帶實際負(fù)載運行的電動機效率確定方法探討

姚 磊 張傳甲 程 磊 刁興為 柳也東

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

小功率電動機廣泛應(yīng)用于電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機、空調(diào)器、電吹風(fēng)、吸塵器、油煙機、洗碗機、電動縫紉機、食品加工機等家用電器及各種電動工具、小型機電設(shè)備中，功率分布從幾瓦到幾百瓦不等。在“十一五”發(fā)展規(guī)劃中提出大力發(fā)展節(jié)約型經(jīng)濟，我國于2005年3月正式推出能效標(biāo)識制度，家電是應(yīng)用最廣的產(chǎn)品，目前空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、洗衣機、電風(fēng)扇、吸排油煙機家電產(chǎn)品均已納入能效標(biāo)識管理目錄。但是針對應(yīng)用廣泛的各類小功率電動機并沒有單獨納入能效標(biāo)識管理，因此家用電器在選擇的電動機是否在電機最高效率點工作，并沒有特別要求，小馬拉大車或者大馬拉小車顯現(xiàn)非常常見。

1 帶實際負(fù)載運行的小功率電動機效率問題

1）效率計算方法

小功率電動機目前實施的效率等級標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 25958-2010《小功率電動機能效限定值及能效等級》，國外能效等級標(biāo)準(zhǔn)為IEC 60034-30-1:2014《Rotating electrical machines-Part30-1:Efficiency classes of operated AC motors(IE code)》，對應(yīng)測試方法分別為GB/T 9651-2008 《單相異步電動機試驗方法》和IEC 60034-2-1:2014《Rotating electrical machines - Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests(excluding machines for traction vehicles)》，效率采用直接法（A法）進行計算，在額定輸出功率下測得。計算公式如下：

其中：

η效率（100 %）

P輸出功率（W）

P0輸入功率（W）

電動機輸出功率（P）與輸出轉(zhuǎn)矩（T）、轉(zhuǎn)速（n）對應(yīng)關(guān)系如下：

T=9 550* P/ n

由此也得出換型公式：

式中：

T—轉(zhuǎn)矩，單位為（N.m）；

P—功率，單位為（kW）；

n—轉(zhuǎn)速，單位為（r/min)；

其中9 550是常數(shù)（計算系數(shù)）。

2）大馬拉小車，運行效率低下

實測一臺參數(shù)為220 V 50 Hz 20 W 6 P的空調(diào)用電容運轉(zhuǎn)異步電動機，特性曲線如圖1所示，該電機同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，根據(jù)特性曲線圖1和曲線特征點表1所示，該電機最高效率點效率40.1 %，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為787 r/min，額定功率效率點效率33.0 %，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為890 r/min?？梢钥闯鲈撾姍C銘牌上明示的工作點并不是電機最大效率點，電機的輸出能力沒有完全發(fā)揮出來，存在大馬拉小車、工作效率低的情況。

圖1 20 W電機工作特性曲線

表1 20 W電機工作特性點

3）小馬拉大車，運行效率低下

實測一臺電機參數(shù)為230 V 50 Hz 22 W 6 P的吸排油煙機用電動機，特性曲線如圖2所示，該電機同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，根據(jù)特性曲線圖2和曲線特征點表2所示，該電機最高效率點效率42.2 %，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為872 r/min，額定功率效率點效率39.7 %，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為908 r/min。可以看出該電機銘牌上明示的工作點并不是電機最大效率點，電機的工作在過載狀態(tài)下，存在小馬拉大車、工作效率低的情況。

以上兩個實測案例可以看出，家電作為整機產(chǎn)品在選用電機時，有時并沒有考慮電機工作的最優(yōu)狀態(tài)，即電機運行的最高效率點，而按照小功率電機能效限定值標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，電動機按照實際的額定輸出功率負(fù)載下進行測試，所以在根據(jù)電動機銘牌明示的額定輸出狀態(tài)進行測試，實際額定狀態(tài)下所測得的效率往往達不到標(biāo)準(zhǔn)限值要求。也存在電機本身滿足小功率電機能效限定值指標(biāo)，而實際應(yīng)用不能滿足能耗要求的情況，并且問題比較突出。

圖2 22 W電機工作特性曲線

表2 22 W電機工作特性點

2 帶實際負(fù)載運行電動機功率選擇與不同功率點下的效率測試方法

應(yīng)當(dāng)充分考慮電動機的工作特性，根據(jù)實際負(fù)載情況來選擇電機功率，使得電機盡可能工作在最優(yōu)效率，既不要小馬拉大車，也不要大馬拉小車，如果電機功率選擇與整機家電產(chǎn)品不匹配會帶來如下問題：

1）“大馬拉小車”，電動機功率大于整機需求功率，會導(dǎo)致電動機運行在輕負(fù)載狀態(tài)下，輸出能力不能得到有效利用，電機不能運行在最高效率區(qū)，造成電能損耗。

