單相有源功率校正電路

1、實驗五：單相有源功率校正電路（一）實驗?zāi)康?.掌握單相有源功率校正電路的工作原理，要求輸出電壓達到給定值，且網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)為1； 2.掌握電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計方法。 （二）實驗原理有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction APFC)電路，是指在傳統(tǒng)的不控整流中融入有源器件，使得交流側(cè)電流在一定程度上正弦化，從而減小裝置的非線性、改善功率因數(shù)的一種高頻整流電路。基本的單相APFC電路在單相橋式不可控整流器和負載電阻之間增加一個DC-DC功率變換電路，通常采用Boost電路。通過適當(dāng)?shù)目刂艬oost電路中開關(guān)管的通斷，將整流器的輸入電流校正成為與

2、電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，消除諧波和無功電流，將電網(wǎng)功率因數(shù)提高到近似為1。其電路原理圖如圖1所示。假定開關(guān)頻率足夠高，保證電感L的電流連續(xù);輸出電容C足夠大，輸出電壓uo可認為是恒定直流電壓。電網(wǎng)電壓ui為理想正弦，即ui= Umsint，則不可控整流橋的輸出電壓ud為正弦半波，ud= ui= Umsint。圖1.APFC電路原理圖當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時，ud對電感充電，電感電流iL增加，電容C向負載放電;當(dāng)Q關(guān)斷、二極管D導(dǎo)通時，電感兩端電壓uL反向，ud和uL對電容充電，電感電流iL減小。電感電流滿足下式。通過控制Q的通斷，即調(diào)節(jié)占空比D，可以控制電感電流iL。若能控制iL近似為正弦半波電流，且

3、與ud同相位，則整流橋交流側(cè)電流ii也近似為正弦電流，且與電網(wǎng)電壓ui同相位，即可達到功率因數(shù)校正的目的。為此需要引入閉環(huán)控制。控制器必須實現(xiàn)以下兩個要求:一是實現(xiàn)輸出直流電壓uo的調(diào)節(jié)，使其達到給定值;二是保證網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且功率因數(shù)為1。即在穩(wěn)定輸出電壓uo的情況下，使電感電流iL與ud波形相同。采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的單相APFC雙閉環(huán)控制原理如圖2所示。電壓外環(huán)的任務(wù)是得到可以實現(xiàn)控制目標的電感電流指令值iL*。給定輸出電壓uo*減去測量到的實際輸出電壓uo的差值，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出電感電流的幅值指令I(lǐng)L*測量到的整流橋出口電壓ud除以其幅值Um后，可以得到表示ud波形的量ud

4、9;, ud'為幅值為1的正弦半波，相位與ud相同。IL*與ud'相乘，便可以得到電感電流的指令值iL*。iL*為與ud'同相位的正弦半波電流，其幅值可控制直流電壓uo的大小。圖2.APFC控制框圖電流內(nèi)環(huán)的任務(wù)是通過控制開關(guān)管Q的通斷，使實際的電感電流氣跟蹤其指令值iL*。此處采用滯環(huán)電流控制方法。根據(jù)電感電流的公式，當(dāng)Q導(dǎo)通時電感電流增大，而當(dāng)Q關(guān)斷時電感電流減小。令iL*減去iL，若差值iL大于規(guī)定的上限iL max，則令Q導(dǎo)通，以增大iL;若差值iL小于規(guī)定的下限iL min (iL min <0)，則令Q關(guān)斷，以減小iL。通過滯環(huán)控制，可以保證實際的電感

5、電流iL在其指令值iL*附近波動，波動的大小與滯環(huán)寬度有關(guān)，即與設(shè)定的iL max和iL min有關(guān)。（三）實驗內(nèi)容1.在MATLAB/Simulink中構(gòu)建單相有源功率校正電路； 2.測量輸入、輸出電壓波形，輸入電流波形，并進行諧波分析。 （四）實驗過程與結(jié)果分析1仿真系統(tǒng)MATLAB平臺2仿真參數(shù)直流電壓指令為400V的constant模塊。輸入電壓有效值為220V ,頻率5OHz；輸出直流電壓指令uo*為400V；電感L=6mH；電容C=320uF；負載電阻R=160；在二極管整流橋中，Rs=1e5，Cs=le-6F， Ron=le-3，Lon=O，Vf=O；開關(guān)管Q采用MOSFET，R

6、on=0.OO1，Lon=0，Rd=0.01，Vf=O, Ic=0, Rs=1e5，Cs=inf；Boost電路中二極管參數(shù)，Ron=0.001，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=5OO，Cs=250e-9F。滯環(huán)比較器與PID模塊的參數(shù)設(shè)置，如圖3所示。圖3.滯環(huán)比較器與PID模塊的參數(shù)設(shè)置3仿真波形與分析采用Boost電路的單相有源功率因數(shù)校正電路的仿真模型，如圖4所示。 圖4. APFC仿真模型利用powergui將仿真設(shè)置為離散模型，Ts=1e-6。起始結(jié)束時間為00.5s。其他為默認參數(shù)。直流電壓波形如圖5所示。平均值為402V，如圖6所示，基本滿足控制器實現(xiàn)輸出直流電壓調(diào)

7、節(jié)的要求。對波形進行FFT分析，如圖7所示，可知電壓波動周期為0.01s，基本為工頻的兩倍。圖5.直流電壓波形圖6.直流電壓平均值圖7. FFT分析設(shè)置對話框及結(jié)果輸出iL與ud的波形、ii與ui的波形分別如圖8、圖9所示。圖8.iL與ud的波形圖9.ii與ui的波形從圖8可以看出電壓電流基本同相位，即功率因數(shù)基本為1。也可以通過觀察fourier模塊的相角，來判斷電壓電流是否同相位，如圖9（左圖）所示。交流側(cè)電流THD及基波功率，如圖9（右圖）所示。圖5.9 電壓電流相角、電流THD及基波功率 ii的THD=0.1252，P=1061W，Q=-23.29Var。有公式得，= 11+THD2= 11+0.12522=0.9923DPF= c