電動機、變壓器的控制

曾經說過：電動機、變壓器等非線性負載的工作需要一個完整的正弦波電壓。否則會出現電動機或變壓器發熱或嗡嗡響的情況。

　　許多讀者就此問題發來email，詢問更多有關這方面的知識。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。而且我也發現我們很容易把調光與速度控制聯系在一起。那么就讓我們從調光與速度控制的區別開始談起吧！

　　我們都知道，白熾燈是電阻性負載（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載）。就此而言，電學知識告訴我們，純電阻性負載是不含有電感性和電容性的負載。那我們就把白熾燈比作一個大電阻。許多X10調光開關的設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載來看的。可以驅動純電阻負載的器件是可控硅，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壓變壓器來改變一個完整的正弦波的幅度。可變電阻式調光法曾經被用于舞臺調光，但那已經是二十世紀上半世紀的事了。用那種方法調光，不但工作效率低而且花費昂貴。如今，我們有固態器件可控硅。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-關閉輸出給燈的正弦波。舉個例子吧，如果你有一個開和關的速度都足夠快的開關，在正弦波的每個半波里，你開關一次，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載的功率的。

　　兩個周期的正弦波，就是X10調光開關的輸出波形。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，當把X10調光開關開到最亮時，燈的亮度并不是100%，而是96%。如果你很細心，那么你就會發現當你裝上X10調光開關后，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？這也是機械式開關所無法做到的。下面我就談談這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盒。

　　火線一般會直接布到墻上開關盒，這樣開關盒里的兩根線就是火線和來自于燈的一根線。為了適應這種場合，許多型號的X10調光開關都被設計為兩線式，并且通過燈絲來為它提供能量。既然白熾燈屬于線性負載，那么它就會為X10調光開關提供一個很好的工作電流。當白熾燈不亮時，從燈絲可以流過足夠的電流來維持X10調光開關的正常操作。當燈全亮時，X10調光開關會為自己保留4%的電能。如果給燈100%的電能，X10調光開關就會因為失去電能而失效。同時這也是兩線式X10調光開關為什么要有最小負載功率限制的原因。如果電燈功率為400W或500W那么它會為X10調光開關提供足夠多的電能。當然，用40W或60W的電燈也一樣會為它提供足夠的電流。可是如果用功率很小的電燈（5W或10W），X10調光開關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域里傳播（如圖四所示）。在圖四中每個周期內都會有兩個非常陡峭的邊沿，這個邊沿也正是開關（可控硅）打開的時候，負載從沒電到突然有電的速度是非常快的。這個非常陡峭的邊沿會產生許多電器噪音。因此，X10產品設計工程是會在設計X10調光開關時，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調光開關（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。

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

　　首先，我們來談談電動機，一個標準的交流電動機是依靠旋轉磁場來帶動轉子旋轉的。其中同步電機的速度變化受負載的影響很少，它是通過改變電流來維持速度的準確性。比如說可變頻率驅動就是現在工業上應用最廣泛的電動機速度控制法。它通常被稱為VFD（variablefrequencydriver）或VSD(variablespeeddriver)。

　　這種控制方法是通過改變電動機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，它會隨著負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，當它所帶的負載一定時，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可以通過變壓器來改變它的速度。X10調光開關可以控制這類電動機的速度。

　　從X10調光開關本身來說，如果它向把燈的亮度調為50%，那么，它會用可控硅切掉正弦波的前半部分。如果它想讓燈更暗一些，它就會把正弦波切的更多。

　　這種減少能量的辦法可被用于部分電動機的速度控制上。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，而且電動機的型號也有很多種類，并不是所有的電動機都能控制。但慶幸的是大部分異步電機都可以用X10調光開關去控制它的速度，而且家用產品中大部分電扇、鼓風機等都是異步電機。

　　還有一個問題大有必要說一下。當用可控硅控制電動機調速時，電動機會比正常使用時發熱量大。因為，畢竟用可控硅調電動機速度時沒有給電動機一個平滑的正弦波。而且，你用200W的X10調光開關控制200W的電動機，那么可控硅用不了多久就會死去！。因為電動機在啟動時是由靜止開始的，此時的電流回大于可控硅的設計電流。即使你現在用得很好，不久可控硅也會慢慢死去。

　　現在讓我們來談談變壓器。大多數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，它是一種電感性負載，并且從愛迪生時代到現在，它的設計原理就沒有什么改變。它從輸入（初級）線圈將電壓感應到輸出（次級）線圈。在低壓鹵素燈中，變壓器把220V50Hz的電源感應成為24V50Hz的電源。圖中的兩組線圈離得非常近，并通過導磁體連接起來。如果從初級感應到一個非常平滑的正弦波，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，當輸入電源電壓不平滑時，變壓器會變得很暴躁。當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調光開關去控制一個老式的、便宜的變壓器時，它的線圈開始松動，導磁體也開始松動，發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X10調光開關的問題。兩線式（串連）X10調光開關的供電和載波信號都是要通過負載的。偶爾，有些使用者會發現X10調光開關的本地操作很正常，可是不能用遙控把它關掉。他可以遙控開燈，可是燈亮后，發遙控關燈指令就不管用了。這主要是因為燈在開和關這兩種狀態時，X10電力載波信號發生了微小的變化。一方面，當燈關時，大部分220V電壓以及X10信號都可以傳導到接收部分。另一方面，當燈開時，會有一部分信號被燈進行分壓。當然，這種情況只會在X10信號處于觸發邊緣時才會發生。

　　當你要控制非線性負載時，上一段文字所指的分壓情況會變得很嚴重。X10信號幾乎無法通過變壓器或電動機。許多使用者會發現，他們根本無法通過遙控開或關。

　　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調光開關，這樣，它的電源和信號就不再受負載的開關影響了。我這樣說的意思并不是讓你把兩線式X10調光開關改一改再加一根零線。而是，你應該買三線（并聯）式X10調光開關。三線（并聯）式X10調光開關通常是為非線性負載準備的。它可以很好地對付強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動調速（我勸你最好不要提X10調光開關，否則他們會不知道你再說什么）。當然，單速電扇是最好不過的了。如果是多速電扇，那么你就把速度調到最高檔。現在，用三線（并聯）式X10調光開關就可以調出很寬的速度范圍了。你最好不要把速度調得太低，因為被切割的正弦波會產生較強的電流沖擊而使電動機發熱。如果你幸運的話或者說電動機不很挑剔的話，發熱現象并不是很明顯。令人驚訝的是，便宜的電動機往往很好控制。

　　許多智能家居代理商會建議你用ACT電子得RD161型三線（并聯）式X10調光開關。因為它們是為非線性負載設計的。

　　但我們都知道，它仍然不能用于控制電視音響等非線性負載，用他們去調節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調光開關不能調速或不能調光的電動機或變壓器來說，解釋它的原因很復雜，我在這里只能給你解釋至此。有些DIY愛好者為了適應它的電動機，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。

　　以上說了這么多，看來控制電動機和變壓器時用X10調光開關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，當然它只有開和關兩種狀態，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。當然，安裝它必須有零線。