專利名稱：一種變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變頻空調(diào)功率因數(shù)的提高方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)市場(chǎng)銷售的家用變頻空調(diào)功率因數(shù)偏低，一般只有0. 7左右。我國家用空調(diào)擁有2億多臺(tái)，提高功率因數(shù)可以節(jié)能降耗，對(duì)提高我國能源利用效率具有重要意義。提高變頻空調(diào)運(yùn)行的功率因數(shù)采用功率因數(shù)校正(PFC)方法，該方法有兩種方式①無源PFC，利用電容和電感移相使輸入電流和電源電壓同相，并吸收諧波來提高功率因數(shù)，其缺點(diǎn)是直流變頻空調(diào)的直流母線電壓不穩(wěn)定，且增加了無源元件的附加損耗;②有源PFC，其優(yōu)點(diǎn)是保證直流母線電壓穩(wěn)定，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。大多數(shù)采用平均電流控制算法，利用輸出電壓和輸入電流反饋構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，來保證輸出電壓穩(wěn)定并提高功率因數(shù)。PFC控制器采集輸出電壓，與設(shè)定值比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，作為電流環(huán)設(shè)定值。與輸入電流比較，得到電流環(huán)誤差，又經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，輸出控制PFC開關(guān)管IGBT的PWM占空比信號(hào)，以保證輸入電流為正弦波并與電壓同相。此方法的缺點(diǎn)是輸入電壓過零點(diǎn)附近電流幾乎為零，導(dǎo)致功率因數(shù)只有0. 9左右。針對(duì)平均電流法的不足，一些研究采用分段調(diào)整參數(shù)的方法，對(duì)輸入電壓的不同相位使用不同的PI參數(shù)，以補(bǔ)償輸入電壓過零點(diǎn)附近的輸入電流，在一定程度上可以提高功率因數(shù)。由于不同段的參數(shù)差別很大，要求算法必須保證分段的正確性和可靠性，在輸入電壓波動(dòng)較大(變頻空調(diào)要求達(dá)到±20%)時(shí)可能燒毀PFC開關(guān)管而且輸入電流在段與段之間過渡不夠平滑，引起輸入電流波形畸變。還有使用前饋補(bǔ)償算法，依據(jù)硬件提供的輸入電壓過零信號(hào)，在過零點(diǎn)附近疊加一個(gè)控制量以補(bǔ)償過零附近的電流，提高功率因數(shù)。也有采用預(yù)測(cè)控制算法，根據(jù)輸入電壓過零同步信號(hào)，定時(shí)查找數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的PWM數(shù)據(jù)，經(jīng)過調(diào)整后輸出至IGBT來完成對(duì)功率因數(shù)校正。這些有源PFC控制算法都采用輸入電壓過零檢測(cè)電路，增加了硬件電路成本，也難以采集到非常精確的零點(diǎn)，功率因數(shù)在0. 95左右，不能達(dá)到整功率因數(shù)s^7=I),而且受變頻空調(diào)重復(fù)短期工作方式的影響，功率因數(shù)不穩(wěn)定。通用PFC方法也不適用于變頻空調(diào)重復(fù)短期工作方式的特點(diǎn)。每個(gè)重復(fù)周期包括起動(dòng)、升速、穩(wěn)速運(yùn)行、降速和停止等五個(gè)階段。在起動(dòng)升速的前段和降速停止的后段，輸入電流較小而且波動(dòng)大，可能使輸入電流不連續(xù)。影響PFC系統(tǒng)和空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。還可能損壞PFC開關(guān)管，使壓縮機(jī)系統(tǒng)死機(jī)，這是變頻空調(diào)PFC方法必須解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容
為了滿足變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，本發(fā)明在帶輸入電壓信號(hào)前饋控制的輸出電壓反饋和輸入電流反饋雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用軟件精確檢測(cè)輸入電壓零點(diǎn)技術(shù)和平滑投切方法，實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行。輸出電壓反饋控制構(gòu)成外環(huán)，保證輸出電壓穩(wěn)定。外環(huán)PI控制器輸出和輸入電壓波形同相的正弦波電流設(shè)定值。輸入電流反饋控制構(gòu)成內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)PI控制器保證輸入電流跟蹤正弦波設(shè)定值。特別是解決了輸入電壓過零檢測(cè)電路零點(diǎn)檢測(cè)不精確，使功率因數(shù)只有0. 