CN113364268A - 一种功率开关器件降噪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率开关器件降噪装置，包括选择滤波电路、平均值检测电路和限幅滤波电路，利用电容C2、电阻R1组成高通网络，将低频噪声旁落到地，利用电容C1、电感L1组成低通网络，将高频干扰信号旁落到地，利用二极管D2将脉冲信号中大于电容C5上充电电压的异常高电压旁落到地，利用二极管D3将小于二极管D4阴极输出电压的异常低电压关断，能够滤除功率开关器件输出脉冲信号中夹杂的高频干扰信号，抑制功率开关器件输出脉冲信号中的异常电压信号，抑制电磁干扰，减少高频干扰信号对电网的污染，保护电网的安全运行和用电设备的正常工作。

Description

一种功率开关器件降噪装置
技术领域
本发明涉及降噪技术领域，特别是涉及一种功率开关器件降噪装置。
背景技术
在交流电力测功机的PWM整流和电机的直接转矩控制实验中，通常由一台交流电机，NJ型转矩转速传感器、底座及与动力机械连接的法兰，可四象限运行的ACS800系列交流变频调速系统和交流电力测功机测控仪组成；它们的工作原理都是将交流电机发出的交流电经ACS变频器整流为直流电然后再逆变为交流电变频回馈加载，加载能量通过交流负载发电机回馈电网，ACS交流变频调速系统通过调节电机的上网电流来控制原动机的转速和扭矩；
采用PWM完成直流电到交流电的逆变过程，工作原理是利用功率开关器件的通断进行控制，输出一系列幅值相等的脉冲信号，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率，然后通过交流负载发电机回馈电网；然而，功率开关器件的通断速度快，工作频率高，导致输出一系列幅值相等的脉冲信号中含有大量的高频干扰信号，这将导致交流负载发电机回馈电网时，携带大量的高频干扰信号传向电网，高频干扰信号会沿着电网输电线路产生传导干扰和辐射干扰，从而对供电系统产生污染并影响其它在路用电设备的正常运行；
因此，为了保护电网的安全运行和用电设备的正常工作，防止和减少高频干扰信号对电网的污染，抑制电磁干扰，必须对功率开关器件的输出进行降噪处理。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种功率开关器件降噪装置，能够滤除功率开关器件输出脉冲信号中夹杂的高频干扰信号，抑制功率开关器件输出脉冲信号中的异常电压信号，抑制电磁干扰，减少高频干扰信号对电网的污染，保护电网的安全运行和用电设备的正常工作。
其解决的技术方案是，包括PWM逆变模块、干扰抑制模块和交流负载发电机，所述PWM逆变模块利用功率开关器件进行通断，输出一系列幅值相等的脉冲信号，并对各脉冲的宽度进行调制后输出至干扰抑制模块，干扰抑制模块实时接收PWM逆变模块传来的脉冲信号，并对脉冲信号进行滤波、限幅后，输出至交流负载发电机回馈电网，所述干扰抑制模块包括选择滤波电路、平均值检测电路和限幅滤波电路；
所述选择滤波电路接收PWM逆变模块传来的脉冲信号，利用电容C2、电阻R1组成高通网络，将低频噪声旁落到地，利用电容C1、电感L1组成低通网络，将高频干扰信号旁落到地，所述平均值检测电路利用脉冲信号的幅值向电容C5充电，运用运放器AR3、电阻R7-R10组成加法电路，对电容C5上的充电电压与电源+1V进行加法运算，得到的和值通过运放器AR4将与脉冲信号作差分运算，若得到的差值大于+0.3V，将电容C5上的充电电压传输至限幅滤波电路中，所述限幅滤波电路将脉冲信号中大于电容C5上充电电压的异常高电压通过二极管D2旁落到地，利用二极管D3将小于二极管D4阴极输出电压的异常低电压关断。