功率因數(shù)校正技術在變頻空調上的應用

據(jù)統(tǒng)計，空調消費了城市平均30%的電力，隨著全球氣候變暖的情況越來越嚴峻，需要生產(chǎn)更節(jié)能的空調，國家也在逐年提升能效等級。變頻空調由于頻率可調，節(jié)能效果好，舒適性高的特點，在此背景下得到了階躍式的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，2008年9月以前，變頻空調的市場份額僅有7%。但到了2009年，達到了16%。截至2010年3月，更是達到27%，僅僅1年多時間，占比上漲了20%，而且這一趨勢將繼續(xù)快速發(fā)展。

目前的空調都是采用AC-DC-Ac的變頻方式，前級采用不可控橋式整流方式進行功率變換，該整流方式電路結構簡單可靠，成本低。但是導致大量電流諧波特別是三次諧波的產(chǎn)生，大大降低了電網(wǎng)的傳輸效率，對公共電力系統(tǒng)造成污染，引發(fā)了電路故障。為了抑制電網(wǎng)諧波，減少電流污染，從1992年開始國際上開始以立法的形式限制高次諧波(如歐盟的EN61000-3-2)，中國也頒布了相關的國家標準，電器產(chǎn)品只有符合相應的諧波標準才可以進入市場，變頻空調也不例外。

1、功率因數(shù)校正的基本原理

功率因數(shù)校正定義為有功功率(P)跟視在功率的比值，對于正弦的電流和電壓，可表達為電流電壓相位差的余弦值，功率因數(shù)值介干0-1之間，調整電壓和電流的相位差，可以以提高功率因數(shù)。當電流波形與電壓波形完全同步時，功率因數(shù)也就等于1了。

但是當電流是非正弦時，與功率因數(shù)相關的因素包含以下兩個方面:(1)電壓電流的相位差;(2)電流波形的畸變程度。因此可以用下式來表達功率因數(shù)與以上兩個條件的關系:

在上式中，Irms(1)是電流的基波成分，Irms是電流的有效值。因此，可以通過使Kd=1和Kθ=1來進行功率因數(shù)校正。由此設計出各種不同的PFC電路，以適用于不同的應用場合。

2、空調用PFC的選擇與設計

不同制冷能力的空調輸入電功率也有很大的差別，如1P空調在額定條件下壓縮機輸入功率在700W左右，但在惡劣工況下可能會達到1500W以上;2P空調壓縮機輸人功率最大可達到2600W-2700W;3P空調則達到3700W-3800W。因此不同功率等級的變頻空調需要選用不同的PFc拓補結構，以求在滿足國家強制諧波標準的情況下達到最高的性價比。

2.1 無源PFC

無源PFC又叫被動式PFC，其拓補結構見圖5。通過在整流器回路中加入電抗器，以減小濾波電容充電電流尖峰(提高Kd)和延長電流的導通時間(提高COSω)，提高功率因數(shù)，抑制諧波電流。根據(jù)電抗器特性?？梢詫㈦姼衅鞣胖迷诮涣鱾然蛑绷鱾?。

被動式PFc具有元器件少，結構簡單，輸出電壓低，可靠性高和無EMI干擾的特點。電抗器的電感量越大，諧波抑制效果就越好，但是成本和體積的也增加，，因此需要在滿足國家標準的要求前提下取得最佳性價比。

被動式PFC當負載電流變大時，電抗器上的壓降也增加，會影響系統(tǒng)的性能的發(fā)揮。極端情況下還可能導致系統(tǒng)無法正常。因此只適用于低功率的領域。

1P的變頻空調額定條件可以使用被動式PFc，但是由于在過負荷的情況下，輸出的直流母線大幅降低，不能滿足永磁電機高速運轉時對直流電壓的需求，限制了變頻空調在這種條件下最大能力的發(fā)揮。因此被動式PFC只在以前的對直流母線電壓要求不高的交流變頻上(壓縮機電機為異步電機)適用，目前流行的直流變頻(壓縮機使用永磁電機)均不再使用。

2.2 改進型被動式PFC

改進型的被動式PFC在電抗器上增加一個輔助繞組，并在輔助繞組上接入合適容量的電容(見圖一)，可以使用電感量小一些的電抗器有效濾除高次諧波，特別是三次諧波。使電抗器上的壓降減小，擴大被動式PFC的適用范圍。但是仍然無法從根本上解決輸出電壓低的問題。

另外一種改進型拓補結構是在主電抗器的兩端增加一個輔助電抗器和電容(見圖二)，在滿足諧波測試要求的情況下，利用電感與電容的諧振電壓，適當提高輸出電壓。進一步擴寬了被動式PFC的適用范圍，使被動式的PFC可以應用在使用低反電動勢壓縮機的空調系統(tǒng)上，使變頻空調利用最可靠的PFC滿足國家標準諧波測試的要求。

如果電路參數(shù)搭配得好的話，可以基本上抵消所有的電抗器壓降。但是諧振回路上的電感量一般要配置得比較大，再加上前面小容量(100uF)、大紋波電流的電解電容和與電抗器串聯(lián)的交流電容，會增加很大的成本，推廣起來會有不少的成本壓力。

2.3 半主動式PFC

為了解決被動式PFC輸出電壓低的問題，出現(xiàn)了一種介干主動式PFC和被動式PFc之間的一種功率因數(shù)校正電路，因此也通俗稱為半主動式PFc，或者叫做部分開關式PFC，其拓補結構(見圖3)與主動式PFC基本一致，使用了一個可控開關器件。