基于MATLAB的单相全控整流电路功率因数测定.pdf

第32卷第1期 2010年01月 武 汉 工 程 大 学 学 报 J Wuhan Inst Tech Vol 32 No 1 Jan 2010 收稿日期 2009207213 作者简介 崔士杰 19802 男 安徽六安人 助教 硕士 研究方向 电力电子与电源技术 文章编号 167422869 2010 0120090203 基于MA TLAB单相全控整流电路功率因数测定 崔士杰 汪建华 武汉工程大学等离子体化学与新材料重点实验室 湖北 武汉430074 摘 要 介绍了单相全控整流电路移相控制方法的实现 并详细说明了测量功率因数的原理 同时，了利 用MATLAB的Simulink实现单相全控整流电路功率因数测定的具体方法和模拟模型 最后给出了在 不同移相控制角下获得的功率因数测量结果 关键词 单相整流 功率因数 MATLAB 测量方法 中图分类号 TM932 文献标识码 A doi 10 3969 j issn 167422869 2010 01 026 0 引 言 众所周知 单相全控整流电路 又称相控整 流电路 非线性元件存在 如可控硅 IGBT 等 流过非线性元件的电流波形不是正弦 波 傅立叶分解这种电流波形 即可得到 振幅值和相位不同的基波和一系列谐波 1 由 基波电流和电源电压之间存在相位差 因此，相控整流电路对应于不同的移相角 的功率因数 因为很多教科书都没有介绍相控 计算整流电路功率因数的公式 而在实际工业中 生产中使用的功率因数测量仪价格昂贵 如 通过计算机功率可以通过计算机仿真来测量 因数 即使它与实际功率因数略有不同 也会 给设计 分析和改进电路的好处 所以要 设法 借 助 某 种 软 工 具 来 进 行 测 定 利 用 MATLAB的Simulink工具箱很容易解决 这个问题 1 测量功率因数的原理 1 1 定义功率因数 为了表示交流电源的利用率 在电工学中引 进入功率因数 这个术语 定义为有功功率 P 与视在功率 S 的比值 即 P S 设 u t 为瞬时 输入电压 i t 瞬时输入电流 T输入电压 周期 U I输入电压和电流的有效值 则有 P 1 T T 0u t i t dt 1 S UI 2 P S 1 T T 0u t i t dt UI 3 1 2 输入电压为正弦波，输入电流为非正弦 定义波时的功率因数 从整流电路的工作原理可以看出 整流输入电压 波形为标准正弦波 只有基波分量 而输入电流 周期性非正弦波 除基波分量外 还包含 许多高次谐波分量 2 此时的P UI1cos 带人式 3 有 P S UI1cos UI I1 I cos cos 4 式 4 中 I一是基波电流的有效值 I对总电流有效 值 称为谐波因数 cos 称为相位因数 为电压 基波与电流基波的相位差 因此 在这种情况下工作 率因数就等于谐波因数与相位因数的乘积 即 cos 设置瞬时电流为i t 将其展开成傅立叶级 到 i t n 1 ansin n t n 1 bncos n t 式中 an 1 2 0 i t sin n t d t bn 1 2 0 i t cos n t d t 其中 n为谐波次数 第n次电流谐波 其 电流的有效值In分别为输入总电流的有效值I 为 In 1 2 a2n b2n I I21 I22 I2n 第1期崔士杰 等 基于MATLAB单相全控整流电路功率因数测定91 总谐波畸变率的定义 为 I2 I21 I2 100 故上述式 4 变成 I1 1 cos cos 1 2 5 由此可见 单相全控整流电路的功率因数不是 只有基波电压 电流相位差的余弦与 还与 输入 电 流 波 形 的 畸 变 程 度 有 关 系 3 利 用 MATLAB傅立叶在电力系统模拟工具箱中的分裂 析 谐波畸变测量 三角函数等模块 就可以仿真 获取电路的功率因数 2 模拟模型的构建和模拟结果 测定单相全控整流电路的功率因数 如图1所示 整个模型由单相全控制 触发脉冲 子系统 测量子系统等 其中的trigger module触发脉冲子系统 harmonic analysis 为 测量子系统 V T1 V T2 V T3 V T4组成 整流 电 路 为 触 发 角 给 定 输 入 模 块 Fun 模块负责将开通角转换为对应的弧度 负载取纯电阻负载 图1 电路功率因数的电路模拟模型 Fig 1 Emulational module for the use of measurement