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电子技术基础 模拟部分第9章(1)
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有源电力滤波控制技术的研究及应用（原版论文）.pdf142页
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浙江大学 博士学位论文
有源电力滤波控制技术的研究及应用 姓名：周洪亮 申请学位级别：博士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：杜维
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――――――――――――――――――――_――――――――――――――――――――一一 ．一一 一一 摘要 有源电力滤波器被公认为是综合治理“电网污染”最有效的手段，本文试图
对实现技术和控制策略的研究，为有源电力滤波技术提供新的控制技术和实现方 法。 本文首先对有源电力滤波技术产生的背景、发展现状以及发展趋势作了详细 的阐述，分析了有源滤波器的优点及其丰富的功能，除补偿谐波电流外，还可补 偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等。有源滤波技术还处在不断的发展 之中，其电路结构和控制技术还需要不断的完善和发展。 在分析各种谐波检测技术的基础上，针对有源电力滤波器中广泛采用的基于 瞬时无功功率理论的检测技术存在的一系列局限性，将功率因数的概念引入有源 电力滤波器的控制中，全面论述了基于单位功率因数的谐波和无功电流检塑擞 术，以及在并联型有源滤波器中的应用。该检测和控制技术适用于各种电路结构， 电源或负载不平衡时也同样适用。对基于单位功率因数的检测方法的动态特性进 行了研究，提出了缩短检测延时的具体方法。 ，，本文还将单位功率因数的概念引入串联型有源电力滤波器的控制中，提出了 串联型有源电力滤波器的控制技术。另外对谐波源的性质进行了分析，指出不同
性质的谐波源应采用不同的有源滤波器拓扑。 针对并联混合型滤波器传统的基于谐波电流的控制方法中，K值较大时系统 不稳定的情况，提出了谐波电压的控制方
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一种UM71轨道电路补偿电容在线测试系统研究
　　近年来，无绝缘市场发展迅速。经过近几年的快速发展，世界无绝缘行业已经形成一定的产业规模，相关无绝缘产业也日渐完善，但是国内无绝缘市场还远未成熟，同发达的欧美国家相比，无论市场规模、产品档次、品种规格、消费水平等方面都还有相当大的差距。随着市场经济的发展，无绝缘技术水平、产品质量的提高，应用领域的不断扩展，我国的无绝缘将会有巨大的市场需求和发展空间。
　　无绝缘(jointless track circuit)两相邻间不用机械钢轨绝缘的。该如何区分相邻区段，一般有2种方法：利用的阻抗和道床漏泄电阻的自然衰耗，以不同的频率对相邻进行隔离，称为自然衰耗隔离式无绝缘;在相邻之间采用电容和一部分钢轨的电感构成谐振回路和采用不同频率对相邻进行电气隔离，称为电气隔离式，或称谐振式无绝缘。
　　是一种移频，它的正常工作状态关系到列车运行的安全。为了保证该电路系统工作正常，列车电务段工作人员必须经常沿铁轨检测运行参数。其中非常重要的一项参数便是两轨间的并接，而对该的测量到目前为止还没有一种有效的手段。原始的测量方法是静态测试，即必须从铁轨中打下电容，使之脱离该，再用普遍电容表来测试。该方法笨拙，费时费力，增加了工作人员的劳动复杂度。而且由于打下电容，减少了信号的传输距离，对列车行车安全造成威胁。基于此，本文提出一种方法，十分方便快捷，对电务段工作人员也是一种解放。
　　1 系统概述
　　1.1 系统构成
　　系统由设于室内的发送器、接收器和轨道以及通过ZCO3电缆连接的置于钢轨旁的空心线圈、调谐单元、匹配变压器和等组成。如图1所示。
　　1.2 系统的电路特点
　　列车行车过程中，为了传送信号需要，系统选用了四个较高的载频信号：1700Hz、2000Hz、2300Hz和2600Hz信号。其中，下行线采用1700Hz、2300Hz信号交替配置;上行线采用2000Hz、2600Hz信号交替配置。为满足列车速度控制等多信息需要，共有从10.3Hz开始按1.1Hz等差递增至29Hz的18种低频信息。其频偏Af为11Hz,故轨面上传送的移频信号由载频fo、频偏Af和低频调制信号Fc三者构成。如某区段载频fo为2000Hz、低频调制信号Fc为16.9Hz,则轨面移频信号在(fo-Af)即1989Hz和(fo+Af)即2011Hz之间，每秒周期移动16.9次。 1.3 系统中的作用 由图1可知，这种每间隔100m在两轨间并接一个电容器，一般为33&F,称为。是的重要组成部分，它的作用是改善在调整状态和分流状态的传输特性，延长的传输距离，确保钢轨中有足够稳定的信号电流经钢轨向机车发送信息。然而由于易受温度、湿度以及人为因素的影响，会产生电容电特性参数漂移或接触不良现象，导致的老化、失效或丢失，最终影响铁路信号的正确传输。
　　因此，如何方便有效地对进行正确的测试检查便显得非常重要。
　　2 系统设计
　　根据系统的特点，可以采用如下方法，即施加一个频率高于其本身所传言信号频率的下弦测试信号(以下简称测试信号)于两端，然后使电容两端频率信号经过滤波电路，滤除其本身的低频信号，这样滤波电路出来的就是人为施加的测试信号;再经过整流电路，得到该测试信号的直流量;最后用A/D转换器采样，不同的电容值所反应出来的变化了测试信号不同，从而确定的值。系统框图如图2所示。