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.对于脉冲信号频段外的噪声和干扰信号，利用低通网络将低频噪声旁落到地，以抑制低于脉冲信号频率的低频噪声，利用高通网络将高于脉冲信号频率的高频干扰信号旁落到地，抑制功率开关器件通断动作导致的高频干扰信号及其谐波；对于脉冲信号频段内的噪声和干扰信号，利用二极管D2将异常高电压信号旁落到地，利用二极管D3将异常低电压信号关断在外，以抑制脉冲信号频段内的噪声和干扰信号，防止交流负载发电机回馈电网时，携带大量的高频干扰信号传向电网，从而对供电系统产生污染并影响其它在路用电设备的正常运行。
2.平均值检测电路利用电容C5充电至UC及以上时，场效应管Q1才导通，将电容C5上的充电电压作为脉冲信号幅值平均值输出，避免了电容C5充电至UC之前的电压作为脉冲信号幅值平均值输出，使正常的脉冲信号也通过二极管D2旁落到地的状况发生。
3.采用无源切尔雪夫滤波电路对脉冲信号幅值平均值进行滤波，以提高限幅滤波电路抑制异常电压信号的准确性，减少脉冲信号通过限幅滤波电路的损失。
4.采用管压降补偿电路将通过二极管D3后的脉冲信号与电源+0.7V作加法运算，然后才通过运放器AR7输出至交流负载发电机，以补偿脉冲信号通过二极管D3后损耗的管压降电压。
附图说明
图1为本发明的选择滤波电路原理图；
图2为本发明的平均值检测电路原理图；
图3为本发明的限幅滤波电路原理图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图3对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
为了抑制功率开关器件通断动作导致的高频干扰信号，采用选择滤波电路接收PWM逆变模块传来的脉冲信号，利用电容C2、电阻R1组成高通网络，其中心频率
Figure BDA0003116594620000031
fH根据脉冲信号的频率设置，且略小于脉冲信号的频率，将低频噪声旁落到地，以抑制低于脉冲信号频率的低频噪声；利用电容C1、电感L1组成低通网络，其中心频率
Figure BDA0003116594620000032
fl根据脉冲信号的频率设置，且略大于脉冲信号的频率，将频率高于脉冲信号频率的高频干扰信号旁落到地，以抑制功率开关器件通断动作导致的高频干扰信号及其谐波，以防止交流负载发电机回馈电网时，携带大量的高频干扰信号传向电网，从而对供电系统产生污染并影响其它在路用电设备的正常运行。
为了粗略检测脉冲信号的幅值平均值，为限幅滤波电路作基础，采用平均值检测电路利用脉冲信号的幅值向电容C5充电，运放器AR2作电压跟随器，起隔离缓冲作用；运用电容C7-C9、电感L2组成无源切尔雪夫滤波电路，以滤除运放器AR2输出的电容C5上充电电压的纹波、毛刺；运用运放器AR3、电阻R7-R10组成加法电路，比例系数由电阻R10与电阻R9的比值决定，且比例系数为1，加法电路将电容C5上的充电电压与电源+1V进行加法运算，运放器AR3输出得到的和值，并通过电阻R11加载在运放器AR4的同相输入端；运用运放器AR4、电阻R11-R14组成差分电路，比例系数由电阻R12与电阻R11的比值决定，且比例系数为1，差分电路将运放器AR3输出的和值将与脉冲信号作差分运算，运放器AR4输出得到的差值，运放器AR5将得到的差值与大于+0.3V作比较；
若得到的差值大于+0.3V，则说明电容C5上的充电电压大于UC，且
