吊扇电动机串电容调速的原理及电路

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吊扇电动机串电容调速的原理及电路


1. 引言
通过吊杆装在屋顶的风扇叫做吊扇。为适合低楼层等净空较小的房间而取消吊杆、电动机直接装在屋顶的风扇叫做吸顶扇。为保护人身安全并使多人纳凉，吸顶扇加上网罩及摇头机构，叫做顶扇。为使网罩不过于庞大，顶扇的扇叶尺寸减小到与台扇尺寸相当。吊扇调速器与扇体分离。吸顶扇及顶扇调速器亦与扇体分离。
吊扇、吸顶扇及顶扇使用单相电容分相交流电动机，采用降压调速，属于变差调速模式。具体调速器有电感式、电容式及电子式。
串电感降压调速方法效率不高。吊扇电感式调速器平均有约2瓦的功耗。
电子式调速器装有散热器，说明其所用晶闸管热损耗明显，影响效率。电子式调速器还产生电磁干扰，严重时有可能影响其他家电的正常工作。
唯有电容式调速器，几乎不发热，基本上在冷态下工作，效率最高。
最近有幸收集到20个工作了大约20年后退役的多种型号电容式吊扇调速器。其中7个塑料外壳老化碎裂，1个定位钢珠弹簧生锈导致塑料旋柄扭断。经测试，其中18个调速器所用组合电容依然全部完好，只有2个组合电容部分损坏，影响个别档位不能正常工作。就是说，电容式吊扇调速器实质性电气故障率只有2/20=10%。塑料外壳老化碎裂的现象并非电容式吊扇调速器所独有。考虑材料性能日益提高，塑料外壳老化碎裂的故障，今后将越来越少。
调速电容工作可靠且耐用的奥秘在于电容及电机所有的电流电压都是平滑柔顺的正弦波形。不仅无干扰，而且有利于自身平稳工作。电子式调速器不可靠不耐用的根本原因是电流电压波形上每个周期上都有毛刺，既产生干扰，又严重影响自身可靠性及寿命。
与电感式、电子式调速器相比，电容式调速器具有节能最多、可靠性高、故障率低、没有干扰等一系列优点。将串电感调速改为串电容调速，每台吊扇可以降低约2瓦功耗。电容式调速器还有益于提高用电系统功率因数，降低线路损耗。
为充分挖掘电容式调速器推广应用的潜力，使其为当今时代节能、减排、绿色、环保发挥更大作用，有必要深刻认识吊扇电容调速器工作原理及其构造。
2. 吊扇电容调速器工作原理
电容分相单相交流电动机等价于电阻R与电感L的串联体，属于感性负载，见图1。


图1 电容分相单相交流电动机的等效电路
串联调速电容C之后，相当于电阻R、电感L与电容C的串联体，如图2。


图2 电容分相电动机与调速电容的串联体
整个调速电路的阻抗为:Z=R+j(XL-XC)
其中感抗XL=ωL、容抗XC=1/ωC，ω为电源角频率，ω=2πf。
随着电容C从无穷大开始变小，容抗XC从零开始变大，电动机电流I、电压U的变化如图3所示。


图3 电机电流I及端电压U与调速电容容抗XC的关系
图中In为吊扇电动机额定电流，Un为额定电压。In值小于1A，具体数值随吊扇型号而异，Un=220V。
当XC=0时，相当于调速电路串进一个无穷大的电容，负载电压不受影响，吊扇仍以最高速度运转。例如，调速电路串进一个数百、数千微法的电容，吊扇工作基本不受影响，道理就在于此。
当0＜XC＜XL时，调速电路呈现电感性，负载电流、电压均大于额定值而易烧毁；
当XC=XL时，调速电路发生串联谐振，呈现电阻性，负载电流、电压大于额定值并达到最大值，负载电流、电压均达到最大值，远远超过额定值，极易烧毁。
当XL＜XC＜2XL时，调速电路呈现电容性，电机电流、电压均大于额定值，也易烧毁。
当XC=2XL时，调速电路呈现电容性，负载电流、电压及转速等于额定值。
当XC>2XL时，调速电路呈现电容性，电机电流、电压均小于额定值，实现调速。在这个区间，XC越大即电容C越小，则电机电流越小，转速越低。
3. 吊扇电容调速器构造
配备调速电容2μF、3μF、4μF、5μF的五档电容调速器原始电路及其与吊扇电动机的接线如图4所示。



