第２３卷第５期 郑州轻工业学院学报（自然科学版） Ｖ０１．２３ Ｎｏ．５ ２００８年１０月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＥＮＧＺＨＯＵ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＩＮＤＵＳ ｒＲＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ０ｅｔ．２００８ 文章编号：１００４—１４７８（２００８）０５—００８５一ｏ４ 有源功率因数校正技术 及其在家用电器中的应用 路康， 李丽娟， 陈息坤 （郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南郑州４５０００２） 摘要：针对家用电器传统控制方案输入功率因数低、输入电流谐波大的问题，将有源功率因数校正技 术ＡＰＦＣ应用于家用电器，通过控制占空比来控制输入电流，使其对输入电压有良好的跟随性．实 验结果表明，电路的功率因数为ｃｏｓｑｏ＝０．９９，ＴＨＤ ＜５％，在获得单位功率因数的同时，减少了输入 电流的谐波，解决了电网谐波污染问题，降低了电网的无功损耗． 关键词：家用电器；有源功率因数校正；谐波抑制 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标志码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ＡＰＦＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｏｍｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＬＵ Ｋａｎｇ，ＬＩ Ｌｉ—ｊｕａｎ， ＣＨＥＮ Ｘｉ—ｋｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒ．１ｎｆｏｒ．Ｅｎｇ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆＬｉｇｈｔ ｌｎｉｔ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ，ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＡＰＦＣ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｏｍｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｔｈ ａ ｇｏｏｄ ｆｏｌｌｏｗ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｉｎｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｂｏｖｅ ０．９９，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ５％ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｉｔ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｎｄｓ，ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｏｍｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ＡＰＦＣ；ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｒｅｓｔｒａｉｎ ０引言 种方法输人功率因数低，输入电流谐波大，对电网 的适应性差．大量的家用电器共用１个电网，会给 当前，家电行业的电气化程度越来越高，但是 电网带来大量的谐波，电网输入端的功率因数很低 多数家用电器的电控系统控制方案仍采用二极管 则使电网功率损耗增大，同时设备间也存在无法兼 不控整流加电容滤波的方法来获得直流电压，然后 容的问题．另外，随着能源需求日趋紧张，单位能源 通过逆变控制等方式实现不同的家用电器功能．这 价格越来越贵，提高用电设备转换效率、减少能源 收稿日期：２００７—０９—２０ 作者简介：路康（１９４９一），男，江苏省宜兴市人，郑州轻工业学院副教授，主要研究方向：检测技术与电气控制工程 ・８６・ 郑州轻工业学院学报（自然科学版） 消耗不仅可以取得经济效益，而且有利于环境保 护．在有些使用环境下，电网的稳定性很差，电网电 压和电网频率剧烈波动，严重影响家用电器的正常 运行，甚至造成设备故障．