带实际负载运行的电动机效率确定方法探讨

姚 磊 张传甲 程 磊 刁兴为 柳也东

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

小功率电动机广泛应用于电风扇、电冰箱、洗衣机、空调器、电吹风、吸尘器、油烟机、洗碗机、电动缝纫机、食品加工机等家用电器及各种电动工具、小型机电设备中，功率分布从几瓦到几百瓦不等。在“十一五”发展规划中提出大力发展节约型经济，我国于2005年3月正式推出能效标识制度，家电是应用最广的产品，目前空气调节器、电冰箱、洗衣机、电风扇、吸排油烟机家电产品均已纳入能效标识管理目录。但是针对应用广泛的各类小功率电动机并没有单独纳入能效标识管理，因此家用电器在选择的电动机是否在电机最高效率点工作，并没有特别要求，小马拉大车或者大马拉小车显现非常常见。

1 带实际负载运行的小功率电动机效率问题

1）效率计算方法

小功率电动机目前实施的效率等级标准为GB/T 25958-2010《小功率电动机能效限定值及能效等级》，国外能效等级标准为IEC 60034-30-1:2014《Rotating electrical machines-Part30-1:Efficiency classes of operated AC motors(IE code)》，对应测试方法分别为GB/T 9651-2008 《单相异步电动机试验方法》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）进行计算，在额定输出功率下测得。计算公式如下：

其中：

η效率（100 %）

P输出功率（W）

P0输入功率（W）

电动机输出功率（P）与输出转矩（T）、转速（n）对应关系如下：

T=9 550* P/ n

由此也得出换型公式：

式中：

T—转矩，单位为（N.m）；

P—功率，单位为（kW）；

n—转速，单位为（r/min)；

其中9 550是常数（计算系数）。

2）大马拉小车，运行效率低下

实测一台参数为220 V 50 Hz 20 W 6 P的空调用电容运转异步电动机，特性曲线如图1所示，该电机同步转速1 000 r/min，根据特性曲线图1和曲线特征点表1所示，该电机最高效率点效率40.1 %，对应的转速为787 r/min，额定功率效率点效率33.0 %，对应的转速为890 r/min。可以看出该电机铭牌上明示的工作点并不是电机最大效率点，电机的输出能力没有完全发挥出来，存在大马拉小车、工作效率低的情况。

图1 20 W电机工作特性曲线

表1 20 W电机工作特性点

3）小马拉大车，运行效率低下

实测一台电机参数为230 V 50 Hz 22 W 6 P的吸排油烟机用电动机，特性曲线如图2所示，该电机同步转速1 000 r/min，根据特性曲线图2和曲线特征点表2所示，该电机最高效率点效率42.2 %，对应的转速为872 r/min，额定功率效率点效率39.7 %，对应的转速为908 r/min。可以看出该电机铭牌上明示的工作点并不是电机最大效率点，电机的工作在过载状态下，存在小马拉大车、工作效率低的情况。

以上两个实测案例可以看出，家电作为整机产品在选用电机时，有时并没有考虑电机工作的最优状态，即电机运行的最高效率点，而按照小功率电机能效限定值标准标准，电动机按照实际的额定输出功率负载下进行测试，所以在根据电动机铭牌明示的额定输出状态进行测试，实际额定状态下所测得的效率往往达不到标准限值要求。也存在电机本身满足小功率电机能效限定值指标，而实际应用不能满足能耗要求的情况，并且问题比较突出。

图2 22 W电机工作特性曲线

表2 22 W电机工作特性点

2 带实际负载运行电动机功率选择与不同功率点下的效率测试方法

应当充分考虑电动机的工作特性，根据实际负载情况来选择电机功率，使得电机尽可能工作在最优效率，既不要小马拉大车，也不要大马拉小车，如果电机功率选择与整机家电产品不匹配会带来如下问题：

