1.3 交流電動機的調速方法

從式（1-3）可以看出，三相交流電動機的調速途徑有3種：①改變三相供電電源的頻率f；②改變三相交流電動機的極對數p；③改變轉差率s。

1.3.1 改變極對數p的調速方法

這是三相交流電動機調速方法中最簡單的，在鏜床、磨床等機床及離心機等機械的主軸上廣泛應用，這種調速方法要求三相交流電動機本身的結構必須是可以變極的，這種調速方法通過交流接觸器或手動開關變換電動機內部定子線圈的接線方式來改變三相交流電動機的極數，沒有其他中間環節，因此，也就沒有中間環節的效率損失，該調速方法自身的能效最高，當然這不是指變極電動機自身的效率高低。

例如，三相交流電動機從4極接線方式轉換到2極接線方式時，就可以將三相交流電動機的輸出轉速增加1倍左右，而從2極接線方式轉換到4極接線方式時，則轉速降低50%左右。不過因為極對數p只有1，2，3，4，5，6等若干擋，所以，這種調速方式是有級的，不能實現三相交流電動機轉速的連續調節。

1.倍極比變極方法

倍極比變極方法是最簡單最常見的變極方法，它是將每相繞組中串聯或并聯的線圈通過順串、反串或反并使其中1/2繞組變為反向連接，也就是改變半相繞組的電流方向，其單相繞組形成的磁極數量也將發生變化，就可以實現三相交流電動機極對數的倍增或倍減，從而使轉速增加1倍或降低50%，這種方式可以實現2/4、4/8、6/12等成倍數極數的相互變換。

以四極三相交流電動機為例，假設其U相繞組的線圈組采用順串連接方式，基于U相電流的流向，根據右手螺旋定則，有兩個N極和兩個S極，4個磁極分布如圖1-2所示。

如果把兩個線圈組采用反串的方式，原來的4個磁極就變成了兩個磁極，如圖1-3所示。

如果把兩個線圈組采用反并的方式，原來的4個磁極也變成了兩個磁極，如圖1-4所示。

如果原來的U相繞組采用1Y（極對數為4）順串接法，改為反串1Y（極對數為2）接法后，其電路接線示意如圖1-5所示。

如果原來的U相繞組采用1Y（極對數為4）順串接法，改為反并2Y（極對數為2）接法后，其電路接線示意如圖1-6所示。

如果原來的U相繞組采用1△（極對數為4）順串接法，改為反并2Y（極對數為2）接法后，其電路接線示意如圖1-7所示。

由于變極后磁場的旋轉方向發生了變化，為了滿足不改變電動機轉子旋轉方向的變速要求，需要把變極前后V、W兩相繞組的電源接線進行對調，其實，也可以在電動機內部的接線引出到端子時在電動機內部進行對調。

其他極數的三相交流電動機倍極變速方法與此類似，不再進行討論。

2.非倍極比變極方法

除了倍極比變極方法外，還可以通過改變繞組接法使電動機的極數呈現非整數倍的變極方式，以雙層繞組的4/6變極方式為例。假設變極前三相交流電動機為4極接法，4個磁極的分布規律如圖1-8所示。

改變圖1-8中線圈組的接法，將線圈組3和線圈組4反接，使電流方向發生變化，同時電動機的極數也發生了變化，根據右手定則，確定出磁場分布如圖1-9所示。

圖1-9中，電動機的磁極變成了6個，這樣就實現了4極電動機到6極電動機的轉換，從而使電動機轉速發生改變。

其他非倍極變極方法的分析與此類似，在此不再講述。

3.增加獨立繞組進行變極的方法

除了上面講的倍極比變極方法和非倍極比變極方法之外，如果另外增加一套極數不同且獨立的定子繞組，就可以實現更靈活的極數變化，但是，這種變極方式的三相交流電動機，其內部結構將會變得較復雜，利用在定子上安裝兩套不同極數的獨立繞組，來實現變極目的，原理更直觀，在此不再講述。

