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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。
调速旋钮

触发电路

保护电路

调速电位器

主电路

（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。
平板式

螺栓式

小电流塑封式

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。

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。

（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

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，θ<180°，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。
（3）＜
此种情况若开始给VT1管以触发脉冲，VT1管导通，而且θ>180°。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
调功器输出电压有效值
Pn、Un为在设定周期Tc内晶闸管全导通时调功器输出的功率与电压有效值。显然，改变导通的周波数n就可改变输出电压或功率。

图3－14 全周波过零触发输出电压波形
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，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。图3－15为全周波连续式的过零触发电路。电路由锯齿波发生、信号综合、直流开关、同步电压与过零脉冲输出五个环节组成。

图3－15 过零触发电路
1）锯齿波是由单结晶体管V6和R1、R2、R3、RP1和C1组成张驰振荡器产生的，经射极跟随器（V1、R4）输出。其波形如图3－16（a）所示。锯齿波的底宽对应着一定的时间间隔（Tc）。调节电位器RP1即可改变锯齿波的斜率。由于单结晶体管的分压比一定，故电容C1放电电压为一定，斜率的减小，就意味着锯齿波底宽增大（Tc增大），反之，底宽减小。
2）控制电压（Uc）与锯齿波电压进行叠加后送至V2基极，合成电压为us。当us>0(0.7V)，则V2导通；us<0，则V2截止，如图3－16（b）所示。
3）由V2、V3及R8、R9、VD6组成一直流开关。当V2基极电压Ube2>0(0.7V)时，V2管导通，Ube3接近零电位，V3管截止，直流开关阻断。
当Ube2<0时，V2截止，由R8、VD6和R9组成的分压电路使V3导通，直流开关导通，输出24V直流电压，V3通断时刻如图3－16（c） 所示。VD6为V3基极提供一阀值电压，使V2导通时，V3更可靠地截止。
4）过零脉冲输出。由同步变压器TS，整流桥VD1~VD4及R10、R11、VD5组成一削波同步电源，如图2－16（d） 所示。它与直流开关输出电压共同去控制V4和V5，只有当直流开关导通期间，V4和V5集电极和发射极之间才有工作电压，才能进行工作。在这期间，同步电压每次过零时，V4截止，其集电极输出一正电压，使V5由截止转为导通，经脉冲变压器输出触发脉冲。此脉冲使晶闸管导通，如图2－16（e）所示。于是在直流开关导通期间，便输出连续的正弦波，如图2－16（f）所示。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。
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，使照明出现人眼能觉察倒的闪烁，电表指针的摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。

图3－16 过零触发电路的电压波形
3．固态开关
固态开关也称为固态继电器或固态接触器，它是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。

图3－17 固态开关
图3－17(a)为采用光电三极管耦合器的“0”压固态开关内部电路。1、2为输入端，相当于继电器或接触器的线圈；3、4为输出端，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。
输入端接上控制电压，使发光二极管VD2发光，光敏管V1阻值减小，使原来导通的晶体管V2截止，原来阻断的晶闸管VT1通过R4被触发导通。输出端交流电源通过负载、二极管VD1～VD6、VT1以及R6构成通路，在电阻R5上产生电压降作为双向晶闸管VT2的触发信号，使VT2导通，负载得电。由于VT2的导通区域处于电源电压的“0”点附近，因而具有“0”电压开关功能。
图3－17(b)为光电晶闸管耦合器“0”电压开关。由输入端1、2输入信号，光电晶闸管耦合器B中的光控晶闸管导通；电流经3一VD4一B—VD1一R4一4构成回路；借助R4上的电压降向双向晶闸管VT的控制极提供分流，使VT导通。由R3、R2与V1组成“0”电压开关功能电路。即当电源电压过“0”并升至一定幅值时,V1导通，光控晶闸管则被关断。
图3－17(c)为光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关。由输入端1、2输入信号时，光电双向晶闸管耦合器B导通；电流经3一R2一B一R3一4形成回路，R3提供双向晶闸管VT的触发信号。这种电路相对于输入信号的任意相位，交流电源均可同步接通，因而称为非“0”电压开关。
二、三相交流调压
单相交流调压适用于单相容量小的负载，当交流功率调节容量较大时通常采用三相交流调压电路，如三相电热路、电解与电镀等设备。三相交流调压的电路有多种形式，负载可连接成△或Y形。三相交流调压电路接线方式及性能特点如表3－2所示。
表3－2 三相交流调压电路接线方式及性能特点

思考题与习题：
3－1 双向晶闸管额定电流的定义和普通晶闸管额定电流的定义有何不同？额定电流为100A的两只普通晶闸管反并联可以用额定电流为多少的双向晶闸管代替？
3－2 双向晶闸管有哪几种触发方式？一般选用哪几种？
3－3 说明图3－23所示的电路，指出双向晶闸管的触发方式。

图3－23 习题3－3图
3－4 在交流调压电路中，采用相位控制和通断控制各有何优缺点？为什么通断控制适用于大惯性负载？
3－5 单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，问控制角α的有效移相范围有多大？
3－6 单相交流调压主电路中，对于电阻－电感负载，为什么晶闸管的触发脉冲要用宽脉冲或脉冲列？
3－7 一台220V/10kW的电炉，采用单相交流调压电路，现使其工作在功率为5kW的电路中，试求电路的控制角α、工作电流以及电源侧功率因数。
3－8 图3－24单相交流调压电路，U2＝220V，L=5.516mH，R＝1Ω，试求：
1） 1）  控制角α的移相范围。
2） 2）  负载电流最大有效值。
3） 3）  最大输出功率和功率因数。

图3－24 习题3－8图
3－9 采用双向晶闸管组成的单相调功电路采用过零触发，U2＝220V，负载电阻R＝1Ω，在控制的设定周期Tc内，使晶闸管导通0.3s，断开0.2s。试计算：
1） 1）  输出电压的有效值。
2） 2）  负载上所得得平均功率与假定晶闸管一直导通时输出得功率。
3） 3）  选择双向晶闸管得型号。