《单相交流电机调速器设计》-项目一单相交流电机调速器设计

1项目1单相交流电动机调速器项目1单相交流电动机调速器简易单相交流电动机调速开关在我们的日常生活中经常可以看到，它外形如图所示。当我们的电扇、台灯、手钻等需要调速时，都离不开电子调速开关。之前我们学的用电位器调速是有极调速，受档位限制。我们今天做的这个产品是无级调速，现在它已广泛的应用在我们日常生活中。

项目描述单相交流电动机调速器电路原理图项目1单相交流电动机调速器

项目分析学习任务目录单相交流电动机调速器的认识1认识功率二极管23认识晶闸管3单相半波整流电路分析4单相交流电动机调速器装配55认识功率二极管TASK1学习目标6懂得双向晶闸管的工作原理懂得功率二极管的结构和工作原理；认识功率二极管外形和符号。知识目标培养学生互助合作的团队精神；培养学生分析和解决问题的能力。

素养目标会用数字万用表检测功率二极管的引脚及好坏；会认识功率二极管。技能目标功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如下图所示。功率二极管：又称电力二极管，也称为半导体整流器（PD）。任务1认识功率二极管一、功率二极管的结构8任务1认识功率二极管一般200A以下的功率二极管采用螺栓式，200A以上则采用平板式。二、工作原理由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。三、功率二极管的伏安特性任务1认识功率二极管四、功率二极管的主要参数（1）正向平均电流（额定电流）是指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。（2）正向压降（管压降）是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。（3）反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压。通常是反向击穿电压的2/3。计算时按二极管可能承受的最高反向峰值电压的2~3倍来选取二极管的定额。任务1认识功率二极管五、主要类型其主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。多用于开关频率小于1kHz的整流电路中；反向恢复时间较长，一般在5ms以上；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，数千安和数千伏以上；多用在电镀、充电等整流电路中。任务1认识功率二极管12快恢复二极管的特点：工艺上多采用掺金措施、PN结型结构、外延型PIN结构；反向恢复时间短，一般在5ms以下；超快速恢复在100ns以下，甚至达到20~30ns；正向压降很低0.9V，反向耐压在400V以下；多用在逆变、斩波电路中。任务1认识功率二极管13肖特基二极管的特点：工艺上多采用掺金措施、PN结型结构、外延型PIN结构；反向恢复时间很短，一般在10ns~40ns；正向压降很低0.9V，反向耐压在400V以下；多用在逆变、斩波电路中。功率二极管的使用：保证规定的冷却条件；平板型元件的散热器一般不应自行拆装；严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。任务1认识功率二极管14认识晶闸管TASK2学习目标15懂得双向晶闸管的工作原理懂得晶闸管的结构和工作原理；会分析晶闸管的触发原理；学会晶闸管导通和关断的条件。知识目标培养学生互助合作的团队精神；培养学生分析和解决问题的能力。

素养目标会用数字万用表检测晶闸管的引脚及好坏；会识别各种类型的晶闸管。技能目标16单相交流电动机调速器电路原理图晶闸管是一种既具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。由于它具有体积小，重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，因而在生产实际中获得了广泛的应用。任务导入任务2认识晶闸管晶闸管：硅晶体闸流管，也称可控硅整流器（Silicon

ControlledRectifier）简称SCR，已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压和直流交换等领域。现在使用的多是单向晶闸管，即普通晶闸管。任务学习任务2认识晶闸管任务2认识晶闸管外形有塑封式、螺栓型和平板型的封装。按封装形式分类：塑封式可控硅1、晶闸管的外形实际上，晶闸管的封装形式很多，这是两种比较传统的封装。任务2认识晶闸管一、结构螺栓式可控硅任务2认识晶闸管晶闸管模块平板式可控硅任务2认识晶闸管任务2认识晶闸管任务2认识晶闸管额定电流小于200A的晶闸管采用螺栓式，大于200A的采用平板式。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，粗辫子线是它的阴极，细辫子线是它的门极。安装、更换管子方便，但仅靠阳极散热器散热效果差。平板型晶闸管，中间引出的细辫子是门极，两端平面一个是阳极，一个是阴极。距离门极近的台面是阴极，距离门极远的台面是阳极。由两个彼此绝缘的相同形状散热器把管子的阳极与阴极紧紧夹住。平板型由于阳极、阴极均装有散热器，散热效果好，但安装、更换管子困难。螺旋型平板型自冷式风冷式水冷式按冷却方式分类：油冷式2、晶闸管的散热片按工作原理分类：整流、逆变、直流开关和交流开关。任务2认识晶闸管253、晶闸管的结构P1N1N2N2P2AKG

