Vặn hộp số quạt trần từ số 5 xuống số 2, quạt chạy chậm hẳn, và bạn yên tâm là mình vừa tiết kiệm điện. Có thể đúng, có thể không — tuỳ cái hộp nhựa trên tường đựng gì. Cùng một tốc độ ấy, hai linh kiện cho hai hoá đơn khác nhau:
Quạt của bạn là một điện trở 440 ôm
Coi chiếc quạt trần ăn 110 W như một điện trở tương đương 440 Ω — mô hình thô, nhưng đủ để hai phương án đứng cạnh nhau công bằng. Cắm thẳng vào 220 V: dòng 0,5 A.
Muốn nó chậm lại thì hạ điện áp, và cách rẻ nhất là cầu phân
áp: mắc nối tiếp thêm
440 Ω. Tổng trở 880 Ω, dòng còn 0,25 A, quạt còn 110 V ở hai đầu — nửa
điện áp, một phần tư công suất, tức 27,5 W. Chỗ trả giá nằm ở con điện trở
kia: nó cũng gánh 0,25 A và cũng có 110 V rơi trên mình, nên I²R cho ra
27,5 W nữa, toàn bộ thành nhiệt. Lưới cấp 55 W để quạt dùng đúng một nửa;
nửa kia là cái mỏ hàn 30 W nằm trong hộp nhựa gắn tường — đúng cơ chế ăn điện
của đường dây tải điện, chỉ
khác là ở đây người ta cố tình.
Vì sao tụ chặn được dòng mà không đòi công suất
Với điện trở, dòng và áp cùng pha nên v·i không bao giờ âm: năng lượng chỉ
đi một chiều, ra nhiệt. Với tụ, dòng sớm pha đúng 90°: một phần tư chu kỳ nó
nạp và rút của lưới 0,15 jun, một phần tư sau nó xả và trả lại nguyên vẹn
— hai trăm lượt mỗi giây, trung bình cả chu kỳ đúng bằng không: tụ mượn chứ
không tiêu. Nhưng suốt
lúc mượn-trả ấy nó vẫn cản dòng thật, bằng một đại lượng đo bằng ôm mà không
phải điện trở:
X_C = 1/(2πfC) (dung kháng, Ω)
|Z| = √(R² + X_C²) (tổng trở nối tiếp)
P = I²·R (chỉ phần thực mới sinh nhiệt)Tam giác trở kháng: 440 và 762 cũng ra 880
Điện trở và điện kháng không cộng thẳng, chúng cộng vuông góc. Muốn tổng trở
880 Ω khi đã có sẵn 440 Ω của quạt, cạnh đứng phải dài
X_C = 440·√3 = 762 Ω, tức C = 4,18 µF; con tụ thương mại gần nhất,
4,2 µF, cho 0,251 A — lệch chưa tới nửa phần trăm, không tai nào nghe ra.
Cùng 0,25 A, cùng 110 V trên quạt, cùng một tốc độ — nhưng lưới chỉ phải cấp
27,5 W thay vì 55 W. Tụ thật cũng không hoàn hảo: tổn hao điện môi của tụ
màng polypropylen, tan δ ≈ 0,001, đốt khoảng 0,05 W — ít hơn con điện
trở gần 580 lần.
Cái giá nằm ở góc của tam giác: cạnh huyền nghiêng 60°, tức cos φ = 0,50. Dây và aptomat vẫn gánh đủ 0,25 A, trong khi một tải cùng nhận 27,5 W mà không lệch pha chỉ cần 0,125 A — đồng hồ điện sinh hoạt tha cho bạn vì nó chỉ đếm công suất tác dụng.
Cái hộp trên tường nhà bạn đựng gì
Hộp số quạt trần bán ở Việt Nam hầu hết đã là loại tụ: bên trong là bốn năm con tụ màng cỡ 1,5–5 µF, cái núm vặn chỉ làm mỗi việc chọn con nào. Kiểu điện trở sống khoẻ ở chỗ khác — quạt gió điều hoà ô tô: cụm điện trở nằm ngay trong ống gió vì nó cần chính luồng gió ấy để tự làm mát, và là món hỏng vặt kinh điển của xe hơi. Với quạt trần, 27,5 W đốt suốt 8 giờ mỗi ngày là 6,6 kWh mỗi tháng — cỡ 16 500 đồng ở giá 2 500 đồng một kWh: đủ nhỏ để không ai để ý, đủ đều để chạy hết đời chiếc quạt.
Trường hợp biên: hạ tụ xuống 1 µF, rồi nhìn vào bên trong động cơ
Đẩy tụ xuống 1 µF thì công thức tự vạch ra giới hạn của nó: dung kháng vọt lên 3 183 Ω, dòng còn 0,068 A, quạt nhận 2,1 W — mà 2 W không thắng nổi ma sát ổ trục. Quạt đứng im và kêu ù; động cơ đứng im thì trở kháng của nó sụp xuống giá trị hãm, 440 Ω hết là hằng số, và mô hình chết ngay chỗ nó hứa hẹn nhất.
Khoản đốt cuối cùng thì không hộp số nào tránh được, vì nó nằm sau nắp máy. Hạ
áp một động cơ không đồng bộ thì trượt tăng: với mô hình mô-men đơn giản —
mô-men máy tỉ lệ V²·s, mô-men cản của cánh tỉ lệ ω² — động cơ trượt 30% ở
điện áp đầy đủ sẽ trượt 53% ở nửa điện áp. Tốc độ tụt còn hai phần ba, và
phần công suất qua khe từ ở lại đốt rôto tăng từ 30% lên 53%. Nhưng cũng chính
công thức ấy nói nhiệt rôto tính bằng oát lại giảm, còn 79% so với lúc chạy
đầy áp, trong khi gió tự làm mát còn hai phần ba: nóng hơn chừng 1,2 lần trên
mỗi đơn vị gió thổi qua, chứ không phải cái lò mà người ta hay đổ tội. Và trượt
53% cũng có nghĩa ở 110 V động cơ nuốt 49 W chứ không phải 27,5 W — trở kháng
tương đương tụt còn cỡ 250 Ω, nên 4,18 µF là con số của mô hình, không phải con
số để cầm đi mua tụ.