有源PFC控制系統設計

李曉萌

（佛山市順德區鄭敬詒職業技術學校 廣東 佛山 528000）

【摘要】 ?功率因數是電力系統的一個重要技術指標，功率因數越高，電網利用率越高，對諧波抑制的越好。有源PFC功率因數校正可以通過控制算法，提高功率因數，減少諧波對電網對干擾。這里重點介紹有源PFC控制及控制算法概要。

【關鍵詞】 ?有源PFC 控制算法

【中圖分類號】 ?G712 ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）13-172-03

一、PFC控制基本概述

■功率因數POWER FACTOR

功率因數一般定義為實際功率與視在功率的比值：

pf=■

此處，P為實用功率，Vrms和Arms是有效值電壓和電流。當負載呈現純阻性時，實際功率和視在功率相等，功率因數等于1;若存在相位失真和諧波失真，負載呈現為非純阻性，那么功率因數就小于1.

功率因數的另一種定義：

pf=cosθ

其中θ是輸入電壓和電流正弦曲線的相位偏移角。

二、為什么需要PFC控制

諧波的定義

在周期性的復合波的各成分中，除基波以外的部分。基波頻率的n倍被稱為第n次諧波。

電源諧波電流

電源線上流過的諧波電流。如果電源頻率為50Hz，那么基波頻率則為50Hz、第三次諧波為150Hz的成分。

諧波帶來的影響

電視機以及變頻空調在其內部有把交流電壓轉換成直流電壓的整流電路，以此形成直流電源，再把電力供到各電子電路中。這些整流電路大多數為電容輸入型，其輸入電流只在峰值電壓波形附近流通、呈脈沖狀電流波形。當出現這樣的電流波形時，會出現電壓波形出現畸變、進相電容的異常發熱及電機或變壓器的噪音增大、受電設備的容量降低等問題，因此IEC以及各國都設有限度值來控制諧波。

三、產生·不產生諧波的電路

不產生諧波的電路實例和電流波形

線性負載（白熱燈、電爐、電加熱等）

產生諧波的電路實例和電流波形

電容輸入型整流電路（電視、錄像機、音響、電路、微波爐、變頻空調、變頻照明，變頻電器等）

·相位控制電路（電熱毯、白熱燈、白熱調光器等）

有源PFC可有效改善電源諧波，調整電流和電壓的相位差，全周期開啟，電流波形好，波形如下

四、有源PFC控制處理結構圖

有源PFC是通過專用控制電路調整電流波形，對電流和電壓波形相位差進行補償，減小相位差，元器件體積較小，通過算法精準控制，EMI性能好。其控制框圖如下所示

五、有源PFC控制概要說明

PFC的理論式

Duty=1-Vp·Sinθ/Ed·ι/（Ip·Sinθ）

=1-（Vp·Sinθ·ι）/（Ed·Ip·Sinθ）

Sainθ抵消

=1-（Vp·ι）/（Ed·Ip）

根據Kn=Ed/Vp

Duty=1-ι/（Kn·Ip）

把Ip替換成平均電流，那么

Duty=1-ι/（Kn·（π/2）·Ip·（2/π））

把kn·π/2替換成Ka、Ip·（2/π）替換成Iave，

Duty=1-ι/（Ka·Iave）

再轉換成載波基數：兩邊都乘以Tc

Tc Duty=Tc-Tc·ι/（Ka·Iave）

根據KaTc=Tc/（Ka·Iave）

Tc Duty=Tc-ι·KaTc

注：Vp：電源電壓（最大值）

Ed：目標直流電壓

ι：瞬時電流

Ip：電流值（最大值）

Kn：升壓比

Ka：（Kn·π）/2

Iave：電流（平均值）Ip·2/π

KaTc：預計算用變量

六、有源PFC控制的擴展功能

1. Iave-Ka控制

當Ka值不足π/2時是部分開關，Ka的值越小IGBT的損耗越低。諧波如圖1所示是與Ka值呈反比例變化。

「Ka-lave控制」如圖2所示根據變頻電流讓Ka發生變化、以此把諧波控制在限度值以下，（圖3）減少IGBT的損耗，就可提高PFC的效率。

2.Id-Ka控制

即使變頻輸出電壓出現飽和、在未達到目標轉速的情況下，可以通過[弱磁控制（增加-Id）]來提高轉速。但是，隨著-Id的增加、變頻效率會下降。另一方面，也可以通過使用PFC的升壓功能來提高直流電壓，提高變頻的飽和電壓、來提升轉速。但PFC動作會從部分開關動作變為完全開關動作，所以PFC的效率會降低。[Id-Ka控制]組合了這2個特征、從整體上而言是損耗最少的控制方式。

3.瞬時停電檢測控制和防過電流控制

如果在壓縮機運轉中、AC電源出現瞬時停電，那壓縮機會斷續運轉，直流電壓會下降，接著當AC電源恢復到原來的電壓時，濾波電容上會產生脈沖狀的大充電電流（大電流），這樣過電流保護就會啟動，那就也可能出現讓壓縮機停止運轉的情況。作為解決該問題的手段之一，就是檢測瞬時壓降，停止變頻防止直流電壓的降低，就可以在AC電源恢復到原來電壓時減小脈沖狀的充電電流。

七、PFC動作時的電流過零點檢知與瞬時壓降檢測

控制基本結構：比較PFC的瞬時電流和算出比較值，測試在比較值以下的時間段，檢測與電流零相位的瞬時電壓壓降。

1.算出的比較值

PsErrCmpLvel = 設定值 * Iave * π/2

※ Iave * π/2=電流的峰值

設定值：電源電壓在60%時讓其動作的話，為0.6

2.過零點計算器是在瞬時電流

3.過零點計算器的1/2判斷為零點相位。

4.電源電壓瞬時下降時，瞬時電流也會降低，如果出現比設定值要低的瞬時電壓，那么過零點計算器就會清零。

5.過零點計算值如果持續在0.75周期以上，就判斷為瞬停。

八、PFC停止中的過零點檢測

控制基本結構：比較瞬時電流和平均電流，把瞬時電流超過平均電流的點作為T1、低過的平均電流的點作為T2，再通過T1、T2求過零點。

處理步驟：

1.通過自由運行定時器（Freeruntimer），求出T1、T2

2.根據前次的T2值和此次的T2值求出電源周期（計算值）

3.根據T1、T2、K求出相位計算值，進行相位計算的同步設定

K == 0.8（根據實測值求出的值）

隨著變頻技術帶推廣與普及，有源PFC在家電和電力行業得到廣泛的應用。有源PFC技術應用能降低轉換過程中的電能損耗，減少諧波干擾對電網的干擾，提高電網利用率，達到節能減排對作用。

[ 參 ?考 ?文 ?獻 ]

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