一種家用空調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)校正控制方法

李 強(qiáng)

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528311）

一種家用空調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)校正控制方法

李 強(qiáng)

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司，佛山 528311）

在家用空調(diào)系統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正中，需要在輸入電壓的過(guò)零時(shí)刻開(kāi)啟功率因數(shù)校正功能，以避免非零相位時(shí)刻開(kāi)啟功率因數(shù)校正功能造成的輸入電流超調(diào)沖擊。提出一種頻率自適應(yīng)的過(guò)零檢測(cè)方法，根據(jù)輸入電流開(kāi)環(huán)檢測(cè)電網(wǎng)電壓頻率，在已知頻率的基礎(chǔ)上采用輸入電流峰值閉環(huán)跟蹤的方法進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)。該方法不需要檢測(cè)輸入電壓，能夠自動(dòng)適應(yīng)50 Hz與60 Hz應(yīng)用，同時(shí)該方法能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)電網(wǎng)電壓短時(shí)中斷。

功率因數(shù)校正；家用空調(diào)；頻率檢測(cè)；過(guò)零檢測(cè)；短時(shí)中斷

前言

在家用空調(diào)系統(tǒng)中，單相交流電源一般經(jīng)過(guò)不可控橋式整流，將交流電源整流成直流電源（接大容量電解電容）來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。然而，不可控整流導(dǎo)致整機(jī)功率因數(shù)很低、電流諧波很高，難以滿足電流諧波標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-2。因此，必須在整流后、電解電容前增加功率因數(shù)校正（power factor correction, PFC）電路，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)、減小輸入電流諧波。

功率因數(shù)校正電路可分為無(wú)源功率因數(shù)校正（Passive PFC）方法和有源功率因數(shù)校正（Active PFC）方法。其中，Boost升壓型功率因數(shù)校正電路，不僅能夠提高家用空調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且能起到提升直流母線電壓的作用，更加利于變頻空調(diào)系統(tǒng)的高頻運(yùn)行，故而成為變頻空調(diào)系統(tǒng)有源功率因數(shù)校正的主流解決方案。

Boost升壓型功率因數(shù)校正的控制方法主要兩種，一種是基于直流母線電壓、輸入電壓和輸入電流檢測(cè)的電壓電流雙閉環(huán)控制方法[1-4]，另一種是基于直流母線電壓和輸入電流檢測(cè)的單周期控制方法[1,5-7]。其中，單周期控制方法不需要檢測(cè)輸入電壓，能夠降低系統(tǒng)硬件成本，故而成為本設(shè)計(jì)的首選。但是，在功率因數(shù)校正開(kāi)啟時(shí)刻，由于初始占空比不定，在輸入電壓較高時(shí)，較大的占空比必然造成電流超調(diào)沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)而故障停機(jī)，甚至損壞系統(tǒng)硬件電路。因此，功率因數(shù)校正需要在輸入電壓過(guò)零時(shí)刻開(kāi)啟，需要檢測(cè)輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)。

由于采用單周期控制的Boost升壓型功率因數(shù)校正電路時(shí)，沒(méi)有輸入電壓檢測(cè)電路，因此本文提出一種基于輸入電流的頻率與過(guò)流檢測(cè)方法。首先，根據(jù)輸入電流波形的上升與下降進(jìn)行電網(wǎng)電壓頻率的檢測(cè)；然后，在已知頻率的基礎(chǔ)上，采用輸入電流峰值閉環(huán)跟蹤的方法進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，用于開(kāi)啟PFC；同時(shí)，根據(jù)輸入電流波形可以進(jìn)行電網(wǎng)電壓短時(shí)中斷實(shí)時(shí)偵測(cè)。該方法能夠自動(dòng)適應(yīng)50 Hz與60 Hz應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與海外市場(chǎng)通用。

1 家用空調(diào)系統(tǒng)的功率因數(shù)校正

Boost型功率因數(shù)校正電路不僅可以達(dá)到較高的功率因數(shù)、滿足電流諧波國(guó)標(biāo)，而且可以升壓輸出穩(wěn)定的直流電壓，從而給負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電源。其單周期控制（Single-cycle-control，SCC）方法，不需要檢測(cè)輸入電壓，只需檢測(cè)輸入電流和直流母線電壓，就達(dá)到提高功率因數(shù)和升壓調(diào)節(jié)直流電壓的目的[1,8]。

