单相电风扇无级调速电路

电力电子技术

课程设计(论文) 单相电风扇无级调速电路

院（系）名称电子与信息工程学院专业班级电子信息工程

学号1204040xx

学生姓名xxx

指导教师孟丽囡副教授

起止时间：2014.12.15—2012.12.26

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程

摘要

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。这种电路不改变交流电频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制称为交流调压电路。

交流调压电路应用十分广泛，本文所设计的单相电风扇无级调速就是其在异步电动机调速中的应用。电机属于阻感负载，可以等效看作电阻与电感的串联。设计电风扇调速电路简单且实用，主电路是交流调压电路负载为阻感负载时的情况，电路简单，所用器件少，晶闸管所需的触发电路和保护电路亦不能缺少，本文也做了介绍，最后讨论电路参数的计算和器件的选择。

电风扇是最常用的家用电器之一，市场上各种各样造型，功率，品牌的电风扇也应有尽有。通过利用晶闸管构成的调压电路，可以实现对负载电压的控制，从而实现电风扇无级调速，满足人们对风扇转速的要求。这样电路的优点在于体积小，成本低，电路简单，易于设计制造。

关键词：晶闸管；交流调压；保护电路；谐波分析

Abstract

The two thyristor inverse parallel after the series in AC circuits, by controlling the thyristor can control AC output. This circuit does not change the frequency of the alternating current, called the AC power control circuit. By controlling the opening phase of the thyristors in each half a cycle known as the AC voltage regulation circuit.

AC voltage regulation circuit is widely used, single-phase stepless speed regulating electric fan designed in this paper is its application in induction motor drive. Electric fan motor coil, which belongs to the inductive load, can be equivalent as a resistor and inductor in series. 100W single-phaseelectric fan is a household electrical appliance, circuit designed in this paperis simple and more practical, the main circuit is AC voltage regulation circuit load is inductive load, the structure is simple, and the thyristor required to trigger circuit and the protection circuit also cannot lack, this paper alsointroduces calculation device, and finally discuss the selection of the circuitparameters.

The electric fan is one of the most commonly used household appliances, the market various shapes, power, electric fan brand will have everything that one expects to find. Through the use of thyristor voltage circuit composed of adjustable, canrealize the control of the load voltage, so as to realize the stepless speed regulating electric fan, satisfy the requirements of fan speed.This circuit has the advantages of small volume, low cost, the circuit is relatively simple, easy to design and manufacture.

Key words：Thyristor; AC voltage; protection circuit; harmonic analysis

目录

第1章绪论 (1)

1.1电力电子技术概况 (1)

1.2本文研究内容 (1)

第2章单相电风扇无级调速电路设计 (2)

2.1电路总体设计方案 (2)

2.1.1方案论证 (2)

2.1.2总体设计框图及分析 (3)

2.2具体电路设计 (4)

2.2.1主电路设计 (4)

2.2.2控制电路设计 (7)

2.3元器件型号选择 (9)

第3章课程设计总结 (10)

参考文献 (11)

附录 (12)

第1章绪论

1.1电力电子技术概况

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。

顾名思义，单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路。广泛用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。

电力电子装置是静止式装置，占地面积小，重量轻，安装方便（以焊接电源为例,与旋转焊机相比，重量减轻80%,节能15%）。同时，电力电子装置往往对频率、电压等的调节比较容易，响应快，功能多，自动化程度高，因此用于工业上不但明显节能，还往往能提高生产率和产品质量，节省原材料，并常能改善工作环境。但电力电子装置大多为电子开关式装置，它往往对电网和负载产生谐波干扰，有时还对周围环境引起一定的高频干扰，这是在设计这些装置和系统时必须妥善解决的。

1.2 本文研究内容

任务要求：

采用晶闸管构成的交流调压电路，通过计算正确选择器件、控制电路，通过设计实现电风扇电动机电压的调节，从而改变电风扇的转速，可实现无级变速，满足人们对电风扇风速的不同要求，且此调速装置寿命长。

技术要求：

1、交流电源：单相220V。

2、输出电压在0～220V连续可调。

3、输出电流最大值1A。

4、负载为100W电风扇，功率因数0.6。

5、根据实际工作情况，最小控制角取200～300左右。

第2章单相电风扇无级调速电路设计

2.1 电路总体设计方案

本文研究的内容是100W单相电风扇无级调速电路。根据要求，利用晶闸管构成的单相交流调压电路，来调节电风扇电动机电压，从而改变电风扇的转速，即可实现无级调速的要求。

2.1.1 方案论证

方案一：晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出，负载为阻感负载，控制角20～30度左右，电阻800Ω左右，电感1.93h，总功率为100W,功率因数0.6，电流小于1A，电压不超过220V，可调节，控制角20～30度时，输出电压符合要求。

