三相交流电路的简介

1891年世界上第一台三相交流发电机在德国劳芬发电厂投运，并建成了第一条从劳芬到法兰克福的三相交流输电线路。由于三相电路输送电力比单相电路经济，三相交流电机的运行性能和效率也远较单相交流电机为优，因此世界上电力系统和动力用电都几乎无例外地采用三相制。

三相电路瞬时无功功率理论

《数字电路实验与课程设计》实验教学大纲

2004版

课程名称及性质：数字电路实验与课程设计 必修课

英文名称： Digital Circuit Experiment and Course Design

课程编号：050223

课程类别：技术、专业基础

课程总学时：32

实验学时：32

开设学期：5、6

面向专业：电子信息科学与技术

第一部分：实验

一、实验目的和任务

本课程目的是使学生掌握数字电路的基础理论，培养学生设计组合、时序及模数/数模转换电路和设计综合应用电路的能力，并能够在查阅器件手册的基础上，熟悉各类数字电路元件的特点及应用。使学生初步具有数字电路设计、制作、调试能力，并具有数字系统设计的思想。

二、实验教学的基本要求

学生应掌握数制的概念和转换方法，掌握组合逻辑电路的基本特点与设计方法，掌握时序逻辑电路、脉冲波型产生电路、模数/数模转换电路的基本特点与设计方法以及典型时序逻辑电路的工作原理与分析方法，会使用多种常用的器件手册，了解查找数字电路器件的常用途径，了解常用数字电路器件的分类，了解各类数字电路器件的物理特性，了解器件接口技术，并在此基础上，逐步熟悉常用数字电路器件的特性及应用，掌握数字电路的制作及调试，熟悉常用仪器的使用方法。 能够正确识别常用数字电路器件，能绘制电路原理图，掌握数字电路的布线规则、掌握电路的调试与故障的分析和排除。

三、实验项目基本情况

（16学时）

序

号

实验项目名称

内容提要

实验

学时

实验

类型

实验地点

1

组合逻辑电路设计与调试

门电路、编码、译码等逻辑电路设计与调试

4

设计

31#375

2

触发时序电路设计与调试

触发器、计数器、移位寄存器应用电路与调试

6

设计

31#375

3

脉冲波形产生电路设计与调试

555时基电路及其应用设计与调试

3

设计

31#375

4

模数/数模转换电路设计与调试

D/A 、A/D转换器 应用设计与调试

3

设计

31#375

四、考核方式

平时实验表现占该门实验课最终成绩的70%，实验报告成绩占该门实验课最终成绩的30％。

平时实验主要考察学生对实验电路的设计难易程度、电路连接调试、问题解决的能力，是否能够达到设计要求；

实验报告主要考察学生对实验涉及的理论知识的掌握，对实验得到的结论和现象是否能够正确理解和分析，并能够合理的解释实验中出现的问题，正确判断实验的成功、失败。

五、实验教材或实验指导书

《数字电路实验与课程设计》 孟宇 主编

第二部分：课程设计

一、课程设计的性质和目的

本课程不仅要求学生获得电子技术方面的理论知识以及掌握理论设计方法，还要培养学生理论联系实际的能力。本课程的课程设计环节，就是通过学生自己设计、搭建和调试电路，使学生对所学的理论知识有更深一步的理解，同时提高学生分析问题和解决问题的能力。