1）“大马拉小车”，电动机功率大于整机需求功率，会导致电动机运行在轻负载状态下，输出能力不能得到有效利用，电机不能运行在最高效率区，造成电能损耗。

2）“小马拉大车”，电动机功率小于整机需求功率，会导致电动机运行在过负荷状态，往往伴随着温升过高，降低绝缘性能，一方面影响输出性能，另一方面带来安全隐患。

3）上述两种情况往往伴随着电动机额定工作点效率值低于能效限定值要求。

做好电动机功率和整机的匹配，是电动机高效运行的前提，对于工作制S1的恒定输出电动机，整机输入功率和电动机输出功率可以按照如下确定：

式中：

η1为传动装置的效率；

η2为电动机本体效率；

P1为整机家电输入功率；

P电动机轴端输出功率。

由上式可以看出，整机输出功率需要考虑电动机本体运行效率和机械传动装置的效率，对于没有外部传动装置的电机η1取值1。根据整机功率算得到的功率P充分考虑了电动机自身的效率和外部传动装置的传动效率，保证了电机功率有一定的余量，也可以最优满足电器对电机功率的匹配，因此计算法可以相对精确的做到电机与整机的功率上的匹配匹配，运行效率相对较高。

此外，电动机在特定工作状态下的运行效率需要测试得出，来验证整机功率、电动机功率、电动机运行效率之间的匹配情况，保证电机铭牌上的额定数据与实际状态保持一致。结合实验室中数据分析和实际经验可得，当电动机在实际负载状态下运行，测得电动机运行电流低于铭牌明示额定电流的30 %，认为电动机的功率比整机功率需求过大，存在上文所述的“大马拉小车”现象。当电动机在实际负载状态下运行，测得的电动机运行电流高于铭牌明示额定电流的40 %，认为电动机的功率比整机功率需求过小，存在上文所述的“小马拉大车”现象。因此，在进行电动机效率测试时，需要根据实际情况考虑70 %额定负载、100 %额定负载、140 %额定负载三个工作点的效率值。

3 带实际负载运行电动机运行转速下的效率测试方法

电动机本身确定了额定运行参数后，输出功率、转速、转矩是相互匹配，保证了电机可以在一个相对高效的区域输出。但实际上，家电的种类多种多样，导致了电机所带负载的形式也多种多样，比如风扇类电机的扇叶负载、空调器电机的风轮负载、搅拌器的食物负载、水泵电机的水负载、洗衣机的洗涤物负载等，电动机在带实际负载运行时，运行参数会与在测功机上测定的运行参数有差别。比如转速的差别，相同的输出功率下，电动机标定的额定转速与带实际负载会有一定的差别，如果只是额定转速时测定电机运行效率，此时并不能真是的反应电机实际运行效率，因此当电机实际运行转速与额定标称转速相差较大时，需要测试实际工作状态下的转速，来作为电动机效率测试的运行参数。

另外，家用电器上的电机往往会存在多档位情况，每个档位会对应一个输出参数，而目前电机往往只是在铭牌上标识最高功率对应的参数，低档位参数并没有标记，电机的效率指标也是按照最高功率来考核。低档位状态下的电机可能运行在低效率运行区域，从节约能源的角度来考虑，电动机每一个档位都应该满足小功率电机能效指标。因为目前电机的铭牌也没有强制在铭牌上标记所有档位的运行参数，所以该观点只作为探讨性研究问题提出。

4 结论

因此，当电动机铭牌参数与电机实际的工作能力相差较大的情况下，在进行电动机效率测试时，应当测试电机在70 %额定负载、100 %额定负载、140 %额定负载三个工作点的效率值，全面考核电动机在不同输出状态下的效率值，充分考虑到电机在实际应用中由于选型不合理可能存在的过载和轻载的情况。这种效率测试方法可以有效的促使整机产品在对电机选型时，尽量按照电机实际的输出能力来匹配整机产品，从来减少电机效率低带来的电能损耗，也能够减少由于过载带来的电机过热安全隐患等一系列问题。

同时，对于实际运行转速与标识转速不一致的电动机以及多档位电动机，需要考虑工作参数差异下的效率指标满足性。