CN1987258A

CN1987258A - 变频空调器以及变频空调器的功率因数补偿方法

Info

Publication number: CN1987258A
Application number: CN 200510133616
Authority: CN
Inventors: 许成哲
Original assignee: LG Electronics Tianjin Appliances Co Ltd
Current assignee: LG Electronics Tianjin Appliances Co Ltd
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: CN1987258B

Abstract

一种变频空调器的功率因数补偿方法，具有在常用交流电源中只是让所定频率通过的电感器、以及为了对通过电感器的电源的功率因数进行补偿，在每一个输入电压的零交叉始点进行功率因数补偿的功率因数补偿部构成的变频空调器中，包括：检测输入电压相位的零交叉始点，并判断输入电压大小；根据检测的输入电压变化判断是否经过了开关导通(ON)延时时间；经过了判断的导通(ON)延时时间，则进入开关导通(ON)。本发明在利用部分开/关转换控制方式的变频空调器中，使开关元件的导通(ON)的始点从零交叉始点开始随着输入电压变化，从而根据电压进行最佳的开关转换，并得到最佳的功率因数。在过压状态下，通过正常的开关转换，保证了压缩机稳定运行。

Description

变频空调器以及变频空调器的功率因数补偿方法

技术领域

本发明涉及一种变频空调器。特别是涉及一种在为了进行功率因数补偿而采用部分开/关转换控制方式的变频空调器中，根据输入电压改变开关元件的导通(ON)延时时间，由此使其免受由于过压引起的零交叉始点移动的影响的变频空调器以及变频空调器的功率因数补偿方法。

背景技术

空调器是将室内空气维持在用户所需的状态的家用电器，在夏天对于室内进行制冷，冬天对于室内进行制暖，并且还调整室内湿度，使室内空气维持在用户感到最舒适的状态。随着空调器等方便人们生活的制品的广泛应用，消费者要求提高这种家电产品的使用效率以及性能。

而且，随着家电产品广泛应用于家庭和公司以及工厂，多数国家和相关机构都制定了相关的使用规格。例如，有一种调谐波规格(规格号EN61000-3-2，Limit for Harmonic current emissions)。调谐波(也称为‘高频’)制定规格是为了限制频率的失真。这是因为高频干扰会加快各种电力机器的热化，缩短其寿命，加重由过热等引起的火灾发生的危险，而且带来了无效电力的消耗，极大的浪费了电力。由于这种问题，在变频空调器中为了降低高频干扰，采用功率因数改善等各种方法。

图1是现有技术的有源变频空调器的控制电路图，图2是现有技术的在功率因数改善控制下的输入电压波形和输入电流波形示意图。

如图1、图2所示，现有的有源变频空调器控制电路包括：利用由桥式二极管构成的整流电路对输入交流电压31进行一次整流的整流电路23；输入整流回路23的输出，使电压和电流一致的有源滤波器24。

有源滤波器24包括：输入整流回路23的输出的电感器25；连接在电感器25的输出端，防止电流逆流的二极管21；为使输出信号的电压和电流之间不产生相位差，进行高频开关控制的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)开关19；为了控制IGBT开关19的开关动作，进行PWM(PulseWidth Modulation)控制的PFC(Power Factor Correction)控制部27。

具体说，PFC控制部27通过PWM控制，使电感器25的电流相位追踪输入电压的相位，由此高速转换IGBT开关19。

根据上述的构成方式，经过有源滤波器24后改善了功率因数的信号流入由电容器构成的DC电压发生部13中，DC电压发生部13产生驱动压缩机用的DC电压，而DC电压在变频部15的控制下提供到压缩机17中。

如上构成的现有的有源变频空调器控制回路中，导通(ON)IGBT开关19时，经过整流回路23进行了整流的电压施加到电感器25上，电感器的电流线性上升。这时，防止电流逆流用二极管21上产生反向电压，导致防止电流逆流用二极管21截止，而DC电压发生部13中储存的能量将供应到压缩机17上。

