第32卷第1期 2010年01月 武 漢 工 程 大 學(xué) 學(xué) 報 J Wuhan Inst Tech Vol 32 No 1 Jan 2010 收稿日期 2009207213 作者簡介 崔士杰 19802 男 安徽六安人 助教 碩士 研究方向 電力電子與電源技術(shù) 文章編號 167422869 2010 0120090203 基于MA TLAB的單相全控整流電路功率因數(shù)測定 崔士杰 汪建華 武漢工程大學(xué)等離子體化學(xué)與新材料重點實驗室 湖北 武漢430074 摘 要 介紹了單相全控整流電路移相控制方法的實現(xiàn) 并詳細地講解了功率因數(shù)的測量原理 同時給出了利 用MATLAB的Simulink工具實現(xiàn)單相全控整流電路的功率因數(shù)測定的具體方法和仿真模型 最后給出了在 不同移相控制角下所得到的功率因數(shù)測量結(jié)果 關(guān)鍵詞 單相整流 功率因數(shù) MATLAB 測量方法 中圖分類號 TM932 文獻標(biāo)識碼 A doi 10 3969 j issn 167422869 2010 01 026 0 引 言 眾所周知 單相全控整流電路 也稱作相控整 流電路 中由于存在非線性元件 如可控硅 IGBT 等 使得流過非線性元件的電流波形不是正弦 波 若把這種電流波形進行傅立葉分解 即可得到 幅值和相位各不相同的基波和一系列諧波 1 由 于基波電流和電源電壓的相位之間存在相位差 所以相控整流電路在不同的移相角下就對應(yīng)不同 的功率因數(shù) 由于眾多教科書中都沒有介紹相控 整流電路功率因數(shù)的計算公式 而且在實際工業(yè) 生產(chǎn)中所使用的功率因數(shù)測量儀的價格不菲 如 果能通過計算機仿真的方法測得某一電路的功率 因數(shù) 即便它與實際的功率因數(shù)略有差異 也會 給設(shè)計 分析和改進電路的工作帶來好處 所以要 設(shè)法 借 助 某 種 軟 工 具 來 進 行 測 定 利 用 MATLAB的Simulink工具箱就可以方便地解決 這個問題 1 功率因數(shù)的測量原理 1 1 功率因數(shù)的定義 為了表征交流電源的利用率 在電工學(xué)中引 入了功率因數(shù) 這個術(shù)語 定義為有功功率 P 與視在功率 S 的比值 即 P S 設(shè) u t 為瞬時 輸入電壓 i t 為瞬時輸入電流 T為輸入電壓的 周期 U I分別為輸入電壓和電流的有效值 則有 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 輸入電壓為正弦波而輸入電流為非正弦 波時的功率因數(shù)定義 由整流電路的工作原理可知 整流輸入電壓 波形為標(biāo)準正弦波 僅存在基波分量 而輸入電流 為周期性的非正弦波 除包含基波分量外 還包含 許多高次諧波分量 2 此時的P UI1cos 帶人式 3 有 P S UI1cos UI I1 I cos cos 4 式 4 中 I1為基波電流有效值 I為總電流有效 值 稱為諧波因數(shù) cos 叫做相位因數(shù) 為電壓 基波與電流基波的相位差 因此 這種情況下的功 率因數(shù)就等于諧波因數(shù)與相位因數(shù)的乘積 即 cos 設(shè)瞬時電流為i t 將其展開成傅立葉級數(shù)得 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為諧波次數(shù) 對于第n次電流諧波 其 電流的有效值In與輸入總電流的有效值I分別 為 In 1 2 a2n b2n I I21 I22 I2n 第1期崔士杰 等 基于MATLAB的單相全控整流電路功率因數(shù)的測定91 定義總的諧波畸變率 為 I2 I21 I2 100 故上述式 4 變成 I1 1 cos cos 1 2 5 由此可見 單相全控整流電路的功率因數(shù)不 僅與基波電壓 電流之間相位差的余弦有關(guān) 還與 輸入 電 流 波 形 的 畸 變 程 度 有 關(guān) 系 3 利 用 MATLAB中的電力系統(tǒng)仿真工具箱的傅立葉分 析 諧波畸變測量 三角函數(shù)等模塊 就可以仿真 得出電路的功率因數(shù) 2 仿真模型的搭建及仿真結(jié)果 單相全控整流電路的功率因數(shù)測定的電路仿 真模型如圖1所示 整個模型由單相全控整流電路 觸發(fā)脈沖 子系統(tǒng) 測量子系統(tǒng)等組成 其中的trigger module為觸發(fā)脈沖子系統(tǒng) harmonic analysis 為 測量子系統(tǒng) V T1 V T2 V T3 V T4組成 整流 電 路 為 觸 發(fā) 角 給 定 輸 入 模 塊 Fun 模塊負責(zé)將開通角轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的弧度 負載取純電阻負載 圖1 功率因數(shù)測定的電路仿真模型 Fig 1 Emulational module for the use of measurement of power factor 2 1 Trigger