单相感应电动机

转矩-转速特性与电动机和负载的匹配

要读懂 single phase induction motor的转矩-转速曲线，请从左到右逐段来看：

• 堵转（起动）转矩： 零转速时的转矩；它必须超过负载的起步转矩。
• 起动最小转矩（pull-up）： 加速过程中的最低点；负载在整个升速过程中都必须低于它。
• 最大转矩（崩溃转矩）： 即峰值。若使一台 单相感应电动机 超过该点，电动机便会停转。 
• 满载转矩： 即额定工作点，位于略低于同步转速处陡峭、近乎直线的区段。在该区域，转速的小幅下降会带来转矩的大幅上升。

典型起动转矩占满载转矩的百分比：

负载匹配可由曲线推出。风扇和离心鼓风机具有平方律转矩：静止时几乎为零，随转速的平方上升。曲线平缓的 PSC 或罩极电动机适合它们。需要克服压头起动的容积式压缩机、满载输送机，以及密封粘滞或部分卡阻的水泵，则需要高起步转矩，这意味着应选用电容起动或双值电容电动机。

两倍频转矩脉动始终存在于 单相感应电机中。在仅靠主绕组运行的开关型电动机中它最强，而在配有合适容量运行电容的电动机中最弱。它表现为 100/120 Hz 的嗡鸣、传入机座的振动，以及刚性安装件的疲劳。因此，家电和暖通空调风扇电动机通常安装在弹性橡胶圈或隔振支座中。

单相感应电动机的类型及其起动方式

这五种类型只在两个方面有所不同：辅助电路如何产生相移，以及电动机达到转速后它是否保持接通。

分相（电阻起动）感应电动机

在分相 single phase induction motor中，高电阻辅助绕组在两个电流之间只产生约 25–30 度的相位差。这足以起动电动机，但会形成一个微弱的椭圆形磁场。离心开关（在小型全封闭机组中则为电流继电器）在约四分之三同步转速时断开该绕组。起动转矩不大。由于两个电流几乎同相、近乎直接相加，起动电流很高。起动属于严格的断续工作。这种 单相感应电动机 的典型容量为 60 W 至 0.75 kW，用于驱动小型皮带风扇、台式砂轮机、洗衣机和办公设备。最主要的故障是频繁起动或缓慢加速，使绕得很细的辅助绕组过热烧毁。

电容起动感应运行电动机

与辅助绕组串联的电解起动电容使该绕组的电流超前于电压。这使相位差接近 90 度，在中等起动电流下提供该系列中最高的起动转矩。电容和辅助绕组在达速后切除，因此运行性能与普通 单相感应电机相同。起动电容的容量从 1/4 hp 电机的约 60–110 µF 到 1 hp 115 V 电机的 216–300 µF 不等，额定 125 或 250 VAC。其工作上限通常为每小时 20 次起动，每次约三秒。超过该限值是电容爆裂的典型原因。应用包括制冷和空气压缩机、喷射泵和深井泵、输送机以及农用设备。

电容起动电容运行（双值电容）电动机

这种类型在由开关或电压继电器切除的大容量电解起动电容之外，再增加一个较小的、可连续工作的薄膜运行电容，并始终留在电路中。它既获得了电容起动设计的高起动转矩，又有更好的运行功率因数和效率、更低的运行电流，以及明显减小的 100/120 Hz 脉动，因为电动机在额定负载下接近对称两相运行。其代价是两个电容、一个开关或继电器以及更高的价格。它是常见的 single phase induction motor 选择，适用于更大型水泵、空气压缩机，以及功率约 3 kW 以内的木工和金工机床。

永久分相电容（PSC）单相感应电动机

一个运行电容始终与辅助绕组串联。由于没有开关和继电器，它非常可靠，也是最安静的小型 单相感应电动机。由于该电容是按运行而非起动来选型的，起动转矩较低，这使 PSC 电动机仅限于风扇、鼓风机和直驱负载。其运行效率和功率因数良好。由于没有任何部件随转速切换，PSC 可承受基于电压和基于变频器的调速。当主绕组与辅助绕组相同时，将电容从一个绕组切换到另一个绕组即可改变旋转方向。可逆的闸门和执行器电动机正是依此工作的。

