CN1309140C - 波形校正滤波器 - Google Patents

Abstract

一种波形校正滤波器，用于连接到交流电源线以吸收和除去各种电源污染，包括高频脉冲尖峰、浪涌和其他形式的高频振荡，例如由于接通和断开电感负载所产生的那种。本发明的波形校正滤波器包括一个保险丝和一连接在一电源线和中性线之间的同轴非晶态环形电感器，一个低通滤波器与保险丝及同轴非晶态环形电感器相串联。本发明的滤波器包括一个电容器，一个与该电容器并联的变阻器，以及彼此相互串联并与上述的变阻器和电容器相并联的一个磁芯电感器和一电阻器。一灯泡可以与上述电阻器和磁芯电感器串联或跨接在电阻上。示出了不同的结构安排用于把波形校正滤波器连接到单相或三相线或三角形电路上。

Description

波形校正滤波器

发明背景

多年以来，那些从事监控大量交流电的使用者一直关心着这些电源的质量。现在使用的大多数较新的设备，都对瞬时电压诸如脉冲尖头信号，电源的涌动，随机的射电频率的噪音非常敏感；但是同时，这些设备也可能产生它自己的瞬时电压，并且将瞬时电压回注到电源线上。当开关打开或关闭时，回荡的脉冲就在电源线中产生了。电动机起动和关闭所产生的脉冲一般称作电涌。

除了随机出现的射频污染以外，各种各样的电机还可能产生诸波频率。所有这些电源污染都会降低电动机、发电机和变压器的效率。加到这些设备上的电力波形产生畸变，从而在这些设备的铁金属部分，例如在变压器的铁芯部分和电动机的转子和定子部分就产生了涡流，结果是，电动机中的涡流耗散了能量，把能量变成热量而使电动机需要消耗更多的能量去完成同一个任务。电动机还会受到损害，即从过多的热量所引起的损害，或从对绝缘体的损害而使电动机受到损害，使得它的使用寿命比预期的寿命短得多。

虽然人们作出了种种努力，去改进提供给电力用户的电力的性能，但人们认识到从大量的电动机、开关、电脑和其他能源消耗设备的使用所产生的对电源的污染。

基本上，每当一个电感性负荷被切断时，就会有比正常电压的峰值高很多倍的电压回荡产生而返回到电力线中去。如图1示出了叠加在一正弦波上的典型的瞬时电压。通常的工业或商业线路每天接受到超过1000瓦的瞬时电压。这些瞬间电压再网络内引发了其他的振荡。这些瞬间回荡电压来回的弹跳，一直到他们被吸收或者在系统中造成破坏为止。

当负荷在三相线中不能平衡时，其他的干扰又出现了，在电压和电流中产生了人们所不希望的相位差。高的中性谐波电流产生了，它们与在电路上的瞬时电压和电涌发生反应。

如前所述，在网络中内在的电源污染相对于从外面的设备所提供的能源的不规则性来说，往往对电动机等的效率是一个更严重的因素。

经估计，大概现在或不久的将来至少60％的电流将通过非线性负荷，正是这些负荷形成了对电力污染的主要方面。

如果能够提供一种装置，将它连在为这些电器供电的一条条电力线上，而这种装置可以吸收或者除去这种瞬时电压，防止它们重新返回到电力线上，那么就可以大量的提高效率。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种波形校正滤波器，它可以从为上述消耗能源的电器所提供的交流电中除去和吸收随机的射频噪声、脉冲尖峰、电涌和谐波。

本发明的另一个目的是提供一波形校正滤波器，其中，所有的部件都是双向的，使波形校正滤波器成为双向的波形校正滤波器。

本发明又一个目的是提供一波形校正滤波器，可以减少有关设备的维护费用。

本发明的其他目的和优点将从以下结合附图对说明书所作的详细描述而变得更为清楚。

附图说明

通过以下详细的描述和附图的参阅，本发明可以更清楚地被理解，附图中：

图1是一条因为被加上了高频的瞬时电压而畸变的正弦波；

图2是一基本的波形校正滤波系统的示意图；

图3是一电压分压器，显示了所述瞬时电压抑制系统的特征；

图4是典型的B-H曲线，此曲线在本发明的系统的磁芯里具有典型特征；

图5是在本发明系统中的磁芯的磁性材料中磁通流量密度相对于脉冲磁导率的曲线图；

图6是简化的等效RLC电路，示出了瞬时电压抑制系统的特征；

图7是当与单相电动机相连时，本发明波形校正滤波系统的示意图；

图8是与Y形三相电路相连时，本发明波形校正滤波系统的示意图；

图9是与三角形三相电路相连时，本发明波形校正系统的示意图；

图10是本发明波形校正系统的功能示意图。

具体实施方式

本发明的滤波校正滤波系统工作原理如下。它接在一根电源线和中性线之间，其方式一般如图2所示，并且只有在出现干扰时才发挥作用。此系统主要有以下三个功能：

1.它能检测到升起的瞬时电压并在它超过电压峰值10％以上时将超出部分限隔并加以吸收。比如说当规定电压是120伏(有效值)，而峰值电压达到正负190伏时，系统即开始工作。