UC＝UA+0.3-1，其中，UA为脉冲信号的幅值，0.3对应运放器AR5的反相输入端所接电源+0.3V，1对应电阻R8的另一端所接对电源+1V，此时说明电容C5上的充电电压已经可以作为粗略检测出的脉冲信号幅值平均值，运放器AR5输出高电平，场效应管Q1导通，电容C5上的充电电压先后通过电压跟随器AR2、无源切尔雪夫滤波电路从场效应管Q1的源极输出至限幅滤波电路中。
为了抑制PWM逆变模块输出脉冲信号中的异常电压信号，抑制电磁干扰，采用限幅滤波电路，将平均值检测电路输出的脉冲信号幅值平均值加载至二极管D2的阴极，将脉冲信号加载至二极管D2的阳极，运放器AR5为电压跟随器，起缓冲作用，若脉冲信号中含有异常高电压信号，则脉冲信号中的异常高电压信号大于脉冲信号幅值平均值与二极管D2的管压降之和，此时二极管D2导通，脉冲信号中的异常高电压信号若为交流成分，则通过电容C10旁落到地，若为直流成分，则通过电感L3旁落到地，以抑制PWM逆变模块输出脉冲信号中的异常高电压信号，从而抑制电磁干扰；正常的脉冲信号通过运放器AR6缓冲后加载至二极管D3的阳极；
将平均值检测电路输出的脉冲信号幅值平均值减去二极管D4的管压降后的电压加载至二极管D3的阴极，将经过运放器AR6缓冲后的脉冲信号加载至二极管D3的阳极，若脉冲信号中含有异常低电压信号，则脉冲信号中的异常低电压信号小于脉冲信号幅值平均值减去二极管D4的管压降后的电压，此时二极管D3未导通，脉冲信号中的异常低电压信号被二极管D3关断在外，不能通过二极管D3，以抑制PWM逆变模块输出脉冲信号中的异常高电压信号，从而抑制电磁干扰；正常的脉冲信号通过二极管D3后传输至运放器AR7、电阻R19-R22组成的管压降补偿电路中，管压降补偿电路将通过二极管D3后的脉冲信号与电源+0.7V作加法运算，以补偿脉冲信号通过二极管D3后损失的电压，作加法运算后的脉冲信号由运放器AR7输出至交流负载发电机回馈电网，抑制PWM逆变模块输出脉冲信号中的异常电压信号，以减少对电网的污染，保护电网的安全运行和用电设备的正常工作。
所述选择滤波电路的具体结构，电感L1的一端接电容C1的一端和功率开关器件输出端口，电感L1的另一端接电阻R1的一端和电容C2的一端，电容C1的另一端接地和电阻R1的另一端，电容C2的另一端接运放器AR1的同相输入端，运放器AR1的反相输入端接电阻R4、电阻R5的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接运放器AR1的输出端和平均值检测电路的输入端、限幅滤波电路中电阻R18的一端。
所述平均值检测电路的具体结构，电阻R6的一端接电阻R13的一端和选择滤波电路的输出端、限幅滤波电路中电阻R18的一端，电阻R6的另一端接电阻R7、电容C5的一端和运放器AR2的同相输入端，电容C5的另一端接地，电阻R7的另一端接电阻R8的一端和运放器AR3的同相输入端，电阻R8的另一端接电源+1V，运放器AR3的反相输入端接电阻R9、电阻R10一端，电阻R9的另一端接地，电阻R10的另一端接电阻R11的一端和运放器AR3的输出端，电阻R11的另一端接电阻R12的一端和运放器AR4的同相输入端，运放器AR4的反相输入端接电阻R14的一端和电阻R13的另一端，电阻R14的另一端接地，运放器AR4的输出端接电阻R12的另一端和运放器AR5的同相输入端，运放器AR5的反相输入端接电源+0.3V，运放器AR5的输出端接电阻R15的一端和二极管D1的阴极，电阻R15的阳极接电阻R16的一端、电阻R15的另一端和场效应管Q1的栅极，电阻R16的另一端接场效应管Q1的源极、电阻R17的一端和限幅滤波电路中电容C10的一端、电感L3的一端、二极管D2的阴极和二极管D4的阳极，电阻R17的另一端接电容C6的一端，场效应管Q1的漏极接电容C7、电容C8、电感L2的一端和电容C6的另一端，电容C7的另一端接电感L2的另一端、电容C9的一端和运放器AR2的输出端、运放器AR2的反相输入端，电容C9的另一端接地和电容C8的另一端。
