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基于MATLAB的有源功率因數(shù)校正器設(shè)計

作者: 時間:2007-12-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1.引言

當(dāng)前單相APFC技術(shù)已完全成熟,應(yīng)用到開關(guān)電源中可提高功率因數(shù)至o.98以上,成為許多開關(guān)電源的必備前級,應(yīng)用日益廣泛??焖俑咝У卦O(shè)計出滿足系統(tǒng)要求的APFC已成為工程技術(shù)人員必須面對的問題。MATLAB強(qiáng)大的信號分析處理能力對高效地設(shè)計APFC及整定各個環(huán)節(jié)的參數(shù)帶來了極大便利。本文采用MATLAB設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一個3KW的功率因數(shù)校正器,給出了SI MULINK仿真電路及,并成功應(yīng)用于研發(fā)的Xray電源系統(tǒng)中。

2.APFC控制原理簡述

傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正器,主電路一般采用B00ST升壓電路,控制策略采用平均電流法控制。其基本控制思想為:檢測電路平電流,使之跟隨網(wǎng)壓,與網(wǎng)壓同、同從而實(shí)現(xiàn)輸入端功率因數(shù)近似為1。如圖1,F(xiàn)cn(qk)為網(wǎng)壓環(huán)節(jié),取得網(wǎng)壓信號作為電流的標(biāo)準(zhǔn)參考量的一部分;Fcn(bk)為反饋電壓校正環(huán)節(jié),以保持輸出電壓的穩(wěn)定;Fcn(I)為電流校正環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)對電流的化校正。

3.APFC的HATLAB設(shè)計

這里,以設(shè)計一個3 Kw的有源功率因數(shù)校正器為例進(jìn)行敘述。假設(shè)輸入電壓為2 2 0 Vac,輸出電壓為4 O O V d c.輸出電容為9 4 o u F,儲能電感為1 m H.基于此,對A P F c控制部分進(jìn)行 M A T L A B仿真設(shè)計。 對A P F c控制電路的設(shè)計即是合理地整定Fc n(qk)、 Fcn(bk)及Fc n(i)三個環(huán)節(jié)的參數(shù),以使電路獲得良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)性能。

網(wǎng)壓和輸出電壓分別經(jīng)前饋環(huán)節(jié)F c n(q k)和反饋環(huán)節(jié)Fcn(bk)進(jìn)入乘法器相乘后作為電流環(huán)的基準(zhǔn)量。這樣為了確?;芈冯娏鞯?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/正弦">正弦,乘法器的輸出必須為標(biāo)準(zhǔn)的波形,所以F cn(qk)、F c n(bk)要盡可能的可能引起電流波形失真的各種諧波及相移因數(shù)。乘法器輸出幅值決定著平均電流的大小,為了實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入電壓下穩(wěn)恒的輸出電壓,必頌使乘法器的輸出幅值與網(wǎng)壓成反比。

●前饋電壓環(huán)節(jié)(Fcn(q k))的設(shè)訓(xùn)。

APFC電路在寬范圍輸入電壓下,輸出電壓是穩(wěn)定的,由APFC控制理論知,網(wǎng)壓經(jīng)Fcn(qk)后的量必須與網(wǎng)壓成反比。同時,需要最大程度的二次諧波對輸入電流失真的影響。對此,可以設(shè)計一個截至頻率很低的單極點(diǎn)濾波器來獲得平均輸入電壓,但是系統(tǒng)對輸入電壓的響應(yīng)速度也有較高的要求。這里選擇二階濾波器作為平衡折衷的一個選擇。并且,二階濾波器還將導(dǎo)致二次諧波相移1 8 0度,從而使產(chǎn)生的三次諧波電流與輸入電流的相移量變得與電壓相同?;诖耍瑢υ摓V波環(huán)節(jié)作了試湊設(shè)計。對前饋環(huán)節(jié)的濾波環(huán)節(jié)沒計,主要是確定兩個極點(diǎn)的位置。運(yùn)用MATLAB 自控設(shè)計工具箱,可方便地調(diào)整極點(diǎn)化置以獲得良好光的衰減性能和快速響應(yīng)。見圖二,二次喈波兒乎無法通過,并且系統(tǒng)也有良好的響應(yīng)性能。經(jīng)多次試湊實(shí)驗,最后設(shè)定兩個開環(huán)極點(diǎn)為:

p1=23.4 p2=-1 O.1

假設(shè)整流后的電壓為

由傅立葉分解知





這里、CO及為網(wǎng)壓的平均值

由以上敘述最后,得到的前饋環(huán)節(jié),如圖4。

這樣前饋緩解進(jìn)入到乘法器的量如下:

由3—4式知,前饋環(huán)節(jié)進(jìn)入到乘法器是一個與網(wǎng)壓成反比的正弦量

●電壓反饋環(huán)節(jié)(Fcn(bk))的設(shè)計

功率輸出級的基本低頻模型是一個驅(qū)動電容器的電流源,形成一個積分器,它的增益特性是隨頻率每增加10倍而滾降20dB。由于電壓環(huán)的帶寬與開關(guān)頻率相比比較窄,所以電壓環(huán)設(shè)計主要考慮保證輸入畸變?yōu)樽钚。皇欠€(wěn)定性。首先,電壓環(huán)的帶寬必須足夠窄,以衰減輸出電容上的二次諧波,保證輸入電流的調(diào)制比較小。其次,電壓環(huán)必須有,足夠的相移,使調(diào)制出來的信號能與輸入電壓保持同相,獲得較高的功率因數(shù)。輸出電壓的二次諧波可由2—5得出。

Vopk為輸出紋波電壓的峰值,fr為紋波頻率Co為輸出電容,Vo為輸出直流電壓。

假設(shè)APFC要求3%的THD, 由APFC設(shè)計原理知,O.7 5%的THD分配給電壓環(huán),所以電壓環(huán)輸出紋波電壓應(yīng)限制在1.5%。基于此,確定二次諧波頻率處電壓環(huán)的增益,其設(shè)計原理類同于前饋電壓環(huán)的設(shè)計,最終得電壓環(huán)反饋環(huán)節(jié)如下:

●電流環(huán)(Fcn(I))補(bǔ)償

對前饋電壓跟反饋電壓雙環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償后,經(jīng)乘法器產(chǎn)生了一個理想的參考電流波形。對電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償,提供一個接近開關(guān)頻率的平直增益。其中放大器的中低段的零點(diǎn)提供高增益,是平均電流型控制能夠工作。接近開關(guān)頻率的放大器增益由匹配電感電流的下降率來決定。其中,功率電路電流反饋信號的變化:


RS為主電路檢測電阻。 (3-7)

在開關(guān)頻率處(這里,假設(shè)開關(guān)頻率為40K)放大器的增益:



其中VS為電流環(huán)輸出 (3-8)

采用PID調(diào)解器對電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償如下:

由上所述,MATLAB的自控工具箱的可視化界面,可以方便的調(diào)整零、極點(diǎn)位置、并能直觀地觀察出各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)響應(yīng)性能,便于實(shí)時調(diào)節(jié)設(shè)計,MATLAB為快速高效地設(shè)計滿足需要的APFC提供了極大的便利。

4.APFC的S IMUL INK仿真電路及波形

最后,根據(jù)前面對三個環(huán)節(jié)的設(shè)計補(bǔ)償,得到以下SIMULINK仿真電路。圖7。





其中三角波放生電路由時鐘、采樣保持器、復(fù)合器及Fcn4構(gòu)成,以產(chǎn)生一個頻率為40K,幅值為2.5的三角波形;反饋電壓環(huán)節(jié)由常數(shù)Constant、加法器A d d 2、傳遞函數(shù)T r a n s f e r F c n 2構(gòu)成;電流環(huán)節(jié)由傳遞函數(shù)構(gòu)成,形成一個P I調(diào)解器;兩個飽和器s a t u r a t i o n l、saturation2的加入,限制了電壓環(huán),電流環(huán)的最大輸出。輸入交流電壓波形檢測部分由正弦波發(fā)生器Si n e Wa v e 1,求絕對值器A b s 1,即通用表達(dá)式F c n 1組成,模擬取得的電網(wǎng)電壓。



構(gòu)建完仿真電路后,選擇合適的算法進(jìn)行仿真。其中,解算選項為:變步長,最大補(bǔ)償1 e-6,,相對精度1e-3,算法選擇ode23。

以下為仿真電路實(shí)測波形.

5.結(jié)論

APFC的控制電路為雙環(huán)耦合控制電路,參數(shù)需要反復(fù)調(diào)試,才能最后獲得好的效果。本文利用MATLAB的自控工具箱與信號處理工具箱快速高效地的整定符合電路要求的APFC電路參數(shù),極大地減少了實(shí)際電路調(diào)試的難度,并成功應(yīng)用于研發(fā)的Xray電源系統(tǒng)中。



關(guān)鍵詞: 波形 相位 衰減 正弦

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