2.当产生瞬时高压时，它会降低它的上升时间。所以瞬时高压就会“滑入”限隔电平。这样做就不会发生另一次开关转换事件而造成进一步的减幅振荡。

3.它会将60赫兹以上以每10个一组6db的速率吸收所有高减幅振荡干扰。

这些过程可以用图10予以说明。

图2示出了本发明的波形校正滤波器的典型的(连接在一根电源线和中性线之间)连接情况。

图中各部件的功能描述如下：

10保险丝，起保护性作用

12电感器，由软磁性材料同轴非晶态螺旋管制成

13变阻器，金属氧化物

14电容器，聚丙烯交流额定电容

15磁芯，毫微晶质环形磁芯

16电阻器，碳质

17指示灯，(氖灯)

该电路的工作流程如下：

如图1所示的瞬时高压升起时，通常是1微秒的间隔，此瞬时电压的上升时间被其量事先选定的电感器12减缓或延伸，并被变阻器13箝位于线电压倍有效值。如果电源电压是120伏平均有效值电压，那么它就被箝位在190伏左右的电压。这个箝位电平取决于产生瞬时高压时的浪涌电流和电源线阻抗。在瞬时电压产生前，变阻器13在电路中表现为无限高的电阻。但是，当箝位(限隔)的瞬间，它的电阻变得非常低，同时成为一个电流发生器。因为在变阻器13转换开关时，电容14上的电压不能瞬时变化，电容器14就成为一个短路电路并且为当时产生的高电流提供一个通路。于是电容14开始充电。现在，和电容14相连的是图2中描述的磁芯15，电阻器16，指示灯17。变阻器13重新变成高阻抗，电容14将能量转入部件15，16，和17。这种能量E＝V(箝位电压)×I(浪涌电流)×时间。比如说如果使用西门子公司的S20K130的变阻器，其最大电量是44焦耳，箝位电压是185伏到225伏之间。

磁芯15由软磁性的元件组成，具有很高的初始磁导率(μ＝30,000)，损失极低，高的饱和磁通量密度(Bsat＝1.2特斯拉)。这意味着此磁芯非常容易被磁化并能在宽的磁通量渗透范围内保持磁化。这样进入电容器的电能就在磁芯中以磁能的形式保存。该能量然后于电阻器16和指示灯17的等效电阻中被处理，在那里通过一较长的时间，能量就被收集和吸收。

网络除了用于吸收干扰能量之外，还是一个有效的低通滤波器。

现在要详细说明这个低通滤波器网络。

上面被称为变阻器13的电压箝位器现在将被简称为MOV13。这个MOV13会根据通过的电流或它两端的电压产生不同的阻抗。它具有非线性阻抗的特征并适用欧姆定律，但等式中有一个可变的电阻。阻抗的变化是单调的，不包括不连续的东西。

如前所述，对低于箝位电平的任何稳态电压，过电压瞬态出现之前和之后电路都不受到MOV13的影响。电压箝位的产生是在电压趋向于上升、通过器件的电流增加时产生的。如果电流的增加比电压的上升快，那么阻抗就是非线性的。

电压箝位是因为电流增加时，源阻抗中的电压降(IR)的增加而产生的。此器件根据源阻抗而产生电压箝位作用。

这个过程用如图3所示的电压分压器来描述。分压器的比不是恒定而是改变的。如果源阻抗非常小，分压比就低。当源阻抗接近零时，MOV13就不能有效工作了，当电压分压器可以起作用的时候，MOV13效果最好。

