三相电风扇无级调速电路

辽 宁 工 业 大 学

电力电子技术课程设计（论文）

题目：三相电风扇无级调速电路

院（系）： 电气工程学院

专业班级：

学 号： 080303046

学生姓名：

指导教师： （签字）

起止时间：2010-12-27至2011-1-7

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）

课程设计（论文）报告的内容及其文本格式

1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：

①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等）

②设计(论文) 任务及评语

③中文摘要 （黑体小二，居中，不少于200字）

④目录

⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）

⑥参考文献

2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字

3、封面格式

4、设计（论文）任务及评语格式

5、目录格式

①标题“目录”（小二号、黑体、居中）

②章标题（小四号字、黑体、居左）

③节标题（小四号字、宋体）

④页码（小四号字、宋体、居右）

6、正文格式

①页边距：上2.5cm ，下2.5cm ，左3cm ，右2.5cm ，页眉1.5cm ，页脚1.75cm ，左侧装订；

②字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；

③行距：20磅行距；

④页码：底部居中，五号、黑体；

7、参考文献格式

①标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。

②示例：（五号宋体）

期刊类：[序号]作者1, 作者2, „„作者n. 文章名. 期刊名（版本）. 出版年, 卷次（期次）:页次. 图书类：[序号]作者1, 作者2, „„作者n. 书名. 版本. 出版地:出版社，出版年:页次. 周数。

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压大电流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究三相交流调压电路的设计。

关键词： 1、无级调速；2、交流调压；3、触发

The so-called AC voltage regulator is after the two anti-parallel thyristors in the AC circuit in series in each half cycle by controlling the thyristor in the opening phase, you can easily adjust the output voltage RMS. AC voltage regulator circuits are widely used in lighting control and soft start induction motor, but also for induction motor drive. In addition, high voltage low current flow or low voltage and high current power supply, AC voltage regulator circuit is also often used a voltage regulating transformer. This course is designed to study three-phase AC voltage regulation circuit.

Keywords: 1, variable speed; 2, AC voltage regulator; 3, the trigger

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 ................................................. 2

第2章 三相电风扇无级调速电路设计 .................................... 3

2.1 三相电风扇无级调速电路总体设计方案 ........................... 3

2.2 具体电路设计 ................................................. 6

2.2.1 主电路设计 ............................................................................................ 6

2.2.2 触发电路设计 ........................................................................................ 7

2.2.3 保护电路设计 ...................................................................................... 11

2.3 元器件型号选择 .............................................. 13

2.4 系统调试或仿真、数据分析 .................................... 14

第3章 课程设计总结 ................................................. 15

参考文献 ............................................................ 17

第1章 绪论

1.1 电力电子技术概况

自上世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气控制技术舞台，标志着电力电子技术的诞生。

究竟什么是电力电子技术呢？电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。它是介于电力、电子和控制三大领域之间的交叉学科。

调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为的改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。

无级调速简称CV （continuously viable) 变速，是通过两组可以改变直径的齿轮或者皮带轮组成，由链条或皮带连接，通过改变齿轮或皮带轮的直径来控制变速比。

由于皮带、链条的物理限制，不能用于扭矩较大的发动机，常见于踏板摩托车，小型轿车，卡丁车等等。

优点：没有换档动作，方便，没有换档的顿挫感，传动效率高（比自动变速（85%左右）高很多（约95%），与手动变速接近），所以加速快，油耗低。

缺点：故障率相对较高，成本相对较高，不能用于高输出发动机。

无级调速又是自动调速，说起来简单实际上也不是那么简单，实现无级调速，例如，对直流电机，用变频就不能调速。

无级调速一般情况下可以用机械和电气两个大类实现。机械式无极调速，可通过液压控制来实现。

我们电气上首先要分对直流电机还是对交流电机调速（伺服电机、步进电机还是另类，先不算），直流电机用直流调速器控制，如西门子的6RA70等，交流电机用变频器控制，如西门子的MM440等。