module模塊的組成 Trigger module模塊的仿真子模型的搭建如 圖2所示 圖2 Trigger module模塊的仿真模型 Fig 2 Emulational module of trigger module 觸發(fā)電路由同步 鋸齒波形成 移相控制等環(huán) 節(jié)組成 Relay 是滯環(huán)控制模塊 具有施密特觸 發(fā)器特性 4 用來模擬帶滯環(huán)特性的繼電器特性 Rate Limiter 是斜坡函數(shù) 用于限制輸入信號的 上升和下降的變化率 In1端子輸入的是觸發(fā)脈沖 的同步信號 同步電壓經(jīng)Relay環(huán)節(jié)產(chǎn)生與同步電 壓正半周等寬的方波 5 該方波經(jīng)Rate Limter環(huán) 節(jié)產(chǎn)生鋸齒波 鋸齒波再與由輸入端子In2送來的 移相控制電壓疊加調(diào)節(jié)鋸齒波的過零點 6 再經(jīng) Relay環(huán)節(jié)產(chǎn)生前沿可調(diào) 后沿固定的晶閘管觸發(fā) 脈沖 綜上所述 利用這個模塊就可以實現(xiàn)移相觸 發(fā)控制 2 2 分析模塊的組成 依據(jù)式 5 可得 分析模塊仿真模型如圖3 所示 圖3 分析仿真模型 Fig 3 Emulational module as to analysis of power factor 該模型中包含兩個重要模塊 離散傅立葉分 析模塊 Fourier 和畸變因素分析模塊 Total Harmonic 其中 兩個Fourier模塊用來給出整流 器輸 入 電 壓 和 輸 入 基 波 電 流 的 相 位 Total Harmonic模塊可以測量出輸入電流的總諧波畸 變率 此模型還包含加法器模塊 adder 放大器模 塊 Gain 三 角 函 數(shù) 模 塊 Trigonometric Function 數(shù)學(xué)表達式模塊 Fun 取乘積模塊 Product 和信號終止端 Terminator 等 參 數(shù) 設(shè) 置 7 把 兩 個Fourier模 塊 的 Fundamental Frequency 設(shè)為50 Harmonicn 設(shè) 為 1 取 基 波 TotalHarmonic模 塊 的 Fundamental Frequency 設(shè)為50 其他參數(shù)保持 默認即可 2 3 仿真結(jié)果與結(jié)論 圖4分別給出了移相觸發(fā)角為30 60 90 120 時的整流器交流輸入端功率因數(shù)的仿真結(jié)果 圖中縱坐標(biāo)是功率因數(shù)的瞬時值 橫坐標(biāo)是時間 從圖中可以看出 隨著移相觸發(fā)角的增加 整流可 控硅在一個周期內(nèi)導(dǎo)電的時間就會越來越小 從 而導(dǎo)致整流器的輸入電流波形畸變率越來越大 因此功率因數(shù)也是隨之減小的 這與電力電子學(xué) 的理論是完全吻合的 92 武漢工程大學(xué)學(xué)報第32卷 圖4 不同移相觸發(fā)角 對應(yīng)的功率因數(shù) Fig 4 Power factors according to different phase2 shifting angles 3 結(jié) 語 事實上 以上介紹了一種軟件仿真測量電路 功率因數(shù)的方法 并給出了MATLAB仿真模型 即文章中介紹的 分析模塊 因此 該方法具有很 強的通用性 還可以對三相全控橋式整流器 單 相 三相交流調(diào)壓器等電路進行 測定 但前提是 必須保證他們的輸入電壓波形是標(biāo)準的正弦波 不然就不能用此方法進行 測定 參考文獻 1 王吉校 錢希森 王永民 基于MATLAB仿真的功率 因數(shù)測定方法研究 J 技術(shù)研究 2006 12 342 37 2 楊帆 姜燕 基于LLC的大功率智能充電器研究 J 武漢工程大學(xué)學(xué)報 2009 31 5 80283 3 王兆安 黃俊 電力電子技術(shù) M 北京 機械工業(yè) 出版社 2000 4 李維波 MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用 M 北 京 中國電力出版社 2006 5 洪乃剛 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB 仿真 M 北京 機械工業(yè)出版社 2006 6 楊帆 劉暢 基于D2S證據(jù)理論的多傳感器目標(biāo)識別 應(yīng)用 J 武漢工程大學(xué)學(xué)報 2009 31 1 73275 7 熊俊俏 郝毫毫 劉增華 精密位移測控系統(tǒng)的設(shè)計 J 武漢工程大學(xué)學(xué)報 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 本文編輯 陳小平

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總結(jié)

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