1.3 交流电动机的调速方法

从式（1-3）可以看出，三相交流电动机的调速途径有3种：①改变三相供电电源的频率f；②改变三相交流电动机的极对数p；③改变转差率s。

1.3.1 改变极对数p的调速方法

这是三相交流电动机调速方法中最简单的，在镗床、磨床等机床及离心机等机械的主轴上广泛应用，这种调速方法要求三相交流电动机本身的结构必须是可以变极的，这种调速方法通过交流接触器或手动开关变换电动机内部定子线圈的接线方式来改变三相交流电动机的极数，没有其他中间环节，因此，也就没有中间环节的效率损失，该调速方法自身的能效最高，当然这不是指变极电动机自身的效率高低。

例如，三相交流电动机从4极接线方式转换到2极接线方式时，就可以将三相交流电动机的输出转速增加1倍左右，而从2极接线方式转换到4极接线方式时，则转速降低50%左右。不过因为极对数p只有1，2，3，4，5，6等若干挡，所以，这种调速方式是有级的，不能实现三相交流电动机转速的连续调节。

1.倍极比变极方法

倍极比变极方法是最简单最常见的变极方法，它是将每相绕组中串联或并联的线圈通过顺串、反串或反并使其中1/2绕组变为反向连接，也就是改变半相绕组的电流方向，其单相绕组形成的磁极数量也将发生变化，就可以实现三相交流电动机极对数的倍增或倍减，从而使转速增加1倍或降低50%，这种方式可以实现2/4、4/8、6/12等成倍数极数的相互变换。

以四极三相交流电动机为例，假设其U相绕组的线圈组采用顺串连接方式，基于U相电流的流向，根据右手螺旋定则，有两个N极和两个S极，4个磁极分布如图1-2所示。

如果把两个线圈组采用反串的方式，原来的4个磁极就变成了两个磁极，如图1-3所示。

如果把两个线圈组采用反并的方式，原来的4个磁极也变成了两个磁极，如图1-4所示。

如果原来的U相绕组采用1Y（极对数为4）顺串接法，改为反串1Y（极对数为2）接法后，其电路接线示意如图1-5所示。

如果原来的U相绕组采用1Y（极对数为4）顺串接法，改为反并2Y（极对数为2）接法后，其电路接线示意如图1-6所示。

如果原来的U相绕组采用1△（极对数为4）顺串接法，改为反并2Y（极对数为2）接法后，其电路接线示意如图1-7所示。

由于变极后磁场的旋转方向发生了变化，为了满足不改变电动机转子旋转方向的变速要求，需要把变极前后V、W两相绕组的电源接线进行对调，其实，也可以在电动机内部的接线引出到端子时在电动机内部进行对调。

其他极数的三相交流电动机倍极变速方法与此类似，不再进行讨论。

2.非倍极比变极方法

除了倍极比变极方法外，还可以通过改变绕组接法使电动机的极数呈现非整数倍的变极方式，以双层绕组的4/6变极方式为例。假设变极前三相交流电动机为4极接法，4个磁极的分布规律如图1-8所示。

改变图1-8中线圈组的接法，将线圈组3和线圈组4反接，使电流方向发生变化，同时电动机的极数也发生了变化，根据右手定则，确定出磁场分布如图1-9所示。

图1-9中，电动机的磁极变成了6个，这样就实现了4极电动机到6极电动机的转换，从而使电动机转速发生改变。

其他非倍极变极方法的分析与此类似，在此不再讲述。

3.增加独立绕组进行变极的方法

除了上面讲的倍极比变极方法和非倍极比变极方法之外，如果另外增加一套极数不同且独立的定子绕组，就可以实现更灵活的极数变化，但是，这种变极方式的三相交流电动机，其内部结构将会变得较复杂，利用在定子上安装两套不同极数的独立绕组，来实现变极目的，原理更直观，在此不再讲述。

4.倍极比变极方法中转矩和功率的变化规律

三相交流变极电动机在改变速度的同时，不同的变极方式，变极前后线圈中的电压、电流和磁场分布都会发生不同的变化，除转速变化外，输出转矩和功率也有一定变化，所以，选择变极电动机时，即使是对于相同的变速要求，也要根据负载性质（恒转矩或恒功率）选择不同变极方式的电动机。