4.倍極比變極方法中轉矩和功率的變化規律

三相交流變極電動機在改變速度的同時，不同的變極方式，變極前后線圈中的電壓、電流和磁場分布都會發生不同的變化，除轉速變化外，輸出轉矩和功率也有一定變化，所以，選擇變極電動機時，即使是對于相同的變速要求，也要根據負載性質（恒轉矩或恒功率）選擇不同變極方式的電動機。

以倍極變換中Y/2Y和△/2Y兩種變極模式為例，分析速度變化的同時，電動機輸出轉矩和功率的變化情況。

假設三相電源的線電壓Ue不變，變極前后每個線圈組中的電流強度I、功率因數cosφ、額定效率ηe也不變。

1）對于Y/2Y變極模式，以每相繞組產生的有功功率為基礎，變極前后每相繞組上的相電壓沒變仍為Ue /，變極后因為每相繞組上的兩個線圈組變為并聯，總的相電流由原來的I變為2I，變極前的電動機輸出功率P（1Y）和變極后電動機的額定功率P（2Y）分別為

對比P(1Y)和P(2Y)，有

變極后電動機的轉速增加了1倍，額定功率也增加了1倍，電動機的轉矩為

由此可見，對于Y/2Y變極模式，變極前后的轉矩沒變，相當于恒轉矩調速，所以，這種變極調速方式適合于電梯、輸送帶、起重機、提升機等恒轉矩負載。

2）對于△/2Y變極模式，仍以每相繞組產生的有功功率為基礎，變極前△形連接每相繞組上的相電壓等于線電壓Ue，變極后為Y連接每相繞組上的相電壓為Ue/，變極后因為每相繞組上的兩個線圈組變為并聯，總的相電流由原來的I變為2Ie，變極前的電動機輸出功率P(△)和變極后電動機的額定功率P(2Y)分別為

對比P(1Y)和P(2Y)，有

變極后電動機的轉速增加了1倍，額定功率也增加了1.15倍，電動機的轉矩為

由此可見，對于△/2Y變極模式，變極前后的功率變化不大，近似于恒功率調速，所以這種變極調速方式適合于金屬切削機床等恒功率負載。

其他變極方式的參數分析與此類似。

5.變極調速方式適應的電動機類型

籠式轉子的極對數能隨著定子極對數的改變通過電磁感應而自動改變，而繞線式轉子要通過改變接線來改變極對數就比較困難，所以，變極調速方式主要應用于籠式三相交流電動機。

1.3.2 改變轉差率s的12種調速方法

改變轉差率s的調速方法有很多種，本節給出其中的12種。

1.繞線式轉子電動機的轉子串電阻調速

繞線轉子三相交流電動機的轉子結構如圖1-10所示，這種電動機除了有定子繞組的接線端，還把三個轉子繞組通過滑環和電刷引出電動機外，引出端一般安裝在電動機的軸端，通過改變轉子每相繞線上外接電阻的阻值來實現電動機轉速的調節。

繞線式轉子串電阻后的轉差率s、串電阻前的額定轉差率se、轉子每相自身電阻r2、轉子每相串入電阻R、串電阻之前的電磁轉矩T、串電阻后的電磁轉矩T′之間的關系為

繞線式轉子串電阻后的轉差率s由式（1-4）求出，串電阻前的額定轉差率為

根據式（1-18）、式（1-19）和式（1-4），得出轉速n和轉子每相串入電阻R之間的關系為

如果轉子每相串接電阻的阻值是分級切換變化的，如圖1-11所示，圖中控制KM3、KM2、KM1觸點的閉合，相當于在轉子中串入了不同的電阻，這種轉速的調節是有級的，所串電阻器通常由多個大功率金屬電阻器組成。

