UPS系统功率因数校正电路的设计赵强

1、湖北理工学院毕业设计（论文） 1.引言1.1 课题研究背景及意义 随着计算机的广泛运用以及高尖端科技的出现，这些系统对于电网的供电质量提出了更高的要求，在计算机系统中运用UPS不间断电源供电，能够使得系统不会在工作时段因为断电导致RAM中的重要数据丢失，避免不必要的麻烦，更为主要的是UPS电源可以避免计算机系统因电源中断而整体瘫痪。UPS不仅可以连续不断地向负载提供电力的电压和频率都在正常范围内，并能抑制输出电路的干扰。负载蓄电池滤波器逆变器控制单元充电器整流器波形检测滤波器电网UPS 不间断电源的主要作用是在输入回路断电时将电池 的电能逆变成交流电提供给负载并且有稳频稳压的作用。当电源恢复正

2、常后,输入回路会继续向负载提供电源并且同时向蓄电池组进行充电。其基本原理是把电网中的交流电在经过滤波器整流以后变为直流电，然后经过逆变器再转换成交流电，当电网由市电供电的时候同时把一部分的电能经过转化变成可以储存的化学能保留在蓄电池里，在电网供电出现问题的时候，逆变器的供电这时候就由蓄电池来承担，这样就保证了不间断的输出交流电，其供电时间的长短由储能多少来决定。典型的晶体管式UPS不间断电源内部结构如下图所示：图1-1UPS内部结构现在通常按照UPS不间断电源的逆变器按照不用的工作方式和状态把它分成了在线式与后备式这两个工作形式：（1） 在线式：在线式是指在市电正常工作时，是以交流 整流 逆变

3、器这样的流程方式对负载进行提供交流电；当市电发生故障而中断时，则会以蓄电池组 逆变器的这种工作方式对负载进行供电，当逆变器出现故障，则由控制器使旁路开关将市电接在负载上，在逆变器排除故障后，再恢复逆变器对负载进行供电。（2） 后备式，后备式就是指的正常情况下负载的电能由正常的市电电网提供，在市电电网出现问题的时候，这时候逆变器的电能就由蓄电池组来提供，负载所需要的交流电就是由UPS的逆变器来进行提供。 当单台UPS不间断电源能够为全部负载提供电能时，其连接方式较为简，是由市电进过输入开关再连接到UPS，然后接入输出开关，最后链接负载，这就是最基本的连接方式。两台或者两台以上的UPS不间断电源所

4、包含的总容量相比较负载的总容量来说要多，并且该系统的包涵总容量会比负载的总容量多一台UPS不间断电源的容量，当其中任意一台出现故障时，其余的不间断电源可以继续为负载提供电源，这样的方式称为并联有备份方式，连接方式如图：市电负载输入开关 输入开关输入开关 输出开关 . . . . . . . . . . . . . . .输入开关 输入开关UPS1UPS2UPSn 图1-2多台UPS并联系统 当UPS电源附带的负荷超过限度或者逆变器能部件出现故障，UPS电源将会由旁路直接提供电能。当然，UPS不间断电源同样存在着不足： （1）插件的数量比较多，这使得硬件的成本也会相应变高。 （2）许多潜在故障不

5、会轻易地暴露。元器件较多，元器件老化以及偶尔的故障发生率较高，客户对于故障的查找和修理恢复运行比较困难。（1） 由于UPS电源的检测特性还仅限于模拟输出量的测量值或者用于出发声音和感光报警器的继电接点，并且它只具备少量的储存数据能力，客户只能通过有线的仪器很难确定UPS故障，这也使维修有了很大的困难度。（2） 每一款型号的UPS电源都要设计新的硬件电路，这样，不修改硬件部分的UPS升级是很不现实的，所以其通用性较差。 1.2 UPS发展趋势（1） 高频逆变器在技术方面，基本的微电子技术，电力电子，用作绝缘栅双极晶体管逆变器功率器件的新一代UPS产品的开发自动控制技术。交流滤波器的损耗和逆变器的