二、课程设计的基本要求

1．掌握常用中、小规模集成电路芯片（如：逻辑门电路、译码器、数据选择器、计数器、寄存器等）的使用方法。

2．掌握逻辑电路的基本设计步骤（包括组合逻辑电路部分与时序逻辑电路部分），以及整体电路的实现方法。

3．具有一定的分析、寻找和排除电路常见故障的能力。

4．能正确使用常用电子仪器、仪表（如：万用表、示波器、时序信号发生器等）。

5．独立写出具有理论分析及设计方案论证的、并通过搭建电路调试验证其设计是正确的课程设计报告。

三、设计课题及内容和要求（16学时）

1．设计并实现一个数字频率计

本课题要求设计并实现一个数字频率计，设计参数自选，用于测量信号的频率，并用十进制数字显示。

2．设计并实现自主实验课题

该课题要求利用所学数字电路知识，实现自拟课题设计功能并调试成功，设计难度与1设计题目相当。

以上题目任选一个。

三、课程设计时间安排

实验前3周拟定、修改设计报告，第4周开题报告，第5周实验。

四、课程设计报告书写规范

完成设计任务后，在课程设计的最后阶段，需要总结全部设计工作，写出完整、规范的设计报告，在指定的时间内提交指导教师。课程设计报告要求有完整的格式，具体如下：

论文分三部分——前置部分、主体部分和后置部分。

(一)前置部分：这一部分包括题目、作者（单位）、摘要、关键词。

题目要恰当、准确地反映论文的内容。

作者单位要写全校、院（系）名称及班级学号。

摘要是论文内容的概括与简述，应包括研究课题的创新思想和创新成果及其理论价值和现实意义。

关键词要准确、精练。

(二)主体部分：这一部分包括引言、正文、结论，是论文的正式部分。

引言作为论文的第一段，要简单说明选题的背景和意义、准备解决的问题及主要工作内容等。

正文是论文的主要部分，应包括课题的总体方案设计、方案论证及实现、数据分析处理、实验效果及理论分析等。

结论作为论文的最后一段，是对课题研究最终的、总体的评价。结论中应明确本课题研究的创新点及创新成果、技术关键及技术难点、社会经济价值及研究方向的前景等。结论应该准确、完整、精练。

说明：论文的主体部分可以设标题（具体格式见附例）。文章的第一段就是引言，最后一段就是结论，中间各段就是正文。不必再加“引言”、“正文”、 “结论”等小标题。

(三)后置部分：

1、参考文献

参考文献作为论文的附录，附在论文的后面。参考文献是指在课题研究和论文撰写过程中对你有所启示和帮助的文献资料，包括著作、论文和网页。参考文献的列写格式如下：

[1]作者.著作名.出版地：出版社.出版年月

[2]作者.论文名.期刊或杂志名.期号

[3]网页（网址）

……

以上[1]、[2]为文献序号，其中[1]为著作的列写格式，[2]为论文的列写格式。

2、心得体会：

内容中可以对本综合训练如何开展和进行提出自己的意见和建议。

(四)要求：

①个人独立撰写，每人一份，

②字数：主体部分不少于3000字，摘要150—200字，关键词3—6个。

③版面安排：按A4纸排版。页边距为：上、下各25mm,左35mm，右30mm；

段间距及字间距：标准；行间距：单倍行距；页码：底部居中；作者（单位）占一行，其前、后各空一行（小四号）；主体部分与前置部分、后置部分之间各空一行；不做封面，不设页眉、页脚及页边框。

④字号选择：（见附例）。

五、成绩评定

课程设计的考核结果按优秀、良好、中等、及格和不及格来评价。

对设计任务理解透彻，能够全面、正确、独立地完成设计内容所规定的任务，得出设计结果，并按时提交准确、完整、规范的设计报告，可评为优秀；按照设计任务要求能够顺利地完成任务，得出结果，按时提交较完整的、符合要求的设计报告，可评定为良好；按照设计要求完成了硬件线路的连接，基本完成了任务要求，提交符合要求的设计报告，可评为中等；基本完成设计目标，但不够完善，可能有若干小的缺陷，在帮助下能够完成任务要求，提交设计报告，可评为及格；不能完成指定的要求和任务，未提交设计报告的，评为不及格。

六、参考资料

1．“数字电路实验与课程设计实验指导书” 孟宇编

2．“电子技术基础”（数字版） 康华光编

1.电力谐波在高压中压低压都会产生（跟电压等级无关，只是跟处理方法有关）

2.有源滤波器与无源滤波器的区别：有源滤波器是指用晶体管或运放构成的包含放大和反馈的滤波器, 无源滤波器是指用电阻/电感/电容等无源元件构成的滤波器. 在小信号下都有 EMC 问题, 当然有源滤波器要考虑供电电源的 EMC 问题, 而无源的就没有电源问题了.

3.无功、有功与谐波的关系：相互制约相互依存

4.有源滤波器能检测什么样的电力谐波：

有源电力滤波器是一种新型的电力电子装置,可以对电力系统中的谐波进行补偿。和传统的谐波补偿方法相比,有源滤波器具有巨大的技术优势和良好的发展前景。由于有源滤波器具有实时性和准确性的工作特点,如果再结合信号处理和控制技术等学科的优点,就可在实现对有源电力滤波器功能优化的同时,提高有源电力滤波器的性能。瞬时无功功率理论在电力有源器中获得了成功的应用。但是由于瞬时无功功率理论需要两次坐标变换,会使控制系统的计算量非常之大,会出现计算延时,并不能实现真正意义上的瞬时控制。本文主要研究了谐波实时快速检测问题。 1.提出了一类基于重采样和均值滤波的谐波检测法。本文首先从瞬时无功功率理论入手,分别讨论了应用于三相和单相电路的瞬时无功功率理论,分析了瞬时无功功率理论的本质,提出了基于重采样和均值滤波的谐波检测法。该滤波器为一具有线性相位的有限冲激响应(FIR)数字滤波器,可以使得应用于三相电路的控制系统在三分之一个周期处就跟随电网的变化,单相电路的控制系统在一个周期处就跟随电网的变化;重采样理论将被测量信号频谱分成有效信号频谱和无效信号频谱,提出了有效信号频谱不允许混叠,无效信号频谱允许混叠的采样频率确定新方法。