图4 当前位置时电源被切断，为停止档。
自停止位顺时针拧一格到1档，2μF电容接入，串进容抗最大，为慢速档；
继续顺时针拧一格到2档，3μF电容接入，串进容抗次大，为次慢速档；
继续顺时针拧一格到3档，4μF电容接入，串进容抗次小，为中速档；
继续顺时针拧一格到4档，5μF电容接入，串进容抗最小，为次快速档；
继续顺时针拧一格到5档，所有电容都被甩开，电源直接加在吊扇绕组上，为快档。
电容容量越大，体积越大，价格越高。
图4所示电容调速器所用电容为普通型，电容总容量为(2+3+4+5)μF=14μF。
图5所示某型号吊扇电容调速器所用电容为组合型，各档接入调速电容与图4相同，亦为2μF、3μF、4μF、5μF，电容总容量却只有2+1+1+1=5μF。
比较起来，图5所用电容体积及价格只有图4的大约1/3。实际吊扇电容调速器普遍采用组合电容及弧形金属片摆动结构，目的就是追求体积小及成本低。



图5 当前位置电源切断，为空档。
顺时针方向转一格为1档，2μF电容与电机串联，为慢档。
顺时针方向转两格为2档，2μF电容与1μF电容并联，再与电机串联，为次慢速档。
顺时针方向转三格为3档，2μF电容与两个1μF电容并联，再与电机串联，为中速档。
顺时针方向转四格为4档，所有四个电容并联，再与电机串联，为次快速档。
顺时针方向转五格为5档，所有四个电容都短接，电源电压直接加在电机上，为快速档。
快档为感性负载，其余四档为容性负载。容性负载有助于提高整个系统的功率因数。
下面分析计算各档位置上电动机所获得电压。
4. 吊扇调速效果分析与计算

吊扇额定功率Pn=80W、功率因数cosφ=0.6。
额定电流In=Pn/Uncosφ=80W/(220V×0.6)=0.6061A
电机阻抗Z=Un/In=220V/0.6061A=363.0Ω
等效电阻R=Pn/In2=80W/(0.6061A)2=217.8Ω
感抗模XL=(Z2-R2)1/2=(3632-217.82)1/2=290.4Ω
按照图4或图5，调速电容最大值Cmax=5μF，容抗模最小值Xc(min)=1/ωCmax=106/(314.2×5)=636.5Ω>2XL=580.8Ω，调速电容设计合理。
依次根据C=5μF、4μF、3μF、2μF计算电容容抗模XC、容抗模与感抗模的差值XC-XL、阻抗模|Z|、负载电流I及负载电压U，填入表1。



5. 电容吊扇调速器构造的发展改进
最初吊扇电容式调速器的结构与电感式调速器相同，外形均呈扁长方体形状。后来改进为正方形结构。长方形结构和正方形结构均为明装式，多多少少影响观瞻。
调速电容采用组合结构有利于减小电容体积。材料及制造技术的发展更使电容体积越来越小。标准预埋接线盒内腔尺寸为8×8×6cm³。当组合电容体积明显小于8×8×6cm³时，就能考虑把调速器做成暗装式。
目前吊扇电容调速器已经由明装式发展为暗装式。图6、图7、图8分别为暗装式吊扇电容调速器的立体图、正面图及背视图。


图6 暗装式吊扇电容调速器的立体图(背视)



图7 暗装式吊扇电容调速器正面图



图8 暗装式吊扇电容调速器背视图
吊扇、吸顶扇或顶扇原配电感式调速器或电子式调速器损坏时，改用电容式调速器，是最明智的选择。
新建房屋或新装修房屋计划配置吊扇、吸顶扇或顶扇时，应当预埋标准接线盒，以便配置暗装式电容调速器，既节能，又经久耐用，还有助于改善功率因数，有利于节能减排绿色环保。