電動機(jī)、變壓器的控制原理

電動機(jī)、變壓器的控制原理

曾經(jīng)說過：電動機(jī)、變壓器等非線性負(fù)載的工作需要一個完整的正弦波電壓。否則會出現(xiàn)電動機(jī)或變壓器發(fā)熱或嗡嗡響的情況。

許多讀者就此問題發(fā)來email，詢問更多有關(guān)這方面的知識。接下來，我就此問題為大家做一個分析。
在智能家居控制中有一個非常有趣的而且是非常容易被混淆的問題是"速度"控制。而且我也發(fā)現(xiàn)我們很容易把"調(diào)光"與"速度"控制聯(lián)系在一起。那么就讓我們從調(diào)光與速度控制的區(qū)別開始談起吧！
我們都知道，白熾燈是電阻性負(fù)載（雖然它也含有很小的電感性，但與它的電阻性相比，電感性顯得微不足道，因此我們把它看為純電阻性負(fù)載）。就此而言，電學(xué)知識告訴我們，純電阻性負(fù)載是不含有電感性和電容性的負(fù)載。那我們就把白熾燈比作一個大電阻。許多X10調(diào)光開關(guān)的設(shè)計就是把白熾燈作為一個既沒有電感性又沒有電容性的負(fù)載來看的?？梢则?qū)動純電阻負(fù)載的器件是可控硅，但是可控硅并不能改變正弦波的幅度。

我們可以用一個很大的可變電阻或可調(diào)壓變壓器來改變一個完整的正弦波的幅度（如圖一所示）。可變電阻式調(diào)光法曾經(jīng)被用于舞臺調(diào)光，但那已經(jīng)是二十世紀(jì)上半世紀(jì)的事了。用那種方法調(diào)光，不但工作效率低而且花費昂貴。如今，我們有固態(tài)器件可控硅。它控制燈的亮度不是改變正弦波的幅度，而是非常快的"打開-關(guān)閉輸出給燈的正弦波。舉個例子吧，如果你有一個開和關(guān)的速度都足夠快的開關(guān)，在正弦波的每個半波里，你開關(guān)一次，就可以使正弦波的一部分流過電燈。作為替代可變電阻的可控硅，它是通過改變切割正弦波的位置來改變輸出給負(fù)載的功率的。

如圖二所示，圖中的兩個周期的正弦波，就是X10調(diào)光開關(guān)的輸出波形。你一定會注意到每個半波的前面一小部分都被切去了。其實，當(dāng)把X10調(diào)光開關(guān)開到"最亮"時，燈的亮度并不是100%，而是96% 。如果你很細(xì)心，那么你就會發(fā)現(xiàn)當(dāng)你裝上X10調(diào)光開關(guān)后，燈的最大亮度比原來暗了一點點。那4%的正弦波去那里了呢？這也是機(jī)械式開關(guān)所無法做到的。下面我就談?wù)勥@4%正弦波的去向問題。

通常情況下，特別是一些老房子，一般墻上開關(guān)盒里只有兩根線，但那并不是零線和火線。零線一般會直接布到燈上，再從燈上引一根線到墻上開關(guān)盒。火線一般會直接布到墻上開關(guān)盒，這樣開關(guān)盒里的兩根線就是火線和來自于燈的一根線。為了適應(yīng)這種場合，許多型號的X10調(diào)光開關(guān)都被設(shè)計為兩線式，并且通過燈絲來為它提供能量（如圖三所示）。

既然白熾燈屬于"線性"負(fù)載，那么它就會為X10調(diào)光開關(guān)提供一個很好的工作電流。當(dāng)白熾燈不亮?xí)r，從燈絲可以流過足夠的電流來維持X10調(diào)光開關(guān)的正常操作。當(dāng)燈"全亮"時，X10調(diào)光開關(guān)會為自己保留4%的電能。如果給燈100%的電能，X10調(diào)光開關(guān)就會因為失去電能而失效。這就是圖二中那4%被切去的正弦波的去向。同時這也是兩線式X10調(diào)光開關(guān)為什么要有最小負(fù)載功率限制的原因。如果電燈功率為400W或500W那么它會為X10調(diào)光開關(guān)提供足夠多的電能。當(dāng)然，用40W或60W的電燈也一樣會為它提供足夠的電流?？墒侨绻霉β屎苄〉碾姛簦?W或10W），X10調(diào)光開關(guān)就會因為維持電流過小而走向"死亡"！

這4%還有另外一個非常有用的地方。X10電力載波信號正是在這片非常干凈的區(qū)域里傳播（如圖四所示）。在圖四中每個周期內(nèi)都會有兩個非常陡峭的邊沿，這個邊沿也正是"開關(guān)（可控硅）"打開的時候，負(fù)載從沒電到突然有電的速度是非?？斓?。這個非常陡峭的邊沿會產(chǎn)生許多電器"噪音"。因此，X10產(chǎn)品設(shè)計工程是會在設(shè)計X10調(diào)光開關(guān)時，留出開始的那一小端正弦波給X10載波信號提供干凈的空間。

