電源波形矯正濾波器的製作方法
2023-04-23 12:07:36
專利名稱：電源波形矯正濾波器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種矯正和吸收電網汙染的電源濾波器，尤其涉及矯正和吸收對電網中有破壞性的高次諧波、電湧(浪湧)、尖峰信號等雜波的電源波形矯正濾波器。
背景技術：
隨著各種先進的儀器設備的大量使用，會引起各種汙染和幹擾，特別是電網的汙染。某些設備通常會產生電網汙染，而某些設備則經常受到電網汙染的影響。
如圖1和2所示，圖1是正常電網諧波，圖2是被汙染的電網諧波。
電網汙染主要是指高次諧波、瞬流、浪湧、高頻噪聲等。這些分量直接對用戶設備產生危害。高次諧波對設備的危害性與低次諧波對設備的危害性之比為9∶1。如開關電源，內部有整流部分，工作頻率均在數十kHz以上。開關電源工作時，使電網上疊加了數十kHz以上的高頻分量。這些負載工作時對電網的波形進行切割，致使波形嚴重畸變；日光燈管一個簡單的開關動作，就有24個瞬流產生，電壓高達1200V。標準設備在「瞬流」發生頻次20萬次/小時狀態下工作，電子設備壽命會縮短40％，電機設備壽命會縮短30％；照明設備壽命會縮短35％～45％。
電網汙染可能使設備不能正常工作，易出錯。如今的設備大多採用了微電子技術，這些設備是一種非線性負載，如數控工具機、卷包機、變頻空調、電腦、電子整流器、變頻電機、節能燈、可控矽負載。這種非線性負載對電能質量要求較高，本身又會對電網造成汙染。如果不對電網汙染進行治理，就會引起如生產成品率下降、機器誤操作、設備故障率高、電機工作溫度升高、能耗增大、功率因數降低、機械零件磨損速度加快、設備壽命縮短，嚴重時控制系統失靈、無法開機、通信中斷等一系列問題，甚至會發生火災。
電網中的高次諧波會在變壓器、馬達、整流器中產生渦流而造成磁滯現象，使電機的動作不協調、呆滯、線圈發熱，大大損失電能，電子設備總體效能將極大的下降。此外的電器系統中伴隨高頻雜波而來的一種「集膚效應」，隨著頻率的增加會引起不正常的電流強度，從而增加導線阻抗，使導線長期處於超負荷工作狀態，引起導線發熱，使電能轉變為熱能而消耗掉，加速其老化。
因此有必要在電網中採用一種可以吸收和消除這些高次諧波、瞬流、浪湧、高頻噪聲的設備。
中國申請號為02142011.4的專利申請公開了一種波形校正濾波器，其電路原理圖如圖3所示，它雖然能消除電湧(浪湧)、尖峰幹擾及中低頻段的差模噪聲，但僅有的低通濾波器在高頻段衰減作用減弱，表現為一帶阻濾波器，因此不能消除中高頻段的差模噪聲，而且也不能消除由共模幹擾引起的噪聲，故無法在要求較高的特別是對於抗共模幹擾有要求的儀器設備上應用。
為解決上述問題，目前國內普遍採用電源線濾波器，其電路結構如圖4所示，該電源線濾波器包括非線性電阻器11、第一、第二電感器13、14、第一、第二、第三、第四電容器12、16、17、18。用於抗浪湧的非線性電阻器11和用於抗差模幹擾的第一電容器12跨接在相線L和零線N之間，二者相互並聯；第一電感器13串接在相線L上、第二電感器14串接在零線N上，二者同匝數反向繞制在鐵氧體磁芯15上，該第一、第二電感器13、14兩輸入端分別接在第一電容器12兩端，該第一、第二電感器13、14在電流的通過上是互補的，因此這種同匝數反向繞制方式對於差模幹擾電流和主電流在第一、第二電感器13、14上所產生的磁通是相互抵消的，可讓差模電流順利通過，而對於共模幹擾電流，第一、第二電感器13、14產生的磁場是同方向的，會產生較大的電感量，因此可抑制共模幹擾；第二電容器16跨接在該第一、第二電感器13、14兩輸出端之間，也用於抑制高頻差模幹擾；第三、第四電容器17、18相互串聯，串聯的兩端跨接在第一、第二電感器13、14輸出端之間，與該第二電容器16並聯；第三、第四電容器17、18串聯的連接點接地，該第三、第四電容器17、18可進一步消除對地的共模幹擾。