如果在清除瞬时过电压时只有MOV发挥作用，那么就很容易看出，由于它的非线性开关过程，将会产生进一步瞬态减幅振荡。

瞬时减幅振荡频率的组分比AC电路和直流电路的电源频率要高出几个数量级。

因此，这个问题的解决方法是要在瞬时(暂态)源和敏感的负载之间加上一个低通滤波器。

最简单的方法是在电源两端加上一个电容器。此电容器的阻抗形成源阻抗的一个电压分压器，从而衰减高频率的瞬时电压。

但是，这样的一个简单的措施可以产生不合需要的副作用，比如说：

1、和位于电路中其它部分的电感部件产生不需要的共振，从而导致高峰值电压；

2、开关时涌入高电流；

3、在电源系统电压中产生过度的电抗负荷；

这些负面影响可以通过添加一串联电阻来解决。但是，增加的电阻对箝位作用来说会产生不利影响。

为了能有效地产生箝位作用、衰减、吸收瞬过电压的能量，在上述电容和阻尼电阻中结合了高磁导率的磁芯。

通过第二次调谐，可产生一临界阻尼的低通滤波器。这样，上述的负面效果就可以被清除。但并不是每一个电感都能有效地工作的。对磁芯15，下面称之为L的特定要求如下：

1.因为电容器的响应对频率是非线性的，而对电流的响应则是线性的，所以L对电流和频率的反映必须是线性的。这个要求在图4中的磁通量密度B对磁场力H的滞磁图中表示了出来。

2.因为冲击振荡波不会像纯的没有直流分量的正弦波那样达到平衡，所以磁芯对每次减幅振荡电流出现时都必须重新调节。这项要求已由上述图中所示的方法解决，其中剩磁Br及矫顽性基本上接近零值。

3.直到高于1MHz的射频的情况下，L必须保持稳定，这样才能对由瞬时电压产生的所有冲击减幅振荡波全部组分都能按预先设定的目标(电平)发挥作用。这项要求由于在本发明的波形校正滤波器中使用的特定磁性材料而得到了解决。

4.磁芯L的磁导率对磁通量密度的变化必须保持在图5所示的范围内。

上述磁导率范围很重要，因为在源的某一随机驱动之下，电感值必须保持在一个预先设定的水平之上。

网络如图6所示采取串联RLC电路的形式。

这个系统的有效公式如下：

$\frac{d^{2}i}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{\mathrm{Rdi}}{\mathrm{Ldt}}+\frac{i}{\mathrm{LC}}=0$

$s^2+\frac{R}{L}s+{{\mathrm{\ω}}_0}^2=0$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}=s$

其中d/dt＝s，根是

$S_1,S_2=-\frac{R}{2L}\±\sqrt{{\left(\frac{R}{2L}\right)}^2-\frac{1}{\mathrm{LC}}}$

临界电阻是：

$R_{\mathrm{cr}}=2\sqrt{\frac{L}{C}}$

相应的阻尼比是：

$\mathrm{\ζ}=\frac{R}{R_{\mathrm{cr}}}=\frac{R}{2}\sqrt{\frac{C}{L}}$

自然频率是：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}$

和

$\frac{R}{L}=2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_n$

特征公式现在是：s²+ 2ξω_ns+ω_n ²

通过使用毫微结晶磁芯材料的特性，上面特征公式中的两个参数ξ和ω_n可以控制滤波系统的工作。性能的中心是引导电流和调谐，它们都基于截止频率的特征和合适的阻尼。

当阻尼比ξ选择得使瞬时冲击减幅振荡波被电路中的发散R处理和吸收，如图2所示，最终的频率ω_n就被确定得每10个一组40DB的滚降能为系统中高频提供所需的足够的衰减。

磁芯材料和电路构造的结合是上述操作滤波器的关键。

图7是一个示意图，示出了两个波形校正滤波器连接在一个单相线上。在此例中，一个单相马达18通过线19和线20和一个交流电源相连。在线19和线20每一根线和中性线21之间连接着两个相同的波形校正滤波器22。一根单独的地线23连接在马达壳体和地之间。

每个这样的滤波器22都包括一个保险丝10，一个和保险丝串联的由软磁性材料制作的同轴非晶环形电感12，和一个位于同轴电感器12和中性线21之间的电容14。和电容14并联的是MOV26、彼此串联的一个具有磁芯28的绕组和一个电阻30。指示灯32和电阻30并联。地线23连接在马达机壳和地或其它相似的东西之间。

图8示出了三个波形校正滤波器22通过三相Y网络和三相马达36相连，每一个滤波器22连接在一相线40、42或44一根中性线之间。和在图1中一样，一根独立的地线连接于马达36的壳体和地之间。图8中每一个滤波器22都是与图7中的相同的，只是由于所知电压的不同，它的部件的值有所不同而已。

图9示出了三个波形校正滤波器通过三相Δ网络和一个三相马达50相连。在这一情况下，波形校正滤波器52接在相线54、56和58之间。所有滤波器52都和滤波器22相似，只是电阻30，指示灯32，磁芯和绕组28全部是串联后连接于电容24的两端。这种变化是根据所需要的有效电阻而产生的。一根独立的地线60连接在马达机壳和地之间。

