單相電風(fēng)扇無級調(diào)速電路VIP

1、-單相電風(fēng)扇無級調(diào)速電路 院（系）名稱 專 學(xué) 學(xué) 指生導(dǎo)姓教業(yè)班級 號 名 師 電子與信息工程學(xué)院 電子信息工程 1204040xx xxx 孟麗囡 副教授 起 止 時 間： 2014.12.152012.12.26 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程 本科生課程設(shè)計（論文） 摘 要 把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。這種電路不改變交流電頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制稱為交流調(diào)壓電路。 交流調(diào)壓電路應(yīng)用十分廣泛，本文所設(shè)計的單相電風(fēng)扇無級調(diào)速就是其在異步電動機調(diào)速中的應(yīng)

2、用。電機屬于阻感負(fù)載，可以等效看作電阻與電感的串聯(lián)。設(shè)計電風(fēng)扇調(diào)速電路簡單且實用，主電路是交流調(diào)壓電路負(fù)載為阻感負(fù)載時的情況，電路簡單，所用器件少，晶閘管所需的觸發(fā)電路和保護電路亦不能缺少，本文也做了介紹，最后討論電路參數(shù)的計算和器件的選擇。 電風(fēng)扇是最常用的家用電器之一，市場上各種各樣造型，功率，品牌的電風(fēng)扇也應(yīng)有盡有。通過利用晶閘管構(gòu)成的調(diào)壓電路，可以實現(xiàn)對負(fù)載電壓的控制，從而實現(xiàn)電風(fēng)扇無級調(diào)速，滿足人們對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求。這樣電路的優(yōu)點在于體積小，成本低，電路簡單，易于設(shè)計制造。 關(guān)鍵詞：晶閘管；交流調(diào)壓；保護電路；諧波分析 I 本科生課程設(shè)計（論文） Abstract The two t

3、hyristor 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

4、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 i

5、nductor 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 p

6、rotection 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 exp

7、ects 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

8、relatively simple, easy to design and manufacture. Key words：Thyristor; AC voltage; protection circuit; harmonic analysis II 本科生課程設(shè)計（論文） 目 錄 第1章 緒論 . 1 1.1電力電子技術(shù)概況 . 1 2.1 電路總體設(shè)計方案 . 2 2.1.1 方案論證 . 2 2.1.2 總體設(shè)計框圖及分析 . 3 2.2 具體電路設(shè)計 . 4 2.2.1 主電路設(shè)計 . 4 2.2.2 控制電路設(shè)計 . 7 2.3 元器件型號選擇 . 9 第3章 課程設(shè)計總結(jié) . 10

9、參考文獻(xiàn) . 11 附 錄 . 12 III 本科生課程設(shè)計（論文） 第1章 緒論 1.1電力電子技術(shù)概況 電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百MW甚至GW，也可以小到數(shù)W甚至1W以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)主要用于電力變換。 顧名思義，單相交流調(diào)壓電路是對單相交流電的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的電路。廣泛用在電熱控制、交流電動機速度控制、燈光控制和交流穩(wěn)壓器等場合。與自耦變壓器調(diào)壓方法相比，交流調(diào)壓電路控制方便，調(diào)節(jié)速度快，裝置的重量輕、體積小，

10、有色金屬消耗也少。 電力電子裝置是靜止式裝置，占地面積小，重量輕，安裝方便（以焊接電源為例,與旋轉(zhuǎn)焊機相比，重量減輕80%,節(jié)能15%）。同時，電力電子裝置往往對頻率、電壓等的調(diào)節(jié)比較容易，響應(yīng)快，功能多，自動化程度高，因此用于工業(yè)上不但明顯節(jié)能，還往往能提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省原材料，并常能改善工作環(huán)境。但電力電子裝置大多為電子開關(guān)式裝置，它往往對電網(wǎng)和負(fù)載產(chǎn)生諧波干擾，有時還對周圍環(huán)境引起一定的高頻干擾，這是在設(shè)計這些裝置和系統(tǒng)時必須妥善解決的。 1.2 本文研究內(nèi)容 任務(wù)要求： 采用晶閘管構(gòu)成的交流調(diào)壓電路，通過計算正確選擇器件、控制電路，通過設(shè)計實現(xiàn)電風(fēng)扇電動機電壓的調(diào)節(jié)，從而改變電

11、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)無級變速，滿足人們對電風(fēng)扇風(fēng)速的不同要求，且此調(diào)速裝置壽命長。 技術(shù)要求： 1、交流電源：單相220V。 2、輸出電壓在0220V連續(xù)可調(diào)。 3、輸出電流最大值1A。 4、負(fù)載為100W電風(fēng)扇，功率因數(shù)0.6。 5、根據(jù)實際工作情況，最小控制角取200300左右。 1 本科生課程設(shè)計（論文） 2.1 電路總體設(shè)計方案 2.1.1 方案論證 方案一：晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出，負(fù)載為阻感負(fù)載，控制角2030度左右，電阻800左右，電感1.93h，總功率為100W,功率因數(shù)0.6，電流小于1A，電壓不超過220V，可調(diào)節(jié)，控制角2030度

