电风扇无级调速变速原理

电风扇无级调速变速原理【学习目标】：完成本课题的学习后，能够：1．1．用万用表测试双向晶闸管的好坏。2．2．掌握双向晶闸管工作原理。3．3．分析电风扇无级调速器各部分电路的作用及调光原理。4．4．了解交流开关、交流调功器、固态开关原理。【描述】：电风扇无级调速器在日常生活中随处可见。图31（a）是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。图3-1（b）为电路原理图。（a）(b)图3-1电风扇无级调速器(a)电风扇无级调速器(b)电风扇无级调速器电路原理图如图3—1(b)所示，调速器电路由主电路和触发电路两部分构成，在双向晶闸管的两端并接RC元件，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。本课题通过对主电路及触发电路的分析使学生能够理解调速器电路的工作原理，进而掌握分析交流调压电路的方法。保护电路在课题五中详细介绍。【相关知识点】：一、双向晶闸管的工作原理1．1．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、平板式。但其内部是是一种NPNPN五层结构的三端器件。有两个主电极T1、T2，一个门极G，其外形如图3-2所示。图3-2双向晶闸管的外形双向晶闸管的内部结构、等效电路及图形符号如图3-3所示。调速旋钮调速电位器小电流塑封式螺栓式平板式保护电路主电路触发电路图2－3双向晶闸管内部结构、等效电路及图形符号（a）内部结构（b）等效电路（c）图形符号从图3-3可见，双向晶闸管相当于两个晶闸管反并联（P1N1P2N2和P2N1P1N4），不过它只有一个门极G，由于N3区的存在，使得门极G相对于T1端无论是正的或是负的，都能触发，而且T1相对于T2既可以是正，也可以是负。常见的双向晶闸管引脚排列如图3-4所示。图3-4常见双向晶闸管引脚排列2．2．双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第Ⅰ象限，反向部分位于第Ⅲ象限如图3－5所示。图3－5双向晶闸管伏安特性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，其他参数定义相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不用平均值而是用有效值来表示。定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170°，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT(RMS)表示。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以此推算，一个100A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。国产双向晶闸管用KS表示。如型号KS50-10-21表示额定电流50A，额定电压10级（1000V）断态电压临界上升率du/dt为2级（不小于200V/μs）,换向电流临界下降率di/dt为1级（不小于1％IT(RMS)）的双向晶闸管。有关KS型双向晶闸管的主要参数和分级的规定见表3－1。表3－1双向晶闸管的主要参数3．3．双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：1）Ⅰ+触发方式主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅰ象限。2）Ⅰ-触发方式主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅰ象限。3）Ⅲ+触发方式主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅲ象限。4）Ⅲ-触发方式主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅲ象限。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Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为Ⅰ+和Ⅲ-。4．双向晶闸管的触发电路（1）简易触发电路图3－6为双向晶闸管简易触发电路。图(a)中当开关S拨至“2”双向晶闸管VT只在I+触发，负载RL上仅得到正半周电压；当S拨至“3”时，VT在正、负半周分别在I+、Ⅲ-触发，RL上得到正、负两个半周的电压，因而比置“2”时电压大。图(c)、(d)中均引入了图2－6双向晶闸管的简易触发电路具有对称击性的触发二极管VD，这种二极管两端电压达到击穿电压数值(通常为30V左右，不分极性)时被击穿导通，晶闸管便也触发导通。调节电位器RP改变控制角α，实现调压。图(c)与图(b)的不同点在于(c)中增设了R1、R2、C2。在(b)图中，当工作于大α值时，因RP阻值较大，使C1充电缓慢，到α角时电源电压已经过峰值并降得过低，则C1上充电电压过小不足以击穿双向触发二极管VD；而图(c)在大α时，C2上可获得滞后的电压uc2，给电容c1增加一个充电电路，保证在大α时VT能可靠触发。（e）图就是电风扇无级调速电路图，接通电源后，电容C1充电，当电容C1两端电压的峰值达到氖管HL的阻断电压时，HL亮，双向晶闸管VT被触发导通，电扇转动。改变电位器RP的大小，即改变了C1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压，因此电扇的转速改变。由于RP是无级变化的，因此电扇的转速也是无级变化的。（2)单结晶体管触发图3－7为单结晶体管触发的交流调压电路，调节RP阻值可改变负载RL上电压的大小。图3－7用单结晶体管组成的触发电路（3）集成触发器图3—8所示即为K006组成的双向晶闸管移相交流调压电路。该电路主要适用于交流图3－8集成触发器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。RP1用于调节触发电路锯齿波斜率，R4、C3用于调节脉冲宽度，RP2为移相控制电位器，用于调节输出电压的大小。二、单相交流调压电路电风扇无级调速器实际上就是负载为电感性的单相交流调压电路。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。1．1．电阻性负载图3-9(a)所示为一双向晶闸管与电阻负载RL组成的交流调压主电路，图中双向晶闸管也可改用两只反并联的普通晶闸管，但需要两组独立的触发电路分别控制两只晶闸管。