上述对本发明实施例的描述主要是对本发明原理的陈述，本发明并不限于这些实施例。本发明的范围应该由下面权利要求书(包括其等效部分)所阐述的范围来决定。

Claims (20)

1.一种波形校正滤波器，用于与交流电源相连，其特征在于，所述滤波器包括：

一个保险丝；

一个与上述保险丝串联的电感器，以及，

一个滤波网络，它与上述电感器及保险丝相串联，该滤波网络包括相互并联的一个变阻器和一个电容器，以及彼此相互串联并与上述的变阻器和电容器相并联的一个磁芯电感器和电阻器。

2.如权利要求1所述的波形校正滤波器，其特征在于，所述电感器是由软磁材料构成的同轴非晶态环形电感器。

3.如权利要求2所述的波形校正滤波器，其特征在于，还包括一个灯泡与上述电阻器并联。

4.如权利要求2所述的波形校正滤波器，其特征在于，还包括一个灯泡与所述磁芯电感器及电阻器相串联。

5.如权利要求2所述的波形校正滤波器，其特征在于，所述磁芯电感器具有高的起始磁导率，低损耗以及高的饱和磁通量密度。

6.如权利要求2所述的波形校正滤波器，其特征在于，所述滤波网络包括一个临界阻尼低通滤波器。

7.如权利要求2所述的波形校正滤波器，其特征在于，所述磁芯电感器对电流和频率的响应基本上是线性的。

8.如权利要求2所述的波形校正滤波器，其特征在于，所述磁芯电抗器的剩磁接近零。

9.一种与交流电源相连的波形校正滤波网络系统，交流电源中包括两根电源线和一根中性线，其特征在于，所述系统组成如下：

一个第一滤波器网络系统连接在一根电源线和中性线之间，一个第二滤波网络连在另一根电源线和中性线之间，上述第一个和第二个滤波网络各包含由软磁材料构成的一个同轴非晶态环形电感器，该同轴非晶态环形电感器与上述其中一根电源线相连，一个与上述同轴非晶态环形电感器串联的低通滤波器，该低通滤波器包括并联的一个电容器和一个变阻器，和一个具有磁芯电感器的电感件以及一个串联的电阻器。

10.如权利要求9所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，在所述每个滤波网络中包含一个灯泡，该灯泡与所述电阻器并联。

11.如权利要求9所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，第一及第二滤波网络各包含与同轴非晶态环形电感器串联的一个保险丝，彼此相串联的磁芯电感器和电阻器也与上述电容器和变阻器相并联。

12.如权利要求11所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，磁芯电感器具有高初始磁导率，低损耗以及高饱和磁通量密度。

13.如权利要求11所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，磁芯电抗器的剩磁应接近于零。

14.如权利要求11所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，它还包含一个与所述每一个电阻器相并联的灯泡。

15.一种与三相Y型连接方式的交流电源相连的波形校正滤波网络系统，其特征在于，三相交流电源有三根相线和一根中性线，该系统包含三个滤波网络，每一个滤波网络都连接在所述一根相线和中性线之间，每一个滤波网络包括一个软磁材料的同轴非晶态环形电感器，该同轴非晶态环形电感器与一根相线相连，与所述同轴非晶态环形电感器相串联的滤波器，它包含相互并联连接的一个变阻器和一个电容器，以及相串联的一个磁芯电感器和电阻器，它们与所述电容器和变阻器相并联。

16.如权利要求15所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，它还包含一个保险丝，该保险丝连接在所述每一根相线和所述同轴非晶态环形电感器之间。

17.如权利要求15所述的波形校正滤波网络系统，其特征在于，其中的磁芯电感器具有高的初始磁导率，低损耗以及高饱和磁通量密度。

18.一种连接三相三角形所连接的三相交流电源上的波形校正滤波系统，其特征在于，所述系统包括三个滤波网络，第一个滤波网络连接在第一相线和第二相线之间，第二个滤波网络连接在第二相线和第三相线之间，第三个滤波网络连接在第三相线和第一相线之间，每一个所述滤波网络都包括在一个软磁材料的同轴非晶态环形电感器，该同轴非晶态环形电感器与其中一根相线相连接，还有一个与该同轴非晶态环形电感器串联连接的滤波器，该滤波器包括一个电容器，一个与电容器并联的变阻器，和彼此串联的一个磁芯电感器和一个电阻器，他们与上述电容器及变阻器相并联。

19.如权利要求18所述的波形校正滤波系统，其特征在于，它还包含一个连接在上述每一相线和同轴非晶态环形电感器之间的保险丝。

20.如权利要求18所述的波形校正滤波系统，其特征在于，它还包含一个与上述每一个电阻器和所述磁芯电感器相串联的灯泡。

Images