功率因數(shù)的補償與分析.doc

天津理工大學(xué) 功率因數(shù)補償?shù)姆治雠c研究 設(shè)計者：老 頭 課程設(shè)計任務(wù)書課題六功率因數(shù)補償?shù)姆治雠c研究 指導(dǎo)教師 天津理工大學(xué) 自動化與能源工程學(xué)院 電工與電子實驗中心 電路課程設(shè)計說明書 課程名稱： 電路課程設(shè)計 設(shè)計題目：功率因數(shù)補償?shù)姆治雠c研究 院 系： 自動化學(xué)院 電氣系 班 級： 08電氣2班 設(shè) 計 者： 老 頭 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間：2010年5月1日12日 天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院 電路課程設(shè)計任務(wù)書功率因數(shù)的補償與分析目錄方法一 P4方法二P9創(chuàng)新設(shè)計P16研究型課程設(shè)計功率因數(shù)補償?shù)姆治龊脱芯糠椒ㄒ?、?chuàng)建Simulink仿真模型（1） 創(chuàng)建模型按照電路圖1-1，可得出實驗原理圖1-2，根據(jù)創(chuàng)建Simulink模型的方法和步驟，搭建功率因數(shù)的補償和提高的仿真模型，如圖1-3所示，文件名ex.mdl。圖1-2圖1-1 （2）仿真參數(shù)的設(shè)置交流電壓源Peak Amplitude設(shè)置220*sqrt（2），頻率為50Hz，初相位為。日光燈、鎮(zhèn)流器的等效電路參數(shù)設(shè)置采用RLC串聯(lián)支路模型，R取293.76歐姆，L取1.47H，C取inf。并聯(lián)電容參數(shù)的設(shè)置采用RLC串聯(lián)支路模型，R取哦，L置0，C分別設(shè)置為所需要的值：0.46，4.1，4.6 ，8.1和11.9。圖1-3開關(guān)的設(shè)置緩沖器R設(shè)為inf，C設(shè)為inf，初始狀態(tài)設(shè)為1，switching times設(shè)為0.05s；功率測量的基波頻率設(shè)為50Hz；RMS測量模塊的基波頻率均設(shè)為50Hz。仿真參數(shù)的設(shè)置：仿真的start time為0，stop time為0.1；求解器設(shè)為步長ode23s，其他為默認值設(shè)置。 （3）仿真結(jié)果檢查仿真模塊，在確認參數(shù)的設(shè)置和模塊當(dāng)?shù)倪B接確保無誤的情況下，啟動仿真，其中C=4.6。（a）電源電壓的波形（b）有功功率和無功功率的波形（c）電容支路電流（d）日光燈、鎮(zhèn)流器支路電流（e）電源支路總電路波形（4） 分析結(jié)果利用電力系統(tǒng)分析模塊Powergui的分析結(jié)果如圖4-1所示。圖4-1 （5）創(chuàng)建分析報告利用電力系統(tǒng)分析模塊Powergui的創(chuàng)建分析報告功能，形成的分析報告結(jié)果如下：SimPowerSystems Report.generated by powergui,05-May-2010 08:58:55Model : C:UserslvxiangDesktop課程設(shè)計untitled.mdl.1 Steady-State voltages and currents:States at 50 Hz :Il_日光燈 等效電路 = 0.402 Arms -57.54Uc_補償 電容 = 220 Vrms -0.00Measurements at 50 Hz :Upq = 220 V rms 0.00U = 220 V rms 0.00總電流I = 0.2168 A rms -5.62日光燈 電流IL = 0.402 A rms -57.54電容 電流Ic = 0.3179 A rms 90.00電流Ipq = 0.2168 A rms -5.62Sources at 50 Hz :交流電壓源 = 220 V rms 0.00Nonlinear elements at 50 Hz :U_Breaker = 0.009538 V rms 90.00I_Breaker = 0.3179 A rms 90.002 Initial values of States Variables:NONLINEAR ELEMENTS : U_Breaker = 0.009538 V rms 90.00I_Breaker = 0.3179 A rms 90.003 Machine Load Flow solution:（6） 仿真數(shù)據(jù)分析表6-1用同樣的方法，可以分別測出電容為4.1，4.6 ，8.1和11.9時的數(shù)值，結(jié)果如表6-1所示。