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"控制聯繫在一起。那麼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，但是可控硅並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（如圖一所示）。可變電阻式調光法曾經被用於舞台調光，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。


如圖二所示，圖中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，燈的亮度並不是100%，而是96% 。如果你很細心，那麼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%的正弦波去那裡了呢？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，一般牆上開關盒裡只有兩根線，但那並不是零線和火線。零線一般會直接布到燈上，再從燈上引一根線到牆上開關盒。火線一般會直接布到牆上開關盒，這樣開關盒裡的兩根線就是火線和來自於燈的一根線。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，並且通過燈絲來為它提供能量（如圖三所示）。


既然白熾燈屬於"線性"負載，那麼它就會為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。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調光開關為什麼要有最小負載功率限制的原因。如果電燈功率為400W或500W那麼它會為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乾淨的區域里傳播（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載波信號提供乾淨的空間。


對於三線式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。儘管如此，X10工程師還是為X10信號的傳播留出了1.1mS乾淨的空間。
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麼樣呢？由於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乾淨、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"（variable frequency driver）或"VSD"(variable speed driver)。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。




這種減少能量的辦法可被用於部分電動機的速度控制上。但是對於這種控制方法來說，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，並不是所有的電動機都能控制。但慶幸的是大部分"非同步"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"非同步"電機。