CN1801588A - 变频空调电源功率因数校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频空调电源功率因数校正装置，该变频空调包括用于将电源输入端输入的交流电源变成直流电源的变换器、用于将变换器输出的直流电源改变成所需工作频率的三相交流电源的变频器；该装置包括：过零检测电路，连接电源输入端，用于检测输入电压的过零点；控制部件，连接过零检测电路，用于以所述检测为基准来确定电源的电度角，并根据电度角输出对应的控制信号；电流调节电路，连接控制部件和变换器，根据前述控制信号调节交流电源的电流波形，从而改善电源中的电流谐波。

Description

变频空调电源功率因数校正装置

技术领域

本发明涉及变频空调和电源技术领域，更具体地说涉及变频空调电源功率因数校正装置。

背景技术

随着现代电力装置和家用电器的广泛应用，电源对电网供电质量的影响不可小视。众所周知，从交流电网整流后供给直流是电力电子技术中应用最广泛的一种基本变流方式。但是，可控或不可控整流滤波电路产生的低功率因数、高谐波含量电网电流导致了电网电压的畸变，增加了配电系统导线与变压器的损耗，增大了中线谐波电流，造成了电网上其它用电装置严重的电磁干扰。同时低功率因数也降低了电源系统的负载能力和可靠性。

随着空调技术的发展，变频空调器由于其舒适性能和节能特点，越来越受到广大用户的喜爱。可是目前市场上销售的交流、直流变频空调中，其功率前级一般都采用二极管全桥整流方式，造成电网谐波污染，功率因数下降。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不成线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

在只含线性元件，如电阻、电感及电容的简单电路里，流过的电流与施加电压成正比。所以如果所加电源电压是正弦的话，流过的电流就是正弦的。应当指出：在有电感、电容等无功元件的场合，在电压与电流波形间有一相位移，功率因数低了，但线路仍然是线性的。

但是，在空调变频控制系统中，220V AC的交流电源经过整流桥整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生电流高次谐波。电流谐波可造成电网电压的严重畸变；电缆电线过热，绝缘老化加速、损坏并导致线间短路和接地故障并引起电器火灾和人身电击事故；整流后的平波电容器过热，易损坏，寿命短；系统的功率因数降低等危害，对电网和其他用电设备的安全运行造成潜在危害。由于变频空调的使用量大面广，其危害更加严重。

我国对家电产品强制执行“CCC认证”标准，根据我国CCC认证的要求，空调器需通过CCC认证。对变频空调器而言，EMC(电磁兼容性)中的连续干扰电压、断续干扰电压、干扰功率、谐波四项试验被认定为家用空调器必须通过的项目。要通过电流谐波项目(依据标准GB17625、1-1998)，就需要增加功率因素校正电路(即PFC电路)。需要研发可产品化的谐波抑制和功率因数校正方案，应用于变频空调中去实现其功率因数校正。也就是采用功率因素的校正技术，来提高变频空调的功率因素，使各次谐波电流含量均满足“CCC认证”的EMC标准。

通过近年来的研究，已有多种方法用于提高变频空调功率因数和减小输入电流谐波，主要有以下两种：无源功率因数校正器和有源全程功率因数校正器。

请参阅图1，是现有技术中无源功率因数校正器的电路原理图。

其中，在交流侧接入谐振滤波器来进行功率因数的校正。校正后的电压、电流波形如图2所示。

所述无源功率因数校正器的主要优点是简单、成本低、可靠性高、维护方便、EMI(电磁干扰)小。但是，其具有一些缺点：首先，无源滤波装置有效材料消耗多、体积大；其次，只能做成对某几次谐波有滤波效果，且滤波效果易受元件或系统参数、以及电网频率等变化的影响；再次，在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故；另外，当谐波源增大时，滤波器负担随之加重，以致可能因谐波过载不能运行等。高次谐波也和基波一样，总是选择低阻抗路径通过，但与基波不同的是，高次谐波优先选择容性电路，因为电容具有通高频阻低频的特性，可用数学表达式X_C＝1/2fC来分析，谐波电路中容抗X_C的大小与谐波频率f、电容容量C的乘积成反比，因此谐波频率越高，容抗X_C越小，谐波电流就越大。此外其校正效果还不是十分理想，而且影响空调的能效比。

请参阅图3，是现有技术中有源全程功率因数校正器的电路原理图。

在整流器810和负载820之间接入一个AC/DC开关变换器800，应用电流反馈技术，通过PFC专用逻辑芯片(图未示)控制，使输入端电流Ii波形在整个电周期内跟踪交流输入正弦电压波形(参见图4)，可使Ii接近正弦，从而使输入端THD(总谐波畸变量)小于5％，而功率因数可提高到0.99甚至更高，这就是有源功率因数校正。

