如何实现同步电动机的变极调速？

变极调速是通过改变电动机的磁极对数来达到调节转速的目的，它可获得恒转矩调速特性或恒功率调速特性。同时，因操作设备简单，只要通过转换开关和接触器即可，因此，具有控制简单、维护方便、价格便宜等优点，其缺点是有级调速，且定子绕组抽头较多，接线较复杂。

通常，对鼠笼型异步电动机是通过改变定子绕组的接法来改变定子的磁极对数。这时，转子的极对数也能自动地与定子极对数相对应。图6-11中，每相绕组由两个线圈1和2组成，用图6-11（a）中的顺接串联方法可以得到四极的磁场分布。若将半绕组2的始末端改接，使其中每一瞬间电流的方向与顺接串联时相反，用图6-11（b）的反接串联或图6-11（c）中的并接法即可得到二极的磁场分布。由此可见，改变电动机定子绕组的接法，可使其极对数发生变化，而且是成倍的变化，同步转速也是成倍的变化。所以，这种调速方法是属于有级调速方法。

图6-11　定子绕组改接以改变定子的极对数

（a）2p=4；（b）2p=2；（c）2p=2

三相绕组的接法也是相同的。图6-12中表示最常用的两种三相绕组的改接方法。图6-12（a）为一个星形（Y）改接成两个星形（YY）的并联。不过，这样改接后，必须将B、C两相的出线端交换，以保持调速前后的转动方向不变。因为在极对数为p时，如果B、C两出线端与A端的相位关系为0°、120°、240°，则在极对数为2p时，三者的相位关系将变为2×0°=0°、2×120°=240°、2×240°=480°（相当于120°）。显然，在极对数为p及2p时的相序是相反的。因此，B、C两端必须对调，否则调速前后的转动方向相反。

图6-12　两种三相绕组的改接变极方法

（a）Y改接为YY；（b）Δ改接为YY

另外，变极调速时，应该知道变速前后的电动机容许输出功率或转矩的关系。电动机的输出功率P2可用下式表示：

式中：ηmo为电动机额定工况下的效率；Ux为电动机定子相电压；I1为电动机定子相电流；P1为电动机定子输入功率；cosφN为在额定工况下电动机定子的功率因数。

假定不同极对数时的ηmo和cosφN均保持不变，则P2与UxI成正比。若忽略定子损耗，则电磁功率PM与输入功率P1相等，则转矩M为：

式中：K=9550×3×cosφ1/60f，在假定f，cosφ1一定的情况下，K值为常数，并且设在极对数改变时，K值也为常数。

对于图6-11（a），当定子绕组从一个星形改接为两个星形的并接时，极对数减少一半，n1则增加一倍。为了使调速时电动机得到充分利用，在高速和低速运行时，电动机绕组中均流过额定电流，则这两种接法的转矩之比为：(www.xing528.com)

因此，这种变极调速方法是近似恒转矩的，其机械特性由图6-13（a）所示。对于图6-12（b），当定子绕组从一个三角形改接成双星形的并联，极对数也减少一半，n1增加一倍。这两种接法的输出功率分别为：

图6-13　异步电动机变极调速的机械特性

（a）Y改接YY，（b）Δ改接YY

同样认为，在变极对数的情况下，功率因数和效率相等。所以，

由上式可知，Δ改接YY的变极调速，容许输出功率之比近似恒功率（约相差13.4%），其机械特性如图6-13（b）所示。

除上述改接方法外，还可以在定子上装两组独立绕组，各接成不同的极对数，如果将两种方法配合，则可得到更多的调速极数，但以一组独立绕组的变极调速比较经济。

同步电动机的变极调速虽然难度大，但在国外以及我国一些抽水蓄能电站中早有采用。例如TL1600-40/3250型立式同步电动机可采用丢极式和换向法的接线方案，通过在外部改接线路，使电机可在40极（150r/min）和36极（166.7r/min）的状态下运行，转速可提高11%。电机增速对水泵的汽蚀、推力轴瓦受力、叶片强度、泵轴强度、泵轴连接强度和联轴螺栓应力、转于扭转振动等均有影响。通过结构及强度校检，该机组在转速提高11%后上述各项指标均满足要求，因而该机组增速改造方案是可行的，变速后的性能参数计算结果如表6-8所示。从上表查得：n=166.7r/min；β=-2°；H=10m；Q=15.23m3/s；P=1822kW；η=82%。

电机增容变极调速改造后：①在正常水情非抢排期间，可以将叶片角度调到0°或+2°运行，这样既可减少流道的水力损失，获得较高的装置效率，又可以降低定子和转子的温升，延长电机的寿命；②在设计扬程为5.6m、叶片角为+8°运行时，如叶轮未经改造，应增大叶轮中心淹没深度，并注意监视汽蚀振动状况；③只有在超过原泵最高扬程时才允许调到高转速运行，并注意监视汽蚀和机组振动情况。

表6-8　28CJ56型轴流泵变速性能参数表

机组改造后可获得如下经济效益：①更换一台电机定子和转子线圈，所需费用约为30万元，结合绝缘老化处理进行增容改造，增容所增加的费用主要是由于加大导线截面引起的材料费；②电机功率由1600kW增大到2000kW后，在5.6m扬程下运行，+8°比+2°增加流量6.2m3/s，按新建泵站单位流量投资100万元/（m3/s）计算，改造1台机组节省的投资超过500万元，投资省且收效快；③对大角度或高转速运行可能对机组的危害应有清醒的认识。在经济分析中，由于机组的振动，汽蚀或磨蚀引起设备寿命缩短所造成的损失应在减灾效益中扣除。