大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（4）

大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析（4）

摘要：指出了发电厂风机水泵调速运行的必要性和巨大的节能潜力；讨论了各种调速方式的优缺点，并作出了详细的技术经济分析。
关键词：风机；水泵；液力耦合器；变频调速；串级调速；无刷双馈电机

4.3绕线式电动机的串级调速
绕线式电动机的串级调速，虽然也是通过改变异步电动机的转差率来达到调速目的的，但它与能耗转差调速不同，关键的差别在于对转差功率的处理上。能耗转差调速是将调速中产生的转差功率变成热能消耗掉，而串级调速却是通过交－直－交变频器和变压器，将转差功率反馈回电网，因此是一种高效的调速方式。
4.3.1普通串级调速
从电机学原理可知，为了实现绕线式异步电动机的转速调节，除了采用在转子回路中串电阻的方式外，还可采用在转子回路中串电势的方法。这种在转子回路引入附加电势进行调速的方法，称为绕线式异步电动机的串级调速。
串级调速的关键是串入到转子回路的电势Ef的频率必须与转子电势频率f2相等，但f2是随着转速的变化而变化的，即f2是由旋转磁场转速n0（对应f1）和转子转速n决定的，即

式中：p——磁极对数；
s——转差率。
但要串入一个永远跟随着转速的变化而变化的电势Ef是相当困难的。解决的办法是先把转子电势整流成直流电势Ed，再在此直流电路中串入一与Ef相当的可调节的直流电势，就可避免随时改变Ef频率的困难了。具体地实现串级调速有下述三种方式：
1）由一台直流电动机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫机械串级调速系统或叫克莱墨系统。
2）由一台直流电动机、一台交流发电机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫电机式串级调速系统或谢菲尔毕斯系统。
3）由变频器与绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫晶闸管串级调速系统或静止谢菲尔毕斯系统。
上述第一种及第二种串级调速方式过去早有应用。第三种晶闸管串级调速是一种新的串级调节方式，它在目前应用最广泛，已有取代第一、二种串级调速的趋势。
与转子串电阻方式相比较，转子串电势的优越性是可以回收转差功率，仅晶闸管等换流器件产生一些不大的损耗，所以绕线式异步电动机的串级调速是一种高效调速方式。
晶闸管串级调速系统又可分为低（次）同步串级调速系统和超同步串级调速系统两种。当串接到绕线式异步电动机转子上的附加电势Ef与转子电势SE20反向时，电动机的转速只能朝电动机额定转速以下的方向调节，运行转速恒低于电动机的同步转速，称为低（次）同步串级调速。当Ef与SE20既可同向串接，又可反向串接时，电动机的转速既可高于又可低于电动机的同步转速，称为超同步串级调速，或称为双馈调速。
图19所示为低同步串级调速系统的原理图。其工作原理为：绕线式异步电动机的转差电势E2（SE20）经三相整流为直流电势Ed，再经电抗器L滤波后，加到三相逆变桥。由晶闸管组成的三相有源逆变桥的作用有两个：一是从电网为转子回路提供附加直流电势Eβ，它与外串附加交流电势Ef相当，因是低同步串级调速，所以它的方向与转子直流电势Ed相反；二是把直流电再逆变为与电网同步的三相交流电，从而把转差功率Ps通过逆变变压器T匹配成电网电压，送回电网。

图20为超同步晶闸管串级调速系统的原理图。它与低同步串级调速系统的主要区别是把由二极管组成的整流桥改为由晶闸管组成的可控整流桥，这样它既可作整流桥用，又可以作为逆变桥使用。当超同步串级调速系统在低同步范围调速时，可控整流桥作用与不可控整流桥完全相同，而在超同步范围内调速时，原来的逆变桥成为整流桥，它通过变压器从电网吸收交流能量，并将其整流为直流电；而原可控整流桥则成为逆变桥，它把直流电变为频率与转子频率相同的交流电。这样，超同步串级调速系统其定子绕组由工频电源供电；而转子绕组则由变频电源供电，通过调节转子变频电源的频率就可以进行转速调节。显然，绕线式异步电动机的变频调速方式与鼠笼式异步电动机的变频调速方式不同，后者仅由定子侧供电，而前者是由定子侧和转子侧双向供电。因此，超同步串级调速系统又称双馈电动机调速系统。