相反，在PFC控制部27的控制下，IGBT开关19关闭时，防止电流逆流用二极管21导通，电感器25的两端电压等于输出电压减去输入电压，而电感器电流线性减小。这时，能量从输入端供应到输出端，对DC电压发生部13进行充电，给压缩机17也提供能量。

通过IGBT开关19反复的开/关，电感器电流追踪输入电压的相位，由此改善功率因数。这时，PFC控制部27在图中没有表示的控制部的控制下进行PWM控制。而且，经过有源滤波器24改善了功率因数的电压将提供到DC电压发生部13中，DC电压发生部13产生用于驱动压缩机17的DC电压，而DC电压发生部13产生的DC电压在变频部15的控制下提供到压缩机17中。

如上所述，现有的有源变频空调器的控制回路中，通过IGBT开关19的开/关转换动作，输入电压和电流之间几乎不存在相位差，但是这种方式需要IGBT开关19进行高频开关控制(约20KHz)，因此会导致半导体元件周围电路的制造费用的上升。如连接在IGBT开关19上的防止电流逆流用二极管21以及电感器25需要使用适合高频开关转换的元件。而且，在IGBT开关19的开关动作过程中，为了对从防止电流逆流用二极管21流入IGBT开关19侧的逆电流进行散热，需要使用容量较大的散热板和较大的散热风扇。

有源变频空调器的成本上升问题，导致产品购买力的下降，因此制造商积极寻找新的方案，其中有在降低制造成本的同时改善功率因数效果好的部分开/关转换控制方式(PSC：Partial Switching Correction)。

有源变频空调器中使用的部分开/关转换控制方式如图2所示，利用一定的频率(例如，20KHz)连续对IGBT开关19进行开/关转换控制，但是部分开/关转换控制方式如图3所示，检测输入电压的零交叉(zerocrossing)始点，并从检测的始点开始导通IGBT开关19之后，经过一定时间后，关闭IGBT开关19，直到输入电压再次达到零交叉点。

图3是在现有技术的变频空调器中，部分开/关转换控制下的输入电压和输入电流的波形图。

图3中，(a)表示部分开/关转换控制方式下的输入电压和输入电流的波形图，(b)表示在输入电压相位检测部中，检测输入电压的零交叉始点的电源相位检测波形图，(c)表示零交叉始点的IGBT开关的部分转换动作波形图。

部分开/关转换控制方式在根据输出电源的检测周期性的区分了零交叉始点时，在每个周期进行一次转换动作，各个转换动作在规定时间(约周期的14％～15％)内维持导通(ON)状态，随着压缩机17驱动，IGBT开关19进行部分转换动作。

但是，根据如上所述的现有的部分开/关转换控制方式，在一般的电压下利用输出电源的相位检测部检测零交叉始点，并在零交叉始点上IGBT开关19反复开/关，电流的波形变成如图3的(a)，而在过压状态下，将与实际的零交叉始点不符的始点判断为零交叉始点，输出非正常的电流波形，控制部判断为PSC错误，由此停止压缩机运转。

由此，在利用输入电压的零交叉始点进行功率因数补偿的变频空调器中，要求在过压状态下，通过正常的IGBT开关的ON/OFF动作，使压缩机稳定的运转。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在采用部分开/关转换控制方式的变频空调器中，使开关元件的导通(ON)始点在零交叉始点上根据输入电压变化，由此根据电压进行最佳的转换，从而可以提高功率因数的变频空调器以及变频空调器的功率因数补偿方法

