2020年9月15日 星期二

風扇馬達的原理_單相感應馬達

 如同感應式馬達的概念
一般風扇馬達就是利用這個原理設計的
外部兩組線圈(外圈是主線圈,內圈是啟動線圈),其中啟動線圈加上一個電容
使其通過的相位落後約90度(可以90度效能最好,其實只要有相位差就可以)
原理簡單說明如下

兩股有相位差的線圈就會形成一個旋轉的磁場
同時感應帶動內部的轉子



理論上轉子應該是非磁性物質且不帶磁的金屬
實際測試發現,轉子雖然不帶磁
但是可以被磁鐵吸引的磁性物質
或許這樣可以提供更好的旋轉效能?我不知道...





所以理論上啟動後即使啟動線圈不通電
主線圈依然可以提供轉子旋轉所需的能量
當然速度會稍慢


原功率

拆掉電容後的功率

影片如下

不過如果兩組線圈相位相同(同時並聯通電)
啟動的效能就會很差,消耗的功率因為沒有容抗反而更多


影片如下

如果把電容換到主線圈上
變成主線圈相位落後
磁場旋轉的方向改變
轉子的旋轉方向也會跟著變
這就是排風扇可以選擇排氣或吸氣的原因了



影片如下

但電容必須和線圈的電阻匹配
不然效能會變差
如同上面的實驗,功率和轉速都下降了

感應式馬達原型


鋁圈被感應出來的磁極拉著跑
這就是感應式馬達
基本上不需要磁鐵
也沒有電刷
中央轉子的部分相對較線圈輕
耗能當然也會比直流電刷馬達小

但這只是展示科學原理的模型教具
工程師會設計成甚麼樣子呢?
其實我們幾乎每天都用到...




2020年9月14日 星期一

風扇構造與維修原則

很多人第一次嘗試修家電幾乎都是電風扇
特殊形式,例如大廈扇、水冷扇、變頻扇、循環扇、戴森扇等不說
一般電風扇不管是立式或廂型,幾乎都是大同小異
只要了解它的構造和原理
基本上都可以找到問題,維修也就很容易上手了

拆一支最常見的立扇當例子
裡面的構造很簡單,單相感應式交流馬達、擺頭齒輪箱(箱扇沒有)、開關、啟動電容、電線、風向馬達(箱扇才有)
就這樣

電路圖幾乎都如下,沒太多例外

首先從電源端開始查線
歐姆檔調到最小,測量從插頭到開關處的電線電阻
若大於2歐姆以上,就要考慮換線

接下來開關也容易因為長時間開開關關
瞬間產生的電弧讓接觸的銅片氧化
美工刀刮一刮通常也可以救回來

另外還常見的就是開關跳不回來
這大部分都是彈簧或是上方的固定鐵片生鏽
WD-40給他下去就對了

轉不順,這種症頭可能有兩個原因
一個就是轉軸(轉子)卡住
一樣WD-40給他下去,手動轉個幾十圈讓WD-40吃進去
最後要再滴一些潤滑油
WD-40雖然有潤滑的功能,但對金屬也有些許的腐蝕性
長時間來說還是加上一些潤滑油才是王道

另外就是啟動電容損壞
外觀若沒有明顯懷孕
那就要用電容表來檢查
若明顯低於標示容量,就要更換了

最後是連啟動都沒辦法
如果開關、電線、電容都沒問題
那就必須拆開馬達了
馬達有兩組線圈,一個主線圈,一個啟動線圈


這種感應式馬達轉動的原理之後再說
連接兩組線圈的地方有一根溫度保險絲,防止馬達過熱
這支標示130度,2A


三用電表測測看,如果電阻無限大
那就要換了

最後如果還是不會動
八成就是線圈燒毀了
將原本拉出來的主線圈接頭分別和啟動線圈接頭量看看是否有電阻
有就是正常,若無限大就是斷了
這時候...恭喜你,可以買新電扇了

另外,線圈的電阻要多少才算正常呢?
請數學幫忙了
若電扇60W(最強的風),R=V^2/P=115*115/60=220歐姆

擺頭齒輪箱要壞的機率不高
無法擺頭通常都是連接的塑膠接點碎裂
這就要現場判斷,無法隔空抓藥了



循著這些步驟
大概就沒問題了
有興趣的試試看吧~~

2020年9月13日 星期日

中性線帶電嗎?

原本在屏東的家電醫生試辦場要演示漏電斷路器(ELB)的實驗
但卻怎麼都無法成功
原本以為是漏電設定的電流太小
加大到35mA,漏電斷路器還是無法跳脫
不能讓大家等我一個,只好暫時先做罷(我回家後測試是正常的)

結果在測量地線(G)是否有連接時,火線(L)和G為零就是沒接
L和G為110V~115V就是有接
結果有些L-G竟然出現幾十伏的電壓?,但也不是全部都有
當時腦袋流量太大,記憶體不足,也就沒有再多想

回程在車上這件事就不斷在腦袋裡打轉,終於有了一些概念
這很可能都是多年來便宜行事、疊床架屋的結果...