所述有源功率因数校正的主要优点是：可得到较高的功率因数，如0.99以上；THD值小，可在较宽的输入电压范围(如90～264V AC)和宽频带下工作；体积、重量小，输出电压也能保持稳定。但是，其缺点在于：由于内部的开关管IGBT的开关频率非常高(一般在20K以上)，因此工作时会产生相当大的电磁干扰，使系统的干扰电压和干扰功率超标，为了抑制功率因数校正自身所带来的干扰一般要采取多级滤波，这样一来势必大大增加了变频控制系统的成本。另外，由于其工作频率很高，需要非晶态磁性材料作磁芯的高频电感L1与其配合，而这种电感价格很高，进一步增加了系统的成本，不利于市场竞争。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种变频空调电源功率因数校正装置，在改善电源功率因数的同时，具有良好的EMI性能和较低的成本。

为此，本发明解决技术问题的技术方案是：提供一种变频空调电源功率因数校正装置，该变频空调包括用于将电源输入端输入的交流电源变成直流电源的变换器、用于将变换器输出的直流电源改变成所需工作频率的三相交流电源的变频器；该装置包括：

过零检测电路，连接电源输入端，用于检测输入电压的过零点；

控制部件，连接过零检测电路，用于以所述检测为基准来确定电源的电度角，并根据电度角输出对应的控制信号；

电流调节电路，连接控制部件和变换器，根据前述控制信号调节交流电源的电流波形，从而改善电源中的电流谐波。

优选地，该装置还包括输出电流检测电路，用于检测输出电流并输入至所述控制部件，以实现起调和止调的时间的选择。

优选地，所述输出电流检测电路是设置在变换器的采样电阻，所述控制部件根据采样电阻两端的电压来确定输出电流。

优选地，所述控制部件输出的控制信号用于在每180电角度内，分别在电源峰值电流前和峰值电流后对电源进行分段校正。

优选地，所述变换器包括用于将输入的交流电源整流成预定直流电压的桥式整流器，以及用于对整流过的直流电压的脉动进行滤波、同时对整流过的直流电压进行充电的平波电容。

优选地，所述电流调节电路包括：储能电感、二极管和断路器；其中，所述储能电感的一端连接于变换器的桥式整流器的输出端；二极管连接于储能电感的另一端和平波电容的一端之间；断路器的集电极与储能电感和二极管的节点连通，基极连接于控制部件，发射极连接于平波电容的负极；所述控制部件输出的控制信号用于控制断路器的开通的占空比和工作频率。

优选地，还包括采样电阻，连接于桥式整流器的负输出和断路器的发射极之间。

优选地，所述储能电感是工频电感；所述控制部件是单片机。

优选地，所述过零检测电路包括分别连接交流电源两端的第一电阻和第二电阻。

本发明还提供一种电源功率因数校正装置，应用于包括变换器和变频器的电子产品中，所述变换器用于将电源输入端输入的交流电源变成直流电源，所述变频器用于将变换器输出的直流电源改变成所需工作频率的三相交流电源；该装置包括：

过零检测电路，连接电源输入端，用于检测输入电压的过零点；

控制部件，连接过零检测电路，用于以所述检测为基准来确定电源的电度角，并根据电度角输出对应的控制信号；

电流调节电路，连接控制部件和变换器，根据前述控制信号调节交流电源的电流波形，从而改善电源中的电流谐波。

相对于现有技术，本发明采用过零检测电路来检测输入电压的过零点，控制部件以所述检测为基准来确定电源的电度角，并根据电度角输出对应的控制信号来控制电流调节电路，调节交流电源的电流波形，从而改善电源中的电流谐波。因此，本发明的有益效果是：首先，可以降低断路器的功耗，提高效率。因为本发明不是在整个电流周期内都对电源进行校正，而是在每180电角度内对电源进行分段校正，这样不但减少了断路器的开关次数，而且避免了断路器的大电流区段。其次，改善了EMI特性。现有技术的全程PFC的一个缺点是EMI特性差，需要几级滤波才能通过CCC认证的标准(主要是干扰电压和干扰功率)，这就使变频空调的电控成本增加，本方案在降低开关频率的同时又避免了对EMI影响最坏的峰值电流段的开关，从而改善了PFC的EMI特性，降低变频空调的电控成本。再次，虽然本发明方案的校正电角度比全程PFC的校正电角度少了约20％-30％，可是功率因数却仅仅降低了2％-10％。