ababababaS開路0.40180.4020.00000.0000.40.447472200.460.37550.3760.03180.0320.40.447472204.10.22280.2230.28340.2840.40.447472204.60.21680.2170.31790.3180.40.447472208.10.30860.3090.55980.5600.40.4474722011.90.52930.5300.82500.8250.40.44747220從表6-1的數(shù)據(jù)我們繪制出電源支路電流I和并聯(lián)電容值的關(guān)系曲線如圖6-1所示。圖6-1有仿真結(jié)果分析可知：感性負載在并聯(lián)電容后，兩端的電壓不變，日光燈支路的電流不變，電路的有功功率也不變；電容支路的電流隨電容值得增大而增大，并聯(lián)后的總電流先隨并聯(lián)電容值的增加反而減小，達到某一最小值之后，隨電容值得增加而增大。方法二、編寫M文件 （1） 、并聯(lián)電容前的電路分析clear,close all,format compactR=293.76;w=100*pi;L=1.47;Zl=j*w*L;Z=R+Zl;Us=220*exp(0*j*pi/180);I=Us/Z;display(并聯(lián)電容前RL支路的電流Iz)Iz=abs(I)display(并聯(lián)電容前RL之路的阻抗角a)a=atan(imag(I)/real(I)*180/pidisplay(并聯(lián)電容前的功率因數(shù))cos(angle(I)display( Us Iz)disp(幅值),disp(abs(Us I)disp(相角),disp(angle(Us I)*180/pi)ha=compass(Us/220 I);set(ha, linewidth,4)運行結(jié)果如下：并聯(lián)電容前RL支路的電流IzIz =0.4020并聯(lián)電容前RL之路的阻抗角aa = -57.5396并聯(lián)電容前的功率因數(shù)ans = 0.5367 Us Iz幅值220.0000 0.4020相角 0 -57.5396相量圖如圖1-1圖1-1（2） 、并聯(lián)電容后的電路分析1）%C=0.46C1=0.46e-6;C2=4.1e-6;C3=4.6e-6;C4=8e-6;C5=11.9e-6;Zc1=1/(j*w*C1);Zc2=1/(j*w*C2);Zc3=1/(j*w*C3);Zc4=1/(j*w*C4);Zc5=1/(j*w*C5);Zz1=(Z*Zc1)/(Z+Zc1);Zz2=(Z*Zc2)/(Z+Zc2);Zz3=(Z*Zc3)/(Z+Zc3);Zz4=(Z*Zc4)/(Z+Zc4);Zz5=(Z*Zc5)/(Z+Zc5);%C=0.46display(并聯(lián)電容C1=0.46后總電流Iz1的幅值，單位：A，)Iz1=Us/Zz1,abs(Iz1),display(并聯(lián)電容C1=0.46后總電流的相位a1，單位：度)a1=atan(imag(Iz1)/real(Iz1)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C1=0.46后C支路的電流Ic1，單位：A,)Ic1=Us/Zc1,abs(Ic1),display(并聯(lián)電容C1=0.46后總電容C支路的相位a1c，單位：度)acl=atan(imag(Ic1)/real(Ic1)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C1=0.46后的功率因數(shù)) cos(angle(Iz1)disp( Us Iz1 Ic1)disp(幅值),disp(abs(Us Iz1 Ic1)disp(相角),disp(angle(Us Iz1 Ic1)*180/pi)ha=compass(Us/300 Iz1 Ic1);set(ha, linewidth,4)運行結(jié)果如下：并聯(lián)電容C1=0.46后總電流Iz1的幅值，單位：A，Iz1 = 0.2157 - 0.3074ians = 0.3755并聯(lián)電容C1=0.46后總電流的相位a1，單位：度a1 = -54.9351并聯(lián)電容C1=0.46后C支路的電流Ic1，單位：A,Ic1 = 0 + 0.0318ians = 0.0318并聯(lián)電容C1=0.46后總電容C支路的相位a1c，單位：度Warning: Divide by zero.acl = -90并聯(lián)電容C1=0.46后的功率因數(shù) 圖2-1ans = 0.5745 Us Iz1 Ic1幅值 220.0000 0.3755 0.0318相角 0 -54.9351 