CN101902044A - 谐波滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及谐波滤波器。无源谐波滤波器(F)，包括：用于连接至电源(1)的输入节点(B)；用于连接至负载(15，17)的输出节点(C)；中间节点(A)；在所述输入节点(B)和所述中间节点(A)之间的第一支路(3，4)，所述第一支路包括至少一个第一电感(4)；在所述中间节点(A)和所述输出节点(C)之间的第二支路(11，13)，所述第二支路包括至少一个第二电感(11)；连接至所述中间节点(A)的第三支路(5，7，9)，包括至少一个电容器(9)；所述第一、第二和第三支路由此构成低通T型滤波器；包括至少一个第一电阻器(22)的衰减支路(22，24；27，28)，所述衰减支路与所述第一支路并联布置。

Description

谐波滤波器
技术领域
本发明涉及一种在电力系统中滤除谐波电流和电压的谐波滤波器。
背景技术
由于某些电负载的原因，在电力系统中出现的电压和电流是谐波。在电网中的谐波电压和电流是电能质量(power quality)问题的一种常见原因。
当非线性负载例如整流器、不间断电源、计算机等连接电力系统时，其汲取通常非正弦的电流。利用傅立叶级数分析，假设此电流为周期性的，，非正弦的电流可以分解为简单正弦波之和，始于基本电力系统频率(一次谐波，在欧洲通常为50赫兹，在美国为60赫兹)，且出现在该基频的整数倍处。具有n重基频的频率的正弦波被称为n次谐波。
在电力系统中的谐波通常会引起系统中电流的有害增大。另外，电力设备的不同部件会受到电力系统上的谐波的影响。例如，电动机会由于电机内铁芯中建立的涡流而遭受磁滞损耗。这会增大电机铁芯的发热，其(如果过热)就会缩短电机的寿命。
谐波也可能产生振动，增大噪音水平。它们可能进一步导致通信线路和电子电路的失灵和故障状况。
为了达到那些标准所需的谐波水平，谐波滤波器被广泛使用。无源谐波滤波器常用于减少在50Hz(60Hz)至几kHz之间的谐波。为了可靠的工业电力配送，250Hz的五次谐波(欧洲)和350Hz的七次谐波(欧洲)是首要解决的问题。由此，许多常见谐波滤波器被特别地设计为有效降低那些谐波，和/或在具有中性导体的系统的情况下的三次谐波。
具有无源谐波滤波器FP的系统的示例在图1中说明。该滤波器FP连接在交流电压源(AC power voltage source)和负载15之间，交流电压源连接在地和节点B之间。所示滤波器具有T型结构，有三个支路：在连接至电源的节点B和中间节点A之间的第一支路有电流ILine(I线路)经过，具有电流IRect的第二支路在节点A和连接至负载的输出节点C之间，具有电流ITrap(I陷波)的第三支路在中间节点A和地之间。
在所示的示例中，该第一支路包括电感4及其寄生电阻3。第二支路包括另一电感11及其寄生电阻13。第三支路包括任选第三电感5及其寄生电阻7和电容器9。选择在不同支路中的这些部件的数值使得电流IRect的基频分量流过第一和第二支路(回路R2)，而高次谐波被第三支路所陷波，由此无法抵达电源1(回路R1)。
当然这仅仅是一种粗略近似。图2是频率特性图，示出了图1中的谐波滤波器的作为频率函数的增益ILine/IRect，都是以对数刻度示出。与谐振效应一样，第五次和更高次谐波的衰减清晰可见。
图3说明当此谐波滤波器被用于典型负载例如在三相应用中的六个二极管整流器时的电流ILine的每一谐波的幅值A。
图1-3中示出的谐波滤波器具有许多缺点：
(1)这种滤波器对于减少五次谐波十分有效，但对于更高次谐波没有那样有效。这种情况并非总是令人满意的，实际上大多数需求标准，包括但不限于DIN EN61000-4-2、DIN EN61000-3-12和IEEE519-1992限定了那些谐波的被批准的阈值，如图3中的线t5-7、t11-13、......、ti所表示。可以看出，图1中的谐波滤波器容易满足对于5次谐波和7次谐波的那些标准的要求，但几乎不能符合例如11次谐波(在欧洲为550Hz，在美国为660Hz)的那些要求。