上述電源線濾波器雖然對於較高頻段的差模和共模噪聲具有不錯的濾波效果，但是僅用一非線性電阻器抑制浪湧和尖峰幹擾，抑制能力不佳，其次電容對1MHz頻率以下的差模幹擾濾波效果差，再次採用鐵氧體的磁芯導磁率較低，因而獲得的電感較小，如果要增大電感，需增大磁芯體積，佔有空間，且電感磁芯易飽和，隨著磁芯飽和，其抑制性能下降，另外鐵氧體磁芯的損耗較大，發熱也隨之提高，使得飽和磁通密度降低，損害了其抑制性能。因此這種濾波器難以保證對網電源要求較高的儀器設備上的使用。
發明內容
因此本實用新型是為了所要解決現有電源濾波器的技術問題而提供的一種電源波形矯正濾波器，它也是一種綜合電源濾波器，不僅對電網或儀器設備產生的電湧(浪湧)、尖峰幹擾具有吸收和消除作用，而且對電網或儀器設備產生的高次諧波，差模和共模噪聲具有濾波作用。
本實用新型為解決其技術問題所採取的技術方案而提供一種電源波形矯正濾波器，包括並聯的非線性電阻器和第一電容器、同匝數反向繞制在磁芯上的第一、第二電感器、第二電容器以及互相串聯的第三、第四電容器；第一、第二電感器兩輸入端分別接在第一電容器兩端，該第一、第二電感器兩輸出端之間跨接有第二電容器，第三、第四電容器串聯的兩端同樣跨接在所述第一、第二電感器輸出端之間，與第二電容器並聯，該第三、第四電容器串聯的連接點接地；還包括接在第一電感器輸出端和第二電感器輸入端之間的第一電阻器，該第一電阻器與第一電容器和第一電感器共同組成低通濾波器。
本實用新型電源波形矯正濾波器還將具有高初始磁導率、低損耗、高飽和磁通密度的納米晶合金材料代替鐵氧體材料用於上述第一、第二電感器所繞制的磁芯，所得的電感器具有電感量大、體積小、不易飽和、溫度穩定性好的優點，因而能夠保持較好的抑制性能。
本實用新型對用電設備產生的高頻率諧波和高頻噪聲具有抑制作用，防止用電設備產生的汙染進入到電網中，同時又能防止電網中高頻諧波、高頻噪聲、浪湧、尖峰瞬變等汙染進入到設備，提高了電網質量，保證了儀器設備的正常運行，節約了能源。
本實用新型的優點和特徵將在以下具體實施方式
中結合附圖詳細描述。
圖1是正常電網諧波；圖2是被汙染電網諧波；圖3是中國申請號為02142011.4的專利申請的電路結構示意圖；圖4是國內普遍採用的電源線濾波器的電路結構示意圖；圖5是本實用新型電源波形矯正濾波器的電路結構示意圖；圖6是本實用新型採用的環形磁芯B-H曲線示意圖；圖7是本實用新型電源波形矯正濾波器串聯接入電網的一個應用實施例原理圖。
圖8是本實用新型電源波形矯正濾波器串聯接入電網使用時的濾波特性曲線圖；圖9是本實用新型電源波形矯正濾波器並聯接入電網的另一個應用實施例的原理圖；圖10是本實用新型電源波形矯正濾波器並聯接入電網使用時的濾波特性曲線圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細描述本實用新型的具體實施方式
。
