CN1933273A - 电源波形矫正滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源波形矫正滤波器，包括并联的非线性电阻器和第一电容器，同匝数线圈反向绕制在同一磁芯上的第一、第二电感器，第二电容器以及相串联的第三、第四电容器；第一、第二电感器两输入端分别接在第一电容器两端，第二电容器跨接在该第一、第二电感器两输出端之间，第三、第四电容器串联的两端同样跨接在第一、第二电感器输出端之间，与第二电容器并联，该第三、第四电容器串联的连接点接地，还包括接在第一电感器输出端和第二电感器输入端之间的第一电阻器，且所述磁芯采用纳米晶合金环形磁芯。本发明对用电设备产生的高频率谐波和高频噪声有抑制作用，防止用电设备产生的污染进入到电网中，同时防止电网污染进入到用电设备。

Description

电源波形矫正滤波器

技术领域

本发明涉及一种矫正和吸收电网污染的电源滤波器，尤其涉及矫正和吸收对电网中有破坏性的高次谐波、电涌(浪涌)、尖峰信号等杂波的电源波形矫正滤波器。

背景技术

随着各种先进的仪器设备的大量使用，会引起各种污染和干扰，特别是电网的污染。某些设备通常会产生电网污染，而某些设备则经常受到电网污染的影响。

如图1和2所示，图1是正常电网谐波，图2是被污染的电网谐波。

电网污染主要是指高次谐波、瞬流、浪涌、高频噪声等。这些分量直接对用户设备产生危害。高次谐波对设备的危害性与低次谐波对设备的危害性之比为9∶1。如开关电源，内部有整流部分，工作频率均在数十kHz以上。开关电源工作时，使电网上叠加了数十kHz以上的高频分量。这些负载工作时对电网的波形进行切割，致使波形严重畸变；日光灯管一个简单的开关动作，就有24个瞬流产生，电压高达1200V。标准设备在“瞬流”发生频次20万次/小时状态下工作，电子设备寿命会缩短40％，电机设备寿命会缩短30％；照明设备寿命会缩短35％～45％。

电网污染可能使设备不能正常工作，易出错。如今的设备大多采用了微电子技术，这些设备是一种非线性负载，如：数控机床、卷包机、变频空调、电脑、电子整流器、变频电机、节能灯、可控硅负载。这种非线性负载对电能质量要求较高，本身又会对电网造成污染。如果不对电网污染进行治理，就会引起如生产成品率下降、机器误操作、设备故障率高、电机工作温度升高、能耗增大、功率因数降低、机械零件磨损速度加快、设备寿命缩短，严重时控制系统失灵、无法开机、通信中断等一系列问题，甚至会发生火灾。

电网中的高次谐波会在变压器、马达、整流器中产生涡流而造成磁滞现象，使电机的动作不协调、呆滞、线圈发热，大大损失电能，电子设备总体效能将极大的下降。此外的电器系统中伴随高频杂波而来的一种“集肤效应”，随着频率的增加会引起不正常的电流强度，从而增加导线阻抗，使导线长期处于超负荷工作状态，引起导线发热，使电能转变为热能而消耗掉，加速其老化。

因此有必要在电网中采用一种可以吸收和消除这些高次谐波、瞬流、浪涌、高频噪声的设备。

中国申请号为02142011.4的专利申请公开了一种波形校正滤波器，其电路原理图如图3所示，它虽然能消除电涌(浪涌)、尖峰干扰及中低频段的差模噪声，但仅有的低通滤波器在高频段衰减作用减弱，表现为一带阻滤波器，因此不能消除中高频段的差模噪声，而且也不能消除由共模干扰引起的噪声，故无法在要求较高的特别是对于抗共模干扰有要求的仪器设备上应用。

为解决上述问题，目前国内普遍采用电源线滤波器，其电路结构如图4所示，该电源线滤波器包括非线性电阻器11、第一、第二电感器13、14、第一、第二、第三、第四电容器12、16、17、18。用于抗浪涌的非线性电阻器11和用于抗差模干扰的第一电容器12跨接在相线L和零线N之间，二者相互并联；第一电感器13串接在相线L上、第二电感器14串接在零线N上，二者同匝数反向绕制在铁氧体磁芯15上，该第一、第二电感器13、14两输入端分别接在第一电容器12两端，该第一、第二电感器13、14在电流的通过上是互补的，因此这种同匝数反向绕制方式对于差模干扰电流和主电流在第一、第二电感器13、14上所产生的磁通是相互抵消的，可让差模电流顺利通过，而对于共模干扰电流，第一、第二电感器13、14产生的磁场是同方向的，会产生较大的电感量，因此可抑制共模干扰；第二电容器16跨接在该第一、第二电感器13、14两输出端之间，也用于抑制高频差模干扰；第三、第四电容器17、18相互串联，串联的两端跨接在第一、第二电感器13、14输出端之间，与该第二电容器16并联；第三、第四电容器17、18串联的连接点接地，该第三、第四电容器17、18可进一步消除对地的共模干扰。

