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基于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

2009年11月23日 10:36 次阅读

基于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

0 引 言

  大量电力电子装置和非线性负载的广泛应用,使得电力系统电压及电流波形发生畸变,产生了大量的谐波,导致电源输入功率因数降低,对电网环境造成严重的污染,使用电设备所处环境恶化,也对周围的通信系统和公共电网以外的设备带来危害。为了改善电网环境,必须了解产生谐波污染的原因,并对谐波进行有效的抑制,进行功率因数校正。为了提高供电线路功率因数,保护用电设备,世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准,以限制谐波电流含量。如:IEC555-2,IEC61000-3-2,EN60555-2等标准,规定允许产生的最大谐波电流。我国于1994年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准(GB/T14549-93)。因此,功率因数校正(PFC)技术便成为电力电子研究的热点。

  1 谐波的抑制与功率因数校正方法

  解决电力电子装置和其他谐波源的污染问题主要有两种方法:一是采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波;二是对电力电子装置本身进行改造,使其补偿所产生的谐波,采用功率校正电路,使其具有功率因数校正功能。

  功率因数校正(PFC)技术主要为无源PFC和有源APFC。无源PFC是采用无源元件来改善功率因数,减小电流谐波的,方法简单但电路庞大笨重,有些场合无法适用,且功率因数一般能达到0.90。有源APFC是将一个变换器串入整流滤波电路与DC/DC变换器之间,通过特殊的控制,强迫输人电流跟随输入电压,使得输入电流波形接近于正弦波,并且与输入电压同相位,提高功率因数,使其达到功率因数为1的目标。反馈输出电压使之稳定,从而使DC/DC变换器的输入事先预稳,该方法设计易优化,性能进一步提高,因此应用广泛。

  2 传统功率因数校正电路的结构及其缺点

  基于PFC的拓扑电路的研究现在已经非常成熟,而且得到了十分广泛的应用,使用得最多的是升压斩波(Boost)和降压斩波(Buck)电路。传统的单相功率因数校正电路的结构如图1所示。

传统的单相功率因数校正电路的结构

  其中,Boost拓扑电路由于结构简单和成本低廉而最为流行,电路中交流电源通过专用整流桥转换成直流,后经过Boost PFC电路输出,该方法具有较好的控制效果,在中小功率电源中应用较为广泛。但其也存在一些缺点:

(1)任何时刻都有三个半导体器件导通,随着功率的提高,整流桥上消耗的功率也会随之增加,从而提高了电源的发热损失,降低了电源效率;
(2)该Boost电路有很高的开关频率,增大了电路的开关损耗;
(3)直流侧的二极管降低了直流电压,增加了电路功耗和不稳定性。
应用这里所提出的交流斩波功率因数校正电路,可以解决传统校正电路中存在的以上问题。

  3 交流斩波功率因数校正器的基本电路和工作原理

  3.1 Boost型交流斩波功率因数校正电路

  Boost型交流斩波功率因数校正电路的基本结构如图2所示。

Boost型交流斩波功率因数校正电路的基本结构

  Q为双向开关管。当开关管导通时,输入电流通过电感和开关管,电感储能,同时直流侧滤波电容给负载供电;当开关管断开时,输入电流经过电感和整流二极管到达负载端,电感储能和交流电源同时给负载和电容供电。
可以看出,与传统的功率因数校正电路相比较,具有以下优点:当开关管导通时,主回路电流不经过整流桥的二极管,减小了功率损耗;传统电路中的快速恢复二极管VD在交流斩波功率因数校正电路中也不存在了,减小了功率损耗,提高了系统的工作可靠性。

  该电路相当于两个Boost电路的并联,在克服传统Boost PFC电路缺点的同时,保留了升压电路的优点。该方法的优点在于:

(1)增强了传统PFC电路的谐波抑制和功率因数校正能力,可实现单位功率因数;
(2)交流侧的电感增强了电路的电磁兼容性;
(3)降低了电路的传导损失,任何时刻都只有两个半导体器件导通;
(4)通过开关管M1和M2的额定电流较小。

  3.2 Buck型交流斩波功率因数校正电路

  图3所示的为Buck功率因数校正电路的基本结构,Q为双向开关管。当开关管断开时,输入电流通过电感、电容和开关管,电容C1储能。

Buck功率因数校正电路的基本结构

  当开关管导通时,此时输入电流经过整流二极管到达负载端,电容储能和交流电源同时给负载和电容供电。可以看出,Buck型交流斩波功率因数校正电路中,当开关管断开,主回路电流不经过整流桥的二极管,可达到减小功率损耗的目的。

  4 仿真分析

  Simulink软件是Matlab软件包的扩展,专门用于动态系统的仿真,具有很强的动态系统仿真能力,仿真速度较快,特别是基于simuIink Power System工具箱进行功率因数校正电路的仿真,有两个优点:

  (1)基于器件模型,可以仿真器件参数变化对系统的影响;
(2)仿真模型复杂。精度较高。可以将计算机仿真技术运用到PFC装置的分析和设计中。

 以Boost型为例,对文中所提出的交流斩波功率因数校正电路进行仿真分析。功率因数校正电路采用输入电流断续工作模式的峰值电流控制,仿真参数:uin=311sin ωt,L=0.7 mH,输出功率P=500 W,uout=300 V。按图4模型建模,仿真波形如图5、图6所示。其中,图5为输入电压、电流的波形,图6为输出电压的波形。