所述限幅滤波电路的具体结构，所述限幅滤波电路包括电阻R18，电阻R18的一端接选择滤波电路的输出端和平均值检测电路的输入端，电阻R18的另一端接二极管D2的阳极和运放器AR6的同相输入端，二极管D2的阴极接电容C10、电感L3的一端、二极管D4的阳极和平均检测电路的输出端，电容C10的另一端接地和电感L3的另一端、电阻R21的一端，运放器AR6的反相输入端接运放器AR6的输出端和二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接二极管D4的阴极和电阻R19的一端，电阻R19的另一端接电阻R20的一端和运放器AR7的同相输入端，电阻R20的另一端接电源+0.7V，电阻R21的另一端接运放器AR7的反相输入端和电阻R22的一端，电阻R22的另一端接运放器AR7的输出端和交流负载发电机输入端口。
本发明具体使用时，选择滤波电路接收PWM逆变模块传来的脉冲信号，利用电容C2、电阻R1组成高通网络，将低频噪声旁落到地，以抑制低于脉冲信号频率的低频噪声；利用电容C1、电感L1组成低通网络，将频率高于脉冲信号频率的高频干扰信号旁落到地，以抑制功率开关器件通断动作导致的高频干扰信号及其谐波；平均值检测电路利用脉冲信号的幅值向电容C5充电，运用电容C7-C9、电感L2组成无源切尔雪夫滤波电路，以滤除运放器AR2输出的电容C5上充电电压的纹波、毛刺；运用运放器AR3、电阻R7-R10组成加法电路，将电容C5上的充电电压与电源+1V进行加法运算，运放器AR3输出得到的和值，并通过电阻R11加载在运放器AR4的同相输入端；运用运放器AR4、电阻R11-R14组成差分电路，将运放器AR3输出的和值将与脉冲信号作差分运算，运放器AR4输出得到的差值，运放器AR5将得到的差值与大于+0.3V作比较，若得到的差值大于+0.3V，运放器AR5输出高电平，场效应管Q1导通，电容C5上的充电电压先后通过电压跟随器AR2、无源切尔雪夫滤波电路从场效应管Q1的源极输出至限幅滤波电路中；
限幅滤波电路将平均值检测电路输出的脉冲信号幅值平均值加载至二极管D2的阴极，将脉冲信号加载至二极管D2的阳极，若脉冲信号中含有异常高电压信号，则二极管D2导通，脉冲信号中的异常高电压信号若为交流成分，则通过电容C10旁落到地，若为直流成分，则通过电感L3旁落到地，将平均值检测电路输出的脉冲信号幅值平均值减去二极管D4的管压降后的电压加载至二极管D3的阴极，将经过运放器AR6缓冲后的脉冲信号加载至二极管D3的阳极，若脉冲信号中含有异常低电压信号，则二极管D3未导通，脉冲信号中的异常低电压信号被二极管D3关断在外，运用运放器AR7、电阻R19-R22组成管压降补偿电路，将通过二极管D3后的脉冲信号与电源+0.7V作加法运算，以补偿脉冲信号通过二极管D3后损失的电压，作加法运算后的脉冲信号由运放器AR7输出至交流负载发电机回馈电网。
以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种功率开关器件降噪装置，包括PWM逆变模块、干扰抑制模块和交流负载发电机，其特征在于，所述PWM逆变模块利用功率开关器件进行通断，输出一系列幅值相等的脉冲信号，并对各脉冲的宽度进行调制后输出至干扰抑制模块，干扰抑制模块实时接收PWM逆变模块传来的脉冲信号，并对脉冲信号进行滤波、限幅后，输出至交流负载发电机回馈电网，所述干扰抑制模块包括选择滤波电路、平均值检测电路和限幅滤波电路；
