一種家用空調系統的功率因數校正控制方法

李 強

（廣東美的制冷設備有限公司，佛山 528311）

一種家用空調系統的功率因數校正控制方法

李 強

（廣東美的制冷設備有限公司，佛山 528311）

在家用空調系統的有源功率因數校正中，需要在輸入電壓的過零時刻開啟功率因數校正功能，以避免非零相位時刻開啟功率因數校正功能造成的輸入電流超調沖擊。提出一種頻率自適應的過零檢測方法，根據輸入電流開環檢測電網電壓頻率，在已知頻率的基礎上采用輸入電流峰值閉環跟蹤的方法進行過零檢測。該方法不需要檢測輸入電壓，能夠自動適應50 Hz與60 Hz應用，同時該方法能夠實時偵測電網電壓短時中斷。

功率因數校正；家用空調；頻率檢測；過零檢測；短時中斷

前言

在家用空調系統中，單相交流電源一般經過不可控橋式整流，將交流電源整流成直流電源（接大容量電解電容）來驅動壓縮機。然而，不可控整流導致整機功率因數很低、電流諧波很高，難以滿足電流諧波標準IEC 61000-3-2。因此，必須在整流后、電解電容前增加功率因數校正（power factor correction, PFC）電路，提高系統的功率因數、減小輸入電流諧波。

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

Boost升壓型功率因數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的電壓電流雙閉環控制方法[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輸入電壓，能夠降低系統硬件成本，故而成為本設計的首選。但是，在功率因數校正開啟時刻，由于初始占空比不定，在輸入電壓較高時，較大的占空比必然造成電流超調沖擊，進而導致過流保護而故障停機，甚至損壞系統硬件電路。因此，功率因數校正需要在輸入電壓過零時刻開啟，需要檢測輸入電壓的過零點。

由于采用單周期控制的Boost升壓型功率因數校正電路時，沒有輸入電壓檢測電路，因此本文提出一種基于輸入電流的頻率與過流檢測方法。首先，根據輸入電流波形的上升與下降進行電網電壓頻率的檢測；然后，在已知頻率的基礎上，采用輸入電流峰值閉環跟蹤的方法進行過零檢測，用于開啟PFC；同時，根據輸入電流波形可以進行電網電壓短時中斷實時偵測。該方法能夠自動適應50 Hz與60 Hz應用，在國內市場與海外市場通用。

1 家用空調系統的功率因數校正

Boost型功率因數校正電路不僅可以達到較高的功率因數、滿足電流諧波國標，而且可以升壓輸出穩定的直流電壓，從而給負載提供穩定的直流電源。其單周期控制（Single-cycle-control，SCC）方法，不需要檢測輸入電壓，只需檢測輸入電流和直流母線電壓，就達到提高功率因數和升壓調節直流電壓的目的[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，根據參考電壓 vdc_ref和反饋直流母線電壓 vdc的偏差，進行比例積分調節，得到升壓比 Ka；然后，根據式（2）計算得到功率開關管占空比Duty為：

其中， iin為輸入電流瞬時值， iin_avg為輸入交流電流平均值。

如圖1所示，Boost型功率因數校正的單周期控制框圖，通過電阻采樣方法檢測輸入電流，通過電阻分壓方法檢測直流母線電壓。當電壓環輸出的升壓比Ka達到穩態后，通過單周期控制方法可以實現輸入電流瞬時值跟蹤輸入電壓波形，達到接近單位1的功率因數。

在家用空調系統中，根據輸入電流情況，可以將系統運行全過程分成三種狀態：①待機狀態，系統上電后、電解電容充電、基本無功率輸出、輸入電流約為零；②PFC開啟前狀態，有功率輸出、PFC未開啟、輸入電流較小；③PFC開啟后狀態，有功率輸出、PFC已開啟、輸入電流較大。在狀態②和狀態③中，輸入電流波形在每個半周期的90°相位出現獨立的峰值，根據輸入電流波形可以進行粗略的電壓頻率檢測，同時可以通過跟蹤輸入電流峰值進行過零檢測。但是，頻率檢測與過零檢測的精度，受電流采樣頻率和電流波形對稱性的影響。

