董有利，　王會永，　鄭海鵬，　李向男，　尤振環(huán)

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單相電動機合理選型和使用的節(jié)能研究

董有利1，王會永2，鄭海鵬2，李向男2，尤振環(huán)1

1.黃島出入境檢驗檢疫局山東青島266555 2.山東出入境檢驗檢疫局 工業(yè)品中心山東青島266002

單相電動機選型和使用的節(jié)能研究，可以使電動機及其設(shè)備處于最佳的工作狀態(tài)，既延長使用壽命，又大幅降低能耗。

單相電動機； 選擇； 應(yīng)用； 節(jié)能

單相電動機選型和使用一般都是按照預(yù)定設(shè)計的負載來進行的，在選擇電動機種類和容量時，往往會忽略能耗問題。選擇不恰當會使設(shè)備偏離它的最佳效率工作區(qū)間。單相電動機容量如果選擇過大，會造成電動機在實際使用過程中經(jīng)常處于輕載或空載的狀態(tài)，存在著巨大的能源浪費現(xiàn)象[1]。因此，開展單相電動機合理選型和使用的節(jié)能研究，探索單相電動機的節(jié)能措施，不但可以提高設(shè)備運行效率，還可以節(jié)約能源，為生產(chǎn)生活節(jié)省大量的費用。

1　單相電動機的分類、性能特性及應(yīng)用

單相電動機根據(jù)應(yīng)用類別的差異，一般可分為分相式電動機、電容起動式電動機、永久分相式電容電動機、罩極式電動機、直流微型電動機和交直流電動機等類型。

1.1分相式電動機

分相式電動機有一個鼠籠式轉(zhuǎn)子和主、副兩個定子繞組，能產(chǎn)生一個環(huán)繞定子旋轉(zhuǎn)的磁通，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)一個較大的電流，進而產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。此類電動機廣泛應(yīng)用于電冰箱、洗衣機、空調(diào)等家用電器中。

1.2電容起動式電動機

電容起動式電動機能產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子起動運轉(zhuǎn)。這種電動機結(jié)構(gòu)簡單、起動快速、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用在電風(fēng)扇、排風(fēng)扇、抽油煙機等家用電器中。

1.3永久分相式電容電動機

永久分相式電容電動機的起動轉(zhuǎn)矩較小，因此很適合在排風(fēng)機、抽風(fēng)機等要求起動力矩小的電器設(shè)備中應(yīng)用。

1.4罩極式電動機

罩極式電動機的結(jié)構(gòu)簡單，其電氣性能略差于其它單相電動機，因制作成本低、運行噪聲小，以及對其它電器設(shè)備干擾小等特點，被廣泛應(yīng)用在電風(fēng)扇、電吹風(fēng)、吸塵器等小型家用電器中。

1.5直流微型電動機

直流微型電動機根據(jù)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的串接形式不同，又可分為并激、串激、復(fù)激等幾種類別，該類電動機在錄音機、隨身聽、錄像機、打印機、傳真機等電器中廣泛應(yīng)用。

1.6交直流兩用電動機

交直流兩用電動機在交流或直流供電下，其轉(zhuǎn)速高達20000r/min，同時輸出起動力矩也大，所以交直流兩用電動機盡管電動機體積小，但由于具有轉(zhuǎn)速高、輸出功率大等特點，在洗衣機、吸塵器、排風(fēng)扇等家用電器中得到了應(yīng)用。

綜上所述，由于單相電動機的種種特點及應(yīng)用的場合不同，需要根據(jù)實際情況采購不同類型的電動機，以滿足使用的需要，這樣，既可提高設(shè)備運行效率，又可節(jié)約能源。

2　單相電動機的使用分析

選取三種典型應(yīng)用情況，通過實驗得到各類型單相電動機在特定負載情況下的工作效率，以便選擇和使用合適的電動機。

2.1風(fēng)扇

風(fēng)扇驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和配履帶驅(qū)動兩種。對于直接驅(qū)動的風(fēng)扇，選取罩極式電動機與電阻起動式電動機；對于履帶驅(qū)動的風(fēng)扇，選取電容起動式電動機與雙值電容電動機，測量設(shè)備的效率。