因此，使家用电器比较好 地适应电网电压波动，减少对电网的谐波污染，提 高用电设备的效率，也非常重要． 本文拟将电力电子学中的有源功率因数校正 技术ＡＰＦＣ整合到家用电器上，以期提高设备的输 入功率因数，减少注入电网的谐波电流，提高对电 网波动的适应性． １有源功率因数校正技术（ＡＰＦＣ） 功率因数校正主要有２个作用：减小无功功率 和减小谐波电流．有源功率因数校正一般采用 Ｂｏｏｓｔ电路对输入电流进行校正，使其跟随输入电 压，有源功率因数校正拓扑结构如图１所示． 图１ 有源功率因数校正拓扑结构图 在有源功率因数校正技术中有２种控制方式． 一种为单周期控制，此控制电路比较简单，外 围电路较少，ＰＦＣ电路的控制目的是要使电感电流 ， 的波形跟随整流后的输入电压 波形，同时又要 保持输出电压为Ｖｏ（允许一定纹波）．若控制策略 满足电感电流与输入电压成比例且相位一致，则整 个变换器可以等效为一个电阻Ｒ，即 ＝Ｒ・， 对于Ｂｏｏｓｔ ＰＦＣ变换器来说，其输人电压、输出 电压和开关管占空比ｄ的关系为 ＝Ｖｏ・（１一ｄ） ② 合并①②可得 Ｒ・， ＝Ｖｏ・（１一ｄ） ⑧ 定义Ｒ 为ＰＦＣ变换器中电流检测电阻．将式 ③两边同乘以尺 可得 ・ ＝ ・Ｒ ・（１一ｄ）／Ｒ ④ 令Ｌｏ： ＸＲ ／Ｒ，化简并整理可得 ， ・Ｒ ：Ｖｍ・（１一ｄ） ⑤ 该式即为单周期控制ＰＦＣ电路重要的数学模 型． 在理论上是与 、成正比例的直流电压，若占 空比ｄ或（１～ｄ）可以满足式⑤，则可以保证电感电 流 与半波正弦输入电压 一致，实现ＰＦＣ功能． 因为 可以通过测量 ，得到，， 尺 是电流检测电 阻上的电压，很容易算出ｄ或（１一ｄ），所以可以通 过控制占空比来控制电流． 有源功率因数校正的另一种控制方式是分别 检测输入电压和输入电流，并进行比较校正，通过 控制输入电流，使其跟随输入电压．此控制方式有 较好的跟随性，但需要的反馈输入较多，外围电路 比较复杂．在这种控制中要用到比较昂贵的乘法 器，控制芯片成本较高． ２ ＡＰＦＣ的节能降耗性能分析 在直流电路里，电压乘电流就是有功功率．但 在交流电路里，电压乘电流是视在功率，能有效做 功的功率一般均小于视在功率．有功功率与视在功 率之比叫做功率因数，以ｃｏｓｑ￣表示． 功率因数是反映电力系统负荷特性的一个特 征量，它的大小关系到电力系统的供电效率及用电 设备的用电特性．功率因数小表示无功功率大，无 功功率会占用电力系统的传输容量，造成输电线的 功率损耗增大．提高功率因数的基本途径是就地供 给负荷所需的无功功率，减少流经输电线路和变电 设备的无功功率，或者提高用电设备的功率因数， 减少用电设备的无功消耗． 事实上，大多数用电设备都产生无功功率，如 果全部或部分的无功功率由用户的无功电源来提 供（称为无功补偿），用户的视在功率就等于或接近 有功功率，即对电网而言，只传输有功功率．传统上 用户使用的无功电源是补偿电容器，一般分成若干 组，根据需要可部分或全部投入运行．用电设备的 功率因数过低，将导致输电线路上的无功电流增 大，加剧电力系统的不稳定性．提高用电设备的功 率因数，则整个电网的无功功率将减小，线路损耗 就减少了．这是一种终端解决办法，而用户设置无 功电源是一种补偿办法，比较而言，提高用电设备 的功率因数会更为直接，效率更高，响应更快，特别 是有源功率因数校正，一般都能达到０．９８以上． ３ ＡＰＦＣ在家用电器中的应用 图２所示为具有ＡＰＦＣ功能的电磁炉控制系 第５期 路康等：有源功率因数校正技术及其在家用电器中的应用 ・８７・ 统．由Ｌ。，Ｑ。，Ｄ 等组成ＡＰＦＣ单元，对输入电流进 行校正，获得单位输入功率因数．由Ｑ。，Ｑ：，Ｑ。，Ｑ ， Ｌ。等组成电磁炉的主电路单元，产生感应加热需要 的高频电流． ４实验研究 图３是实验系统关于ＡＰＦＣ的结构图，控制芯 片采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８０１６ 芒＝片，该芯片不但 能实现数字化的ＡＰＦＣ功能，还可以实现后级的全 桥逆变控制，在该芯片中还有多路通用Ｉ／Ｏ用来进 行人机界面的处理和控制．实验系统关于ＡＰＦＣ部 Ａ 图２ 具有ＡＰＦＣ功能的电磁炉控制系统 控制系统检测输入交流电源的电压 ，Ｂｏｏｓｔ 电感Ｌ 上的电流和直流母线电容Ｃ上的电压，对 Ｑ 进行控制，使输入电流的波形跟随输入市电的波 形，同时保持电容ｃ上的电压恒定，为后级的逆变 器提供稳定的直流母线电压．同时，通过对Ｑ。，Ｑ：， Ｑ 和Ｑ 的控制，使系统输出感应加热需要的高频 电流．在实际系统中，可以通过人机接口，对逆变器 的输出进行设定，获得期望的感应加热输出模式． 对于具有整流输入特性的家用电器设备，其电 源电流呈尖脉冲状，电流的相位会滞后输入电压， 故功率因数较低，一般只有０．６左右，且电流波形与 电压波形失真严重．家用电器在运行时，要求ＰＦＣ 有很好的瞬间响应和过载能力．