此外，由于本发明里断路器的工作频率远低于全程有源PFC里的工作频率，这样就可以用工频电感代替全程有源PFC方案里的高频电感。这样虽然会使储能电感的电感量增加，不过由于储能电感的磁芯可以因此由非晶态材料换成普通的磁性材料，储能电感的成本得到了降低。

总之，本发明可以克服上述现有技术中两种方案的缺点和不足，提供一种性能优于无源PFC方案，成本又低于有源全程PFC，又有良好的EMI性能的全新PFC方案，以满足变频空调对PFC性能和成本的要求，使变频空调在性能和成本上更有竞争力。

附图说明

图1是现有技术中无源功率因数校正器的电路原理图；

图2是图1所示校正器校正后的电压和电流波形图；

图3是现有技术中有源全程功率因数校正器的电路原理图；

图4是图3所示校正器校正后的电压和电流波形图；

图5是本发明变频空调电源功率因数校正装置的框图；

图6是本发明变频空调电源功率因数校正装置的电路原理图；

图7是未校正的输入电流波形图；

图8是本发明校正后的输入电流波形图；

图9是本发明方法的实际应用的测试结果示意图；

图10是本发明方法的实际应用的测试结果示意图。

具体实施方式

请参阅图5，本发明变频空调电源功率因数校正装置应用于变频空调器，所述变频空调器包括变换器100、变频器200；所述变换器100利用整流和平滑方法将来自电源输入端1的交流电源变成直流电源；变频器200用于将变换器100输出的直流电源改变成可变频率的三相(u、v、w相)交流电源，由此将该交流电源供应给变频空调器的压缩机(图未示)。

所述电源功率因数校正装置300用于校正功率因数，在每180电角度内对电源进行两段校正，分别在电源峰值电流前和峰值电流后，而不在峰值电流部分进行校正。

请参阅图6，是本发明电源功率因数校正装置的一个具体实施例。

其中，所述变换器100包括一个用于将输入的交流电源整流成预定直流电压的桥式整流器110，以及一个与桥式整流器110的输出端连接用于对整流过的直流电压的脉动进行滤波、同时对整流过的直流电压进行充电的平波电容C。

所述变频器200通常由六个开关器件，如功率晶体管(图中仅示其一)构成，通过交替接通和切断开关器件将变换器100输出的直流电源改变成可变频的三相交流电源，使压缩机(图未示)按照所需的运行频率运行。

所述电源功率因数校正装置300设置在变频空调器的电源系统中，变频空调器的交流电源经过交流侧的滤波后作为本电源功率因数校正装置300的输入电源，输出侧接变频空调器的平波电容C后到空调器的变频器200给压缩机供电，应用效果完全满足CCC认证对空调谐波电流的要求。

电源功率因数校正装置300包括储能电感L、二极管D、断路器IGBT、采样电阻R3、控制部件310和过零检测电路320。

其中，储能电感L的一端连接于变换器100的桥式整流器110的输出端；二极管D连接于储能电感L的另一端和平波电容C的一端之间；断路器IGBT的集电极与储能电感L和二极管D的节点连通，发射极连接于平波电容C的负极，基极连接于控制部件310；采样电阻R3连接于桥式整流器110的负输出端和断路器IGBT的发射极之间。

过零检测电路320检测交流电源的过零点，控制部件310的控制就是以此为基准来确定电源的电角度。过零点的检测通过电阻R1和R2来进行，其中，R1和R2分别连接于交流电源的两端。

控制部件310可以采用单片机，内部包含8位微处理器(MCU)以及相应的外围电路，用于灵活地调节断路器IGBT的开通的占空比和工作频率，还可以选择功率因数校正的起调和止调的时间。

控制部件310连接过零检测电路320，根据检测结果来确定电源的电度角。控制部件310连接断路器IGBT的基极，输出开关信号来控制断路器IGBT的接通/断开，从而改善电源中的电流谐波和功率因数。

控制部件310连接采样电阻R3，通过测量采样电阻R3的分压来计算该电阻的电流。检测该电流的作用有两个：一是判断是否达到了功率因数校正装置工作的电流，因为如果负载电流很小的话，对系统进行功率因数校正是没有意义的；二是进行系统电流保护，如果检测到的电流超过该功率因数校正装置的限制电流，就停止该功率因数校正装置的工作。