(2)另外，当图1中的无源谐波滤波器直接连接至例如六个二极管整流器的非线性负载时才能满足那些限定。但是，为了消除高频的对称和/或非对称扰动，例如10kHz至数MHz之间的扰动，在很多配置中，例如射频滤波器(RFI、EMC或EMI滤波器)的附加无源滤波器被安装在谐波滤波器和非线性负载之间。从谐波滤波器看来，此附加射频滤波器首先近似等价于谐波滤波器的输出节点C和地之间的附加电容19，如图4所示出。该电容性支路19与连接至谐波源17的负载15并联。其与电感4、5、11产生附加谐振，且将图2的频率特性改变为图5中的频率特性。寄生电阻3和13具有低的阻值(例如，小于1欧姆)，因此，不需要的频率分量几乎没有衰减。
如图5中的曲线图和图6中的图表所示，此电容性支路19由此产生谐振，其放大了处于中间频率的谐波。尤其是17、19、25、29、31、35、37和更高次谐波高于上述标准所设定的限度。
发明内容
由此，本发明的总体目标是提供一种无源谐波滤波器，相对于已知滤波器其对十一次谐波更加有效，同时仍能满足对于其它谐波的标准所设定的要求。
本发明的另一目标是提供一种无源谐波滤波器，当与RFI滤波器相结合时能对更高次谐波更有效。
根据本发明的一方面，通过提供包括一个衰减支路(damping branch)的无源谐波滤波器来实现这些目标，设置该衰减支路用于衰减当RFI滤波器连接至谐波滤波器的输出时产生的谐振电流。
根据本发明的另一方面，通过提供无源谐波滤波器来实现这些目标，该无源谐波滤波器包括：
连接至电源的输入节点；
连接至负载的输出节点；
中间节点；
在所述输入节点和所述中间节点之间的第一支路，所述第一支路包括至少一个第一电感；
在所述中间节点和所述输出节点之间的第二支路，所述第二支路包括至少一个第二电感；
在所述中间节点和地之间的第三支路，其包括至少一个电容器；
所述第一、第二和第三支路由此构成低通T型滤波器；
包括至少一个第一电阻器的衰减支路，所述衰减支路与所述第一支路并联布置。
因此，附加衰减支路提供电流的附加衰减通路，由此该电流的至少一部分避免了由RFI滤波器的输入处的电容器所创建的附加谐振环路。在该附加通路中的电流不会谐振，并进一步被电阻器所衰减。
该衰减支路稍稍降低谐波滤波器在高频(＞2.5kHz)的衰减效率，并且部分由于此原因，在以前没有被考虑。但是，在这些更高的频率，图1中的电路已超出了实现标准的预期，由此对于大多数应用而言，在高频的衰减效率的少许损耗并不是问题。
在以下的说明及权利要求中，表述“两个节点之间”表示“安装于该两个节点之间的电通路上任何地方”。例如，支路或部件“位于节点A和B之间”并不意味着该支路或部件紧密连接A或B，该支路或部件也并非物理上位于节点A和B之间；而是，该表述仅意味着在A与B之间的至少一个电通路与该支路或部件相交。
附图说明
通过示例所提供的和通过附图所示的实施例的说明，能更好地理解本发明，其中：
图1示出包括安装于电源和负载之间的谐波滤波器的系统。
图2为频率特性图，示出了图1中的谐波滤波器的作为频率函数的增益，均以对数刻度示出。
图3为曲线图，示出了作为以线性刻度示出的频率的函数的图1的谐波滤波器在每个谐波处的电流的幅值，该谐波滤波器的负载为六个二极管整流器。
图4示出了包括图1的谐波滤波器的系统，该谐波滤波器安装于电源和负载之间，其中负载包括RFI滤波器。
图5是频率特性图，示出了图4中的谐波滤波器的作为频率的函数的增益，均以对数刻度示出。
图6为曲线图，示出了作为以线性刻度示出的频率的函数的图4的谐波滤波器在每个谐波处的电流的幅值，该谐波滤波器的负载为六个二极管整流器。