罩极式单相感应电机

罩极 单相感应电机 的定子具有凸极。每个极面局部套有一只厚铜罩极环，延迟该部分的磁通，使磁场从未罩极侧扫向罩极侧并带动转子。这种电动机极其简单、廉价，没有电容或开关。另一方面，其起动转矩很低、效率差（通常为 20–30%，有时更低），旋转方向由罩极环的位置固定。其容量从几瓦到约 100 W，用于烤箱、冰箱和冰柜的蒸发器风扇、加湿器和小型鼓风机。效率法规正不断推动这些应用转向电子换向（EC）电动机。美国能源部资助的橡树岭国家实验室对商用制冷蒸发器风扇的一项研究表明，最先进的 EC 电动机效率约为 66%，而罩极式机组约为 20%，PSC 电动机约为 29%。

单相感应电动机的等效电路

对于 单相感应电动机 而言，其等效电路将双旋转磁场理论转化为电路图。它从定子开始：绕组电阻和漏电抗串联，承载全部线电流。之后，电路分为两个串联部分——一个代表正向磁场，一个代表反向磁场。每部分含有一半的励磁电抗以及一半的转子漏电抗和电阻。每个支路中的转子电阻取决于转差。在正向支路中，它在接近运行转速时显得很大，代表所转换的机械功率。在反向支路中，它显得很小，接近其静止值的一半，代表制动转矩和额外的热量。

静止时两个支路完全相同，这使零起动转矩显而易见。接近额定转速时，正向支路承担大部分电压，而反向支路成为一条小的损耗路径。

借助该电路，工程师仅凭少量参数即可预测任意转差下的输入电流、功率因数、转矩、损耗和效率，而无需制造 single phase induction motor。同样的参数可输入 电动机的仿真模型 及其控制器，包括在 FPGA 或 CPU 目标上运行的实时模型，用于 硬件在环 工作中，此时电器控制板或驱动器与仿真电机交互。

当辅助绕组保持接通时（如 PSC 和双值电容电动机），简单模型就不够用了。此时将电动机视为不对称的两相电机。主电流和辅助电流被分解为正向和反向分量（双绕组旋转磁场模型），电容和匝数比也显式地出现在模型中。

空载试验与堵转试验

这两项台架试验用于提取 single phase induction motor的等效电路参数。两项试验均在辅助电路断开的情况下进行，但运行电容型设计除外——此时试验方案必须将其考虑在内。

空载试验。 让 单相感应电动机 在额定电压和频率下空载（脱开联轴）运行，电动机达速后辅助电路断开。记录电压、电流、输入功率和转速。转差接近零，因此输入功率几乎全部为铁耗加摩擦和风阻损耗。在若干降低的电压下重复试验可将两者分离，因为摩擦和风阻损耗保持恒定，而铁耗随电压下降。电流和功率因数确定励磁支路。

堵转试验。 锁住转轴（辅助绕组断开时电动机本来也无法起动）。逐步升高降低后的电压直至额定电流流过，然后记录电压、电流和功率。此时励磁电流可忽略，因此读数给出串联阻抗：定子加转子电阻和漏电抗，以及满电流铜耗。

实用注意事项：

• 堵转测量应控制在几秒内；在没有冷却的情况下绕组升温很快。
• 在每次试验前后记录绕组的直流电阻和温度，并将电阻修正到参考温度。
• 使用真有效值（true-RMS）功率分析仪。空载电流因磁饱和而畸变，且功率因数低，这两点都会使平均值响应式仪表失准。
• 使用可编程交流电源而非调压器，以确保电压、频率、波形和上升速率在每次运行之间以及不同实验室之间保持一致。

单相与三相感应电动机对比

三相电动机直接从其电源产生一个恒幅旋转磁场。单相电动机则必须“模拟”出一个。两者之间几乎所有差异都由此而来。

在约 2 kW 以上，采用由单相输入变频器或相位变换器供电的三相电动机通常是更好的选择。这一方案会改变安装条件。变频器每根导体的输入电流远高于电动机的线电流，因此馈线和断路器必须按变频器的单相输入额定值来选型。按三相额定的变频器在单相输入下运行时，通常降额至其铭牌功率的约一半。电动机电缆长度、屏蔽和接地都需要注意。作为回报，电动机获得了软起动、变速能力，且没有会失效的起动开关。