因为设备启动时需 要吸收大量的电流，保持高功率因数比较困难，所 以需要快速反应，无源功率因数校正的反应速度 慢，而有源功率因数校正有比较快的反应，可以有 效改善系统的特性．家用电器的使用量非常大，且 可能同时集中在一个时间段工作，并且都处在频繁 启／停工作状态，每个设备所需的电流都是激烈变 化的，而这些设备用同一个电网，故在电网中会有 丰富的谐波电流存在，在线路内阻上产生谐波压 降．采用ＡＰＦＣ技术，可以在源头上将向电网注入的 谐波电流减小，极大地减少对电网的谐波污染．有 些发展中国家的电力系统稳定性较差，若家用电器 长期运行在超额定电压下，可能造成设备烧毁．采 用ＰＦＣ技术后，家用电器可以适应较宽的电网电压 范围和电压突变，大大提高控制器的可靠性，延长 使用寿命，并且能提高电网利用率，节约电能． 分的指标是：输人电压范围１５０～２７０ ＶＡＣ，输出为 ３８０ ＶＤＣ，额定输出电流为５ Ａ． 图３ ＡＰＦＣ原理框图 图３中，将检测到的输入电流波形（即流过电感 Ｌ 的电流）、整流后的半波正弦电压和输出直流电压 送控制芯片．芯片内部产生一个正弦半波作ＡＰＦＣ 控制的电流基准．Ｒ 和Ｒ２是检测输出电压的分压电 阻，产生输出电压的反馈信号．通过将实际的输入电 流波形（电感Ｌ 上的电流）与正弦半波基准电流比 较，来确定Ｑ．导通的占空比，使电流波形与正弦半波 一致．ＡＰＦＣ的功率开关Ｑ．的开关频率为２５ ｋＨｚ，在 每一个开关周期，对电感电流进行实时控制，使输入 电压与输入电流一致．通过对输出电压的反馈控制， 使输出电压稳定在设定的范围内． 在输出５００ Ｗ时输入功率因数达到０．９９．图４ 是实验记录波形，其中第４通道为输入电流波形 （定标５ Ａ／ｄｉｖ），第１通道为输入市电电压波形（定 标１００ Ｖ／ｄｉｖ）．可以看出系统输入电流具有良好的 正弦波形，此时的总输入电流谐波畸变率ＴＨＤ ＜ ５％．ＡＰＦＣ工作时，输人交流电压在１５０～２７０ Ｖ的 范围内变化，输人电流的波形维持正弦特性，输出 电压保持在３８０ ＶＤＣ． ｃＩ】 八 八 ，－ｑ ／，－ｑ ÷／二＼ ／二＼ ’ ７ １ 图４ ＡＰＦＣ实验波形 ・８８・ 郑州轻工业学院学报（自然科学版） ２００８焦 ５结论 本文将ＡＰＦＣ技术应用于家用电器的控制，使 其较好地适应电网电压的波动，提高供电电压的适 应性，在获得单位功率因数的同时，减少了输入电 流的谐波，解决了电网的谐波污染问题．功率因数 的提高也将带来较大的经济效益，使单位产出的能 耗减少．对环境保护同样具有积极的意义．另外，实 验系统工作在１５０ ＶＡＣ输入时，ＡＰＦＣ电路仍然可 以正常丁作，具有较宽的输入电压范围，从而使该 参考文献： １］ Ｍａｏ Ｈｅｎｇｃｈｕｎ，Ｌｅｅ Ｃ Ｙ，Ｂｏｒｏｙｅｖｉｃｈ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒ－ ｃｕｉｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９７，４４（４）：４３７． ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ２］ Ｈａｈｎ Ｊａｅｈｏｎｇ．Ａ ｎｅｗ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｐｏｗｅｒ（ＰＦＣ）ｓｃｈｅｍｅ ｕｓｉｎｇ ｔｗｏ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ＰＦＣ ｍｏｄｕｌｅｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００２，３８ （１）：１２３． ［３］ Ｃｈｅｎ Ｘｉｋｕｎ，Ｙｏｎｇ Ｋａｎｇ．Ｐａｒａｌｌｅｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ 系统能够应用在不同电压等级的国家，既扩大了电 控系统的使用范围，同时义能解决由于电源电压波 动造成的系统丁作不稳定问题．实验表明，在家用 电器中采用ＡＰＦＣ，成本投入与其带来的经济和环 ［４］ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ＵＰＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｌｏｇ— ｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＩＥＭＤＣ，２００５（１）：７７７． Ｓｐｉａｚｚｉ Ｇ，Ｌｅｅ Ｆ Ｃ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ｂｏｏｓｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 境效益比较是可以接受的，从综合效益角度看，该 技术有较大的推广价值． （上接第８０负） ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＩＥＣＯＮ，１９９４（１）：２５０． Ｄ．