低同步晶闸管串级调速方式用于泵或风机调速时，其主要优点为：
1）晶闸管串级调速是一种高效调速方式。一般而言，晶闸管串级调速系统的总效率（即电动机和调速装置的综合效率ηZ）应高于鼠笼式电动机及变频装置的综合效率ηZ。这是因为晶闸管串级调速系统中，只有转差功率经过变频器；而鼠笼式电动机变频调速时，其由电网输入的全部有功功率都要通过变频器。所以从通过变频器的功率损失（称为换流损失）来看，显然晶闸管串级调速系统要小得多。图14为典型晶闸管串级调速系统的ηZ及cosφ值，ηZ定义为

式中：PB指电网净输出，不包括输入后又输出的转差功率。
2）晶闸管串级调速系统具有在发生故障或其它原因时自动切换至额定转速或转子串电阻调速的功能。故当串级调速装置有故障时，泵与风机仍可以继续工作。此外，由于晶闸管串级调速装置的硅二极管、电抗器、晶闸管、变压器等元器件要产生电压降，故串级调速系统的最高转速只能达到原电动机额定转速的95％左右，因此，若要电动机在原额定转速运行，亦需把串级调速系统从“调速状态”切换到异步状态。
3）调速装置由静止元器件组成，噪声小，易于维护，寿命长；当泵或风机的调速范围较小时，调速装置的容量可大大减小，价格也相应降低。
晶闸管串级调速系统存在的主要问题是：
1）晶闸管串级调速系统的总功率因数低。如图21所示，在100％额定转速下运行时，系统总功率因数cosφ还不到0.6；在50％额定转速运行时还不到0.3。造成系统总功率因数低的主要原因是串级调速系统中的晶闸管逆变器在工作时需要吸收无功功率。另外还有两个原因是系统中转子整流器的作用，使电动机本身的运转功率因数变差；系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变，其电流中的高次谐波分量引起的畸变功率，使系统的总功率因数变差。后两个原因所造成的系统总功率因数降低约10％左右。

2）产生的高次谐波对电网有污染。在晶闸管串级调速系统中，电动机转子回路串接的硅二极管整流器和晶闸管逆变桥，使每相正弦电流畸变而包含着一定分量的高次谐波。高次谐波电流不只对串级调速系统本身产生不良影响，更重要的是对整个供电系统的污染，使电网的电流波形产生畸变。谐波不仅增大电网及串调系统的损耗，降低电网及串调系统的功率因数，而且还使感应电动机的定子损耗与转子损耗增加；使电源变压器损耗增加，噪声增大；可能引起母线与补偿电容器和线路上的感抗元件发生共振，而使电容器过热;可能导致并联工作的晶闸管变流装置相互干扰而控制失调；给测试装置和通讯设备带来电磁干扰。
提高功率因数的措施：
1）具有斩波环节的晶闸管串级调速系统。所谓带斩波器的串级调速系统，就是在传统的串级调速系统转子回路的二极管整流桥与晶闸管逆变桥电路之间并联接入一个斩波器，如图22所示。系统运行时，逆变器的超前角β固定在最小安全超前角βmin不变，通过调节斩波器的占空比实现调速。因cosβmin值较大，逆变器从电网需要的无功功率减小，故使系统的功率因数提高，在高转速运行时比一般串级调速系统高0.2～0.3。目前上海电器成套厂生产的带斩波器的晶闸管串级调速系统的容量已达550kW。