还有一种方式是对什么电机都有效的，就是电磁调速器，加在电机和负载之间，靠丢转来调速。

还有一种机电类型的。如液压传动无级调速，空气动力无极调速，生物能无级调速，等等很多。

1.2 本文研究内容

本题目主要研究三相电动机的调压，是我们日常家用电器做到节能的目的。 首先，设计主电路图，分析原理，计算出合适器件并进行选择。然后设计出控制电路，做到对主电路进行触发的目的。最后设计出保护电路，画出电路图，并且对整个设计进行总结。

我们可以把电风扇的电动机先拿出来，如下图来分析就明白多了。

第2章 三相电风扇无级调速电路设

计

2.1 三相电风扇无级调速总体设计方案

2.1.1三相三线交流调压电路的工作原理

三相交流调压的电路有各种各样的形式，图1用的是性能最好、用得最多的三相三线Y 型连接的调压电路。下面以图1电阻负载为例说明其工作原理。

图1中由于没有中线，若要负载上流过电流，至少要有两相构成通路，至少有一相正向晶闸管与另一向的反向晶闸管同时导通。为了保证电路工作时能使两个晶闸管同时导通，要求采用大于60°的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路；为保证输出电压三相对称并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须严格地保持一定的相位关系。对图1的调压电路，要求A 、B 、C 三相电路中正向晶闸管T 1、T 3、T 5的触发信号相位互差120°，反向晶闸管T 4、T 6、T 2的触发信号相位也差120°，而同一相中反并联的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位应互差180°，即各晶闸管触发脉冲的序列应按T 1、T 2、„、T 6的次序，相邻两个晶闸管的触发信号相位差为60°。为使负载上能得到全电压，晶闸管应能全导通，因此应选用电源相应波形起始点作为控制角α=0°的时刻，该点作为触发角α的基准点（如图2所示）。当α为其他角度时，会出现有时三相均有晶闸管导通，有时之两个晶闸管导通。对于三

相导通的情况，导通相负载上电压为各项电压。对于两相导通的情况，导通的两

相每相负载上的电压为其线电压的一半，不导通相得负载电压为零。

对图1的电路工作情况分析如下：

（1） 当0°≤α≤60°时，三相导通和两相导通情况交替出现。三相导

通时，每相电阻电压为相电压；两相导通时，导通相电阻电压为导

通两相线电压的一半，不导通相电阻电压为零。

（2） 当60°≤α≤90°时，由于任何瞬时都是两相导通，所以导通相电

阻电压为导通两相线电压的一半；同上一样，不导通相电阻电压为

零。

（3） 当90°≤α≤150°时，会有一区段内三个元件均不导通，这就是

三相不导通的情况。α在这一段区间内，会出现两相导通或者三相

都不导通的情况。两相导通时负载输出电压如前所述。三相都不通

时，则三相负载电压都为零。

（4） α≥150°时，触发脉冲不起作用，晶闸管不导通。所以三相交流调

压电路电阻负载时触发角最大移相角范围为150°。

由以上分析可得出结论：交流调压所得的负载电压和电流波形都不是正弦波，且随着α角增大，负载电压相应变小，负载电流开始出现断续。但负载为电感性时交流调压输出的波形就不仅与α有关，也与负载的阻抗角ψ有关，这时负载电流和电压波形也不再同相了 ，其移相角范围为ψ~150°。由于三相交流调压带阻感性负载的工作情况比较复杂，很难理论上给出定量的分析，所以在本文后面将结合其仿真波形进行分析。

2.1.2交流调压电路谐波和功率因数分析

交流调压电路采用的是相位控制方式，使电路中出现缺角正弦波，因此它不

可避免地包含高次谐波电流并导致电源波形畸变。在电力电子技术中有功功率、无功功率、功率因数的计算和正弦电路中相同。即：有功功率为瞬时功率在一个周期内的平均值。在交流调压电路中，输入电压为正弦电压，而电流为非正弦波，可以分解成一系列傅里叶级数形式，所以功率因数如式（1）所示。