在單周期控制方法中，定義升壓比aK為：

其中， vdc為直流母線電壓， vin_avg為輸入交流電壓平均值。那么，單周期控制方法的電壓環(huán)，根據(jù)參考電壓 vdc_ref和反饋直流母線電壓 vdc的偏差，進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，得到升壓比 Ka；然后，根據(jù)式（2）計(jì)算得到功率開(kāi)關(guān)管占空比Duty為：

其中， iin為輸入電流瞬時(shí)值， iin_avg為輸入交流電流平均值。

如圖1所示，Boost型功率因數(shù)校正的單周期控制框圖，通過(guò)電阻采樣方法檢測(cè)輸入電流，通過(guò)電阻分壓方法檢測(cè)直流母線電壓。當(dāng)電壓環(huán)輸出的升壓比Ka達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，通過(guò)單周期控制方法可以實(shí)現(xiàn)輸入電流瞬時(shí)值跟蹤輸入電壓波形，達(dá)到接近單位1的功率因數(shù)。

在家用空調(diào)系統(tǒng)中，根據(jù)輸入電流情況，可以將系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程分成三種狀態(tài)：①待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)上電后、電解電容充電、基本無(wú)功率輸出、輸入電流約為零；②PFC開(kāi)啟前狀態(tài)，有功率輸出、PFC未開(kāi)啟、輸入電流較?。虎跴FC開(kāi)啟后狀態(tài)，有功率輸出、PFC已開(kāi)啟、輸入電流較大。在狀態(tài)②和狀態(tài)③中，輸入電流波形在每個(gè)半周期的90°相位出現(xiàn)獨(dú)立的峰值，根據(jù)輸入電流波形可以進(jìn)行粗略的電壓頻率檢測(cè)，同時(shí)可以通過(guò)跟蹤輸入電流峰值進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)。但是，頻率檢測(cè)與過(guò)零檢測(cè)的精度，受電流采樣頻率和電流波形對(duì)稱性的影響。

圖1 Boost型功率因數(shù)校正的單周期控制框圖

在負(fù)載開(kāi)啟后，狀態(tài)②與狀態(tài)③的切換依據(jù)輸入電流有效值Iin_rms判斷：當(dāng)輸入電流有效值Iin_rms高于開(kāi)啟閾值Ith_on時(shí)，即當(dāng)Iin_rms＞Ith_on時(shí)，PFC開(kāi)啟；當(dāng)輸入電流有效值Iin_rms低于關(guān)斷閾值Ith_off或者發(fā)生故障（過(guò)壓、PFC過(guò)流、短時(shí)中斷等）時(shí)，PFC關(guān)斷。其中，開(kāi)啟閾值Ith_on設(shè)定必須大于關(guān)斷閾值Ith_off。具體地，單周期PFC的控制時(shí)序如圖2所示，包括以下分界點(diǎn)：

1）分界點(diǎn)1—當(dāng)Iin_rms＞Ith_on時(shí)，設(shè)置PFC運(yùn)行標(biāo)志PFC_RUN_FLG。在該分界點(diǎn)之前，PFC關(guān)斷；在該分界點(diǎn)之后，下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始PFC開(kāi)啟。

2）分界點(diǎn)2—當(dāng)PFC_RUN_FLG置位后并且滿足過(guò)零點(diǎn)條件（即在下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)）時(shí)，設(shè)置PFC啟動(dòng)標(biāo)志PFC_ONTIMING_FLG。在該分界點(diǎn)之前，PFC關(guān)斷；在該分界點(diǎn)之后，PFC開(kāi)啟，輸出PFC驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3）分界點(diǎn)3—當(dāng)Iin_rms＜Ith_off或者發(fā)生故障（過(guò)壓、PFC過(guò)流、短時(shí)中斷等）時(shí)，同時(shí)清除PFC運(yùn)行標(biāo)志PFC_RUN_FLG和PFC啟動(dòng)標(biāo)志PFC_ONTIMING_ FLG。在此分界點(diǎn)之前，PFC開(kāi)啟；在該分界點(diǎn)之后，PFC關(guān)閉。

