CN101686005B

CN101686005B - 在三相电源中用于功率因数校正的设备及其控制方法

Info

Publication number: CN101686005B
Application number: CN200910128568.0A
Authority: CN
Inventors: 河钟宪; 宋豪杰
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: US20100073975A1; CN101686005A; US8437155B2; KR101533560B1; KR20100033655A

Abstract

一种在三相电源中用于功率因数校正的设备及其控制方法。在具有高电流功率环境和大电容逆变器的产品的情况下，三相功率因数校正(PFC)设备使用位于共电位端的传感器检测三相逆变器的任何错误的PFC操作。因此，如果出现输入电流延迟，则三相PFC设备从输入电压的过零点延迟开关元件的接通时间，并执行由输入电流延迟引起的最佳开关操作，从而实现增加功率因数。

Description

在三相电源中用于功率因数校正的设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相电源中的功率因数校正(PFC)设备(以下称为三相PFC设备)及其控制方法，更具体地讲，涉及一种基于三相逆变器的输入电流信号的延迟的PFC控制方法。

背景技术

一般来讲，逆变器是一种将直流电压转换为三相交流电压(U、V、W)的电源转换器(也称作功率转换器)。由于逆变器的高能效和输出控制的便利性，因此逆变器一般用于控制各种电子产品(如洗衣机、电冰箱、空调、微波炉和电梯)中使用的电动机。

将商用交流电源整流为直流电压并平滑该整流的直流电压的整流电路连接到上述逆变器，从而向逆变器提供平滑到预定电平的直流电压。该整流电路的功率因数非常低，即，约0.5-0.6。由于输入电压(即，交流电源的电压)与输入电流(即，交流电源的电流)之间的相差，功率因数减小，从而产生通过无功功率引起的功耗的损失。

为了解决上述的问题，传统技术实施使用开关控制方案的功率因数校正(PFC)操作，该PFC操作校正功率因数以防止生成输入电压与输入电流之间的相位差。该开关控制方案检测输入电压的过零点，在该检测点接通开关元件，在预定时间段过去后断开开关元件，并在到达下一个输入电压的过零点以前保持开关元件的断开状态。

但是，如果在使用三相电源向大功耗的电子产品供电的三相逆变器中电流信号增大，则相电流落后于相电压，从而在上述允许在相电压的过零点实施开关操作以进行功率校正的传统PFC控制方法中存在不足。换言之，根据传统的PFC控制方法，随着使用的电流增大，具有高电流功率环境和大电容逆变器的产品无法在期望点开始执行PFC开关操作，并且通过由延迟的电流引起的任何PFC开关操作错误增大了电压信号和电流信号之间的相位差，从而减小了功率因数，导致功耗增加。

发明内容

因此，本发明的一方面提供了一种三相电源功率因数校正(PFC)设备及其控制方法，所述设备基于用于功率因数校正的开关控制方案从输入电压的过零点延迟三相逆变器的开关元件的接通时间，从而该设备通过由输入电流延迟引起的最佳开关操作增加功率因数。

在下面的描述中将部分地阐明本发明另外的方面和/或优点，通过描述，部分地会变得清楚，或者通过实施本发明可以了解。

本发明的上述和/或其它方面可通过提供一种在三相电源上操作的三相电源功率因数校正(PFC)装置来实现，该装置包括：整流器，对三相电源进行整流；开关元件，执行功率因数校正(PFC)开关操作以校正整流器的功率因数；过零检测器，检测从三相电源接收的输入电压信号的过零点；电流检测器，检测从三相电源接收的输入电流信号的延迟；和控制器，根据输入电流信号的延迟从输入电压信号的过零点延迟PFC开关操作，并控制开关元件。

开关元件可以是绝缘栅双极性晶体管(IGBT)开关，其连接到整流器的输出端的各相，并切换各相的输出信号以允许各相的输出信号具有相同的电流相位和电压相位。

电流检测器可连接到开关元件的输出共电位端，从而电流检测器在PFC期间可检测载入到共电位端的错误的电流。所述错误的电流可允许沿与输入电压的方向相反的方向流动的电流信号至少具有参考值的峰值。当所述错误的电流至少出现预定次数时，控制器可确定输入电流的延迟。

控制器可以以预定的时间间隔减小PFC开关操作延迟时间，从而控制器可连续地检测PFC操作的性能。PFC开关操作延迟时间可以是直到输入电压相位等于输入电流相位所消耗的预定时间。