在电源正半周ωt＝时触发VT导通，有正向电流流过RL，负载端电压uR为正值，电流过零时VT自行关断；在电源负半周ωt＝π＋时，再触发VT导通，有反向电流流过RL，其端电压uR为负值，到电流过零时VT再次自行关断。然后重复上述过程。改变角即可调节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的目的。电阻负载上交流电压有效值为电流有效值电路功率因数电路的移相范围为0—π。通过改变可得到不同的输出电压有效值，从而达到交流调压的目的。由双向晶闸管组成的电路，只要在正负半周对称的相应时刻（、π＋）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。交流调压电路的触发电路完全可以套用整流移相触发电路，但是脉冲的输出必须通过脉冲变压器，其两个二次线圈之间要有足够的绝缘。2．电感性负载图3－10所示为电感性负载的交流调压电路。由于电感的作用，在电源电压由正向负过零时，负载中电流要滞后一定角度才能到零，即管子要继续导通到电源电压的负半周才能关断。晶闸管的导通角θ不仅与控制角有关，而且与负载的功率因数角有关。控制角越小则导通角越大，负载的功率因数角越大，表明负载感抗大，自感电动势使电流过零的时间越长，因而导通角θ越大。下面分三种情况加以讨论。（1）由图3－11可见，当时，θ180°，即正负半周电流断续，且越大，θ越小。可见，在~180°范围内，交流电压连续可调。电流电压波形如图3－11(a)所示。（2）＝由图3－11可知，当＝时，θ=180°，即正负半周电流临界连续。相当于晶闸管失去控制，电流电压波形如图3－11(b)所示。（a）（a）(b)图3－9单相交流调压电路电阻负载电路及波形（a）电路图(b)波形图（3）＜此种情况若开始给VT1管以触发脉冲，VT1管导通，而且θ180°。如果触发脉冲为窄脉冲，当ug2出现时，VT1管的电流还未到零，VT1管关不断，VT2管不能导通。当VT1管电流到零关断时，ug2脉冲已消失，此时VT2管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1又触发VT1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。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。综上所述，单相交流调压有如下特点：①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可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。②电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当＜时，会出现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。③电感性负载时，最小控制角min＝(阻抗角)。所以的移相范围为～180°，电阻负载时移相范围为0～180°。图3－10单相交流调压电感负载电路图图3－11单相交流调压电感负载波形图(a)(b)＝(c)＜【扩展内容】：一、交流开关及其应用电路1．晶闸管交流开关的基本形式图3－12晶闸管交流开关的基本形式晶闸管交流开关是以其门极中毫安级的触发电流，来控制其阳极中几安至几百安大电流通断的装置。在电源电压为正半周时，晶闸管承受正向电压并触发导通，在电源电压过零或为负时晶闸管承受反向电压，在电流过零时自然关断。由于晶闸管总是在电流过零时关断，因而在关断时不会因负载或线路中电感储能而造成暂态过电压。图3－12所示为几种晶闸管交流开关的基本形式。图3－12(a)是普通晶闸管反并联形式。当开关S闭合时，两只晶闸管均以管子本身的阳极电压作为触发电压进行触发，这种触发属于强触发，对要求大触发电流的晶闸管也能可靠触发。随着交流电源的正负交变，两管轮流导通，在负载上得到基本为正弦波的电压。图3－12(b)为双向晶闸管交流开关，双向晶闸管工作于I+、Ⅲ—触发方式，这种线路比较简单，但其工作频率低于反并联电路。图3－12(c)为带整流桥的晶闸管交流开关。该电路只用一只普通晶闸管，且晶闸管不受反压。其缺点是串联元件多，压降损耗较大。图2－13是一个三相自动控温电热炉电路，它采用双向晶闸管作为功率开关，与KT温控仪配合，实现三相电热炉的温度自动控制。控制开关S有三个挡位：自动、手动、停止。当S拨至“手动”位置时，中间继电器KA得电，主电路中三个本相强触发电路工作，VTl—VT3导通，电路一直处于加热状态，须由人工控制SB按钮来调节温度。当S拨至“自动”位置时，温控仪KT自动控制晶闸管的通断，使炉温自动保持在设定温度上。若炉温低于设定温度，温控仪KT(调节式毫伏温度计)使常开触点KT闭合，晶闸管VT4被触发，KA得电，使VTl—VT3导通，RL发热使炉温升高。炉温升至设定温度时，温控仪控制触点KT断开，KA失电，VTl—VT3关断，停止加热。待炉温降至设定温度以下时，再次加热。如此反复，则炉温被控制在设定温度附近的小范围内。由于继电器线圈KA导通电流不大，故VT4采用小容量的双向晶闸管即可。各双向晶闸管的门极限流电阻(R1*、R2*)可由实验确定，其值以使双向晶闸管两端交流电压减到2—5V为宜，通常为30Ω—3kΩ。图3-13三相自动控温电热炉电路图2．交流调功器前述各种晶闸管可控整流电路都是采用移相触发控制。这种触发方式的主要缺点是其所产生的缺角正弦波中包含较大的高次谐波，对电力系统形成干扰。过零触发(亦称零触发)方式则可克服这种缺点。晶闸管过零触发开关是在电源电压为零或接近零的瞬时给晶闸管以触发脉冲使之导通，利用管子电流小于维持电流使管子自行关断。这样，晶闸管的导通角是2π的整数倍，不再出现缺角正弦波，因而对外界的电磁干扰最小。利用晶闸管的过零控制可以实现交流功率调节，这种装置称为调功器或周波控制器。其控制方式有全周波连续式和全周波断续式两种，如图3－14所示。如果在设定周期内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，通过改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，达到调节负载两端交流电压有效值即负载功率的目的。如在设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T（50Hz，T＝20ms），则调功器的输出功率nCPTnTP调功器输出电压有效值nCUTnTUPn、Un为在设定周期Tc内晶闸管全导通时调功器输出的