特别提供在过压状态下，也可以正常运行压缩机的变频空调器以及变频空调器的功率因数补偿方法。

本发明所采用的技术方案是：一种变频空调器的功率因数补偿方法，具有在常用交流电源中只是让所定频率通过的电感器、以及为了对通过电感器的电源的功率因数进行补偿，在每一个输入电压的零交叉始点进行功率因数补偿的由IGBT开关和整流电路组成的功率因数补偿部构成的变频空调器中，其功率因数补偿方法包括：检测输入电压相位的零交叉始点，并判断输入电压大小的阶段；根据检测的输入电压变化判断是否经过了开关导通(ON)延时时间的阶段；经过了判断的导通(ON)延时时间，则进入开关导通(ON)的阶段。

当所述的开关导通(ON)时间是处在输入电压值小于第1电压值时，判断为已设定的第1延时时间值；当所述的开关导通(ON)时间是处在输入电压值大于第2电压值时，判断为第2延时时间值。

当所检测的电压值大于已设定的第1电压值，并小于第2电压值时，开关的导通(ON)时间值在第1延时时间值和第2延时时间值之间变化。

所述的开关的导通(ON)延时时间满足数学公式1：

导通(ON)延时时间(T_d)＝{(T2-T1)/(V2-V1)}×(输入电压-V1)+T1

其中，T1、T2分别表示第1延时时间值和第2延时时间值，V1、V2分别表示第1电压值和第2电压值。

一种变频空调器，包括有：在常用交流电源中只是让所定频率通过的电感器；还包括有，为了对通过电感器的电源的功率因数进行补偿，在进行转换动作的功率因数补偿部；输入功率因数补偿部输出的电源，产生规定大小的DC电压的DC电压发生部；对于DC电压发生部输出的电压进行倒相，将其提供给压缩机上的变频部；检测输入到产品内部的电压大小的输入电压检测部；检测输入到产品内部的电压的相位的输入电压相位检测部；从输入电压相位检测部检测的输入电压相位的零交叉始点开始，根据输入电压的大小变换功率因数补偿部的开关导通延时时间，进行开/关转换动作的IGBT开关控制部。

所述的功率因数补偿部是由IGBT开关和整流电路构成。

所述的开关的导通(ON)延时时间值在第1延时时间值和第2延时时间值之间变化。

本发明的变频空调器以及变频空调器的功率补偿方法，在利用部分开/关转换控制方式的变频空调器中，使开关元件的导通(ON)的始点从零交叉始点开始随着输入电压变化，从而根据电压进行最佳的开关转换，提高了功率因数，并得到最佳的功率因数。特别是，在过压状态下，通过正常的开关转换，保证了压缩机稳定运行。

附图说明

图1是现有技术的有源变频空调器的控制电路图；

图2是现有技术的在功率因数改善控制下的输入电压波形和输入电流波形示意图；

图3是在现有技术的变频空调器中，部分开/关转换控制下的输入电压和输入电流的波形图；

图4是本发明的用于变频空调器的功率因数补偿的控制电路构成框图；

图5至图7是本发明的变频空调器功率因素补偿方法的流程图；

图8是本发明的变频空调器中的部分开/关转换控制方式下的输入电压和输入电流的波形图。

其中：

50：电源端 52：电感器

54：IGBT开关 56：整流回路

58：DC电压发生部 60：变频部

62：压缩机 64：变频器驱动部

66：DC链接电压检测部 68：IGBT开关控制部

70：微型控制器 72：输入电压相位检测部

74：输入电压检测部 76：输出电流检测部

具体实施方式

下面，结合附图详细说明本发明的变频空调器以及变频空调器的功率补偿方法的具体实施例。

图4是本发明的用于变频空调器的功率因数补偿的控制电路构成框图。

如图4所示，本发明提供的变频空调器在输入电源的电源端50上连接了电感器52，而在电感器52的后端并联连接了对于输入电压进行整流的整流电路56和IGBT开关54。由IGBT开关54和整流电路56组成了功率因数补偿部。IGBT开关54在IGBT开关控制部68的控制下进行开(ON)/关(OFF)转换。在整流电路56的下一端上连接了DC链接电压发生部58，而DC链接电压发生部58中产生的高压的DC链接电压通过变频部60传到压缩机62中。