上述电源线滤波器虽然对于较高频段的差模和共模噪声具有不错的滤波效果，但是仅用一非线性电阻器抑制浪涌和尖峰干扰，抑制能力不佳，其次电容对1MHz频率以下的差模干扰滤波效果差，再次采用铁氧体的磁芯导磁率较低，因而获得的电感较小，如果要增大电感，需增大磁芯体积，占有空间，且电感磁芯易饱和，随着磁芯饱和，其抑制性能下降，另外铁氧体磁芯的损耗较大，发热也随之提高，使得饱和磁通密度降低，损害了其抑制性能。因此这种滤波器难以保证对网电源要求较高的仪器设备上的使用。

发明内容

因此本发明是为了所要解决现有电源滤波器的技术问题而提供的一种电源波形矫正滤波器，它也是一种综合电源滤波器，不仅对电网或仪器设备产生的电涌(浪涌)、尖峰干扰具有吸收和消除作用，而且对电网或仪器设备产生的高次谐波，差模和共模噪声具有滤波作用。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案而提供一种电源波形矫正滤波器，包括并联的非线性电阻器和第一电容器、同匝数反向绕制在磁芯上的第一、第二电感器、第二电容器以及互相串联的第三、第四电容器；第一、第二电感器两输入端分别接在第一电容器两端，该第一、第二电感器两输出端之间跨接有第二电容器，第三、第四电容器串联的两端同样跨接在所述第一、第二电感器输出端之间，与第二电容器并联，该第三、第四电容器串联的连接点接地；还包括接在第一电感器输出端和第二电感器输入端之间的第一电阻器，该第一电阻器与第一电容器和第一电感器共同组成低通滤波器。

本发明电源波形矫正滤波器还将具有高初始磁导率、低损耗、高饱和磁通密度的纳米晶合金材料代替铁氧体材料用于上述第一、第二电感器所绕制的磁芯，所得的电感器具有电感量大、体积小、不易饱和、温度稳定性好的优点，因而能够保持较好的抑制性能。

本发明对用电设备产生的高频率谐波和高频噪声具有抑制作用，防止用电设备产生的污染进入到电网中，同时又能防止电网中高频谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等污染进入到设备，提高了电网质量，保证了仪器设备的正常运行，节约了能源。

附图说明

本发明的优点和特征将在以下具体实施方式中结合附图详细描述。

图1是正常电网谐波；

图2是被污染电网谐波；

图3是中国申请号为02142011.4的专利申请的电路结构示意图；

图4是国内普遍采用的电源线滤波器的电路结构示意图；

图5是本发明电源波形矫正滤波器的电路结构示意图；

图6是本发明采用的环形磁芯B-H曲线示意图；

图7是本发明电源波形矫正滤波器串联接入电网的一个应用实施例原理图。

图8是本发明电源波形矫正滤波器串联接入电网使用时的滤波特性曲线图；

图9是本发明电源波形矫正滤波器并联接入电网的另一个应用实施例的原理图；

图10是本发明电源波形矫正滤波器并联接入电网使用时的滤波特性曲线图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

请参阅图5，本发明的电源波形矫正滤波器包括非线性电阻器11、第一、第二电感器13、14、第一、第二、第三、第四电容器12、16、17、18，还包括第一电阻器21。用于抗浪涌的非线性电阻器11和用于抗差模干扰的第一电容器12跨接在相线L和零线N之间，二者相互并联；第一电感器13串接在相线L上、第二电感器14串接在零线N上，二者同匝数反向绕制在磁芯22上，该第一、第二电感器13、14两输入端分别接在第一电容器12两端；第一电阻器21接在该第一电感器13输出端和该第二电感器14输入端之间，与第一电容器12、第一电感器13组成低通滤波器；第二电容器16跨接在该第一、第二电感器13、14两输出端之间，也用于抑制高频差模干扰；第三、第四电容器17、18相互串联，串联的两端跨接在第一、第二电感器13、14输出端之间，与该第二电容器16并联；第三、第四电容器17、18串联的共同连接点接地，该第三、第四电容器17、18可进一步消除对地的共模干扰。

本实施例的磁芯22是采用纳米晶合金材料制成的环形磁芯，其B-H曲线如图6所示，该磁芯具有很高的初始导磁率(＞80,000Gs/Oe)，很小的损耗(＜35W/kg)，高饱和磁感应密度(Bs＝1.25T)。因此对于相同的体积，纳米晶合金磁芯比铁氧体磁芯的电感大许多，且不易饱和、损耗小、发热低、温度稳定性好，因而能够保持较好的抑制性能。

当电网中或仪器设备产生一个高的浪涌电流时，非线性变阻器11瞬间导通，其电阻变得很小，对高出变阻器标称电压值部分的电压进行释放，电压被箝位在变阻器的标称电压值，在浪涌产生前和浪涌过后，变阻器的电阻表现为非常大，相当于开路。由于第一电容器12上的电压不能瞬时变化，第一电容器12就为当时的大电流提供了一个通路，然后第一电容器12开始充电，变阻器11重新转变为高阻抗，第一电容器12将能量转入电感器13、14和电阻器21。箝位电压保持为非线性变阻器11的标称电压值。

