有源PFC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉萌

（佛山市順德區(qū)鄭敬詒職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東 佛山 528000）

【摘要】 ?功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，功率因數(shù)越高，電網(wǎng)利用率越高，對(duì)諧波抑制的越好。有源PFC功率因數(shù)校正可以通過(guò)控制算法，提高功率因數(shù)，減少諧波對(duì)電網(wǎng)對(duì)干擾。這里重點(diǎn)介紹有源PFC控制及控制算法概要。

【關(guān)鍵詞】 ?有源PFC 控制算法

【中圖分類號(hào)】 ?G712 ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 ?A ? 【文章編號(hào)】 ?1992-7711（2019）13-172-03

一、PFC控制基本概述

■功率因數(shù)POWER FACTOR

功率因數(shù)一般定義為實(shí)際功率與視在功率的比值：

pf=■

此處，P為實(shí)用功率，Vrms和Arms是有效值電壓和電流。當(dāng)負(fù)載呈現(xiàn)純阻性時(shí)，實(shí)際功率和視在功率相等，功率因數(shù)等于1;若存在相位失真和諧波失真，負(fù)載呈現(xiàn)為非純阻性，那么功率因數(shù)就小于1.

功率因數(shù)的另一種定義：

pf=cosθ

其中θ是輸入電壓和電流正弦曲線的相位偏移角。

二、為什么需要PFC控制

諧波的定義

在周期性的復(fù)合波的各成分中，除基波以外的部分?；l率的n倍被稱為第n次諧波。

電源諧波電流

電源線上流過(guò)的諧波電流。如果電源頻率為50Hz，那么基波頻率則為50Hz、第三次諧波為150Hz的成分。

諧波帶來(lái)的影響

電視機(jī)以及變頻空調(diào)在其內(nèi)部有把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的整流電路，以此形成直流電源，再把電力供到各電子電路中。這些整流電路大多數(shù)為電容輸入型，其輸入電流只在峰值電壓波形附近流通、呈脈沖狀電流波形。當(dāng)出現(xiàn)這樣的電流波形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電壓波形出現(xiàn)畸變、進(jìn)相電容的異常發(fā)熱及電機(jī)或變壓器的噪音增大、受電設(shè)備的容量降低等問(wèn)題，因此IEC以及各國(guó)都設(shè)有限度值來(lái)控制諧波。

三、產(chǎn)生·不產(chǎn)生諧波的電路

不產(chǎn)生諧波的電路實(shí)例和電流波形

線性負(fù)載（白熱燈、電爐、電加熱等）

產(chǎn)生諧波的電路實(shí)例和電流波形

電容輸入型整流電路（電視、錄像機(jī)、音響、電路、微波爐、變頻空調(diào)、變頻照明，變頻電器等）

·相位控制電路（電熱毯、白熱燈、白熱調(diào)光器等）

有源PFC可有效改善電源諧波，調(diào)整電流和電壓的相位差，全周期開(kāi)啟，電流波形好，波形如下

四、有源PFC控制處理結(jié)構(gòu)圖

有源PFC是通過(guò)專用控制電路調(diào)整電流波形，對(duì)電流和電壓波形相位差進(jìn)行補(bǔ)償，減小相位差，元器件體積較小，通過(guò)算法精準(zhǔn)控制，EMI性能好。其控制框圖如下所示