90.0000相量圖如圖2-12）%C=4.1display(并聯(lián)電容C2=4.1后總電流Iz2的幅值，單位：A，)Iz2=Us/Zz2,abs(Iz2),display(并聯(lián)電容C2=4.1后總電流的相位a2，單位：度)a2=atan(imag(Iz2)/real(Iz2)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C2=4.1后C支路的電流Ic2，單位：A,)Ic2=Us/Zc2,abs(Ic2),display(并聯(lián)電容C2=4.1后總電容C支路的相位a2c，單位：度)acl=atan(imag(Ic2)/real(Ic2)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C2=4.1后的功率因數(shù)) cos(angle(Iz2)disp( Us Iz2 Ic2)disp(幅值),disp(abs(Us Iz2 Ic2)disp(相角),disp(angle(Us Iz2 Ic2)*180/pi)ha=compass(Us/300 Iz2 Ic2);set(ha, linewidth,4)分析結(jié)果如下：并聯(lián)電容C2=4.1后總電流Iz2的幅值，單位：A，Iz2 = 0.2157 - 0.0558ians = 0.2228并聯(lián)電容C2=4.1后總電流的相位a2，單位：度a2 = -14.4971并聯(lián)電容C2=4.1后C支路的電流Ic2，單位：A,Ic2 = 0 + 0.2834i 圖2-2ans = 0.2834并聯(lián)電容C2=4.1后總電容C支路的相位a2c，單位：度Warning: Divide by zero.acl = -90并聯(lián)電容C2=4.1后的功率因數(shù)ans = 0.9682 Us Iz2 Ic2幅值 220.0000 0.2228 0.2834相角 0 -14.4971 90.0000相量圖如圖2-23）%C=4.6display(并聯(lián)電容C3=4.6后總電流Iz3的幅值，單位：A，)Iz3=Us/Zz3,abs(Iz3),display(并聯(lián)電容C3=4.6后總電流的相位a3，單位：度)a3=atan(imag(Iz3)/real(Iz3)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C3=4.6后C支路的電流Ic3，單位：A,)Ic3=Us/Zc3,abs(Ic3),display(并聯(lián)電容C3=4.6后總電容C支路的相位a3c，單位：度)acl=atan(imag(Ic3)/real(Ic3)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C3=4.6后的功率因數(shù)) cos(angle(Iz3)disp( Us Iz3 Ic3)disp(幅值),disp(abs(Us Iz3 Ic3)disp(相角),disp(angle(Us Iz3 Ic3)*180/pi)ha=compass(Us/300 Iz3 Ic3);set(ha, linewidth,4)運行結(jié)果如下：并聯(lián)電容C3=4.6后總電流Iz3的幅值，單位：A，Iz3 = 0.2157 - 0.0212ians = 0.2168并聯(lián)電容C3=4.6后總電流的相位a3，單位：度a3 = -5.6186并聯(lián)電容C3=4.6后C支路的電流Ic3，單位：A,Ic3 = 0 + 0.3179ians = 0.3179并聯(lián)電容C3=4.6后總電容C支路的相位a3c，單位：度Warning: Divide by zero.acl = -90 圖2-3并聯(lián)電容C3=4.6后的功率因數(shù)ans = 0.9952 Us Iz3 Ic3幅值 220.0000 0.2168 0.3179相角 0 -5.6186 90.0000相量圖如2-34）%C=8.1display(并聯(lián)電容C4=8.1后總電流Iz4的幅值，單位：A，)Iz4=Us/Zz4,abs(Iz4),display(并聯(lián)電容C4=8.1后總電流的相位a4，單位：度)a4=atan(imag(Iz4)/real(Iz4)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C4=8.1后C支路的電流Ic4，單位：A,)Ic4=Us/Zc4,abs(Ic4),display(并聯(lián)電容C4=8.1后總電容C支路的相位a4c，單位：度)acl=atan(imag(Ic4)/real(Ic4)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C4=8.1后的功率因數(shù)) cos(angle(Iz4)disp( Us Iz4 Ic4)disp(幅值),disp(abs(Us Iz4 Ic4)disp(相角),disp(angle(Us Iz4 