CN102684470B

CN102684470B - 一种变频空调整功率因数稳定运行控制方法

Info

Publication number: CN102684470B
Application number: CN201210094591.4A
Authority: CN
Inventors: 陈宁; 桂卫华; 阳春华; 喻寿益; 吴齐; 郭宇骞; 叶华文; 刘波
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102684470A

Abstract

一种变频空调整功率因数稳定运行控制方法，本发明利用输入电压波形数据，找出输入电压的最大值及最小值，并记录这些值所对应的时间，再利用交流电压的对称性，计算出输入电压零点对应的A/D采样值，经滤波和零点处理，计算得到输入电压零点的时间；最后采用与变频空调压缩机驱动控制系统相容的PFC控制策略平滑投切策略。本发明减小了对器件和电网的冲击，保证了PFC控制系统和压缩机驱动控制系统的稳定可靠运行，本发明的输入电压零点精确检测方法保证输入电流和电源电压严格同相，实现=1。实现了变频空调整功率因数稳定运行。

Description

一种变频空调整功率因数稳定运行控制方法

技术领域:

本发明涉及一种变频空调功率因数的提高方法。

背景技术:

目前，国内市场销售的家用变频空调功率因数偏低，一般只有0.7左右。我国家用空调拥有2亿多台，提高功率因数可以节能降耗，对提高我国能源利用效率具有重要意义。提高变频空调运行的功率因数采用功率因数校正（PFC）方法，该方法有两种方式：无源PFC，利用电容和电感移相使输入电流和电源电压同相，并吸收谐波来提高功率因数，其缺点是直流变频空调的直流母线电压不稳定，且增加了无源元件的附加损耗；有源PFC，其优点是保证直流母线电压稳定，功率因数达到0.9以上。大多数采用平均电流控制算法，利用输出电压和输入电流反馈构成双闭环控制系统，来保证输出电压稳定并提高功率因数。PFC控制器采集输出电压，与设定值比较，误差经过PI调节，作为电流环设定值。与输入电流比较，得到电流环误差，又经过PI调节，输出控制PFC开关管IGBT的PWM占空比信号，以保证输入电流为正弦波并与电压同相。此方法的缺点是输入电压过零点附近电流几乎为零，导致功率因数只有0.9左右。

针对平均电流法的不足，一些研究采用分段调整参数的方法，对输入电压的不同相位使用不同的PI参数，以补偿输入电压过零点附近的输入电流，在一定程度上可以提高功率因数。由于不同段的参数差别很大，要求算法必须保证分段的正确性和可靠性，在输入电压波动较大（变频空调要求达到±20%）时可能烧毁PFC开关管而且输入电流在段与段之间过渡不够平滑，引起输入电流波形畸变。还有使用前馈补偿算法，依据硬件提供的输入电压过零信号，在过零点附近叠加一个控制量以补偿过零附近的电流，提高功率因数。也有采用预测控制算法，根据输入电压过零同步信号，定时查找数据库中存储的PWM数据，经过调整后输出至IGBT来完成对功率因数校正。这些有源PFC控制算法都采用输入电压过零检测电路，增加了硬件电路成本，也难以采集到非常精确的零点，功率因数在0.95左右，不能达到整功率因数（=1），而且受变频空调重复短期工作方式的影响，功率因数不稳定。

通用PFC方法也不适用于变频空调重复短期工作方式的特点。每个重复周期包括起动、升速、稳速运行、降速和停止等五个阶段。在起动升速的前段和降速停止的后段，输入电流较小而且波动大，可能使输入电流不连续。影响PFC系统和空调压缩机驱动控制系统工作不稳定。还可能损坏PFC开关管，使压缩机系统死机，这是变频空调PFC方法必须解决的问题。

发明内容：

为了满足变频空调整功率因数稳定运行的要求，本发明在带输入电压信号前馈控制的输出电压反馈和输入电流反馈双闭环控制系统的基础上，提出了一种利用软件精确检测输入电压零点技术和平滑投切方法，实现了变频空调整功率因数稳定运行。输出电压反馈控制构成外环，保证输出电压稳定。外环PI控制器输出和输入电压波形同相的正弦波电流设定值。输入电流反馈控制构成内环，内环PI控制器保证输入电流跟踪正弦波设定值。特别是解决了输入电压过零检测电路零点检测不精确，使功率因数只有0.95左右，不能达到整功率因数的问题。PFC控制系统的工作原理详细说明如下：PFC控制器采集输出电压，与输出电压设定值比较得到输出电压误差，输入外环PI控制器，经过PI运算处理获得外环输出信号，整流桥输出电压经电压分压限幅电路输入比例运算放大器输出与输入电压成正比的半波正弦信号，通过信号采集计算求得输入电压的平均值；通过输入电压零点精确检测方法获得输入电压的最大值，输出前馈触发信号以及输入电压角频率。输入电压信号、外环输出信号和输入电压平均值三个信号相乘，再乘比例系数，得到内环正弦电流设定值。该设定值和实际采集的输入电流比较，得到内环电流偏差。电流偏差输入内环PI控制器计算,得到双闭环控制系统输出的占空比信号；输入电压零点精确检测部分产生触发信号输出前馈占空比信号，此信号和双闭环控制系统输出的占空比信号叠加，由PFC控制器输出PFC控制系统开关管的PWM控制信号。