本发明的前述和/或其它方面通过提供一种三相功率因数校正(PFC)控制方法来实现，该方法包括：对三相电源进行整流；对开关元件执行功率因数校正(PFC)开关操作以校正整流的电源的功率因数；检测从三相电源接收的输入电压的过零点；检测从三相电源接收的输入电流信号的延迟；和根据输入电流信号的延迟从输入电压信号的过零点延迟PFC开关操作，并根据延迟结果控制开关元件。

检测输入电流信号的延迟的步骤可包括：在PFC操作期间检测载入到开关元件的共电位端的错误的电流；确定所述错误的电流信号是否在预定时间内至少出现预定次数；和如果在所述预定时间内所述错误的电流信号已至少出现预定次数，则确定输入电流信号的延迟。

延迟PFC开关操作的步骤可包括：如果已出现输入电流延迟，则从输入电压的过零点将开关元件的接通时间延迟预定PFC开关操作延迟时间，并根据延迟结果控制开关操作。

可以以预定的时间间隔减小PFC开关操作延迟时间，从而可连续地检测PFC操作的性能。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的用于三相逆变器的功率因数校正(PFC)设备的电路图；

图2是示出根据本发明的实施例的用于三相逆变器的PFC控制方法的流程图；

图3是示出根据本发明的实施例的当在相电流信号中没有延迟时PFC开关操作的波形图；

图4是示出根据本发明的实施例的当相电流信号被延迟时PFC开关操作的波形图；

图5是示出根据本发明的实施例的控制三相逆变器的功率因数校正的PFC开关操作的波形图。

具体实施方式

现在将对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图1是示出根据本发明的实施例用于三相逆变器的功率因数校正(PFC)设备的电路图。

参考图1，三相逆变器的PFC设备包括：整流器20、开关单元30、第一电流检测器40和控制器50。整流器20对三相电源10(即，R、S、T相AC电源)的各相进行整流。开关单元30连接到整流器20的输出端，并执行PFC开关操作以不产生整流器20的输出信号的电压信号与电流信号之间的相位差。第一电流检测器40连接到开关单元30的共电位端，从而该电流检测器检测通过PFC操作产生的电流信号。控制器50控制PFC操作，从而该控制器可使相电流信号的相位跟踪相电压信号的相位。

在三相电源10中，具有相同振幅和频率的三个正弦电流在具有120°相位差的三相(即，R、S和T相)上流动，并且将三相(R、S、T)的各中心点集合在一起的N相接地，从而三相四线配线方案通常被用于三相电源10。

开关单元30可包括分别连接到与整流器20的输出端连接的R、S和T相的三个IGBT开关31、32和33。

改善整流器20的功率因数的电抗器11、12和13位于三相电源10与整流器20之间，从而电抗器11、12和13分别连接到R、S和T相。过零检测器60不仅连接到电抗器11、12和13的输入端中的一相(例如，T相)，还连接到N相，从而过零检测器检测输入相电压的过零点并向控制器50输出检测到的过零点。

因此，控制器50在通过过零检测器60检测的相电压的过零点接通开关元件31、32和33。在预定时间段过去后，控制器50使用脉宽调制(PWM)控制方法断开开关元件31、32和33，保持开关元件31、32和33的断开状态直到到达下一个相电压的过零点，从而执行能够校正功率因数的PFC操作，以防止出现相电压和相电流之间的相位差。

在这种情况下，控制器50基于第一电流检测器40的电流值确定是否存在具有高电流功率环境和大电容逆变器的产品的错误的PFC操作(如，相电流延迟)，从而控制器50能够检测错误的PFC操作，该错误的PFC操作表示相电流与使用的电流值成比例地落后于相电压。换言之，如果确定产生这样的错误操作，则用于PFC操作的开关元件31、32、33的接通时间从相电压的过零点延迟，从而控制器50执行最佳开关操作以实现相电压和相电流之间的小相位差，使功率因数得到改善。

控制器50以预定的时间间隔自动地减小开关元件31、32和33的接通时间延迟，从而控制器50连续地观察相电流延迟引起的PFC性能。

根据本发明实施例的三相逆变器的功率因数校正(PFC)设备包括：直流链电压产生器70、逆变器80和第二电流检测器90。直流链电压产生器70连接到整流器20的输出端，从而产生具有改善的功率因数的直流链电压。逆变器80连接到直流链电压产生器70，将产生的直流链电压转换为三相交流电压，并向电动机81传输三相交流电压。第二电流检测器90检测向电动机81提供的负载电流(即，相电流)的幅值，并向模数(AD)转换器传输检测的负载电流幅值。