由于纳米晶合金环形磁芯22非常容易被磁化并且能在宽的磁通量渗透范围内保持磁化，各种尖峰、瞬变干扰噪声进入第一电容器12的电能就在磁芯中以磁能的形式被保存，该能量通过第一电阻器21被处理，各种尖峰瞬变和干扰噪声的能量被网络收集和吸收。而且由第一电容器12、第一电感器13、第一电阻器21组成的低通滤波器对1MHz以下的干扰具有衰减作用。因此本发明的实施例克服了国内普遍使用的电源线滤波器对浪涌波的抑制能力差，对1MHz频率以下的频段滤波效果差的缺点。

由于第一电感器13与第二电感器14同匝数反向绕制在在纳米晶合金磁环22上，这种绕制方式使得第一、第二电感器13、14对于差模干扰电流和主电流所产生的磁通是相互抵消的，因此即使在大负载电流的情况下也不会引起磁芯的饱和，而对共模干扰电流，第一、第二电感器13、14产生的磁场是同方向的，可以反映为较大的电感值，为共模电感，以便获得更大的共模滤波效果。因此共模噪声电流经过串联在相线L上的第一电感器13时，线圈上所产生的磁力线方向同共模噪声电流经过串联在零线N上的第二电感器14时，较大的共模电感对共模噪声起到衰减作用，同时共模噪声又经过跨接在相线L与地之间的第三电容器17和跨接在零线N与地之间的第四电容器18进行第二级滤波衰减，以达到整体上的衰减和抑制共模噪声的目的。

本发明的电源波形矫正滤波器还可包括一起指示作用的指示灯电路，该指示灯电路由第五电容器23、发光二极管24、第二电阻器25串联而成，其还可进一步消除电网中残余的差模干扰。

图7是本发明电源波形矫正滤波器串联接入电网的一个应用实施例的原理图。如图7所示，本发明的电源波形矫正滤波器串联接在网电源100和仪器设备200之间，其滤波特性曲线如图8所示，在频率为10kHz时，衰减达到10dB，在频率未达到1MHz时，衰减已超过55dB，因此图7所示的串联接法克服了目前国内普遍使用的电源线滤波器无法抑制10kHz-1MHz频段干扰的缺点，且在高于1MHz的高频段同样具有很好的衰减效果，可用于仪器设备对电网中共模、差模、浪涌和尖峰瞬变有要求的场合。

图9是本发明电源波形矫正滤波器并联接入电网的一个应用的原理图。如图9所示，本发明的电源波形矫正滤波器并联接在网电源100和仪器设备200之间，其滤波特性曲线如图10所示，本发明电源波形矫正滤波器的并联接法在10KHz-1MHz频段具有与中国申请号为02142011.4的专利申请的波形矫正滤波器相近的衰减作用。本发明的这一应用用于仪器设备仅对电网中100kHz附近的干扰噪声或差模噪声干扰、浪涌、尖峰瞬变有要求的场合。

本发明的电源波形矫正滤波器的上述应用同时克服了目前国内普遍使用的电源线滤波器对浪涌波的抑制能力差，对1MHz频率以下的频段滤波效果差和中国申请号为02142011.4的专利申请的波形矫正滤波器不能消除中高频段的噪声，特别是由共模干扰引起的噪声的缺点。同时两种接法使得应用更加灵活方便，可广泛用于电子设备系统的输入端中，防止用电设备产生的污染进入到电网，又能防止电网中浪涌、尖峰瞬变，特别是高频谐波、高频噪声等污染进入到设备，提高了电网质量，保证了仪器设备的正常运行，节约了能源。

Claims (4)

1.一种电源波形矫正滤波器，包括并联的非线性电阻器和第一电容器，同匝数反向绕制在同一磁芯上的第一、第二电感器，第二电容器以及相串联的第三、第四电容器；所述第一、第二电感器两输入端分别接在所述第一电容器两端，所述第二电容器跨接在所述第一、第二电感器两输出端之间，所述第三、第四电容器串联的两端同样跨接在所述第一、第二电感器输出端之间，与所述第二电容器并联，所述第三、第四电容器串联的共同连接点接地，其特征在于：

还包括接在所述第一电感器输出端和第二电感器输入端之间的第一电阻器。

2.如权利要求1所述的电源波形矫正滤波器，其特征在于，所述磁芯是纳米晶合金环形磁芯。

3.如权利要求1所述的电源波形矫正滤波器，其特征在于，还包括一指示灯电路，所述的指示灯电路并联在第三、第四电容器串联的两端。

4.如权利要求3所述的电源波形矫正滤波器，其特征在于，所述指示灯电路包括相互串联的第五电容器、发光二极管和第二电阻器。

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