利用上述的结构，为了使电源端50的电压变换为高压的DC链接电压供应到压缩机62中，需要对IGBT开关54以及变频部60进行控制。为了进行相应的控制，在本发明中还包括有：在微型控制器70的控制下，驱动变频部60的变频器驱动部64；在微型控制器70的控制下，控制IGBT开关54的开/关动作的IGBT开关控制部68。

还包括有：检测DC链接电压发生部58产生的电压的DC链接电压检测部66；检测输入到产品内部的输入电压的相位的输入电压相位检测部72；输入到产品内部的电压大小的输入电压检测部74；检测输入到产品内部的电流的大小，包含电流变换器(Current Transducer)的输入电流检测部76。而且，各个检测部检测到的数据将输入到微型控制器70内部。

由此，微型控制器70可以确认输入电压的相位，并可以确认所产生的DC电压的大小。而且，为了使确认的DC电压大小保持一定，微型控制器70控制IGBT开关54的部分开/关转换动作。

下面，对IGBT开关54的转换动作进行说明。首先，从电源端50输入电源，通过电感器52的电源输入到整流电路56中进行一次整流。在整流电路56中进行了整流的信号将输入到DC链接电压发生部58中，在DC链接电压发生部58中产生较高的DC电压。然后，通过变频部60供应到压缩机62中。这时，DC链接电压检测部66检测所产生的DC电压，而输入电压相位检测部72检测输入到产品内部的电压的相位，并提供给微型控制器70中。

微型控制器70判断输入电压相位的零交叉始点，并从零交叉始点根据输入电压的大小判断IGBT开关54的导通(ON)延时时间，给IGBT开关控制部68送出信号。IGBT开关控制部68在经过了微型控制器70判断的IGBT开关54的导通(ON)延时时间后，使IGBT开关54处于导通(ON)状态。

下面，对于如上构成的空调器功率因数进行补偿的控制过程进行说明。

图5至图7是本发明的变频空调器功率因素补偿方法的流程图。

首先，结合图5说明IGBT开关54导通(ON)的始点。在微型控制器70的控制下进行驱动时，电源端50的电源传递到电感器52侧，并流入产品内部。通过电感器52的电源供应到整流电路56中进行一次整流。然后，在整流电路56中进行整流后的信号传到DC链接电压发生部58中。DC电压发生部产生高的DC电压，通过变频部60提供到压缩机62内部。

同时，经过上述的过程给压缩机提供电压时，DC电压检测部66检测DC电压发生部58产生的电压，将其提供给微型控制器70中，而输入电压相位检测部72检测输入到产品内部的电压相位，将其提供给微型控制器70中S100阶段。

然后，微型控制器70判断输入电压的相位是零交叉始点S110阶段。然后，根据输入的电压的大小判断IGBT开关54的导通(ON)延时时间。

具体说，微型控制器70上已经设定了用于根据输入电压判断适当的IGBT开关54的导通(ON)延时时间的第1电压值V1和第2电压值V2，并根据基准电压值，预先设定IGBT开关54的适当的导通(ON)延时时间，即第1延时时间T1和第2延时时间T2。在这里，第1电压值和第2电压值之间的关系为V1＜V2，T1和T2之间的关系是T1＜T2，而且各个电压值和延时时间是常数。

首先，判断输入电压值是否小于第1电压值V1，比如256V S120阶段。如果输入电压值小于256V，IGBT开关54的导通(ON)时间设定为T1，比如1ms S130阶段。而输入电压值不小于256V时判断输入电压值是否超过第2电压值V2，比如276V以上S140阶段。如果输入电压值的大小达到276V以上时，IGBT开关54的导通(ON)延时时间设定为T2，比如设定为1.5ms S150阶段。而当输入电压值小于276V时，将其带入求IGBT开关54导通(ON)延时时间的公式中求出IGBT开关54导通(ON)时间S160阶段。

