電力電子裝置的廣泛使用給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)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]。
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(dǎo)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)100%。
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。
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%。
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(dá)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(yán)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。
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