12、時，輸出電壓符合要求。 方案二：利用IGBT構(gòu)成斬控式交流調(diào)壓電路，如圖2.1所示，圖中Q1、Q2、D1、D2構(gòu)成一雙向可控開關(guān)，Q1、Q2進(jìn)行斬波控制，Q3、Q4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。與直流斬波電路一樣，可以通過改變控制角調(diào)節(jié)輸出電壓。 IGBT價格昂貴，斬控電路需要的器件明顯多于交流調(diào)壓電路，晶閘管各種保護電路和觸發(fā)電路較IGBT更簡單，所以從經(jīng)濟和電路元件數(shù)以及控制電路分析。 采用方案一，即：晶閘管交流調(diào)壓電路。 2 本科生課程設(shè)計（論文） 2.1.2 總體設(shè)計框圖及分析 總體設(shè)計方案包括交流調(diào)壓主電路設(shè)計，精閘管觸發(fā)電路設(shè)計和保護電路設(shè)計，其中交流調(diào)壓部分由兩個晶閘管反并聯(lián)后串在交流

13、電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。 晶閘管觸發(fā)電路用集成電路KJ004，其電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。KJ004器件輸出兩路相差180度的移項脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。該電路具有輸出負(fù)載能力大，移項性好，正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點。 性能可靠，調(diào)試方便。KJ004電路原理與分立式鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步，鋸齒波形成，移相，脈沖形成、分選、放大幾個環(huán)節(jié)。 保護電路主要有過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt保護。在本文中主要

14、涉及前二者。過電流保護采用快速熔斷器，在各晶閘管電路串聯(lián)熔斷器，還可采用過電流繼電器、直流快速斷路器等用于過載和短路保護，但保護速度和效果不如快速熔斷器。過電壓保護目前最常用的是在主電路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，稱之為吸收回路或緩沖電路，本文采用電容作為吸收元件，但為防止振蕩，增加阻尼電阻，構(gòu)成R、C吸收回路。 總體設(shè)計方框圖如圖2.2所示 圖2.1 總體設(shè)計方框圖 3 本科生課程設(shè)計（論文） 2.2 具體電路設(shè)計 2.2.1 主電路設(shè)計 圖2.2 單相交流調(diào)壓主電路圖 u是交流電源，市電220V，兩個反并聯(lián)的晶閘管與負(fù)載（單相電風(fēng)扇）串接,構(gòu)成主電路，將一種幅值的交流電能轉(zhuǎn)化

15、為同頻率的另一種幅值的交流電能。 當(dāng)負(fù)載純電阻負(fù)載時，在交流電源u的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和VT2的觸發(fā)延遲角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周的觸發(fā)角起始時刻均為電壓過零時刻。在穩(wěn)態(tài)情況下，應(yīng)是正負(fù)半周的觸發(fā)角相等，負(fù)載電壓波形是電源波形的一部分，負(fù)載電流（ 電源電流）波形和負(fù)載電壓波形一致，所以通過觸發(fā)延遲角的變化就可以實現(xiàn)輸出電壓的控制。 負(fù)載電壓有效值Uo= U1 負(fù)載電流有效值I0 = 功率因數(shù) ? 晶閘管電流有效值IVT= I0?1sin2?2?R?PU0 I01?(sin2?)SU0I02? 4 本科生課程設(shè)計（論文） ?觸發(fā)觸發(fā)角的移相范圍是0到 , 角為0時，輸出電壓

16、最大為電源電壓， 功率因數(shù)為1，隨著觸發(fā)角增大，輸出電 ?時，輸出電壓為零。壓減小，直到 功率因數(shù)逐漸降低。 當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)負(fù)載阻抗角 ?arctan(?lR)，如果用導(dǎo)線把晶 閘管完全短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流是正弦 波，相位滯后電源電壓角度就是負(fù)載阻 抗角，在用晶閘管控制時，只能通過觸 發(fā)延遲角推遲其導(dǎo)通，所以觸發(fā)脈沖應(yīng) 在電流過零點之后，負(fù)載電流更加滯后， 無法使其超前。所以晶閘管觸發(fā)角移相 范圍是?。 在?時刻開通晶閘管VT1,負(fù)載電流滿足如下方程和初始條件 di0 dt 圖2.3 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓波形 L?Ri0?2U1sin?t ?t tan?2i?sin(?t?)?sin(?

