電動(dòng)機(jī)、變壓器的控制
曾經(jīng)說過：電動(dòng)機(jī)、變壓器等非線性負(fù)載的工作需要一個(gè)完整的正弦波電壓。否則會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)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(shí)。接下來，我就此問題為大家做一個(gè)分析。
在智能家居控制中有一個(gè)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(shí)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(gè)大電阻。許多X10調(diào)光開關(guān)的設(shè)計(jì)就是把白熾燈作為一個(gè)既沒有電感性又沒有電容性的負(fù)載來看的?？梢则?qū)動(dòng)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(gè)很大的可變電阻或可調(diào)壓變壓器來改變一個(gè)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(tái)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(fèi)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?？斓?打開-關(guān)閉輸出給燈的正弦波。舉個(gè)例子吧，如果你有一個(gè)開和關(guān)的速度都足夠快的開關(guān)，在正弦波的每個(gè)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(gè)周期的正弦波，就是X10調(diào)光開關(guān)的輸出波形。你一定會(huì)注意到每個(gè)半波的前面一小部分都被切去了。其實(shí)，當(dāng)把X10調(diào)光開關(guān)開到"最亮"時(shí)，燈的亮度并不是100%，而是96% 。如果你很細(xì)心，那么你就會(huì)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(diǎn)點(diǎn)。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(huì)直接布到燈上，再從燈上引一根線到墻上開關(guān)盒?；鹁€一般會(huì)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(chǎng)合，許多型號(hào)的X10調(diào)光開關(guān)都被設(shè)計(jì)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(huì)為X10調(diào)光開關(guān)提供一個(gè)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(shí)，X10調(diào)光開關(guān)會(huì)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(huì)因?yàn)槭ル娔芏?。這就是圖二中那4%被切去的正弦波的去向。同時(shí)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(huì)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(huì)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(huì)因?yàn)榫S持電流過小而走向"死亡"！
這4%還有另外一個(gè)非常有用的地方。X10電力載波信號(hào)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(gè)周期內(nèi)都會(huì)有兩個(gè)非常陡峭的邊沿，這個(gè)邊沿也正是"開關(guān)（可控硅）"打開的時(shí)候，負(fù)載從沒電到突然有電的速度是非常快的。這個(gè)非常陡峭的邊沿會(huì)產(chǎn)生許多電器"噪音"。因此，X10產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程是會(huì)在設(shè)計(jì)X10調(diào)光開關(guān)時(shí)，留出開始的那一小端正弦波給X10載波信號(hào)提供干凈的空間。
對(duì)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?yàn)橛辛憔€和火線同時(shí)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(hào)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(dòng)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(huì)怎么樣呢？由于X10調(diào)光開關(guān)輸出的是非正弦波，這會(huì)引起電動(dòng)機(jī)和變壓器很大的"意見"。電感性負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)的輸入電源是按一個(gè)干凈、平滑的正弦波設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)或變壓器），它們就會(huì)變熱或嗡嗡響。
首先，我們來談?wù)勲妱?dòng)機(jī)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的交流電動(dòng)機(jī)是依靠旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來帶動(dòng)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(dòng)"就是現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)，它會(huì)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(huì)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(shí)，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(dòng)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(huì)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(huì)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(dòng)機(jī)的速度控制上。但是對(duì)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(gè)完整的正弦波，而且電動(dòng)機(jī)的型號(hào)也有很多種類，并不是所有的電動(dòng)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(gè)問題大有必要說一下。當(dāng)用可控硅控制電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)比正常使用時(shí)發(fā)熱量大。因?yàn)椋吘褂每煽毓枵{(diào)電動(dòng)機(jī)速度時(shí)沒有給電動(dòng)機(jī)一個(gè)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(dòng)機(jī)，那么可控硅用不了多久就會(huì)"死去！"。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)是由靜止開始的，此時(shí)的電流回大于可控硅的設(shè)計(jì)電流。即使你現(xiàn)在用得很好，不久可控硅也會(huì)慢慢"死去"。
現(xiàn)在讓我們來談?wù)勛儔浩鳌４蠖鄶?shù)家用"鹵素"燈都是用低壓電供電的。它們通常被裝在一個(gè)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(shí)代到現(xiàn)在，它的設(shè)計(jì)原理就沒有什么改變。它從輸入（初級(jí)）線圈將電壓感應(yīng)到輸出（次級(jí)）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(jí)感應(yīng)到一個(gè)非常平滑的正弦波（如圖一），那么在另一邊（次級(jí)）會(huì)同樣輸出一個(gè)平滑的正弦波。不幸的是，當(dāng)輸入電源電壓不平滑時(shí)，變壓器會(huì)變得很暴躁。當(dāng)用一個(gè)含有陡峭邊沿正弦波的電源給變壓器供電時(shí)情況會(huì)與電動(dòng)機(jī)相似。便宜的變壓器在這樣的情況下可能會(huì)"解體"！有一次，我用X10調(diào)光開關(guān)去控制一個(gè)老式的、便宜的變壓器時(shí)，它的線圈開始松動(dòng)，導(dǎo)磁體也開始松動(dòng)，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(huì)好許多，因?yàn)樗辛己玫奈锢硖匦浴?/P>
還有一個(gè)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(hào)都是要通過負(fù)載的（如圖九所示）。偶爾，有些使用者會(huì)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?yàn)闊粼陂_和關(guān)這兩種狀態(tài)時(shí)，X10電力載波信號(hào)發(fā)生了微小的變化。一方面，當(dāng)燈關(guān)時(shí)，大部分220V電壓以及X10信號(hào)都可以傳導(dǎo)到接收部分。另一方面，當(dāng)燈開時(shí)，會(huì)有一部分信號(hào)被燈進(jìn)行"分壓"。當(dāng)然，這種情況只會(huì)在X10信號(hào)處于觸發(fā)邊緣時(shí)才會(huì)發(fā)生。
當(dāng)你要控制非線性負(fù)載時(shí)，上一段文字所指的"分壓"情況會(huì)變得很嚴(yán)重。X10信號(hào)幾乎無法通過變壓器或電動(dòng)機(jī)（如圖十所示）。許多使用者會(huì)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?cè)撛趺崔k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(hào)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(duì)付強(qiáng)大的含有陡峭邊沿正弦波的電流波動(dòng)。
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(dòng)調(diào)速（我勸你最好不要提X10調(diào)光開關(guān)，否則他們會(huì)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?yàn)楸?切割"的正弦波會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電流沖擊而使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。如果你幸運(yùn)的話或者說電動(dòng)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(dòng)機(jī)往往很好控制。
許多智能家居代理商會(huì)建議你用ACT電子得RD161型三線（并聯(lián)）式X10調(diào)光開關(guān)。因?yàn)樗鼈兪菫榉蔷€性負(fù)載設(shè)計(jì)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(gè)好主意。這個(gè)道理也同樣適用于某些日光燈。
對(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)，在輸出端連了一個(gè)大電容（耐壓400V以上）。這樣做也許會(huì)好些，因?yàn)榧恿穗娙莺罂梢允闺姼凶兊酶?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(dòng)機(jī)和變壓器時(shí)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(duì)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(gè)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(dòng)機(jī)或變壓器時(shí)會(huì)有所幫助。