一種有源濾波器中電流傳感器噪聲抑制電路

2 分 析
逆變器電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多高頻電流諧波，這些高頻諧波會(huì)產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，這些空間分布的高頻電磁場(chǎng)會(huì)在采樣電路中產(chǎn)生很多干擾，會(huì)在信號(hào)傳輸線路當(dāng)中產(chǎn)生很多電壓干擾信號(hào)。由于導(dǎo)線分布參數(shù)的復(fù)雜和非線性特征。這些干擾的電壓信號(hào)往往體現(xiàn)為噪音信號(hào)，噪聲是不能夠被信號(hào)濾波器完整濾除的，通過(guò)低通濾波之后，其截止頻率以下的噪音信號(hào)任然保留，而這些噪音信號(hào)將參與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算，最終影響發(fā)出，使得有源電力濾波器的實(shí)際的效果大打折扣。電流采樣回路框圖如圖2所示。

各部作用如下：
(1)傳感器。采集電力設(shè)備中的各個(gè)信號(hào)，使之轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識(shí)別的信號(hào)。傳感器一般要求精度較高，線性度較好，溫漂盡可能小。對(duì)于電力系統(tǒng)中的傳感器通常對(duì)于不同被測(cè)目標(biāo)做如下選型：通常使用變壓器(PT)做交流電壓信號(hào)輸入；使用電流互感器或者霍爾傳感器做電流輸入。
(2)傳輸線路。將傳感器(互感器)輸出的電信號(hào)傳遞給低通濾波電路．一般為導(dǎo)線即可。
(3)低通濾波器。電力系統(tǒng)中的電壓電流信號(hào)一般不能直接送到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端，同時(shí)PWM調(diào)制使得逆變器輸出中存在調(diào)制頻率附近的電流信號(hào)。這些信號(hào)也會(huì)被傳感器(互感器)送回采樣調(diào)理回路，而這些高頻諧波是應(yīng)該盡量避免的，因此調(diào)理回路當(dāng)中加入低通濾波器將這些高次諧波濾除并對(duì)信號(hào)做適當(dāng)縮放。

3 設(shè) 計(jì)
為了使信號(hào)能夠盡可能地少受到噪音的干擾．需要對(duì)以上分析的三個(gè)環(huán)節(jié)做充分的設(shè)計(jì)。電流互感器和霍爾型電流傳感器的選擇，電流互感器遵循電磁感應(yīng)定律只能傳遞交變信號(hào)。而霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)可以傳遞各類電流信號(hào)，由于有源電力濾波器有濾除電流不平衡度的需求，因此需要采集直流分量信號(hào)，所以選擇霍爾傳感器?；魻杺鞲衅靼摧敵龇绞椒譃殡妷汉碗娏餍?。電壓型輸出有利于后級(jí)運(yùn)放電路處理，但由于前文所述的噪聲信號(hào)在導(dǎo)線中體現(xiàn)為電壓噪聲信號(hào)，因此，電壓輸出型傳感器的抗干擾能力很弱。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較，選擇了電流輸出型的閉環(huán)電流傳感器。
傳輸線路使用屏蔽線或者雙絞線，盡可能使干擾減小．如果使用屏蔽線，屏蔽層要接地(或設(shè)備箱體)；如果是雙絞線纏繞要均勻，多股線先雙絞在相互纏繞，盡可能在結(jié)構(gòu)上使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消。另外，走線盡可能的短，盡量遠(yuǎn)離電感，走線短是為了減少導(dǎo)線分布電感．遠(yuǎn)離電感是因?yàn)殡姼惺请姶艌?chǎng)發(fā)生的主要來(lái)源，遠(yuǎn)離電感使得電磁場(chǎng)盡可能小，從而使得在傳輸線路當(dāng)中的噪聲電動(dòng)勢(shì)減小。
采樣調(diào)理回路的選擇是另一個(gè)重點(diǎn)。電流信號(hào)中存在著大量PWM調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波，這些諧波會(huì)影響運(yùn)算，因此這些波形需要被濾除。通用的方法是添加低通濾波器去除諧波。可以選擇相應(yīng)的濾波器的結(jié)構(gòu)，使得幅頻特性符合濾波需求。但是對(duì)于有源電力濾波器，需要生成的電流不是單一次數(shù)的諧波，而是含有不同次數(shù)諧波的復(fù)合波形。為了真實(shí)地復(fù)現(xiàn)所需要的波形，必須真實(shí)的獲得采樣信號(hào)，但是由于低通濾波器的存在，信號(hào)的群延時(shí)往往不同，這就使得信號(hào)在通過(guò)低通濾波器前后不同頻率的諧波的延時(shí)不同．信號(hào)發(fā)生了畸變．最終的輸出必然會(huì)有誤差，這個(gè)延時(shí)可由相頻特性反映。但是對(duì)于通常的低通濾波電路，考慮的都是濾波器的相頻特性，很少提及幅頻特性，更不用說(shuō)群延時(shí)。但是在實(shí)際的有源電力濾波器中，相頻特性同樣很重要。相頻特性反映到時(shí)域中直接體現(xiàn)出濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)的延時(shí)影響；另外從群延時(shí)角度分析相頻特性，還需要延時(shí)盡可能的低。但是對(duì)于低通濾波器而言，幅頻特性好意味著截止頻率低或者濾波階數(shù)高，但同時(shí)延時(shí)必然會(huì)加大，因此，如何權(quán)衡這二者關(guān)系是設(shè)計(jì)的一個(gè)問(wèn)題。延時(shí)不單是由電容的增加產(chǎn)生的，還與電路中的分布電容有關(guān)。濾波電容的固定之后，需要進(jìn)一步減小或消除分布電容對(duì)電路的影響；分布電容是由元器件的排列引起的。因此合理排列元器件可以盡可能消除分布電容，但是，這是件很難做到的事，故選擇一個(gè)集成的濾波器對(duì)此是最好的選擇。本樣機(jī)選擇MAXIM公司集成濾波器MAX275構(gòu)造濾波電路。
MAX275是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波電路，可分別同時(shí)進(jìn)行低通和帶通濾波，也可通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率／截止頻率可達(dá)300 kHz。MAX275無(wú)需時(shí)鐘電路，因此與開(kāi)關(guān)電容濾波器相比，其噪聲更低，動(dòng)態(tài)特性更好，能廣泛應(yīng)用于各種精密測(cè)試設(shè)備、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
該集成濾波器內(nèi)部含有電容和電阻，中心頻率、品質(zhì)因素和放大倍數(shù)的改變只需改變外圍的R1～R4四個(gè)電阻就能完成，并且有著很好的相頻特性。MAX275集成濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部連接如圖3所示，其中虛線框內(nèi)為MAX內(nèi)部部件，外部為需選擇部件。同時(shí)MAXIM公司針對(duì)MAX275提供了專用設(shè)計(jì)軟件。用戶只需輸入要求，即可獲得相應(yīng)的電阻阻值選擇。