图7示出了包括根据本发明第一实施例的谐波滤波器的系统，，该谐波滤波器安装于电源和负载之间。
图8为频率特性图，示出了图7的谐波滤波器的作为频率函数的增益，均以对数刻度示出。
图9为曲线图，示出了作为以线性刻度示出的频率的函数的图7的谐波滤波器在每个谐波处的电流的幅值，该谐波滤波器的负载为六个二极管整流器。
图10示出了包括图7的谐波滤波器的系统，该谐波滤波器安装于电源和负载之间，其中负载包括RFI滤波器。
图11是频率特性图，示出了图10的谐波滤波器的作为频率的函数的增益，均以对数刻度示出。
图12为曲线图，示出了作为以线性刻度示出的频率的函数的图10的谐波滤波器在每个谐波处的电流的幅值。
具体实施方式
根据本发明的一方面的谐波滤波器F的第一实施例在图7中示出。该滤波器F连接至例如网络的交流电源和负载15之间。其包括用于连接至电源的导电相(currentconducting phase)的输入节点B，用于连接至负载的导电相的输出节点C，和用于连接至负载和电源系统的地的节点G。
本实施例的谐波滤波器是低通T型滤波器，具有三个主要支路：
a)在输入节点B和中间节点A之间的第一支路3、4。优选地，该第一支路主要为电感性，并且包括例如分立线圈的电感4，其阻抗具有感性分量(表示为电感4)以及导致了该电感器损耗的寄生电阻性分量(表示为电阻器3)。电阻器3也可为分立电阻器，与电感4物理上分开。电阻器和电感的值随频率而改变。尤其是电阻器3可以随频率而增大(例如由于趋肤效应或近场效应)。
b)在中间节点A和输出节点C之间的第二支路11，13。该第二支路主要为电感性，并且包括例如分立线圈的电感11及其寄生电阻器13。如上可见，该电阻器13也可为分立电阻器，且电阻器的值可随频率而增加。
c)构造T型滤波器的支路(leg)并连接至中间节点A和点G(优选为地)的第三支路(“陷波支路”)。该第三支路主要为电容性，并且包括电容器9。在一个优选实施例中，该第三支路也包括电阻器7，用于衰减通过此支路的电流ITrap。在一个优选实施例中，该第三支路还包括例如分立线圈的电感5。该电阻器7也可以为分立电阻器，或可以利用电感5的电阻性损耗。但是优选地，该电阻器的值并不随频率而增加，或增加得不如其它的电阻器3和/或电阻器13的值那样快。
不同的线圈4、5和11可以绕在单个芯上以减少成本和体积。但是在一优选实施例中，这些线圈绕在不同的芯上，以适应符合对于每个线圈的要求的每个芯的特性。在示例中，不同的线圈可具有不同材料制成的芯。例如在第一和第二支路中的输入处的电感4和电感11可具有相对便宜的铁节点(iron node)，因为通过这些电感的大部分电流处于相对低的基频。铁芯具有另一优点是高饱和场，且在本应用中，由于有助于高次谐波的衰减，它们在高频处的高损耗是有利的。另一方面，优选地，在第三支路中的电感5包括具有低损耗因数的高品质芯，例如铁氧体芯；此支路主要用于对高频的谐波陷波。
为了改善对十一次谐波的衰减，并解决上述的其它问题，本发明的谐波滤波器包括附加衰减支路22，24。在图7中的实施例中，该支路并联于第一支路安装，亦即在一侧的输入节点B和另一侧的中间节点A之间。
图7中所示出的附加衰减支路22，24包括电阻器22和任选电容器24。其使得电流的至少某些频谱分量绕过(bypass)电感4，由此减少不希望得到的谐振影响。在高频，该衰减支路也减少节点A和节点B之间的电压差，由此限制电感4的影响。
此附加衰减支路对滤波器的增益和谐波幅值的影响在图8和图9中示出。可以看出，十一次谐波的衰减优于图1中的电路。
