基于相控整流的风扇调速电路设计.doc

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1、目录一、课程设计的教学目的和任务I二、课程设计的基本要求I直流电动机调压调速可控整流电源设计II主要技术数据II设计内容：II三、课程设计的工作计划III四、各班的题目方向III目录41. 引言52：对风扇电路的设计要求53：电路总体方案的设计及相关原理64:控制电路，驱动电路及检测电路95：保护电路116：课程设计总结13一、课程设计的教学目的和任务电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。因此，提高学生的电力

2、电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的基本要求1. 教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇

3、流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。 通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相380V10% f=50Hz直流输出电压：0220V50220V范围内，直流输出电流额定值100A直流输出电流连续的最小值为10A设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定

4、的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路和控制电路所用元器件的明细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查

5、阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。4. 课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。 5. 课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。 6. 课题设计报告字数要求为6000字左右。（A4纸打印8页左右）三、课程设计的工作计划课程设计时间6天。第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。第1天下午和第2天学生到图书馆和Int

6、el网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。第3天学生的主要任务是确定方案。第4天至第6天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，撰写课程设计报告。四、各班的题目方向5班题目方向：相控整流技术的工程应用6班题目方向：交流调压或调功技术的工程应用 目录1：引言.2：对风扇电路设计的基本要求. 2.1：对风扇运行及其性能的基本要求. 2.2：风扇的风速对应的额定功率的初选. 2.3：控制系统的选择.3：电路总体方案的设计及其相关的原理. 3.1：直流电动机及风扇的工作原理. 3.2：三相整流电路. 3.3：主电路

7、. 3.4：运行分析. 3.5：参数的计算以及晶闸管参数的选择.4：控制电路,驱动电路及检测电路. 4.1：控制电路对主电路的控制原理. 4.2：驱动电路的作用. 4.3：检测电路的作用以及生成的驱动信号的要求. 4.4：三种电路与主电路构成的电气系统.5：保护电路. 5.1：过流保护. 5.2：过载保护. 5.3：dU/dT及dI/dT的保护. 5.4：缺相保护.6：课程设计总结.参考文献. 1. 引言 风扇是我们日常生活中所必不可少的家用电器，家用风扇的功率一般来说是比较低的，风速易调且可靠性高。而运用在工厂生产中的风扇一般来说都是大功率型的风扇，其用来对不停运转的机器散热，此种风扇的要求

8、较高，这里我们根据家用风扇的性能指标来进行电路设计。风扇，根据供电方式的不同，分为交流风扇和直流风扇。直流风扇是将直流电能转化为机械能，它有直流电机，定子，转子，换向器三部分构成。直流电机的调速方式有两种，调压调速和变频调速。 采用有刷电机的普通风扇可以通过调压方式改变转速，而采用变频电机的风扇，只能通过调频方式进行调速。而此次设计是通过相控方式来对输出电压进行调节，即：控制电路通过对触发脉冲的控制来控制主电路中可控器件的导通时刻来控制输出电压大小的方式。这是一种电压调速的方式。故，此次设计是针对的是家用普通风扇且是通过相控方式的电压调速。 2：对风扇电路的设计要求2.1： 对风扇的运行及其性

9、能的要求:（1）：通常我们将风扇转速分为三个等级：1：高转速：指风扇在安全使用条件下的正常最高转速2：中转速：指风扇设定的的中间电压所对应的转速3：低转速：风扇在额定电压下能持续运转的最低转速（2） ：性能指标：1：启动电压：指使风扇在最电压下正常运转的电压，启动电压越小以为着风扇静摩擦系数越小，那么风扇运转就会更顺畅和稳定。2：风扇运转额定电流：指额定电压下风扇运转的电流，在能确保热效能的情况下，电流越小越好，这样耗能少同时也有利于风扇的使用寿命。3：噪音：在满足散热的条件下，噪音越小越好。风扇噪音与摩擦力空气气流有关，还与转速和风扇本身的稳定性有关，噪音是风扇的一个重要指标。4：风扇的风压

10、和风量也是重要的指标，他决定了散热效应。2.2：风扇的风速对应电压的初选 风扇一般分为三个档即前面所说的高转速档，中转速档及低转速档。不同厂家根据自身生产产品不同所选定的档的对应电压（功率）也是不同的.总的来说，根据直流电动机的工作原理，电压越大，风扇转速越大。此次设计根据已厂家提供的风俗与电压的关系来进行设定。具体如下： 低速档：风速 2400RPM 电压 85V 中速挡：风速 3600RPM 电压 124V 高速档：风速 5600RPM 电压 158V 风扇的内阻控制在40欧左右2.3：控制系统的选择： 由于对风扇的调速不是通过智能化调速而是人们根据自身情况而定手动调速，故整个系统来说是一