6、损耗伴随着频率的提高而减少，这使得逆变器的工作效率得到了大幅度的提升。在20 50赫兹之间的IGBT的开关频率明显的提高了逆变器的性能，同时也让输出电压的谐波含量有了明显的减少，并且在同时，UPS的动态响应和电流峰值因数的动态响应也得到了提高。因为使用的IGBT逆变器是高频率的，这就大大减少了存储装置所原有的大小和重量，这就让机器的尺寸和重量得以减少，更大限度的节省了占地空间，并且也使机器的噪声和成本降低了。（2）小型化 传统的UPS输出是通过变压器，但是因为硅钢片的性质问题使得高频变压器的尺寸和重量都很大。在最近几年，已经出现了无输出变压器的中小型UPS不间断电源，显著降低其重量。逆变器没有

7、输出变压器，它需要一个高频变压器的输入端，用于输入匹配，在逆变器和蓄电池组之间需要一个直流转换器。为了将交流电转换为直流电池和逆变器可以使用，输入电流的低失真和高输入功率因数使UPS成为绿色电力转换器，近年来， UPS输入的交流-直流转换器用的是有源功率因数校正电路。（3）智能智能的目的是方便管理，提高工作效率，目前的UPS容量不仅多了很多，而且智能程度越来越高，不仅可以指向监控和语音控制，还可以联网的多点监控。 UPS除了其三大基本功能外 ，逐渐增加自我监控，外部报警，集中监控，环境监控，切换器，电池自动补偿和检测，功耗低，直接并机，对供电电网程线性载荷，相当于非线性负载的输出，共享与电池或

8、分用电池组的功能点。 中小型UPS的AC / DC和DC / AC转换器大多是模拟控制电路，DC - DC转换器控制芯片大多已集成，使用方便，工作可靠。 DC / AC逆变器有两种基本方式：单，双回路控制闭环控制。单回路控制电路简单，但难以实现输出短路自恢复;双回路控制与内部和外部的电压和给定的电流，输出电流调节电压调节器，从而限制了电流给的定大小将限制逆变器电流的最大输出。电流调节器选用滞环调节器，调节器的使用显著的提高UPS的动态性能。数控技术已成为UPS控制的新的主流技术，其高精度和强抗干扰能力相当的强，这对UPS测试、故障诊断和远程UPS遥测来说就相当的方便，多台并联UPS和热插拔，易

9、分离的实现电池监测和管理。PWM技术的核心是数控技术，让UPS输出电压得以保障，同时也确保了频率和输出电压波形，使技术要求得到最大程度的满足，在UPS自检操作的检测时，故障保护和故障隔离是数字控制器的另一个重要功能。因为数字控制器在实施控制时，使得硬件电路被UPS控制器标准化，这就使生产和保养得到简化，与此同时还提高了整个系统的可靠性和灵活性。（4）并联冗余技术并联冗余系统和所有UPS模块的并联运行的参与系统同样的重要，都具有负荷分担，在其中任何一个发生意外故障时，其他独立的系统可以自动承担额外的负荷，此时单个的故障系统会自动加载从总线脱离。显然，改进的并行冗余系统，维护单个的可靠性变得更容易

10、，整个系统可以被并联连接，而无需中断电源进行维护检修，所以可用度是相当高的。UPS并行和可热插拔的技术比开关稳压器复杂。并行和可热插拔的UPS技术比开关稳压器复杂。由于可变的交流相序，频率，相位，电压，波形这5个当中其中一个与网格中的任何一个不一致时， UPS则不能投入到电网，而且通过调节电压和相位，必须要实现同样的UPS输出有功和无功功率，并且调整不能使电网电压和频率发生偏移。 UPS交流输出，所以不能用二极管来隔离发生故障的UPS ，因此要求UPS自我测试的操作不应该只提高检测率，还要检测速度快和准确的判断，同时可快速拆卸UPS故障，以防止大的波动并联母线电压，防止杂散信号切断正常的UPS

11、 。因此，UPS的并联连接的主要有三个方面：一是自动UPS电源的正常工作，第二是UPS的有功电流的电流分布之间的并行操作，第三，如果UPS故障，应于故障设备的情况下被快速除去不干扰电网。（5）环保UPS受到的影响主要来源于有源输入功率因数的影响，并且也受到效率和系统噪声等一些环境因素的影响。传统双转换UPS批量标准的六脉波整流器输入电网控制的干扰，由于电路结构和该产品的系统效率低，对环境有污染的形成。由于排风扇应用于UPS的冷却，强大的气流会发出砰的一声，环境噪声污染的形成。（6）系统集成 系统集成是在UPS应用中的一大发展，其意义不是融合UPS本身，而是作为网络关键物理基础设施（ NCPI

