變頻空調(diào)PFC控制技術(shù)及算法研究

1 引言

電力電子裝置的廣泛使用給電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染。有源功率因數(shù)校正技術(shù)（power factor correction，PFC）是抑制電流諧波、提高功率因數(shù)、降低電力電子裝置對電網(wǎng)污染的有效方法。

由于變頻空調(diào)隨著頻率的升高，直流母線電壓會下降，同時，母線電壓波動明顯，電流波形畸變大，為了穩(wěn)定直流母線電壓，提高功率因數(shù)，常常采用PFC控制技術(shù)。

傳統(tǒng)的PFC控制方法，通過增加硬件電路來實現(xiàn)[1-4]，增加了硬件成本，控制復(fù)雜。單級PFC以其結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點得到了廣泛的研究[3-4]。

2 變頻空調(diào)PFC控制原理

為了降低硬件成本，設(shè)計團隊采用簡單的適合空調(diào)等功率不是很高的家用電器PFC控制電路，通過算法來提高功率因數(shù)，并進行了大量的理論研究和算法分析。所采用的控制電路如圖1所示。

檢測PFC輸出端Vout電壓Edc，檢測電源電流的平均值Ims和瞬時平均值Ius,通過算法，自動輸出占空比可變的PWM，控制IGBT V101的導通和關(guān)斷，調(diào)節(jié)直流母線電壓和功率因數(shù)，直流母線電壓隨意提升，而且穩(wěn)定，功率因素最高可達100%。

其中，V101為IGBT，R101為采樣電阻。假定電感L101足夠大，輸入電壓為Vin，電流Ii無變化，PWM載波周期時間為Ts，導通時間為Ton，斷開時間為Toff，輸出電壓為Vout，由輸入輸出能量不變有：

由于所以PFC具有升壓的功能。

由（1）可得：

得占空比系數(shù)公式：

式中：

是輸入電壓的均方根值，

由于前面的推導是基于輸入能量不變的原理，實際應(yīng)該對（2）進行修正，修正后的公式為（3）式：

式中，是瞬時平均值，是電流的平均值， 為升壓比系數(shù)， ， 代表乘法運算。

由（4）得：

通過Ton、Toff計算控制IGBT的PWM開通和關(guān)斷時間，設(shè)置好相應(yīng)的寄存器后，就自動由MCU控制IGBT的開通和關(guān)斷。

圖2中表明，無PFC控制時，輸入電源電流在輸入電源電壓過零附近的區(qū)域為0，電流相位和輸入電壓存在相位差，功率因素低，如果在這些地方，根據(jù)計算控制IGBT的PWM占空比，使輸入電流有電流流過而不為0，理想情況下，可以使輸入電壓和輸入電流同相位，功率因素可達100%。

3 變頻空調(diào)PFC控制算法

變頻空調(diào)PFC控制，采用如下的步驟進行控制：

（1）微處理器MCU通過電流檢測單元AD轉(zhuǎn)換檢測電源電流瞬時值I，通過電壓檢測單元檢測直流母線輸出電壓Edc；

（2）MCU將電源電流瞬時值I按照低通濾波等方法求出電源瞬時平均電流Ius，和電源平均電流Ims；

圖1 PFC控制原理圖示意圖

圖2 PFC調(diào)節(jié)前后輸入電流波形對比示意圖

圖3 PFC關(guān)閉時，50Hz交流輸入電源側(cè)電流波形

（3）MCU通過比列積分調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)方法，將設(shè)定的電壓Edc_set和直流母線電壓Edc之差作為比列積分調(diào)節(jié)的輸入，而比列積分調(diào)節(jié)之輸出作為升壓比系數(shù) 之值，比列積分調(diào)節(jié)的目的是將差值（Edc_set_Edc-Edc）調(diào)節(jié)為0，從而迫使輸出電壓跟隨設(shè)定的輸出電壓，自動調(diào)節(jié)；

圖4 PFC開啟，輸入電源50Hz時電源側(cè)電流波形

圖5 PFC開啟，輸入電源60Hz時電源側(cè)電流波形

（4）MCU按照公式

（5）微處理器通過 ， 設(shè)置控制IGBT之PWM波輸出的相應(yīng)寄存器，自動由MCU控制IGBT的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)PFC的自動調(diào)節(jié)和對功率因素的控制。

4 試驗結(jié)果

采用上海日立電器有限公司生產(chǎn)的ASD102SPKA6JT1型號的永磁無刷直流電機進行試驗，其電機參數(shù)為：電阻R=0.895歐姆，d軸電感Ld=0.0164亨利，q軸電感Lq=0.0199亨利，反電動勢常數(shù)Ke=0.1762V/[rad/s]，轉(zhuǎn)動慣量J=0.000311Kg/m2，極對數(shù)p=2。

圖3是PFC關(guān)閉時，50Hz交流輸入電源側(cè)電流波形，圖4是PFC開啟，輸入電源50Hz時電源側(cè)電源電流波形，圖5為PFC開啟，輸入電源60Hz時輸入電源測電源電流波形，可見，PFC控制效果非常好，功率因素接近100%。

5 結(jié)論

通過檢測電源瞬時平均電流、電源平均電流，直流母線輸出電壓，自動計算、控制PWM波的占空比，實現(xiàn)直流母線電壓的升壓和穩(wěn)定，自動調(diào)節(jié)電源功率因素，控制模型簡單，控制方便，無需過多的硬件電路。極易實現(xiàn)98%～99.9%的電源功率因數(shù)調(diào)節(jié)，輸出電壓波動非常小，達到理想的功率因素自動調(diào)節(jié)的目的。

通過大量的實驗驗證，證明了本文介紹的變頻空調(diào)PFC控制技術(shù)及算法實用、可靠，此算法已經(jīng)在長虹自主開發(fā)的180°永磁無刷直流電機控制器上廣泛使用，完成所有的嚴酷的實驗，已投入批量生產(chǎn)，為長虹空調(diào)芯片及功能的自主定義打下了堅實的基礎(chǔ)，打破了國外變頻軟件開發(fā)的技術(shù)壟斷。

參考文獻：

[1] 王慧貞, 張軍達. 一種新型無橋Boost PFC電路. 電工技術(shù)學報, 第25卷第5期, 2010.5, 110-113.

[2] 馬紅波, 等. 單開關(guān)管無橋SEPIC PFC變換器, 電力自動化設(shè)備. 電機與控制學報, 第34卷第4期，2014.4, 73-75.

[3] 王大慶, 等. 單級Boost橋式PFC變換器的Buck啟動策略研究. 中國電機工程學報, 第33卷第9期, 2013.3.25, 26-29.

[4] 李冬, 阮新波. 高效率的BOOST型功率因數(shù)校正預(yù)調(diào)節(jié)器[J]．中國電機工程學報, 2004，24(10)：153-156.