管芯是由半导体材料做成的，是PNPN四层半导体结构。

由管芯引出三个电极，称阳极A、阴极K和门极G。具有J1、J2、J3三个PN结。可用三个二极管或两个三极管等效。任务2认识晶闸管4、晶闸管的等效电路AGKJ1J2J3AGKAP1N1P2N2GKJ1J2J3二极管等效电路三极管等效电路任务2认识晶闸管可以用二极管或三极管代替晶闸管吗?为什么?加上门极电压UG时，VT2正偏导通，UG产生的控制极电流IG就是VT2的基极电流Ib2，VT2的集电极电流IC2=βIb2，它又是三极管VT1的基极电流，VT1的集电极电流IC1=βIb1。电流又流入VT2的基极，再一次放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个三极管很快达到饱和导通，晶闸管导通。晶闸管可控的触发原理任务2认识晶闸管28从我们刚才分析的正反馈作用，我们可以看到，一开始在门极作用一个哪怕很小的门极电流。首先作用在基极上，它就可以引发这样一个正反馈，就是循环的电流放大。这种电流放大经过若干个循环放大作用之后，Ic1越来越大，比最初的IG大的多，所以在这种情况下，正反馈使电流越来越大，V1、V2很快饱和导通，在这个电流建立起来，两个VT导通后，一开始加的IG可以撤除，门极可完全断开，这两个VT照样可饱和导通。

晶闸管导通后，导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。

控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。触发：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。任务2认识晶闸管5、晶闸管的表示符号KAGGKA任务2认识晶闸管30二、晶闸管的工作原理任务2认识晶闸管31实验顺序实验前灯的情况实验时晶闸管条件实验后灯的情况结论阳极电压Ua门极电压Ug导通实验1暗反向零暗晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它都处于关断状态2暗反向反向暗3暗反向正向暗1暗正向零暗晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下，才能导通2暗正向反向暗3暗正向正向亮关断实验1亮正向正向亮已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制作用2亮正向零亮3亮正向反向亮4亮正向（逐渐减小到接近于零）任意暗晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，晶闸管关断32晶闸管的导通和关断条件任务2认识晶闸管导通条件：加适当的正向阳极电压；加适当的正向门极电压。关断条件：晶闸管的阳极电流小于维持电流IH。关断方法：减小阳极电流或切断正向电压或加反向电压。导通关断33晶闸管的特点任务2认识晶闸管1晶闸管具有可控性4导通后流过晶闸管的电流由外加电源电压和主回路的阻抗来决定3晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用2晶闸管具有单向导电性34三、晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM>晶闸管的伏安特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通为硬开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1.5V左右。1、正向特性正向阻断：晶闸管加正向电压未超过其额定电压，门极加反向电压或者不加电压的情况下，晶闸管不导通。任务2认识晶闸管硬开通：给晶闸管加足够的正向阳极电压，即使晶闸管未加门极电压也会导通的现象叫硬开通。352、反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。反向阻断：当晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管不会导通。任务2认识晶闸管36四、晶闸管的主要参数1、电压定额断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。国标规定UDRM为断态不重复峰值电压UDSM的90%，断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo，所留裕量大小由生产厂家自行规定。反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压URSM的90%。低于反向击穿电压，裕量大小由厂家自行规定。任务2认识晶闸管37额定电压UTn

将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定电压。

【例1】：若测得并计算出来的晶闸管的UDRM为835V，URRM为976V，则额定电压为多少？任务2认识晶闸管38通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级，1000V到3000V，每200V为一级，用百位数或千位和百位数表示级数。

选择晶闸管的额定电压是实际工作时可能承受的最大电压的2~3倍，即：任务2认识晶闸管39通态（峰值）电压UTM

—晶闸管通某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通态平均电压（管压降）UT(AV)—在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称通态平均电压（一般称管压降）。一般来说这个电压都是按照1V左右来考虑的。任务2认识晶闸管402、电流定额（1）通态平均电流IT(AV）