5.FIR.IIR模拟滤波器能检测什么样的电力谐波？如何检测？

0 引言

近年来，有源滤波器已成为电力系统研究领域中的热点。在各种电力有源滤波器中，基波或谐波检测是一个重要的环节。目前研究最为广泛的基波或者谐波检测方案，是基于瞬时无功功率理沦的谐波检测方法，这种方法要用到低通或高通滤波器，滤波器阶数越高，检测精度越高，动态过程就越长，即存在检测精度和检测实时性的矛盾。而传统的离散傅立叶变换由于固有的一个周期延迟。并且计算量大，被认为不能实时补偿电力系统谐波。

基于数字带通滤波器的谐波检测是一种很好的瞬时谐波检测方法，可以准确有效地从负载电流中分离出基波分量。本文通过分析和实验证明了这种方法的可行性，并且讨论了带通滤波器的设计方法。

1 模拟和数字带通滤波器的比较

模拟带通滤波器一般是用电路元件(如电阻、电容、电感)来构成我们所需要的频率特性电路。模拟带通滤波器的原理是通过对电容、电阻和电感参数的配置，使得模拟滤波器对基波呈现很小的阻抗，而对谐波呈现很大的阻抗，这样当负载电流信号通过该模拟带通滤波器的时候就可以把基波信号提取出来。目前，有些有源滤波器利用模拟电路实现带通滤波器检测负载电流的基波分量，并且在实际中得到了应用。

但是，模拟带通滤波器也有一些自身的缺点。这是由于模拟滤波器的中心频率对电路元件(如电容，电阻，电感)的参数十分敏感，较难设计出合适的参数，而且电路元件的参数会随外界环境的干扰发生变化，这会导致中心频率的偏移，影响滤波结果的准确性。

数字带通滤波器就是用软件来实现上面的滤波过程，可以很好地克服模拟滤波器的缺点，数字带通滤波器的参数一旦确定，就不会发生变化，只要电网的波动频率在我们设计的范围之内，就可以比较好地提取出基波分量。

2 基于带通滤波器的谐波检测原理

以二阶带通滤波器为例，二阶带通滤波器传递函数的典型表达式为

式中：ωo=2πfo，是中心角频率，fo是中心频率；Q是品质因数。

当ω=ωo时，H(iωo)=1。这说明带通滤波器在中心角频率ωo处的幅值尤衰减，相位无延时，这是带通滤波器的重要特性。这一特性保证了基于带通滤波器的谐波检测方法的准确性。

在有源滤波器里我们选择带通滤波器的中心频率fo为50Hz，则带通滤波器对基波幅疽无衰减，相位无延时，其它次谐波均被滤除，这就能实时地检测出基波。负载电流ia、ib、ic通过带通滤波器得到三相的基波电流ia1、ib1、ic1，用负载电流减去基波电流即可得到三相的谐波电流iah、ibh、ich。据此，谐波电流检测原理如图1所示。这种检测方法不需要坐标变换，只需要对三相电流分别进行带通滤波，大大减少了计算量。

3 数字带通滤波器的设计与实现

数字滤波器根据其类型可以分为IIR型和FIR型。PIR型只有零点，不容易像IIR型那样取得比较好的通带与阻带特性．所以，在一般的设计中选用IIR型。IlR型又可以分成Butterworth型滤波器，Chebyshev I型滤波器，Chcbyshev Ⅱ型滤波器和椭圆型滤波器等。MATLAB工具箱里面的数字滤波器设计工具FDATool可以帮助大家方便地选择和设计所需要的数字滤波器。

数字带通滤波器的主要参数包括阶数、滤波器类型、两个截止频率等。高阶滤波器的阻带衰减特性很好，但是，阶数高了之后难以实现。而对于有源滤波器来说，基波和主要谐波的频率相隔比较大，所以对阻带衰减率的要求不是很高，选用2阶滤波器就可以满足条件；又因为Buttermorth滤波器在通带内特性较平，而且实现起来比较简单，经综合考虑后，选用2阶Butterworth带通滤波器。

