基于Matlab的功率因数校正电路的仿真分析

  作者：王会涛等

    摘要：根据功率因数校正的原理和特点，建立了一种基于Matlab的功率因数校正电路的仿真模型，详细介绍了模型的建立过程并给出了具体的算法，最后对一种三相无源功率因数校正电路进行了参数的优化和仿真，并对建立的模型作了验证。仿真结果表明，运用Matlab中的SimPowerSystems模块对复杂的电路进行仿真分析和研究，不失为一种准确、直观有效的方法。

    关键词：功率因数；模型；仿真

Abstract: Based on the principle and characteristic of PFC, a simulator model is built based on Matlab about PFC. The process of the model-building is introduced in detail and the arithmetic is given. Finally, a three-phase passive PFC circuit is simulated and its parameters are optimized, the model is validated. Meanwhile, the simulation result shows that the SimPowerSystems model of Matlab is an accurate, intuitionistic and effective method on simulation analysis and research of complicated circuit.

Keywords: power-factor; model; simulation

 

0 引言

       Matlab是一种功能强大的数值计算软件，应用领域很广。在继Matlab5.3之后推出的电力系统工具箱（Power System Blocket）,它是在Simulink仿真软件的运行环境下的一个电路工具箱，操作简单易学，不需要自己编程，只需用鼠标拖出元器件来搭建自己需要的电路，仿真速度比Pspice快。。在仿真过程中，可以随时观察仿真结果，并对仿真结果进行处理，以及对电路参数进行分析和优化，达到事半功倍的效果。本文对Matlab在功率因数校正方面的电路进行建模和仿真分析。

1 功率因数校正的原理

      功率因数校正电路基本上是一个AC/DC变换器。其输出是不可调节的直流电压Vd，一个大电容Cd（1000uF）用来滤除低频纹波。电容和电阻作为电路的等效负载，电网仅在每个工频周期的一小部分时间里给负载提供能量。电流中包含丰富的高次谐波电流存在严重的畸变，功率因数校正实际上是对输入电流整形使其尽可能正弦化，同时改善电源系统的输入阻抗，使之尽量呈电阻性，达到基波电流与电压同相位。这就是功率因数校正的基本思路。

常用的功率因数校正控制方式采取双环控制，“外环”电压环和“内环”电流环。其中，电流控制环使输入电流接近正弦，电压控制环使电路输出电压稳定，其输出直流电压经分压后作反馈电压送至电压比较器UA与基准电压比较后，其输出作为乘法器的一个输入，乘法器的另一个输入来自整流后的输入电压。另外，从电感和整流器连接端得到取样电流送到CA的反相端，其输出直接加到PWM比较器A的同相端。其控制流程如图1所示。

      图1平均电流控制原理图

2 功率因数校正电路仿真模型的建立

      Matlab的仿真电路是以图形仿真软件Simulink为运行环境，在SimPowerSystems库中包括了电路、电力电子、电力传动及电力系统等电工方面常用的元器件。进入SimPowerSystems模块库中用鼠标直接拖动模块放置原理图窗口，然后对其进行参数的设置和原理图的绘制，操作极其简单，完全满足功率因数校正电路的要求。

2.1元器件的仿真模型

      在Elements库中，库中没有单独的电阻、电感和电容元件，而是电阻电容电感的串联和并联电路，绘制仿真电路图时，通过设置它们的具体参数来得到我们需要的纯电阻、电感和电容值以及允许的有功功率。如把电感和电容都设为0 ，电阻设为需要的值就得到纯电阻，也可以把电阻和电感设为需要的值，电容设为inf来得到一个感性负载。在Electrical elements元件库中，有各种功率开关模块（MOSFET、IGBT、GTO、DIODE等），通过双击其模块进行设置，如DIODE的参数有：电阻值、电感值、导通压降、初始电流、吸收电阻、吸收电容。根据设计需要设置相应的值。

2.2 主电路的仿真模型

      首先，在Electrical Sources 库中找到交流电源将其放置在原理图窗口中，然后双击模块进行参数设置，输入电压设为220，频率50Hz。画出一个三相功率电路的交流输入电路，为了与实际电路相符合，可以在输入电源间加入小的电阻或电感，然后在Electrical elements库中拖出DIODE搭成一个桥式整流电路（也可以直接使用整流桥模块），每个二极管两侧并上小的吸收电容，在输出侧拖出功率开关管、电感等搭建需要的电路。最后，绘制滤波电路和负载，这样就得到主电路的仿真模型。

图2 主电路的仿真模型

2.3测量电路的仿真模型

      在Measurements库中，有电压和电流测量模块，电压测量模块并联所测电压两端对其进行测量，电流测量模块串联所测电流支路对其电流进行测量。所测结果通过SCOPE进行观察或通过TO WORKPLACE 将数据送到工作空间进行保存。

2.4控制电路的仿真模型

      控制模型是由Simulink建成的。Simulink模块和SimPowerSystems模块是两类性质不同的模块，在同时使用两类模块的仿真模型时，必然会有两类模块信号的流动。因此，在组建仿真模型时，当SimPowerSystems模块的信号反馈给Simulink组成的控制系统时，应由电压或电流测量模块作中间接口，开关器件的脉冲输入端可直接接Simulink信号而不需要中间环节。根据前面的功率因数控制方法的原理，用鼠标拖出相应的模块，并设定具体参数得出下面的控制电路的仿真模型。

图3 控制电路的仿真模型

2.5功率因数的计算模型

      功率因数的计算可以根据功率因数的定义，通过一定的算法在Math模块中直接拖出需要的模块，并对其进行参数的设置，可以很容易的求出整个系统的功率因数的值来。建立的模型如图4所示。

图4 功率因数计算模型

3 仿真电路

      根据Matlab仿真模型的建立过程，可以对一个实际的三相功率因数校正电路（如图5）进行仿真分析。在建立仿真模型时，模型中有二极管等非线性器件，需要采用刚性的数值积分方法。选用Ode23tb有较快的仿真速度，通过Matlab的仿真实验得到该电路的优化参数如下：L1=0.02H，C1=50uF，并在每个二极管两侧并上0.1uF的电容，其仿真波形如图6，图7所示：

图5 三相无源功率因数校正电路

      该电路是一种三相无源功率因数校正电路，在输出侧加上了L、C滤波电路。通过仿真，电感L1、C1以及二极管两端的电容可以构成谐振回路，使得输入相电流按正弦规律变化，有效的抑制了谐波的含量，功率因数较高。通过Matlab的仿真和参数的优化，最终可以将功率因数提高到0.961。

           图6输入相电压和相电路波形       

               

               图7 整流后电压和电流波形

表1 功率因数随负载变化的仿真结果

负载电阻（Ω）	40	80	120	160	200	400	600	800
功率因数	0.9610	0.9518	0.9340	0.9226	0.9085	0.8092	0.7520	0.7429

4 结束语

      仿真结果表明，运用Matlab的SimPowerSystems模块可以很直观的对电力系统中复杂的电路进行仿真分析和研究，并通过参数的改变可以使系统达到最优，仿真速度快，不失为一种好的方法。另外，在功率因数校正电路中，电路元件参数的选取，对提高功率因数同样很重要。

参考文献

[1]姜雪松，谢少军．基于Matlab的可逆变流器的仿真研究[J]．第十四届全国电源技术年会论文集

[2]任开春．三相桥式整流电路功率因数PSPICE仿真分析[J]．电工技术杂志, 2003

[3]周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源功率因数校正电路设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2004