11、个开环系统。但是对于内部的电气系统来说，我们需要对温度进行检测，当主电路由于散热或使用过久或自身故障时，导致温度过高，此时通过检测电路将信号给控制电路，使得控制电路做出相应的控制，故内部是一个闭环检测系统。总的来说，整个系统是手动开环控制系统，在设备内部由于检测电路的存在是个闭环系统。 3：电路总体方案的设计及相关原理3.1：直流电机及风扇的工作原理： 在这里的直流电机指的是直流电动机，直流电动机是一种将直流电能转化为机械能的装置。他由定子，转子，和换向器构成。定子一般由永久磁铁构成，形成一个稳定的磁场，转子有电枢构成，当电枢中有电流的时候，使得转子在磁场中运动，换向器与两个固定不动由石墨组成

12、的电刷想接触，使得转子能够在磁场中连续不停的转动。在电扇内部有个小型的直流电动机，当直流电动机转动时，它带动支撑轴转动，进一步带动风叶转动。根据安倍定律：F=BIL可知，当给直流电动机的电压发生变化时，即其通过转子（电枢)的电流发生变化，转子所受的安倍力发生变化，转子速度发生变化，相应的，风叶速度发生变化。即实现了通过改变电压的大小来控制风扇转速。3.2:三相可控整流电路家用电器所使用的电压都是引用电网的三相电压，所以我们的整流电路可分为两种，一种是三相半波可控整流电路，一种是三相桥式可控整流电路。3.3：主电路的设计方案：（1）： 由于直流电压的要求是电压波动要尽量的小，所以我们选择三相桥式

13、整流电路。（2）：选择的可控器件是晶闸管，由于晶闸管是整个系统中较昂贵的电子器件，故我们要设计相应的保护晶闸管的保护电路。（3）：由于电动机的转子是线圈，而且实际的电路中不可能遇见纯电阻的负载，故在这里我们应该按电感负载来进行分析，且为了保证L足够大，串联一大电感。 如图所示：图中带大电感和电阻器 还带有一个直流电动机 电阻器的电阻非常小可忽略不计（4）：对晶闸管还应该有保护电路：dU/dT和dI/dT，过电流，过电压,门极保护Du/dt,Di/dt的保护当对晶闸管加上保护电路了后，使得晶闸管运行更加的可靠，不易误触发。且抑制了晶闸管换向过程中产生的过电压过电流对整个电路的影响。3.4：运行分

14、析 晶闸管导通的顺序依次为 VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6，每只晶闸管单导通时，负载端的输出为相电压UV到60以后，此时VT6截止（已经导通了120），VT1和VT2导通。此时负载端的输出为相电压UW。同样当60之后VT1截止(已经导通120了),VT2持续导通，VT3也导通，此时负载端的相电压为VW，照此按晶闸管的导通顺序一次导通。则可输出一个周期内脉动6次的直流电压，由于带有大电感，故总的来说电流较平稳。当要求改变电压是只用改变晶闸管的触发时刻即可。3.5：参数计算及晶闸管参数的选择 .(1).(2).(3)根据风扇挡的要求，当为低速档时，输出电压要求为85V，则参数计算为

15、：触发角a=81当为中速挡时：输出电压为124V则参数的计算为：触发角a=76.1当为高速档时：输出电压为158V则参数的计算为：触发角a=68.34晶闸管的额定电压为： 则 .(4) 内阻为40欧，则额定电流应为： 则.(5)晶闸管还应具有一定的耐过电压过电流的能力 4:控制电路，驱动电路及检测电路4.1：控制电路对主电路的控制原理: 控制电路根据控制的需要产生控制信号，即触发脉冲。由于控制电路产生的控制信号很弱，达不到驱动电子器件的要求（这里指晶闸管），则必须通过适当的放大，即在控制电路与主电路之间要加一个放大信号的启动电路即驱动电路，控制电路要对主电路进行控制必须要满足一定的要求：（1）

16、 ：控制电路要与主电路同步，即控制电路的电压频率要同主电路的电压频率相同（2） ：控制电路产生的控制信号要能够根据需求进行移向。（3） ：控制电路与主电路之间要有电气隔离，防止主电路的高电压，高电流进入控制电路，干扰甚至损坏控制电路的电子器件。4.2：驱动电路的作用以及生成的驱动信号的要求： 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口。采用性能良好的驱动电路，可使电子电子器件工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或者整个电路的保护措施也往往设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现。驱动电路还要提供

17、控制电路与主电路的电气隔离环节。 晶闸管的驱动电路常叫做触发电路，触发电路要满足一下几点： （1） ：触发脉冲应具有足够的触发功率，保证晶闸管能可靠的触发（2） ：触发脉冲还应具有足够的触发宽度，保证晶闸管能在要求的时间内导通（3） ：所提供的触发脉冲功率也不能超过晶闸管的门极电压电流额定功率。（4） ：应有良好的抗干扰能力，温度稳定性及于主电路的电气隔离（5） ：触发脉冲的前沿幅度应有一定的陡度，使晶闸管能快速的导通 同步信号为锯齿波的触发电路4.3：检测电路的作用： 当我们的温度过高，可能会导致晶闸管的损坏，甚至会引起火灾，故很必要的要在主电路与控制电路之间加一个检测电路。当检测到温度过高

