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基于Matlab的高頻開關(guān)電源功率因數(shù)測(cè)量電路研究

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1451次  |  2020年05月14日  

0引言


高頻開關(guān)電源的功率因數(shù)是非常重要的一個(gè)參數(shù),直接決定著產(chǎn)品是否符合通用的諧波標(biāo)準(zhǔn),衡量著產(chǎn)品的優(yōu)劣。為了減小諧波、提高功率因數(shù),高頻開關(guān)電源普遍采用了功率因數(shù)校正電路來改善電流波形。為了在設(shè)計(jì)階段就了解高頻開關(guān)電源的功率因數(shù)值,方便進(jìn)行功率因數(shù)校正電路參數(shù)的優(yōu)化,就要進(jìn)行功率因數(shù)的測(cè)量。本文基于Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)并給出了兩種功率因數(shù)測(cè)量的電路,用這兩種電路對(duì)RC正弦電路進(jìn)行了功率因數(shù)仿真測(cè)量和計(jì)算驗(yàn)證;并把這兩種仿真測(cè)量電路應(yīng)用于三相大功率恒流充電電源的功率因數(shù)仿真測(cè)量中,最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。


1功率因數(shù)的含義功率因數(shù)用于衡量輸入有功功率與輸入視在功率中的比例,用公式表示為:功率因數(shù)越高,輸入有功功率所占的比重越大;當(dāng)功率因數(shù)為l時(shí),輸入的功率全部被作為有功功率吸收。


在正弦系統(tǒng)中,p全部是基波分量所做的有功,S也全部是基波分量的視在功率。但是在非正弦系統(tǒng)中,p和S都不是基波分量,而是所有電壓、電流的直流分量和各次諧波分量所做的功,功率因數(shù)的含義式可以表示如式(1):


其中,Uk、Ik分別為第k次諧波電壓電流的有效值。


當(dāng)輸入側(cè)無損耗時(shí)(即輸入電壓波形不失真),則式(1)可以簡(jiǎn)化成式(2):


2功率因數(shù)仿真測(cè)量的兩種方法


根據(jù)式(1),可以設(shè)計(jì)出第一種功率因數(shù)測(cè)量電路。如圖l所示。其中,u和i相電壓和相電流。


在圖2中,用了三套圖1所示測(cè)量模型,構(gòu)成三相系統(tǒng)功率因數(shù)仿真模型,并使得p=pA+pB+pC,S=UA·IA+UB·IB+UC·IC代入計(jì)算,最終得到功率因數(shù)值。


根據(jù)式(2),可以設(shè)計(jì)出第二種功率因數(shù)測(cè)量電路,如圖3所示。其中,u和i相電壓和相電流。


其中,f(μ)=1/sqrt(μ*μ+1),K=pi/180。這種方法是先求取THD值,再通過f(μ)計(jì)算出基波系數(shù)μ,然后再提取輸入電壓電流的角度來計(jì)算位移系數(shù)λ,最后再把μ與λ目乘,得到pF。


在圖4中,用了三套圖3所示測(cè)量模型,構(gòu)成三相系統(tǒng)功率因數(shù)仿真模型,分別求得輸出值再進(jìn)行平均,最終可以得到功率因數(shù)值。


3計(jì)算驗(yàn)證


為了驗(yàn)證這兩種測(cè)量電路的正確性,將這兩種測(cè)量電路用于測(cè)量RC正弦電路的功率因數(shù)。如圖5所示。


圖5中電源頻率為220V/50Hz,R=5.1kΩ,C=lμF。這時(shí)可以算得等效阻抗為:


在線性電路中,基波系數(shù)μ為l,所以功率因數(shù)pF為0.848。


將測(cè)量電路用于圖5電路功率因數(shù)的測(cè)量,可以分別得到如圖6和圖7所示功率因數(shù)。其中圖6為第一種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù);圖7為第二種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t軸)。


從圖6和圖7可以看到:采用兩種測(cè)量電路測(cè)得的功率因數(shù)都分別為0.848。測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。


4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


以未進(jìn)行功率因數(shù)校正的42kJ/S數(shù)字式高頻高壓恒流充電電源為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,采用這兩種仿真測(cè)量方法得到的功率因數(shù)如圖8、9所示。其中圖8為第一種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù);圖9為第二種測(cè)量方法測(cè)得的功率因數(shù)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t軸):


采用IDEAL6l一806電能分析儀實(shí)測(cè)的功率因數(shù)值如表1所示。波形如圖10所示:


由此可見,在三相大功率電源系統(tǒng)中,仿真測(cè)得的功率因數(shù)與采用電能分析儀實(shí)際測(cè)量的功率因數(shù)值與仿真測(cè)量穩(wěn)定后(方框內(nèi)顯示)的數(shù)值誤差很小,其誤差重要由實(shí)際電路中存在的線路電感及其分布參數(shù)出現(xiàn)。


5結(jié)束語


從計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果可以看到:除去系統(tǒng)剛開始仿真時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)外,這兩種功率仿真測(cè)量電路的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果相符合。由此可以確定這兩種測(cè)量電路的可靠性。這兩種測(cè)量電路可以用來測(cè)量基于Matlab仿真中單相或三相系統(tǒng)的功率因數(shù),其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確率高。


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