為了實現速度的平滑調節，需要均勻改變轉子每相串接電阻的阻值。一種液體電阻調速器，利用碳酸氫鈉水溶液做電阻液，通過改變液體內動極板和靜極板間斷面的大小和長度可以均勻地調節電阻值，從而可以實現轉速的無級調節，如圖1-12所示，電動機帶動絲杠旋轉，絲杠帶動絲杠螺母上下運動，絲杠螺母帶動動極板在電阻液中上下運動，動極板向下運動時，靜極板和動極板之間的距離減小，液體電阻減小，動極板向上運動時，靜極板和動極板之間的距離變大，液體電阻增大，這樣就可以實現對電動機速度的連續調節了。

另一種連續改變轉子串接電阻的方式是把繞線轉子引出，外接一個三相橋式整流器，在整流器的直流端接一個固定電阻器R，在固定電阻器兩端并接一個可關斷晶閘管（GTO）或大功率晶體管（GTR），結構如圖1-13所示。

當GTO導通時，相當于外接電阻為零，當GTO關斷時，相當于外接電阻為R，控制GTO在一個周期T內的導通時間T1和關斷時間（T-T1）的比例，就可以改變等效串接電阻值Rd，則

轉子回路串電阻調速方式，簡單方便，容易實現，但是該方法輸出轉速低時，轉差率s大，根據式（1-8），轉子上的銅損將與轉差率s同比例變大，效率變低。假設定子對轉子的電磁轉矩為TM，則轉子與定子之間的功率傳遞效率為

注意：它不是指調速電動機的總效率，總效率還需考慮定子效率和轉子的機械效率。

這種調速器方式，限定于帶有電刷的繞線式轉子電動機調速使用。由于是通過增加轉差率來實現調速的，速度越低，效率也越低，所以這種調速器應避免工作在低速狀態，一般控制在50%～100%范圍內，不過這種調速器如果工作在額定轉速附近，對于水泵風機站來說也就是工作在額定揚程（額定壓力）附近，運行效率也很高，因為它的最高效率幾乎為100%，而這一點變頻器卻無論如何也實現不了。輕載和空載時，改變轉子串接的電阻轉速變化不大，因此，這種方法適合重載調速。電阻的冷態值和熱態值會有所變化，此方法不太適合要求快速響應和精確調速的場合。

2.繞線式轉子電動機的串級調速方法

在繞線轉子每相回路中串入電阻R對交流電動機進行調速，如圖1-14所示，其實就是通過降低轉子回路的電流來實現調速，假設三相交流電動機某相轉子感應電動勢為E2、內阻為r2、感抗為X2、電流為i2、串接電阻為R，外接電阻上的熱損耗就被白白浪費掉了。

人們尋求調節轉子回路電流的其他方法，以避免產生，根據電學的知識，改變一個回路中電流的方法可以有很多種，可以在繞線轉子引出端外接一個三相橋式整流器，在整流器的直流端給一個直流電源E3充電，同樣也可以改變轉子的電流值，使轉子的電流為i2，如圖1-15所示。

圖1-15中，直流電源E3可以用它激直流電動機產生，并將該直流電動機與被調速交流電動機同軸連接，如圖1-16所示，改變直流電動機的勵磁和極性就可以改變E3值，從而改變三相交流電動機轉子的輸出轉速，增大直流電動機的勵磁Ea，則直流電動機的反電動勢E3增大，直流電動機的電樞電流減小，直流電動機的電磁轉矩下降，整流電路的電流減小，交流電動機轉子的電流i2減小，交流電動機的電磁轉矩下降，轉速n降低；同理，如果降低直流電動機的勵磁Ea，則轉速n升高。直流電動機的輸出功率通過拖動負載做功，這樣就使轉差功率損耗sPM得到了回收。圖1-16是直流電動機回饋式串級調速原理示意圖。