斩波器通常由普通晶闸管构成。若采用可关断晶闸管（GTO）或电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型电力开关器件，则其控制线路可大为简化。
2）对串级调速系统中逆变器的电力半导体开关器件用全控型开关器件（如GTR、GTO、IGBT等）取代普通的晶闸管，由于GTR、GTO、IGBT等具有自关断能力，且开关频率高，因此逆变器可作成PWM型，输出的电压或电流为近似正弦波形，不但高次谐波量少，而且有高的功率因数。
双馈调速系统与（低同步）串级调速系统相比，具有如下特点：
1）双馈调速系统不但可以在同步转速以下调速，还可以在同步转速以上调速；而且在同步转速上、下，既可以电动运行，又可以制动运行。而晶闸管串调系统只能在同步转速以下调速，没有制动转矩。
由于双馈调速可以在同步转速以上调速，所以只要电动机有足够的机械强度，便可以发出比额定功率大的功率。这对于火力发电厂的锅炉给水泵等这类大容量、高转速泵具有很大意义，因为这些泵的转速比电动机的同步转速高，而使用双馈调速系统不用增速齿轮就可达到。
2）双馈调速系统的功率因数比串级调速系统高，且高次谐波对电网的干扰较小。
3）双馈调速系统的线路比串级调速系统复杂，初投资也高，维护较困难，要求工人具有较高的文化技术水平。
双馈调速系统和串级调速系统是不需要调节全部传动功率的电气传动系统，因此，经变频装置的功率仅仅是传动功率的一部分（转差功率），这部分功率的大小和调速范围成正比例。这种调速方式最适用于调速范围不大的场合。另外，因只需对传动功率的一部分进行变频，所以能量变换装置中的能量损失较小。在各种可调速的电气传动方式中，双馈调速和串级调速的效率是最高的。
其次，双馈调速系统和串级调速系统都具有较高的可靠性，即使在变频装置发生故障时，仍可将电动机的转子短接使其工作在不调速状态。对于火电厂的锅炉给水泵、锅炉送、引风机以及核电站的循环泵等可靠性要求高的重要设备来说，这个优点是很重要的。
4.3.2内反馈串级调速电机
作为近代交流调速技术的重要分支，晶闸管串级调速曾获得普遍的重视和广泛的应用。但是随着近年来变频调速技术的迅速崛起，串级调速受到了很大的冲击。除了理论上的误导作用之外，串级调速技术在理论深入和技术改进方面存在的不足也是主要原因之一。
内反馈串级调速电机就是旨在克服传统的晶闸管串级调速系统的缺点而提出的新型附加电势调速方案。图23为内反馈串级调速系统的原理简图。

内反馈串级调速电机的调速原理仍属于绕线式异步电动机转子回路串附加电势进行调速的理论范畴，但该附加电势不是通过与电网联接的逆变变压器提供，而是通过安装在定子上的调节绕组从主绕组感应过来的电势所提供的，再通过变流装置将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速的目的。同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速正比变化，达到调速节能的目的。
与传统串级调速的区别在于内反馈调速的转差功率不是馈入电网，而是反馈回电机内部。转差功率的这种内馈的结果，使调速产生的转差功率仍以电能的形式存在而没有被消耗，从而提高了调速效率；另一方面，通过电机的磁势平衡使定子绕组向电网吸收的功率减小，定子功率绕组中不再含有多余的转差功率，克服了传统串调系统转差功率在定子－转子－电网间的无谓循环传输现象。
为了实现上述功能，内反馈调速电动机本体，除了具有和常规电机相同的定、转子绕组外，还在定子上设有特殊的调节绕组。调节绕组的作用是为转子绕组提供调速所必须的附加电势，并接收转子在调速时产生的转差功率，调节绕组的这一作用，类似于传统串级调速系统中的逆变变压器，但内反馈调速是在电机内部的电磁系统中完成的转差功率转移，而传统串级调速则是在两个不同的电磁系统中实现转差功率的传输。不但在结构上，前者比后者简单，而且使电机调速的功率传输性能更为合理。
与传统串级调速一样，为了克服功率因数比较低的缺点，在转子直流电路增加了直流斩波器，转子整流器通过斩波器与逆变器相连，组成斩波式逆变器。斩波式内反馈串级调速系统的调速是通过改变斩波器的占空比来实现的，因此逆变器的超前角β可取为最小值βmin，且固定不变，故可使无功损耗减小到最低程度，从而提高了系统的功率因数，同时也避免了因调速深度而带来的功率因数进一步降低的现象。图24为斩波式串级调速系统的原理简图。

为了进一步提高内反馈串级调速电机的功率因数，还可以采用内补偿措施。改善功率因数的关键，在于使调节绕组的无功功率呈容性，这一方面可以通过超前换流的电子变流器来实现，也可通过内补偿方法来实现。内补偿是一种简单、可靠的改善功率因数、降低无功损耗的方法，其线路图如图25所示。
在调节绕组接入补偿电容器，为了抑制谐波电流，串入阻尼电抗器L2。这样，调节绕组除了反馈电流I31以外，还产生容性电流I3C，总的电流为：=＋。将补偿的感性无功分量，使呈纯电阻性质，或者偏容性，因此实质性地改善了电机的功率因数。内补偿的最终目的是为了避免调节绕组感性电流引起的原边激磁电流的增大，为此，要求与的感性无功分量完全相等而抵消，这种补偿称为准补偿。准补偿对电机系统的功率因数并未起到补偿作用，但由于它使Q3=0，因此并不增加电机功率绕组的激磁功率及损耗，而且调节绕组的功率因数接近于1，使其损耗最小。

