常用的濾波器的介紹

　　常用的濾波器的介紹

　　數(shù)字濾波器

　　定義

　　數(shù)字濾波器是與模擬濾波器相對應(yīng)的，我們在常用的離散系統(tǒng)中， 使用數(shù)字濾波器。它的主要作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性，在這里 時(shí)間就是一個(gè)變量，然后在對外部輸入的信號，進(jìn)行處理，這里的輸 入信號一般都是廣義上的波形型號，信號可以是電壓、電流、功率等。 當(dāng)然也有類似于頻率等這種。在實(shí)際的操作中，我們也可以把輸入的信號波形變成輸出，也就是將輸入和輸出倒置。從而實(shí)現(xiàn)我們將信號的頻譜修改的目的。

　　實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段

　　數(shù)字濾波器有多種方式可以實(shí)現(xiàn)信號的處理，我們介紹在實(shí)際中使用最多的兩種，一種是我們集成電路的方式將集成電路的各種元 器件組成一個(gè)專用的設(shè)備，這種設(shè)備稱之為數(shù)字信號處理機(jī)，類似于arm架構(gòu)或者單片機(jī)架構(gòu)的數(shù)字處理機(jī)就是我們常用的一種，這種方式對于成套批量的需求商用價(jià)值比較高，因?yàn)樵靸r(jià)成本比較低，受到了市場的歡迎；另一種就是使用我們平常使用的x86/x64的商用或者工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真，這個(gè)完全是使用應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真的，這種方式也在實(shí)驗(yàn)室或者大型的數(shù)字濾波項(xiàng)目中使用，這種方式成本較高，不適宜與大批量的生產(chǎn)與配套。但是在實(shí)驗(yàn)室是最好的一種模擬方式，在高階模擬和運(yùn)算中有非常大的優(yōu)勢。

　　數(shù)字濾波器的對比

　　數(shù)字濾波器現(xiàn)在主要有兩種，一種是IIR，我們稱之為無限的沖激響應(yīng)濾波器，另外一種是FIR，這種濾波器是與IIR相對應(yīng)的，這個(gè)是有限的沖激響應(yīng)濾波器。兩個(gè)系統(tǒng)都是有各自的特點(diǎn)的，F(xiàn)IR的濾波器是沒有閉環(huán)的反饋的環(huán)路信號，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，可以實(shí)現(xiàn)比較嚴(yán)格的線性方程的相位的計(jì)算，一般情況下相位的要求不嚴(yán)格一 般不會使用這個(gè)濾波器，相反的話，會采用這種濾波器。當(dāng)然在很多的場景下面，我們要對信號進(jìn)行一些實(shí)時(shí)的處理，當(dāng)現(xiàn)場的信號數(shù)據(jù)越來越多的情況下，我們對硬件的性能要求就越來越高，市面上很多的單片機(jī)已經(jīng)無法滿足我們實(shí)際的功能需求，一般的8位的16位的乃至32位的單片機(jī)以及ARM芯片已經(jīng)不能在對算法進(jìn)行支撐，由于專門為數(shù)字處理設(shè)計(jì)的DSP控制器的出現(xiàn)，提高了我們?yōu)V波器的效率，DSP很多情況下可以使用多組總線的方式，并行處理多組實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，獨(dú)立的一些算法器充分的使用大大提高了我們?yōu)V波器的效率。對于硬件上的短板完全可以由DSP的芯片進(jìn)行彌補(bǔ)，做到對數(shù)字信號的實(shí)時(shí)處理與計(jì)算。DSP與普通的微處理器相比有很大的數(shù)字信號的處理優(yōu)勢，他是單片機(jī)以及ARM的繼承，為信號處理做了一些局部的開發(fā)和改進(jìn)，大大的增強(qiáng)了數(shù)字處理的能力，它有特定的數(shù)據(jù)流程格式、有特定的算法器，有特殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為解決復(fù)雜的數(shù)字信號的處理提供了很多優(yōu)越的條件和基礎(chǔ)，通過對DSP的編程可以實(shí)現(xiàn)IIR濾波器。 FIR濾波器實(shí)際上有一定的缺陷，這類系統(tǒng)只有零點(diǎn)，它不會跟IIR系統(tǒng)的那樣容易獲取比較好衰減的特性，但是也有更加明顯的優(yōu)勢。他是通過非硬件電路實(shí)現(xiàn)的，相比硬件電路實(shí)現(xiàn)濾波器主要優(yōu)點(diǎn)有很多，例如，效率很高、有極點(diǎn)、有反饋等。

　　程控濾波系統(tǒng)

　　程控濾波系統(tǒng)是在傳統(tǒng)濾波器的不足中提出的，傳統(tǒng)濾波器在工作時(shí)產(chǎn)生誤差，會影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。低精度的濾波器在使用時(shí)會造成很多不良后果，而且傳統(tǒng)濾波器對波形要求越高就意味著需要跟多的運(yùn)放，這是非常麻煩的。所以程控濾波器的數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，可以有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn) 效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。

