從 敏，王秀和，楊玉波

（山東大學 電氣工程學院，山東 濟南 250061）

0 引言

三相感應電動機在國民經(jīng)濟各個領域的應用十分廣泛，中、小型感應電動機的數(shù)量約占電動機總數(shù)的80%。而這其中又有60%的感應電動機經(jīng)常工作在輕載甚至是空載的場合，造成電機效率下降和電能的浪費[1-3]。降低電壓是解決這一問題的有效途徑，一方面，降低電機端電壓可減弱電機內(nèi)部氣隙磁通，進而降低鐵耗；另一方面，可以增大負載電流，提高功率因數(shù)，輕載時可顯著提高電動機的運行效率[4-11]。

文獻[12]對單相感應電機的降壓運行進行研究，針對不同的負載，分別計算了節(jié)能效果。文獻[13]對傳統(tǒng)的星-三角變換降壓方式進行了分析，該方法簡單易行，但不能保證電動機在整個輸出功率范圍內(nèi)高效運行。文獻[14]針對油田抽油機的輕載情況推導了最佳調(diào)壓系數(shù)與負載和電機參數(shù)之間的關系，提出了調(diào)壓節(jié)能策略。文獻[15]分析了電機功率因數(shù)角的變化規(guī)律，提出在輕載運行時通過檢測功率因數(shù)，降低定子端電壓來提高效率及功率因數(shù)的模糊控制方法。文獻[16]以總損耗最小為目標，劃分不變和可變損耗并根據(jù)轉(zhuǎn)矩曲線得到了對應最小損耗的最優(yōu)電壓曲線。但是通過調(diào)壓節(jié)能需要額外的調(diào)壓控制系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的硬件成本。文獻[17]提出了基于定子繞組改接的三相感應電動機輕載高效運行方法。

本文對基于定子繞組改接的三相感應電動機輕載高效運行的方法進行研究，對一臺Y2系列3kW三相感應電動機樣機進行改接和仿真計算，并與直接降壓方式進行了對比試驗。結果表明，針對不同的負載情況選用合適的定子繞組改接方式可使電動機運行在較高的效率和功率因數(shù)，從而實現(xiàn)高效節(jié)能。并且，利用定子繞組改接與直接降低電機供電電壓達到輕載高效運行的效果基本相同。

1 定子繞組改接的節(jié)能原理

由電機學理論可知，當可變損耗等于不變損耗時，電機的效率最高。感應電動機中，繞組損耗是可變損耗的主要成分，鐵耗是不變損耗的主要成分[18]。在進行電機設計時，雖然并不刻意追求額定負載時效率最高，但實際電機的效率在額定負載時接近最高效率。當感應電動機輕載時，勵磁電流與額定負載時基本相同，而負載電流較小，導致電機功率因數(shù)大幅降低；由于此時負載損耗明顯小于鐵耗，導致電機效率較低，造成了電能的浪費。

采用定子繞組改接的方法，根據(jù)負載情況，進行繞組的改接，在不改變供電電壓的前提下，降低繞組相電壓，可以提高輕載時感應電機的效率和功率因數(shù)。在電機輕載時，降低繞組相電壓，電機每極磁通隨之降低，勵磁電流顯著減小，而負載電流增大，電機的功率因數(shù)明顯提高；此外每極磁通的減小顯著降低了鐵耗，負載電流的增大使繞組損耗增大，當可變損耗接近不變損耗時，電機具有較高的運行效率。

2 定子繞組改接方式

通常感應電動機的定子繞組有6根引出線，三相繞組可接成星形或三角形。為便于通過繞組改接改變相電壓，將每相繞組分為相同的兩部分，將它們分別引出，三相共有12個出線端。利用引出的12根出線的不同接法來適應負荷變化，改變電動機的輸出容量并保證功率因數(shù)和效率不降低過多。

本文研究的接線方式共有5種，見圖1。電機繞組輸入端的電源電壓UN都是相同的，但由于接法不同，每相繞組串聯(lián)匝數(shù)不同，各部分所承受的電壓也不同[19-20]。圖1中各繞組接法對應的繞組相電壓UP與電動機端電壓UN之間的關系及5種接法各相串聯(lián)匝數(shù)的關系見表1?？梢姡妱訖C繞組接法改變，則每相串聯(lián)匝數(shù)也會改變，繞組相電壓也發(fā)生變化。

