变频空调PFC控制技术及算法研究

1 引言

电力电子装置的广泛使用给电网带来了严重的谐波污染。有源功率因数校正技术（power factor correction，PFC）是抑制电流谐波、提高功率因数、降低电力电子装置对电网污染的有效方法。

由于变频空调随着频率的升高，直流母线电压会下降，同时，母线电压波动明显，电流波形畸变大，为了稳定直流母线电压，提高功率因数，常常采用PFC控制技术。

传统的PFC控制方法，通过增加硬件电路来实现[1-4]，增加了硬件成本，控制复杂。单级PFC以其结构简单、效率高等优点得到了广泛的研究[3-4]。

2 变频空调PFC控制原理

为了降低硬件成本，设计团队采用简单的适合空调等功率不是很高的家用电器PFC控制电路，通过算法来提高功率因数，并进行了大量的理论研究和算法分析。所采用的控制电路如图1所示。

检测PFC输出端Vout电压Edc，检测电源电流的平均值Ims和瞬时平均值Ius,通过算法，自动输出占空比可变的PWM，控制IGBT V101的导通和关断，调节直流母线电压和功率因数，直流母线电压随意提升，而且稳定，功率因素最高可达100%。

其中，V101为IGBT，R101为采样电阻。假定电感L101足够大，输入电压为Vin，电流Ii无变化，PWM载波周期时间为Ts，导通时间为Ton，断开时间为Toff，输出电压为Vout，由输入输出能量不变有：

由于所以PFC具有升压的功能。

由（1）可得：

得占空比系数公式：

式中：

是输入电压的均方根值，

由于前面的推导是基于输入能量不变的原理，实际应该对（2）进行修正，修正后的公式为（3）式：

式中，是瞬时平均值，是电流的平均值， 为升压比系数， ， 代表乘法运算。

由（4）得：

通过Ton、Toff计算控制IGBT的PWM开通和关断时间，设置好相应的寄存器后，就自动由MCU控制IGBT的开通和关断。

图2中表明，无PFC控制时，输入电源电流在输入电源电压过零附近的区域为0，电流相位和输入电压存在相位差，功率因素低，如果在这些地方，根据计算控制IGBT的PWM占空比，使输入电流有电流流过而不为0，理想情况下，可以使输入电压和输入电流同相位，功率因素可达100%。

3 变频空调PFC控制算法

变频空调PFC控制，采用如下的步骤进行控制：

（1）微处理器MCU通过电流检测单元AD转换检测电源电流瞬时值I，通过电压检测单元检测直流母线输出电压Edc；

（2）MCU将电源电流瞬时值I按照低通滤波等方法求出电源瞬时平均电流Ius，和电源平均电流Ims；

图1 PFC控制原理图示意图

图2 PFC调节前后输入电流波形对比示意图

图3 PFC关闭时，50Hz交流输入电源侧电流波形

（3）MCU通过比列积分调节等调节方法，将设定的电压Edc_set和直流母线电压Edc之差作为比列积分调节的输入，而比列积分调节之输出作为升压比系数 之值，比列积分调节的目的是将差值（Edc_set_Edc-Edc）调节为0，从而迫使输出电压跟随设定的输出电压，自动调节；

图4 PFC开启，输入电源50Hz时电源侧电流波形

图5 PFC开启，输入电源60Hz时电源侧电流波形

（4）MCU按照公式

（5）微处理器通过 ， 设置控制IGBT之PWM波输出的相应寄存器，自动由MCU控制IGBT的开通和关断，实现PFC的自动调节和对功率因素的控制。

4 试验结果

采用上海日立电器有限公司生产的ASD102SPKA6JT1型号的永磁无刷直流电机进行试验，其电机参数为：电阻R=0.895欧姆，d轴电感Ld=0.0164亨利，q轴电感Lq=0.0199亨利，反电动势常数Ke=0.1762V/[rad/s]，转动惯量J=0.000311Kg/m2，极对数p=2。

图3是PFC关闭时，50Hz交流输入电源侧电流波形，图4是PFC开启，输入电源50Hz时电源侧电源电流波形，图5为PFC开启，输入电源60Hz时输入电源测电源电流波形，可见，PFC控制效果非常好，功率因素接近100%。

5 结论

通过检测电源瞬时平均电流、电源平均电流，直流母线输出电压，自动计算、控制PWM波的占空比，实现直流母线电压的升压和稳定，自动调节电源功率因素，控制模型简单，控制方便，无需过多的硬件电路。极易实现98%～99.9%的电源功率因数调节，输出电压波动非常小，达到理想的功率因素自动调节的目的。

通过大量的实验验证，证明了本文介绍的变频空调PFC控制技术及算法实用、可靠，此算法已经在长虹自主开发的180°永磁无刷直流电机控制器上广泛使用，完成所有的严酷的实验，已投入批量生产，为长虹空调芯片及功能的自主定义打下了坚实的基础，打破了国外变频软件开发的技术垄断。

参考文献：

[1] 王慧贞, 张军达. 一种新型无桥Boost PFC电路. 电工技术学报, 第25卷第5期, 2010.5, 110-113.

[2] 马红波, 等. 单开关管无桥SEPIC PFC变换器, 电力自动化设备. 电机与控制学报, 第34卷第4期，2014.4, 73-75.

[3] 王大庆, 等. 单级Boost桥式PFC变换器的Buck启动策略研究. 中国电机工程学报, 第33卷第9期, 2013.3.25, 26-29.

[4] 李冬, 阮新波. 高效率的BOOST型功率因数校正预调节器[J]．中国电机工程学报, 2004，24(10)：153-156.