当然，该采样电阻R3也可以采用其他的输出电流检测电路来替代，此不赘述。

下面介绍本发明功率因数校正装置应用于上述变频空调器的运行原理。

当由电源输入端1输入交流电源时，变换器100的桥式整流器110将该交流电源整流成预定的直流电源，平波电容C对该直流电源的脉动进行滤波，形成滤波后的直流电源。

如背景技术部分所述，在变频空调器的电源系统中如果没有进行电源的校正，只有当二极管前的电压高于二极管后的电压时，交流侧才有电流，由于平波电容C的储能效果，只有在交流电源处于波峰或波谷时才能达到这个条件，使得电流波形图如图7所示，从而降低系统的功率因数。

本发明通过电感器L和断路器IGBT的连接，以及控制部件310控制断路器IGBT的通断，在每180电角度内对电源进行两段校正，从而可以控制电流相位，改善电源中的电流谐波，提高功率因数。

当然，电感器L和断路器IGBT也可以采用其他的电流调节电路来替代，此不赘述。

首先，在与变换器100的桥式整流器110的输出端相连的储能电感L中流动的电流确定输入电源电流，用储能电感L两端的电压控制储能电感L中流过的电流。

在二极管D的正向电压还不足以使二极管D导通时，通过控制部分310进行PWM(脉宽调制信号)控制，将断路器IGBT导通，这样次回路上(电源在断路器IGBT导通时通过断路器IGBT构成电流次回路)将产生电流，该电流在储能电感L上储存能量，当电流达到一定数值后关断断路器IGBT，由于储能电感L上的电流不能突变，所以就通过二极管D输送到平波电容C端，通过多次导通和关闭将有效的将交流电源的电流波形提前(如图8所示)，从而改善电源中的电流谐波。

在该实施例中，在交流电源高于平波电压时是不对电源进行校正的(此时电流较大)，并且断路器IGBT的导通占空比是随着所校正电源的电角度不同而实时调节的(电流越大断路器IGBT的导通占空比越小)，以避免在断路器IGBT导通的时间里造成储能电感L饱和。

如果在断路器IGBT导通的时间里电流过大或者断路器IGBT的导通时间过长，就会造成储能电感饱和，在断路器IGBT导通的时间里储能电感L是不允许饱和的，不然就会形成短路。

经实验证实，本发明的输出功率可以达到4.5KW，校正后的功率因数可以达到98％，EMI特性完全符合CCC认证对变频空调的相关要求。

请参阅图9，PFC(功率因数校正)的工作效率是输出有用功率和输入总功率的比率，总功率和有用功率的差主要消耗到PFC的开关损耗和电感上。由于本发明方案相比现有技术的全程PFC方案开关频率低，开关次数少，而且避开了峰值电流段的开关，所以其工作效率要比全程PFC的工作效率高。

请参阅图10，本曲线是本发明PFC方案和全程PFC方案同在海尔空调KFR-35GW/V(DBPZXF)上的测试结果。从测试结果可以看出，当输入电流大于8A时，本发明方案的功率因数就可以达到并稳定在0.98左右。这虽然没有全程PFC的功率因数高(可以达到0.99以上)，不过已经可以满足变频空调的要求。

此外，本发明的输出功率主要取决于所采用的电力器件(IGBT和功率二极管)的允许电流值的大小，以及配套的储能电感的电感容量。本实施例采用的IGBT和功率二极管的容许电流值分别是35A和30A，奈压均为600V；储能电感根据所用机型可以相应调整。所以本实施例的设计容量可以达到4.5KW，并且已经在海尔的变频柜式空调(KFR-68LW/BPF)上做了初步验证，使用的储能电感的参数为20mH/30A，测试证明可以达到设计要求。

综上所述，本发明属于有源PFC的范畴。本发明和现有技术的全程有源PFC的一个重要区别是：全程有源PFC是在整个电流周期内都对电源进行校正。本发明不是在整个电流周期内都对电源进行校正，而是在每180电角度内对电源进行两段校正，分别在电源峰值电流前和峰值电流后，而不对峰值电流部分进行校正。这样的设计思路有以下几方面的考虑：

首先，这样设计可以降低IGBT的功耗，提高PFC的效率。因为本方案是在峰值电流的前后两段进行校正的，而在峰值电流段没有进行校正，这样不但减少了IGBT的开关次数，而是避免了IGBT的大电流区段，从而大大降低了IGBT的开关损耗，提高了PFC的效率。

其次，改善了PFC的EMI特性。原来的全程PFC的一个缺点是EMI特性很差，需要几级滤波才能通过CCC认证的标准(主要是干扰电压和干扰功率)，这就使变频空调的电控成本增加。本方案在降低开关频率的同时又避免了对EMI影响最坏的峰值电流段的开关，从而大大改善了PFC的EMI特性，降低变频空调的电控成本。原来的全程PFC要通过EMI标准一般需要加2-3级滤波电路，而本发明方案只需要1-2级就可以了。