如果调节绕组容量允许的话，最好使Q3<0而呈容性，这对于调节绕组来说是过补偿，过补偿的结果使得功率绕组的激磁电流减小，一方面可使电机的功率因数提高，同时又可以减小电机的发热与损耗。如进一步使：
Q1＋Q2－Q3=0
Q3=Q1＋Q2

的话，则可使电机的功率因数达到1。
需要说明的是，内补偿与电机电源端的外补偿具有很大区别，外补偿只能改善电源的功率因数，而对电机内部的感性无功问题丝毫无补，这是必须引起注意的。内补偿除了对调速状态有所改善之外，在自然运行时，也能收到较好的效果，它使电机的功率因数进一步提高，并使输入电流降低，这对6～10kV的高压电机具有重要的意义。
由于内反馈调速电机取消了逆变变压器，增加了调节绕组，不仅缩小了体积，降低了系统造价和损耗，还可通过调节绕组的分布与短距作用使空间谐波得到有效的抑制，即使不加滤波装置，也能满足电网要求。
4.4无刷双馈变频调速电机
由于高压变频器昂贵的价格和复杂的控制系统阻碍了它的推广应用，于是人们就努力寻找一种能够降低调速系统成本的实施方案。国外有人率先在HUNT电机的基础上提出了无刷双馈变频调速电机的设想，通过对样机的试验得到了令人满意的结果。无刷双馈变频调速电机与转子接串调或双馈调速装置的绕线式电机相似，可以用较小容量的变频器对较大功率的电机进行调速控制，特别适合于大功率的风机和水泵类负载的调速节能应用，具有低投入、高回报的特点，是一种很有希望的中、高压电机节能调速方案。
4.4.1无刷双馈电机原理
无刷双馈电机是一种具有绕线式异步电机特性，但无电刷及滑环的电机。其原型机实际上是一种双电机的级联系统，即两台绕线式电动机的转子共轴，两转子绕组相互联接，第一台电机的定子绕组接电网，输入功率，通过转子传给第二台电机的定子绕组。第二台电机的定子绕组称为控制绕组，相当于普通绕线式电机的转子绕组，接串调或双馈装置，实现调速。电机原理示于图26。

近年来在该原型电机的基础上研制出的改进型无刷双馈电机只有一个定子，一个笼形转子，一套公共磁路，定子中有两套不同极对数的绕组，一组称功率绕组，接三相电网，另一组称控制绕组，接变频装置。这种电机的原理示于图27。在两种绕组极对数确定的情况下，通过改变控制绕组变频器的输出频率即可实现电机的无级调速，调速的范围与极对数和二套电源的输出频率有关，具体的转速表达式为：

式中：p——功率绕组磁极对数；
fp——电源频率；
q——控制绕组磁极对数；
fq——变频器输出频率。
从式中可见，根据电源旋转磁场与变频器输出的磁场方向的异同（相序不同）可实现双向调速，扩大了调速范围，降低了变频器的容量。从式中还可看出，由于电源频率是固定的（50Hz），只要变频器的输出频率一定，电机的转速就可以完全确定，调速精度很高。
4.4.2无刷双馈电机的特点
1）特殊的笼形转子无刷双馈电机的转子为单层多路笼型转子，如图28所示，导条数n=p＋q，其余槽中安排短路绕组。

