电风扇无级调速装置

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1、电力电子技术 电子教案【学习目标学习目标】w完成本课题的学习后，能够用万用表测试双向完成本课题的学习后，能够用万用表测试双向晶闸管的好坏。晶闸管的好坏。w掌握双向晶闸管工作原理。掌握双向晶闸管工作原理。w分析电风扇无级调速器各部分电路的作用及调分析电风扇无级调速器各部分电路的作用及调光原理。光原理。w了解交流开关、交流调功器、固态开关原理。了解交流开关、交流调功器、固态开关原理。电风扇无级调速器在日常生活中随处可见。常见的电风扇电风扇无级调速器在日常生活中随处可见。常见的电风扇无级调速器。旋动旋钮便可以调节电风扇的速度。无级调速器。旋动旋钮便可以调节电风扇的速度。电风扇无级调速器电风扇无级调速

2、器调速旋钮触发电路保护电路调速旋钮触发电路保护电路 (a) 电风扇无级调速器电风扇无级调速器 (b) 电风扇无级调速器电路原理图电风扇无级调速器电路原理图调速器电路由主电路和触发电路两调速器电路由主电路和触发电路两部分构成。部分构成。在双向晶闸管的两端并接在双向晶闸管的两端并接RC元件，元件，是利用电容两端电压瞬时不能突变，是利用电容两端电压瞬时不能突变，作为晶闸管关断过电压的保护措施。作为晶闸管关断过电压的保护措施。一、双向晶闸管的工作原理一、双向晶闸管的工作原理双向晶闸管的结构双向晶闸管的结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式、平双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、

3、螺栓式、平板式。其内部是是一种板式。其内部是是一种NPNPN五层结构的三端器件。五层结构的三端器件。 （a） 内部结构内部结构 （b） 等效电路等效电路 （c）图形符号）图形符号常见双向晶闸管引脚排列常见双向晶闸管引脚排列2. 双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数 双向晶闸管有正反向对称的双向晶闸管有正反向对称的伏安特性曲线伏安特性曲线。双向晶闸管的主要参数双向晶闸管的主要参数中只有额定电流与普通晶闸管有所不同，中只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义相似。其他参数定义相似。w 双向晶闸管的额定电流定义为：在标准散热条件下，当器件双向晶闸管的额定电流定义为：在标准散热条件下，当

4、器件的单向导通角大于的单向导通角大于170，允许流过器件的最大交流正弦电流，允许流过器件的最大交流正弦电流的的有效值有效值，用，用IT(RMS)表示。表示。w 双向晶闸管额定电流与普通晶闸管额定电流之间的换算关系双向晶闸管额定电流与普通晶闸管额定电流之间的换算关系式为式为T(RMS)T(RMS)T(AV)45. 02III例如例如，一个，一个100A的双向晶闸管与两个反并联的双向晶闸管与两个反并联45A的普通晶闸管电流容量相等。的普通晶闸管电流容量相等。例如例如型号型号KS50-10-21表示额定电流表示额定电流50A，额定，额定电压电压10级（级（1000V）断态电压临界上升率）断态电压临界

5、上升率du/dt为为2级（不小于级（不小于200V/ s）,换向电流临界下降换向电流临界下降率率di/dt为为1级（不小于级（不小于1IT(RMS)）的双向晶）的双向晶闸管。闸管。 有关有关KS型双向晶闸管的主要参数和分级的规定。型双向晶闸管的主要参数和分级的规定。双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式可以得到四种触发方式：可以得到四种触发方式：1）+触发方式触发方式 主极主极T1为正，为正，T2为负；门极电压为负；门极电压G为正，为正，T2为负。特性曲线在第为负。特性曲线在第象限。象限。2）-触发方式触发方式 主极主极T1为正，为正，T2为负；门极电压为负；门极电压G为负，为负，T2为正。

6、特性曲线在第为正。特性曲线在第象限。象限。3）+触发方式触发方式 主极主极T1为负，为负，T2为正；门极电压为正；门极电压G为正，为正，T2为负。特性曲线在第为负。特性曲线在第象限。象限。4）-触发方式触发方式 主极主极T1为负，为负，T2为正；为正；门极电压门极电压G为负，为负，T2为正。特性曲线在第为正。特性曲线在第象限。象限。由于双向晶闸管的内部结构原因，四由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中灵敏度不相同，以种触发方式中灵敏度不相同，以+触发触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常常采用的触发方式为采用的触发方式为+和和-。（1）简易触发电路）简

7、易触发电路双向晶闸管的简易触发电路双向晶闸管的简易触发电路双向晶闸管的简易触发电路分析双向晶闸管的简易触发电路分析电风扇无级调速电路图，接通电源后，电容电风扇无级调速电路图，接通电源后，电容C1充电，充电，当电容当电容C1两端电压的峰值达到氖管两端电压的峰值达到氖管HL的阻断电压时，的阻断电压时，HL亮，双向晶闸管亮，双向晶闸管VT被触发导通，电扇转动。改变被触发导通，电扇转动。改变电位器电位器RP的大小，即改变了的大小，即改变了C1的充电时间常数，使的充电时间常数，使VT的导通角发生变化，也就改变了电动机两端的电的导通角发生变化，也就改变了电动机两端的电压，因此电扇的转速改变。由于压，因此电