单相感应电动机的调速

控制 single phase induction motor转速有三种实用途径，每种都有其局限：

• 电压控制： 抽头主绕组、自耦变压器或三端双向晶闸管（triac）相角控制器降低电压，使 单相感应电动机 便沿其转矩曲线进一步下滑。这仅适用于带高电阻转子的风扇型负载，如 PSC 和罩极电动机。转矩大致随电压的平方下降，转差损耗在转子中变成热量，低速转矩则消失。
• 变极： 将绕组重新接成例如 2 极或 4 极，可获得固定的离散转速。常见于洗衣机、多速风扇和家电电动机中。
• 变频器： 采用单相输入、三相输出的变频器配三相电动机是标准的改造方案。市面上有专用于 PSC 电动机的单相变频器。不过，大多数通用变频器在不重新接线的情况下无法驱动运行电容电动机：运行电容会承受变频器的快速开关输出，吸取具有破坏性的电流尖峰，且其电抗随频率变化。分相和电容起动电动机也会出现异常，因为离心开关在低速时会重新闭合。

转差不可避免，因为没有它转子就不会感应出电流，也不会产生转矩。随着负载增加，转速下降几个百分点。在转速必须严格调节的场合，通常的做法是采用另一种电动机技术——例如 EC 电动机或永磁电动机，或配闭环驱动的三相电动机——而不是继续给原来的电动机增加更多控制，即 single phase induction motor.

单相感应电动机的效率、损耗与功率因数

一台 单相感应电机 的损耗构成有五个部分：

• 定子铜耗： 通常最大，因为一个绕组承载全部电流。
• 转子铜耗： 包括接近两倍电源频率的反向磁场电流所产生的额外损耗。
• 铁耗： 叠片中的磁滞和涡流。
• 摩擦与风阻损耗： 轴承和冷却风扇。
• 杂散负载损耗： 谐波磁通、槽效应和表面损耗。

典型满载效率范围：罩极电动机为 20–40%，小功率分相和电容起动电机为 50–60%，PSC 电动机为 55–70%，设计良好的 1–3 kW 双值电容电动机可达约 70–80%。一台小型 单相感应电动机 因结构原因而不敌其三相对应产品：一个绕组承载全部电流，反向磁场增加转子损耗却不贡献转矩，且小机座中较大的励磁电流会拉低功率因数。NEMA 则从反面体现了这一点——要求小型多相电动机至少提供同额定值单相电动机崩溃转矩的 140%。

在 single phase induction motor中，运行电容提供超前的无功电流，用以抵消滞后的励磁电流。这使功率因数从开关型电动机的约 0.6–0.7 提升到 PSC 和双值设计中的 0.8–0.95 或更高，并在相同输出下降低线电流。

当 单相感应电动机 在偏离额定工况下运行时，应预期降额。电动机通常按 ±10% 电压设计。电压偏低时，转矩随电压的平方下降，电流上升。电压偏高时，励磁电流和铁耗增加。在环境温度高于 40 °C 或海拔高于 1000 m 时，必须降低输出以保持绝缘等级的温度限值。

效率等级由适用于市电运行交流电动机的 IEC 分级标准（IE 代码）定义，该标准涵盖 0.12 kW 至 1000 kW 的电动机，包括 单相感应电机。对于四极 50 Hz 电动机，该标准的 IE2 最低值为：0.12 kW 时 59.1%，0.37 kW 时 72.7%，0.75 kW 时 79.6%，2.2 kW 时 84.3%。损耗采用 IEC 损耗测量方法标准或 IEEE 单相感应电动机试验规程测量，美国能源部的法规对单相小型电动机以引用方式采纳了后者。自 2023 年 7 月 1 日起，欧盟电动机生态设计法规要求额定 0.12 kW 及以上的单相电动机至少达到 IE2，而许多罩极和分相设计无法达到这一水平。