以倍极变换中Y/2Y和△/2Y两种变极模式为例，分析速度变化的同时，电动机输出转矩和功率的变化情况。

假设三相电源的线电压Ue不变，变极前后每个线圈组中的电流强度I、功率因数cosφ、额定效率ηe也不变。

1）对于Y/2Y变极模式，以每相绕组产生的有功功率为基础，变极前后每相绕组上的相电压没变仍为Ue /，变极后因为每相绕组上的两个线圈组变为并联，总的相电流由原来的I变为2I，变极前的电动机输出功率P（1Y）和变极后电动机的额定功率P（2Y）分别为

对比P(1Y)和P(2Y)，有

变极后电动机的转速增加了1倍，额定功率也增加了1倍，电动机的转矩为

由此可见，对于Y/2Y变极模式，变极前后的转矩没变，相当于恒转矩调速，所以，这种变极调速方式适合于电梯、输送带、起重机、提升机等恒转矩负载。

2）对于△/2Y变极模式，仍以每相绕组产生的有功功率为基础，变极前△形连接每相绕组上的相电压等于线电压Ue，变极后为Y连接每相绕组上的相电压为Ue/，变极后因为每相绕组上的两个线圈组变为并联，总的相电流由原来的I变为2Ie，变极前的电动机输出功率P(△)和变极后电动机的额定功率P(2Y)分别为

对比P(1Y)和P(2Y)，有

变极后电动机的转速增加了1倍，额定功率也增加了1.15倍，电动机的转矩为

由此可见，对于△/2Y变极模式，变极前后的功率变化不大，近似于恒功率调速，所以这种变极调速方式适合于金属切削机床等恒功率负载。

其他变极方式的参数分析与此类似。

5.变极调速方式适应的电动机类型

笼式转子的极对数能随着定子极对数的改变通过电磁感应而自动改变，而绕线式转子要通过改变接线来改变极对数就比较困难，所以，变极调速方式主要应用于笼式三相交流电动机。

1.3.2 改变转差率s的12种调速方法

改变转差率s的调速方法有很多种，本节给出其中的12种。

1.绕线式转子电动机的转子串电阻调速

绕线转子三相交流电动机的转子结构如图1-10所示，这种电动机除了有定子绕组的接线端，还把三个转子绕组通过滑环和电刷引出电动机外，引出端一般安装在电动机的轴端，通过改变转子每相绕线上外接电阻的阻值来实现电动机转速的调节。

绕线式转子串电阻后的转差率s、串电阻前的额定转差率se、转子每相自身电阻r2、转子每相串入电阻R、串电阻之前的电磁转矩T、串电阻后的电磁转矩T′之间的关系为

绕线式转子串电阻后的转差率s由式（1-4）求出，串电阻前的额定转差率为

根据式（1-18）、式（1-19）和式（1-4），得出转速n和转子每相串入电阻R之间的关系为

如果转子每相串接电阻的阻值是分级切换变化的，如图1-11所示，图中控制KM3、KM2、KM1触点的闭合，相当于在转子中串入了不同的电阻，这种转速的调节是有级的，所串电阻器通常由多个大功率金属电阻器组成。

为了实现速度的平滑调节，需要均匀改变转子每相串接电阻的阻值。一种液体电阻调速器，利用碳酸氢钠水溶液做电阻液，通过改变液体内动极板和静极板间断面的大小和长度可以均匀地调节电阻值，从而可以实现转速的无级调节，如图1-12所示，电动机带动丝杠旋转，丝杠带动丝杠螺母上下运动，丝杠螺母带动动极板在电阻液中上下运动，动极板向下运动时，静极板和动极板之间的距离减小，液体电阻减小，动极板向上运动时，静极板和动极板之间的距离变大，液体电阻增大，这样就可以实现对电动机速度的连续调节了。

另一种连续改变转子串接电阻的方式是把绕线转子引出，外接一个三相桥式整流器，在整流器的直流端接一个固定电阻器R，在固定电阻器两端并接一个可关断晶闸管（GTO）或大功率晶体管（GTR），结构如图1-13所示。

当GTO导通时，相当于外接电阻为零，当GTO关断时，相当于外接电阻为R，控制GTO在一个周期T内的导通时间T1和关断时间（T-T1）的比例，就可以改变等效串接电阻值Rd，则