18、时，可以通过控制电路停止触发脉冲来停止主电路。这样就避免了温度过高引起的一系列问题 4.4:三种电路与主电路构成的电气系统 5：保护电路考虑到异步电动机在短路、过载及缺相时, 将造成不必要的损失, 本方案设计了过流、过载及缺相保护电路。5.1：过流保护：总的来说，过电流产生大致可非为两类，一类是过载引起的，一类是短路。保护方式也很多，总的来说有 过电流继电器，快速熔断器，快速断路器，电子电路保护，其中电子电路保护最为重要和快速如图4.1-1所示, 过流保护电路由电压跟随器L 3:A、电压比较器L 3:B、电磁继电器JL 1等组成。通过电流互感器检测到的信号经整流、滤波后, 接入E端, 经电压跟

19、随器再接入电压比较器。根据对电流的限制情况, 调节电位器P10。要求在正常运行时,电压比较器输出端电位为低电平, 三极管N 1截止不工作。当发生严重短路时, 三极管N 1饱和导通,电磁继电器JL 1工作, 切断控制电路, 使电机端电压为零。本系统调节电位P10, 使得当电流超过额定电流3倍时, 继电器JL 1工作。 5.1过流保护电路5.2：过压保护： 电压过高会对电子器件造成损害，可能导致晶闸管的误触发，甚至可能导致火灾。过电压的保护方式有很多，实际的保护电路很复杂，总的来说过电压的保护大致可分为两类。（1）：利用非线性原件来保护，如压敏电阻（2）: 利用储能原件保护 RCD过电压吸收电路

20、压敏电阻的伏安特性 压敏电阻过电压保护的接法5.3：dU/dT及dI/dT保护： 当主电路电压变化过快时，可能会使晶闸管误导通，这样会使得整个电路触发混乱，此种情况下，我们就要主电路快速变化的电压，最常用的方法是RCD吸收电路；当主电路的电流变化过快时，则会导致晶闸管过热而损坏，此时主要采用特定的平波电抗器来抑制电流的变化。 5.4：缺相保护： 缺相保护电路以能避开起动电流为原则。将三相传感器取来的信号输入三相整流电路, 若出现缺相, 则整流出的波形具有零点瞬时值, 通过N E555可在此零点产生脉冲。而正常运行时整流产生的波形电压较高, 不产生脉冲。因此, 再接入计数器, 当脉冲达到指定个数

21、时, 继电器动作, 切断电源。 6：课程设计总结 本次课程设计为期一周，但由于考试的缘故，使课程设计的时间显得特别紧，最开始，当任务书下达时，自己什么也不懂，但经过设计过程不断的摸索，思考，上网查资料和同学的帮助终于完成了此次课程设计，培养了自己独立思考和设计的能力。 首先是设计主题的确定，利用网络检索需要的文献资料，并在图书馆查找所需的电力电子技术参考资料。这能锻炼人的文献检索及信息处理能力，需要在阅读大量的资料后确定研究的范围，再从资料中筛选所需的主题资料，逐步缩小选题范围，从而确定设计题目。之所以选直流电扇调速，主要是电扇是我们日常生活中常常接触到的家用电器，想通过自己学得的电力电子知识

22、从内部电路方面更加全面的了解，并以课程设计为契机，了解风扇调速的原理，内部电动机的工作原理，以及一般的保护电路。在本次课程设计中在很多方面还存在很多问题，但我相信通过本次的课程设计，自己的知识面得以拓展，提高了自己的动手实践操作能力。其次是设计工具的选择。该报告选用微软的2012年版Word编写文字，选用配套Visio的画电路图及相关图形。还运用公式编辑软件对设计电路的公式进行了编辑。没有仿真，因为时间确实很不够，而且自己还是不太会用，虽然努力的试着去弄了，还是很不会 前期工作是很认真的，图书馆检索，但是由于自己能力有限，检索的东西完全用不上(太先进了），最后就只有找了很多相应的教科书，按了老

23、师的PPT大致的把思路给理清楚了。所以自己都觉得漏洞很大 最后是设计报告的文档编写，保证报告格式符合规范化要求 总之，在本次课程设计中的最大收获是：对电风扇调速的原理来了个深入了解，并且把电机拖动也给看了。对制晶闸管的导通角来控制电压实现调速有一定的了解，对设计电力电子电路的基本方法有一定的了解，设计中大量运用visio画基本的电力电子图，还有公式编辑软件。基本掌握了画的技巧，掌握了设计报告编写的基本方法。 参考文献【1】：新宇杰.扇热风扇的分类以及原理和性能.百度文库【2】：谢昭莉,孙跃.自动控制原理.上.机械工业出版社.【3】：顾绳谷电机拖动基础（第四版）北京：机械工业出版社【4】：张淼，冯垛生.现代电力电子技术与运用.中国电力出版社【5】：王兆安，黄俊电力电子技术（第四版）北京：机械工业出版社