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1、精选优质文档-倾情为你奉上浅述变频空调的谐波抑制方法摘要：本文介绍了目前变频空调中功率因数校正的几种方法，包括无源单电感PFC、无源带谐振电感PFC、有源PFC、部份有源PFC等，并阐述了这几种PFC的电路原理及其各自的优缺点。 叙词：谐波抑制 变频空调 PFC PF值 APFC Abstract：This article introduces several kinds of method for power factor correction of inverter air conditioning, including passive single inductor PFC, passi
2、ve belt resonant inductance PFC, active PFC, part of an active PFC, etc, and expounds the principles and the circuit of PFC their advantages. Keyword：Harmonic suppression, Inverter air conditioning, PFC, PF value, APFC 1概述 一般5kW以下单相供电的变频空调多采用交-直-交变换方案，在交流输入并整流成直流时，如没有功率因数校正措施就会产生很大的谐波电流，对电网产生很大的干扰和危
3、害。所以，我国的3C认证和欧洲的CE认证等都强制性地要求这类变频空调的谐波抑制在规定范围内（IEC61000-3-2/GB17625.1-2003）。 为将变频空调的电流谐波抑制在规定范围内，一般变频空调控制器都采取功率因数校正措施。变频空调中常见的功率因数校正（PowerFactorCorrection简称：PFC）方法有：无源PFC、有源PFC、部份有源PFC等。 2无源PFC方案 无源PFC主要通过电感器的电流连续性原理，使输入电流谐波降低。主要由电感、无极性电容和二极管等无源器件组成，电路简单、可靠性较高。其典型电路如图1所示。图1（a）是经典型无源PFC电路，电感L1放在整流桥之前可
4、避免直流分量对铁芯产生剩磁。按电感中电流连续性原理，当输入AC电压按正弦律变化，在某些时段高于直流母线电压时，电感中电流就会由小到大平滑增加；在某些时段输入电压低于直流母线电压时，如无电感器则因二极管的单向导电特性电流会立刻阻断，但因电感器的存在，电感器上的电流不能突变，只能从大到小平滑减少，这样就使输入电流波形变宽，即每个周期内的输入电流波形变宽，从而使输入电流的谐波减小和PF提高。一般地说，电感量越大，上述效应就越明显，PF越高。但是，从式（1）、式（2）可知，电感量越大，输入电流越大，在电感上产生的电压降也会越大，使直流母线电压明显降低；同时电感中电流的滞后性还会使COS下降，使PF值难
5、以提高。这类无源PFC电路的功率因数（简称PF）一般只能达到0.85-0.87左右。 uL=-d/dt=-Ldi/dt（1） UBUS=Um-uL-u（2） 式中，uL是电抗器两端电压，L是电感量，UBUS是母线电压，Um是输入交流电压峰值，u是纹波电压+整流桥压降及其他线路电压降。 为补偿电感电压的损失和提高输入电路的COS，如图1（b）为改进型单电感PFC电路，将电感器L2放在整流后面，并增加一个无极性电容和一个二极管。其原理是：电感器电流滞后电压，而电容中电流超前电压，从而互补提高了COS；当输入电压过顶后逐步低于直流母线电压时，电感器电流继续往电解电容充电时，同时还会给并联的无极性电容
6、充电，使电容C2的左端为负，右端为正，通过二极管的隔离作用，该电容最高充电电压可接近母线直流电压。当下一周期的输入电压过零后逐步上升，与电容C2上的电压之和就会大于母线电压，C2开始放电，同时产生输入电流。这样，使输入电流提前产生，进一步加宽了电流波形的宽度，也就提高了PF值。经此改进后，PF值最高可达0.90-0.92；且通过电容C2的储能作用，还可使直流母线电压提高5%-10%。这类电路在小功率的变频空调（电功率1.2kW以下）中得到了广泛的应用。 为进一步提高无源PFC的功率因数，以减少电流谐波和用到功率较大的变频空调上，还可采用LC谐振技术。图2是一种串接在输入回路上的并联谐振谐波抑制
7、电路。图2中，L3是一个带次级绕组的电感器，其次级绕组与电容C1和C4分别并联谐振在150Hz和250Hz频点，也就是说，电感器的次级并联谐振频点上的阻抗是最大的，经磁耦合后，电感L3对150Hz频点就会产生很高的阻抗，从而降低了输入电流的3次谐波；同理，C4与电感另一次级产生250Hz谐振，电感L3对五次谐波也增加了输入阻抗。因L3匝数较少，在非谐振频率上呈现很小的阻抗，对其他频率的电流几乎没有电压损失。从而有针对性地抑制了输入电流的3次、5次谐波。采用谐振电感后，在满足谐波要求前提下，变频空调的输入功率可以提高到1.5kW-1.7kW，从而可扩展应用到1.5P-2P变频空调上。图3是一个并