95左右，不能達(dá)到整功率因數(shù)的問題。PFC控制系統(tǒng)的工作原理詳細(xì)說明如下PFC控制器采集輸出電壓，與輸出電壓設(shè)定值比較得到輸出電壓誤差，輸入外環(huán)PI控制器，經(jīng)過PI運(yùn)算處理獲得外環(huán)輸出信號(hào)，整流橋輸出電壓經(jīng)電壓分壓限幅電路輸入比例運(yùn)算放大器輸出與輸入電壓成正比的半波正弦信號(hào)，通過信號(hào)采集計(jì)算求得輸入電壓的平均值；通過輸入電壓零點(diǎn)精確檢測(cè)方法獲得輸入電壓的最大值，輸出前饋觸發(fā)信號(hào)以及輸入電壓角頻率。輸入電壓信號(hào)、外環(huán)輸出信號(hào)和輸入電壓平均值三個(gè)信號(hào)相乘，再乘比例系數(shù)，得到內(nèi)環(huán)正弦電流設(shè)定值。該設(shè)定值和實(shí)際采集的輸入電流比較，得到內(nèi)環(huán)電流偏差。電流偏差輸入內(nèi)環(huán)PI控制器計(jì)算，得到雙閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的占空比信號(hào)；輸入電壓零點(diǎn)精確檢測(cè)部分產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)輸出前饋占空比信號(hào)，此信號(hào)和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的占空比信號(hào)疊加，由PFC控制器輸出PFC控制系統(tǒng)開關(guān)管的PWM控制信號(hào)。
本發(fā)明PFC控制策略平滑投切利用輸入電壓零點(diǎn)精確檢測(cè)方法，在零點(diǎn)開始投入PFC控制策略，并采用分別增減電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，保證PFC控制系統(tǒng)和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行，具體過程如下
H輸入電壓零點(diǎn)精確檢測(cè)方法
PFC控制系統(tǒng)和變頻空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)共用控制器芯片，經(jīng)輸入電壓信號(hào)采集，并提取輸入電壓最大值和最小值以及最大值和最小值間的時(shí)間，算出輸入電壓的相位和幅值。再經(jīng)過軟件濾波，使PFC控制系統(tǒng)在不提高控制器芯片中斷頻率前提下，保證輸入電壓零點(diǎn)檢測(cè)誤差絕對(duì)值小于0. 01度。步驟I :輸入電壓最大值和最小值采集與提取
利用輸入電壓波形數(shù)據(jù)，找出一定時(shí)間間隔內(nèi)的輸入電壓的最大值及最小值，并記錄這些值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。對(duì)所找出的最大值和最小值分別求平均，所得最大值及最小值的真實(shí)值。時(shí)間間隔的范圍可以為300mjT400mS。步驟2:零電壓值提取
基于步驟I中所求出的最大值、最小值的真實(shí)值，利用交流電壓的對(duì)稱性，計(jì)算出輸入電壓零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A/D采樣值。步驟3 :輸入電壓零點(diǎn)附近濾波
為了防止零點(diǎn)處受到外界干擾，產(chǎn)生多次觸發(fā)。輸入電壓零點(diǎn)附近濾波分為三個(gè)步
驟
a.根據(jù)第一次記錄的最大值或最小值時(shí)間，推后3.5ms飛ms，在保證能采到輸入電壓實(shí)際零點(diǎn)值的情況下提取16個(gè) 26個(gè)數(shù)據(jù)以供處理；
b.計(jì)算輸入電壓的最大值Umax；
c.利用正弦波在零點(diǎn)附近波形可近似為直線的特點(diǎn)，通過事先存儲(chǔ)的Umi和直線斜
率關(guān)系表可得出a.中所取數(shù)據(jù)的分布關(guān)系，從而完成零點(diǎn)附近數(shù)據(jù)的濾波；
步驟4 :零點(diǎn)處理
經(jīng)過步驟3處理后的數(shù)據(jù)為真實(shí)的輸入電壓數(shù)據(jù)，尋找過零點(diǎn)分為以下兩個(gè)步驟
a.查找與零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓讀數(shù)值最接近的兩個(gè)值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間；b.為減少控制器芯片的計(jì)算時(shí)間，認(rèn)為零點(diǎn)電壓值與其附近兩個(gè)數(shù)分布在直線上，計(jì)
算輸入電壓零點(diǎn)的時(shí)間^> ;
本發(fā)明在半個(gè)正弦波周期內(nèi)電網(wǎng)頻率不發(fā)生變化的情況下，通過軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了輸入電壓零點(diǎn)高精度檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了零點(diǎn)檢測(cè)誤差絕對(duì)值小于0. Ol度。 與變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相容的PFC控制策略平滑投切方法