转子回路串电阻调速方式，简单方便，容易实现，但是该方法输出转速低时，转差率s大，根据式（1-8），转子上的铜损将与转差率s同比例变大，效率变低。假设定子对转子的电磁转矩为TM，则转子与定子之间的功率传递效率为

注意：它不是指调速电动机的总效率，总效率还需考虑定子效率和转子的机械效率。

这种调速器方式，限定于带有电刷的绕线式转子电动机调速使用。由于是通过增加转差率来实现调速的，速度越低，效率也越低，所以这种调速器应避免工作在低速状态，一般控制在50%～100%范围内，不过这种调速器如果工作在额定转速附近，对于水泵风机站来说也就是工作在额定扬程（额定压力）附近，运行效率也很高，因为它的最高效率几乎为100%，而这一点变频器却无论如何也实现不了。轻载和空载时，改变转子串接的电阻转速变化不大，因此，这种方法适合重载调速。电阻的冷态值和热态值会有所变化，此方法不太适合要求快速响应和精确调速的场合。

2.绕线式转子电动机的串级调速方法

在绕线转子每相回路中串入电阻R对交流电动机进行调速，如图1-14所示，其实就是通过降低转子回路的电流来实现调速，假设三相交流电动机某相转子感应电动势为E2、内阻为r2、感抗为X2、电流为i2、串接电阻为R，外接电阻上的热损耗就被白白浪费掉了。

人们寻求调节转子回路电流的其他方法，以避免产生，根据电学的知识，改变一个回路中电流的方法可以有很多种，可以在绕线转子引出端外接一个三相桥式整流器，在整流器的直流端给一个直流电源E3充电，同样也可以改变转子的电流值，使转子的电流为i2，如图1-15所示。

图1-15中，直流电源E3可以用它激直流电动机产生，并将该直流电动机与被调速交流电动机同轴连接，如图1-16所示，改变直流电动机的励磁和极性就可以改变E3值，从而改变三相交流电动机转子的输出转速，增大直流电动机的励磁Ea，则直流电动机的反电动势E3增大，直流电动机的电枢电流减小，直流电动机的电磁转矩下降，整流电路的电流减小，交流电动机转子的电流i2减小，交流电动机的电磁转矩下降，转速n降低；同理，如果降低直流电动机的励磁Ea，则转速n升高。直流电动机的输出功率通过拖动负载做功，这样就使转差功率损耗sPM得到了回收。图1-16是直流电动机回馈式串级调速原理示意图。

用一个逆变器代替上面的直流电动机，电压E3通过逆变器变成交流电馈送回交流电网，这样同样可以将转差功率损耗sPM进行回收，如图1-17所示，该电动势是串接在转子回路中的，这就是晶闸管串级调速的原理。这种调速方式可以实现低于同步速度的电动机转速输出调节，此方式效率较高，适合于调速范围不大的场合，由于这种方法逆变部分只负责变换转差功率，所以设备的功率低，比变频器直接调节定子频率的方法成本小，这是这种调速方式的优势，缺点是它只能在带电刷的绕线式三相异步交流电动机上应用，功率因数一般较低。

为了改善串级调速的功率因数，在直流回路中并入一个可关断晶闸管，通过控制晶闸管导通与关断的比例（占空比）来调节电动机的转速，将逆变器的超前角固定且取最小值，这样就可以减小逆变器从电网侧需要的无功功率，提高调速系统的功率因数，如图1-18所示，是这种带斩波器的晶闸管串级调速系统的原理图。

串级调速方法采用整流和晶闸管逆变回馈模式，电网干扰较大，由于实现了转差功率的回馈，所以，运行效率很高，在额定转速时，效率接近100%，比变频器的最高效率还要高，这种方法速度响应也较快，调速范围一般为50%～100%，这种调速方式的功率器件只需满足转差功率部分的功率要求即可，所以器件的功率总容量小，成本较低，但是电动机必须使用带电刷的绕线式电动机。