圖1 繞組接線圖Fig.1 Different winding connection modes

表1 不同繞組接法下的電壓Table1 Voltage of different winding connection modes

3 仿真分析

本文采用Ansoft Maxwell2D對1臺Y2系列3kW三相感應電動機樣機進行仿真計算。樣機的主要技術參數(shù)如表2所示。利用Ansoft Maxwell2D建立二維電機有限元模型。為了便于進行繞組改接，將定子每相繞組分成相同的兩部分。對于本文中的四極電機，將第一對極下的三相繞組分別標記為A1、B1、C1，第二對極下的三相繞組分別標記為 A2、B2、C2。在Maxwell Circuit Editor中搭建各種繞組連接方式對應的電機電路。其中2D接法電機電路見圖2，其他4種繞組接法對應的電機電路不再贅述。電機繞組標記與Ansoft Maxwell2D中的繞組名稱保持一致，并導入Ansoft Maxwell2D模型中進行下一步計算。

表2 樣機主要技術參數(shù)Table 2 Main technical parameters of prototype

圖2 2D接法電機電路圖Fig.2 Circuit diagram of three-phase inductor motor in 2D connection mode

對5種繞組改接方式的電機模型分別進行空載仿真，得到空載時氣隙磁密幅值和空載電流如表3所示?？梢钥闯?，以2D接法時的氣隙磁密為參考值，其他4種繞組接法下氣隙磁密分別下降約為原來的，因此可以顯著降低鐵耗。此外，空載電流也大幅度降低，而激磁電流是空載電流的主要部分。

表3 空載仿真結果Table 3 Data of no-load simulation

逐步增加電動機負載轉(zhuǎn)矩，仿真得到電動機的機械特性曲線及不同接法下的定子線電流隨輸出功率變化曲線，分別如圖3、圖4所示。由圖3可以看出，對于某一負載轉(zhuǎn)矩，不同接法對應的轉(zhuǎn)差率s不同。在對轉(zhuǎn)速要求不高的情況下，電動機輕載時，選擇某一合適的較低氣隙磁密對應的接法，既可以滿足負載要求，又能大幅降低定子鐵耗，達到輕載高效運行要求。由圖4可以看出，輸出功率相同時，與原始2D接法相比，其他4種接法對應的定子線電流分別有不同程度的降低。

思來想去，孟導想到了珠寶首飾，但是他一個五大三粗的大老爺們，也不是哪兒的明星歌手，要是渾身上下掛滿了金銀首飾，怎么想都不搭調(diào)。

圖3 不同接法下的機械特性曲線Fig.3 Mechanical characteristic curve for different connection modes

圖4 定子線電流隨輸出功率變化曲線Fig.4 Curve of stator line current vs.output power for different connection modes

由圖5所示的感應電動機相量圖可知，定子電流I1由勵磁電流分量Im和負載電流分量-I′2合成得到。為了便于分析，忽略鐵耗角αFe和轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角φ2，則可近似認為勵磁電流相量與負載電流相量間的夾角為90°，根據(jù)空載勵磁電流和定子線電流數(shù)據(jù)可估算得到定子電流負載分量IL如圖6所示。可以看出，輕載時采用不同的繞組接法，定子電流負載分量幾乎不變，而勵磁分量大幅下降，引起定子線電流顯著減小。

圖5 感應電動機相量圖Fig.5 Phasor diagram of induction motor

圖6 電流負載分量估算值隨輸出功率變化曲線Fig.6 Curve of estimated load current vs.output power for different connection modes

4 試驗研究

本文試驗所用樣機是在Y2-100L2-4的基礎上重新設計了定子繞組，每相的兩部分繞組的端部均引出至接線端板上，三相共12條引出線。為實現(xiàn)在較寬負載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，定子繞組初始接法確定為2D，與現(xiàn)有的Y2-100L2-4不同。因此其他4種定子繞組改接方式均與2D方式進行對比分析。按圖7對試驗裝置接線，進行繞組改接與直接調(diào)壓對比試驗。

圖7 電機試驗裝置Fig.7 Equipments for three-phase induction motor experiment

4.1 繞組改接空載試驗

對圖1中的5種繞組改接方式分別進行空載試驗。電動機接額定頻率的380 V對稱三相電源，先將電動機空載運行一段時間使其機械損耗達到穩(wěn)定，然后調(diào)節(jié)定子端電壓從1.1UN逐步下降至0.3UN，測量9組空載損耗和空載電流數(shù)據(jù)。對空載損耗進行分離，得到鐵耗。由于鐵耗與氣隙磁密的平方成正比，計算得到額定電壓下各定子繞組接法對應的空載氣隙磁密之間的關系如表4所示。表中，P0、I0分別為空載試驗中額定電壓下的空載損耗、空載電流；R1為定子每相電阻。以電動機2D接法為參考，其他4種接法對應的額定電壓下的氣隙磁密Bδ分別降低至原有的54%、49%、38%和29%，即和參考氣隙磁密的比值約為。 該結果與仿真結果基本一致。