最后，峰值电流区段本来就不需要太多的校正。测试结果也证明了这个结论，由图10可以看出，虽然本发明方案的校正电角度比全程PFC的校正电角度少了约20％-30％，可是功率因数却仅仅降低了2％-10％。

总之，本发明里断路器IGBT的工作频率远低于全程有源PFC里的工作频率，这样就可以用工频电感代替全程有源PFC方案里的高频电感。这样虽然会使储能电感的电感量增加，不过由于储能电感的磁芯可以因此由非晶态材料换成普通的磁性材料，储能电感的成本还是得到了大幅降低。本发明PFC方案和原有的全程PFC方案的一大区别就是用工频电感代替了全程PFC中的高频电感，从而降低了方案成本，而又没有因此而降低效率。全程PFC之所以不能用工频电感是因为其开关频率太高，如果用工频电感的话损耗太大，特别是在电流峰值时。本方案就从设计上避免了全程PFC的这些缺点，首先是避开了损耗比较大的峰值电流损耗，在电流峰值时不做调整，其次是降低了开关频率，从而降低了电感损耗。同时这些措施也降低了电力器件(IGBT和功率二极管)的开关损耗，从而提高了PFC的效率。另外，由于开关频率的大幅降低，全程有源PFC方案的干扰电压、干扰功率问题在本发明里也不再那么棘手。另外，本发明方案还有软启动功能。

本发明可以采用单片机来代替全程有源PFC中的专用逻辑芯片作为开关控制部件，灵活地调节IGBT的开通的占空比和工作频率，以及选择PFC起调和止调的时间。

当然，本发明领域的技术人员熟知，此方案还可以适用于其它包括变换器和变频器的电子产品中，并不限于上述实施例描述的变频空调器，此不赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种变频空调电源功率因数校正装置，该变频空调包括用于将电源输入端输入的交流电源变成直流电源的变换器、用于将变换器输出的直流电源改变成所需工作频率的三相交流电源的变频器；其特征在于，该装置包括：

过零检测电路，连接电源输入端，用于检测输入电压的过零点；

控制部件，连接过零检测电路，用于以所述检测为基准来确定电源的电度角，并根据电度角输出对应的控制信号；

电流调节电路，连接控制部件和变换器，根据前述控制信号调节交流电源的电流波形，从而改善电源中的电流谐波。

2.根据权利要求1所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：还包括输出电流检测电路，用于检测输出电流并输入至所述控制部件，以实现起调和止调的时间的选择。

3.根据权利要求2所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：所述输出电流检测电路是设置在变换器的采样电阻，所述控制部件根据采样电阻两端的电压来确定输出电流。

4.根据权利要求1至3任一项所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：所述控制部件输出的控制信号用于在每180电角度内，分别在电源峰值电流前和峰值电流后对电源进行分段校正。

5.根据权利要求1所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：所述变换器包括用于将输入的交流电源整流成预定直流电压的桥式整流器，以及用于对整流过的直流电压的脉动进行滤波、同时对整流过的直流电压进行充电的平波电容。

6.根据权利要求5所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：所述电流调节电路包括：储能电感、二极管和断路器；其中，所述储能电感的一端连接于变换器的桥式整流器的输出端；二极管连接于储能电感的另一端和平波电容的一端之间；断路器的集电极与储能电感和二极管的节点连通，基极连接于控制部件，发射极连接于平波电容的负极；所述控制部件输出的控制信号用于控制断路器的开通的占空比和工作频率。

7.根据权利要求6所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：还包括采样电阻，连接于桥式整流器的负输出和断路器的发射极之间。

8.根据权利要求5或6所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：所述储能电感是工频电感；所述控制部件是单片机。

9.根据权利要求1所述的变频空调电源功率因数校正装置，其特征在于：所述过零检测电路包括分别连接交流电源两端的第一电阻和第二电阻。

10.一种电源功率因数校正装置，应用于包括变换器和变频器的电子产品中，所述变换器用于将电源输入端输入的交流电源变成直流电源，所述变频器用于将变换器输出的直流电源改变成所需工作频率的三相交流电源；其特征在于，该装置包括：

过零检测电路，连接电源输入端，用于检测输入电压的过零点；

控制部件，连接过零检测电路，用于以所述检测为基准来确定电源的电度角，并根据电度角输出对应的控制信号；

电流调节电路，连接控制部件和变换器，根据前述控制信号调节交流电源的电流波形，从而改善电源中的电流谐波。

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