3.绕线转子电动机的的双馈调速方法

将交流电源E1串入每相转子绕组，同样也可以改变转子的电流值，使转子的电流为i2，如图1-19所示。

用低功率的双向变频器向三相交流绕线电动机的三相转子线圈供电，改变转子绕组电流的大小和相位，同样也可以使转子的电流为i2，如图1-20所示。

图1-20中，当连接转子绕组的晶闸管起整流桥作用，连接电网变压器的晶闸管起逆变作用时，等同于上面的串级调速，向电网馈电；当连接转子绕组的晶闸管起逆变作用，连接电网变压器的晶闸管起整流作用时，电网向转子供电，这种调速方式称为双馈电动机调速系统。在这种调速系统中，电网的能量经整流、逆变向转子绕组供电，供电的频率、相位、幅值都可调节，根据该电源频率的正负和定子频率的叠加关系，使电动机输出转速高于或低于同步速度运行，由于这种方法可以实现超同步运行，所以这种系统也叫超同步串级调速系统。

4.无刷双馈电动机的的调速方法

如果转子绕组换成笼式结构，在定子上安装两套不同极对数的绕组，一组为功率绕组，极对数为p1，接三相工频电源，频率为f1；另一组为控制绕组，极对数为p2，接频率f2可以调节的变频器，要求p1>(p2+1)，如图1-21所示。

在极对数固定的情况下，功率绕组通电后形成一组速度固定的旋转磁场，控制绕组的旋转磁场速度可以调节，两组旋转磁场共同作用合成为一个可以改变转速的旋转磁场，这个合成磁场作用到转子上就产生了转速可以调节的输出转速，简言之，也就是通过变频器改变控制绕组上的电源频率f2，就可以实现对电动机速度n的调节，这种系统称为无刷双馈调速系统。

该无刷双馈调速三相交流电动机的速度为

5.绕线转子电动机的内反馈串级调速方法

在绕线转子三相交流电动机串级调速方式中，把原来回馈到电网的转差功率回馈到电动机内部定子上的一个内馈绕组中的调速方法称为内反馈串级调速，调节绕组上的电动势由定子上的主绕组感应产生，内馈绕组经过逆变和整流环节连接到转子绕组中，如图1-22所示。

为了提高内反馈串级调速方法的功率因数，同图1-18的原理一样，组成带IGBT斩波器的晶闸管内反馈串级调速系统，如图1-23所示。

这种内反馈串级调速方法是我国科学家屈维谦先生发明的，调速效率很高，使用也比常规的串级调速更方便。

6.利用一个斩波管实现定子绕组调压的调速方法

将三相交流电动机的3个定子绕组拆开，然后接入一个三相整流桥，整流桥的直流侧并接一个斩波GTO，如图1-24所示。当GTO导通时，相当于三相定子绕组接入全压，当GTO关断时，相当于三相定子绕组电压为零，GTO导通和关断的占空比和开关频率可以改变电动机定子电压的平均工作电压。

这是笔者在20世纪提出的一个调速方法，由于该方法极为简单，文章发表后曾引起很多业内人士关注，由于种种原因，此方法后来没有研究下去。

本方法适用于水泵风机拖动电动机的调速，电动机为Y形接法，水泵风机站的工作压力接近额定扬程（额定压力），这样电动机调节速度范围也接近额定转速。在这种场合该方法的效率也很高，当转速接近额定转速时，运行效率接近100%，低速时效率较低。

为了利用定子绕组关断时刻的电流，GTO关断时，电流经过电抗器向电容器C充电，GTO导通时，电容器C向直流电动机D供电，直流电动机D与交流电动机M同轴连接，直流电动机D向负载输出功率，如图1-25所示。

如果图1-25中的直流电动机D用逆变器代替，还可以把部分能量反馈回电网，如图1-26所示。

7.利用晶闸管调节定子绕组电压的调速方法

将三组晶闸管串接到定子绕组的电源接线中，如图1-27所示，通过改变晶闸管的触发角度来调节加在三相交流电动机定子绕组上的有效电压，从而改变三相交流电动机的输出转速，这与通常家中调光台灯的原理类似，不过调光台灯用的是单相电源，也是通过调节晶闸管的触发角度来改变灯泡上的有效电压，实现亮度调节。

调节定子绕组电压的调速方法，既不是恒转矩调速，也不是恒功率调速，适合于转矩随转速降低的水泵风机类负载。当转速接近额定转速时，运行效率接近100%，低速时效率变低，这种方法采用晶闸管触发调节，电网干扰较大，但速度响应较快，调速范围一般为80%～100%，笼型交流电动机和绕线型转子电动机均可以使用。

