[科普中国]-无源滤波器

无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。1

优点无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，仍是被广泛应用谐波治理方法。

分类LC滤波器的特性应能满足规定的技术指标要求。这些技术要求通常是频率域的工作衰减，或是相移，或是二者兼有；有时则提出时间域的时间响应要求。无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。同时按根据设计方法的不同，可分为影像参数滤波器和工作参数滤波器。

调谐滤波器

调谐滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器，可以滤除某一次(单调谐)或两次(双调谐)谐波，该谐波的频率称为调谐滤波器的谐振频率。

高通滤波器

高通滤波器也称为减幅滤波器，主要包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c型滤波器，用来大幅衰减低于某一频率的谐波，该频率称为高通滤波器的截止频率。

影像参数滤波器

以影像参数理论为基础设计实现的滤波器。这种滤波器是由若干个基本节（或半节）按联接处影像阻抗相等的原则级联组成的。基本节按电路结构分有定k型和m导出型。以LC低通滤波器为例，定k型低通基本节的阻带衰减随频率增加而单调增大；m导出型低通基本节则在阻带中某频率处有衰减峰，衰减峰的位置由m导出节中的m值控制。各低通基本节级联后构成的低通滤波器，固有衰减等于各基本节的固有衰减之和，当滤波器两端终接的电源内阻抗和负载阻抗分别等于其两端的影像阻抗时，该滤波器的工作衰减和相移就分别等于其固有衰减和相移。图1（a）所示的滤波器是由一个定k节和两个m导出节级联组成，Zπ和Zπm为影像阻抗。图1（b）为其衰减频率特性。阻带内两个衰减峰/f∞1和f∞2的位置分别由两个m导出节的m值决定。

同理，高通、带通和带阻滤波器也可用相应的基本节组成。

滤波器的影像阻抗不可能与纯电阻性的电源内阻以及负载阻抗在整个频带都相等（在阻带内相差更大），固有衰减与工作衰减在通带内有较大的差异。为了确保技术指标的实现，通常是在设计中预留足够的固有衰减裕度和增大通带宽度来弥补。

工作参数滤波器

这种滤波器不是由基本节级联组成和，而是用可以由R、L、C以及互感元件物理实现的网络函数去精确逼近滤波器的技术指标，然后由求得的网络函数实现相应的滤波器电路。根据不同的逼近准则，可以得出不同的网络函数，从而实现不同类型的滤波器。图2（a）是用最平幅度逼近（勃脱华兹逼近）实现的低通滤波器的特性；通带在零频附近最为平坦，趋向阻带时衰减单调增大。图2（c）是用等波纹逼近（切比雪夫逼近）实现的低通滤波器的特性；在通带内衰减在零和上限值之间做等幅起伏，在阻带内衰减单调增大。图2（e）是用椭圆函数逼近实现低通滤波器的特性，衰减在通带和阻带内都呈现等伏变化。图2（g）是用实现的低通滤波器的特性；在通带内衰减做等幅起伏，在阻带内衰减按指标要求的起落而做相应的起伏。图2（b）、（d）、（f）、（h）分别是这些低通滤波器相应的电路。

高通、带通、带阻滤波器通常利用频率变换的方法由低通导出。

工作参数滤波器是由综合法精确地按技术指标要求设计出来的，能得出性能优良和经济的滤波器电路，

LC滤波器的制作比较容易，价格较低，能应用的频带宽，广泛应用于通信、仪表等领域中；同时也常用作许多其它类型滤波器的设计原型。2

发展历程3.1、1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。

3.2、20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。

3.3、自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展；

3.4、到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。

3.5、80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。

3.6、90年代，主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。

当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。

行业现状我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。

经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。

区别无源滤波器和有源滤波器，存在以下的区别：

工作原理无源滤波器由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道；而有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出。3

谐波处理无源滤波器只能滤除某频率范围内的谐波；但完全可以解决系统中的谐波问题，解决企业用电过程中的实际问题，且可以达到国家电力部门的标准；有源滤波器可动态滤除特定次数的谐波。

阻抗影响无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险；而有源滤波不受影响。

频率影响无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响。

负载影响无源滤波器可能因为超载而损坏；有源滤波器无损坏之危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。

负载变化对谐波补偿效果的影响。

无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化；有源滤波器不受负载变化影响。

设备造价无源滤波器较低；有源滤波器太高。

应用对比1.有源滤波容量单套不超过100KVA，无源滤波则无此限制。

2.有源滤波在提供滤波时，不能或很少提供无功功率补偿，因为要占容量；而无源滤波则同时提供无功功率补偿。

3.有源滤波最高适用电网电压不超过450V，而低压无源滤波最高适用电网电压可达3000V。

4.无源滤波由于其价格优势、且不受硬件限制，广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、电铁、新能源等行业；有源滤波器因无法解决的硬件问题，在大容量场合无法使用，适用于电信、医院等用电功率较小且谐波频率较高的单位，优于无源滤波。

发展情况由于无源滤波的具有大容量低价位的优点，钢铁行业的滤波都采用无源滤波，国内滤波市场（电力谐波治理市场）上主要以无源滤波为主。国际上以ABB、施耐德、西门子为代表，国内以Satons、温州清华电子、山大华天、哈工大、西安赛博、绿波杰能为代表。发展形势以快速反映，谐波治理彻底，综合控制为主。4

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学