12、）是其职权超出了单个功能的功率参考不可分割的一部分，但与配电，制冷， IT机架，布线（电源和数据电缆） ，管理和IT服务，以确保形成一个良好的环境正常运行。 1.3 主要研究内容下面对UPS的整体结构和他自身的工作原理进行了分析，主要概括如下： （1）解析了UPS发展的现状和它将来发展的趋势，其重点是分析了UPS的原理以及构成 （2）了解各种提高UPS功率因数的办法，在平均电流模式控制有源功率因数校正技术的基础上，设计了电流采样电路，电压采样电路等等，并计算了关键部件的参数 （3）对系统采用MATLAB进行了仿真。 2.UPS系统结构2.1 组成部分 在线式的UPS系统一般囊括以下几个组成部分

13、：输入整流滤波电路、功率因素校正电路、蓄电池组、充电电路、逆变电路、静态开关电路、人机交互、微控制器，如图2-1所示。 输入功率因数校正电路转换开关充电器蓄电池组逆变PWM通道DSPADC通道I/O接口通信接口电网电压电流频率逆变电压电流频率电池电压电流人机界面滤波整流市电负载 图2-1 UPS系统结构图（1）输入整流滤波电路 在线式UPS整流电路将交流电源转换为直流电源，这是准备逆变器逆变。同时，经过的降压型DC电源整流，可以对电池组进行充电。整流方式有两种，一种是采用大功率可控硅和二极管整流器，半桥整流，全桥整流，6脉冲整流，12脉冲整流等，而另一种方式是使用隔离变压器在电源再次降压后有一

14、个二极管桥式整流器整流。前者通常用于高功率的UPS，后者用于低功率的UPS。经整流的电信号是直流信号与波纹，除DC分量和AC分量。 AC滤波器电路可以将整流后的信号抑制，使波纹的直流信号变成平滑的直流信号。（2）功率因素校正电路 功率因素PF(Powe:Factor)指的是交流输入有功功率P和视在功率S的比值。在不间断电源系统中，经整流的AC输入信号直接应用到滤波电容器的两端和电池的两端，滤波器充电是在AC输入信号的电压超过电压滤波器的两端时发生的。电流脉冲产生在电容和充电器之间，产生的高次谐波会导致功率因数下降，从而对电网产生干扰。功率因数校正电路系统是为了改善输入功率因数，减少对电网的谐波

15、的干扰，使得电网输入电流和输入电压接近相同的相位。（3）蓄电池组 储能装置中最常用的是蓄电池组，现在在UPS中也得到了广泛的应用，在正常情况下的电源，电池充电用直流电，并实现电学能转为化学能。当市电中断，UPS的能量由电池组供电，将释放储存在电池组的能量。在UPS处于正常的工作状态情况时，电池组是使用连续浮充充电的方式进行自身补充电能，整流器和电池处于并联运行的工作状态。整流电路提供改变后的输入信号，同时电池也消耗电流的一部分，这是电池的放电消耗补偿。与此同时，浮充充电这种方式可以进行改善UPS瞬态响应。（4）充电电路 使用横流充电在早期充电器的充电方式中使用，当电池电压达到浮充电压时，充电器

16、进入恒压充电模式。依据UPS的放电功率，充电电路将使用可用的硅整流器件或开关器件。充电模式的切换是由控制芯片完成。在充电过程中芯片控制两个量：电池电压和电池电流。通常，该工作是独立的充电器逆变器的，只要UPS通电，充电电路在工作中，电池就开始充电。（5）逆变电路 整流后的直流经逆变器转换为交流电源，电源传送到负载。消除了浪涌，谐波干扰和不稳定电源等其他因素。逆变器的主要部件是IGBT功率器件，微处理器通过SPWM波驱动IGBT ，输出信号提供给负载。（6） 静态开关作为逆变器开关器件和旁路静态开关只需要转换的作用，同时也有效地保护了逆变器和负载。当UPS不间断电源输出过载时，开关会自动转换成市