所述选择滤波电路接收PWM逆变模块传来的脉冲信号，利用电容C2、电阻R1组成高通网络，将低频噪声旁落到地，利用电容C1、电感L1组成低通网络，将高频干扰信号旁落到地，所述平均值检测电路利用脉冲信号的幅值向电容C5充电，运用运放器AR3、电阻R7-R10组成加法电路，对电容C5上的充电电压与电源+1V进行加法运算，得到的和值通过运放器AR4将与脉冲信号作差分运算，若得到的差值大于+0.3V，将电容C5上的充电电压传输至限幅滤波电路中，所述限幅滤波电路将脉冲信号中大于电容C5上充电电压的异常高电压通过二极管D2旁落到地，利用二极管D3将小于二极管D4阴极输出电压的异常低电压关断。
2.如权利要求1所述一种功率开关器件降噪装置，其特征在于，所述选择滤波电路包括电感L1，电感L1的一端接电容C1的一端和功率开关器件输出端口，电感L1的另一端接电阻R1的一端和电容C2的一端，电容C1的另一端接地和电阻R1的另一端，电容C2的另一端接运放器AR1的同相输入端，运放器AR1的反相输入端接电阻R4、电阻R5的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接运放器AR1的输出端和平均值检测电路的输入端、限幅滤波电路中电阻R18的一端。
3.如权利要求1所述一种功率开关器件降噪装置，其特征在于，所述平均值检测电路包括电阻R6，电阻R6的一端接电阻R13的一端和选择滤波电路的输出端、限幅滤波电路中电阻R18的一端，电阻R6的另一端接电阻R7、电容C5的一端和运放器AR2的同相输入端，电容C5的另一端接地，电阻R7的另一端接电阻R8的一端和运放器AR3的同相输入端，电阻R8的另一端接电源+1V，运放器AR3的反相输入端接电阻R9、电阻R10一端，电阻R9的另一端接地，电阻R10的另一端接电阻R11的一端和运放器AR3的输出端，电阻R11的另一端接电阻R12的一端和运放器AR4的同相输入端，运放器AR4的反相输入端接电阻R14的一端和电阻R13的另一端，电阻R14的另一端接地，运放器AR4的输出端接电阻R12的另一端和运放器AR5的同相输入端，运放器AR5的反相输入端接电源+0.3V，运放器AR5的输出端接电阻R15的一端和二极管D1的阴极，电阻R15的阳极接电阻R16的一端、电阻R15的另一端和场效应管Q1的栅极，电阻R16的另一端接场效应管Q1的源极、电阻R17的一端和限幅滤波电路中电容C10的一端、电感L3的一端、二极管D2的阴极和二极管D4的阳极，电阻R17的另一端接电容C6的一端，场效应管Q1的漏极接电容C7、电容C8、电感L2的一端和电容C6的另一端，电容C7的另一端接电感L2的另一端、电容C9的一端和运放器AR2的输出端、运放器AR2的反相输入端，电容C9的另一端接地和电容C8的另一端。
4.如权利要求1所述一种功率开关器件降噪装置，其特征在于，所述限幅滤波电路包括电阻R18，电阻R18的一端接选择滤波电路的输出端和平均值检测电路的输入端，电阻R18的另一端接二极管D2的阳极和运放器AR6的同相输入端，二极管D2的阴极接电容C10、电感L3的一端、二极管D4的阳极和平均检测电路的输出端，电容C10的另一端接地和电感L3的另一端、电阻R21的一端，运放器AR6的反相输入端接运放器AR6的输出端和二极管D3的阳极，二极管D3的阴极接二极管D4的阴极和电阻R19的一端，电阻R19的另一端接电阻R20的一端和运放器AR7的同相输入端，电阻R20的另一端接电源+0.7V，电阻R21的另一端接运放器AR7的反相输入端和电阻R22的一端，电阻R22的另一端接运放器AR7的输出端和交流负载发电机输入端口。
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