8.定子绕组串接饱和电抗器调节电压的调速方法

这种方法类似于家用电风扇的调速方法，改变串入定子绕组中的饱和电抗，由于电抗的分压作用，就可以改变加在定子绕组上的电压值，从而对三相交流电动机进行调速，如图1-28所示。当转速接近额定转速时，运行效率接近100%，低速时效率变低，此方法对电网的干扰几乎没有。

9.利用三相自耦变压器调节定子绕组电压的调速方法

利用三相自耦变压器调节加在定子绕组上的工作电压，从而对三相交流电动机进行调速，如图1-29所示。

这种调速方式，当转速接近额定转速时，运行效率接近100%，低速时效率变低，但此方法对电网的干扰几乎没有。

10.利用定子绕组串接电阻调节电压的调速方法

利用电阻的分压作用，调节加在定子绕组上的电压，从而对三相交流电动机进行调速，如图1-30所示。如果电动机的功率较大，电阻上的发热量较大，可以利用图1-12中的电阻调节装置，这种串电阻分压调速方式能耗大。在这种调速方式中，当转速接近额定转速时，运行效率接近100%，低速时效率变低，但此方法对电网的干扰几乎没有。

11.利用△-Y调节定子绕组电压的调速方法

利用△-Y变换，改变加在定子绕组线圈上的工作电压，从而改变三相交流电动机的转速，如图1-31所示，因为△-Y变换并没有改变电动机的变极对数和同步转速，只是增大了滑差率s，因此，这种方法的调速范围很有限。

12.改变定子铁芯磁液密度的调速方法

如图1-32所示，在三相交流电动机的定子铁芯1上装有许多内部充有磁性液体的管子5，磁性液体内掺有悬浮的磁粉，所有的管子5串接或并接地连通在一起，当改变磁性液体中磁粉的含量时，定子绕组2产生的旋转磁场对转子铁芯3上转子绕组4的磁作用力也将发生变化，从而达到改变转速的目的，这种方法不需要使用大功率电子元件。

1—定子铁芯；2—定子绕组；3—转子铁芯；4—转子绕组；5—管子

1.3.3 改变频率f的调速方法

变频技术早期受电力电子技术器件的限制进展较慢，随着功率器件和运算器件的快速发展，以及价格的不断降低，变频交流调速技术和产品发展迅速。变频技术既可以应用于异步交流电动机也可以应用于同步交流电动机，既可以驱动鼠笼式交流电动机也可以驱动绕线式交流电动机，变频器用于向三相交流电动机提供可变频率的电源，以实现交流电动机的无极调速，全范围运行时，高效率运行区相对也较宽。额定运行效率大约为94%～98%，额定频率输出且有一定的负载时，大约比直接工频运行浪费1%～6%。

1.电压型变频器

目前，大量的低压变频器是电压型变频器，这是目前工业领域中应用数量最多且最普遍的一种变频器，所以也称通用变频器，它的结构如图1-33所示。交（流）-直（流）-交（流）结构多用于低压变频器，三相交流电源RST接入一个由二极管组成的三相整流桥，把交流电先变为直流电，电平V+、电平V-直流电经过大容量电容器C，电容器C存储电能并滤波，保持该直流电压UD基本不变，相当于一个电压源（故称电压型），然后该直流电再经过逆变器变为可以改变频率和有效电压的三相交流电，V1导通V2关断时，U相输出V+，V1关断V2导通时，U相输出V－，U相输出的电压为有两种电平状态的矩形波，V和W相情况类似，所以这样的变频器也称两电平变频器。由于电动机中电感的影响，电流上升速度比电压要滞后，当出现U相输出V+，而U相电流为负时，D1导通，电流流回直流侧，D2的作用与此类似。RST三相交流电源，每相电源在1个正弦波周期内有2个波峰，1个正波峰，1个负波峰，3相共6个波峰，波峰之间相差60°，经过三相整流桥整流后，变成了6个正向直流波峰，所以也称6脉波（或6脉冲）整流方式。目前，这种结构的变频器其逆变器多由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）组成，由于变频器输出的正弦波是由矩形方波通过改变脉冲宽度形成的，谐波分量大，当电动机离变频器较远时，线路与大地之间的分布电容变大，高次谐波极容易通过分布电容流入大地，形成漏电流，通过大地影响附近的视频信号，并使漏电开关跳闸，这时就需要采取一些措施来解决这一问题，后面会讲到具体方法。一般变频器的调速范围很宽，大约为5%～100%，速度响应较快，且可以实现较精确的速度控制。