因此，控制器根据第二电流检测器90检测的负载电流的幅值控制PWM信号的占空比，该PWM信号控制开关元件31、32和33。

以下详细描述上述三相功率因数校正(PFC)设备及其控制方法。

参考图1，如果三相电源10被施加到PFC设备，则用作R、S和T相交流电源信号的三相电源10被施加到电抗器11、12和13，并且R、S和T相交流电源信号中的每相交流电源信号被施加到整流器20，从而通过整流器20对R、S和T相交流电源信号进行整流。

通过整流器20整流的电压被施加到直流链电压产生器70，从而直流链电压产生器70产生驱动电动机81需要的直流链电压。通过逆变器80向电动机81提供从直流链电压产生器70产生的直流链电压。

这样，当通过三相逆变器80向电动机81提供直流链电压时，由于施加到电抗器11、12和13的相电压与相电流之间的相位差导致功率因数恶化。

因此，为了解决上述的问题，根据本发明实施例的功率因数校正(PFC)设备允许过零检测器60检测相电压的相位过零的过零点，从而过零检测器60向控制器50输出检测的过零点，其中，过零检测器60连接到电抗器11、12和13的输入端中的任意一端(例如，T相)和N相。控制器50命令第二电流检测器90在过零检测器60检测的上述过零点检测负载电流的幅值，并基于检测的负载电流幅值计算脉宽(即占空比)，从而控制器50使用PWM控制方法基于计算的脉宽接通开关元件31、32和33。

如果接通开关元件31、32和33，则施加到电抗器11、12和13的相电流线性增大。如果通过控制器50的PWM控制断开开关元件31、32和33，则施加到电抗器11、12和13的相电流线性减小。

这样，如果通过控制器50的PWM控制来重复进行开关元件31、32和33的接通和断开操作，则施加到电抗器11、12和13的相电流跟踪相电压的相位，并同时以实施PFC操作的方式来改善功率因数。

但是，如果在上述PFC操作期间使用具有高电流功率环境和大电容逆变器的产品，则相电流与使用的电流成比例地落后于相电压，从而需要通过任意延迟PFC开关操作来校正功率因数的功率因数校正(PFC)控制。下面结合图2进行详细的描述。

图2是示出根据本发明的实施例的用于三相逆变器的PFC控制方法的流程图。

参考图2，在操作100，为了执行PFC操作，控制器50使用PWM控制按占空比接通开关元件31、32和33，根据第二电流检测器90检测的负载电流幅值计算该占空比。

在操作102，为了检测在PFC操作期间通过PFC操作产生的任何错误操作(如，相电流延迟)，在开关元件31、32和33接通后，连接到开关元件31、32和33的共电位端的第一电流检测器40检测共电位端的电流信号(即开关电流)的波形(如图3和图4所示)，并向控制器50输出检测的电流信号的波形。

因此，在操作104，控制器50在预定时间段(即，约1分钟)期间检查通过第一电流检测器40检测的共电位端的电流波形，以使控制器50确定是否存在错误的电流被重复预定次数或更多次(如，10次或更多)的相电流延迟。当在PFC操作期间沿与相电压的方向相反的方向流动的电流信号具有至少参考值的峰值时，产生错误的电流信号。如果沿与相电压的方向相反的方向流动的电流信号的峰值至少出现预定次数，则确定出现相电流延迟。

图3是示出根据本发明的实施例的当在相电流信号中没有延迟时PFC开关操作的波形图。图4是示出根据本发明实施例的当延迟相电流信号时PFC开关操作的波形图。

如图3所示，如果在相电流信号中没有延迟，则第一电流检测器40检测的共电位端的电流波形沿与相电压的方向相同的方向流动，并且在过零点开始PFC开关操作。

否则，如图4所示，如果出现相电流延迟，则第一电流检测器40检测的共电位端的电流波形沿与相电压的方向相反的方向流动，从而不能在过零点开始PFC开关操作。在这种情况下，电压与电流之间的相位差增加，从而由于PFC操作导致功率因数进一步恶化。

因此，如果在操作104生成相电流延迟，则在操作106，控制器50从相电压的过零点将PFC开关操作(即，用于PFC操作的开关元件31-33的接通时间)延迟PFC开关操作延迟时间(如图5所示)，并执行最佳PFC开关操作以在相电压与相电流之间产生很小相位差，从而改善功率因数。在这种情况下，在控制器50中规定开关元件31-33的接通时间延迟(即，PFC开关延迟时间)。每个接通时间延迟表示直到相电压信号具有与相电流信号相同的相位所消耗的示例性时间。

