功率因数校正

使用仿真来设计、调节和验证功率因数校正算法。

交流电路的功率因数是电气负载使用的瞬时有功功率与通过电路的视在功率的比值。功率因数衡量电网的输电效率以及与之相连的负载的用电效率。

\[Power \; Factor = \frac{Real \; Power \; (kW)}{Apparent \; Power \; (kVA)}\]

在纯线性电路中,

\[Power \; Factor = cosθ\]

其中 \(θ\) 是以下矢量功率三角形中有功功率和视在功率的夹角。

矢量功率三角形。

如果功率因数接近 1,说明从电网汲取的功率可得到最大限度的利用。如果功率因数较低,则说明电路中的电感或电容元件导致汲取的电流相对于电压滞后或超前,减少了负载可用的瞬时有功功率,且不必要地占用了电缆的载流量。

超前和滞后功率因数的平均功率曲线。

对于非线性电路,功率因数还受到线电流谐波所产生的失真分量的影响。

\[Power \; Factor = cosθ * \frac{1} {\sqrt {1 + Total \; Harmonic \; Distortion^2}}\]

举例而言,像开关模式电源这样的负载之所以得到广泛使用,是因为它们在尺寸、成本和效率方面具有优势。然而,没有功率因数校正的开关模式电源存在一项劣势:由于通过 MOSFET 等半导体器件进行开关,此种电源会在负载电流中引入谐波。这会增加负载电流的总谐波失真,进而降低电能质量。

工程师使用各种技术来提升此类电气装置的电能质量。线性负载的功率因数可通过无功功率补偿加以改善,即补偿超前或滞后的无功功率。不过,对于会产生谐波的非线性负载,必须使用功率因数校正技术(如调谐滤波器或有源谐波滤波器),才能减少谐波并提升电能质量。此类功率因数校正技术需要使用电力电子器件,可由模拟或数字控制器控制。

使用 Simulink® 设计功率因数校正数字控制时,您可以利用多速率仿真来设计和调节数字控制算法,以便按需调整输入电流波形,从而在维持低损耗的同时将电能质量提升到预期值。在硬件上部署控制算法之前,您还可以采用各种负载和输入电压测试和验证控制器。

Boost 功率因数校正数字控制的 Simulink 模型

线电流(蓝色)中的谐波失真及功率因数校正后的电流。

借助 Simulink,您能够:

  • 为开关模式电源、交流电机和配电系统中的其他负载构建准确的仿真模型
  • 执行谐波分析以确定电路中出现的总谐波失真
  • 确定电力变换器中无源器件的规模,确保实现理想的信号特征,例如输出电压波动
  • 使用交流扫描和 PID 自动调优为这些电力变换器设计数字控制器
  • 自动生成 ANSI、ISO 或处理器优化的 C 代码和 HDL,以对控制器进行快速原型和生产实现

使用 Simulink 加快电力变换控制设计的 10 个方法

通过浏览交互式示例和教程,从基本任务向更高级演练进阶。

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