2）“小馬拉大車”，電動機功率小于整機需求功率，會導(dǎo)致電動機運行在過負(fù)荷狀態(tài)，往往伴隨著溫升過高，降低絕緣性能，一方面影響輸出性能，另一方面帶來安全隱患。

3）上述兩種情況往往伴隨著電動機額定工作點效率值低于能效限定值要求。

做好電動機功率和整機的匹配，是電動機高效運行的前提，對于工作制S1的恒定輸出電動機，整機輸入功率和電動機輸出功率可以按照如下確定：

式中：

η1為傳動裝置的效率；

η2為電動機本體效率；

P1為整機家電輸入功率；

P電動機軸端輸出功率。

由上式可以看出，整機輸出功率需要考慮電動機本體運行效率和機械傳動裝置的效率，對于沒有外部傳動裝置的電機η1取值1。根據(jù)整機功率算得到的功率P充分考慮了電動機自身的效率和外部傳動裝置的傳動效率，保證了電機功率有一定的余量，也可以最優(yōu)滿足電器對電機功率的匹配，因此計算法可以相對精確的做到電機與整機的功率上的匹配匹配，運行效率相對較高。

此外，電動機在特定工作狀態(tài)下的運行效率需要測試得出，來驗證整機功率、電動機功率、電動機運行效率之間的匹配情況，保證電機銘牌上的額定數(shù)據(jù)與實際狀態(tài)保持一致。結(jié)合實驗室中數(shù)據(jù)分析和實際經(jīng)驗可得，當(dāng)電動機在實際負(fù)載狀態(tài)下運行，測得電動機運行電流低于銘牌明示額定電流的30 %，認(rèn)為電動機的功率比整機功率需求過大，存在上文所述的“大馬拉小車”現(xiàn)象。當(dāng)電動機在實際負(fù)載狀態(tài)下運行，測得的電動機運行電流高于銘牌明示額定電流的40 %，認(rèn)為電動機的功率比整機功率需求過小，存在上文所述的“小馬拉大車”現(xiàn)象。因此，在進行電動機效率測試時，需要根據(jù)實際情況考慮70 %額定負(fù)載、100 %額定負(fù)載、140 %額定負(fù)載三個工作點的效率值。

3 帶實際負(fù)載運行電動機運行轉(zhuǎn)速下的效率測試方法

電動機本身確定了額定運行參數(shù)后，輸出功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩是相互匹配，保證了電機可以在一個相對高效的區(qū)域輸出。但實際上，家電的種類多種多樣，導(dǎo)致了電機所帶負(fù)載的形式也多種多樣，比如風(fēng)扇類電機的扇葉負(fù)載、空調(diào)器電機的風(fēng)輪負(fù)載、攪拌器的食物負(fù)載、水泵電機的水負(fù)載、洗衣機的洗滌物負(fù)載等，電動機在帶實際負(fù)載運行時，運行參數(shù)會與在測功機上測定的運行參數(shù)有差別。比如轉(zhuǎn)速的差別，相同的輸出功率下，電動機標(biāo)定的額定轉(zhuǎn)速與帶實際負(fù)載會有一定的差別，如果只是額定轉(zhuǎn)速時測定電機運行效率，此時并不能真是的反應(yīng)電機實際運行效率，因此當(dāng)電機實際運行轉(zhuǎn)速與額定標(biāo)稱轉(zhuǎn)速相差較大時，需要測試實際工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，來作為電動機效率測試的運行參數(shù)。

另外，家用電器上的電機往往會存在多檔位情況，每個檔位會對應(yīng)一個輸出參數(shù)，而目前電機往往只是在銘牌上標(biāo)識最高功率對應(yīng)的參數(shù)，低檔位參數(shù)并沒有標(biāo)記，電機的效率指標(biāo)也是按照最高功率來考核。低檔位狀態(tài)下的電機可能運行在低效率運行區(qū)域，從節(jié)約能源的角度來考慮，電動機每一個檔位都應(yīng)該滿足小功率電機能效指標(biāo)。因為目前電機的銘牌也沒有強制在銘牌上標(biāo)記所有檔位的運行參數(shù)，所以該觀點只作為探討性研究問題提出。

4 結(jié)論

因此，當(dāng)電動機銘牌參數(shù)與電機實際的工作能力相差較大的情況下，在進行電動機效率測試時，應(yīng)當(dāng)測試電機在70 %額定負(fù)載、100 %額定負(fù)載、140 %額定負(fù)載三個工作點的效率值，全面考核電動機在不同輸出狀態(tài)下的效率值，充分考慮到電機在實際應(yīng)用中由于選型不合理可能存在的過載和輕載的情況。這種效率測試方法可以有效的促使整機產(chǎn)品在對電機選型時，盡量按照電機實際的輸出能力來匹配整機產(chǎn)品，從來減少電機效率低帶來的電能損耗，也能夠減少由于過載帶來的電機過熱安全隱患等一系列問題。

同時，對于實際運行轉(zhuǎn)速與標(biāo)識轉(zhuǎn)速不一致的電動機以及多檔位電動機，需要考慮工作參數(shù)差異下的效率指標(biāo)滿足性。