of power factor 2 1 Trigger module模块的组成 Trigger module模块仿真子模型的构建，如 图2所示 图2 Trigger module模块模拟模型 Fig 2 Emulational module of trigger module 触发电路由同步 锯齿波形成 移相控制等环 节组成 Relay 是滞环控制模块 有施密特触 发器特性 4 用于模拟带滞环特性的继电器特性 Rate Limiter 是斜坡函数 限制信号输入 上升和下降的变化率 In1端子输入触发脉冲 的同步信号 同步电压经Relay链接产生与同步电 压正半周等宽的方波 5 该方波经Rate Limter环 节产生锯齿波 锯齿波和输入端子In2送来的 移相控制电压叠加调节锯齿波的过零点 6 再经 Relay前沿可调环节产生 固定固定晶闸管触发 脉冲 综上所述 该模块可用于移相触 发控制 2 2 分析模块的组成 依据式 5 可得 模块仿真模型分析如图3所示 所示 图3 模拟模型的分析 Fig 3 Emulational module as to analysis of power factor 该模块包含两个重要模块 傅立叶分离散 析模块 Fourier 和畸变因素分析模块 Total Harmonic 其中 两个Fourier模块用于整流 器输 入 电 压 和 输 入 基 波 电 流 的 相 位 Total Harmonic该模块可以测量输入电流的总谐波畸形 变率 该模型还包括加法器模块 adder 放大器模 块 Gain 三 角 函 数 模 块 Trigonometric Function 数学表达模块 Fun 取乘积模块 Product 和信号终端 Terminator 等 参 数 设 置 7 把 两 个Fourier模 块 的 Fundamental Frequency 设为50 Harmonicn 设 为 1 取 基 波 TotalHarmonic模 块 的 Fundamental Frequency 设为50 保持其它参数 默认即可 2 3 模拟结果和结论 图4分别给出了30个移相触发角 60 90 120 整流器交流输入端功率因数的模拟结果 图中纵坐标是功率因数的瞬时值 时间是横坐标 从图中可以看出 随着移相触发角的增加 整流可 硅的导电时间在一个周期内会越来越小 从 导致整流器输入电流波形畸变率增加 因此，功率因数也随之减少 这与电力电子学有关 理论完全一致 92 武汉工程大学第32卷 图4 触发角不同移相 对应的功率因数 Fig 4 Power factors according to different phase2 shifting angles 3 结 语 事实上 以上介绍了一种软件仿真测量电路 功率因数的方法 并给出了MATLAB仿真模型 也就是文章中介绍的 分析模块 因此 这种方法有很多 强的通用性 三相全控桥式整流器也可以 单 相 三相交流调压器等电路 测定 但前提是 输入电压波形必须是标准的正弦波 否则就不能用这种方法了 测定 参考文献 1 王吉校 钱希森 王永民 基于MATLAB仿真的功率 研究因数测定方法 J 技术研究 2006 12 342 37 2 杨帆 姜燕 基于LLC大功率智能充电器研究 J 武汉工程大学学报 2009 31 5 80283 3 王兆安 黄俊 电力电子技术 M 北京 机械工业 出版社 2000 4 李维波 MATLAB应用于电气工程 M 北 京 中国电力出版社 2006 5 洪乃刚 电力电子和电力拖动控制系统MATLAB 仿真 M 北京 机械工业出版社 2006 6 杨帆 刘畅 基于D2S多传感器目标识别证据理论 应用 J 武汉工程大学学报 2009 31 1 73275 7 熊俊俏 郝毫毫 刘增华 精密位移测控系统的设计 J 武汉工程大学学报 2009 31 9 59261 Measurement based on MATLAB of power factor of fully controlled single2phase commutation CUI Shi2jie WANG J ian2hua Key Laboratory of Plasma Chemistry power factor MATLAB measuring methods 本文编辑 陈小平

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