利用發(fā)明內(nèi)容(一!中檢測(cè)的輸入電壓零點(diǎn)，在零點(diǎn)投入PFC控制策略可以減小對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的沖擊，但并不能徹底消除，需要本發(fā)明的與變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相容的PFC控制策略平滑投切方法才能實(shí)現(xiàn)變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行。變頻空調(diào)是重復(fù)短期工作方式產(chǎn)品，當(dāng)室內(nèi)溫度超過(制冷)或低于(制熱)設(shè)定溫
度，壓縮機(jī)就起動(dòng)升速到給定的速度穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，室內(nèi)溫度逐漸下降(制冷)或上升(制熱)。當(dāng)溫度低于(制冷)或高于(制熱)設(shè)定溫度，壓縮機(jī)開始減速，直至停止運(yùn)行。壓縮機(jī)停止后，室內(nèi)溫度又會(huì)逐漸升高(制冷)或降低(制熱)，超過或低于設(shè)定溫度，壓縮機(jī)需要再次起動(dòng)工作，構(gòu)成重復(fù)短期工作方式。在起動(dòng)后升速過程的前段和降速停止的后段功耗低，PFC回路電感電流斷續(xù)，PFC的運(yùn)行不穩(wěn)定而且容易損壞器件。當(dāng)變頻空調(diào)(I匹馬力至3匹馬力容量)運(yùn)行頻率低于40Hz或輸入電流低于2A時(shí)需要切除PFC。直接投入或撤出PFC，瞬時(shí)沖擊電流大，可能損壞系統(tǒng)器件。具體做法為
a.PFC漸入處理，第一次進(jìn)入PFC時(shí)每隔0. Is^ls增加一次PFC控制系統(tǒng)的PI參數(shù)，達(dá)到投入設(shè)定值時(shí)停止增加，PFC漸入過程完成，并置漸入完成標(biāo)志。b. PFC漸出處理，需要撤出PFC時(shí)每隔0. ls ls減小一次PFC控制器的PI參數(shù)，當(dāng)所有參數(shù)減至切出設(shè)定值時(shí)PFC漸出過程完成，置漸出完成標(biāo)志。本發(fā)明的PFC控制策略平滑投切方法緩和了在投入或撤出PFC時(shí)由于輸出電壓和目標(biāo)電壓相差過大而引起PFC控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，減小了對(duì)器件和電網(wǎng)的沖擊，保證了 PFC控制系統(tǒng)和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，本發(fā)明的輸入電壓零點(diǎn)精確檢測(cè)方法保證輸入電流和電源電壓嚴(yán)格同相，實(shí)現(xiàn)ms史=1。
圖I :PFC控制系統(tǒng)硬件 圖2 :輸入電壓處理電路；
圖3 220V輸入電壓處理后波形；
圖4 =PFC控制框圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。PFC電路如圖I所示，電路分為4個(gè)部分①由續(xù)流電感L2、PFC開關(guān)管IGBT、快
恢復(fù)二極管D2組成Boost型直流輸出電源；◎輸入電壓采樣電路，ICl運(yùn)算放大器及其外圍電阻電容組成的差分放大電路，其輸出電壓調(diào)制成為控制器芯片A/D轉(zhuǎn)換通道相容的電壓，如圖2所示。其中D2、D4為ICl輸入電壓保護(hù)，R1-R6降壓電阻，保護(hù)在輸入電壓變化范圍內(nèi)不損壞ICl芯片等電路元器件，R9輸入偏置電壓，使ICl輸出抬高I. 65V (理論值)；
③輸入電流采樣電阻為R14，PFC電流采樣電路，由IC3及其外圍電阻電容組成，由于相對(duì)于地電流信號(hào)調(diào)理電路從采樣電阻上取得的電壓為負(fù)，所以電流采樣電路輸出電壓最大值為
I.65V，電流越大，輸出電壓越小，波形如圖3所示。同樣R22輸入偏置電壓信號(hào)，IC3輸出抬高了 1.65V (理論值)； 開關(guān)管電流保護(hù)電路，由IC2及其外圍電阻電容組成比較電路，
比較電路正輸入電壓Utap為
權(quán)利要求
1.一種變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行控制方法，其特征在于包括以下步驟 A精確檢測(cè)輸入電壓零點(diǎn) PFC控制系統(tǒng)和變頻空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)共用控制器芯片，經(jīng)輸入電壓信號(hào)采集，并提取輸入電壓最大值和最小值，以及最大值和最小值間的時(shí)間，算出輸入電壓的相位和幅值，再經(jīng)過軟件濾波，使PFC控制系統(tǒng)在不提高控制器芯片中斷頻率前提下，保證輸入電壓零點(diǎn)相位檢測(cè)誤差絕對(duì)值小于0. 