8、接有串联LC谐振回路的无源PFC电路，电感L1和电容C1构成串联谐振，使谐振频点在100Hz。我们知道，100Hz是桥式整流后脉动电流的基频，串联LC谐振回路的阻抗最低，所以100Hz基频被谐振回路有效地吸收，一方面减速少了输出纹波，另一方面提高了输入PF值。事实上，并接了该LC回路后，在输入电压很低时，就会有电流流经该回路给电容C充电，并随着输入电压的升高电流也逐步增大。因此，输入电流的波形宽度理论上可达180o，电流基波份量大幅增加，相应的谐波就会减小，从而PF值也会大幅增加。 应当指出的是：在变频空调中，无论是交流变频还是直流变频，当压缩机高速运行时，直流母线电压都不能太低，否则，压缩机
9、运行就会不稳定，甚至产生堵转现象。对于无源PFC来说，不管采用那种方式，因电感器上产生的电压降不可避免，且随电感量的增大而加剧，当电网电压很低（如180V以下）时，无源PFC的直流母线电压更会降至很低，此时变频空调就只能在低频率下运行，是根本无法达到额定制冷（热）能力的。同时，电流谐波的减小又是靠电感量的增大来保证的；要满足电流谐波要求，就必须用较大电感量或多个电感器才能达到较高的PF值。这样，母线电压也会更低，所以电流谐波抑制与母线电压是一对很大的矛盾。也就是说，变频空调既要满足3C、CE认证的谐波要求，又要高频高功率运行是有一定难度的。尤其是有些欧洲认证公司会按空调铭牌上的最大输入电流要求
10、进行谐波和EMC测试，这样，既使是一台1P空调，铭牌上的最大电流也会达到8A以上（即1.76kW），一般单电感无源PFC方案的谐波是很难通过认证测试的。此外，无源电感器体积大 电感绕组的绝缘和耐热等级等都会提出很高要求；加上无极性电容及其支架、二极管、电感器连结导线等，因此真正符合3C、CE认证要求的无源PFC成本也很难做低的。 3有源PFC方案 为满足欧洲CE认证（按铭牌上最大输入电流）的谐波要求和确保压缩机在高频高功率的可靠运行，针对无源PFC的不足，在一些高档变频空调和出口欧美洲的变频空调上大多采用了有源PFC（ActivePowerFactorCorrection，简称APFC）方案。
11、 APFC的电路拓扑虽多，但常见的都是以BOOST电路为基础，典型电路如图4所示。图4的电路与无源PFC不同之处在于电感器与二极管之间的节点上增加了一个功率开关管Q、控制功率开关管Q导通或关断的控制电路Controll、电压电流采样电阻R1-R5。控制电路Controll根据输入、输出电压信号、输入电流信号和控制模式自动控制开关管Q的导通或截止，当开关管Q导通时，输入电流经整流桥B、电感器L流入开关管Q，经电流采样电阻R3形成回路。当开关管Q截止时，因电感器L上的电流连续性，原流向开关管Q的电流改经二极管D而流向电解电容E和输出到负载。这样，输入电流不仅是连续的，而且在180内任意时刻都能产生
12、输入电流，只要控制电路设计良好，输入电流就完全可以做到180正弦波且与输入电压同相位，从而实现PF接近1.000。对负载来说，电流虽然是断续的，但通过电解电容E的储能作用，仍能确保连续供电。电阻R1、R2是输出直流电压的采样电阻，R3是输入电流采样，当输出电压或输入电流达到上限值时，控制电路Controll就会自动调节导通脉冲的宽度，甚至使宽度接近于“0”，通过这样的“双闭环”控制，就可确保直流输出不会过电压和开关器件不会过电流损坏。 这类APFC的控制模式按导电状态可分为：连续导电模式（ContinuousConductionMode，简称CCM）、不连续导电模式（Discontinuous
13、ConductionMode，简称DCM）、临界导电模式（CriticalConductionMode，简称CRM）等。不同工作模式，有不同的特点。应根据具体情况进行选择。 APFC因有开关管Q的快速导通和截止，且工作频率较高，一般都在几十kHz左右，因此电感器L必须采用高频磁芯。此外，在器件的开关过程中的di/dt会产生较大的电磁干扰（ElectromagneticInterference，简称EMI），这是APFC的一大不足。在变频空调中，三相逆变桥工作时也会产生较大的EMI，如果是无源PFC，电感器本身也是一个滤波器，但APFC本身也会产生较大的EMI，所以对输入电路的滤波要求会比无源P