在环境温度为40

C和规定的冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当不超过额定结温且稳定时，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为晶闸管的额定电流。任务2认识晶闸管41选择晶闸管额定电流有效值的原则是：所选晶闸管的额定电流有效值ITn大于等于元件在电路中可能流过的最大电流有效值ITM的1.5~2倍，即再取相应额定电流的标准系列值。任务2认识晶闸管42【例】

一只晶闸管接在220V交流电路中，通过晶闸管电流的有效值为50A，问如何选择晶闸管的额定电压和额定电流？任务2认识晶闸管43（2）维持电流IH

是指在室温下门极断开时，晶闸管元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通所必需的最小阳极电流。（指在关断SCR时维持其导通所必需的最小阳极电流。）关断过程中IA小于某个临界点（IH），SCR就进入关断状态。这个参数是针对它的关断来说的。

一般为几十到几百毫安。注意：不同型号、不同大小的管子，它的IH是不一样的。这个电流的大小和温度有关系，那么一般来说结温升高后，IH就变小了。

任务2认识晶闸管44（3）擎住电流IL

是指晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转入通态就去掉触发信号，此时要维持元件导通所需要的最小阳极电流。这个电流是针对开通过程来说的。在门极上加一门极触发电流，在这个电流的作用下，正反馈形成，那么IA流过的电流循环放大，越来越大。当阳极电流增大，大到一定程度时，门极电流就可撤除，SCR正反馈导通状态就可以维持住了。对同一晶闸管来说，通常IL比IH大，约为2~4倍。注意：IL是针对SCR的开通过程来说的，IH是针对SCR的关断过程来说的。任务2认识晶闸管45（4）浪涌电流ITSMSCR具有电流耐冲击的能力，短时间允许的电流要远远大于它的额定电流，可以非常大，短时间的冲击作用，这就是浪涌电流。当然，我们说对SCR虽然这种冲击电流时间短，也不能无限次的冲击它，一般来说，也只能限于几次，冲击能力弱，限的次数多些。任务2认识晶闸管46KP通态平均电压级别正反向重复峰值电压等级（额定电压）额定通态电流值(额定电流)普通反向阻断型闸流特性五、晶闸管的型号K—快速型，S—双向型，N—逆导型，G—可关断型任务2认识晶闸管47六、晶闸管的简单测试方法方法一：用红表笔接触作一电极，黑表笔分别接触其余两个电极，如果接触一个极时显示0.2-0.8V，接触另一电极时显示溢出，则红表笔所接的为G，显示溢出时黑表笔所接的为A，另一电极为K。若测得不是上述结果，需将红表笔改换电极重复以上步骤，直至得到正确结果。

方法二：测任两脚之间的正、反向电阻，若正、反向电阻均接近无穷大，则两极即为阳极和阴极，而另一引脚为门极。

方法三：根据其封装形式来判断各电极。任务2认识晶闸管48任务实施一、准备器材插线直流稳压电源面包板数字万用表任务2认识晶闸管49晶闸管MCR100-6发光二极管蓝白滑变电阻碳膜电阻任务2认识晶闸管50任务2认识晶闸管元器件清单表序号器件名称规格型号标称值数量1晶闸管MCR100-62发光二极管Ø53蓝白滑变电阻1024电阻505直流电源12V、5V51晶闸管导通与关断实验电路任务2认识晶闸管52做完实验，填写任务工单任务2认识晶闸管53总结评价任务考核评价表成果展示小组互评任务2认识晶闸管54单相半波整流电路TASK3学习目标55懂得双向晶闸管的工作原理知道单相半波整流电路的结构；会分析单相半波整流电路。知识目标培养学生互助合作的团队精神；培养学生分析和解决问题的能力。