2）功率分配功率绕组与控制绕组的功率分配符合如下关系：

   
4）两绕组极数之间应满足如下的关系：
p≠q；p－q>1；q/p应尽量小；p/q的最简分式中分子分母最好是一奇一偶。
综合以上各种因素可以发现，无刷双馈电机定子绕组的极数配合问题是错踪复杂的，具体的选择要根据实际要求来定。
如果将变频器用于极数较小的控制绕组一侧，不仅可以实现电机转速的平滑调节，更重要的是大大降低了变频器的容量，同时也降低了对功率器件的耐压要求，因为对于一台6kV的无刷双馈电机来说，即使进行0～100％调速时，其控制绕组的电压也不超过2kV，一般进行±25％～±50％调速,则控制绕组的电压应低于1000V，可采用低压功率器件组成变频器，大大降低了成本，提高了可靠性。另外，还由于变频器接在控制绕组一侧，对电网的谐波污染要小得多。
4.4.3无刷双馈变频调速电机设计原则
由以上分析可见，无刷双馈电机也有其局限性，在设计时应根据具体要求综合考虑。
1）无刷双馈电机的同步转速最高为1000r/min，此时取P=2，q=1
2）为减小变频器的容量，及减小损耗，q/p的值应尽量小，对于600r/min同步速的电机，若选p=4、q=1时，变频器容量仅为电机容量的20％；而选p=3、q=2时，则为电机容量的40％。
3）调速范围越大，控制绕组电压就越高，要求变频器功率器件的耐压越高。好在电厂风机，水泵的调速范围有限，这应不成问题。
4）设计实例：将一台200MW机组引风机电机（PN=1600kW、6kV、980r/min)改成无刷双馈变频调速电机。
设计同步转速为1000r/min，则由n=，取p=2、q=1
变频器容量PN×110％=580kW
调速范围500～1500r/min，变频器输出频率为0～±25Hz，控制绕组电压为690V左右，额定电流250A，可用耐压为1700V，电流为800A的IGBT功率器件组成。
5）投资核算：1600kW/6kV电机约￥25万元，改为无刷双馈电机，约￥40万元，30％电机容量的变频器（含输入变压器及起动装置）约￥45万元，共计￥85万元/套；若用高压变频装置，约需要￥250万元，约为无刷双馈变频调速电机的三倍。
综上所述，无刷双馈电机的调速范围为500～1500r/min为宜，这样的电机造价要比普通电机高50％左右，电机造价的增加可以从调速装置（变频器）的节约中得到补偿。转速越低，二者差值越小。若转速再高，无刷双馈电机将增大许多，制造也较困难，不一定合算。
4.4.4无刷双馈电机的优缺点
无刷双馈变频调速系统与其他交流调速系统相比，具有以下突出的优点：
1）通过变频器的功率仅占电机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，同时大大降低变频器功率器件的耐压要求，从而大大降低了调速系统的成本；
2）功率因数可调，可以提高调速系统的力能指标；
3）取消了电刷和滑环结构，大大提高了系统运行的可靠性；
4）即使在变频器发生故障的情况下，电机仍然可以运行于感应电动机的状态下，保证拖动设备的正常工作；
5）电机的转速仅与功率绕组和控制绕组的极数、频率及相序有关，而与负载转矩无关，因此电机具有硬的机械特性（同步机特性），并且转速的控制十分精确。
其不足是：起动特性较差，要借助感应起动器起动，适用于不是频繁起动的场合。
由上面的分析可知，无刷双馈变频调速电机与普通笼型电机加高压变频器或绕线式电机串级调速或双馈调速系统相比，有明显的优越性，它合理地将变频技术和电机本身的结构改造相结合，充实了电机调速的内涵，是集电机设计与制造技术、电力电子技术、计算机控制技术为大成的机电一体化的高技术产物；它既解决了高压变频调速系统的高成本，又避免了绕线式电机的有刷调速，是很有发展前途的交流调速方案。
4．5无换向器电动机
4.5.1无换向器电动机的工作原理
无换向器电动机是指由变频器、同步电动机、转子位置检测器（测频器）组成的可变速电动机，又称为晶闸管电动机或无整流子电动机。无换向器电动机的变频器与鼠笼式异步电动机变频调速时用的变频器相似，亦分为交－直－交变频器和交－交变频器两类。采用交－直－交变频器时，称为直流无换向器电动机；采用交－交变频器时，称为交流无换向器电动机。目前，用于泵与风机调速节能的多为直流无换向器电动机，故下面所讲述的无换向器电动机均是指直流无换向器电动机而言。