用一個逆變器代替上面的直流電動機，電壓E3通過逆變器變成交流電饋送回交流電網，這樣同樣可以將轉差功率損耗sPM進行回收，如圖1-17所示，該電動勢是串接在轉子回路中的，這就是晶閘管串級調速的原理。這種調速方式可以實現低于同步速度的電動機轉速輸出調節，此方式效率較高，適合于調速范圍不大的場合，由于這種方法逆變部分只負責變換轉差功率，所以設備的功率低，比變頻器直接調節定子頻率的方法成本小，這是這種調速方式的優勢，缺點是它只能在帶電刷的繞線式三相異步交流電動機上應用，功率因數一般較低。

為了改善串級調速的功率因數，在直流回路中并入一個可關斷晶閘管，通過控制晶閘管導通與關斷的比例（占空比）來調節電動機的轉速，將逆變器的超前角固定且取最小值，這樣就可以減小逆變器從電網側需要的無功功率，提高調速系統的功率因數，如圖1-18所示，是這種帶斬波器的晶閘管串級調速系統的原理圖。

串級調速方法采用整流和晶閘管逆變回饋模式，電網干擾較大，由于實現了轉差功率的回饋，所以，運行效率很高，在額定轉速時，效率接近100%，比變頻器的最高效率還要高，這種方法速度響應也較快，調速范圍一般為50%～100%，這種調速方式的功率器件只需滿足轉差功率部分的功率要求即可，所以器件的功率總容量小，成本較低，但是電動機必須使用帶電刷的繞線式電動機。

3.繞線轉子電動機的的雙饋調速方法

將交流電源E1串入每相轉子繞組，同樣也可以改變轉子的電流值，使轉子的電流為i2，如圖1-19所示。

用低功率的雙向變頻器向三相交流繞線電動機的三相轉子線圈供電，改變轉子繞組電流的大小和相位，同樣也可以使轉子的電流為i2，如圖1-20所示。

圖1-20中，當連接轉子繞組的晶閘管起整流橋作用，連接電網變壓器的晶閘管起逆變作用時，等同于上面的串級調速，向電網饋電；當連接轉子繞組的晶閘管起逆變作用，連接電網變壓器的晶閘管起整流作用時，電網向轉子供電，這種調速方式稱為雙饋電動機調速系統。在這種調速系統中，電網的能量經整流、逆變向轉子繞組供電，供電的頻率、相位、幅值都可調節，根據該電源頻率的正負和定子頻率的疊加關系，使電動機輸出轉速高于或低于同步速度運行，由于這種方法可以實現超同步運行，所以這種系統也叫超同步串級調速系統。

4.無刷雙饋電動機的的調速方法

如果轉子繞組換成籠式結構，在定子上安裝兩套不同極對數的繞組，一組為功率繞組，極對數為p1，接三相工頻電源，頻率為f1；另一組為控制繞組，極對數為p2，接頻率f2可以調節的變頻器，要求p1>(p2+1)，如圖1-21所示。

在極對數固定的情況下，功率繞組通電后形成一組速度固定的旋轉磁場，控制繞組的旋轉磁場速度可以調節，兩組旋轉磁場共同作用合成為一個可以改變轉速的旋轉磁場，這個合成磁場作用到轉子上就產生了轉速可以調節的輸出轉速，簡言之，也就是通過變頻器改變控制繞組上的電源頻率f2，就可以實現對電動機速度n的調節，這種系統稱為無刷雙饋調速系統。

該無刷雙饋調速三相交流電動機的速度為

5.繞線轉子電動機的內反饋串級調速方法

在繞線轉子三相交流電動機串級調速方式中，把原來回饋到電網的轉差功率回饋到電動機內部定子上的一個內饋繞組中的調速方法稱為內反饋串級調速，調節繞組上的電動勢由定子上的主繞組感應產生，內饋繞組經過逆變和整流環節連接到轉子繞組中，如圖1-22所示。