2.电流型变频器

电流型变频器结构如图1-34所示，三相交流电源接入一个全控三相桥，交流电变为直流电，直流电流流过大容量电抗器L，电抗器L存储磁场能量并对电流滤波，保持流过电抗器L的直流电流ID不变，相当于一个电流源（故称电流型），然后该直流电再经过全控桥逆变为变频的三相交流电流，用以驱动三相交流电动机。

这种变频器从电源输入到电动机输出的整流和逆变两个环节是对称的，所以，可以通过改变可控器件的触发角度反向运行，可以把处于发电状态的电动机发出的电能作为电源，原来的逆变桥控制为整流桥，原来的整流桥变为逆变桥，把电动机发出的电能反馈回电网，避免电能浪费。

这种变频器的GTO工作频率不能太高，变频电源输出到电动机后，电动机的噪声较大，在小功率三相交流电动机上应用很少。由于可关断GTO高耐压和大电流的特点，这种变频器多用于驱动高压大功率三相交流电动机的场合。

3.三电平变频器

这种变频器结构如图1-35所示，三相交流电源RST经移相变压器B分出两组互相隔离且相差一定角度的电源输出，两组电源输出分别接入两组三相整流桥Q1和Q2，整流桥Q2的正端接Q1的负端形成0电平V0，整流桥Q1的正端形成正电平V＋，整流桥Q2的负端形成负电平V－，这样就将交流电变为带中间0电平的直流电，直流电分别经过两组大容量电容器C1和C2滤波，保持直流电压基本不变，然后该直流电再经过逆变器逆变为可变频率交流电，去控制三相交流电动机。

晶体管V1、V2导通时，U相电平为V＋，晶体管V1关断、V2导通时，D1导通，U相电平为V0，晶体管V3、V4导通时，U相电平为V－，晶体管V4关断、V3导通时，D2导通，U相电平为V0，由于这种变频器的直流侧和变频输出侧有V＋、V0、V－3个电平，因此称这种变频器为三电平变频器，这种结构的变频器，也是一种电压型变频器，目前主要应用于轧钢机、机车牵引、提升机等领域。三电平变频器输出的波形与正弦波更接近，所以三电平变频器输出侧的谐波分量比两电平变频器要小。移相变压器采用Y和△两组副边，以Y接法绕组为基准，画出两组副边的电压矢量图，如图1-36所示，对于Y副边绕组UAUBUC是线电压，对于Δ副边绕组UaUbUc是线电压，根据图中接法，Ua是a、c之间的线电压，Ub是b、a之间的线电压，Uc是c、b之间的线电压，根据同名端排列，UA和Ua同相位，UB和Ub同相位，UC和Uc同相位，把Δ副边绕组的线电压折合成相电压进行矢量对比，计算出△副边绕组等效的相电压矢量Ua′、Ub′、Uc′，对比UA和Ua′的相位差，两组副边电源的相位差30°，也就是两组副边输出发生了移相，移相后的两组电源经整流输出的12个直流波峰（12脉波或脉冲）之间相差30°，比单整流桥的6个直流波峰更均匀、平整，这样就使得电网侧的电流波也更接近正弦波，谐波污染更小。

4.多电平变频器

目前，工业中大量使用的中压变频器以多电平变频器为主，这种变频器的电源输入侧采用移相变压器把电网的高压转换成多组相互隔离的低压，低压的组数和每组的电压值与所驱动三相交流电动机的工作电压等级有直接关系，不同的变频器厂家会有所不同，为了使电源侧电流更接近正弦波，每组低压采用不同的移相角，移相角的大小与所驱动三相交流电动机的工作电压等级有直接关系，不同的厂家也会有所不同。以3000～4160V变频器为例，移相变压器的移相角度和结构示意如图1-37所示。