對于三線式X10調(diào)光開關(guān)（有零線輸入）來說，理論上講不需要為它保留那4%的能量（見圖五）。因為有零線和火線同時為它供電，維持它的工作電流就不再需要通過燈絲了。盡管如此，X10工程師還是為X10信號的傳播留出了1.1mS干凈的空間。

電感性負(fù)載的代表是電動機(jī)和變壓器，用X10調(diào)光開關(guān)控制電感性負(fù)載到底會怎么樣呢？由于X10調(diào)光開關(guān)輸出的是非正弦波，這會引起電動機(jī)和變壓器很大的"意見"。電感性負(fù)載設(shè)計時的輸入電源是按一個干凈、平滑的正弦波設(shè)計的。他們不希望自己的電源被"砍碎"。如果你用X10調(diào)光開關(guān)去控制電感性負(fù)載（像電動機(jī)或變壓器），它們就會變熱或嗡嗡響。

首先，我們來談?wù)勲妱訖C(jī)，一個標(biāo)準(zhǔn)的交流電動機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場來帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的。其中"同步"電機(jī)的速度變化受負(fù)載的影響很少，它是通過改變電流來維持速度的準(zhǔn)確性。比如說"可變頻率驅(qū)動"就是現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的電動機(jī)速度控制法。它通常被稱為"VFD"（variable frequency driver）或"VSD"(variable speed driver)。這種控制方法是通過改變電動機(jī)的供電頻率來控制速度的。想要速度慢，就把供電頻率降到50Hz以下，想要速度快，就把供電頻率升到50Hz以上。

還有一類電動機(jī)，它會隨著負(fù)載的增大而無法提供更大的扭矩，最終減小自己的速度。它會隨著電流的增大或減小來改變自己的扭矩。換句話說，當(dāng)它所帶的負(fù)載一定時，可以通過改變它的工作電流來改變它的速度。類似的直流或交流電機(jī)可以通過變壓器來改變它的速度。X10調(diào)光開關(guān)可以控制這類電動機(jī)的速度。

從X10調(diào)光開關(guān)本身來說，如果它向把燈的亮度調(diào)為50%，那么，它會用可控硅"切掉"正弦波的前半部分（如圖六所示）。如果它想讓燈更暗一些，它就會把正弦波"切"的更多（如圖七所示）。

這種減少能量的辦法可被用于部分電動機(jī)的速度控制上。但是對于這種控制方法來說，它既不能改變電源的頻率也不能提供一個完整的正弦波，而且電動機(jī)的型號也有很多種類，并不是所有的電動機(jī)都能控制。但慶幸的是大部分"異步"電機(jī)都可以用X10調(diào)光開關(guān)去控制它的速度，而且家用產(chǎn)品中大部分電扇、鼓風(fēng)機(jī)等都是"異步"電機(jī)。

還有一個問題大有必要說一下。當(dāng)用可控硅控制電動機(jī)調(diào)速時，電動機(jī)會比正常使用時發(fā)熱量大。因為，畢竟用可控硅調(diào)電動機(jī)速度時沒有給電動機(jī)一個平滑的正弦波。而且，你用200W的X10調(diào)光開關(guān)控制200W的電動機(jī)，那么可控硅用不了多久就會"死去！"。因為電動機(jī)在啟動時是由靜止開始的，此時的電流回大于可控硅的設(shè)計電流。即使你現(xiàn)在用得很好，不久可控硅也會慢慢"死去"。

現(xiàn)在讓我們來談?wù)勛儔浩?。大多?shù)家用"鹵素"燈都是用低壓電供電的。它們通常被裝在一個很小的盒子里。將正常的220V家用電源降到24V來為這些"鹵素"燈供電。降低電壓所用的器件就是變壓器。

變壓器！眾所周知，它是一種電感性負(fù)載，并且從愛迪生時代到現(xiàn)在，它的設(shè)計原理就沒有什么改變。它從輸入（初級）線圈將電壓感應(yīng)到輸出（次級）線圈。在低壓"鹵素"燈中，變壓器把220V50Hz的電源感應(yīng)成為24V50Hz的電源（如圖八所示）。圖中的兩組線圈離得非常近，并通過導(dǎo)磁體連接起來。如果從初級感應(yīng)到一個非常平滑的正弦波（如圖一），那么在另一邊（次級）會同樣輸出一個平滑的正弦波。不幸的是，當(dāng)輸入電源電壓不平滑時，變壓器會變得很暴躁。當(dāng)用一個含有陡峭邊沿正弦波的電源給變壓器供電時情況會與電動機(jī)相似。便宜的變壓器在這樣的情況下可能會"解體"！有一次，我用X10調(diào)光開關(guān)去控制一個老式的、便宜的變壓器時，它的線圈開始松動，導(dǎo)磁體也開始松動，發(fā)出的嗡嗡聲就像三只大黃蜂。最后，它終于把自己給"解體"了。當(dāng)然，貴的變壓器境況會好許多，因為它有良好的物理特性。