8、扇的转速改变。由于RP是无级变化的，是无级变化的，因此电扇的转速也是无级变化的。因此电扇的转速也是无级变化的。（2 )单结晶体管触发单结晶体管触发单结晶体管触发的交流调压电路，调节单结晶体管触发的交流调压电路，调节RP阻值可改变负载阻值可改变负载RL上电压的大小。上电压的大小。 ( 3）集成触发器）集成触发器K006组成的双向晶闸管移相交流调压电路组成的双向晶闸管移相交流调压电路K006组成的双向晶闸管移相交流调压电路组成的双向晶闸管移相交流调压电路分析分析该电路主要适用于交流直接供电的双向晶该电路主要适用于交流直接供电的双向晶闸管或反并联普通晶闸管的交流移相控制。闸管或反并联普通晶闸管的交流

9、移相控制。RP1用于调节触发电路锯齿波斜率，用于调节触发电路锯齿波斜率，R4、C3用于调节脉冲宽度，用于调节脉冲宽度，RP2为移相控制电为移相控制电位器，用于调节输出电压的大小。位器，用于调节输出电压的大小。交流调压交流调压是将一种幅值的交流电能转化为同频率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。的另一种幅值的交流电能。1. 电阻性负载电阻性负载在电源正半周触发在电源正半周触发VT导通，有正向电流流过导通，有正向电流流过RL，负载端电压负载端电压uR为正值，电流过零时为正值，电流过零时VT自行关断；自行关断；在电源负半周时，再触发在电源负半周时，再触发VT导通，有反向电流流导

10、通，有反向电流流过过RL，其端电压，其端电压uR为负值，到电流过零时为负值，到电流过零时VT再再次自行关断。然后重复上述过程。改变角次自行关断。然后重复上述过程。改变角a即可调即可调节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的目的。目的。 单相交流调压电路电阻负载电路及波形单相交流调压电路电阻负载电路及波形 （a）电路图）电路图 (b)波形图波形图单相交流调压电路电阻负载电路及波形分析单相交流调压电路电阻负载电路及波形分析 通过改变通过改变a可得到不同的输出电压有效可得到不同的输出电压有效值，从而达到交流调压的目的。由双向晶闸值，从而达到交流调压的目的。

11、由双向晶闸管组成的电路，只要在正负半周对称的相应管组成的电路，只要在正负半周对称的相应时刻（时刻（a、a）给触发脉冲，则和反并联）给触发脉冲，则和反并联电路一样可得到同样的可调交流电压。电路一样可得到同样的可调交流电压。电阻负载上交流电压有效值为电阻负载上交流电压有效值为电流有效值电流有效值电路功率因数电路功率因数电路的移相范围为电路的移相范围为0。2sin21)()sin2(1222UtdtUUR2sin212RURUIR2sin21cos2IUIUSPR电感性负载的交流调压电路。电感性负载的交流调压电路。下面分三种情况加以讨论。下面分三种情况加以讨论。（1） ，当，当时，时，180。如果触

12、发脉冲为窄脉冲，当。如果触发脉冲为窄脉冲，当ug2出现时，出现时，VT1管的电管的电流还未到零，流还未到零，VT1管关不断，管关不断，VT2管不能导通。当管不能导通。当VT1管电流到管电流到零关断时，零关断时，ug2脉冲已消失，此时脉冲已消失，此时VT2管虽已受正压，但也无管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，法导通。到第三个半波时，ug1 又触发又触发VT1导通。这样负载电导通。这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触

13、发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。或脉冲列触发。 单相交流调压电感负载电路单相交流调压电感负载电路 单相交流调压电感负载波形图单相交流调压电感负载波形图 单相交流调压的单相交流调压的特点特点：w 电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角可以连续改变负载流交流侧电流一致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。电压有效值，达到交流调压的目的。w 电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则会出电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则会出现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，烧毁

14、熔断器或晶闸管。烧毁熔断器或晶闸管。w电感性负载时，最小控制角电感性负载时，最小控制角 。所以的移。所以的移相范围为阻抗角相范围为阻抗角 180，电阻负载时移相范围，电阻负载时移相范围为为0180。一、交流开关及其应用电路一、交流开关及其应用电路1晶闸管交流开关的基本形式晶闸管交流开关的基本形式 三相自动控温电热炉电路，三相自动控温电热炉电路，它采用双向晶它采用双向晶闸管作为功率开关，与闸管作为功率开关，与KT温控仪配合，实温控仪配合，实现三相电热炉的温度自动控制。现三相电热炉的温度自动控制。过零触发：在电压过零时给晶闸管以触发脉冲，使晶闸管工作状态始终处于全导通或全阻断，这种工作方式称为过零