方案二：利用IGBT构成斩控式交流调压电路，如图2.1所示，图中Q1、Q2、D1、D2构成一双向可控开关，Q1、Q2进行斩波控制，Q3、Q4给负载电流提供续流通道。与直流斩波电路一样，可以通过改变控制角调节输出电压。

IGBT价格昂贵，斩控电路需要的器件明显多于交流调压电路，晶闸管各种保护电路和触发电路较IGBT更简单，所以从经济和电路元件数以及控制电路分析。

采用方案一，即：晶闸管交流调压电路。

2.1.2 总体设计框图及分析

总体设计方案包括交流调压主电路设计，精闸管触发电路设计和保护电路设计，其中交流调压部分由两个晶闸管反并联后串在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。

晶闸管触发电路用集成电路KJ004，其电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大，移项性好，正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。性能可靠，调试方便。KJ004电路原理与分立式锯齿波移相触发电路相似，分为同步，锯齿波形成，移相，脉冲形成、分选、放大几个环节。

保护电路主要有过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护。在本文中主要涉及前二者。过电流保护采用快速熔断器，在各晶闸管电路串联熔断器，还可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路保护，但保护速度和效果不如快速熔断器。过电压保护目前最常用的是在主电路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，称之为吸收回路或缓冲电路，本文采用电容作为吸收元件，但为防止振荡，增加阻尼电阻，构成R、C吸收回路。

总体设计方框图如图2.2所示

图2.1 总体设计方框图

2.2 具体电路设计

2.2.1 主电路设计

单相电风扇无级调速电路的主电路实际上就是负载为阻感负载的单相交流调压电路即电动机。交流调压是将一种幅值的交流电能转化为同频率的另一种幅值的交流电能。其主电路图如图2.3所示。

图2.2 单相交流调压主电路图

u 是交流电源，市电220V ，两个反并联的晶闸管与负载（单相电风扇）串接,构成主电路，将一种幅值的交流电能转化为同频率的另一种幅值的交流电能。

当负载纯电阻负载时，在交流电源u 的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角进行控制就可以调节输出电压。正负半周的触发角起始时刻均为电压过零时刻。在稳态情况下，应是正负半周的触发角相等，负载电压波形是电源波形的一部分，负载电流（ 电源电流）波形和负载电压波形一致，所以通过触发延迟角的变化就可以实现输出电压的控制。

负载电压有效值Uo =

负载电流有效值0I = 晶闸管电流有效值VT I =

功率因数 ?

?

? ??-+παπαπ2sin 21

1U R

Uo

)2sin 21(I U 0000π

απαπλ

-+===

I U S P 0

I

])sin()(sin [2tan 0

?

ωα?α?ωt

e t Z

i ----=2

2

)(L R Z ω+=]22[sin 210

θαπ

πθ++=U ?θ?αθθπcos )

2cos(sin 21++-

=

Z

U I VT 1

2U Z

I I VT VTN =ππα=触发角的移相范围是0到 ,

触发角为0时，输出电压最大为电源电压，功率因数为1，随着触发角增大，输出电

压减小，直到

时，输出电压为零。功率因数逐渐降低。

当负载为阻感负载，设负载阻抗角

)(arctan R l ω?=，如果用导线把晶

闸管完全短接，稳态时负载电流是正弦波，相位滞后电源电压角度就是负载阻抗角，在用晶闸管控制时，只能通过触发延迟角推迟其导通，所以触发脉冲应在电流过零点之后，负载电流更加滞后，无法使其超前。所以晶闸管触发角移相范围是πα?≤≤。

图2.3 阻感负载单相交流调压波形

在α时刻开通晶闸管VT1,负载电流满足如下方程和初始条件

0|0==αωt i

解方程可得

其中

；θ是晶闸管导通角。 上述电路在触发延迟角为α时，负载电压有效值0U 、晶闸管电流有效值VT I 、负载电流有效值分别为

晶闸管电流标幺值为:

如果把交流调压电路负载的阻抗角作为参变量，则α和VT I 的关系曲线可绘出，如

图2.5所示

t

U Ri L

ωsin 2dt

di 100=+θ

αωα+≤≤t 1

U VT

I I 20=

图2.4 单相交流调压电路晶闸管电流标幺值与触发角的关系曲线

不论负载时阻性还是感性，负载电压和负载电流都不是正弦波，含有大量谐波。本文简单的电阻负载为例谐波分析，因为负载电压0u 正负半波对称，不含有直流分量和偶次谐波，用傅立叶级数可表示为

式中 )12(cos 22a 1

1-=απU )](22[sin 22b 11απαπ

-+=

U

基波和各次谐波的电压电流有效值为

∑

∞

=+=...5,3,10

)sin cos (u n n n t n b t n a ωω...)