图1-37中，原边采用Y形或△形接法，副边采取延边三角形接法，限于篇幅，在此不再对移相变压器如何改变各绕组同名端的连接方式实现上述相角变化进行分析，可以参见图1-36的分析方法。移相变压器共有12个低压副边绕组，共分4组，每组由3个同相位的三相绕组构成，组与组之间的相位角相差15°，在每组选择1个三相绕组，共4个三相绕组分别给4个U相功率模块提供电源。对于3000V的变频器，每个三相绕组的电压为430V，4个共1720V组成U相供电电压，线电压为2979V；对于4160 V的变频器，每个三相绕组的电压为600V，其他等级的变频器也是这样计算出来的。分相的目的是使各组低压输出的电压波峰（或波谷）尽量错开，这样移相后的各组低压电源经整流输出的直流波形其波峰和波谷更分散、均匀，这样综合到电网侧的电流波形也就更接近正弦波，对电网的谐波干扰就更小。

把每个低压的三相交流电RST送入单个功率模块的整流桥，单个功率模块由6只二极管组成全波整流桥，整流后的直流电流经电容器C滤波储能，然后送入由4只IGBT组成的H型单相逆变桥，多个功率模块串联形成较高的输出电压，单个功率模块的结构如图1-38所示。

在图1-38中，当V1和V4导通、V2和V3关断时，U和V之间的电压VUV=+UD；当V3和V2导通、V1和V4关断时，U和V之间的电压VUV=-UD；当V1和V3导通、V2和V4关断时，U和V之间的电压VUV=0；当V2和V4导通、V1和V3关断时，U和V之间的电压VUV=0。开关S闭合，则VUV=0，这个作用在该功率模块发生故障时，可以保证整个变频器继续降容运行，这一点对于安全性要求高的场合非常重要。

移相变压器与多个功率模块组成的多电平变频器主体结构如图1-39所示，功率模块1、4、7、10的VUV串联组成U相输出电源，功率模块2、5、8、11的VUV串联组成V相输出电源，功率模块3、6、9、12的VUV串联组成W相输出电源。

图1-39中，功率模块1、2、3的U端连接在一起相当于一个中性点形成一个基准电压，根据功率模块的不同导通情况，决定输出到三相交流电动机上电压的正负，以及电压幅度，这种变频器的输出电压采用多电平叠加，更接近于正弦波，谐波分量很小，不需要加输出电抗器，输入侧采用移相变压器，使各功率单元的输入电压具有不同的相位差，对于图1-38的3000V变频器结构，由于有4种相位角，所以有4×6=24个均匀分散直流波峰（24脉波或脉冲），电源侧的电流更接近正弦波，对电网的谐波污染更小，不需要加输入电抗器，所以也称这种变频器为完美无谐波变频器。

这种变频器采用功率模块逆变侧串联方式，相当于将一个个小的直流电源串联形成一个较高的电压，各模块内的功率元件，只耐受本单元内的直流电压，与总输出电压无关，所以各个功率模块可以采用成熟的低压变频技术来实现，各功率模块完全相同，互换性好，维护方便，缺点是器件使用量太大。

5.不使用输入变压器的功率器件直接串联中高压变频器

其实，上面讲的三电平变频器也是一种利用功率器件串联组成的变频器，这可以从图1-35中每个桥路中功率器件的连接方式看出，变频器输出的电压等级越高，需要串联的功率器件就越多，如图1-40所示，这种变频器同上面讲的电压型变频器主电路拓扑结构一样，不过器件串联后，为了使各个器件能均衡承受耐压，避免局部器件因承压过高而损坏，需要采用一定的措施。

6.高-低-高变频器

利用降压变压器把高中压变为低压，用低压变频器实现变频输出，然后再将变频输出的三相电源经过升压变压器升高电压，用该高压变频电源去控制高中压三相交流电动机，这种变频器采用的是高（压）-低（压）-高（压）的结构，如图1-41所示。这种方法的优点是可以利用成熟的低压变频器技术实现高中压电动机的转速控制，无技术障碍，但是由于这种方式需要经过两级变压，所以运行效率要降低一些。

7.变频器适用的调速电动机类型

变频器调速方式适用于笼型交流异步电动机、绕线型交流异步电动机和交流同步电动机。