14、FC更高一些。 此外，变频空调的散热器一般置于室外机内，其散热环境是在室外冷凝器内的。当室外环境温度较高时，室外的空气要先经过冷凝器和对冷凝器进行冷却，然后再到散热器周围对散热器进行冷却。这样，散热器周围的空气温度一般会比室外温度再高10左右，对冷却要求较好的APFC电路是一个很不利的因素。对此，有些厂家（如TCL商用空调）把散热器置于压缩机腔与外风机腔之间的过道上，压缩机腔的壳体上开有百叶窗，室外空气经压缩机腔流经散热器齿隙被吸入到外风机的负压腔体。这样，散热器周围的空气温度大约可降低10左右。 采用APFC的变频空调，其PF值最高可达0.998，在满足谐波要求前提下，输入电功率可达3kW5
15、kW。同时，采用APFC的变频空调的更大好处在于电网电压很低时，其APFC特有的电压提升作用可以将直流母线电压升高到正常的水平，所以不会因输入电压过低而影响空调的制冷（热）能力。因其输入电流已接近正弦波和180内都有输入电流，与直流180正弦波驱动方案、电子膨胀阀和直流风机等相配合，是目前最为理想的变频空调电控方案。所以一些欧美厂商都在国内寻找能具备这种输入输出电流都是180正弦波的空调生产厂家，如宁波AUX、广东志高和TCL商用等空调公司，在配用杭州五海变频电控技术公司生产的这种（1-5）P全系列的双180正弦波变频空调电控器后，正在大量向欧美澳洲等大厂商出口这种先进的直流变频空调产品。图5
16、是宁波AUX直流双180o正弦波变频空调的输入电压电流波形图，表1是电流谐波实测数据。图6是该变频空调EMC实测曲线，表2是EMC实测（最高）数据。表3是测试条件。表1 电流谐波实测（最高）数据谐波次数谐波电流（平均值）标准限值占比（%）谐波电流（峰值）标准限值（150%）占比测试结论20.0231.0802.10.0251.6201.55合格30.4942.30021.50.5063.45014.67合格40.0070.4301.60.0100.6451.51合格50.3801.14033.40.3891.71022.73合格60.0110.3003.60.0120.4502.73合格70.
17、1700.77022.00.1751.15515.16合格80.0080.2303.30.0090.3452.58合格90.2430.40060.90.2470.60041.20合格100.0060.1843.40.0090.2763.42合格110.1170.33035.40.1200.49524.21合格120.0060.1534.10.0090.2304.05合格130.0470.21022.20.0500.31515.81合格140.0050.1314.00.0070.1973.49合格150.0890.15059.50.0920.22540.70合格160.0060.1155.20.
18、0100.1735.76合格170.0320.13224.30.0340.19917.06合格180.0050.1025.00.0070.1534.46合格190.0330.11827.90.0350.17819.90合格200.0050.0925.00.0080.1385.59合格210.0480.10744.70.0490.16130.71合格220.0060.0847.20.0100.1258.32 合格230.0240.09824.80.0260.14717.71合格240.0050.0776.30.0060.1155.14合格250.0300.09033.40.0320.13523.
19、47合格260.0050.0717.30.0100.1069.52合格270.0340.08340.40.0350.12528.07合格280.0070.06610.10.0120.09912.14合格290.0120.07815.70.0140.11611.70合格300.0050.0617.60.0060.0926.16合格310.0400.07354.50.0420.10938.48合格320.0080.05814.10.0180.08620.83合格330.0330.06849.00.0360.10235.03合格340.0100.05418.80.0180.08122.37合格350
20、.0400.06461.60.0420.09643.87合格360.0080.05115.20.0170.07721.93合格370.0530.06186.90.0780.09185.18合格380.0180.04836.70.0370.07350.56合格390.0430.05874.30.0450.08751.95合格400.0080.04618.20.0190.06927.08合格表2 AUX直流双180o正弦波变频空调EMC实测（最高）数据端口：电源L线端频率（MHz）实测平均值(dBV)平均值限值（dBV）实测准峰值(dBV)准峰值限值（dBV）0.150035.2859.0046.
