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        濾波器的廣泛應用

        來源:本站整理 | 點擊: | 錄入時間:2020-4-18

        濾波是信號處理中的一項基本而重要的技術。利用濾波技術可以從各種信號中提取出所要的信號,濾除不需要的干擾信號。濾波器是信號的頻域分析中的一個重要元器件。

        濾波器種類繁多,各種濾波器具有不同的性能特點,因此在濾波器選擇時,通常需要綜合考慮客戶的實際使用環境以及客戶性能需求才能做出正確、有效、可靠的選擇。

        濾波器分為模擬濾波器和數字濾波器,模擬濾波器用來處理模擬信號或連續的信號,數字濾波器用來處理離散的數字信號。

        模擬濾波器可廣泛應用于工業、商業和機關團體的配電網中,如:電力系統、電解電鍍企業、水處理設備、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場/港口的供電系統、醫療機構等。

        通信行業

        為了滿足大規模數據中心機房的運行需要,通信配電系統中的UPS使用容量在大幅上升。據調查,通信低壓配電系統主要的諧波源設備為UPS、開關電源、變頻空調等。其產生的諧波含量都較高,且這些諧波源設備的位移功率因數極高。通過使用有源濾波器可以提高通信系統及配電系統的穩定性,延長通信設備及電力設備的使用壽命,并且使配電系統更符合諧波環境的設計規范。

        半導體行業

        大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重,主要是由于企業中使用了大量的單相整流設備。3次諧波屬于零序諧波,具備在中性線匯集的特點,導致中性線壓力過大,甚至出現打火現象,存在著極大的生產安全隱患。諧波還會造成斷路器跳閘,耽誤生產時間。3次諧波在變壓器內形成環流,加速了變壓器的老化。嚴重的諧波污染必然對配電系統中的設備使用效率和壽命造成影響。

        石化行業

        由于生產的需要,石化行業中存在著大量泵類負載,并且不少泵類負載都配有變頻器。變頻器的大量應用使石化行業配電系統中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環節都是應用6脈沖將交流轉化為直流,因此產生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現為對電力設備的危害及在計量方面的偏差。使用有源濾波器可以很好地解決這方面的問題。

        化纖行業

        為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質量,以及延長爐齡、節省能源,在化纖行業常用到電助熔加熱設備,借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些設備會產生大量的諧波,且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。

        鋼鐵/中頻加熱行業

        鋼鐵業中常用到的中頻爐、軋機、電弧爐等設備都會對電網的電能質量產生重大的影響,使電容補償柜過載保護動作頻繁、變壓器和供電線路發熱嚴重、熔斷器頻繁熔斷等,甚至引起電壓跌落、閃變。

        醫院系統

        醫院對供電的連續性和可靠性有非常嚴格的要求,0類場所自動恢復供電時間T≤15S,1類場所自動恢復供電時間0.5S≤T≤15S, 2類場所自動恢復供電時間T≤0.5S,電壓總諧波畸變率THDu≤3%,X光機、CT機、核磁共振都是諧波含量極高的負載。

         

        在近代電信設備和各類控制系統中,數字濾波器應用也極為廣泛,這里列舉部分應用最成功的領域。

        語音處理

        語音處理是最早應用數字濾波器的領域之一,也是最早推動數字信號處理理論發展的領域之一。該領域主要包括5個方面的內容:

        第一,語音信號分析。即對語音信號的波形特征、統計特性、模型參數等進行分析計算;

        第二,語音合成。即利用專用數字硬件或在通用計算機上運行軟件來產生語音;

        第四,語音增強。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語音信號。

        第五,語音編碼。主要用于語音數據壓縮,目前已經建立了一系列語音編碼的國際標準,大量用于通信和音頻處理。

        圖像處理

        數字濾波技術以成功地應用于靜止圖像和活動圖像的恢復和增強、數據壓縮、去噪音和干擾、圖像識別以及層析X射線攝影,還成功地應用于雷達、聲納、超聲波和紅外信號的可見圖像成像。

        在現代通信技術領域內,幾乎沒有一個分支不受到數字濾波技術的影響。信源編碼、信道編碼、調制、多路復用、數據壓縮以及自適應信道均衡等,都廣泛地采用數字濾波器,特別是在數字通信、網絡通信、圖像通信、多媒體通信等應用中,離開了數字濾波器,幾乎是寸步難行。其中,被認為是通信技術未來發展方向的軟件無線電技術,更是以數字濾波技術為基礎。

        電視、雷達

        數字電視取代模擬電視已是必然趨勢。高清晰度電視的普及指日可待,與之配套的視頻光盤技術已形成具有巨大市場的產業;可視電話和會議電視產品不斷更新換代。

        視頻壓縮和音頻壓縮技術所取得的成就和標準化工作,促成了電視領域產業的蓬勃發展,而數字濾波器及其相關技術是視頻壓縮和音頻壓縮技術的重要基礎。

        雷達信號占有的頻帶非常寬,數據傳輸速率也非常高,因而壓縮數據量和降低數據傳輸速率是雷達信號數字處理面臨的首要問題。告訴數字器件的出現促進了雷達信號處理技術的進步。