如圖1所示，電動機在四種工作狀態(tài)下驅(qū)動風(fēng)扇工作時，其工作效率隨轉(zhuǎn)速升高而提高，轉(zhuǎn)速較低時，效率提高較慢，轉(zhuǎn)速升高后，工作效率提高較快，在850r/min時，工作效率達到最大值，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

圖1　四種電動機驅(qū)動風(fēng)扇的工作效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

驅(qū)動方式電動機類型功率/W轉(zhuǎn)速/(r·min-1)起動轉(zhuǎn)矩工作效率直接驅(qū)動罩極式電動機37～184850低48%電阻起動式電動機37～368850低62%履帶驅(qū)動電容起動式電動機92～550850中等66%雙值電容電動機92～550850中等81%

由表1中的工作效率實驗數(shù)據(jù)可知，直接驅(qū)動風(fēng)扇時，兩種電動機的起動轉(zhuǎn)矩都較低，罩極電動機的工作效率較低，為48%，電阻起動電動機的效率稍高，為62%。

對履帶驅(qū)動的風(fēng)扇，實驗選取了電容起動式電動機與雙值電容電動機，兩者具有中等的起動轉(zhuǎn)矩，工作效率分別為66%與81%。

由此可以看出，風(fēng)扇負載需要中低起動轉(zhuǎn)矩，分析各自工作效率，電阻起動式電動機更適合直接驅(qū)動的風(fēng)扇，雙值電容電動機更適合履帶驅(qū)動的風(fēng)扇。

2.2泵

泵的工作方式有離心式和容積式兩種，分別選取電容起動式電動機和雙值電容電動機進行實驗，測量設(shè)備的效率。

如圖2所示，電動機在四種工作狀態(tài)下驅(qū)動泵工作時，其工作效率隨轉(zhuǎn)速升高而提高，轉(zhuǎn)速較低時，效率提高較慢，轉(zhuǎn)速升高后，工作效率提高較快，在3450r/min時，工作效率達到最大值，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

圖2　兩種電動機驅(qū)動泵的工作效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

工作方式電動機類型功率/W轉(zhuǎn)速/(r·min-1)起動轉(zhuǎn)矩工作效率離心式電容起動式電動機92～7353450高63%雙值電容電動機92～7353450高84%容積式電容起動式電動機92～7353450高68%雙值電容電動機92～7353450高83%

由表2中的工作效率實驗數(shù)據(jù)可知，電動機驅(qū)動離心泵時，電容起動式電動機的工作效率中等，為63%；雙值電容電動機的效率較高，為84%，兩者的起動轉(zhuǎn)矩都較高。

對于容積泵，實驗同樣分別選取電容起動式電動機與雙值電容電動機，兩者具有較高的起動轉(zhuǎn)矩，工作效率分別為66%與81%。

由此可見，泵在工作時需要電動機提供較高的起動轉(zhuǎn)矩，雙值電容電動機工作效率較高，更適合驅(qū)動離心泵和容積泵。

2.3壓縮機

壓縮機有空氣壓縮機和制冷壓縮機兩種，分別選取電容起動式電動機和雙值電容電動機進行實驗，測量設(shè)備的效率。

圖3　四種電動機驅(qū)動壓縮機時工作效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

如圖3所示，電動機在四種工作狀態(tài)下驅(qū)動壓縮機工作時，其工作效率隨轉(zhuǎn)速升高而提高，轉(zhuǎn)速較低時，效率提高較慢，轉(zhuǎn)速升高后，工作效率提高較快，在3450r/min時，工作效率達到最大值，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3　壓縮機為負載時電動機工作效率實驗測量數(shù)據(jù)

由表3中的工作效率實驗數(shù)據(jù)可知，電動機驅(qū)動空氣壓縮機時，電容起動式電動機的工作效率中等，為60%，雙值電容電動機的效率較低，為50%，兩者的起動轉(zhuǎn)矩都較高。