17、)e解方程可得 0Z i0|?t?0 2?t?Z?R?(?L)；?是晶閘管導(dǎo)通角。 其中上述電路在觸發(fā)延遲角為?時，負(fù)載電壓有效值U0、晶閘管電流有效值IVT、負(fù)載電流有效值分別為 2?1U?sin2?2? 0?2? IVT 圖2.5所示 5 ?U1sin?cos(2?)?cos?2?ZZ2U1I0?2IVTIVTN?IVT晶閘管電流標(biāo)幺值為 如果把交流調(diào)壓電路負(fù)載的阻抗角作為參變量，則IVT和?的關(guān)系曲線可繪出，如 本科生課程設(shè)計（論文） 圖2.4 單相交流調(diào)壓電路晶閘管電流標(biāo)幺值與觸發(fā)角的關(guān)系曲線 不論負(fù)載時阻性還是感性，負(fù)載電壓和負(fù)載電流都不是正弦波，含有大量諧波。本文簡單的電阻負(fù)載為例

18、諧波分析，因為負(fù)載電壓u0正負(fù)半波對稱，不含有直流分量和偶次諧波，用傅立葉級數(shù)可表示為 u?(ancosn?t?bnsinn?t)0 n?1,3,5. 式中 ?2U12U1sin2?2(?) a1?(cos2?1) b1?2?2?11an?cos(n?1)?1?cos(n?1)?1(n?3,5,7.)?n?1n?1 2U111b?sin(n?1)?1?sin(n?1)?1(n?3,5,7.) n?n?1n?1 2U1 122,7基波和各次諧波的電壓電流有效值為 U on ? a n ? b n ( n ? 1 , 3 ,5 .) 2 6 Ion?Uon/R 本科生課程設(shè)計（論文） 圖2.6給出

19、電流基波與各次諧波的 百分?jǐn)?shù)隨?的變化的曲線，基準(zhǔn)電流為 ?0時電流有效值。負(fù)載是感性負(fù)載 時，方法與分析電阻負(fù)載相同，公式將 變得非常復(fù)雜，諧波次數(shù)與電阻負(fù)載一 致，不同的是，阻感負(fù)載的諧波電流含 量要少，而且?相同時，隨負(fù)載阻抗角 增大，含量減少。 圖2.5 諧波占比 2.2.2 控制電路設(shè)計 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，共包含三個基本環(huán)節(jié)，脈沖形成與放大，鋸齒波形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)，電路中還包含強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。 集成電路可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便，隨著集成電路制作技術(shù)的提高，精閘管觸發(fā)電路的集成化已經(jīng)逐漸普及，逐步取代分立式電路，如KJ和KC系列，KJ0

20、04電路原理與分立式鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步，鋸齒波形成，移相，脈沖形成、分選、放大幾個環(huán)節(jié)。 觸發(fā)電路必須定相，向晶閘管調(diào)壓電路供電的交流測電壓來源于電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率并非固定不變，而是在一定范圍內(nèi)波動，要保正觸發(fā)電路的頻率和主電路頻率一致外，還應(yīng)該保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖施加于其上的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系。 為使觸發(fā)電路和主電路頻率一致，應(yīng)利用一個同步變壓器，將一次側(cè)接入主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號。下面就是觸發(fā)電路的定相，選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。 如圖2.7所示 7 本科生課程設(shè)計（論文） 圖2.6 觸發(fā)電路 圖中變壓器一次側(cè)與晶

21、閘管主電路為同一電壓源，G1、K1與接其中一個晶閘管的門級和陰極，G2、K2接另一個晶閘管的門級和陰極。 2.2.3 保護電路設(shè)計 在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt保護和di/dt保護也是必要的。 電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。本文主要考慮操作過電壓（外因）。 電力電子電路運行不正常或發(fā)生故障，可能發(fā)生過電流，過電流分為過載和短路兩種情況，采用快速熔斷器，直流快速斷路器和過電流繼電器較為常見，一般裝置會同時采用幾種過電流保護措施，提高保護的可靠性和合理性。 采用快速熔斷器是最有效，應(yīng)用

22、最廣泛的保護措施。本文即采用快速熔斷器作為過電流保護裝置。 8 本科生課程設(shè)計（論文） 圖2.7 保護電路 2.3 元器件型號選擇 20至30，所以功率因數(shù)就是負(fù)載阻抗角的余弦值，通過計算可知因為觸發(fā)角?為 ? 道晶閘管的觸發(fā)角的變化范圍是0.9268至?，當(dāng)?6時，由于?,因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓是完整的正弦波，負(fù)載電流為最大值。 負(fù)載阻抗值 負(fù)載電流 U2 Z?484?P Pi?0.758AUiI0?U?0.455AZp、 P i?0= 100/0.6=166.7W,所以輸入電流 電路功率因數(shù)為0.6,所以輸入功率?Ii?IVT?Ii?Io V 晶閘管承受最大反向UMAX?2Ui?

23、2?311 )V 所以晶閘管的額定電壓UN?(2/3)UMAX?(622/933 晶閘管的額定電流IN?(1.5/3)Io/1.57?(0.724/0.966)A 由于器件規(guī)格的限制故選擇額定電壓是1000V，額定電流是1A的晶閘管。 快速熔器應(yīng)按要求選擇最大電流是1A的。 9 本科生課程設(shè)計（論文） 第3章 課程設(shè)計總結(jié) 交流-交流變流電路，即把一種形式交流電變成另外一種形式的交流電的電路。這種電路有兩種形式，分別是直接方式（無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）。 交流調(diào)壓電路作為直接變流方式的一種，廣泛應(yīng)用于各電力系統(tǒng)及現(xiàn)實生活中。交流調(diào)壓電路是采用相位控制方式的交流電力控制電路，通常是將