17、电供能。如果逆变器发生故障，以保护负载，静态开关也会转换成市电向负载供电。 UPS采用低功率继电器为静态开关。（7）微处理器 UPS的核心是微处理器，在整个系统中起到控制作用，也是整台机器的控制核心，IGBT是由SPWM输出波进行驱动 ， ADC通道对参数进行采样，其中有输入信号，电压反馈信号，电流和频率，电池充电电压和充电电流等参数2.2 功率因素的定义 功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是电气设备系数的效率的量度。功率因数低，表明该电路是用来转换交流电的无功功率的磁场，电力线损耗增大，所以电力部门对于电力的功率因数单元有一定的标准要求。在交流电路中，相位差（）的电压的余弦和电

18、流之间的被称为功率因子，用符号COS，功率因数的值是有功功率和视在功率的比率来表示，即，COS= P / S的 定义PF=有功/视在功率= P /VI 在AC/DC电路中，输入电压是以正弦波形式，输入电流是以非正弦波形式，其有效值为： 其中，代表电流的基波的分量、代表二次谐波的分量、代表n次谐波的分量的有效值。 设电压角度大于电流的基波的分量，那么依据功率因数的定义可以得到： 表示基波电流的相对值成为畸变因数，称为相移因数。同时，将总谐波畸变（THD）定义为：为除了基波以外的所有谐波电流分量的总有效值。由以上可以看出THD与畸变因数的关系为： 2.3提高功率因素的办法目前广泛使用的提高功率因数

19、的方法有下面几种： （1）多个整流电路：即按照一定的规则的两个或多个组合中的整流电路的结 构相同。连接到所述多个度量转换的整流电路可以减少交流输入电流的高次谐波，同时采用顺序控制方法的一系列多个整流电路能改善功率因数。 （2）被动校正方法：无源功率因数校正电路中的LC滤波器用来增加整流器的导通角，从而降低了谐波电流，改善功率因数的单相整流器的整流电路。他使用，而不是价格较高的有源器件电容器，电感器，二极管和其他部件。然而，其效果不有源功率因数校正的校正好，只能改善0.7功率因数0.8，它一般用在小容量的情况下，并在串联连接的电感器中使用这种方法的输入电压大的低音电感，以减小峰值电流进行充电的滤

20、波电容，二极管的导通时间增加。这种方法简单，成本低，可靠性高。但体积庞大，笨重，并且工作负载和输入电压变化的性能和频率具有一定的关系。 （3）有源功率因数校正：他用有源开关或AC / DC变换技术，成为输入电压和电网电压相位的正弦波。它的功率因数非常高，而且体积小，但电路复杂，成本高，有一定电磁干扰。无故障的平均时间下降，并且他也只能实现单向流动这一简单的动作，因此再生制动无法被实现。 （4）直接矩阵变换器是一个逆变器电路，开关电路中被完全控制所使用的设备，其优点是，该正弦波的输出电压，从电网电压的输出频率也可以被控制，以限制输入电流是正弦波儿童和相同的电压，功率因数为1时，也可以控制所需的功

21、率因数能量的双向流动可以是交流电机的四象限运行，而不是通过频率的中间部分，效率越高。它的缺点也很明显，作为开关器件逆变电路，该电路结构较复杂，成本高，控制方法还不成熟。此外，最大输入电压高于输出只有当输出电压为交流电动机转速比是低的。 （5） PWM整流器： PWM整流器技术是一种中等容量的单位功率因数变流器的用途主要技术。型三相整流电压和分电流型，电流源可应用于大胡子种成熟的技术，在电源开关的频率要求不高，缺点是不连续的输入电流，输出电压纹波的业务流拓扑并不大电压源仪器可用于控制各种适当的策略，并能实现能源，其主要优点脚响应速度快，结构简单，易于抑制电磁干扰的双向流动。因此较为常用的三相整流

22、电压类型。其控制方法的主要优点是：获得较高的功率因数，大约有0.97 0.99 ，总谐波失真低，可工作在很宽的输入电压范围内，体积小，重量轻。 3.有源功率因数校正电路的设计3.1有源功率因数校正电路的选择有源功率因数校正技术 APFC(Active Power Factor Correction)伴随着开关电源变换技术的发展而出现。输入电压检测输入电流检测乘法器+-输出电压检测驱动+-VrefCAVA负载CRVDSVi VoL 图3-1Boost有源功率因数校正原理图 据有关APFC控制，结合自己的优点和缺点的介绍，我们选择来控制平均电流模式控制方案的CCM ，和UC3854集成芯片的设计和