单相感应电动机的行业应用

适合每个行业的 single phase induction motor 取决于其转矩曲线和工作制：

• 暖通空调与制冷： PSC 电动机用于驱动冷凝器风扇和空气处理机组，因为它们安静，且较低的起动转矩适合风扇负载。全封闭压缩机采用 PTC 或继电器起动的分相或电容起动设计，较大机组则采用 CSCR 设计，因为它们必须克服压头起动。
• 给水与污水泵送： 喷射泵、深井泵和污水泵采用电容起动或双值设计，以克服密封摩擦和静态扬程所需的起步转矩。潜水泵常使用 CSCR 控制盒。
• 农业： 粮食绞龙、喂料机、畜舍通风和牛奶冷却压缩机在带载起动时采用电容起动或 CSCR 电动机，通风风扇则采用 PSC 电动机。
• 楼宇设备： 循环泵、门驱动器和通风风扇采用 PSC 电动机，因其可逆性和安静运行而受青睐。
• 家电与消费品： 洗衣机采用变极或 PSC 电动机，而干衣机、洗碗机和抽油烟机则根据成本和工作制选用分相、PSC 或罩极电动机。
• 车间机械： 台锯、台钻、车床和空气压缩机采用电容起动或双值电动机，以获得高起步转矩并适应频繁的带载起动。
• 电动汽车充电 与电信机柜冷却： PSC 或罩极风扇以固定转速连续运行，在这些场合可靠性比效率更重要。
• 离网与太阳能泵送： 太阳能  必须耐受逆变器的浪涌限制，因此低起动电流与转矩同等重要。
• 教学实验室: 一台分相或电容起动 单相感应电动机 （带便于接触的开关）可用于演示起动、等效电路以及空载和堵转试验。

单相感应电动机的故障、症状与排查

单相电动机嗡嗡作响但无法起动。 起动电路未产生相移电流，或负载被卡住。请检查：

• 辅助绕组开路
• 起动或运行电容失效（开路或容量下降）
• 离心开关卡在断开位置，或继电器无法吸合
• 轴承卡死或负载卡阻

一个快速测试：在通电情况下用安全的方法用手转动 单相感应电动机 的轴。如果电动机随后转动起来，故障就在起动电路中。

运行过热。 可能的原因包括过压或欠压、通风受阻或风扇罩堵塞、机械过载、起动开关始终不断开，或匝间短路。

运行缓慢或带载时停转。 可能的原因包括电源电压偏低或布线线径不足、运行电容选型错误或老化、轴承磨损，或负载超过崩溃转矩。

热保护反复跳闸。 请排查每小时起动次数过多、环境温度过高、起动时电压偏低，或电容失效导致加速时间延长等情况。

噪声与振动。 原因包括轴承磨损、端盖或贯穿螺栓松动、转子摩擦，以及固有的 100/120 Hz 脉动——安装件必须将其隔离。

电容鼓胀、漏液或泄压。 这意味着过压、起动负担过重、过热或达到寿命终点。更换时应采用相同的 µF 值和相等或更高的额定电压。

以下确认性测量针对 单相感应电动机:

• 绕组电阻： 辅助绕组的读数通常高于主绕组。开路或极低的读数表明发生故障。
• 绝缘电阻： 用兆欧表测量绕组对机壳的绝缘；低于约 1 MΩ 时需要检查。
• 电容量： 在安全放电后，用电容表测量电容。若运行电容低于额定值约 6–10% 以上，则应更换。
• 运行电流： 在已知电压下与铭牌满载电流进行比较。
• 空载转速： 它应略低于同步转速。空载转速偏低表明转子或电源存在问题。

单相感应电动机的测试与验证方法

一台 single phase induction motor 的完整验证链从简单检查一直延伸到长时间运行：

1. 铭牌核对： 电压、频率、满载电流、转速、使用系数、绝缘等级、电容值。
2. 绕组电阻与绝缘试验： 记录温度下的直流电阻、绝缘电阻，以及高电位（介电）耐压。
3. 空载与堵转试验： 等效电路参数，以及对照 NEMA 限值核查的堵转电流和转矩。
4. 在测功机上进行负载测试: 从堵转经崩溃转矩到同步转速的转矩-转速曲线，以及跨负载和电压的效率图，依据 IEEE 单相感应电动机试验规程（2010 年批准的版本）——美国能源部的法规对单相小型电动机以引用方式采纳了该规程。
5. 温升与耐久运行： 在额定负载下运行直至温度稳定，随后进行扩展的工作循环。
6. 起动工况与开关寿命循环： 进行数千次起停循环，以验证离心开关、继电器、PTC 和起动电容的寿命。
7. 声学与振动测量： 量化 100/120 Hz 分量和轴承特征信号。