01度，具體過程為 步驟I :輸入電壓最大值和最小值采集與提取 利用輸入電壓波形數(shù)據(jù)，找出一定時(shí)間間隔內(nèi)的輸入電壓的最大值及最小值，并記錄這些值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，對(duì)所找出的最大值和最小值分別求平均，所得最大值及最小值的真實(shí)值； 步驟2 :零電壓值提取 基于步驟I中所求出的最大值、最小值的真實(shí)值，利用交流電壓的對(duì)稱性，計(jì)算出輸入電壓零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A/D采樣值； 步驟3 :輸入電壓零點(diǎn)附近濾波 為了防止零點(diǎn)處受到外界干擾，產(chǎn)生多次觸發(fā)，輸入電壓零點(diǎn)附近濾波分為三個(gè)步 ①根據(jù)第一次記錄的最大值或最小值時(shí)間，推后3.5ms飛ms，在保證能采到輸入電壓實(shí)際零點(diǎn)值的情況下提取16個(gè) 26個(gè)數(shù)據(jù)以供處理； ②計(jì)算輸入電壓的最大值； ③利用正弦波在零點(diǎn)附近波形可近似為直線的特點(diǎn)，通過事先存儲(chǔ)的u麗和直線斜率關(guān)系表可得出步驟a中所取數(shù)據(jù)的分布關(guān)系，從而完成零點(diǎn)附近數(shù)據(jù)的濾波； 步驟4 :零點(diǎn)處理 經(jīng)過步驟3處理后的數(shù)據(jù)為真實(shí)的輸入電壓數(shù)據(jù)，再尋找過零點(diǎn) 查找與零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓讀數(shù)值最接近的兩個(gè)值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間； 為減少控制器芯片的計(jì)算時(shí)間，認(rèn)為零點(diǎn)電壓值與其附近兩個(gè)數(shù)分布在直線上，計(jì)算輸入電壓零點(diǎn)的時(shí)間； B與變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相容的PFC控制策略平滑投切利用A中檢測(cè)的輸入電壓零點(diǎn)，在零點(diǎn)投入PFC控制策略可以減小對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的沖擊，但并不能徹底消除這種沖擊，采用如下與變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相容的PFC控制策略平滑投切策略，實(shí)現(xiàn)變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行 PFC漸入處理，第一次進(jìn)入PFC時(shí)每隔0. Is^ls增加一次PFC控制系統(tǒng)的PI參數(shù)，達(dá)到投入設(shè)定值時(shí)停止增加，PFC漸入過程完成，并置漸入完成標(biāo)志； PFC漸出處理，需要撤出PFC時(shí)每隔0. Is^ls減小一次PFC控制器的PI參數(shù)，當(dāng)所有參數(shù)減至切出設(shè)定值時(shí)PFC漸出過程完成，置漸出完成標(biāo)志。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行控制方法，其特征在于A中步驟I所述的時(shí)間間隔為300ms 400ms。
全文摘要
一種變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行控制方法，本發(fā)明利用輸入電壓波形數(shù)據(jù)，找出輸入電壓的最大值及最小值，并記錄這些值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，再利用交流電壓的對(duì)稱性，計(jì)算出輸入電壓零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的A/D采樣值，經(jīng)濾波和零點(diǎn)處理，計(jì)算得到輸入電壓零點(diǎn)的時(shí)間；最后采用與變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相容的PFC控制策略平滑投切策略。本發(fā)明減小了對(duì)器件和電網(wǎng)的沖擊，保證了PFC控制系統(tǒng)和壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，本發(fā)明的輸入電壓零點(diǎn)精確檢測(cè)方法保證輸入電流和電源電壓嚴(yán)格同相，實(shí)現(xiàn)=1。實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)整功率因數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02M1/42GK102684470SQ20121009459
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者劉波, 葉華文, 吳齊, 喻壽益, 桂衛(wèi)華, 郭宇騫, 陽春華, 陳寧 申請(qǐng)人:中南大學(xué)