23、构建的仿真模型的参数。的Unitrode UC3854是美国的公司开发的升压APFC平均电流控制IC，具有高带宽，高输入电流跟踪能力等。有源功率因数校正电路两者的整流器和电压调整器的功能，这需要整流器输入功率因数为1时，稳压器的输出电压的稳定性要求。出于这个原因，PFC电路需要在同时引进电流和电压反馈用来组成双环控制系统，外环用以实现稳定的输出电压，内环用以实现电流的整形，使得形成同相位的标准正弦波与输入电压。升压型APFC的工作原理如下：在主电路的基准电压和输出电压进行一定的比较之后，输入给误差放大器，误差放 大器的输出施加到乘法器整流输入电压时，反馈控制的电流以乘法器的输出值作为参考值，将

24、检测到的信号和输入的电流比较，使PWM和驱动器加载这个输入到电流误差放大器的值控制开关S处于关闭状态，以使输入电流和输入电压的整流器的基本波形一致，以此减少电流中产生的谐波，使功率因数得到改善，并同时保证稳定的输出电压。3.2APFC电路的参数设计单相Boost有源功率因数校正器，其技术指标如下：输入交流电压：80270V输入频率：50输出直流电压：400V开关频率：100KHz输出功率：500W功率因数：>0.99功率因数校正技术有两个目的要实现：电流波形得到控制，并且使电压波形得到监控，用以获得高的输入功率；将平滑的直流电压提供给下一级电路。3.2.1主电路设计（1）升压电感 起到一

25、个电感的能量传输线，贮存和过滤的效果，输入并确定高频纹波电流，从而限制了电流纹波来确定最小的电感值。其中最差的状况：最大输出功率，输入电压降到最低。然而在这种情况下，最大输入电流纹波依然是最大的，输入电流纹波仍然满足所述电感器的要求，电感器要按照最低点计算时数值进行设计。设最大峰值电流为：式中，令。设置允许的最大电感电流纹波，通常选择的最大峰值在大约20的线电流，这使得当最大峰值电感电流是通过在输入电压峰值时间确定发生从20占空比，电流波纹最大的情况是在输入电压达到了最大值并且输入电流也同时达到了最大值，所以，占空比要在最小输入电压的峰值点处计算，有升压电感值计算后：本设计中L实取值为0.5m

26、H。 （2）输出电容输出电容旨在满足时间标准的要求之后输入电源关闭以后，输出电压依然能够维持在一定的标准范围里的时间长短。持续时间是下面的电参数的函数：存储在输出电容，负载功率，输出电压，最小电压，以使工作负荷的能量的总和。所以用维持时间来确定输出电容值的计算公式为： (3-1)取为36ms，则电容C取值为。（3）电流取样电阻电流传感的检测方法通常情况下有两种，即用两个互感器或者检测输入电流时串联取样电阻在变换器接地线的返回端。这样的优势在于使用取样电阻来对输入电流进行检测比使用电流互感器的成本低得多，它所使用的场合一般在输入电流和功率都比较小的地方。所以在这里选择采样电阻用以检测输入电流。电

27、流取样电阻的电压降通过电流环路的调节电流采样信号输入时，输入电流为正弦波形状。电流取样电阻上的电压的典型值为。求出电流取样电阻值，选取0.15峰值检测电压的实际值。（4）二极管与功率开关在电源开关接通的时候，二极管发生反向阻断，经过开关管的电流是电感电流，二极管的输出电压是反向电压;当电源开关被关断时，二极管变换为正向，开关上的电压就是输出电压，二极管上的电流这个时候是电感电流。因此，在选择的电源开关以及二极管的时候，两者的输出电压都必须小于额定电压，最大电感电流都必须小于额定电流。电压要考虑在1. 2倍之内的安全裕量，电流要考虑在1. 5倍之内的安全裕量，则，。3.2.2控制电路的设计（1）

28、控制电路的建模电流调节器建模PWM比较器、电流的误差放大器以及功率级共同组成电流控制环，图3-2是电流环组成结构。图中是电流误差放大器的传递函数，PWM的传递函数是，两端的电压受到占空比D的控制的小信号用传递函数用表示。功率级传递函数： （3-2）式中取样电阻上电压是，输出电压是功率电路电压，电感L是功率电路上的电感。+- 图3-2电流控制环结构PWM比较器的传递函数为： （3-3）振荡器斜坡的电压峰的峰值是。UC3854中的为5.2V。+-CA图3-3电流误差放大器其补偿网络结构图和电流误差放大器用图3-3所示，根据虚短原理和虚断原理，可以求得它的传递函数是： （3-4）式中，。电压调节器的