為了提高內反饋串級調速方法的功率因數，同圖1-18的原理一樣，組成帶IGBT斬波器的晶閘管內反饋串級調速系統，如圖1-23所示。

這種內反饋串級調速方法是我國科學家屈維謙先生發明的，調速效率很高，使用也比常規的串級調速更方便。

6.利用一個斬波管實現定子繞組調壓的調速方法

將三相交流電動機的3個定子繞組拆開，然后接入一個三相整流橋，整流橋的直流側并接一個斬波GTO，如圖1-24所示。當GTO導通時，相當于三相定子繞組接入全壓，當GTO關斷時，相當于三相定子繞組電壓為零，GTO導通和關斷的占空比和開關頻率可以改變電動機定子電壓的平均工作電壓。

這是筆者在20世紀提出的一個調速方法，由于該方法極為簡單，文章發表后曾引起很多業內人士關注，由于種種原因，此方法后來沒有研究下去。

本方法適用于水泵風機拖動電動機的調速，電動機為Y形接法，水泵風機站的工作壓力接近額定揚程（額定壓力），這樣電動機調節速度范圍也接近額定轉速。在這種場合該方法的效率也很高，當轉速接近額定轉速時，運行效率接近100%，低速時效率較低。

為了利用定子繞組關斷時刻的電流，GTO關斷時，電流經過電抗器向電容器C充電，GTO導通時，電容器C向直流電動機D供電，直流電動機D與交流電動機M同軸連接，直流電動機D向負載輸出功率，如圖1-25所示。

如果圖1-25中的直流電動機D用逆變器代替，還可以把部分能量反饋回電網，如圖1-26所示。

7.利用晶閘管調節定子繞組電壓的調速方法

將三組晶閘管串接到定子繞組的電源接線中，如圖1-27所示，通過改變晶閘管的觸發角度來調節加在三相交流電動機定子繞組上的有效電壓，從而改變三相交流電動機的輸出轉速，這與通常家中調光臺燈的原理類似，不過調光臺燈用的是單相電源，也是通過調節晶閘管的觸發角度來改變燈泡上的有效電壓，實現亮度調節。

調節定子繞組電壓的調速方法，既不是恒轉矩調速，也不是恒功率調速，適合于轉矩隨轉速降低的水泵風機類負載。當轉速接近額定轉速時，運行效率接近100%，低速時效率變低，這種方法采用晶閘管觸發調節，電網干擾較大，但速度響應較快，調速范圍一般為80%～100%，籠型交流電動機和繞線型轉子電動機均可以使用。

8.定子繞組串接飽和電抗器調節電壓的調速方法

這種方法類似于家用電風扇的調速方法，改變串入定子繞組中的飽和電抗，由于電抗的分壓作用，就可以改變加在定子繞組上的電壓值，從而對三相交流電動機進行調速，如圖1-28所示。當轉速接近額定轉速時，運行效率接近100%，低速時效率變低，此方法對電網的干擾幾乎沒有。

9.利用三相自耦變壓器調節定子繞組電壓的調速方法

利用三相自耦變壓器調節加在定子繞組上的工作電壓，從而對三相交流電動機進行調速，如圖1-29所示。

這種調速方式，當轉速接近額定轉速時，運行效率接近100%，低速時效率變低，但此方法對電網的干擾幾乎沒有。

10.利用定子繞組串接電阻調節電壓的調速方法

利用電阻的分壓作用，調節加在定子繞組上的電壓，從而對三相交流電動機進行調速，如圖1-30所示。如果電動機的功率較大，電阻上的發熱量較大，可以利用圖1-12中的電阻調節裝置，這種串電阻分壓調速方式能耗大。在這種調速方式中，當轉速接近額定轉速時，運行效率接近100%，低速時效率變低，但此方法對電網的干擾幾乎沒有。

11.利用△-Y調節定子繞組電壓的調速方法

利用△-Y變換，改變加在定子繞組線圈上的工作電壓，從而改變三相交流電動機的轉速，如圖1-31所示，因為△-Y變換并沒有改變電動機的變極對數和同步轉速，只是增大了滑差率s，因此，這種方法的調速范圍很有限。