（1） 式（1）中，υ为基波因数，cos ψ1为位移因数，也称为基波功率因数。

电阻负载时三相调压电路输入电路基波的含量与控制角α关系曲线图如图3所示；功率因数与控制角α的关系曲线如图4所示，其中

值的标幺值。可通过分析得出其下结论：

（1） 电阻性负载或纯电感性负载时，谐波电流仅含n=6k±1次谐波成分，谐波的含量随谐波次数的增高而降低；

（2） 随控制角的增大，由于电流有效值的减小，基波和谐波都减小。但基波减小得快，因而有出现谐波成分多于基波成分；

（3） 阻感性负载时，各次谐波的谐波电流含量均比电阻负载时要小，基波因数要高。

为各次谐波电流有效

2.2 具体电路设计

2.2.1 主电路设计

三相交流调压器的6只晶闸管的触发相位自V1至V6依次相隔60°（如图所示），负载为Y 型连接。在改变控制角α时，该调压器有2种不同的工作状态：在同一时刻，每一项有1只晶闸管导通，为第1类工作状态；在同一时刻，有一相有2只晶闸管都不导通而另两项各有1只晶闸管导通，为第2类工作状态。在电阻负载时，α在0°到30°之间为第1类工作状态，在30°为第1类和第2类工作状态相交替，30°至180°之间按第2类工作状态工作，且当α＞90°时，电流断续。在感性负载下，输出电压与电流有相位差，电压过零时，晶闸管经过延滞角后关断。因此考虑控制角α，负载功率因数角φ才能得到个时间段的工作状态。只有α＞φ时，输出电压才随α的增大而减小，起到调压作用，因此，SCR 的触发控制需要满足以上关系。

2.2.2 触发电路设计

KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，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、移相性能好、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。 一、电路工作原理：

该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1，流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY ，只有改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP 。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和 C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。

二、封装形式

该电路采用双列直插C —16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外形尺寸按电子工业部部颁标准。《半导体集成电路外形尺寸》SJll00—76

三、典型接线图及各点波形

同步串联电阻R4的选择按右式计算：R4=同步电压/2～3×103（Ω） 各点波形式如右图所示

四、电参数：

1．电源电压：直流+15V、-15V ，允许波动土5％(±10％时功能正常) 。 2．电源电流：正电流≤15mA，负电流≤10mA 。 3．同步电压：任意值。

4．同步输入端允许最大同步电流：6mA(有效值)

5．移相范围≥1700(同步电压30V ，同步输入电阻15k Ω) 6．锯齿波幅度：≥10V(幅度以锯齿波平顶为准) 。 7．输出脉冲：

(1)宽度：400μS —2mS(通过改变脉宽阻容元件达到) 。 (2)幅度：≥13V。

(3)KJ004最大输出能力100mA(流出脉冲电流) 。 (4)输出管反压：BVCEO≥18V(测试条件Ie≤100μA) 。 8．正负半周脉冲相位不均衡≤±30。

9．使用环境温度为四级：C ：0—70℃ R：-55—85℃ E：-40—85℃ M：-55—125℃。

三相触发电路

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、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。

1、过电压的产生及过电压保护

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内应过电压两类。外应过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：

1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。

2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。

为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5所示。

图5 RC 阻容过电压保护电路图

2、过电流保护

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击 穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

图6 过电流保护电路图

过电流保护电路如图6所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

2.3 元器件型号选择

2.4 系统调试或仿真、数据分析

第3章 课程设计总结

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，虽然每个人的设计任务不同，但是一起工作可以让我们有说有笑，相互帮助，相互配合，多少人间欢乐在这里洒下，大学里两年多的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他同学的无私帮助！

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的

过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我也学到了很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

参考文献

[1] 王兆安主编. 电力电子技术. 第四版. 北京：机械工业出版社,2003

[2] 郝万新主编. 电力电子技术. 化学工业出版社, 2002

[3] 孟志强主编. 电力电子技术. 晶闸管中频感应逆变电源的附加振荡启动方法, 2003.6

[4] 吕宏主编. 电力电子技术. 感应加热电源的PWM-PFM 控制方法, 2003.1

[5] 吴雷主编. 电力电子技术. 基于DSP 大功率中频感应焊机的研究, 2003.4

[6] 李金刚主编. . 电力电子技术. 基于DSP 感应加热电源频率跟踪控制的实现,

2003.4

注意：中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman。参考文献不少于五篇