對于制冷壓縮機，實驗選取了電容起動式電動機與雙值電容電動機，兩者具有較高的起動轉(zhuǎn)矩，工作效率分別為67%與85%。

由此可見，壓縮機在工作時需要電動機提供較高的起動轉(zhuǎn)矩，分析各自工作效率，電容起動式電動機更適合驅(qū)動空氣壓縮機，雙值電容電動機更適合驅(qū)動制冷壓縮機。

3　單相電動機使用的影響因素及節(jié)能原則

3.1單相電動機使用的影響因素

3.1.1短時或周期斷續(xù)工作制運行

涉及開罐器、真空吸塵器、手持式工具、混和器、攪拌機、電動剃須刀等的應(yīng)用都屬于此范疇。由于這些應(yīng)用都是短時運行，即使電動機或系統(tǒng)效率大幅度提高，對于整個能量消耗來說，也可以忽略不計。

3.1.2電動機轉(zhuǎn)速

盡管2極電動機通常都具有較高的效率，但是由于被驅(qū)動設(shè)備需要齒輪或皮帶減速，所以系統(tǒng)效率可能比4、6、8極電動機的效率更低，因為使用這些電動機不需要減速。

3.1.3負載

要盡量避免“大馬拉小車”、輕載甚至空載運行的情況，因為這會導(dǎo)致電動機的功率因數(shù)降低，增大耗用無功的比例，增加能量的損耗[2]。所以，電動機的容量需要根據(jù)負載的情況進行選擇，使之與機械負載功率相匹配。提高負載率是提高電動機能量利用率的主要方式，表4是某型號電動機負載率與功率因數(shù)的關(guān)系。

表4　電動機負載率與功率因數(shù)的關(guān)系

由表4可知，電動機的功率因數(shù)隨著負載率的提高而提高，如果能夠合理選擇電動機的容量，就能提高其功率因數(shù)，自然能達到節(jié)約電能的目的。

3.2單相電動機合理選型和使用的節(jié)能原則

在選擇單相電動機驅(qū)動設(shè)備時，必定要考慮整個電機系統(tǒng)的效率[3]。綜合前面幾節(jié)的研究結(jié)果，總結(jié)出如下單相電動機選擇和使用的節(jié)能原則。

(1) 短時或周期斷續(xù)工作制運行的電動機，其選擇和使用對于整個能量消耗的影響很小，可以不考慮。

(2) 盡量匹配被驅(qū)動設(shè)備與電動機的轉(zhuǎn)速，若需使用減速或傳動裝置，建議大轉(zhuǎn)矩工況優(yōu)先使用齒輪傳動方式，小轉(zhuǎn)矩工況優(yōu)先使用皮帶傳動方式。

(3) 分析負載特性，根據(jù)負載的情況選擇電動機的容量，使之與機械負載功率相匹配。

(4) 結(jié)合各類型單相電動機自身性能特性，進行電動機類型選擇。

(5) 選擇額定功率滿足最大負載率的電動機。

(6) 充分考慮極數(shù)對能耗的影響，選擇極數(shù)合適的電動機。

4　結(jié)論

通過研究單相電動機特點、負載特性、使用的影響因素，提出了單相電動機合理選型和使用的節(jié)能原則，該原則是在生產(chǎn)過程中推動節(jié)能的有效措施，可以大幅降低設(shè)備的能耗，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

[1] 潘知意，陳名利.異步電機的節(jié)能使用[J].大眾科技，2013，15(1)： 63-64.

[2] 秦和.電動機能效水平與節(jié)能[J].電世界，2003(2)： 11-13.

[3] 陳偉華，秀英，姚鵬.電機及其系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述[J].電氣技術(shù)，2008(9)： 13-22.

Energy-saving research for single-phase motor lectotype and application can make motors and their equipment in top working condition, while extending their service life and reducing energy consumption significantly .

Single-phase Motor； Selection； Application； Energy-saving

2015年11月

董有利(1981—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事機電產(chǎn)品檢驗監(jiān)管工作，

E-mail： dongyouli@163.com

TM32

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1674-540X(2016)01-014-04