滤波器截止频率的选取和品质因数Q密切相关。Q越大，对谐波衰减越快，经带通滤波器提取出的基波分量越精确；但是，Q越大，带宽越小，动态响应速度会越慢，还会使数字滤波器的参数相差倍数过大，将增高对字长的要求。带通滤波器的通带宽度BW=ωo／(2πQ)=fo／Qofo是系统的中心频率。这里我们Q取在5左右，使得带宽大概在10Hz左右。选取两个截止频率分别为45Hz和55.6Hz。这里要注意的是。由于带通滤波器的幅频特性的不对称性，中心频率并不是两个截止频率的平均值。两个截止频率的选取标准是保证50Hz中心频率的相移为O并且幅值没有衰减。根据上面的标准设计出滤波器传递函数为

滤波器的幅频和相频特性如图2及图3所示。

带通滤波器的实现就是在DSP芯片中实现式(2)的传递函数，为了便于程序实现，将式(2)改成差分方程的形式，如式(3)所示。

y(n)=0.003319x(n)-0.003319x(n-2)+1.9924y(n-1)-O.9934y(n-2) (3)

用DSP实现上面的差分方程主要是用3个存储器单元来保存x(n)，x(n-1)，x(n-2)的值，3个存储单元存储y(n)，y(n-1)，y(n-2)的值，在每一次中断程序中根据式(3)更新这6个存储单元的数值，最后输出的y(n)就是滤波之后的基波数值。如果采用其他形式的滤波器所需要的中间存储单元的数目可能是不一样的，要根据差分方程里面x(n)和y(n)的项数来确定。

如果带通滤波器程序是在定点DSP实现的话，还要注意滤波器系数的小数点位置选择。数字滤波器系数对滤波器性能影响非常大，一旦滤波器参数相差哪怕是很小一点，滤波器的输出就可能和正确数值相差很远，有时候还可能会使得系统不稳定，所以，应该尽量把系数放大之后冉计箅。这里我们根据3个系数(0.003319，1.9924，O.9934)和DSP(16位定点)的特点，把所有的系数都放大214倍，滤波运算结束之后再缩小214倍，使汁算的结果尽量准确。在滤波器实现中要根据滤波器系数来选择适当的放大倍数，原则就是尽量用满处理器的位数(这里就是16位)，这一点非常重要。

4 系统仿真和试验结果

实验系统为三相并联型有源滤波器。检测部分的框图如图4所示，其中虚线部分是直流侧电压控制部分。系统的原理是：首先，负载电流通过带通滤波器之后得到基波电流ia1、ib1、ic1；然后，叠加上维持直流侧电压所需要的有功电流△iap、△ibp、△icp，再从总的负载电流中减去这部分电流，得到的就是三相指令电流值；最后，对指令电流值进行PI调节控制逆变器的输出，将谐波电流反相注入电网，使得电网的电流基本为正弦波。

系统仿真采用MATLAB里面的Simulink模块，仿真的结果如图5所示。从图5可以看出，补偿之后的电网电流比补偿以前的电流波形大大改善。

实验样机容量设计为6kW，输入电压为三相380V，负载为三相不控整流桥．控制部分以TI公司的TMS320LF2407 DSP为核心，负责谐波电流计算和PWM输出控制。

程序主要部分是在AD采样中断里面完成的，在AO中断程序里，首先根据三相的电压和电流采样数值，利用式(3)计算出滤波以后的电流，再汁算出指令电流值，最后通过PI调节之后送给PWM发生电路，控制逆变器的输出。

图6是程序的中间计算结果，图中1为DSP采样的电网电压，2为DSP采样的负载电流，3是负载电流通过带通滤波器得到的基波分量，从图6中可以看出，带通滤波器可以很好地分离出负载电流的基波分量。

图7为系统的实验波形，其中图7(a)为有源滤波器投入前的电网电压和电流波形，图7(b)是有源滤波器投入后的电网电压和电流波形，从图7(b)可以看出，基于带通滤波器的有源滤波器能起到很好的谐波抑制作用。

5 结语

本文提出了一种基于带通滤波器的谐波检测方法，并通过仿真和实验验证了这种方法在并联型有源滤波器中应用的可行性。得到的主要结论如下：

1)利用带通滤波器可以比较好地检测出负载电流中的基波分量；

2)由于滤波器负载电流一般没有偶次谐波，如果是三相对称系统也没有3次以及3的倍数次谐波，所以，只要带通滤波器的中心频率是50Hz，带宽对系统的影响不是很大，但是，带通滤波器的相频特性对系统的影响比较大；

3)试验证明基于带通滤波器的并联型有源滤波器可以有效抑制电网的谐波电流，但是，这种方法的缺点是它不能同时补偿无功功率。

参考资料：