本发明PFC控制策略平滑投切利用输入电压零点精确检测方法，在零点开始投入PFC控制策略，并采用分别增减电压外环和电流内环PI控制器的比例系数和积分时间常数，保证PFC控制系统和压缩机驱动控制系统可靠运行，这样就可以实现变频空调整功率因数稳定运行，具体过程如下：

输入电压零点精确检测方法

PFC控制系统和变频空调压缩机控制系统共用控制器芯片，经输入电压信号采集，并提取输入电压最大值和最小值以及最大值和最小值间的时间，算出输入电压的相位和幅值。再经过软件滤波，使PFC控制系统在不提高控制器芯片中断频率前提下，保证输入电压零点检测误差绝对值小于0.01度。

步骤1：输入电压最大值和最小值采集与提取

利用输入电压波形数据，找出一定时间间隔内的输入电压的最大值及最小值，并记录这些值所对应的时间。对所找出的最大值和最小值分别求平均，所得最大值及最小值的真实值。时间间隔的范围可以为300ms~400ms。

步骤2：零电压值提取

基于步骤1中所求出的最大值、最小值的真实值，利用交流电压的对称性，计算出输入电压零点对应的A/D采样值。

步骤3：输入电压零点附近滤波

为了防止零点处受到外界干扰，产生多次触发。输入电压零点附近滤波分为三个步骤：

a. 根据第一次记录的最大值或最小值时间，推后3.5ms~6ms，在保证能采到输入电压实际零点值的情况下提取16个~26个数据以供处理；

b. 计算输入电压的最大值；

c. 利用正弦波在零点附近波形可近似为直线的特点，通过事先存储的和直线斜率关系表可得出a.中所取数据的分布关系，从而完成零点附近数据的滤波；

步骤4：零点处理

经过步骤3处理后的数据为真实的输入电压数据，寻找过零点分为以下两个步骤：

a. 查找与零点对应的电压读数值最接近的两个值及其对应的时间；

b. 为减少控制器芯片的计算时间，认为零点电压值与其附近两个数分布在直线上，计算输入电压零点的时间；

本发明在半个正弦波周期内电网频率不发生变化的情况下，通过软硬件结合的方法实现了输入电压零点高精度检测方法，实验结果表明了零点检测误差绝对值小于0.01度。

与变频空调压缩机驱动控制系统相容的PFC控制策略平滑投切方法

利用发明内容中检测的输入电压零点，在零点投入PFC控制策略可以减小对驱动控制系统运行状态的冲击，但并不能彻底消除，需要本发明的与变频空调压缩机驱动控制系统相容的PFC控制策略平滑投切方法才能实现变频空调整功率因数稳定运行。

变频空调是重复短期工作方式产品，当室内温度超过（制冷）或低于（制热）设定温度，压缩机就起动升速到给定的速度稳定运行一段时间，室内温度逐渐下降（制冷）或上升（制热）。当温度低于（制冷）或高于（制热）设定温度，压缩机开始减速，直至停止运行。压缩机停止后，室内温度又会逐渐升高（制冷）或降低（制热），超过或低于设定温度，压缩机需要再次起动工作，构成重复短期工作方式。在起动后升速过程的前段和降速停止的后段功耗低，PFC回路电感电流断续，PFC的运行不稳定而且容易损坏器件。当变频空调（1匹马力至3匹马力容量）运行频率低于40Hz或输入电流低于2A时需要切除PFC。直接投入或撤出PFC，瞬时冲击电流大，可能损坏系统器件。具体做法为：

a. PFC渐入处理，第一次进入PFC时每隔0.1s~1s增加一次PFC控制系统的PI参数，达到投入设定值时停止增加，PFC渐入过程完成，并置渐入完成标志。

b. PFC渐出处理，需要撤出PFC时每隔0.1s~1s减小一次PFC控制器的PI参数，当所有参数减至切出设定值时PFC渐出过程完成，置渐出完成标志。

本发明的PFC控制策略平滑投切方法缓和了在投入或撤出PFC时由于输出电压和目标电压相差过大而引起PFC控制系统不稳定，减小了对器件和电网的冲击，保证了PFC控制系统和压缩机驱动控制系统的稳定可靠运行，本发明的输入电压零点精确检测方法保证输入电流和电源电压严格同相，实现=1。