　　3 硬件设计
　　3.1 测试信号的产生
　　系统本身传送的信号有载频信号(1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz)和低频调制信号(从10.3Hz到29Hz)。本方案中测试信号频率采用10khz.关于测试信号，可以利用集成运放构成正弦波振荡电路来产生。不过，随着大规模技术的迅速发展，出现了一些集成器件，功能强且使用方便，函数发生器ICL8038就是其中之一。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需调整个别的外部元件就能产生0.001~300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电容或电阻控制。另外，由于该芯片具有调频信号输入端，可以用来对低频信号进行频率调制。ICL8038测试电路如图3所示。 输出频率由下式确定：
　　如设RA=RB=R，则f=(0.33/RC)，于是，经过计算和试验，最后取R=3.3k&O,C=0.01&F,可以得到较好的正弦波形。
　　3.2 功率放大电路的设计
　　本电路采用LM386对测试信号进行功率放大，以增强其驱动能力。LM386是一种低电压小功率音频功放集成电路，使用外围元件少，调整方便。需要调整放大倍数时，可在其1、8脚间接一个2k&O左右的可变电阻和一个10&F电容，则改变可变电阻，可使放大倍数在20～200间可调，悬空时，放大倍数为20;在6脚和地之间以及7脚和地之间分别接一个电容，能够防止LM386自激;要求不高时可略去。具体电路如图4所示。
　　3.3 滤波电路的设计
　　滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C,或与负载串联电感器L,以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。滤波电路滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典或滤波电路。
　　系统本身所传送的载频信号信号和调制信号频率低于测试信号频率，要想将其滤掉，可以采用高通滤波器(HPF)。为了滤除高频信号的干扰，高通之后，再经过低通滤波器(LPF)，便可以得到较好的测试信号波形。本电路中采用三级二阶HPF、两级二阶LPF串连的五级滤波电路，特征频率均设为10khz。滤波器按巴特沃斯(Butterworth)滤波器设计，它的幅频特性是单调的，且在通 带内比较平坦。 巴特沃斯二阶HPF的形式如图5所示。 由于特性频率fo=10kHz，Q值取0.7,若取C=0.01&F, 则由fo=1/(2&RC)
　　即R=1592&O，可取R=1.6k&O。 又由于滤波器的通带放大倍数Aup和Q有关系式Q=1/(3-Aup)成立，将Q=0.7代入可得Aup=1.57,根据Aup与R1、Rf的关系式Aup=1+(Rf/R1)和集成运放两个输入端外接电阻的对称条件，可得下面的方程组：
　　解之可得R1=5.51R,Rf=3.14R.代入R=1.6k&O可得，R1取9.1k&O，Rf取5.1k&O。 对于低通滤波器的设计，只是在电路形式上将R和C互换位置，别的都一样，不再多述。
　　3.4 整流电路的设计
　　整流电路(rectifying circuit)把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。
　　为了把从滤波电路出来的交流测试信号较为为直流信号，以便A/D转换器采集，需要整流。整流可以用二极管来完成，但由于其非线性将产生较大误差。为了提高精度，可利用集成运放的放大作用和深度负反馈克服二极管非线性造成的误差。本电路采用了两个运放构成一个全波精密整流电路，如图6所示，其性能良好。 A/D转换芯片采用常见的四位半双积分型A/D转换芯片ICL7136。通常设计者都是用单片机并行采集ICL7135的转换数据，占用了较多的I/O口资源。本文利用ICL7135的UBSY信号线来获取A/D转换结果，即将BUSY信号接到AT89C52的INT1端，定时/计数器T1设置为计数器方式，对ICL7135输入时钟计数;T1的启停由INT1和RT1共同控制，这样便能够测试INT1引脚的正脉冲宽度，即BUSY信号的高电平宽度。另外用P1.7控制转换的启停。
　　4 软件设计
　　软件包括液晶显示模块的初始化、A/D转换中断服务程序及数据处理与显示等部分，采用C语言编程，灵活方便。软件流程图如图8所示。 考虑到实际工作环境中干扰因素很多，处理部分采用了适当的软件滤波。具体方法是：连续采集10次，分析其中数据，舍去偏离较大的数据，留下比较集中的几个数据，再取平均，这样调试效果较好。
　　5 互容性问题
　　必须解决的一个问题是：测试系统和主体设备的相互影响。即测试系统不能影响主体设备的正常工作，主体设备的工作不应对测试系统和测试结果产生影响。 测试系统通过两支表笔和铁轨连接，即测试信号加在电容两端，其峰峰值不到2V.经过实际现场测试，铁轨本身传送的信号只有微弱的变化，并不影响列车正常运行。 主体设备对测试系统的影响表现在两个方面：系统本身所传送的载频信号和调制信号对采样数据产生影响;轨道每米长度的等效感抗和阻抗对采样数据产生影响;轨道每米长度的等效感抗和阻抗对采样电路的影响。对于前者，采用了五级滤波器，通过试验可知，其本身的信号基本被完全滤掉。对于后者，通过试验中加入感抗和阻抗的模拟电路可知并无太大影响，在现场实测中也未见有太大变化。
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