請參閱圖5，本實用新型的電源波形矯正濾波器包括非線性電阻器11、第一、第二電感器13、14、第一、第二、第三、第四電容器12、16、17、18，還包括第一電阻器21。用於抗浪湧的非線性電阻器11和用於抗差模幹擾的第一電容器12跨接在相線L和零線N之間，二者相互並聯；第一電感器13串接在相線L上、第二電感器14串接在零線N上，二者同匝數反向繞制在磁芯22上，該第一、第二電感器13、14兩輸入端分別接在第一電容器12兩端；第一電阻器21接在該第一電感器13輸出端和該第二電感器14輸入端之間，與第一電容器12、第一電感器13組成低通濾波器；第二電容器16跨接在該第一、第二電感器13、14兩輸出端之間，也用於抑制高頻差模幹擾；第三、第四電容器17、18相互串聯，串聯的兩端跨接在第一、第二電感器13、14輸出端之間，與該第二電容器16並聯；第三、第四電容器17、18串聯的共同連接點接地，該第三、第四電容器17、18可進一步消除對地的共模幹擾。
本實施例的磁芯22是採用納米晶合金材料製成的環形磁芯，其B-H曲線如圖6所示，該磁芯具有很高的初始導磁率(＞80,000Gs/Oe)，很小的損耗(＜35W/kg)，高飽和磁感應密度(Bs＝1.25T)。因此對於相同的體積，納米晶合金磁芯比鐵氧體磁芯的電感大許多，且不易飽和、損耗小、發熱低、溫度穩定性好，因而能夠保持較好的抑制性能。
當電網中或儀器設備產生一個高的浪湧電流時，非線性變阻器11瞬間導通，其電阻變得很小，對高出變阻器標稱電壓值部分的電壓進行釋放，電壓被箝位在變阻器的標稱電壓值，在浪湧產生前和浪湧過後，變阻器的電阻表現為非常大，相當於開路。由於第一電容器12上的電壓不能瞬時變化，第一電容器12就為當時的大電流提供了一個通路，然後第一電容器12開始充電，變阻器11重新轉變為高阻抗，第一電容器12將能量轉入電感器13、14和電阻器21。箝位電壓保持為非線性變阻器11的標稱電壓值。
由於納米晶合金環形磁芯22非常容易被磁化並且能在寬的磁通量滲透範圍內保持磁化，各種尖峰、瞬變幹擾噪聲進入第一電容器12的電能就在磁芯中以磁能的形式被保存，該能量通過第一電阻器21被處理，各種尖峰瞬變和幹擾噪聲的能量被網絡收集和吸收。而且由第一電容器12、第一電感器13、第一電阻器21組成的低通濾波器對1MHz以下的幹擾具有衰減作用。因此本實用新型的實施例克服了國內普遍使用的電源線濾波器對浪湧波的抑制能力差，對1MHz頻率以下的頻段濾波效果差的缺點。
由於第一電感器13與第二電感器14同匝數反向繞制在在納米晶合金磁環22上，這種繞制方式使得第一、第二電感器13、14對於差模幹擾電流和主電流所產生的磁通是相互抵消的，因此即使在大負載電流的情況下也不會引起磁芯的飽和，而對共模幹擾電流，第一、第二電感器13、14產生的磁場是同方向的，可以反映為較大的電感值，為共模電感，以便獲得更大的共模濾波效果。因此共模噪聲電流經過串聯在相線L上的第一電感器13時，線圈上所產生的磁力線方向同共模噪聲電流經過串聯在零線N上的第二電感器14時，較大的共模電感對共模噪聲起到衰減作用，同時共模噪聲又經過跨接在相線L與地之間的第三電容器17和跨接在零線N與地之間的第四電容器18進行第二級濾波衰減，以達到整體上的衰減和抑制共模噪聲的目的。
本實用新型的電源波形矯正濾波器還可包括一起指示作用的指示燈電路，該指示燈電路由第五電容器23、發光二極體24、第二電阻器25串聯而成，其還可進一步消除電網中殘餘的差模幹擾。