        在現代雷達系統中,數字信號處理部分是不可缺少的,因為從信號的產生、濾波、加工到目標參數的估計和目標成像顯示都離不開數字濾波技術。雷達信號的數字濾波器是當今十分活躍的研究領域之一。聲納信號處理分為兩大類,即有源聲納信號處理和無源聲納信號處理,有源聲納系統涉及的許多理論和技術與雷達系統相同。

        音樂

        數字濾波器為音樂領域開辟了一個新局面,在對音樂信號進行編輯、合成、以及在音樂中加入交混回響、合聲等特殊效果特殊方面,數字濾波技術都顯示出了強大的威力。數字濾波器還可用于作曲、錄音和播放,或對舊錄音帶的音質進行恢復等。

        有源電力濾波器在機場的應用

        電力系統諧波產生的根本原因是一些具有非線性伏安特性的輸配電和用電設備。當電流流經非線性負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成了非正弦波電流,從而產生諧波。諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行,給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。

        飛機作為一種便捷的交通方式給人們日常交通生活帶來了多樣化的選擇,隨之機場也在逐年擴建。但在機場的低壓配電系統中,存在著大量的諧波源,如機場助航燈、直流電機、電爐、軋機、電焊機等,這些諧波源具有電流畸變大、諧波頻譜范圍廣、無功需求變化快等特點。這類負載產生的諧波,危及配電系統的正常運行,甚至引發嚴重的電氣事故。其中以機場助航燈光系統為例,助航燈光負載設備不斷增加,機場燈光站大量使用可控硅調光設備,導致產生大量的諧波電流,對電能質量造成污染,同時附加電流和額外的熱效應對各類電氣設備和電纜線路安全也造成一定危害。因此,對機場助航燈光站電力諧波問題進行分析與治理極為重要。

        目前電力系統諧波治理主要存在兩大主流方式:無源濾波技術和有源濾波技術。機場燈光站采用的大功率電力半導體調光設備,會產生大量高次諧波(主要是3 倍次諧波以外的所有奇次諧波),而無源濾波器對每次諧波都要單獨設計單諧振濾波器,設計參數要跟系統阻抗有關(計算系統阻抗很繁瑣,并且系統逐年擴建,系統阻抗也會變化);無源濾波不能對諧波完全消除,反而存在著放大諧振的危險;電容的老化也會使原來設計諧振點偏移而達不到濾除目標諧波的目的;無源濾波系統適合負荷單一、穩定的場合。

        與無源濾波器相比,有源濾波系統具有高度可控性和快速響應性(≤1ms),能補償各次諧波,可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點;在性價比上較為合理;濾波特性不受系統阻抗的影響,可消除與系統阻抗發生諧振的危險;具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化著的諧波。

        其基本原理是從諧波源(被補償對象)負載回路中檢測出諧波電流,由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而相位相反的補償電流波形,用以抵消諧波源負載所產生的諧波電流,從而使電網側電流只含有基波分量。

        FIR濾波器在音響系統中的應用

        通常情況下,我們使用IIR EQ是對音響系統或者某個通路的頻率響應曲線進行修正,這是我們使用這種均衡器的目的。事實上,大多數情況下,它可以幫我們實現這個目標。實際使用中PEQ和GEQ有一定區別,但不論哪種形式的EQ,只要它功能足夠強大,基本上可以達到與我們預期的目的。

        但不幸的是,IIR EQ在對系統或者通道的頻響曲線按我們個人的意志進行修正的同時,它也帶來了一個副產品--該音響系統或者通道的相位響應遭到了破壞。而且,大體的規律是:IIR EQ對頻響的改變幅度越大,則伴隨著其對對應系統或者通道相位響應的破壞越嚴重。

        當大多數應用還是基于3G服務時,只有少數頻段可以從FBAR技術獲益,隨著4G/LTE多頻段智能手機的普及,FBAR技術的特性優勢,例如低插入損耗、陡峭濾波曲線、高隔離性和極小化的尺寸等已經成為所有主要智能手機制造商快速導入這個技術的原因。

        目前采用FBAR技術的濾波器、雙工器以及多工器產品已經被導入美國、歐洲和亞洲等地區15個不同工作頻段的智能手機設計中,隨著新濾波挑戰的出現,FBAR技術將繼續成為提供解答的優先選擇,成為主流技術。

        濾波器的應用領域如此廣泛,以至于想完全列舉他們是根本不可能的,除了以上幾個領域外,還有很多其他的應用領域。例如,在軍事上被大量應用于導航、制導、電子對抗、戰場偵察;在電力系統中被應用于能源分布規劃和自動檢測;在環境保護中被應用于對空氣污染和噪聲干擾的自動監測,在經濟領域中被應用于股票市場預測和經濟效益分析等等。

         

         

         

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