素养目标会用数字示波器观察单相半波整流电路的输出电压；会安装和调试单相半波整流电路。技能目标56整流电路是出现最早的电力电子电路，它能将交流电变为直流电。可控整流——将交流电变为可变的直流电，称为～。整流电路按组成的器件可分为不可控整流电路半控整流电路全控整流电路二极管二极管、可控硅可控硅任务3单相半波整流电路57桥式电路零式电路单相电路多相电路单拍电路双拍电路整流电路按电路结构可分为整流电路按交流输入相数分为整流电路按变压器二次侧电流的方向可分为最基本的是单相半波可控整流电路。最常用的是单相桥式全控整流电路。注意任务3单相半波整流电路58wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路及波形1、电路结构电炉、电焊及白炽灯等均属于电阻性负载。组成：由晶闸管VT、负载电阻R和整流变压器T。变压器T起变换电压和电气隔离的作用。特点：电压与电流成正比，两者波形相同，负载电压和电流均允许突变。一、电阻性负载任务3单相半波整流电路592、工作原理任务3单相半波整流电路60二、电感性负载1、电路结构组成：由晶闸管KP、负载电阻Rd和整流变压器T、平波电抗器L。变压器T起变换电压和电气隔离的作用。特点：电感对电流变化有抗拒作用，流过电感的电流不能突变。电机的励磁线圈、电动机电磁离合器的励磁线圈以及输出串接平波电抗器属于电感负载。wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++带阻感负载的单相半波电路及其波形a)u1TVTRLu2uVTudid任务3单相半波整流电路612、工作原理任务3单相半波整流电路62三、带续流二极管的电感性负载1、电路结构组成：由晶闸管KP、负载电阻Rd和整流变压器T、平波电抗器和续流二极管VD。单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形任务3单相半波整流电路632、工作原理任务3单相半波整流电路643、波形分析

负载上得到的直流输出电压ud的波形与电阻性负载相同。负载电流id的波形不仅连续而且基本上波动很小。电感愈大，电流波形就愈接近于一条水平线。KP、VD电流波形为矩形波。

晶闸管承受的最大正反向电压仍为

续流二极管承受的最大反向电压为

晶闸管的最大移相范围仍是0º~180º。任务3单相半波整流电路65（1）输出直流电压平均值（2）输出直流电流平均值（3）晶闸管的电流平均值和有效值4、参数计算任务3单相半波整流电路66（4）二极管的电流平均值和有效值任务3单相半波整流电路67（1）简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。（2）实际上很少应用此种电路。（3）分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。单相半波可控整流电路的特点：任务3单相半波整流电路68任务实施数字万用表电力电子实验台数字示波器任务3单相半波整流电路插线69任务3单相半波整流电路70总结评价任务考核评价表任务3单相半波整流电路71单相交流电动机调速器装配Projct172简易单相交流电动机调速开关在我们的日常生活中经常可以看到，它外形如图所示。当我们的电扇、台灯、手钻等需要调速时，都离不开电子调速开关。之前我们学的用电位器调速是有极调速，受档位限制。我们今天做的这个产品是无级调速，现在它已广泛的应用在我们日常生活中。

项目描述项目1单相交流电动机调速器单相交流电动机调速器电路原理图项目1单相交流电动机调速器

项目分析74制订计划制定工作步骤、工艺流程、教师指导：班组长组织小组讨论，交流对工作任务的认识及相关知识的分析，分解工作任务，初步制订项目实施计划，填好项目筹划单。小组讨论、制定计划项目1单相交流电动机调速器753分组按方案装配直流调速器产品检测与调试4元器件的检测与筛选2

项目实施1发放所需的器材和元件明细表项目1单相交流电动机调速器76工具：电烙铁、尖嘴钳、斜口钳等；仪表：直流稳压电源、万用表、示波器等；器材：PCB板、焊锡、松香、导线若干等；电器元件：见元件明细表。1发放所需的器材和元件明细表

项目实施项目1单相交流电动机调速器77元件清单表

项目实施项目1单相交流电动机调速器78元器件的检测与筛选2

项目实施(1)元器件的选择

电阻的选择除注意阻值、功率外，还考虑安装方便，采用1/4w的色环电阻和贴片电阻。电容的选择注意容量与耐压值，耐压值的确定应大于电容承受最大电压的1.4倍。项目1单相交流电动机调速器79旋转式微调式直滑式推拉式开关