Ic4)*180/pi)ha=compass(Us/300 Iz4 Ic4);set(ha, linewidth,4)運行結(jié)果如下：并聯(lián)電容C4=8.1后總電流Iz4的幅值，單位：A，Iz4 = 0.2157 + 0.2138ians = 0.3037并聯(lián)電容C4=8.1后總電流的相位a4，單位：度a4 = 44.7375并聯(lián)電容C4=8.1后C支路的電流Ic4，單位：A,Ic4 = 0 + 0.5529ians = 0.5529并聯(lián)電容C4=8.1后總電容C支路的相位a4c，單位：度acl = -90 圖2-4并聯(lián)電容C4=8.1后的功率因數(shù)ans = 0.7103 Us Iz4 Ic4幅值 220.0000 0.3037 0.5529相角 0 44.7375 90.0000相量圖如圖2-45） %C=11.9display(并聯(lián)電容C5=11.9后總電流Iz5的幅值，單位：A，)Iz5=Us/Zz5,abs(Iz5),display(并聯(lián)電容C5=11.9后總電流的相位a5，單位：度)a5=atan(imag(Iz5)/real(Iz5)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C5=11.9后C支路的電流Ic5，單位：A,)Ic5=Us/Zc5,abs(Ic5),display(并聯(lián)電容C5=11.9后總電容C支路的相位a5c，單位：度)acl=atan(imag(Ic5)/real(Ic5)*180/pidisplay(并聯(lián)電容C5=11.9后的功率因數(shù)) cos(angle(Iz5)disp( Us Iz5 Ic5)disp(幅值),disp(abs(Us Iz5 Ic5)disp(相角),disp(angle(Us Iz5 Ic5)*180/pi)ha=compass(Us/300 Iz5 Ic5);set(ha, linewidth,4)運行結(jié)果如下：并聯(lián)電容C5=11.9后總電流Iz5的幅值，單位：A，Iz5 = 0.2157 + 0.4833ians = 0.5293并聯(lián)電容C5=11.9后總電流的相位a5，單位：度a5 = 65.9457并聯(lián)電容C5=11.9后C支路的電流Ic5，單位：A,Ic5 = 0 + 0.8225ians = 0.8225并聯(lián)電容C5=11.9后總電容C支路的相位a5c，單位：度Warning: Divide by zero.acl = -90并聯(lián)電容C5=11.9后的功率因數(shù) 圖2-5ans = 0.4076 Us Iz5 Ic5幅值 220.0000 0.5293 0.8225相角 0 65.9457 90.0000相量圖如圖2-5總結(jié)：與方法一比較，可見兩種方法得到的結(jié)果是一致的。三、創(chuàng)新設(shè)計使用方法一，我們可以比較電路并聯(lián)電容前和串聯(lián)C=4.6后的電路特性的變化，但無法將并聯(lián)不同阻值的電路特性進行比較，故進行如下改進，仿真電路如圖3-1所示。 圖3-11）、我們知道電容的串聯(lián)的等效容值為各電容值相加，如圖3-2AB兩端的等效電容值為：圖3-22）、由此我們對仿真圖做如下改進，如圖3-1的部分截圖圖3-3所示圖3-3將C1，C2，C3，C4，C5分別設(shè)為：C1=3.8，C2=3.5，C3=0.5，C4=3.64C5=0.46開關(guān)的設(shè)置開關(guān)1，緩沖器R設(shè)為inf，C設(shè)為inf，初始狀態(tài)設(shè)為1，switching times設(shè)為0.03s；開關(guān)2，緩沖器R設(shè)為inf，C設(shè)為inf，初始狀態(tài)設(shè)為1，switching times設(shè)為0.06s；開關(guān)3，緩沖器R設(shè)為inf，C設(shè)為inf，初始狀態(tài)設(shè)為1，switching times設(shè)為0.09s；開關(guān)4，緩沖器R設(shè)為inf，C設(shè)為inf，初始狀態(tài)設(shè)為1，switching times設(shè)為0.12s；開關(guān)5，緩沖器R設(shè)為inf，C設(shè)為inf，初始狀態(tài)設(shè)為1，switching times設(shè)為0.15s；仿真時間的Start time改為0，stop time改為0.18，其它參數(shù)同方法一。我們可以得到表3-1： 表3-1時間T/s接入電容值CT=0.000.03C=0.46+3.64+0.5+3.5+3.8=11.9T=0.030.06C=0.46+3.64+0.5+3.5=8.1T=0.060.09C=0.46+3.64+0.5=4.6T=0.090