　　無源濾波器

　　無源濾波器是利用電阻、電抗器和電容器元器件構(gòu)成的濾波電路。諧振頻率時(shí)，電路阻抗值最小，非諧振頻率時(shí)，電路阻抗比很大，將電路元器件數(shù)值調(diào)整到某一特征諧波頻率，則能濾除該次諧波電流；當(dāng)若干諧波頻率的調(diào)諧電路組成在一起，則能濾除對應(yīng)的特征諧波頻率，通過低阻抗旁路實(shí)現(xiàn)對主要次數(shù)諧波（3、5、7）的過濾。主要原理就是針對不同次數(shù)諧波，設(shè)計(jì)該諧波頻率的阻抗為很小，實(shí)現(xiàn)諧波電流的分流效應(yīng)，即為預(yù)濾除的高次諧波提供旁路通道，實(shí)現(xiàn)凈化波形。

　　無源濾波器按接線形式可分為電容濾波器、電廠濾波電路、L型RC濾波電路、π形RC濾波電路、多節(jié)π形RC 濾波電路、π形LC濾波電路。按功能可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器。無源濾波器具有如下優(yōu)勢：結(jié)構(gòu) 形式簡單、投資費(fèi)用低，能夠補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功分量、改善電網(wǎng)功率因數(shù)；工作穩(wěn)定性較高、維護(hù)簡單、技術(shù)成熟等，在有源濾波器出現(xiàn)以前被廣泛采用。無源濾波器的缺點(diǎn)也有很多方面：受電網(wǎng)參數(shù)的影響較大，系統(tǒng)阻抗值和主要次數(shù)諧振頻率往往隨著工況發(fā)生變化；諧波濾除的頻帶也較窄，只能濾除主要次數(shù)的諧波，或因發(fā)生并聯(lián)諧振，放大一些次數(shù)的諧波；濾波和無功補(bǔ)償及調(diào)壓之間的協(xié)調(diào)較困難 ；隨著流經(jīng)濾波器的電流升高，可能造成設(shè)備過負(fù)荷運(yùn)行；耗材多，重量和體積都較大；運(yùn)行穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。因此，整體性能更優(yōu)的有源濾波器得到越來越多的應(yīng)用。

　　有源濾波器

　　有源濾波器主要作用不僅能動態(tài)追蹤并抑制諧波，而且可以補(bǔ)償電網(wǎng)中較低的無功分量。它能夠?qū)Ψ岛皖l率都波動的高次諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償，以及對變化的系統(tǒng)無功分量進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，克服了傳統(tǒng)型式諧波治理方案和無功補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，達(dá)到了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償?shù)男Ч?。APF的基本原理是檢測當(dāng)前系統(tǒng)的電壓和電流信號，通過指令電流運(yùn)算電路的運(yùn)算，產(chǎn)生補(bǔ)償電流信號，并將其指令由補(bǔ)償電流發(fā)生電路按諧波信號放大，從而得到補(bǔ)償電流，再與系統(tǒng)中的高次諧波分量及無功等電流抵消，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)波形的正弦化，濾除電網(wǎng)諧波，提高電能質(zhì)量。有源濾波器和無源濾波器的區(qū)別，在于需要電源供電，且既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功。指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路是有源濾波器的兩個(gè)重要組成部分。指令電流運(yùn)算電路的作用是檢測出系統(tǒng)所需補(bǔ)償?shù)闹C波分量和無功分量等。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是按照上述檢測到的諧波分量和無功分量，發(fā)出補(bǔ)償電流指令，產(chǎn)生能夠抵消的補(bǔ)償電流，它主要由三部分構(gòu)成 ：電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路。

　　根據(jù)儲能元件的不同，有源濾波器可以分為電壓型有源濾波器和電流型有源濾波器。電壓型有源濾波器，因其損耗少、效率高，被廣泛使用。電流型有源濾波器，因損耗大、效率低，而較少采用。按照交直流電源可分為直流 APF 和交流 APF。按照電路拓樸結(jié)構(gòu)分類，可分為串聯(lián)型 APF、并聯(lián)型 APF 和串并聯(lián)型，以及APF和PPF的混合型使用方式。與無源濾波器相比，有源濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，可控性能非常強(qiáng)；具有自適應(yīng)功能，能夠動態(tài)跟蹤和補(bǔ)償系統(tǒng)高次諧波；穩(wěn)定性高，不受系統(tǒng)阻抗影響，避免諧振的發(fā)生；能夠抑制閃變；補(bǔ)償系統(tǒng)不足的無功分量等。機(jī)柜式系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)設(shè)計(jì)細(xì)密，可隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求擴(kuò)容，可拓展性強(qiáng)，模塊化的配置方式和小巧的體積讓設(shè)計(jì)者有更多的選擇，并可最大程度節(jié)省用戶空間，可實(shí)現(xiàn)彈性的容量配置，支持后續(xù)現(xiàn)場容量擴(kuò)展?，F(xiàn)場安裝和維修維護(hù)更是簡單拔插即可。 抽屜式結(jié)構(gòu)，能夠滿足用戶單獨(dú)對模塊設(shè)計(jì)，選用優(yōu)良的架構(gòu)形式，具備DSP處理能力，運(yùn)用大型可編程控制器操作，選用大功率電力電子組件，具有可外傳的通信端口，還可附于其他盤柜中獨(dú)立工作。