在S160阶段中，求IGBT开关54的导通(ON)延时时间的计算公式如下：

【数学公式1】

导通(ON)延时时间(T_d)＝{(T2-T1)/(V2-V1)}×(输入电压-V1)+T1

公式是在输入电压的大小处于第1电压值和第2电压值之间时，求出导通(ON)延时时间的计算公式，公式中的V1、V2表示第1电压值和第2电压值，T1、T2表示第1延时时间值和第2延时时间值。即，当输入电压大小小于第1电压值时，IGBT开关54的导通(ON)延时时间总是T1，当输入电压的大小超过第2电压值时，IGBT开关54的导通(ON)延时时间总是T2，而当输入电压的大小超过第1电压值而小于第2电压值时，根据数学公式，IGBT开关54的导通(ON)延时时间根据电压大小线性变化。如，当输入电压的大小是261V时，IGBT开关54的导通(ON)延时时间是1.125ms，当输入电压的大小是266V时，IGBT开关54的导通(ON)延时时间是1.25ms。

通过微型控制器70根据输入电压的大小判断IGBT开关54的导通(ON)延时时间，在经过了导通(ON)延时时间时S170阶段，微型控制器70给IGBT控制部68发出导通IGBT开关54的命令，由此IGBT开关控制部68导通IGBT开关54 S180阶段。

IGBT开关54导通的时间内，电感器52两端的电压等于输入电压，而通过电感器52的电流的相位与电压波形的相位接近。这时，在整流电路56中进行整流后储存在DC链接电压发生部58的能量将提供到压缩机62中。

IGBT开关54的导通(ON)动作在输入电压相位达到零交叉的始点上反复进行，IGBT开关54处于导通(ON)状态时间与为达到目标DC链接电压而设定的开关导通时间(Ton)相同S190阶段。即，在S190阶段是在IGBT开关54导通(ON)后设定其应导通(ON)多长时间的阶段。

下面，结合图6对经过图5的过程导通(ON)的IGBT开关的关闭OFF过程进行说明。

首先，微型控制器70在IGBT开关54导通(ON)后，利用内置的计时器以一定的时间间隔对已经设定的开关导通时间(Ton)进行确认并减去经过时间S200阶段。然后，判断已设定的开关导通时间(Ton)是否达到“0”S210，当已设定的开关导通时间(Ton)达到“0”时，微型控制器70给IGBT开关控制部68发出关闭IGBT开关54的命令，由此IGBT开关控制部68关闭(OFF)IGBT开关54 S220阶段。

在S220阶段中，IGBT开关54关闭(OFF)时，电感器52两端的电压等于输出电压减去输入电压，而电感器电流与IGBT开关54导通(ON)时相反，线性减小。这时，能量从输入部供应到输出部，DC链接电压发生部58进行充电，并同时给压缩机62提供能量。

下面，结合图7对在S190阶段中设定开关导通时间(Ton)的过程进行说明。

首先，在对各个产品的实验阶段中将功率因数最高的DC链接电压设定为目标DC链接电压。把已设定的目标DC链接电压保存到微型控制器70中，设定达到目标DC链接电压的目标开关导通时间。目标开关导通(ON)延时时间是根据实验数据得出的数值，其也将保存在微型控制器70内部。

然后，利用DC链接电压检测部66检测DC链接电压发生部58产生的当前DC链接电压，将其传到微型控制器70时S300阶段，微型控制器70比较当前DC链接电压和已设定的目标DC链接电压，并判断当前DC链接电压是否高于已设定的目标DC链接电压。第S310阶段

在S310阶段中，当前DC链接电压高于已设定的目标DC链接电压时，减小已设定目标开关导通(ON)延时时间，将其设定为开关导通时间(Ton)S320阶段，而在当前DC电压不高于目标DC链接电压时，增加已设定的目标开关导通时间，将其设定为开关导通时间(Ton)S330阶段。

