使用电动机和发电机组进行电能变换与补偿控制

20世纪60年代以前，电压频率变换一般只能靠电动机、发电机组（即变流机组）来实现。

图2-1所示为交流电变直流电的直流发电机组。三相交流电网的50Hz电源，经起动器给交流异步电动机供电，异步电动机带动直流发电机，发出负载所需的直流电。一个电压闭环控制系统通过监测直流输出电压V_D，并与电压给定值V_D∗相比较后控制直流发电机的励磁绕组电流i_f，使直流发电机在交流电动机转速波动或直流负载大小变化时也能使其输出电压V_D保持为负载要求的给定值V_D∗。

图2-1 交流电动机、直流发电机组实现交流-直流变换

图2-2是将公用电网50Hz恒频、恒压交流电变为频率、电压都可变的交流电的交流变流机组。交流异步电动机带动直流发电机，将50Hz交流电变为直流电，再将直流电供给直流电动机，直流电动机再带动交流发电机，发出电压、频率都可控的交流电。检测交流发电机输出的频率f_L，反馈控制直流发电机的励磁电流i_f1，可以改变直流发电机的输出电压（也是直流电动机的输入电压），从而改变直流电动机的转速N，即可控制交流发电机的频率f_L。同时，检测交流发电机的输出电压V_L，反馈控制其励磁电流i_f2，可控制交流发电机的输出电压V_L为给定值V_L∗。图2-2实际上是两个电动-发电机组的串联使用，第一个是交流电动机（ACM）-直流发电机（DCG）的直流发电机组，将交流电变成直流电；第二个是直流电动机（DCM）-交流发电机（ACG）的交流发电机组，将直流电变为交流电。

图2-2 直流发电机组和交流发电机组实现交流-交流电压、频率变换

采用电动-发电机组可以实现交流-直流、交流-交流变换，利用空载运行的同步电动机还能实现交流电力系统中无功功率的补偿控制。(www.xing528.com)

图2-3a给出了一个三相交流电网供电的同步电动机，同步电动机空载运行，即电动机无机械负载。若控制其直流励磁电流i_f，可使其同步电动势E大于电网电压V_s。在图2-3c中，为从电网流入电动机的电流，的有功分量为，与同相，即电动机从电网输入有功功率P=V_sI_P，的无功分量，超前V·_s90°，则从电网输入到电动机的容性无功功率或者说电动机向电网送出的感性无功功率Q=V_sI_Q。由于电动机空载，有功功率P仅用于电动机的空载损耗，P值很小，I_P很小，故由图2-3b所示的等效电路可得到电压平衡方程为

I_P≈0时 （2-1B）

I_P=0时，如果电动机过励磁，i_f大，以致E>V_s，则如图2-3e所示，电动机输入的容性无功功率或向电网输出的感性无功功率Q_L=V_s（E-V_s）/X。 （2-2）

I_P=0时，如果电动机欠励磁，i_f小，以致E<V_s，则如图2-3f所示，电动机输入的感性无功或向电网输出的容性无功功率Q_C=V_s（V_s-E）/X。 （2-3）

因此，控制接在交流电网上空载运行的同步电动机的励磁电流i_f，即可使之成为一个对电网实现无功补偿（容性、感性都可连续调控）的无功功率补偿器，或称之为无功功率发电机。

采用变流机组实现频率、电压变换，或采用同步电动机实现电力系统无功补偿控制，缺点很多，如耗费的钢、铜材料多，重量、体积大，环节多，维护工作量大，效率低，噪声大，控制准确度和响应速度都不甚理想。为了改进电力变换技术，20世纪30年代就提出了利用电路开关的通、断控制实现电力变换的控制思想，但是由于没有快速通、断电路的大功率开关器件，这种开关型电力变换技术直到最近30多年有了半导体电力开关器件后才得到实际应用。