负载换相逆变器(Load Commutated Inverter,LCI)是一种电流源型逆变器。LCI控制同步电动机(SM)。逆变器直流侧,需要由一个直流电感来提供平滑的直流电流。逆变器采用 SCR 取代GCT。SCR没有自关断能力,但是,它们可以在超前功率因数下由负载电压自然换相。因此,LCI的理想负载是运行在超前功率因数下的同步电动机,这可通过调节励磁电流来实现。
SCR的自然换相,本质上是通过运行在一定速度下的电动机感应电动势(Electro Motive Force,EMF)来完成的。当电动机运行在较低转速下(通常低于10%的额度转速)时,因感应电动势太小,以至于无法使得SCR换相。在这种情况下,通常需要依靠前端SCR整流器来完成换相。
由于使用低成本的SCR,并且无需脉宽调制,因此LCI电动机传动系统具有制造成本低和效率高的特点。由于初始投资少、运行效率高等原因,LCI被广泛应用于超大功率传动系统中。一个典型的例子是用于风洞的100MW同步电动机驱动系统,其功率变换器(包括整流器和逆变器在内)的效率可以达到99%。
LCI传动系统的主要缺点表现为其有限的动态性能。因此,LCI主要用于风机、泵、压缩机和传送带等动态响应要求不高的场合。另外,由于输出电流中含有大量谐波,所以导致电动机的功率损耗较高。
下图给出了典型同步电动机12脉波输入和6脉波输出的LCI传动系统的结构。其中,带直流电抗器的12脉波SCR整流器给逆变器提供可控的直流电源。SCR串联的数据取决于SCR的耐压值和电网电压。

12脉波SCR整流器的进线电流不包含5、7次谐波,但含有11和13次谐波。因此,通常LCI传动系统需要额外的谐波滤波器。采用LC串联谐振型滤波器,通常调节参数使其在11次和13次谐波处调谐,从而消除11和13次谐波电流。通过选择合适的参数,滤波器还可以用作功率因数校正器(PFC)。
LCI同步电动机传动系统的主要特点是成本低、效率高、运行可靠和具有固有的再生制动能力。主要缺点为转矩脉动大、动态响应较慢和输入功率因数不固定。
6脉波输出LCI系统的谐波电流会在同步电动机上产生谐波转矩和谐波功率损耗。谐波转矩可能引起系统的机械谐振,从而引起机械振动。这些问题可通过如下图所示的12脉波输出LCI传动系统解决。

同步电动机定子上设计有两套相差30°电角度的独立定子绕组。采用6相电动机可以抵消5、7次谐波电流产生的谐波转矩,从而大大减小了电动机的转矩脉动,同时也降低了轴承上派受的机械应力。
同步电动机的功率因数是由励磁电流决定的:
1、增加它的励磁电流,电动势E0就增大,同步电动机就会在过励状态下运行。
这时,同步电动机定子电流越前端电压(即为电容性),反电势-E0比较大,电动机从电网吸取容性电流和容性无功功率,或者说向电网发出感性电流和感性无功功率。正好补偿了附近电感性负载,使整个电网的功率因数得到了提高。
2、减小同步电动机的励磁电流,-E0就减小,同步电动机就在欠励状态下运行。
这时同步电动机从电网吸收感性电流,对电网来说,就是增加了电感性负载,使负载需要的感性无功电流增加,降低了整个电网的功率因数。
因此同步电动机一般不在欠励状态下运行,是按照过励的运行条件设计的。
同步电动机的励磁电流不能过分加大,因为励磁电流太大会引起定子电流增大,定子和转子损耗都要增加,使电机的温升增加。
同步电动机接入电网后。电网电压和频率是一定的,同步电动机从电网吸收的有功功率的大小由它所带动的负载大小决定的。如果负载不变,调节电动机的励磁电流,就会使定子电流也发生变化。
关于同步与异步,电机在工作时,存在三个转速:定子磁场转速Smag,转子磁场转速Rmag,以及转子转速Rmech。
转子转速,与转子磁场转速的关系为极对数P的正比例关系:
Rmag = P * Rmech
而同步以及异步的定义,就是基于定转子磁场的转速是否一致来确定的,假设两者的转速不一致,转差率定义为s,则:
Smag = (1 – s) *Rmag
有转差率,则为异步电机。无转差率,s为0,则为同步电机。