电动机和变压器的控制原理详解

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电动机、变压器的控制
　
曾经说过：电动机、变压器等非线性负载的工作需要一个完整的正弦波电压。否则会出现电动机或变压器发热或嗡嗡响的情况。

 
在智能家居控制中有一个非常有趣的而且是非常容易被混淆的问题是"速度"控制。而且我也发现我们很容易把"调光"与"速度"控制联系在一起。那么就让我们从调光与速度控制的区别开始谈起吧！
我们都知道，白炽灯是电阻性负载（虽然它也含有很小的电感性，但与它的电阻性相比，电感性显得微不足道，因此我们把它看为纯电阻性负载）。就此而言，电学知识告诉我们，纯电阻性负载是不含有电感性和电容性的负载。那我们就把白炽灯比作一个大电阻。许多X10调光开关的设计就是把白炽灯作为一个既没有电感性又没有电容性的负载来看的。可以驱动纯电阻负载的器件是可控硅，但是可控硅并不能改变正弦波的幅度。

我们可以用一个很大的可变电阻或可调压变压器来改变一个完整的正弦波的幅度（如图一所示）。可变电阻式调光法曾经被用于舞台调光，但那已经是二十世纪上半世纪的事了。用那种方法调光，不但工作效率低而且花费昂贵。如今，我们有固态器件可控硅。它控制灯的亮度不是改变正弦波的幅度，而是非常快的"打开-关闭输出给灯的正弦波。举个例子吧，如果你有一个开和关的速度都足够快的开关，在正弦波的每个半波里，你开关一次，就可以使正弦波的一部分流过电灯。作为替代可变电阻的可控硅，它是通过改变切割正弦波的位置来改变输出给负载的功率的。

如图二所示，图中的两个周期的正弦波，就是X10调光开关的输出波形。你一定会注意到每个半波的前面一小部分都被切去了。其实，当把X10调光开关开到"最亮"时，灯的亮度并不是100%，而是96% 。如果你很细心，那么你就会发现当你装上X10调光开关后，灯的最大亮度比原来暗了一点点。那4%的正弦波去那里了呢？这也是机械式开关所无法做到的。下面我就谈谈这4%正弦波的去向问题。

通常情况下，特别是一些老房子，一般墙上开关盒里只有两根线，但那并不是零线和火线。零线一般会直接布到灯上，再从灯上引一根线到墙上开关盒。火线一般会直接布到墙上开关盒，这样开关盒里的两根线就是火线和来自于灯的一根线。为了适应这种场合，许多型号的X10调光开关都被设计为两线式，并且通过灯丝来为它提供能量（如图三所示）。

既然白炽灯属于"线性"负载，那么它就会为X10调光开关提供一个很好的工作电流。当白炽灯不亮时，从灯丝可以流过足够的电流来维持X10调光开关的正常操作。当灯"全亮"时，X10调光开关会为自己保留4%的电能。如果给灯100%的电能，X10调光开关就会因为失去电能而失效。这就是图二中那4%被切去的正弦波的去向。同时这也是两线式X10调光开关为什么要有最小负载功率限制的原因。如果电灯功率为400W或500W那么它会为X10调光开关提供足够多的电能。当然，用40W或60W的电灯也一样会为它提供足够的电流。可是如果用功率很小的电灯（5W或10W），X10调光开关就会因为维持电流过小而走向"死亡"！

这4%还有另外一个非常有用的地方。X10电力载波信号正是在这片非常干净的区域里传播（如图四所示）。在图四中每个周期内都会有两个非常陡峭的边沿，这个边沿也正是"开关（可控硅）"打开的时候，负载从没电到突然有电的速度是非常快的。这个非常陡峭的边沿会产生许多电器"噪音"。因此，X10产品设计工程是会在设计X10调光开关时，留出开始的那一小端正弦波给X10载波信号提供干净的空间。

对于三线式X10调光开关（有零线输入）来说，理论上讲不需要为它保留那4%的能量（见图五）。因为有零线和火线同时为它供电，维持它的工作电流就不再需要通过灯丝了。尽管如此，X10工程师还是为X10信号的传播留出了1.1mS干净的空间。

电感性负载的代表是电动机和变压器，用X10调光开关控制电感性负载到底会怎么样呢？由于X10调光开关输出的是非正弦波，这会引起电动机和变压器很大的"意见"。电感性负载设计时的输入电源是按一个干净、平滑的正弦波设计的。他们不希望自己的电源被"砍碎"。如果你用X10调光开关去控制电感性负载（像电动机或变压器），它们就会变热或嗡嗡响。

首先，我们来谈谈电动机，一个标准的交流电动机是依靠旋转磁场来带动转子旋转的。其中"同步"电机的速度变化受负载的影响很少，它是通过改变电流来维持速度的准确性。比如说"可变频率驱动"就是现在工业上应用最广泛的电动机速度控制法。它通常被称为"VFD"（variable frequency driver）或"VSD"(variable speed driver)。这种控制方法是通过改变电动机的供电频率来控制速度的。想要速度慢，就把供电频率降到50Hz以下，想要速度快，就把供电频率升到50Hz以上。

还有一类电动机，它会随着负载的增大而无法提供更大的扭矩，最终减小自己的速度。它会随着电流的增大或减小来改变自己的扭矩。换句话说，当它所带的负载一定时，可以通过改变它的工作电流来改变它的速度。类似的直流或交流电机可以通过变压器来改变它的速度。X10调光开关可以控制这类电动机的速度。