图10示出了包含图7的谐波滤波器的系统，该谐波滤波器安装于电源1和负载15、17、19之间，负载包括例如射频滤波器(RFI滤波器)的低通滤波器，例如，在此由其电容性部件19和非线性负载15为模型。在此情况下，该衰减支路22，24提供旁路来避免在网络中的某些电容器和电感4之间的某些谐振电路构造(build)。这会减少通过第一支路的电感4的电流ILine的部分，由此减少或消除由负载的电容性部分19所产生的谐振。图11中的曲线图示出了更高频的谐振的衰减和移动，而图12示出了包括十一次谐波和更高次谐波的所有谐波的衰减，其仍优于国家或国际标准所要求的最小衰减。
以下值为图中各种部件的典型值：
电阻器3：寄生电阻，小于10欧
电感4：100至2000微亨之间
电感5：100至2000微亨之间
电阻器7：寄生电阻，小于10欧
电容器9：100至1000微法之间
电感11：100至1500微亨之间
电阻器13：寄生电阻，小于10欧
电阻器22：分立部件，1至100欧之间
电容器24：100至1000微法之间
在未图示的可替代实施例中，衰减可以通过与负载15并联的附加衰减通路来实现。然而这样具有缺点：大量电流流过衰减电路中的电阻器而不是流过负载15。在另一种可能的情况中，作为本发明未图示的实施例，衰减通路包括与电阻器22串联连接的电感。
图中仅仅示出了在一相和地之间的单相谐波滤波器。然而本电路特别适合于三相系统，且通常用于无中性线的三相系统，在此情况中根据任一图的一种布置可以安装在R、S、T中任一相和人工中性线(artifical neutral)(中心星形节点)之间。
本发明同时涉及到一种包括在输出处连接至射频滤波器的谐波滤波器的系统和在各种扰动之间起作用的谐波/射频滤波器。本发明还涉及到射频滤波器，该射频滤波器包括布置用于当该射频滤波器连接至谐波滤波器的输出时衰减谐振电流的一个衰减支路。

Claims (12)

1.无源谐波滤波器，包括：
用于连接至电源的输入节点(B)；
用于连接至负载的输出节点(C)；
中间节点(A)；
在所述输入节点(B)和所述中间节点(A)之间的第一支路(3，4)，所述第一支路包括至少一个第一电感(4)；
在所述中间节点和所述输出节点之间的第二支路(11，13)，所述第二支路包括至少一个第二电感(11)；
在所述中间节点(A)和地(G)之间的第三支路，包括至少一个电容器(9)；
所述第一、第二和第三支路由此构成低通T型滤波器；
包括至少一个第一电阻器(22)的衰减支路(22，24)，所述衰减支路与所述第一支路并联布置。
2.权利要求1的无源谐波滤波器，当该谐波滤波器安装于所述电源和所述电容性负载之间时，布置所述衰减支路以提供包括所述电源和电容性负载的附加无谐振环路。
3.前述任一权利要求的无源滤波器，所述第三支路包括第三电感(5)，所述衰减支路包括第二电容器(24)。
4.前述任一权利要求的无源谐波滤波器，所述衰减支路与所述第三支路构成高通滤波器。
5.权利要求1-2的任一项的无源谐波滤波器，所述衰减支路(22，24)被布置为与所述第一支路(3，4)并联，且包括与所述第一电阻器(22)串联的第二电容器(24)。
6.前述任一权利要求的无源谐波滤波器，所述衰减支路被布置为与所述第一支路并联，且包括与所述第一电阻器(22)串联的电感。
7.前述任一权利要求的无源谐波滤波器，所述第一电感包括具有第一芯的第一线圈，所述第三支路包括电感，该电感包括具有不同于所述第一芯的第二芯的第二线圈。
8.权利要求7的无源谐波滤波器，所述第一芯和所述第二芯的材料不同。
9.权利要求7的无源谐波滤波器，由所述第一芯在高于基频的频率处所产生的衰减高于由所述第二芯在那些高频处所产生的衰减。
10.权利要求1的无源谐波滤波器是单相滤波器。
11.一种三相谐波滤波器，在每一相与地之间包括根据权利要求1至9的任一个的一个无源谐波滤波器。
12.一种系统，包括根据权利要求1的谐波滤波器和位于谐波滤波器和负载之间的低通滤波器(19)。
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