29、建模升压级和电压的误差放大器一起组成了电压环，如图3-4是其结构图。+-+-VA 图3-4电压环结构图3-5电压误差放大器电压的误差放大器由图3-5所示，它的传递函数是： （3-5）式中，。升压级传递函数为 （3-6）式中，是包括了乘法器与除法器还有平方器在内共同组成的升压级增益，表示平均输入功率，表示输出电容，表示电压的误差放大器的输出电压范围（=4V），是输出直流电压，。（2）电流调节器补偿网络参数设计开关频率点的电流误差放大器增益计算因电感电流下斜而在检测电阻上产生的电压，然后除去开关频率，用替换电流互感器（），方程式为： （3-7）即，这个电压等同于的峰峰值，也就是定时电容流经的电压（

30、5.2V）。那么误差放大器上获得的增益为：。反馈电阻器，设等于：， 。电流环穿越频率 （3-8）代入以上数值可得到零点补偿电容考虑到电流环路的截止频率设在15.8kHZ，相位容限为，零点频率等于截止频率，也就是在环路上的截止频率值要设零点，那么零点就要补偿电容：，取620pF。极点补偿电容极点频率在设定是最少要高于功率开关在切换时频率的一半，也就是极点必须大于，那么得到的极点的补偿电容就是：，取。（3）电压调节器补偿网络参数设计输出纹波电压下式给定主电路输出纹波的电压，式中是二次谐波纹波频率：放大器的增益与输出纹波的电压为了使满足电压误差放大器输出限定的纹波电压，要按照以下关系来设置电压误差放

31、大器在二次谐波频率点上获得的增益值： （3-9）按照规定使用三次谐波为3%的交流输入电流，电压误差放大器的输出端占大约1.5%，且该端口的电位对于UC3854而言，故。反馈网络的数值已知，可求出电压误差放大器反馈回路中的元件值，式中是工频的二次谐波频率，的取值是一个任意值，一般取。设置直流输入电压，利用，可得，取10k。求出极点频率 （3-10）求4.有源功率因数校正电路的仿真分析4.1MATLAB简介 在本文中， Matlab6.5软件平台模拟。 MathWorks公司的Matlab是美国的公司推出了矩阵计算科学计算软件，它利用思想的开放开发，在数值计算，图像处理，数据分析和工程设计仿真等方

32、面极为广泛，它内置了丰富的库函数，具有很高的编程效率，灵活的程序设计，图形等特点。已发展成为实力雄厚的大型软件一个合适的多学科，多平台的工作。 MATLAB产品是一组数值计算，先进的图形和可视化，高层次的编程语言和动态系统建模和仿真于一体的开发环境。得到广泛应用，包括信号处理和图像处理，控制系统设计，动力系统设计，金融，医药等诸多领域。一个主要特点是Matlab工具箱进行许多具体的应用，包括一套完整的功能，为图像信号处理，控制系统设计，电力系统的分析和设计。 Matlab工具箱是一系列的专业图书馆，在解决特定领域的问题，工具箱是开放的，可扩展的，可根据特殊需要来开发自己的算法。 Simulin

33、k中的Matlab用于提供动态系统建模和仿真和支持连续的，离散的，并且线性和非线性系统的组合的分析软件包。形成了一系列大规模的，覆盖面很广的工具箱，包括控制理论，电力系统，信号处理，大量现代工程技术学科。 Simulink中为用户提供了图形化建模界面，它与传统的仿真软件建模与微分方程和差分方程，以更加直观，方便，灵活的优点相比。 Matlab / Simulink的电力系统工具箱SPB包括所需的各种电路仿真模型组件，包括电源模块，基本电路模块，电力电子模块，电机模块，连接模块，电源模块检测模块和附加等七大模块库。每个模块库包含所有基本组件模型，如功率模块的直流电压源和电流源，交流电压源，电流源