五、有源PFC控制概要說(shuō)明

PFC的理論式

Duty=1-Vp·Sinθ/Ed·ι/（Ip·Sinθ）

=1-（Vp·Sinθ·ι）/（Ed·Ip·Sinθ）

Sainθ抵消

=1-（Vp·ι）/（Ed·Ip）

根據(jù)Kn=Ed/Vp

Duty=1-ι/（Kn·Ip）

把Ip替換成平均電流，那么

Duty=1-ι/（Kn·（π/2）·Ip·（2/π））

把kn·π/2替換成Ka、Ip·（2/π）替換成Iave，

Duty=1-ι/（Ka·Iave）

再轉(zhuǎn)換成載波基數(shù)：兩邊都乘以Tc

Tc Duty=Tc-Tc·ι/（Ka·Iave）

根據(jù)KaTc=Tc/（Ka·Iave）

Tc Duty=Tc-ι·KaTc

注：Vp：電源電壓（最大值）

Ed：目標(biāo)直流電壓

ι：瞬時(shí)電流

Ip：電流值（最大值）

Kn：升壓比

Ka：（Kn·π）/2

Iave：電流（平均值）Ip·2/π

KaTc：預(yù)計(jì)算用變量

六、有源PFC控制的擴(kuò)展功能

1. Iave-Ka控制

當(dāng)Ka值不足π/2時(shí)是部分開(kāi)關(guān)，Ka的值越小IGBT的損耗越低。諧波如圖1所示是與Ka值呈反比例變化。

「Ka-lave控制」如圖2所示根據(jù)變頻電流讓Ka發(fā)生變化、以此把諧波控制在限度值以下，（圖3）減少IGBT的損耗，就可提高PFC的效率。

2.Id-Ka控制

即使變頻輸出電壓出現(xiàn)飽和、在未達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的情況下，可以通過(guò)[弱磁控制（增加-Id）]來(lái)提高轉(zhuǎn)速。但是，隨著-Id的增加、變頻效率會(huì)下降。另一方面，也可以通過(guò)使用PFC的升壓功能來(lái)提高直流電壓，提高變頻的飽和電壓、來(lái)提升轉(zhuǎn)速。但PFC動(dòng)作會(huì)從部分開(kāi)關(guān)動(dòng)作變?yōu)橥耆_(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以PFC的效率會(huì)降低。[Id-Ka控制]組合了這2個(gè)特征、從整體上而言是損耗最少的控制方式。

3.瞬時(shí)停電檢測(cè)控制和防過(guò)電流控制

如果在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中、AC電源出現(xiàn)瞬時(shí)停電，那壓縮機(jī)會(huì)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，直流電壓會(huì)下降，接著當(dāng)AC電源恢復(fù)到原來(lái)的電壓時(shí)，濾波電容上會(huì)產(chǎn)生脈沖狀的大充電電流（大電流），這樣過(guò)電流保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)，那就也可能出現(xiàn)讓壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。作為解決該問(wèn)題的手段之一，就是檢測(cè)瞬時(shí)壓降，停止變頻防止直流電壓的降低，就可以在AC電源恢復(fù)到原來(lái)電壓時(shí)減小脈沖狀的充電電流。

七、PFC動(dòng)作時(shí)的電流過(guò)零點(diǎn)檢知與瞬時(shí)壓降檢測(cè)

控制基本結(jié)構(gòu)：比較PFC的瞬時(shí)電流和算出比較值，測(cè)試在比較值以下的時(shí)間段，檢測(cè)與電流零相位的瞬時(shí)電壓壓降。

1.算出的比較值

PsErrCmpLvel = 設(shè)定值 * Iave * π/2

※ Iave * π/2=電流的峰值

設(shè)定值：電源電壓在60%時(shí)讓其動(dòng)作的話，為0.6

2.過(guò)零點(diǎn)計(jì)算器是在瞬時(shí)電流

3.過(guò)零點(diǎn)計(jì)算器的1/2判斷為零點(diǎn)相位。

4.電源電壓瞬時(shí)下降時(shí)，瞬時(shí)電流也會(huì)降低，如果出現(xiàn)比設(shè)定值要低的瞬時(shí)電壓，那么過(guò)零點(diǎn)計(jì)算器就會(huì)清零。

5.過(guò)零點(diǎn)計(jì)算值如果持續(xù)在0.75周期以上，就判斷為瞬停。

八、PFC停止中的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)

控制基本結(jié)構(gòu)：比較瞬時(shí)電流和平均電流，把瞬時(shí)電流超過(guò)平均電流的點(diǎn)作為T1、低過(guò)的平均電流的點(diǎn)作為T2，再通過(guò)T1、T2求過(guò)零點(diǎn)。

處理步驟：

1.通過(guò)自由運(yùn)行定時(shí)器（Freeruntimer），求出T1、T2

2.根據(jù)前次的T2值和此次的T2值求出電源周期（計(jì)算值）

3.根據(jù)T1、T2、K求出相位計(jì)算值，進(jìn)行相位計(jì)算的同步設(shè)定

K == 0.8（根據(jù)實(shí)測(cè)值求出的值）

隨著變頻技術(shù)帶推廣與普及，有源PFC在家電和電力行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。有源PFC技術(shù)應(yīng)用能降低轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電能損耗，減少諧波干擾對(duì)電網(wǎng)的干擾，提高電網(wǎng)利用率，達(dá)到節(jié)能減排對(duì)作用。

[ 參 ?考 ?文 ?獻(xiàn) ]

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