附图说明：

图1：PFC控制系统硬件图；

图2：输入电压处理电路；

图3：220V输入电压处理后波形；

图4：PFC控制框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

PFC电路如图1所示，电路分为4个部分：由续流电感L2、PFC开关管IGBT、快恢复二极管D2组成Boost型直流输出电源；输入电压采样电路，IC1运算放大器及其外围电阻电容组成的差分放大电路，其输出电压调制成为控制器芯片A/D转换通道相容的电压，如图2所示。其中D2、D4为IC1输入电压保护，R1-R6降压电阻，保护在输入电压变化范围内不损坏IC1芯片等电路元器件，R9输入偏置电压，使IC1输出抬高1.65V（理论值）；输入电流采样电阻为R14，PFC电流采样电路，由IC3及其外围电阻电容组成，由于相对于地电流信号调理电路从采样电阻上取得的电压为负，所以电流采样电路输出电压最大值为1.65V，电流越大，输出电压越小，波形如图3所示。同样R22输入偏置电压信号，IC3输出抬高了1.65V（理论值）；开关管电流保护电路，由IC2及其外围电阻电容组成比较电路，比较电路正输入电压为：

式中为两端电压，为零或负值。

当流过采样电阻上的电流为0时，为正，IC2输出高电平；当电流大于一个值后变为负，IC2输出低电平，控制Q1导通。控制器输出至IGBT驱动电路的PWM信号被强拉为低电平，IGBT截止。同时PFC-BKIN信号输入控制器，封锁控制IGBT的PWM信号。

压缩机驱动系统控制器采用意法半导体公司STM32F103R8T6处理器，硬件电路图如图1所示。

输入电压零点精确检测方法

输入电压零点检测电路如图2所示。由差分比例运算放大器的计算方法得到输入输出电压信号计算表达式为：

式中，为火线相对IC2地电压，为零线相对IC2地电压；实际电路中式2中各参数为：======470k；===1k；==3.3k；将实际值代入式得：

步骤1：输入电压最大值和最小值采集和提取

利用该芯片通用定时器TIM4的第三通道产生PWM，电压采样利用TIM4第四通道触发采样，采样频率和IGBT开关频率相同，为20KHz。程序处理分为两步：

a. 每进入中断服务程序采样新的输入电压值并进行一次最大值和最小值比较，如果出现新的极值，则存储新值，用于下次采样值比较。进入中断服务程序400次(每20ms)后提取保存的最大值和最小值；

b. 重复a.步骤18次，剔除最大值数组和最小值数组中各一个最大数和最小数，分别对所剩下的最大值数组和最小值数组求平均，所得结果为输入电压最大值和最小值的采样值；

步骤2：零点电压值提取

由于元器件的差异将导致图3中1.65V的A/D采样值不是2048(1*2¹²/2)，由于此值仅与元器件有关，在上电后只需计算一次。

基于步骤1中所求出的最大值、最小值，利用交流电压的对称性，得到零值电压计算表达式为：

步骤3：输入电压零点附近滤波

为了防止输入过零点受到外界信号干扰，导致输入电压过零时产生多次触发，采用曲线拟合的滤波方法获得输入电压零点的准确时间，整个过程分为三个步骤实现：

a. 根据第一次记录的峰值时间，推后90个采样周期(4.5ms)，取20个采样数据进行处理。之后采样点的选择则以其上一次所计算的过零点为基准进行时间推移；

b. 计算220个PWM周期内输入电压最大值，如果此值与其左右2个点相差不超过1V，则认为此值为输入电压值，记为；

c. 利用正弦波在零点附近波形可近似为直线的特点，通过事先存储的和零点附近输入电压近似为直线可得出a.中20个数据分布关系，从而完成零点附近数据的滤波；

步骤4：零点处理

经过步骤3处理后的数据为实际输入电压的数据，寻找过零点分为以下两个步骤：

a. 查找与零电压值最接近的两个值及其对应的时刻、；

b. 为减少控制器芯片的计算时间消耗，认为零电压值与其附近两个数分布在直线上，输入电压零点的时刻为：

式中，为经过转换的零点电压对应的A/D读数值；和分别对应零点前、后采样点的A/D计数值；

处理器时钟频率为72MHz，时钟分辨率为1/72000000s，为方便计算电网频率以60Hz（远大于电网允许最高频率）计算，则理论上零点时间可精确为±0.0003度。实验结果表明了零点输出误差绝对值小于0.01度。