7,5,3]}(1)1[cos(11

]1)1[cos(11{2a 1

=-----++=n n n n n U n ααπ...)7,5,3]}(1)1[sin(11]1)1[sin(11{2b 1=-----++=n n n n n U n

ααπ...)7,5,3,1(a 2

12

2n on =+=n b U n R

U I on /on =

图2.6给出电流基波与各次谐波的

百分数随α的变化的曲线，基准电流为

α时电流有效值。负载是感性负载

=

时，方法与分析电阻负载相同，公式将

变得非常复杂，谐波次数与电阻负载一

致，不同的是，阻感负载的谐波电流含

量要少，而且α相同时，随负载阻抗角

增大，含量减少。

图2.5 谐波占比

2.2.2 控制电路设计

同步信号为锯齿波的触发电路，共包含三个基本环节，脉冲形成与放大，锯齿波形成和脉冲移相、同步环节，电路中还包含强触发和双窄脉冲形成环节。

集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，随着集成电路制作技术的提高，精闸管触发电路的集成化已经逐渐普及，逐步取代分立式电路，如KJ和KC系列，KJ004电路原理与分立式锯齿波移相触发电路相似，分为同步，锯齿波形成，移相，脉冲形成、分选、放大几个环节。

触发电路必须定相，向晶闸管调压电路供电的交流测电压来源于电网，电网电压的频率并非固定不变，而是在一定范围内波动，要保正触发电路的频率和主电路频率一致外，还应该保证每个晶闸管触发脉冲施加于其上的交流电压保持固定、正确的相位关系。

为使触发电路和主电路频率一致，应利用一个同步变压器，将一次侧接入主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号。下面就是触发电路的定相，选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。

如图2.7所示

图2.6 触发电路

图中变压器一次侧与晶闸管主电路为同一电压源，G1、K1与接其中一个晶闸管的门级和阴极，G2、K2接另一个晶闸管的门级和阴极。

2.2.3 保护电路设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。本文主要考虑操作过电压（外因）。

电力电子电路运行不正常或发生故障，可能发生过电流，过电流分为过载和短路两种情况，采用快速熔断器，直流快速断路器和过电流继电器较为常见，一般装置会同时采用几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。

采用快速熔断器是最有效，应用最广泛的保护措施。本文即采用快速熔断器作为过电流保护装置。

?

?

3020至A U P I i

i

i 758.0==

o

i VT I I I ==λ

0i p P

=

图2.7 保护电路

2.3 元器件型号选择

因为触发角α为

，所以功率因数就是负载阻抗角的余弦值，通过计算可知道晶闸管的触发角的变化范围是0.9268至π，当6πα=时，由于?α<,因此晶闸管调压器全开放，输出电压是完整的正弦波，负载电流为最大值。

负载阻抗值 负载电流 、

电路功率因数为0.6,所以输入功率

= 100/0.6=7.166W ,所以输入电流

晶闸管承受最大反向V U U MAX 311

22202i === 所以晶闸管的额定电压V U U MAX N )933

/622()3/2(== 晶闸管的额定电流A I I N

)966.0/724.0(57.1/)3/5.1(o ==

由于器件规格的限制故选择额定电压是1000V ，额定电流是1A 的晶闸管。 快速熔器应按要求选择最大电流是1A 的。

Ω

==4842

P

U Z A Z

U

I 455.00==

第3章课程设计总结

交流-交流变流电路，即把一种形式交流电变成另外一种形式的交流电的电路。这种电路有两种形式，分别是直接方式（无中间直流环节）和间接方式（有中间直流环节）。

交流调压电路作为直接变流方式的一种，广泛应用于各电力系统及现实生活中。交流调压电路是采用相位控制方式的交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相（三相为3组6个晶闸管）交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电路一样，通过控制晶闸管开通时所对应的相位，可以方便的调节交流输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。其优点很多，晶闸管可以利用电源自然换相，无需强迫关掉电路，并可实现电压的平滑调节，系统响应速度较快，电路简单，容易控制。但它也存在深控时功率因数较低，易产生高次谐波等缺点。

交流调压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场合，广泛用于灯光调节（如调光台灯、舞台灯光控制等），温度调节（如工频加热、感应加热、需控制的家用电器等），泵及风机等异步电动机的软起动，交流电机的调压调速（如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速）。

电风扇无级调速本质上来讲就是单相交流调压电路的一种或在电动机调速这一类电路中的应用。通过改变晶闸管的导通状态控制交流电压输出有效值，从而实现电风的无级调速。

本人签字：

参考文献

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[3] 贺益康,许大中. 电机控制[M].杭州:浙江大学出版社,2010-5

[4] 李宏.常用晶闸管触发器集成电路及应用[M].北京:科学出版社2011-11

[5] 方大千,郑鹏,朱征涛.晶闸管实用电路详解[M].上海:上海科学技术出版社,2012

[6] 谢龙汉,鲁力,张桂东.Altium Designer 原理图与PCB设计及仿真[M].北京:电子工业出版社,2011-9

[7] 王兆安.电力电子技术(第四版)[M].北京:机械工业出版社,2010

附录

主电路、触发电路以及保护电路