电源侧与电动机本身同等重要。市电是一个很差的测试电源。它的电压随建筑负载变化，频率略有漂移，谐波畸变未知，而且没有任何两次运行会面对相同的条件。 单相感应电机 的特性对所有这些都非常敏感：转矩随电压的平方变化，电容电流随频率变化，谐波则增加发热。可编程单相交流电源或电网仿真器使工程师能够数百次施加受控的电压暂降、暂升、欠压、短时中断、频率偏差、谐波畸变以及完全相同的起动时序。这些正是 IEC 抗扰度试验标准所规定的条件——针对每相电流不超过 16 A 的设备的电压暂降、短时中断和电压变化，其试验等级为暂降至额定值 0%、40%、70% 和 80% 的残余电压；另一项配套 IEC 标准涵盖每相超过 16 A 的设备。Impedyme 的 grid emulator，作为 CHP 系列的一部分，可为这类电源扰动测试提供可再生的单相、分相和三相交流电源。

功率硬件在环（P-HIL）从两个方向扩展了这一点。第一，机械负载可以实时仿真，而无需使用机械测功机：压缩机、水泵或风扇的实时模型设定负载转矩曲线，因此无需实际制造，就能针对卡阻的水泵或高扬程压缩机起动来测试电动机。第二，电动机本身可以作为电气负载来仿真。一台基于 FPGA 的 motor emulator 运行等效电路模型的速度足够快，可从  DC motor controller 、电器控制板或 inverter test抽取逼真的电流。这样就能在真实电动机存在之前验证电子器件，包括注入故障，例如起动绕组开路或电容失效。Impedyme 的电机仿真器为此支持感应电机模型，而 Impedyme 的 P-HIL 系统将 实时仿真 与可再生功率级相结合，从而使电源、负载和电机能够在一个闭环中一起仿真。

如何选择单相感应电动机

选型清单：

1. 转矩： 测量或估算负载的起步转矩和运行转矩。在预期的最低电压下，起动转矩必须留有裕量地超过起步转矩。
2. 工作制与每小时起动次数： 频繁起动时，PSC 或双值设计优于开关型电动机和起动电容方案。
3. 电源： 检查电压、频率，以及浪涌电流是否落在断路器的跳闸曲线和供电的压降限值之内。
4. 转速与方向： 固定转速、多速或变速；单向或可逆。
5. 安装、机座与轴： NEMA 或 IEC 机座、底脚或法兰安装、轴径与键槽、皮带或直接驱动。
6. 机壳与环境： ODP 或 TEFC、IP 防护等级、环境温度、海拔、湿度和粉尘。
7. 效率与法规等级： 适用于最终产品的 IE 等级或地区最低要求。
8. 噪声限值： 是否需要 PSC 或双值设计来降低 100/120 Hz 的嗡鸣。
9. 使用系数： 电动机是否需要在额定负载之上留有裕量。
10. 临界点： 在约 2 kW 以上、需要 精确调速的场合，或在效率法规起约束作用时，应选择配变频器的三相电动机或 EC 电动机。

要读懂 单相感应电机的铭牌，请查看额定电压和频率、满载电流、额定转速（由此可知极数）、以 kW 或 hp 表示的输出功率、使用系数、绝缘等级、环境额定值、工作制（连续或短时）、热保护类型、机座、机壳、堵转代码字母，以及电容的 µF 值和额定电压。

结论

脉动磁场解释了 single phase induction motor的两个决定性特征：静止时转矩为零，运行时有持续的 100/120 Hz 嗡鸣。

分相、电容起动、双值电容、PSC 和罩极电动机是对同一个起动问题的五种解答。它们在起动转矩、效率、噪声和成本之间以不同的比例进行权衡。

选型归根结底是让转矩-转速曲线和工作制与负载相匹配。证明某个选择可行的依据来自在真实供电条件下进行的受控台架测试，而不仅仅是铭牌。

该 单相感应电动机 将继续在只有单相电源的场合服役，而选择合适的 单相感应电动机 率/限 单相感应电机 仍将从其转矩曲线和工作制入手。然而，日益严格的效率法规正不断推动几分之一千瓦级的风扇和水泵负载转向电子换向的替代方案，以取代 single phase induction motor.