主电路拓扑目前，变频器主要有交-直-交，交-交变频两种。其中交-交变频相比交-直-交变频调频范围较窄，因此交-直-交变频应用较广。本文采用基于IGBT的电压型交-直-交变频器。
普通变频器一般由整流器（二极管）、电容、逆变器（IGBT）组成，但这种变频器仅能实现能量的单向传递，即将三相交流电压Ua、Ub、Uc整流为直流，再经过PWM控制由IGBT输出频率可变的交流电L1、L2、L3。
普通变频器原理图在交流励磁系统中，由于二极管整流无法完成能量的双向传递，因此将变频电路设计为带双逆变器的拓扑结构。该变频器具有结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可控等特点。中Ua、Ub、Uc为三相电网电压，L1、L2、L3为转子三相绕组反电势。在交流励磁发电机运行时，转子绕组中的能量可作双向流动。当发电机处于亚同步转速运行时，网侧变换器工作在整流状态，转子侧变换器工作在逆变状态，此时变频双PWM变频器原理图器向转子输出有功功率；当发电机处于超同步转速运行，转子侧变换器工作在整流状态，网侧变换器工作在逆变状态，此时变频器从转子吸收有功。
IGBT驱动与保护电路IGBT是电压型大功率控制器件，其存在过流时可能发生锁定或损坏的问题，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是使用好它的关键。IGBT常用的驱动电路有日本富士的EXB841系列，日本三菱电机的M57959L系列，日本英达的HR065系列，美国MOTOROLA的MPD系列，美国IR公司的IR2110系列等。IGBT的保护主要是栅源过压保护，静电保护，采用RCD缓冲电路等。
IGBT驱动电路必需具备两个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲。本文采用日本富士公司的EXB841驱动电路，由于该电路有过流保护阀值过高、负偏压不足、软关断保护不可靠等缺陷，因此将电路改进如下：（1）降低过流保护起动值：与快速二极管VD1串联一稳压管，降低Vce过流值。
（2）提供稳压电路，使负压足够。由R1和VZ4，C1组成稳压电路，直接供给IGBT的射极电压。（3）增加钳位稳压管，分别保护EXB841的6脚、IGBT的门极与射极，防止过压。（4）门极与射极间加10k电阻，保护门极，防止门极开路。
IGBT保护电路分为过电流和过电压2种：（1）过电流保护。EXB841具有过流检测功能，当出现过流时，会对IGBT进行软关断；（2）过电压保护。IGBT关断时，受回路中电感的影响产生过电压，一般常用RCD缓冲电路来吸收过电压，如。中a，b，c依次适用于小、中、大功率回路。
PWM控制技术脉宽调制（PWM）是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流信号。为了减小谐振波影响提高电机运行性能，一般要求采用对称的三相正弦波电源为电机供电，因此目前广泛应用的PWM变频器皆为SPWM变频器。
DSP控制PWM变频原理框图对于PWM变频器来说，显然PWM控制信号的产生是整个交流励磁系统的核心部分。近年来，数字信号处理器（DSP）在各种电力电子设备中得到了越来越广泛地应用，因此可以采用DSP作为控制单元的CPU，完成交流励磁系统的采样、计算与控制，同时由DSP产生PWM信号对IGBT进行开关控制。
谐波的抑制无论是哪一种变频器，都大量使用了非线性电力电子元件，变频器与电网交换能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式，从而导致高次谐波的存在，对电网产生污染。抑制谐波的方法有三：其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1；其三是在电网中采用适当的措施来抑制谐波。
交流励磁系统的优点交流励磁发电机由于其转子具有三相绕组对称分布，通过双PWM变频器可以提供三相交流励磁电流，其中励磁电流可由式（2）计算：I
2=E20z2
因此，同传统的直流励磁相比，交流励磁具有以下优点：（1）改变励磁电压的幅值，可以调节机组发出或吸收的无功分量，以适应功率因数的调整，特别是可以深吸无功稳定运行；（2）改变励磁电压的相位，可以快速完成发电状态的电磁调节过程，从而保证发电机无功的快速调节；（3）改变励磁电压的频率，可以适应发电机转速的变化，使其与原动机的最佳转速匹配，提高机组效率。可见，交流励磁对有功和无功的独立调节能力，将显著提高电力系统的静态和暂态稳定性。
结论采用交流励磁的小水电变速发电技术具有明显优于传统同步发电机的性能，是提高机组效率、减小气蚀和振动的有效措施，并可显著提高电力系统的静态和暂态稳定性。随着电力电子技术的迅速发展，基于IGBT的变速恒频发电技术必将广泛应用于水头波动大或泥沙含量较高的小型水电站中。
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