表4 空載試驗數(shù)據(jù)Table 4 Data of no-load experiment

4.2 繞組改接負載試驗

以額定2D接法時電機的額定輸出功率P0為參考值，則2Y、1D、YD、1Y接法時對應的額定輸出功率分別為P0/3、P0/4、P0/7和P0/12。在負載試驗中，不同接法下負載轉(zhuǎn)矩均從零開始逐步增加至相應額定轉(zhuǎn)矩的1.2倍。得到5種繞組改接方式下電動機的效率、功率因數(shù)和定子線電流隨輸出功率變化曲線，如圖8—10所示。

在圖8（b）中，5條效率曲線中的相鄰2條曲線都有1個交點，可根據(jù)此交點將電動機輸出功率范圍由低至高劃分為5個區(qū)間，分別標記為A、B、C、D、E。在每個負載區(qū)間內(nèi)，總有1條曲線的效率最高，區(qū)間A為1Y接法、區(qū)間B為YD接法、區(qū)間C為1D接法、區(qū)間D為2Y接法、區(qū)間E為2D接法。即在不同的負載下，5種定子繞組接法中總有一種效率最高的接線方式。將各區(qū)間最高效率曲線連接起來，能得到一條整個電動機輸出功率范圍內(nèi)的最優(yōu)效率曲線，如圖11所示。

圖8 效率隨輸出功率變化曲線Fig.8 Curve of efficiency vs.output power for different connection modes

圖9 功率因數(shù)隨輸出功率變化曲線Fig.9 Curve of power factor vs.output power for different connection modes

圖10 定子線電流隨輸出功率變化曲線Fig.10 Curve of stator line current vs.output power for different connection modes

從圖9可以看出，電動機在輕載狀態(tài)下，原繞組接法對應的功率因數(shù)非常低，而在根據(jù)效率曲線劃分得到的5個負載區(qū)間內(nèi)，分別選擇對應效率最高的繞組接法后，功率因數(shù)有很大程度的改善。

對比圖4和圖10中電流的仿真結果和試驗結果可以看出，二者基本一致。

圖11 2種方式的效率比較Fig.11 Comparison of efficiency between two methods

4.3 直接降壓負載試驗

對電動機進行直接降壓負載試驗，定子繞組為原始2D接法不變。5組試驗電源電壓的選取原則是使繞組相電壓與以上5種定子繞組連接方式對應的相電壓保持一致。即與2D接法對應的電源電壓為 380 V，2Y、1D、YD、1Y 接法分別對應 220、190、144、110 V。得到電動機在各組電源電壓下的效率、功率因數(shù)、定子線電流隨輸出功率變化的曲線見圖12—14。

圖12 效率隨輸出功率變化曲線Fig.12 Curve of efficiency vs.output power

圖13 功率因數(shù)隨輸出功率變化曲線Fig.13 Curve of power factor vs.output power

圖14 定子線電流隨輸出功率變化曲線Fig.14 Stator line current vs.output power

可見，直接調(diào)節(jié)電源電壓與定子繞組改接2種方式得到的電動機的運行效率、功率因數(shù)曲線基本一致，但定子電流曲線差別明顯。這是由于定子繞組改接后每相繞組的電阻值發(fā)生了變化，通過計算可知，輸出功率相同時2種方式對應的銅耗相差不大。

針對圖8和圖12中的繞組改接和直接降壓2種方式下的效率曲線，在整個負載范圍內(nèi)選擇效率最高的線段連接得到圖11所示的最優(yōu)效率曲線，可知二者基本一致。這說明三相感應電動機利用定子繞組改接方法與直接降低電源電壓達到的輕載高效運行效果基本相同，也證明了定子繞組改接方法能在電機輕載狀態(tài)下顯著降低損耗，提高運行效率及功率因數(shù)，實現(xiàn)高效節(jié)能。

5 結論

本文對基于定子繞組改接的三相感應電動機輕載高效運行方法進行研究，通過仿真分析和對比試驗,得到以下結論。

a.2D、2Y、1D、YD、1Y 這 5種定子繞組改接方式可不同程度降低定子繞組相電壓，減小電機內(nèi)部磁通，從而降低鐵耗。

b.與電動機額定運行工況相比，采用繞組改接降壓運行時，改接后的每相繞組電阻增大，但是定子線電流顯著下降，銅耗仍減少。此外，定子線電流勵磁分量大幅降低，而負載分量基本不變或略有增加。電機運行效率及功率因數(shù)明顯提高。

c.在電動機整個輸出功率范圍內(nèi)，可根據(jù)效率最高原則將其劃分為5個區(qū)間，在各區(qū)間內(nèi)選擇對應效率最高的繞組改接方式，可保證電動機在不同輕載情況下都能維持較高的運行效率和功率因數(shù)。

d.繞組改接與直接調(diào)節(jié)電源電壓2種方法在提升電機運行效率和功率因數(shù)方面效果基本相同。