2 基于輸入電流的頻率與過(guò)零檢測(cè)

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與海外市場(chǎng)，同時(shí)存在兩種電網(wǎng)電壓頻率標(biāo)準(zhǔn)，即50 Hz/60 Hz，那么本設(shè)計(jì)同時(shí)滿足這兩種電網(wǎng)電壓頻率。首先，通過(guò)根據(jù)輸入電流的上升下降時(shí)刻，粗略地檢測(cè)輸入電壓頻率，進(jìn)而判斷為50 Hz還是60 Hz；然后在已知頻率的基礎(chǔ)上，采用輸入電流峰值閉環(huán)跟蹤的方法進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，用于開(kāi)啟PFC。在PFC開(kāi)啟后，采用時(shí)間閾值設(shè)定，用于進(jìn)行電網(wǎng)電壓短時(shí)中斷實(shí)時(shí)偵測(cè)。

2.1 開(kāi)環(huán)頻率檢測(cè)

基于輸入電流的開(kāi)環(huán)頻率檢測(cè)方法，根據(jù)輸入電流的上升下降時(shí)刻直接計(jì)算輸入電壓的周期，可以粗略地檢測(cè)輸入電壓頻率。如圖3所示，以PFC開(kāi)通前的平均電流為比較點(diǎn)，檢測(cè)瞬時(shí)電流與比較點(diǎn)的交點(diǎn)時(shí)刻（包括電流上升交點(diǎn)時(shí)刻和電流下降交點(diǎn)時(shí)刻），來(lái)計(jì)算輸入電壓的頻率。

以遠(yuǎn)高于輸入直流電壓頻率(近似100 Hz)的頻率檢測(cè)輸入電流瞬時(shí)值，檢測(cè)頻率要足夠高，不低于10 kHz，可選為PFC頻率相同，以保證周期與過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的精度。采用低通濾波器（截止頻率遠(yuǎn)低于電流信號(hào)頻率100 Hz，比如8 Hz）計(jì)算輸入電流平均值。采用遲滯比較單元對(duì)瞬時(shí)電流和平均電流進(jìn)行比較，獲取并記錄電流上升交點(diǎn)時(shí)刻和電流下降交點(diǎn)時(shí)刻；遲滯區(qū)間必須大于電流檢測(cè)噪聲的峰值。

記當(dāng)前周期的電流上升交點(diǎn)時(shí)刻和下降交點(diǎn)時(shí)刻分別為Tup(k)與Tdown(k)，上一周期的電流上升交點(diǎn)時(shí)刻和下降交點(diǎn)時(shí)刻分別為Tup(k-1)與Tdown(k-1)，那么輸入電壓周期Tperiod為Tperiod= [Tup(k)+Tdown(k) -Tup(k-1) -Tdown(k-1)]。

圖2 PFC控制時(shí)序圖

那么，對(duì)應(yīng)的輸入電壓頻率為1/Tperiod，對(duì)此頻率進(jìn)行低通濾波得到估算頻率Freq_est。當(dāng)Freq_est接近50 Hz，則實(shí)際電壓頻率為50 Hz；當(dāng)Freq_est接近60 Hz，則實(shí)際電壓頻率為60 Hz；當(dāng)Freq_est低于45 Hz或者高于65 Hz，則說(shuō)明檢測(cè)出錯(cuò)，重新檢測(cè)。

2.2 基于輸入電流峰值閉環(huán)跟蹤的過(guò)零檢測(cè)

在家用空調(diào)系統(tǒng)中，在PFC開(kāi)啟前，輸入電流在輸入電壓峰值附近達(dá)到電流峰值，稍微之后電壓峰值；在PFC開(kāi)啟后，功率因數(shù)接近單位1，輸入電流峰值與輸入電壓峰值幾乎同步，二者同時(shí)達(dá)到峰值。因此，可以通過(guò)閉環(huán)跟蹤輸入電流峰值來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入電壓的相位檢測(cè)，而且在PFC開(kāi)啟后的過(guò)零檢測(cè)精度更高。具體地，根據(jù)輸入電流峰值時(shí)刻與相位計(jì)數(shù)器90°相位時(shí)刻的相位偏差，來(lái)閉環(huán)調(diào)整相位計(jì)數(shù)器的清零重啟，使得相位計(jì)數(shù)器在90°相位時(shí)刻達(dá)到輸入電流峰值，那么相位過(guò)零點(diǎn)即為輸入電壓的過(guò)零時(shí)刻，如圖5所示。

