【《因数校正电路的Matlab电路仿真分析案例》3500字】

因数校正电路的Matlab电路仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6036因数校正电路的Matlab电路仿真分析案例 1227541.1整流电路仿真 1322691.2功率因数校正电路的开环仿真及分析 370391.3基于双闭环控制的功率因数校正电路仿真分析 79591.3.1双闭环控制电路的仿真 748411.3.2双闭环控制的单相功率因数校正系统的仿真 91.1整流电路仿真本文选择的是单相桥式不可控整流电路，在MATLAB中搭建仿真模型，如图1.1所示，采用的是4个二极管来进行整流，电路的左边是220V降压之后的交流电压，右侧则是整流的电压，其中电感的作用是稳压和滤波，使得电阻上得到的直流电压稳定。图1.1不可控整流电路仿真模型整流电路的输入交流电压是变压器二次侧的降压电压，如图1.2所示图1.2整流电路的输入交流电压波形理论上整流出的电压应该是如图1.3所示的直流电压波形图1.3理论得出的整流直流电压但是实际情况中，整流电路之后还会有其他的电路以及一系列的负载，而且负载的大小不同会影响直流电压的波形，接下来将会分别取40Ω的电阻和200Ω电阻测试，观察直流电压的变化。测试使用的仿真模型是图1.6的开环电路模型首先是系统带40Ω的电阻，得出的整流电压如图1.4所示，再是带200Ω，得出的整流电压波形如图1.5所示。图1.4带40Ω电阻得到的整流电压波形图1.5带200Ω电阻得到的整流电压波形通过上述电压波形的对比，可以发现，负载大小的不同，整流出的直流电压大小也不同，带40Ω电阻的时候，电路的负载重，得到的直流电压波动大，不稳定，谐波含量大，毛刺多。而带200Ω电阻的时候，电路的负载较轻，得到的直流电压更稳定，波动小。说明负载的轻重会影响整流电路整流出的直流电压波形。1.2功率因数校正电路的开环仿真及分析使用MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建传统双闭环控制下的Buck型功率因数校正电路，通过仿真测试，观察、验证传统双闭环控制电路对Buck型PFC功率因数校正的能力、特性，以及双闭环控制之下，系统的稳态特性和动态特性。开环情况下的Buck型功率因数校正电路的仿真搭建模型如图1.6所示，电路主要是由交流电源、变压器、不可控整流桥部分和Buck型降压电路组成。为了更加贴合本文研究内容，主电路参数选取220V、50Hz交流电源作为输入电源、经过变压器变为满足要求的交流电，电感为2H，电容为1μF、期望输出电压为48V。图1.6主电路开环仿真模型图1.6中的主电路处于开环状态，开环仿真的目的是验证主电路仿真模型搭建的正确性，以及分析一下在不加入控制的情况下，Buck型PFC电路的性能如何。负载R为20Ω时，输入电压和电流的波形见图1.7（a）和（b），图1.8是输出电压的波形。图1.7（a）输入电流波形图1.7（b）输入电压波图1.8输出电压波形开关管上施加的控制信号占空比是0.8，输出电压和输入电压有效值大致上符合Buck电路的输入和输出关系，实际仿真与理论有偏差，原因是整流出的直流电存在波动，整流部分之后的电感和Buck电路中的电感会产生电压，开关管也会分压，导致了输入电压乘以占空比理论得出的输出电压值大于实际输出电压值，所以，若想是输出电压是48V，则可以改变变压器的变比，增大二次侧的电压。接下来研究负载突变时，输出电压的变化。图1.9所示的是负载突变的仿真电路图。图1.9负载突变仿真模型负载突变时，输入电流的波形和输入电压的波形如图1.10（a）、（b）所示，输出电压波形如图1.11所示。图1.10（a）负载突变输入电流波形图1.10（b）负载突变输入电压波形图1.11负载突变输出电压波形在t=0.2s时，负载R从40Ω突变到20Ω，在t=0.6s时（到达稳定状态后），负载R从20Ω突变回到40Ω。上述的仿真波形主要是验证仿真模型搭建的正确性，虽然开环系统下占空比一定时电路呈现出了很好的稳态特性和动态特性，但是在实际应用的时候并不是理想状态，外部因素会影响给定的占空比，使其无法一直保持恒定值，使得系统偏离正常运行，开环系统无法做出有效的调节，系统的偏差会越来越大，因此就要对功率因数校正电路施加合适的控制策略构成闭环系统，以此来保证系统发生偏差时也能自动恢复正常运行。1.3基于双闭环控制的功率因数校正电路仿真分析图1.12双闭环控制系统仿真模型如图1.12所示，校正电路采用电压电流双闭环控制的功率因数校正的仿真系统。