12.改變定子鐵芯磁液密度的調速方法

如圖1-32所示，在三相交流電動機的定子鐵芯1上裝有許多內部充有磁性液體的管子5，磁性液體內摻有懸浮的磁粉，所有的管子5串接或并接地連通在一起，當改變磁性液體中磁粉的含量時，定子繞組2產生的旋轉磁場對轉子鐵芯3上轉子繞組4的磁作用力也將發生變化，從而達到改變轉速的目的，這種方法不需要使用大功率電子元件。

1—定子鐵芯；2—定子繞組；3—轉子鐵芯；4—轉子繞組；5—管子

1.3.3 改變頻率f的調速方法

變頻技術早期受電力電子技術器件的限制進展較慢，隨著功率器件和運算器件的快速發展，以及價格的不斷降低，變頻交流調速技術和產品發展迅速。變頻技術既可以應用于異步交流電動機也可以應用于同步交流電動機，既可以驅動鼠籠式交流電動機也可以驅動繞線式交流電動機，變頻器用于向三相交流電動機提供可變頻率的電源，以實現交流電動機的無極調速，全范圍運行時，高效率運行區相對也較寬。額定運行效率大約為94%～98%，額定頻率輸出且有一定的負載時，大約比直接工頻運行浪費1%～6%。

1.電壓型變頻器

目前，大量的低壓變頻器是電壓型變頻器，這是目前工業領域中應用數量最多且最普遍的一種變頻器，所以也稱通用變頻器，它的結構如圖1-33所示。交（流）-直（流）-交（流）結構多用于低壓變頻器，三相交流電源RST接入一個由二極管組成的三相整流橋，把交流電先變為直流電，電平V+、電平V-直流電經過大容量電容器C，電容器C存儲電能并濾波，保持該直流電壓UD基本不變，相當于一個電壓源（故稱電壓型），然后該直流電再經過逆變器變為可以改變頻率和有效電壓的三相交流電，V1導通V2關斷時，U相輸出V+，V1關斷V2導通時，U相輸出V－，U相輸出的電壓為有兩種電平狀態的矩形波，V和W相情況類似，所以這樣的變頻器也稱兩電平變頻器。由于電動機中電感的影響，電流上升速度比電壓要滯后，當出現U相輸出V+，而U相電流為負時，D1導通，電流流回直流側，D2的作用與此類似。RST三相交流電源，每相電源在1個正弦波周期內有2個波峰，1個正波峰，1個負波峰，3相共6個波峰，波峰之間相差60°，經過三相整流橋整流后，變成了6個正向直流波峰，所以也稱6脈波（或6脈沖）整流方式。目前，這種結構的變頻器其逆變器多由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）組成，由于變頻器輸出的正弦波是由矩形方波通過改變脈沖寬度形成的，諧波分量大，當電動機離變頻器較遠時，線路與大地之間的分布電容變大，高次諧波極容易通過分布電容流入大地，形成漏電流，通過大地影響附近的視頻信號，并使漏電開關跳閘，這時就需要采取一些措施來解決這一問題，后面會講到具體方法。一般變頻器的調速范圍很寬，大約為5%～100%，速度響應較快，且可以實現較精確的速度控制。

2.電流型變頻器

電流型變頻器結構如圖1-34所示，三相交流電源接入一個全控三相橋，交流電變為直流電，直流電流流過大容量電抗器L，電抗器L存儲磁場能量并對電流濾波，保持流過電抗器L的直流電流ID不變，相當于一個電流源（故稱電流型），然后該直流電再經過全控橋逆變為變頻的三相交流電流，用以驅動三相交流電動機。

這種變頻器從電源輸入到電動機輸出的整流和逆變兩個環節是對稱的，所以，可以通過改變可控器件的觸發角度反向運行，可以把處于發電狀態的電動機發出的電能作為電源，原來的逆變橋控制為整流橋，原來的整流橋變為逆變橋，把電動機發出的電能反饋回電網，避免電能浪費。