圖7是本實用新型電源波形矯正濾波器串聯接入電網的一個應用實施例的原理圖。如圖7所示，本實用新型的電源波形矯正濾波器串聯接在網電源100和儀器設備200之間，其濾波特性曲線如圖8所示，在頻率為10kHz時，衰減達到10dB，在頻率未達到1MHz時，衰減已超過55dB，因此圖7所示的串聯接法克服了目前國內普遍使用的電源線濾波器無法抑制10kHz-1MHz頻段幹擾的缺點，且在高於1MHz的高頻段同樣具有很好的衰減效果，可用於儀器設備對電網中共模、差模、浪湧和尖峰瞬變有要求的場合。
圖9是本實用新型電源波形矯正濾波器並聯接入電網的一個應用的原理圖。如圖9所示，本實用新型的電源波形矯正濾波器並聯接在網電源100和儀器設備200之間，其濾波特性曲線如圖10所示，本實用新型電源波形矯正濾波器的並聯接法在10KHz-1MHz頻段具有與中國申請號為02142011.4的專利申請的波形矯正濾波器相近的衰減作用。本實用新型的這一應用用於儀器設備僅對電網中100kHz附近的幹擾噪聲或差模噪聲幹擾、浪湧、尖峰瞬變有要求的場合。
本實用新型的電源波形矯正濾波器的上述應用同時克服了目前國內普遍使用的電源線濾波器對浪湧波的抑制能力差，對1MHz頻率以下的頻段濾波效果差和中國申請號為02142011.4的專利申請的波形矯正濾波器不能消除中高頻段的噪聲，特別是由共模幹擾引起的噪聲的缺點。同時兩種接法使得應用更加靈活方便，可廣泛用於電子設備系統的輸入端中，防止用電設備產生的汙染進入到電網，又能防止電網中浪湧、尖峰瞬變，特別是高頻諧波、高頻噪聲等汙染進入到設備，提高了電網質量，保證了儀器設備的正常運行，節約了能源。
權利要求1.一種電源波形矯正濾波器，包括並聯的非線性電阻器和第一電容器，同匝數反向繞制在同一磁芯上的第一、第二電感器，第二電容器以及相串聯的第三、第四電容器；所述第一、第二電感器兩輸入端分別接在所述第一電容器兩端，所述第二電容器跨接在所述第一、第二電感器兩輸出端之間，所述第三、第四電容器串聯的兩端同樣跨接在所述第一、第二電感器輸出端之間，與所述第二電容器並聯，所述第三、第四電容器串聯的共同連接點接地，其特徵在於還包括接在所述第一電感器輸出端和第二電感器輸入端之間的第一電阻器。
2.如權利要求1所述的電源波形矯正濾波器，其特徵在於，所述磁芯是納米晶合金環形磁芯。
3.如權利要求1所述的電源波形矯正濾波器，其特徵在於，還包括一指示燈電路，所述的指示燈電路並聯在第三、第四電容器串聯的兩端。
4.如權利要求3所述的電源波形矯正濾波器，其特徵在於，所述指示燈電路包括相互串聯的第五電容器、發光二極體和第二電阻器。
專利摘要本實用新型公開了一種電源波形矯正濾波器，包括並聯的非線性電阻器和第一電容器，同匝數線圈反向繞制在同一磁芯上的第一、第二電感器，第二電容器以及相串聯的第三、第四電容器；第一、第二電感器兩輸入端分別接在第一電容器兩端，第二電容器跨接在該第一、第二電感器兩輸出端之間，第三、第四電容器串聯的兩端同樣跨接在第一、第二電感器輸出端之間，與第二電容器並聯，該第三、第四電容器串聯的連接點接地，還包括接在第一電感器輸出端和第二電感器輸入端之間的第一電阻器，且所述磁芯採用納米晶合金環形磁芯。可對用電設備產生的高頻率諧波和高頻噪聲有抑制作用，防止用電設備產生的汙染進入到電網中，同時防止電網汙染進入到用電設備。
文檔編號H02J3/01GK2838124SQ200520044940
公開日2006年11月15日 申請日期2005年9月12日 優先權日2005年9月12日
發明者何序新, 章關明, 徐益民, 餘子健, 顧從潤 申請人:上海浩順科技有限公司, 上海儀器儀表研究所