路、过零检测电路及锁相倍频电路等5部分组成。
2．1 模拟信号调理电路
模拟信号调理电路主要是霍尔电流传感器、可编程有源滤波芯片MAX260组成，其原理框图如图4所示。
为了避免三相负载电流检测信号中的高频分量造成数字采样中的混叠现象，影响谐波检测的精度，必须设置抗混叠低通滤波器进行滤波；根据香农采样定理，被采样信号中的最高次分量频率应小于或等于采样频率的一半。
截止频率设置较低，能保证滤除效果，但是过低的截止频率将使被滤波信号存在过大的相位移，给信号检测的实时性和准确性带来影响。
所以，应当合理选择抗混叠低通滤波器的截止频率，使之在保证有效滤除高频噪声的前提下，同时有效保证信号数字采样的精度。
抗混叠滤波器采用Maxim公司生产的可编程通用有源滤波器芯片MAX260。
C8051F330与MAX260的电路连接图如图6所示。
MAX260内部有两个滤波器A和B，这两个滤波器均需要一个外部时钟，在这里滤波器A和B共用一个外部时钟，这个外部时钟是由单片机的定时器来完成的。
在设置滤波器参数时中，A、B两个滤波器均被设置成二阶的巴特沃斯低通滤波器，截止频率为6000 Hz，通带纹波系数为0．5dB，阻带衰减20dB。
为了提高滤波效果，将A和B两个滤波器级联起来，即滤波器A的输出信号作为滤波器B的输入信号，以增强滤波效果。