這種變頻器的GTO工作頻率不能太高，變頻電源輸出到電動機后，電動機的噪聲較大，在小功率三相交流電動機上應用很少。由于可關斷GTO高耐壓和大電流的特點，這種變頻器多用于驅動高壓大功率三相交流電動機的場合。

3.三電平變頻器

這種變頻器結構如圖1-35所示，三相交流電源RST經移相變壓器B分出兩組互相隔離且相差一定角度的電源輸出，兩組電源輸出分別接入兩組三相整流橋Q1和Q2，整流橋Q2的正端接Q1的負端形成0電平V0，整流橋Q1的正端形成正電平V＋，整流橋Q2的負端形成負電平V－，這樣就將交流電變為帶中間0電平的直流電，直流電分別經過兩組大容量電容器C1和C2濾波，保持直流電壓基本不變，然后該直流電再經過逆變器逆變為可變頻率交流電，去控制三相交流電動機。

晶體管V1、V2導通時，U相電平為V＋，晶體管V1關斷、V2導通時，D1導通，U相電平為V0，晶體管V3、V4導通時，U相電平為V－，晶體管V4關斷、V3導通時，D2導通，U相電平為V0，由于這種變頻器的直流側和變頻輸出側有V＋、V0、V－3個電平，因此稱這種變頻器為三電平變頻器，這種結構的變頻器，也是一種電壓型變頻器，目前主要應用于軋鋼機、機車牽引、提升機等領域。三電平變頻器輸出的波形與正弦波更接近，所以三電平變頻器輸出側的諧波分量比兩電平變頻器要小。移相變壓器采用Y和△兩組副邊，以Y接法繞組為基準，畫出兩組副邊的電壓矢量圖，如圖1-36所示，對于Y副邊繞組UAUBUC是線電壓，對于Δ副邊繞組UaUbUc是線電壓，根據圖中接法，Ua是a、c之間的線電壓，Ub是b、a之間的線電壓，Uc是c、b之間的線電壓，根據同名端排列，UA和Ua同相位，UB和Ub同相位，UC和Uc同相位，把Δ副邊繞組的線電壓折合成相電壓進行矢量對比，計算出△副邊繞組等效的相電壓矢量Ua′、Ub′、Uc′，對比UA和Ua′的相位差，兩組副邊電源的相位差30°，也就是兩組副邊輸出發生了移相，移相后的兩組電源經整流輸出的12個直流波峰（12脈波或脈沖）之間相差30°，比單整流橋的6個直流波峰更均勻、平整，這樣就使得電網側的電流波也更接近正弦波，諧波污染更小。

4.多電平變頻器

目前，工業中大量使用的中壓變頻器以多電平變頻器為主，這種變頻器的電源輸入側采用移相變壓器把電網的高壓轉換成多組相互隔離的低壓，低壓的組數和每組的電壓值與所驅動三相交流電動機的工作電壓等級有直接關系，不同的變頻器廠家會有所不同，為了使電源側電流更接近正弦波，每組低壓采用不同的移相角，移相角的大小與所驅動三相交流電動機的工作電壓等級有直接關系，不同的廠家也會有所不同。以3000～4160V變頻器為例，移相變壓器的移相角度和結構示意如圖1-37所示。

圖1-37中，原邊采用Y形或△形接法，副邊采取延邊三角形接法，限于篇幅，在此不再對移相變壓器如何改變各繞組同名端的連接方式實現上述相角變化進行分析，可以參見圖1-36的分析方法。移相變壓器共有12個低壓副邊繞組，共分4組，每組由3個同相位的三相繞組構成，組與組之間的相位角相差15°，在每組選擇1個三相繞組，共4個三相繞組分別給4個U相功率模塊提供電源。對于3000V的變頻器，每個三相繞組的電壓為430V，4個共1720V組成U相供電電壓，線電壓為2979V；對于4160 V的變頻器，每個三相繞組的電壓為600V，其他等級的變頻器也是這樣計算出來的。分相的目的是使各組低壓輸出的電壓波峰（或波谷）盡量錯開，這樣移相后的各組低壓電源經整流輸出的直流波形其波峰和波谷更分散、均勻，這樣綜合到電網側的電流波形也就更接近正弦波，對電網的諧波干擾就更小。