在操作108，控制器50确定在开关元件31-33的接通时间延迟后是否过去预定时间。在操作110，控制器50以预定的时间间隔自动地减小开关元件31-33的接通时间延迟。在这种情况下，也在控制器50中规定开关元件31-33的接通时间延迟(即，PFC开关操作延迟时间)。每个接通时间延迟表示直到相电压信号具有与相电流信号相同的相位所消耗的示例性时间。

此外，在操作112，为了以预定的时间间隔连续地减小开关元件31-33的接通时间延迟，控制器50重新确定是否出现由开关元件31-33的减小的接通时间延迟引起的相电流延迟，从而控制器50连续地观察通过相电流的延迟引起的PFC操作的性能。

从以上描述清楚的是，根据本发明实施例的三相电源中的PFC设备(即，三相PFC设备)使用位于共电位端的电流传感器检测三相逆变器的错误的操作。在这种情况下，由于三相逆变器的输入电流信号的延迟，在基于开关控制方案实现功率因数校正(PFC)的PFC操作中可能发生错误的操作。所以，如果出现输入电流延迟，则上述三相PFC设备从输入电压过零点将每个开关元件的接通时间延迟预定时间，并执行输入电流延迟引起的最佳开关操作，从而实现增加功率因数。此外，以预定的时间间隔自动地减小开关元件的接通时间延迟，从而PFC设备可连续地观察PFC性能。

虽然已表示和描述了本发明的实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对实施例进行修改。

Claims

1.一种在三相电源中操作的三相功率因数校正设备，所述设备包括：

整流器，对三相电源进行整流；

开关元件，执行功率因数校正开关操作以校正整流器的功率因数；

过零检测器，检测从三相电源接收的输入电压信号的过零点；

电流检测器，检测从三相电源接收的输入电流信号的延迟；和

控制器，根据输入电流信号的延迟从输入电压信号的过零点延迟功率因数校正开关操作，并控制开关元件，

其中，开关元件包括输出共电位端，并且电流检测器连接到开关元件的输出共电位端，从而电流检测器在功率因数校正期间检测载入到共电位端的错误的电流。

2.如权利要求1所述的设备，其中，整流器包括输出端，开关元件是绝缘栅双极性晶体管开关，其连接到整流器的输出端的各相，并且切换各相的输出信号以允许各相的输出信号具有相同的电流相位和电压相位。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述错误的电流允许沿与输入电压的方向相反的方向流动的电流至少具有参考值的峰值。

4.如权利要求3所述的设备，其中，当所述错误的电流至少出现预定次数时，控制器确定输入电流的延迟。

5.如权利要求1所述的设备，其中，控制器以预定的时间间隔减小功率因数校正开关操作延迟时间，从而控制器连续地检测功率因数校正操作的性能。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述功率因数校正开关操作延迟时间是直到输入电压相位等于输入电流相位所消耗的预定时间。

7.一种三相功率因数校正控制方法，所述方法包括：

对三相电源进行整流；

对开关元件执行功率因数校正开关操作以校正整流的电源的功率因数；

检测从三相电源接收的输入电压信号的过零点；

检测从三相电源接收的输入电流信号的延迟；

根据输入电流信号的延迟从输入电压信号的过零点延迟功率因数校正开关操作，并根据延迟结果控制开关元件，

其中，检测输入电流信号的延迟的步骤包括：

在执行功率因数校正开关操作期间检测载入到开关元件的共电位端的错误的电流，确定在预定时间内所述错误的电流信号是否至少出现预定次数，并且如果在预定时间内所述错误的电流信号至少出现预定次数，则确定输入电流信号的延迟。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述错误的电流允许沿与输入电压的方向相反的方向流动的电流信号至少具有参考值的峰值。

9.如权利要求7所述的方法，其中，延迟功率因数校正开关操作的步骤包括：

如果出现输入电流延迟，则从输入电压的过零点将开关元件的接通时间延迟预定功率因数校正开关操作延迟时间，并根据延迟结果控制开关操作。

10.如权利要求9所述的方法，其中，功率因数校正开关操作延迟时间是直到输入电压相位等于输入电流相位所消耗的预定时间。

11.如权利要求9所述的方法，其中，功率因数校正开关操作延迟时间以预定的时间间隔减小，从而连续地检测功率因数校正操作的性能。