(以下的說明不是教科書,若有疑慮請自行判斷)
許多老學校原本的電源插座配置就不夠
後來就會從插座再拉出插座
或從電燈的地方拉出電扇的插座
或直接從電箱再拉一條迴路出來用
甚麼樣的配線都有,完全看當時水電師傅的心情和人品



加上早期的插座都沒有強制加裝屋內設備地線
也就是都是兩孔(火線L,中性線N)的插座
後來拉出來加裝的插座卻又變成三孔(L、N、G)
那G有沒有真的拉線?答案就很有趣了
1. 沒有拉,G只是裝飾用
2. G和N直接短接,早期電工師傅最喜歡的接法

3. G拉專線連接建築物設備地線(如果有的話)

4. G拉專線連接屋外系統地線(電線桿變壓器的地線)

理論上,如果是情況1,L-G為0V
情況2. L-G為115V,不過有但書,等會再說
情況3. L-G為115V
情況4. L-G為115V

看來不是0就是115啊,幾十伏是怎麼來的
這就要回到N為甚麼(理論上)是0V說起了

我們家用電基本上為單相三線(L1、L2、N)
N是迴路線,理論上還是有電的
為甚麼我們會說是0V呢?
這就是電力設備設計的結果了
我們從台電的高壓端(外電)經過屋外的變壓器降為110V
為了方便使用,將二級線圈設計為三個接點
出來的三線電壓就變成下面的樣子

L1和L2都是110V,但相位(phase)剛好差180度(發電機線圈每半圈改變一次電流方向)
當這兩個相位的電同時流到迴路線N的時候,電位就會剛好抵銷
所以理論上中性線的電位差為零,但其實還是有電流通過的

不過這是L1和L2通過N的電量相同時才會有的結果
在實際的情況裡,不管水電配給你的是L1還是L2,對用戶都沒差
但對台電來說就有差了
中性線因用戶端的火線分配不均或是其他奇怪的原因造成中性線有電壓
這時台電就必須付出更大的功率(電壓)來送電才能抵銷中性線裡面的電壓
讓用戶端的電壓維持在110~115V
但實際上的情況是不可能這麼完美的(N=0V)
因此台電會在外電的N時不時就接地一下(這就是系統接地)
讓中性線維持0電位

因此我們還是希望整戶的L1和L2是平均分配的
這樣才會讓用戶端的N電壓為0
也可以減少電網的負擔
只是...看到學校這種隨興的插座分配法
L1和L2要平均分配幾乎是不可能的事
因此中性線就出現電壓了
加上早期學校根本沒有拉建築物的設備地線
水電最簡單的做法就是將G和N短接(其實現在的規定是不行的喔~~)
下面是台大生物產業機電工程學系電工實習講義的內容



會這樣接的想法很簡單,N本來就有接地啊~~
沒錯,N有接地,但是在外電的地方(系統)接地
若屋內的N有電,G跟N短接也會帶電了
G在正常狀況下是不能有電的!!

我猜,學校後來從兩孔插座再拉出來的三孔插座(我有拆開看,地線有接)
G有可能和N是短接的(我沒再繼續拆,所以只是推測)
加上學校電力分配不均造成N帶電
因此我會量到L-G有幾十伏的電壓
電器的漏電原本應該跑地線迴路,使得N的迴路電流變少,ELB跳脫
但G和N短接的結果,從G漏電出去的電流又回到N
ELB當然就不會跳脫了

這樣的解釋和我觀察到的結果是吻合的,但這也只是推測...
總之,電真的很複雜
沒事別亂搞

2020年9月10日 星期四

高精密拉力秤

之前做浮力實驗需要有一個拉力秤(彈簧秤)來確認上下方向的合力大小
一般的彈簧秤最小刻度通常2~5克
之前用電子拉力秤(行李秤)最小單位10克,最小力50克
所以在量秤浮力與溢出液體重量的時候儀器誤差很大
搞一個精密度高的拉力秤就很重要了


其實概念是很簡單的
用一個小型的精密電子秤(最小單位0.01克)來改就可以
拆掉電子秤的保護殼
利用冰棒棍和鐵絲做一個掛勾就搞定了






試試看砝碼原先的重量99.91g


掛在下方量出來的拉力99.90g


幾乎一模一樣~~
但因為電子秤太敏感
手如果動來動去或是沒有維持水平
數字就會一直跳
但這也是可以克服的
總比原先精密度那麼低要好多了~~

創作總是來自課堂教學的不足

電子元件的包裝袋秘密

很多電子模組都會用這種黑色半透明的包裝袋 為什麼要用這種特殊的包裝袋呢? 用一般的PE袋或PVC袋不行嗎? 這就要回到電子電路的工作原理來說了 傳統電路主要靠電流來控制電路 電子電路則是靠電壓來控制 (這麼粗略的說法一定會被罵,但無法在三千字內說清楚就乾脆不說了,有興趣研究的可以...