[發(fā)明專利]諧波濾波器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910217183.1
• 申請日: 2009-11-27
• 公開（公告）號: CN101902044A
• 公開（公告）日: 2010-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·皮特基維奇;F·貝克
• 申請（專利權(quán)）人: 沙夫納EMV股份公司
• 主分類號: H02J3/01
• 分類號: H02J3/01
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李娜;蔣駿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在電力系統(tǒng)中濾除諧波電流和電壓的諧波濾波器。

背景技術(shù)

由于某些電負(fù)載的原因，在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的電壓和電流是諧波。在電網(wǎng)中的諧波電壓和電流是電能質(zhì)量(power?quality)問題的一種常見原因。

當(dāng)非線性負(fù)載例如整流器、不間斷電源、計算機等連接電力系統(tǒng)時，其汲取通常非正弦的電流。利用傅立葉級數(shù)分析，假設(shè)此電流為周期性的，，非正弦的電流可以分解為簡單正弦波之和，始于基本電力系統(tǒng)頻率(一次諧波，在歐洲通常為50赫茲，在美國為60赫茲)，且出現(xiàn)在該基頻的整數(shù)倍處。具有n重基頻的頻率的正弦波被稱為n次諧波。

在電力系統(tǒng)中的諧波通常會引起系統(tǒng)中電流的有害增大。另外，電力設(shè)備的不同部件會受到電力系統(tǒng)上的諧波的影響。例如，電動機會由于電機內(nèi)鐵芯中建立的渦流而遭受磁滯損耗。這會增大電機鐵芯的發(fā)熱，其(如果過熱)就會縮短電機的壽命。

諧波也可能產(chǎn)生振動，增大噪音水平。它們可能進(jìn)一步導(dǎo)致通信線路和電子電路的失靈和故障狀況。

為了達(dá)到那些標(biāo)準(zhǔn)所需的諧波水平，諧波濾波器被廣泛使用。無源諧波濾波器常用于減少在50Hz(60Hz)至幾kHz之間的諧波。為了可靠的工業(yè)電力配送，250Hz的五次諧波(歐洲)和350Hz的七次諧波(歐洲)是首要解決的問題。由此，許多常見諧波濾波器被特別地設(shè)計為有效降低那些諧波，和/或在具有中性導(dǎo)體的系統(tǒng)的情況下的三次諧波。

具有無源諧波濾波器FP的系統(tǒng)的示例在圖1中說明。該濾波器FP連接在交流電壓源(AC?power?voltage?source)和負(fù)載15之間，交流電壓源連接在地和節(jié)點B之間。所示濾波器具有T型結(jié)構(gòu)，有三個支路：在連接至電源的節(jié)點B和中間節(jié)點A之間的第一支路有電流I_Line(I_線路)經(jīng)過，具有電流I_Rect的第二支路在節(jié)點A和連接至負(fù)載的輸出節(jié)點C之間，具有電流I_Trap(I_陷波)的第三支路在中間節(jié)點A和地之間。

在所示的示例中，該第一支路包括電感4及其寄生電阻3。第二支路包括另一電感11及其寄生電阻13。第三支路包括任選第三電感5及其寄生電阻7和電容器9。選擇在不同支路中的這些部件的數(shù)值使得電流I_Rect的基頻分量流過第一和第二支路(回路R2)，而高次諧波被第三支路所陷波，由此無法抵達(dá)電源1(回路R1)。

當(dāng)然這僅僅是一種粗略近似。圖2是頻率特性圖，示出了圖1中的諧波濾波器的作為頻率函數(shù)的增益I_Line/I_Rect，都是以對數(shù)刻度示出。與諧振效應(yīng)一樣，第五次和更高次諧波的衰減清晰可見。

圖3說明當(dāng)此諧波濾波器被用于典型負(fù)載例如在三相應(yīng)用中的六個二極管整流器時的電流I_Line的每一諧波的幅值A(chǔ)。

圖1-3中示出的諧波濾波器具有許多缺點：

(1)這種濾波器對于減少五次諧波十分有效，但對于更高次諧波沒有那樣有效。這種情況并非總是令人滿意的，實際上大多數(shù)需求標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于DIN?EN61000-4-2、DIN?EN61000-3-12和IEEE519-1992限定了那些諧波的被批準(zhǔn)的閾值，如圖3中的線t_5-7、t_11-13、......、ti所表示。可以看出，圖1中的諧波濾波器容易滿足對于5次諧波和7次諧波的那些標(biāo)準(zhǔn)的要求，但幾乎不能符合例如11次諧波(在歐洲為550Hz，在美國為660Hz)的那些要求。

(2)另外，當(dāng)圖1中的無源諧波濾波器直接連接至例如六個二極管整流器的非線性負(fù)載時才能滿足那些限定。但是，為了消除高頻的對稱和/或非對稱擾動，例如10kHz至數(shù)MHz之間的擾動，在很多配置中，例如射頻濾波器(RFI、EMC或EMI濾波器)的附加無源濾波器被安裝在諧波濾波器和非線性負(fù)載之間。從諧波濾波器看來，此附加射頻濾波器首先近似等價于諧波濾波器的輸出節(jié)點C和地之間的附加電容19，如圖4所示出。該電容性支路19與連接至諧波源17的負(fù)載15并聯(lián)。其與電感4、5、11產(chǎn)生附加諧振，且將圖2的頻率特性改變?yōu)閳D5中的頻率特性。寄生電阻3和13具有低的阻值(例如，小于1歐姆)，因此，不需要的頻率分量幾乎沒有衰減。

如圖5中的曲線圖和圖6中的圖表所示，此電容性支路19由此產(chǎn)生諧振，其放大了處于中間頻率的諧波。尤其是17、19、25、29、31、35、37和更高次諧波高于上述標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的限度。

發(fā)明內(nèi)容