還有一個有關(guān)X10調(diào)光開關(guān)的問題。兩線式（串連）X10調(diào)光開關(guān)的供電和載波信號都是要通過負(fù)載的（如圖九所示）。偶爾，有些使用者會發(fā)現(xiàn)X10調(diào)光開關(guān)的本地操作很正常，可是不能用遙控把它關(guān)掉。他可以遙控開燈，可是燈亮后，發(fā)遙控關(guān)燈指令就不管用了。這主要是因為燈在開和關(guān)這兩種狀態(tài)時，X10電力載波信號發(fā)生了微小的變化。一方面，當(dāng)燈關(guān)時，大部分220V電壓以及X10信號都可以傳導(dǎo)到接收部分。另一方面，當(dāng)燈開時，會有一部分信號被燈進(jìn)行"分壓"。當(dāng)然，這種情況只會在X10信號處于觸發(fā)邊緣時才會發(fā)生。

當(dāng)你要控制非線性負(fù)載時，上一段文字所指的"分壓"情況會變得很嚴(yán)重。X10信號幾乎無法通過變壓器或電動機(jī)（如圖十所示）。許多使用者會發(fā)現(xiàn)，他們根本無法通過遙控開或關(guān)。

如此多的問題，我們該怎么辦呢？好吧，解決辦法如下。首先，將零線和火線都接入X10調(diào)光開關(guān)，這樣，它的電源和信號就不再受負(fù)載的開關(guān)影響了（如圖11所示）。我這樣說的意思并不是讓你把兩線式X10調(diào)光開關(guān)改一改再加一根零線。而是，你應(yīng)該買三線（并聯(lián)）式X10調(diào)光開關(guān)。三線（并聯(lián)）式X10調(diào)光開關(guān)通常是為非線性負(fù)載準(zhǔn)備的。它可以很好地對付強(qiáng)大的含有陡峭邊沿正弦波的電流波動。

你想控制你的電扇的速度嗎？那么如果有可能你就打電話問問制造商，他們的電扇能不能用可控硅驅(qū)動調(diào)速（我勸你最好不要提X10調(diào)光開關(guān)，否則他們會不知道你再說什么）。當(dāng)然，單速電扇是最好不過的了。如果是多速電扇，那么你就把速度調(diào)到最高檔。現(xiàn)在，用三線（并聯(lián)）式X10調(diào)光開關(guān)就可以調(diào)出很寬的速度范圍了（如圖十二示）。你最好不要把速度調(diào)得太低，因為被"切割"的正弦波會產(chǎn)生較強(qiáng)的電流沖擊而使電動機(jī)發(fā)熱。如果你幸運的話或者說電動機(jī)不很挑剔的話，發(fā)熱現(xiàn)象并不是很明顯。令人驚訝的是，便宜的電動機(jī)往往很好控制。

許多智能家居代理商會建議你用ACT電子得RD161型三線（并聯(lián)）式X10調(diào)光開關(guān)。因為它們是為非線性負(fù)載設(shè)計的。但我們都知道，它仍然不能用于控制電視音響等非線性負(fù)載，用他們?nèi)フ{(diào)節(jié)電視畫面的亮度或音響的音量并不是一個好主意。這個道理也同樣適用于某些日光燈。

對于那些用X10調(diào)光開關(guān)不能調(diào)速或不能調(diào)光的電動機(jī)或變壓器來說，解釋它的原因很復(fù)雜，我在這里只能給你解釋至此。有些DIY愛好者為了適應(yīng)它的電動機(jī)，在輸出端連了一個大電容（耐壓400V以上）。這樣做也許會好些，因為加了電容后可以使電感變得更"線性"。電容可以使可控硅輸出的跳變電壓變得更平滑些（如圖十三所示）。

以上說了這么多，看來控制電動機(jī)和變壓器時用X10調(diào)光開關(guān)并不是根本解決辦法。根本解決辦法是用繼電器代替可控硅。對繼電器來說，當(dāng)然它只有開和關(guān)兩種狀態(tài)，而且不能改變輸出電壓，打它可以提供一個100%的完整正弦波。例如ACT電子的RS101型用電器X10控制器。當(dāng)然，安裝它必須有零線。

就談到這里吧，我希望在你想控制電動機(jī)或變壓器時會有所幫助。