記輸入電壓的相位計(jì)數(shù)器為PhaseCnt，每個(gè)PFC周期計(jì)數(shù)一次，一個(gè)電壓周期包含N個(gè)PFC周期。90°輸入電壓相位包含N/4個(gè)PFC周期，180°輸入電壓相位包含N/2個(gè)PFC周期?；谳斎腚娏鞣逯甸]環(huán)跟蹤的過(guò)零檢測(cè)方法，程序流程如圖4所示。如果輸入電壓為50 Hz，PFC載波頻率為40 kHz，那么90°相位對(duì)應(yīng)200個(gè)PFC周期，180°相位對(duì)應(yīng)400個(gè)PFC周期。圖5中顯示了初始過(guò)零點(diǎn)比實(shí)際過(guò)零點(diǎn)滯后的輸入電流峰值閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程。

圖3 基于輸入電流的開(kāi)環(huán)頻率檢測(cè)方法

圖4 過(guò)零檢測(cè)方法的程序流程圖

圖5 基于輸入電流峰值閉環(huán)跟蹤的過(guò)零檢測(cè)

2.3 基于輸入電流的短時(shí)中斷實(shí)時(shí)檢測(cè)

在IEC 61000-4-11標(biāo)準(zhǔn)中，要求16 A以內(nèi)設(shè)備滿足電網(wǎng)電壓20 ms短時(shí)中斷的抗擾度要求。電壓短時(shí)中斷對(duì)家用空調(diào)系統(tǒng)的影響主要有兩種：①電壓中斷期間，相當(dāng)于沒(méi)有輸入電源，系統(tǒng)本身的儲(chǔ)能（主要電解電容）給系統(tǒng)供電；如果電壓中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，直流母線電壓（電解電容電壓）下降過(guò)低導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)；②電壓中斷后的電壓恢復(fù)時(shí)刻，由于電壓中斷期間直流母線電壓下降，使得電壓恢復(fù)時(shí)刻的輸入電壓很可能比直流母線電壓高出很多（特別是在90°相位附近），導(dǎo)致很大的電解電容充電電流，加上PFC的開(kāi)關(guān)電流，將造成輸入電流過(guò)流保護(hù)而停機(jī)，甚至損壞系統(tǒng)硬件電路。

對(duì)于電網(wǎng)電壓短時(shí)中斷的最佳處理，盡可能實(shí)時(shí)地檢測(cè)出短時(shí)中斷；在檢測(cè)到短時(shí)中斷后立即關(guān)閉PFC，并在電壓恢復(fù)后的下一個(gè)電壓過(guò)零點(diǎn)重啟PFC；同時(shí)，在檢測(cè)到短時(shí)中斷后，盡快減小負(fù)載功率，在并在電壓恢復(fù)后的下一個(gè)電壓過(guò)零點(diǎn)后恢復(fù)負(fù)載功率。如此，既可以延長(zhǎng)電網(wǎng)電壓短時(shí)中斷發(fā)生后的系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間，又可以減小的電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)刻的輸入電流沖擊。

設(shè)電流誤差閾值Ierr為輸入電流平均值Iavg的50 %，采用過(guò)零計(jì)數(shù)器ZcCnt對(duì)輸入電流瞬時(shí)值Iin小于電流誤差閾值Ierr的時(shí)間計(jì)數(shù)，如圖6所示，每個(gè)PFC周期執(zhí)行一次：如果(Iin＜Ierr)，ZcCnt++，如圖6灰色部分所示；否則，ZcCnt=0。設(shè)PFC開(kāi)啟后短時(shí)中斷的判斷時(shí)間閾值為1/4個(gè)電壓周期，即如果PFC開(kāi)啟且ZcCnt＞ N/4，則發(fā)生短時(shí)中斷，關(guān)閉PFC，并減小輸出功率。