如图29所示，无换向器电动机的工作原理和运行特性与具有三个换向片的直流电动机相似，这是由于同步电动机与反装式的直流电动机相似；变频器的逆变器相当于直流电动机换向片（整流子），其作用是使电流换向；转子位置检测器相当于直流电动机的电刷，其作用是把旋转电路和静止电路相连，起检测转子位置的作用。因无换向器电动机运行特性与直流电动机相似，又用逆变器和转子位置检测器取代了在工作中容易产生火花的换向器（换向片和电刷），故无换向器电动机也称为无整流子电动机、晶闸管电动机。
上面所述的反装式直流电动机是指其磁极与电枢绕组的安装位置正好与直流电动机相反。反装式直流电动机（同步电动机）的磁极安装在转子上，电枢绕组装在定子上；而直流电动机的磁极安装在定子上，电枢绕组装在转子上。
转子位置检测器与电动机同轴相连。它的任务是控制逆变器中晶闸管随着转子位置的变化而按一定顺序导通。图29(b)所示为光电变换器式转子位置检测器，其原理是：当其中间具有两个缺口的腰鼓形光电变换器铝板的缺口部分经过设定的三个光源之一时，转子位置检测器就发出脉冲信号，触发逆变器中某晶闸管导通；当此铝板的非缺口部分经过光源时，光线被挡住，就没有信号。这样，转子位置检测器就根据转速，并经触发电路使逆变器的晶闸管按一定顺序轮流导通，即把由整流器输入的直流电逆变为频率可调的三相交流电，供给同步电动机。
无换向器电动机的转速控制多采用改变晶闸管整流器的导通滞后控制角α实现的。由图29(b)所示，改变转速是通过改变给定电压Ug的大小，就可改变导通滞后控制角α及整流器的输出直流电压Ed的大小，从而改变无换向器电动机的转速。这是因为改变控制角α后，即改变直流电压Ug的大小，可得出无换向器电动机的一组互相平行的机械特性曲线，如图30所示。若把叶片式泵与风机的转矩－转速特性曲线按相同比例尺作在其上，则其与无换向器电动机机械特性曲线（转矩－转速特性曲线）的交点即为工作点（运行工况点）。由图可见，泵或风机的转速随着直流电压值Ug的减小而减小。
4.5.2无换向器电动机的主要优缺点
无换向器电动机的主要优点是：
1）调速特性好从图30所示无换向器电动机的机械特性曲线（转矩－转速特性曲线）可以看出，当改变整流器输出的直流电压Ud时，可得出一组互相平行的机械特性曲线，它们与直流电动机的机械特性曲线很相似，机械特性硬（即转速对转矩的变化率小），有较宽的调速范围，在开环控制时可达10∶1（即50～5Hz）到20∶1（即50～2.5Hz）。
2）效率高图31为典型无换向器电动机的调速效率ηv、电动机及调速装置的综合效率及ηz及电源功率因数cosφ的实测示例。从图可见，其在宽的转速范围内均具有高的ηv值。
3）单机容量大与直流电动机相比，无换向器电动机没有换向器的电刷，因此，它既不会在工作中产生火花，可适用于恶劣环境和易燃易爆场合；又易于实现高电压、大容量、高转速，如目前无换向器电动机的容量已达50MW、转速达6000r/min、电压达10kV。
4）控制线路比较简单与鼠笼式电动机的变频调速相比，无换向器电动机的控制线路比较简单，这主要表现在换流线路上。所谓换流，就是指变频器中把欲触发的晶闸管导通以及把先前已导通的晶闸管关断这一过程。鼠笼式电动机变频调速时，为实现其逆变器晶闸管的关断，需设置复杂的强迫换流电路。而无换向器电动机可采用较简单的反电势换流电路。这是由于无换向器电动机为同步电动机，其转子上装有励磁绕组，当对其通过直流电时，将形成磁场，这个励磁磁场将感应产生电势，这如同直流电机电枢中的反电势一样。利用这一反电势换流时，可省去强迫换流电路所必需的换流晶闸管、电容器、电抗器等辅助设备，大大简化了控制线路，并提高了其运行效率。反电势换流又称为自然换流或反电势自然换流。
无换向器电动机的不足之处是：
1）电动机在启动或低速运行时（小于额定转速的5％～10％），因反电势小，不能进行反电势换流。常采用断续电流换流法（断流法）。断续电流换流法常采用的操作过程是：当变频器的逆变器某一晶闸管需要关断时，把变频器的整流器由整流状态（控制角α<90°）运行转为逆变状态（控制角α>90°）运行。这时由于整流器电压极性反了，使供给变频器的逆变器的电流强迫降为零，从而使逆变器的所有晶闸管都截止；然后给应该导通的晶闸管加上脉冲，待重新供电时，逆变器也就完成了换流过程。当电动机在采用断续电流换流法启动或低速运行时，电动机产生的转矩脉动要比正常运行时大得多。此外，采用断续电流换流法时需要增加一些换流控制电路。
2）由于无换向器电动机采用反电势换流，故其过载能力较低。解决过载能力低的有效措施是：随着负载大小的变化，实现无换向器电动机励磁电流和给定换流超前角γ0的自动调节。γ0是指无换向器电动机在空载时，电机相电流I和空载电势E0之间的夹角。
3）大型的变频装置及其控制系统需占用较大空间。如一台容量为6000kW、2300V的装置，需要2.4m×3.6m×13.5m的安装空间。