针对变频空调系统，样机的PFC控制系统采用输出电压和输入电流反馈双闭环控制，并引入输入电压前馈控制。输出电压反馈控制构成外环，保证输出电压稳定。外环PI控制器输出正弦波电流设定值，输入电流反馈控制构成内环，保证输入电流为正弦波。本发明的输入电压零点精确检测方法保证输入电流和电源电压同相，使变频空调在输入电压为186V-260V，输出功率为520W-2500W范围内为整功率因数，控制框图如图4所示。

变频空调是重复短期工作方式的产品，在起动升速前段和降速停止的后段运行功耗低，PFC回路电感电流可能断续，PFC运行不稳定而且容易损坏PFC开关管，当变频空调频率低于40Hz或输入电流低于2A时需要切除PFC。在直接投入或撤出PFC时，由于PFC电路将输出电压提高至350V，在PFC工作和不工作瞬间输出电压相差很大。不经过处理直接投入或撤出PFC时，由于PFC的PI控制作用，会导致瞬时电流过大，对压缩机驱动控制系统和PFC控制系统器件产生过电流和过电压冲击。利用发明内容中检测的输入电压零点，在零电压附近投入PFC控制策略可以减小冲击，但并不能彻底消除，需要额外的控制方法配合，本发明采用与变频空调压缩机驱动控制系统相容的PFC控制策略平滑投切方法消除这种冲击。针对输出电压环和输入电流环PI控制表达式为：

PFC正常运行时电压环PI控制参数为：=10，=8.547；电流环PI控制参数为：=4，=8.547；前馈控制参数为：=9.375；PFC不工作时电压环PI控制参数为：=0，=2560；电流环PI控制参数为：=0，=2560；前馈控制参数为：=0；具体做法为：

a. PFC渐入处理，第一次进入PFC时每0.5s电压环和电流环增加1，减小256，前馈控制参数增加1。累加、和到设定值停止增加，所有参数达到投入设定值后，置渐入完成标志。

b. PFC渐出处理，当前速度小于40Hz或输入电流小于2A，PFC渐出过程开始，每0.5s电压环和电流环减小1，增加256，前馈控制参数减小1，累减过程中小于设定值则赋值为设定值，当所有参数达到切出设定值时PFC渐出过程完成，置渐出完成标志。

本发明的PFC控制策略平滑投切方法保证了PFC控制系统和压缩机驱动控制系统的稳定可靠运行。

Claims

1.一种变频空调整功率因数稳定运行控制方法，其特征在于包括以下步骤：

A 精确检测输入电压零点

PFC控制系统和变频空调压缩机控制系统共用控制器芯片，经输入电压信号采集，并提取输入电压最大值和最小值以及最大值和最小值间的时间，算出输入电压的相位和幅值，再经过软件滤波，使PFC控制系统在不提高控制器芯片中断频率前提下，保证输入电压零点相位检测误差绝对值小于0.01度，具体过程为：

步骤1：输入电压最大值和最小值采集与提取

利用输入电压波形数据，找出一定时间间隔内的输入电压的最大值及最小值，并记录这些值所对应的时间，对所找出的最大值和最小值分别求平均，所得最大值及最小值的真实值；

步骤2：零电压值提取

基于步骤1中所求出的最大值、最小值的真实值，利用交流电压的对称性，计算出输入电压零点对应的A/D采样值；

步骤3：输入电压零点附近滤波

为了防止零点处受到外界干扰，产生多次触发，输入电压零点附近滤波分为三个步骤：

b. 计算输入电压的最大值的真实值；

c. 利用正弦波在零点附近波形可近似为直线的特点，通过事先存储的和直线斜率关系表得出步骤a中所取数据的分布关系，从而完成零点附近数据的滤波；

步骤4：零点处理

经过步骤3处理后的数据为真实的输入电压数据，再寻找过零点：

B 与变频空调压缩机驱动控制系统相容的PFC控制策略平滑投切

利用A中检测的输入电压零点，在零点投入PFC控制策略可以减小对驱动控制系统运行状态的冲击，但并不能彻底消除这种冲击，采用如下与变频空调压缩机驱动控制系统相容的PFC控制策略平滑投切策略，实现变频空调整功率因数稳定运行：

a. PFC渐入处理，第一次进入PFC时每隔0.1s~1s增加一次PFC控制系统的PI参数，达到投入设定值时停止增加，PFC渐入过程完成，并置渐入完成标志；

PFC渐出处理，需要撤出PFC时每隔0.1s~1s减小一次PFC控制器的PI参数，当所有参数减至切出设定值时PFC渐出过程完成，置渐出完成标志。

2.根据权利要求1所述的变频空调整功率因数稳定运行控制方法，其特征在于，其特征在于：步骤1中所述的时间间隔为300ms~400ms。