15、触发。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。电阻负载时的工作情况 晶闸管导通m个电源周期，然后关断n个周期，一般在电源电压正，负过零时（ =0 ），分别触发VT1和VT2，它们又在每半周电流过零时自然关断。 如图2所示，改变m和n的比值，就改变了开关一个周期输出电压的有效值。 图1 电阻负载单相交流调压电路w 设电源电压 = = 若导通m个周期，关断n个周期，则输出电压的有效值为 式中 称为周期占空比。utUmsintUsin2UDUnmmtdunmUm212020 )()(21nmmD2.单相交流调功器w输出电流在一个通断

16、周期的有效值为 所以负载功率为 LRUDI00LRUDIUP20002.单相交流调功器w由上可见，改变周期占空比D的大小，就改变了负载功率。这种方式常用来控制有大的机械惯性和热惯性的负载功率。w通断控制开关作用产生的谐波较少。2.单相交流调功器w w输入功率因数 可由负载在一个通断周期中的有功功率与电源视在功率之比求得。由于输入电流等于输出电流，故 当D很小时， 是很低的。icosDUUIUP00icosicos2.单相交流调功器w流过晶闸管T1和T2的电流为半波电流，所以平均电流值为 但在选择晶闸管电流定额时，由于管芯热容 量很小，导通m个周期管芯已达稳定温升，故晶闸管电流定额应以D=1来选

17、。0sin()2()2avmmmIItdtmnDIDUR2.单相交流调功器w例 有一交流220V供电的交流调压电路，电路如图1，负载电阻R=5 ，晶闸管导通20个周期，关断40个周期。 （1）输出电压有效值 。 （2）负载功率 。 （3）输入功率因数 。 0U0Picos2.单相交流调功器图1 电阻负载单相交流调压电路解： （1）由公式知 （2）由公式知 （3）由公式知33.0402020,220nmmDVUVUDU4 .12622033. 00WRDUP7 .3226522033. 022058. 033. 0Dicosw调功器可以用双向晶闸管，也可以用两只晶闸管反并联联结，调功器可以用双向

18、晶闸管，也可以用两只晶闸管反并联联结，其触发电路可以采用集成过零触发器，也可利用分立元件组成其触发电路可以采用集成过零触发器，也可利用分立元件组成的过零触发电路。的过零触发电路。w全周波连续式的过零触发电路由全周波连续式的过零触发电路由锯齿波发生锯齿波发生、信号综合信号综合、直直流开关流开关、同步电压同步电压与与过零脉冲输出过零脉冲输出五个环节组成。五个环节组成。w过零触发电路过零触发电路w过零触发电路分析过零触发电路分析1）锯齿波是由单结晶体管）锯齿波是由单结晶体管V6和和R1、R2、R3、RP1和和C1组成张驰振荡器产生的，经射极跟随器（组成张驰振荡器产生的，经射极跟随器（V1、R4）输出

19、。其波形如图（输出。其波形如图（a）所示。）所示。2）控制电压（）控制电压（Uc）与锯齿波电压进行叠加后送至）与锯齿波电压进行叠加后送至V2基基极，合成电压为极，合成电压为us。当。当us0(0.7V)，则，则V2导通；导通；us0(0.7V)时，时，V2管导通，管导通，Ube3接近零电接近零电位，位，V3管截止，直流开关阻断。管截止，直流开关阻断。当当Ube20时，时，V2截止，由截止，由R8、VD6和和R9组成的分压电路使组成的分压电路使V3导通，直流开关导通，输出导通，直流开关导通，输出24V直流电压，直流电压，V3通断时刻如图通断时刻如图(c) 所示。所示。VD6为为V3基极提供一阀值

20、电压，使基极提供一阀值电压，使V2导通时，导通时，V3更更可靠地截止。可靠地截止。4）过零脉冲输出）过零脉冲输出 脉冲使晶闸管导通，增大控制电压，便可加长开关导通的脉冲使晶闸管导通，增大控制电压，便可加长开关导通的时间，也就增多了导通的周波数，从而增加了输出的平均功率。时间，也就增多了导通的周波数，从而增加了输出的平均功率。 过零触发虽然没有移相触发高频干扰的问题，但其通断频过零触发虽然没有移相触发高频干扰的问题，但其通断频率比电源频率低，特别是当通断比较小时，会出现低频干扰，率比电源频率低，特别是当通断比较小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能觉察倒的闪烁，电表指针的摇摆等。所以调使照明出现

21、人眼能觉察倒的闪烁，电表指针的摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。功器通常用于热惯性较大的电热负载。 过零触发电路的电压波形过零触发电路的电压波形V2截止固态开关固态开关是以双向晶闸管为基础是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。构成的无触点通断组件。固态开关说明固态开关说明图图(a)为采用光电三极管耦合器的为采用光电三极管耦合器的“0”压固态开压固态开关内部电路。关内部电路。 图图(b)为光电晶闸管耦合器为光电晶闸管耦合器“0”电压开关。电压开关。 图图(c)为光电双向晶闸管耦合器非为光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关。电压开关。wP166 4三相交流调压的电路有多种形式，负载可连接成或三相交流调压的电路有多种形式，负载可连接成或Y形。形。 三相交流调压电路接线方式及性能特点三相交流调压电路接线方式及性能特点 三相交流调压电路接线方式及性能特点三相交流调压电路接线方式及性能特点