34、，受控电压源，电流源，如五大发电模式;电机模块库中包含各种电机型号，如异步电机，同步电机，水永磁同步电机，功率电子模块库中包含理想的开关器件，晶闸管，功率场效应管， GTO ，以及其他功率开关元件的模型。只需将模块组件Simulink的窗口，通过参数设置对话框来设置参数就可以实现模拟电力电子电路。本章使用Matlab / Simulink的电力系统工具箱模块APFC电路的设计仿真。4.2APFC主电路的仿真4.2.1主电路的原理图图4-1为基本Boost型变换器的主电路。为了方便确定二极管与开关管的工作状态，这里引入二进制的变量A，当开关为导通状态时，A=1；当开关S截止时，A=0。这样，变量

35、A就能够表示二极管和开关管的状态，取值0，1。SLVDVDLCR+-+-图4-1基本Boost型变换器电路当开关管S导通时，A=1，则 ，即 （4-1） ，即 （4-2）当开关管S截至时，A=0，则有 ，即 （4-3） ，即 （4-4）将方程（4-1）（4-4）联立，运用二进制变量A，由逻辑代数运算规则，可得到一个开关周期内的状态方程。 （4-5） （4-6）即得Boost主变换电路的状态方程： （4-7） （4-8）4.2.2主电路的Simulink模型 根据式（4-7）、（4-8）运用MATLAB里的Simulink模块，即可建立Boost变换电路的仿真模型，如图4-2所示，这里输入变量是

36、、A、R，输出是、。图4-2Boost主电路的Simulink模型4.2.3主电路的仿真结果图4-3 D=0.5时的控制波形图4-4 电感电流波形图4-5电容两端电压启动波形图4-6电容两端电压稳态波形仿真参数：电容C=0.96mF，电感取L=0.5mH，电阻R=100。电压=200V，在导通比D=0.5时，电感电流和电容电压产生的波形如图4-4、4-5、4-6所示。这里不难看到，在导通比为D=0.5时，电压的输入与输出的关系式正好符合Boost电路的输出和输入之间的关系式。纹波正好是小于0.5的，这就已经超过了一般的电子设备对电源的要求，不完美的是其响应的时间有些久。电感的电流波形正好是标准

37、的锯齿波。4.3Boost型APFC电路的仿真4.3.1APFC电路仿真模型图4-7Boost型 APFC的仿真模型图4-8Universal Bridge子系统图图4-9Subsystem子系统图4.3.2APFC电路仿真结果分析根据前面分析与计算电流调节器的参数选定为， ，。电压调节器的参数选定为，。仿真所用的电路参数为：电感L=0.5mH，输出电容C=0.96mF，开关频率，电网频率，。对功率因数校正前后的系统进行仿真。图4-10未加APFC电路时输入电压、电流波形图4-11加入APFC后输入电压、电流波形图4-10为没有经过APFC的输入电流与输入电压所产生的波形，十分明显的看到出，图

38、中的输入电流所产生的波形发生了严重的畸变，电流发生畸变会导致电网阻抗的同时反向影响正常的电网电压，这就会造成总的谐波畸变变得更大更明显。这里就可以得出，相比系统在加有APFC电路的情况下，其电流产生的正弦波波形是严格的电流波形。图4-12加APFC整流后输入电压、电流波形图4-13未加APFC时输入功率因数波形 图4-14加APFC后的输入功率因数波形图4-15未加APFC时的输入电流的总谐波畸变图4-16加APFC后的输入电流总谐波畸变 图4-17加APFC后的输出电压波形将图4-13与图4-14进行比较，可以明显看到功率因数校正前与校正后的平均值约由0.789提高到0.998左右。将图4-

39、15与图4-16相比较，总的畸变率由0.76左右降到了近似为零。从图4-17看出输出直流平均电压为400V左右，输出电压相对较稳定，实现400V直流输出的要求，这就达到了比较满意的效果。参考文献1 周志敏、周纪海. UPS实用技术M. 北京：人民邮电出版社，20032侯振义、王义明. UPS电路分析与维修M. 北京：科学出版社，20013 张乃国. UPS供电系统应用手册M.北京：电子工业出版社，20034曲学基. 稳定电源实用电路选编M. 北京：电子工业出版社，20035 王兆安、黄俊编.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，20046 启发. UC3854的工作原理几运用J. 通信电源技术，2001（2）7 路秋生. 采用UC3854的有源功率因数校正电路工作原理与应用J. 北京信息职业技术学院学报，2002（6）