该系统由主电路和双闭环控制系统组成，主电路由交流电源，变压器、不可控整流桥以及Buck降压电路组成，双闭环控制系统则是由内环电流控制和外环电压控制组成。双闭环控制由电流控制器、电压控制器、乘法器、载波发生器、PWM信号比较器以及驱动器等组成。双闭环控制系统是把电感电流和输出电压当作反馈信号，采用PI调节器来作为电压调节器和电流调节器。实际应用时电压调节器需要限制电感电流的最大值以保证其安全性，我们一般是通过设置幅值最大值的方法限制的。但是分析双闭环性能的时候，系统会控制弹出电压调节器，这时不考虑电感电流的最大值限制。1.3.1双闭环控制电路的仿真、图1.13双闭环控制电路图1.12中下半部分的即是由PI控制器、乘法器等元器件构成的双闭环控制电路，如图1.13所示，该电路的作用是对采样得到的电压和电流进行运算控制然后，与载波比较到得一个脉冲控制信号去控制MOSFET管子的开通和关断，进而到达功率因数校正的目的。接下来图1.14和图1.15会分别显示内外环的波形，图1.16会显示得到的控制脉冲波形。图1.14内部电流环波形图1.15外部电压环波形图1.16控制脉冲信号1.3.2双闭环控制的单相功率因数校正系统的仿真利用试凑法，经过多次实验仿真，获得了一组比较适合负载R为200Ω的PI参数，其中内环参数是Kpi=1.3，Ku=400，外环参数是图1.17（a）双闭环控制的功率因数校正电路的输入电流波形图1.17（b）双闭环控制的功率因数校正电路的输入电压波形图1.18双闭环控制的功率因数校正电路的输出电压波形如上图所示，系统上电以后，功率开关管的控制信号占空比比较大，接近于1，电感电流迅速增加，电容充电，输出电压开始上升，快速上升的电感电流到达峰值的之后又开始下降，这时给电感充电的电流逐渐减小导致输出电压上升的速度变慢，随后出现超调现象，电容随着电感电流的下降开始放电，使得输出电压逐渐回归稳态。这一过程都是由内外环的两个PI调节器控制的，输出电压超调2.1V，启动时间大约是0.15s，基本符合实际需求。但是对于PI调节器，有一个缺点，系统带不同的负载双闭环控制电路有着不同的控制效果，系统的输出响应也有区别，很可能导致系统的启动时间或者输出电压的超调发生变化，系统的带载能力也会受影响。图1.19（a）、（b）分别是系统带40Ω负载的输入电流、电压波形图，图1.19（c）是系统带40Ω负载的输出电压波形图。图1.20（a）、（b）分别是系统带250Ω负载的输入电流、电压波形图，图1.20（c）则是系统带250Ω负载的输出电压波形。表1.1记录了系统带不同负载的启动时间和电压超调。图1.19（a）系统带40Ω负载输入电流波形图1.19（b）系统带40Ω负载输入电压波形图1.19（c）系统带40Ω负载输出电压波形图1.20（a）系统带250Ω时输入电流波形图1.20（b）系统带250Ω时输入电压波形图1.20（c）系统带250Ω时输出电压波形当负载是40Ω的时候，系统启动的时候输出电压虽然没有超调，但是启动时间要长于带200Ω负载的启动时间，说明调节器的误差放大能力不够，导致了调节时间长。负载是250Ω的时候，输出电压的启动时间更长，虽无超调，但是输出的直流电压不稳定。表1.1双闭环控制系统之下不同负载启动的数据对比负载/Ω40200250电压超调/V02.10启动时间/s0.40.150.6接下来研究负载突变。图1.21所示的是负载突变的仿真模型。如图1.22（a）、（b）是负载200Ω突变到400Ω，达到稳定状态后再突变回200Ω的输入电流波形和输入电压波形。图1.22（c）是输出电压的动态响应曲线，表1.2所示的是对应的电压超调量和调节时间。在0.3s时，负载突增，因为电感的电感效应，此时的电感能量不会突变，其储存的能量与流过的电流的平方成正比，故电流不发生突变，只能是在PI调节器的作用下缓慢升高。但是负载增大时，电流会随之增大，故此时的补充电流只能由电容去放电来实现。电容的能量与电压的平方成正比，在放点时电容两端的电压变小，从而使得输出电压变小。电感电流在PI调节器的作用下回到稳定值之后，输出电压下降到最低然后开始回升，一直到期望值。0.6s时负载从400Ω突减到200Ω，电感电流在PI调节器的作用之下慢慢变小，负载需要的电流也变小，多出来的部分被电容通过充电吸收，导致了输出电压升高，电感电流达到新的稳态值之后，输出电压上升至最高点然后回落，一直回到期望电压。图中曲线可以看出，由于PI调节器的滞后特性，负载发生图此案的时候，PWM控制信号的占空比没有立马发生变化，而是逐渐变化的