如上设定的开关导通时间(Ton)在图6的过程中决定IGBT开关54的动作时间。

图8是本发明的变频空调器中的部分开/关转换控制方式下的输入电压和输入电流的波形图，其中：(a)是部分开/关转换控制下的输入电压和输入电流的波形图，(b)是在输入电压相位检测部中检测到的输入电压的零交叉始点的电源相位检测波形图，(c)是从零交叉始点的IGBT开关的部分开/关转换动作波形图。

如图8所示，从输入电压相位检测部72检测输入电压的零交叉始点，产生电压相位检测波形时{图8的(b)}，根据零交叉始点的输入电压大小判断IGBT开关54的导通(ON)延时时间，即经过图5的S120阶段到S160阶段判断导通(ON)延时时间，在经过了导通(ON)延时时间后，导通IGBT开关54。这时，IGBT开关54导通(ON)的始点是在部分开/关转换控制下可以充分的进行功率因数补偿的始点。

由此，根据本发明通过电感器的电流波形与图8的(a)相同，在满足功率因数的同时，在过压状态下，压缩机可以稳定的运转。

Claims

1.一种变频空调器的功率因数补偿方法，具有在常用交流电源中只是让所定频率通过的电感器(52)、以及为了对通过电感器(52)的电源的功率因数进行补偿，在每一个输入电压的零交叉始点进行功率因数补偿的由IGBT开关(54)和整流电路(56)组成的功率因数补偿部构成的变频空调器中，其功率因数补偿方法包括：检测输入电压相位的零交叉始点，并判断输入电压大小的阶段；根据检测的输入电压变化判断是否经过了开关导通(ON)延时时间的阶段；经过了判断的导通(ON)延时时间，则进入开关导通(ON)的阶段。

2.根据权利要求1所述的变频空调器的功率因数补偿方法，其特征在于，当所述的开关导通(ON)时间是处在输入电压值小于第1电压值(V1)时，判断为已设定的第1延时时间值(T1)；当所述的开关导通(ON)时间是处在输入电压值大于第2电压值(V2)时，判断为第2延时时间值(T2)。

3.根据权利要求1所述的变频空调器的功率因数补偿方法，其特征在于，当所检测的电压值大于已设定的第1电压值(V1)，并小于第2电压值(V2)时，开关的导通(ON)时间值在第1延时时间值(T1)和第2延时时间值(T2)之间变化。

4.根据权利要求3所述的变频空调器的功率因数补偿方法，其特征在于，所述的开关的导通(ON)延时时间满足数学公式1：

导通(ON)延时时间(T_d)＝{(T2-T1)/(V2-V1)}×(输入电压-V1)+T1

5.一种变频空调器，包括有：在常用交流电源中只是让所定频率通过的电感器(52)；其特征在于，还包括有，为了对通过电感器(52)的电源的功率因数进行补偿，在进行转换动作的功率因数补偿部；输入功率因数补偿部输出的电源，产生规定大小的DC电压的DC电压发生部(58)；对于DC电压发生部(58)输出的电压进行倒相，将其提供给压缩机(62)上的变频部(60)；检测输入到产品内部的电压大小的输入电压检测部(74)；检测输入到产品内部的电压的相位的输入电压相位检测部(72)；从输入电压相位检测部(72)检测的输入电压相位的零交叉始点开始，根据输入电压的大小变换功率因数补偿部的开关导通(ON)延时时间，进行开/关转换动作的IGBT开关控制部(68)。

6.根据权利要求5所述的变频空调器，其特征在于，所述的功率因数补偿部是由IGBT开关(54)和整流电路(56)构成。

7.根据权利要求5所述的变频空调器，其特征在于，所述的开关的导通(ON)延时时间值在第1延时时间值和第2延时时间值之间变化。