项目实施项目1单相交流电动机调速器80(2)外观质量检查

应完整无损，各种型号、规格、标志应清晰、牢固，标志符号不能模糊不清或脱落。管脚无折断、短路等现象。

项目实施(3)元器件的测试项目1单相交流电动机调速器81

正确地装配给出的器件。要求：电路板上插件位置正确，元器件极性正确，元器件、导线安装及字标方向均应符合工艺要求；接插件、紧固件安装可靠牢固，电路板安装对位；无烫伤和划伤处，整机清洁无污物。3分组按方案装配直流调速器

项目实施项目1单相交流电动机调速器82PCB图

项目实施项目1单相交流电动机调速器83产品检测与调试4

电路通电前应仔细检查所有元件焊接是否正确。如：是否出现虚焊、连焊、极性焊反和元件错焊等常见焊接问题。检查无误后用万用表测量电源输入端是否有短路，若是一切正常方可根据下面的步骤进行调试。

项目实施项目1单相交流电动机调速器84电路故障分析及排除方法

项目实施

直观检测法就是通过人的眼、手、耳、鼻等来发现电子产品的故障所在。这是最简单的一种检测方法，也是对故障机的一种初步检测，不需要任何仪器仪表。直观检测法有观察法和触模法两种。一、直观检测法项目1单相交流电动机调速器（1）静态观察法：它又称为不通电观察法。在电子线路通电前主要通过目视检查找出某些故障。实践证明，占电子线路故障相当比例的焊点失效，导线接头断开，电容器漏液或炸裂，接插件松脱，电接点生锈等故障，完全可以通过观察发现。

项目实施1、观察法项目1单相交流电动机调速器（2）动态观察法：它也称通电观察法，即给线路通电后，运用人体视、嗅、听、触觉检查线路故障。通电后，眼要看电路内有无打火、冒烟等现象；耳要听电路内有无异常声音；鼻要闻电器内有无烧焦、烧糊的异味；手要触摸一些管子，集成电路等是否发烫，发现异常立即断电。

项目实施项目1单相交流电动机调速器触摸法，就是用手触摸电子元器件是否有发烫、松动等现象。采用触摸法时要注意安全，用手触摸电子元器件前，先对整机电路进行漏电检查，只有在确定整机外壳不带电的情况下才能采用此种方法。

项目实施2、触摸法项目1单相交流电动机调速器

（1）电阻法：利用万用表测量电子元器件或电路各点之间电阻值来判断故障的方法称为电阻法。“在线”和“离线”两种基本方式。用电阻法测量集成电路，通常先将一个表笔接地，用另一个表笔测各引脚对地电阻值，然后交换表笔再测一次，将测量值与正常值(有些维修资料给出，或自己积累)进行比较，相差较大者往往是故障所在。

项目实施二、测量法项目1单相交流电动机调速器

采用电阻法测量时要注意：

(1)使用电阻法时应在线路断电、大电容放电的情况下进行，否则结果不准确，还可能损坏万用表。(2)在检测低电压供电的集成电路(≤5V)时避免用指针式万用表的10k挡。(3)在线测量时应将万用表表笔交替测试，对比分析。

项目实施项目1单相交流电动机调速器

☆直流电压测量：首先测量稳压电路输出端是否正常。然后测量各单元电路及电路的关键“点”。（2）电压法

☆电路主要元器件如晶体管、集成电路各管脚电压是否正常，对集成电路首先要测电源端。比较完善的产品说明书中应该给出电路各点正常工作电压。另外也可对比正常工作时同种电路测得的各点电压。偏离正常电压较多的部位或元器件，往往就是故障所在部位。

项目实施项目1单相交流电动机调速器2)交流电压测量：一般电子线路中交流回路较为简单，对50Hz/60Hz市电升压或降压后的电压只须使用普通万用表选择合适AC量程即可，测高压时要注意安全并养成用单手操作的习惯。

项目实施项目1单相交流电动机调速器（3）电流法

电流法有直接测量和间接测量两种方法。直接测量就是将电流表直接串接在欲检测的回路测得电流值的方法。对于整机总电流的测量，一般可通过将电流表的两个表笔接到开关上的方式测得。

间接测量法实际上是用测电压的方法换算成电流值。这种方法快捷方便，但如果所选测量点的元器件有故障则不容易准确判断。