Ｌ．Ｋｌａｓｓ）［Ｄ］．Ｃｈｉｃａｇｏ：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １９９３：８５７—９０２． 煤的作用明显．这说明生物质与煤热解之间有一定 的协同作用，但其机理还需进一步研究． ３）随着升温速率的增大，热滞后现象的加重以 及化学反应动力学因素使样品热解的初始温度、失 ［５］ＭｃＧｅｅ Ｂ，Ｎｏｒｔｏｎ Ｆ，Ｓｈａｐｅ Ｃ Ｅ，ｅｔ １．Ｔｈｅ ａｃｏｐｙｒｏｌｙ— ｓｉｓ ｏｆ ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｃｈｏｒｉｄｅ）ｗｉｔｈ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｍａｔｅｉｒａｌｓ ａｓ ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｗａｓｔｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｈａｒｓ［Ｊ］．Ｆｕｅｌ， １９９５（７４）：２８． 重峰值温度及热解终止温度均向高温侧移动，而且 失重略有下降，ＤＴＧ峰温向高温侧移动． 参考文献 孙立．生物质气化技术及莫直用 Ｍ］． ：１］ 马瓷 ，吴刮之，北京：化学工业出板社，２００３：１—９． ｆ６］ 阎维平，陈吟颖．生物质混合物与煤共热解的协同特性 ［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（２）：８０． ［７］ 李文，李保庆，孙成功．生物质热解、加氢热解及其与 煤共热解的热重研究［Ｊ］．燃料化学学报，１９９６，２４ （４）：３４１． ［８］ 李世光，徐绍平．煤与生物质的共热解［Ｊ］．煤炭转换， ２００２，２５（１）：７． ２］ Ｃｈａｔｐｈｏｌ Ｍ．Ｂｅｈｄａｄ Ｍ．Ｌａｃｋ ｏｆ ｓｙｎｅｒｇｅｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄ ｒｏｌｙｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｏｏｄｙ ｂｉｏｍａｓｓＰｃｏａｌ ｂｌｅｎｄｓ ｌｏｗ ［９］ 王艇，徐敬，贾青竹．植物类生物质热解特性及动力学 研究［Ｊ］．天津科技大学学报，２００７，２２（１）：８． ［１０］ 宋春财，胡浩权．秸秆及其主要组分的催化热解及动 力学研究［Ｊ］．煤炭转化，２００３，２６（３）：９１． ［１１］ 修双宁，易维明，李保明．生物质热裂解动力学的研究 ａｎｔｉ ｈｉｇｈ ｈｅａｔｉｎｇ ｒａｔｅ ｒｅｇｉｍｅｓ［Ｊ］．Ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｅｒ一 ．２００２（２３）：５５． ３］ Ｃｏｌｌｏｔ Ａ（ ，Ｚｈｕｏ Ｙ，Ｄｕｇ＇ｗｅｌｌ Ｄ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ｃｏ—ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ａｌ１（｛（ Ｉｌ—ｇａｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｂｉｏｍａｓｓ ｉｎ ｂｅｎｃｈ—ｓｃａｌｅ ｆｉｘｅ￣１ ｂｅｄ ａｏｄ ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ ｂｅｄ ｒｅａｃｔｏｒｓ［Ｊ］ Ｆｕｅｌ，１９９９ （７８）：６６７． 进展［Ｊ］．生物质化学工程，２００７，４１（２）：４１． ［１２］ 卢洪波，苏桂秋，贾春霞等．生物质秸秆热解反应及动 ４］ Ｎ ｉｋｋｈａｈ Ｋ，Ｂａｋｈｓｈｉ Ｎ Ｎ，ＭａｃＤｏｎａｌｄ Ｄ Ｇ．Ｃｏ—ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｖａｒｉｏｕｓ ｂｉｏｍａｓｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃｏａｌｓ ｉｎ ａ ｑｕａ￣ｚ ｓｅｎｔｉ—ｂａｔｃｈ ｒｅａｃｔｏｒ．１ｉ１ Ｅｎｅｒ￣ｒ ｆｒｏｍ Ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ Ｗａｓｔｅｓ ＸＶＴ（Ｅｄ． 力学分析［Ｊ］．东北电力大学学报，２００７，２７（１）：３８．