3 實(shí)驗(yàn)

以美的家用空調(diào)26機(jī)二級(jí)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別在50 Hz 220 VAC和60 Hz 220 VAC兩種輸入電壓下做頻率檢測(cè)、過(guò)零檢測(cè)和短時(shí)中斷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。設(shè)定PFC開(kāi)啟閾值Ith_on為1.5 A，PFC關(guān)斷閾值Ith_off為1A；PFC載波頻率為40 kHz，輸入電流每個(gè)載波周期檢測(cè)一次，并進(jìn)行一次單周期PFC控制，以及頻率檢測(cè)、過(guò)零檢測(cè)和短時(shí)中斷檢測(cè)。

在50 Hz 220 VAC和60 Hz 220 VAC兩種輸入電壓下，分別進(jìn)行10次基于輸入電流的開(kāi)環(huán)頻率檢測(cè)，10次測(cè)試結(jié)果均為正確頻率。圖7為在含短時(shí)中斷的50 Hz 220 VAC輸入電壓下的實(shí)驗(yàn)波形，其中，CH1黃色為輸入電流（5 A/div），CH2綠色為輸入電壓（100 V/div），CH3紫色為PFC運(yùn)行標(biāo)志（微控制器的DA輸出，高電平表示PFC運(yùn)行標(biāo)志置位，反之表示PFC運(yùn)行標(biāo)志清除），CH4藍(lán)色為PFC啟動(dòng)標(biāo)志（微控制器的DA輸出，高電平表示PFC啟動(dòng)標(biāo)志置位，反之表示PFC啟動(dòng)標(biāo)志清除）。如圖所示，在輸入電流達(dá)到開(kāi)啟閾值時(shí)PFC運(yùn)行標(biāo)志置位，在此之后的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，PFC啟動(dòng)標(biāo)志重新置位，PFC開(kāi)啟；輸入電壓中斷約5 ms后， PFC啟動(dòng)標(biāo)志清除，PFC關(guān)斷；當(dāng)輸入電流恢復(fù)后的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，PFC啟動(dòng)標(biāo)志重新置位，PFC開(kāi)啟。整個(gè)過(guò)程與預(yù)期完全吻合，結(jié)果驗(yàn)證了所述方法的可行性。

4 結(jié)論

圖6 基于輸入電流的短時(shí)中斷實(shí)時(shí)檢測(cè)

圖7 家用空調(diào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行波形圖

本文分析了家用空調(diào)系統(tǒng)的Boost升壓型功率因數(shù)校正單周期控制方法，提出了對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)電壓頻率檢測(cè)方法、基于輸入電流峰值閉環(huán)跟蹤的過(guò)零檢測(cè)方法和基于輸入電流比較的短時(shí)中斷實(shí)時(shí)偵測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所述方法的可行性。所述方法，完全基于輸入電流檢測(cè)，無(wú)需輸入電壓檢測(cè)，可以降低電控系統(tǒng)的成本。所述方法能夠自動(dòng)適應(yīng)50 Hz與60 Hz應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與海外市場(chǎng)通用。同時(shí)，所述方法能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)電網(wǎng)電壓短時(shí)中斷，提高了家用空調(diào)系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓抗擾度，滿足IEC 61000-4-11標(biāo)準(zhǔn)。

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A Novel Control Approach for Power Factor Correction in Residential Air-conditioner System

LI Qiang
(GD Midea Air-conditioning Equipment Co., Ltd., Foshan 528311)

In residential air-conditioner system, the active power factor correction should be started at zero-crossing phase of input AC voltage, in order to avoid the input current overshoot at non-zero phase voltage starting. A frequency self-adaptively zero-crossing detection approach is presented in this paper, which detects the voltage frequency by open-loop method and zero-crossing phase by input current peak closed-loop tracking. The proposed approach can be applied in 50Hz and 60Hz. This method is without input voltage measure, and it can detect the voltage short interruptions in real-time.

power factor correction; residential air-conditioner; frequency detection; zero crossing detection; short interruption

TM464

A

1004-7204（2015）04-0041-06

李強(qiáng)（1978-），男，工程碩士研究生，研究方向?yàn)樽冾l控制與制冷技術(shù)。