把每個低壓的三相交流電RST送入單個功率模塊的整流橋，單個功率模塊由6只二極管組成全波整流橋，整流后的直流電流經電容器C濾波儲能，然后送入由4只IGBT組成的H型單相逆變橋，多個功率模塊串聯形成較高的輸出電壓，單個功率模塊的結構如圖1-38所示。

在圖1-38中，當V1和V4導通、V2和V3關斷時，U和V之間的電壓VUV=+UD；當V3和V2導通、V1和V4關斷時，U和V之間的電壓VUV=-UD；當V1和V3導通、V2和V4關斷時，U和V之間的電壓VUV=0；當V2和V4導通、V1和V3關斷時，U和V之間的電壓VUV=0。開關S閉合，則VUV=0，這個作用在該功率模塊發生故障時，可以保證整個變頻器繼續降容運行，這一點對于安全性要求高的場合非常重要。

移相變壓器與多個功率模塊組成的多電平變頻器主體結構如圖1-39所示，功率模塊1、4、7、10的VUV串聯組成U相輸出電源，功率模塊2、5、8、11的VUV串聯組成V相輸出電源，功率模塊3、6、9、12的VUV串聯組成W相輸出電源。

圖1-39中，功率模塊1、2、3的U端連接在一起相當于一個中性點形成一個基準電壓，根據功率模塊的不同導通情況，決定輸出到三相交流電動機上電壓的正負，以及電壓幅度，這種變頻器的輸出電壓采用多電平疊加，更接近于正弦波，諧波分量很小，不需要加輸出電抗器，輸入側采用移相變壓器，使各功率單元的輸入電壓具有不同的相位差，對于圖1-38的3000V變頻器結構，由于有4種相位角，所以有4×6=24個均勻分散直流波峰（24脈波或脈沖），電源側的電流更接近正弦波，對電網的諧波污染更小，不需要加輸入電抗器，所以也稱這種變頻器為完美無諧波變頻器。

這種變頻器采用功率模塊逆變側串聯方式，相當于將一個個小的直流電源串聯形成一個較高的電壓，各模塊內的功率元件，只耐受本單元內的直流電壓，與總輸出電壓無關，所以各個功率模塊可以采用成熟的低壓變頻技術來實現，各功率模塊完全相同，互換性好，維護方便，缺點是器件使用量太大。

5.不使用輸入變壓器的功率器件直接串聯中高壓變頻器

其實，上面講的三電平變頻器也是一種利用功率器件串聯組成的變頻器，這可以從圖1-35中每個橋路中功率器件的連接方式看出，變頻器輸出的電壓等級越高，需要串聯的功率器件就越多，如圖1-40所示，這種變頻器同上面講的電壓型變頻器主電路拓撲結構一樣，不過器件串聯后，為了使各個器件能均衡承受耐壓，避免局部器件因承壓過高而損壞，需要采用一定的措施。

6.高-低-高變頻器

利用降壓變壓器把高中壓變為低壓，用低壓變頻器實現變頻輸出，然后再將變頻輸出的三相電源經過升壓變壓器升高電壓，用該高壓變頻電源去控制高中壓三相交流電動機，這種變頻器采用的是高（壓）-低（壓）-高（壓）的結構，如圖1-41所示。這種方法的優點是可以利用成熟的低壓變頻器技術實現高中壓電動機的轉速控制，無技術障礙，但是由于這種方式需要經過兩級變壓，所以運行效率要降低一些。

7.變頻器適用的調速電動機類型

變頻器調速方式適用于籠型交流異步電動機、繞線型交流異步電動機和交流同步電動機。