圖1 Boost型功率因數校正的單周期控制框圖

在負載開啟后，狀態②與狀態③的切換依據輸入電流有效值Iin_rms判斷：當輸入電流有效值Iin_rms高于開啟閾值Ith_on時，即當Iin_rms＞Ith_on時，PFC開啟；當輸入電流有效值Iin_rms低于關斷閾值Ith_off或者發生故障（過壓、PFC過流、短時中斷等）時，PFC關斷。其中，開啟閾值Ith_on設定必須大于關斷閾值Ith_off。具體地，單周期PFC的控制時序如圖2所示，包括以下分界點：

1）分界點1—當Iin_rms＞Ith_on時，設置PFC運行標志PFC_RUN_FLG。在該分界點之前，PFC關斷；在該分界點之后，下一個過零點開始PFC開啟。

2）分界點2—當PFC_RUN_FLG置位后并且滿足過零點條件（即在下一個過零點）時，設置PFC啟動標志PFC_ONTIMING_FLG。在該分界點之前，PFC關斷；在該分界點之后，PFC開啟，輸出PFC驅動信號。

3）分界點3—當Iin_rms＜Ith_off或者發生故障（過壓、PFC過流、短時中斷等）時，同時清除PFC運行標志PFC_RUN_FLG和PFC啟動標志PFC_ONTIMING_ FLG。在此分界點之前，PFC開啟；在該分界點之后，PFC關閉。

2 基于輸入電流的頻率與過零檢測

國內市場與海外市場，同時存在兩種電網電壓頻率標準，即50 Hz/60 Hz，那么本設計同時滿足這兩種電網電壓頻率。首先，通過根據輸入電流的上升下降時刻，粗略地檢測輸入電壓頻率，進而判斷為50 Hz還是60 Hz；然后在已知頻率的基礎上，采用輸入電流峰值閉環跟蹤的方法進行過零檢測，用于開啟PFC。在PFC開啟后，采用時間閾值設定，用于進行電網電壓短時中斷實時偵測。

2.1 開環頻率檢測

基于輸入電流的開環頻率檢測方法，根據輸入電流的上升下降時刻直接計算輸入電壓的周期，可以粗略地檢測輸入電壓頻率。如圖3所示，以PFC開通前的平均電流為比較點，檢測瞬時電流與比較點的交點時刻（包括電流上升交點時刻和電流下降交點時刻），來計算輸入電壓的頻率。

以遠高于輸入直流電壓頻率(近似100 Hz)的頻率檢測輸入電流瞬時值，檢測頻率要足夠高，不低于10 kHz，可選為PFC頻率相同，以保證周期與過零點檢測的精度。采用低通濾波器（截止頻率遠低于電流信號頻率100 Hz，比如8 Hz）計算輸入電流平均值。采用遲滯比較單元對瞬時電流和平均電流進行比較，獲取并記錄電流上升交點時刻和電流下降交點時刻；遲滯區間必須大于電流檢測噪聲的峰值。

記當前周期的電流上升交點時刻和下降交點時刻分別為Tup(k)與Tdown(k)，上一周期的電流上升交點時刻和下降交點時刻分別為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控制時序圖

那么，對應的輸入電壓頻率為1/Tperiod，對此頻率進行低通濾波得到估算頻率Freq_est。當Freq_est接近50 Hz，則實際電壓頻率為50 Hz；當Freq_est接近60 Hz，則實際電壓頻率為60 Hz；當Freq_est低于45 Hz或者高于65 Hz，則說明檢測出錯，重新檢測。

2.2 基于輸入電流峰值閉環跟蹤的過零檢測

在家用空調系統中，在PFC開啟前，輸入電流在輸入電壓峰值附近達到電流峰值，稍微之后電壓峰值；在PFC開啟后，功率因數接近單位1，輸入電流峰值與輸入電壓峰值幾乎同步，二者同時達到峰值。因此，可以通過閉環跟蹤輸入電流峰值來實現輸入電壓的相位檢測，而且在PFC開啟后的過零檢測精度更高。具體地，根據輸入電流峰值時刻與相位計數器90°相位時刻的相位偏差，來閉環調整相位計數器的清零重啟，使得相位計數器在90°相位時刻達到輸入電流峰值，那么相位過零點即為輸入電壓的過零時刻，如圖5所示。

記輸入電壓的相位計數器為PhaseCnt，每個PFC周期計數一次，一個電壓周期包含N個PFC周期。90°輸入電壓相位包含N/4個PFC周期，180°輸入電壓相位包含N/2個PFC周期。基于輸入電流峰值閉環跟蹤的過零檢測方法，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°相位對應200個PFC周期，180°相位對應400個PFC周期。圖5中顯示了初始過零點比實際過零點滯后的輸入電流峰值閉環調節過程。