仿真分析

  从图5可以看出,输入电压和输入电流进入稳态后,输入电压和输入电流相位几乎一致,输入电流也几乎是正弦波。整个仿真时间段内的功率因数约为0.997。从图6可看出,输出电压随着仿真时间的进行,逐渐趋于稳定状态,输出电压在300 V上下波动,符合电路设计要求。

  5 结 语

  这里讨论了应用较为成熟的单相Boost PFC电路的不足,介绍一种新型单相交流斩波功率因数校正电路,分析了其工作原理,并给出了仿真波形。结果表明,输人电流具有很高的品质因数,基本为标准的正弦波形,与输入电压相位相近,实现了高功率因数。与传统的电路相比,能减少系统的功耗,提高系统工作的可靠性,而取得相同的控制效果。仿真结果验证了方案的可行性。方案中的交流斩波电路除了采用Boost型和Buck型外,也可采用其他的功率变换电路。

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一个函数是一组在一起执行任务的语句。 在MATLAB中,函数在单独的文件中定义。文件的名称和函数的名...

发表于 2017-11-01 15:09 666次阅读
matlab多返回值函数怎么设定

如何在matlab去除直流分量

MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及...

发表于 2017-11-01 14:52 1311次阅读
如何在matlab去除直流分量

matlab画图如何坐标轴刻度

Matlab画图完成后,只能是由Matlab自身给出的xy进行绘制图形,下面介绍如何修改自动生成的图...

发表于 2017-11-01 14:19 360次阅读
matlab画图如何坐标轴刻度

matlab小波分析工具箱使用教程

小波工具箱包含了图像化的工具和命令行函数,它可以实现如下功能: l 测试、探索小波和小波包的特性 l...

发表于 2017-11-01 11:47 435次阅读
matlab小波分析工具箱使用教程

matlab小波分析去噪详解

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计...

发表于 2017-11-01 11:26 942次阅读
matlab小波分析去噪详解

华为工程师喜欢采用MATLAB开发产品的7大理由

今天华为的成功离不开3大基础软件系统的支撑,一是全球团队项目协作沟通邮件系统LOTUS,二是产品全生...

发表于 2017-06-01 18:06 2205次阅读
华为工程师喜欢采用MATLAB开发产品的7大理由

System generator如何与MATLA...

system generator是xilinx公司的系统级建模工具,它是扩展mathworks公司的...

发表于 2017-02-11 19:21 1003次阅读
System generator如何与MATLA...

通过文件读写方式实现Matlab和Modelsi...

虽然Modelsim的功能非常强大,仿真的波形可以以多种形式进行显示,但是当涉及到数字信号处理的算法...

发表于 2017-02-11 09:49 282次阅读
通过文件读写方式实现Matlab和Modelsi...

MathWorks发布包含MATLAB和Simu...

MathWorks今日宣布,于今日推出了Release 2016b(R2016b),其中增加了新的功...

发表于 2016-09-19 18:00 2982次阅读
MathWorks发布包含MATLAB和Simu...

MATLAB 简化了控制系统的设计和分析

MathWorks设计自动化部门的总监Paul Barnard说道:“Control System ...

发表于 2016-06-29 13:51 456次阅读
MATLAB 简化了控制系统的设计和分析

MATLAB 增强对数字辅助 RF MIMO 系...

  中国北京 – 2016 年 5 月 24 日 – MathWorks今日宣布,增强了用于支持数字...

发表于 2016-05-25 11:27 230次阅读
MATLAB 增强对数字辅助 RF MIMO 系...

清华大学向全校师生及科研人员提供 MATLAB ...

中国北京 – 2016 年 4 月 7 日 – MathWorks今日宣布,已经与清华大学签署协议,...

发表于 2016-04-07 17:38 1442次阅读
清华大学向全校师生及科研人员提供 MATLAB ...

MathWorks 发布包含 MATLAB 和 ...

中国北京 – 2016 年 3 月 22 日 – MathWorks今日宣布,推出了 Release...

发表于 2016-03-22 09:26 5895次阅读
MathWorks 发布包含 MATLAB 和 ...

如何使用MATLAB这把“利器”开发机器人

从工业机器人到扫地机器人,从实验室机器人到各种创新玩具机器人,机器人逐渐走进了大众的视野,进入了普通...

发表于 2016-01-21 10:29 13149次阅读
如何使用MATLAB这把“利器”开发机器人

MathWorks 推出基于MATLAB的WLA...

MathWorks今日宣布,推出WLAN System Toolbox,为设计、仿真、分析和测试无线...

发表于 2015-10-21 09:24 706次阅读
MathWorks 推出基于MATLAB的WLA...

MathWorks推出 MATLAB 的重要新版...

 中国北京 – 2014 年10月9日 – MathWorks今日宣布,推出MATLAB的重要新版本...

发表于 2014-10-09 15:44 3258次阅读
MathWorks推出 MATLAB 的重要新版...

一种matlab调用signaltap采集数据的...

一种matlab调用signaltap采集数据的方法

发表于 2014-06-26 11:39 941次阅读
一种matlab调用signaltap采集数据的...

工程师的浪漫,用Matlab表达我对你的爱

在好多人的眼里,我们理科生是无聊,是木讷,是不善于交往,尤其是在跟女孩子相处过程中,总被埋怨不解风情...

发表于 2014-05-19 10:17 14255次阅读
工程师的浪漫,用Matlab表达我对你的爱