21、6666.006.060037.4050.0043.9660.006.280039.7550.0044.3760.009.110027.5050.0035.5160.0014.830027.6050.0036.3960.0015.110027.6850.0035.8760.0018.100020.4250.0029.0860.0024.000037.7350.0037.8160.0026.630017.3850.0025.3560.0028.000026.0950.0030.4160.00表3 测试条件输入电压（有效值）：AC229.96V输入电源频率：50.00Hz输入电流（峰值）：13.7
22、80A输入电流（有效值）：8.725A输入电流（基波）：8.689A波峰因数：1.585输入功率：1987.0W功率因数（PF）：0.990 4部份有源PFC 上述APFC方案相对于部份有源PFC方案也可称为“全程APFC”。但由于全程APFC方案控制技术比较复杂，如设计不当，不仅PF值上不去，而且会损坏器件，使可靠性恶化。这样就不能达到预期目的。为此，由日本率先推出的部份APFC方案就受到了许多空调厂家的欢迎。部份有源PFC是介于有源PFC和无源PFC之间的一种谐波抑制技术方案，其电路拓朴如图7所示。该电路与全程APFC的不同之处在于采用与无源PFC相同的电感器L（电感器L也可以放在整流桥之
23、前，更便于接线），开关管Q仅在100Hz的半波周期内导通（1-5）次（如导通次数过多，会增加电感器L的损耗）。为简化电路，很多部份APFC不用采样电阻而做成开环控制，由微电脑芯片直接控制开关管Q的导通与截止。微电脑根据输入过零信号，在延时（2-3）ms时给开关管Q一个或先后（2-3）个窄脉冲（1ms）导通信号，开关管Q在输入电感器L的限流作用下，就会使输入电路产生一个有斜度的电流。因为导通脉冲很窄，该电流不会无限增大，当开关管Q关断后，电感器L上的电流连续性使该电流继续流经二极管D到电解电容上。同样，根据需要也可在过零信号延时（7-8）ms左右再给开关管Q一个或二个导通窄脉冲，产生同样的效果。
24、通过该开关管的部份导通来扩大输入电流宽度，达到PFC目的。 因为这种PFC也是通过有源器件来实现的，所以也可称为有源PFC。为与前面的APFC相区别，所以将这种每半波只有几个脉冲的有源PFC称为部分APFC电路，而前面的APFC因连续产生导通脉冲，故称为“全程APFC”以与之相区别。 这种部份APFC电路的优点在于：开关管Q的导通次数很少，一般不超过500Hz，所以，开关管的导通损耗大大减少；同样道理，其EMI也减小了。又因为工作在DCM状态，对二极管D的要求也很低，甚至于用工频整流二极管都可以。用这种方法的APFC，其谐波抑制效果也很不错的，其PF值也可做到0.98以上。其不足之处在于：因开
25、关管导通次数少，当空调正常运行时，其电压提升作用不明显，所以当输入电压较低时，与无源PFC一样难以在高频率下运行和制冷（热）能力不能达标；反之，若压缩机不启动但部份APFC又在工作时，其很弱的电压提升却足以使输出空载直流电压升高到450V以上和将电解电容击穿。所以，部份APFC必须随时检测压缩机运行情况，一旦压缩机停止运行，就必须立即关闭APFC。考虑到逆变模块的自我保护而急停时，单片机响应较慢，所以这类电路的电解电容耐压应留有较大余量，一般不得低于450V。此外，要配用与无源PFC一样大一般重的电感器或非晶磁芯电感器，必须装在电控盒外面等。 这种电路因为比较简单、成本也较全程APFC低、控制
26、容易、EMI容易通过，加上谐波抑制效果也不错，所以在小功率变频空调上也得到了广泛的应用。 5结束语 变频空调中必须采用PFC技术来抑制输入电流谐波。高档次或较大功率的2P-5P直流变频空调应优先采用全程APFC方案，其PF值可达0.998，且在电网电压很低时仍能满功率运行。中、低档次且功率稍大的1.5P-2P直流变频空调可采用部份APFC方案，但当输入电压较低时不能达到标称制冷（热）能力。中、低档次的小功率1P直流变频空调可考虑无源PFC方案，但要满功率运行和谐波满足“3C”、CE等认证要求有一定的矛盾，只能在谐波和认证要求不高的场合使用；当输入电压较低时，制冷（热）能力也难以达标。专心-专注-专业