圖3 基于輸入電流的開環頻率檢測方法

圖4 過零檢測方法的程序流程圖

圖5 基于輸入電流峰值閉環跟蹤的過零檢測

2.3 基于輸入電流的短時中斷實時檢測

在IEC 61000-4-11標準中，要求16 A以內設備滿足電網電壓20 ms短時中斷的抗擾度要求。電壓短時中斷對家用空調系統的影響主要有兩種：①電壓中斷期間，相當于沒有輸入電源，系統本身的儲能（主要電解電容）給系統供電；如果電壓中斷時間過長，直流母線電壓（電解電容電壓）下降過低導致系統停機；②電壓中斷后的電壓恢復時刻，由于電壓中斷期間直流母線電壓下降，使得電壓恢復時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），導致很大的電解電容充電電流，加上PFC的開關電流，將造成輸入電流過流保護而停機，甚至損壞系統硬件電路。

對于電網電壓短時中斷的最佳處理，盡可能實時地檢測出短時中斷；在檢測到短時中斷后立即關閉PFC，并在電壓恢復后的下一個電壓過零點重啟PFC；同時，在檢測到短時中斷后，盡快減小負載功率，在并在電壓恢復后的下一個電壓過零點后恢復負載功率。如此，既可以延長電網電壓短時中斷發生后的系統連續工作時間，又可以減小的電網電壓恢復時刻的輸入電流沖擊。

設電流誤差閾值Ierr為輸入電流平均值Iavg的50 %，采用過零計數器ZcCnt對輸入電流瞬時值Iin小于電流誤差閾值Ierr的時間計數，如圖6所示，每個PFC周期執行一次：如果(Iin＜Ierr)，ZcCnt++，如圖6灰色部分所示；否則，ZcCnt=0。設PFC開啟后短時中斷的判斷時間閾值為1/4個電壓周期，即如果PFC開啟且ZcCnt＞ N/4，則發生短時中斷，關閉PFC，并減小輸出功率。

3 實驗

以美的家用空調26機二級系統為實驗對象，分別在50 Hz 220 VAC和60 Hz 220 VAC兩種輸入電壓下做頻率檢測、過零檢測和短時中斷檢測實驗。設定PFC開啟閾值Ith_on為1.5 A，PFC關斷閾值Ith_off為1A；PFC載波頻率為40 kHz，輸入電流每個載波周期檢測一次，并進行一次單周期PFC控制，以及頻率檢測、過零檢測和短時中斷檢測。

在50 Hz 220 VAC和60 Hz 220 VAC兩種輸入電壓下，分別進行10次基于輸入電流的開環頻率檢測，10次測試結果均為正確頻率。圖7為在含短時中斷的50 Hz 220 VAC輸入電壓下的實驗波形，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運行標志（微控制器的DA輸出，高電平表示PFC運行標志置位，反之表示PFC運行標志清除），CH4藍色為PFC啟動標志（微控制器的DA輸出，高電平表示PFC啟動標志置位，反之表示PFC啟動標志清除）。如圖所示，在輸入電流達到開啟閾值時PFC運行標志置位，在此之后的第一個過零點時刻，PFC啟動標志重新置位，PFC開啟；輸入電壓中斷約5 ms后， PFC啟動標志清除，PFC關斷；當輸入電流恢復后的第一個過零點時刻，PFC啟動標志重新置位，PFC開啟。整個過程與預期完全吻合，結果驗證了所述方法的可行性。

4 結論

圖6 基于輸入電流的短時中斷實時檢測

圖7 家用空調系統的正常運行波形圖

本文分析了家用空調系統的Boost升壓型功率因數校正單周期控制方法，提出了對應的開環電壓頻率檢測方法、基于輸入電流峰值閉環跟蹤的過零檢測方法和基于輸入電流比較的短時中斷實時偵測方法，并通過實驗結果驗證了所述方法的可行性。所述方法，完全基于輸入電流檢測，無需輸入電壓檢測，可以降低電控系統的成本。所述方法能夠自動適應50 Hz與60 Hz應用，在國內市場與海外市場通用。同時，所述方法能夠實時偵測電網電壓短時中斷，提高了家用空調系統的電網電壓抗擾度，滿足IEC 61000-4-11標準。

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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（1978-），男，工程碩士研究生，研究方向為變頻控制與制冷技術。