从X10调光开关本身来说，如果它向把灯的亮度调为50%，那么，它会用可控硅"切掉"正弦波的前半部分（如图六所示）。如果它想让灯更暗一些，它就会把正弦波"切"的更多（如图七所示）。

这种减少能量的办法可被用于部分电动机的速度控制上。但是对于这种控制方法来说，它既不能改变电源的频率也不能提供一个完整的正弦波，而且电动机的型号也有很多种类，并不是所有的电动机都能控制。但庆幸的是大部分"异步"电机都可以用X10调光开关去控制它的速度，而且家用产品中大部分电扇、鼓风机等都是"异步"电机。

还有一个问题大有必要说一下。当用可控硅控制电动机调速时，电动机会比正常使用时发热量大。因为，毕竟用可控硅调电动机速度时没有给电动机一个平滑的正弦波。而且，你用200W的X10调光开关控制200W的电动机，那么可控硅用不了多久就会"死去！"。因为电动机在启动时是由静止开始的，此时的电流回大于可控硅的设计电流。即使你现在用得很好，不久可控硅也会慢慢"死去"。

现在让我们来谈谈变压器。大多数家用"卤素"灯都是用低压电供电的。它们通常被装在一个很小的盒子里。将正常的220V家用电源降到24V来为这些"卤素"灯供电。降低电压所用的器件就是变压器。

变压器！众所周知，它是一种电感性负载，并且从爱迪生时代到现在，它的设计原理就没有什么改变。它从输入（初级）线圈将电压感应到输出（次级）线圈。在低压"卤素"灯中，变压器把220V50Hz的电源感应成为24V50Hz的电源（如图八所示）。图中的两组线圈离得非常近，并通过导磁体连接起来。如果从初级感应到一个非常平滑的正弦波（如图一），那么在另一边（次级）会同样输出一个平滑的正弦波。不幸的是，当输入电源电压不平滑时，变压器会变得很暴躁。当用一个含有陡峭边沿正弦波的电源给变压器供电时情况会与电动机相似。便宜的变压器在这样的情况下可能会"解体"！有一次，我用X10调光开关去控制一个老式的、便宜的变压器时，它的线圈开始松动，导磁体也开始松动，发出的嗡嗡声就像三只大黄蜂。最后，它终于把自己给"解体"了。当然，贵的变压器境况会好许多，因为它有良好的物理特性。

还有一个有关X10调光开关的问题。两线式（串连）X10调光开关的供电和载波信号都是要通过负载的（如图九所示）。偶尔，有些使用者会发现X10调光开关的本地操作很正常，可是不能用遥控把它关掉。他可以遥控开灯，可是灯亮后，发遥控关灯指令就不管用了。这主要是因为灯在开和关这两种状态时，X10电力载波信号发生了微小的变化。一方面，当灯关时，大部分220V电压以及X10信号都可以传导到接收部分。另一方面，当灯开时，会有一部分信号被灯进行"分压"。当然，这种情况只会在X10信号处于触发边缘时才会发生。

当你要控制非线性负载时，上一段文字所指的"分压"情况会变得很严重。X10信号几乎无法通过变压器或电动机（如图十所示）。许多使用者会发现，他们根本无法通过遥控开或关。

如此多的问题，我们该怎么办呢？好吧，解决办法如下。首先，将零线和火线都接入X10调光开关，这样，它的电源和信号就不再受负载的开关影响了（如图11所示）。我这样说的意思并不是让你把两线式X10调光开关改一改再加一根零线。而是，你应该买三线（并联）式X10调光开关。三线（并联）式X10调光开关通常是为非线性负载准备的。它可以很好地对付强大的含有陡峭边沿正弦波的电流波动。

你想控制你的电扇的速度吗？那么如果有可能你就打电话问问制造商，他们的电扇能不能用可控硅驱动调速（我劝你最好不要提X10调光开关，否则他们会不知道你再说什么）。当然，单速电扇是最好不过的了。如果是多速电扇，那么你就把速度调到最高档。现在，用三线（并联）式X10调光开关就可以调出很宽的速度范围了（如图十二示）。你最好不要把速度调得太低，因为被"切割"的正弦波会产生较强的电流冲击而使电动机发热。如果你幸运的话或者说电动机不很挑剔的话，发热现象并不是很明显。令人惊讶的是，便宜的电动机往往很好控制。

许多智能家居代理商会建议你用ACT电子得RD161型三线（并联）式X10调光开关。因为它们是为非线性负载设计的。但我们都知道，它仍然不能用于控制电视音响等非线性负载，用他们去调节电视画面的亮度或音响的音量并不是一个好主意。这个道理也同样适用于某些日光灯。

对于那些用X10调光开关不能调速或不能调光的电动机或变压器来说，解释它的原因很复杂，我在这里只能给你解释至此。有些DIY爱好者为了适应它的电动机，在输出端连了一个大电容（耐压400V以上）。这样做也许会好些，因为加了电容后可以使电感变得更"线性"。电容可以使可控硅输出的跳变电压变得更平滑些（如图十三所示）。

以上说了这么多，看来控制电动机和变压器时用X10调光开关并不是根本解决办法。根本解决办法是用继电器代替可控硅。对继电器来说，当然它只有开和关两种状态，而且不能改变输出电压，打它可以提供一个100%的完整正弦波。例如ACT电子的RS101型用电器X10控制器。当然，安装它必须有零线。

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