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摘要：反向法变极可以实现电机在不同转速下稳定运行，本文以一台110kW三相感应电机为例，首先对其定子绕组反向法变极连接进行研究，实现2/4/8极三速下定子绕组的连接，从而电机可运行于三相三速状态。然后，利用二维有限元软件，仿真计算2/4/8极三速变极调速感应电机的电磁性能，即变极前后电机的磁密特性，转矩特性，效率特性等，并对仿真结果进行分析比较。通过对转矩特性的比较，发现电机可实现三速下的恒功率调速，从而使调速范围更为宽广。通过对效率特性的研究，发现电机运行于任何一种速度额定状态下，其效率均在90%以上。
关键词：三相感应电机；反向法变极；变极调速；有限元法
1 引言
在实际生产生活中，为了提高生产率和产品质量，或为了节能，常要求电动机的转速能够调节，而对用处最广泛的三相鼠笼式异步电机，最有效的调速方法是采用变极调速[1]。
变极调速有诸多方法：在电机定子中设计两套绕组，对应着不同的极对数，此方法设计简单但会提高电机的成本；采用极相调制法，此方法控制困难，不易实现；采用反向法变极，此方法操作较简单，易于实现[3]。
2 反向法变极原理
当极数为2p的三相感应电机的定子绕组通入频率为f的三相对称交流电流时，在定转子气隙中将会产生一个圆形旋转磁场，其转速为同步转速ns，即：
可见，通过改变电机的极对数p，可以实现对三相感应电机的调速。而电机的极对数p是由电机定子绕组电流的分布所形成的，因此，我们可以通过改变感应电机定子绕组电流的流向，以改变定子绕组电流在电机气隙中产生的旋转磁场的极数，从而达到电机变极的目的。
假设三相感应电机的每一相绕组都由两个完全对称的半相绕组组成。如图1所示，以A相的绕组为例，当A1X1和A2X2正向串联（如图1（a）所示），此时电机气隙中形成一个4极磁场；当A1X1和A2X2反向串联（如图1（b）所示），此时电机气隙中形成一个2极磁场。比较图1（a）和图1（b），可知：通过改变电机定子绕组的电流方向，能实现电机的变极调速，即反向法变极调速。反向法变极调速可以实现倍极比调速，也可通过改变定子绕组的连接方式实现非倍极比调速。
电机定子绕组有48个线圈，A相由-32、
-31、14、13；1、2、-19、-20；37、38、-7、-8；-44、-43、26、25四个线圈组组成。B相由-12、-11、42、41；5、6、-23、-24；17、18、-35、-36；-48、-47、30、29四个线圈组组成。C相由9、10、-27、-28；-40、-39、22、21；-4、-3、34、33；45、46、-15、-16四个线圈组组成。其中“+”号代表线圈电流为正，“”号代表线圈电流为负。三相绕组一共有9个出线端（如图3所示）。电机定子绕组出线端的不同连接方式，可以实现8/4/2极三种极数。
当出线端1、2接A相电源，出线端3、4接B相电源，出线端5、6接C相电源，出线端7、8、9短接时，电机为8极，定子绕组为2Y连接，60度相带。
当出线端1、6、7接电源A相，出线端2、3、8接电源B相，出线端4、5、9接电源C相时，电机为4极，定子绕组为2Δ连接，120度相带，此时电机反转。
当出线端7、2、5接电源A相，出线端8、1、4接电源B相，出线端9、3、6接电源C相时，电机为2极，定子绕组为2Δ连接，150度相带。
利用机械开关能够方便的对电机进行变极，使电机稳定运行于不同转速下。
3.2 电机的二维有限元仿真结果
3.2.1 磁密特性
电机的气隙是电机传递能量并且将电能转换为机械能的重要枢纽。气隙磁密的分布对电机的稳态性能影响甚大。图4为变极前、后电机二维有限元仿真计算得到的气隙磁密波形。从图4可知：电机8极时气隙磁密的平均值为0.85T，4极时为0.82T，2极时为0.67T，可见当电机定子绕组所加激励相同时，随着电机极数减少，电机气隙磁密也逐渐减小。8极时气隙磁密平均值最大。
可知，电机从4极变换到2极时，电机基本能够实现恒功率调速。电机由8极变换到4极时，转矩由1100Nm减小到900Nm，而电机转速增加一倍，所以，电机的输出功率略有增加。
3.2.3 损耗与效率特性
为了提高电机的效率，需要尽量减少电机的各种损耗，其中包括铜耗、铁耗以及摩擦损耗等。由于电机在变极前、后定子所加激励相同，虽然改变定子绕组的连接方式，但定子线圈电流大小并没有改变，仅仅改变了电流的方向。因此电机在变极前、后，其定转子绕组的铜耗相同，计算出电机的铜耗为2863W。电机铁耗可利用二维有限元软件直接计算得到：电机在2极下工作时的铁耗最大，达到850W左右，电机在4极下工作时，电机铁耗大约为650W，在8极下工作时，铁耗为600W左右。
假设摩擦损耗等在电机变极前后保持不变，可计算出电机在不同极数下运行时的效率，即8极下的效率为91.66%，在4极下的效率为92.47%，在2极下的效率为90.02%。
4 结论
本文以一台110kW三相感应电机为例，根据反向法变极原理，研究分析了8/4/2极三种极数下定子绕组的连接方式，然后利用二维有限元软件建立了三种极数电机的仿真模型，并对电机的电磁性能，即磁密特性，转矩特性以及效率特性等进行了仿真计算。通过对计算结果的分析比较，可得到如下结论：
（1）反向法变极前后电机气隙磁密会随极数增加而增大。
（2）利用反向法变极原理实现的8/4/2极三速感应电机，在调速运行中能实现恒功率调速，并且在多极较低转速下运行时，能输出较大的转矩。
（3）电机变极前后的效率均达到90%以上。
（4）由于反向法变极调速是有级调速，如果将该方法与变频调速相结合，可实现电机在宽广范围内的平滑调速。
总之，反向法变极电机可以实现低速大转矩的恒功率调速，如与变频调速结合，电机的调速范围将更加平滑，应用领域将更加宽广。
参考文献：
[1]刘慧娟.电机学[M].北京：北京交通大学出版社，2012.
[2]许实章.交流电机的绕组理论[M].北京：机械工业出版社，1985.
[3]周黎民，黄鹏程.单绕组变极调速异步电机的有限元分析[J].电机与控制应用，2012，79（5）：51-54.
论文作者:王俊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/17
标签：电机论文; 绕组论文; 定子论文; 转矩论文; 感应论文; 电流论文; 效率论文; 《电力设备》2017年第4期论文;