换流器的工作原理

直流输电的基本原理1换流器电路的理论分析.........................................................................................................11.1忽略电源电感的电路分析(即Lc=0)........................................................................21.2包括电源电感的电路分析(即Lc≠0)...................................................................101.2.1换相过程...................................................................................................................101.2.2电路的分析..............................................................................................................112整流和逆变工作方式分析.................................................................................................142.1整流的工作方式........................................................................................................152.2逆变的工作方式........................................................................................................153总结..........................................................................................................................................20第1页1换流器电路的理论分析高压直流换流器(包括整流和逆变)主要是由晶闸管阀组成的，其接线方式有很多种，如：单相全波、单相桥式、三相半波、三相全波等，但是我们现在常用的是三相全波，即6脉动换流器。其原理结构如图1-1所示：图1-1三相桥式全波直流换流器原理结构其中，Ua、Ub和Uc表示A、B、C三相交流电压，它们之间相差120゜。令Ua=Emsin(wt+150)Ub=Emsin(wt+30)Uc=Emsin(wt-90)我们可以将换流阀这样定义：第2页图1-26脉动换流阀电路图1.1忽略电源电感的电路分析(即Lc=0)从以上的电路图中，我们可以发现对于三相电压，每相电路中都存在电感Lc，为了便于分析，我们先假设该电感不存在，即Lc=0。（一）无触发延迟（触发角a=0）无触发延迟，即只要阀上晶闸管正向电压建立，门级会立即接收到触发脉冲，导通整阀。对于V1、V3和V5来讲，由于它们共阴极，因此三相中电压较高的那相的阀导通，其余两个阀关断。而对于V4、V6和V2来说，由于它们共阳极，因此三相中电压较低的那相的阀导通，其余两个阀关断。总之，就是比较三相电压的高低来确定哪两个阀导通。下面我们结合下图进行分析：第3页举个例子，C~C0时刻，A相电压最高，B相电压最低。因此根据之前的分析，则共阴极的V1、V3和V5阀，则会由处于A相的V1阀导通，而共阳极的V4、V6和V2阀，则是由处于B相的V6阀导通，此后的依此类推，循环往复。从上述的阀导通表格中可以看出，每个阀单个周期内导通的时间为120゜，V1~V6阀按顺序依次导通，间隔时间为60︒。（举例，如V1阀在-120゜~0︒导通，V2阀在-60゜~60︒时刻导通，其中每个阀导通时间为120゜。V1阀导通起始时刻为-120︒，而V2阀导通的起始时刻为-60゜，两者刚好相差60︒）。接下来再来分析下6脉动换流器输出的直流电压Ud波形。从图1-2中可以看出直流线路上的输出电压Ud的电压与m点和n点的电势有很大关系，即第4页Ud=Um-Un不难发现，m点的电位其实就是共阴极阀V1、V3和V5阀，哪个阀导通，m点电位就是与哪个阀所处的相电压，比如，V1阀导通，m点的电位就是A相此刻的电压。同理，n点电位也是如此。再结合刚刚分析所得阀的导通时刻图，可以得出Ud的波形图：按照一个周期对直流输出电压Ud进行分析：对于C~C0时刻：Ud=ea-eb=eab对于C0~C1时刻：Ud=ea-ec=eac对于C1~C2时刻：Ud=eb-ec=ebc对于C2~C3时刻：Ud=eb-ea=eba对于C3~C4时刻：Ud=ec-ea=eca对于C4~C5时刻：Ud=ec-eb=ecb以C~C0时刻为例，此时可以进行如下的推导：Ud=ea-eb=eab=Emsin(wt+150゜)-Emsin(wt+30︒)=Em·2cos(wt+90︒)·sin60︒=√3Emcos(wt+90︒)（wt∈[-120︒,-60︒]）=√𝟑Emcosµ（µ∈[-30︒,30︒]）再以C0~C1时刻为例，Ud=ea-ec=eac=Emsin(wt+150゜)-Emsin(wt-90︒)=Em·2cos(wt+30︒)·sin120︒=√3Emcos(wt+30︒)（wt∈[-60︒,0︒]）=√𝟑Emcosµ（µ∈[-30︒,30︒]）第5页该周期的其它时段也是如此，因此由上述的推导，可以发现Ud就是以√3Em为基数的三角函数，其函数区间为[-30︒,30︒]。则Ud的波形图如下（以下纯属个人意思，通过这个公示我们可以看出，对于wt∈[-120︒,-60︒]这个区间，Ud将该区间的正弦函数幅值增大了，但是切割成了两段，更利于采样滤波了。）直流电压是由线电压的60°时段组成的。因此，平均直流电压可由任一60°时段的瞬时电压积分后对时间求平均得到。则Ud=30306cos333wtwtdebc=mE33用相电压的有效值或者线电压的有效值表示（相电压：单相电压，火线对零线电压，常用的为220V。线电压为任意两根相线之间的电压，常用的为380V。线电压=√𝟑相电压。）其中，交流电峰值Em为相电压有效值的2倍，则（PE为相电压有效值，LE为线电压有效值）Ud=mE33=PPEE34.2233Ud=mE33=LLEE35.13233通过对输出的平均直流电压Ud推导，可以很容易得到阀电压的波形。因为当该阀导通时，我们可以简单的认为该阀上所承受的电压为0；而当阀关断时，则无论时共阳极还是共阴极的阀，它们必定都有一个阀是导通的。因此，它们一Ud第6页端的电压必定为导通阀所在的相电压，另一端为本相电压，这样其阀上的压降跟平均直流电压Ud是一样的，则可以推断出阀电压波形如下：图1-3阀V1所承受的电压波形图（从上述的波形图可以很明显的看出来，在V1阀导通时，其阀上所承受的电压为0。当其关断时，其阀上的电压跟我们之前推导的直流输出电压的波形很相似。注意观察，如果所有阀所承受的电压波形都画出来，那么最上面虚线画出来的部分就是输出的直流电压Ud。）从波形图以及公式的推导可以分析出，阀所承受的电压峰值V阀峰=√3Em。则047.13333U阀峰mmdEEV接下来，再利用图1-2来分析阀侧A相、B相和C相的电流：ia=i1+i4ib=i3+i6ic=i5+i2其电流波形如下图1-4所示：第7页图1-4阀电流波形则各相的电流波形如下：这就是阀V1的电流示意图，该图中就可以很明显的看出来，阀V1导通的时i1i1i4i4i3i3i5i6i6i5i2i2第8页段。高电平的为导通，低电平为关断(这其实就是FCS)。单个周期内导通时间为120︒，关断时间为240︒，对于常用的50Hz的交流电来讲，简单换算之后就是导通时间约为6.67ms，关断时间约为13.33ms。（二）有触发延迟（触发角a≠0）有触发延迟，顾名思义：阀控系统并不是接到来自阀的正向电压建立信号就会立即触发，而是延迟一段时间再向晶闸管门极发送触发脉冲。通常，用a表示“延迟触发角度”。举个例子，以V1阀和V3阀为例，正常没有触发延迟的情况下，V1阀在wt=-120︒时触发，V3阀在wt=0︒时触发。如果有了触发延迟角度a时，则V1阀会在wt=-120︒+a时触发，而V3阀在wt=0︒+a时触发。（注意这里的a是角度，对应于时间轴应该是𝛼𝜔⁄。其它的阀依次类推，即所有阀会在原来触发角度的基础上再延迟a角度之后才会触发。(需要注意的是：这里所指的触发延迟角度是所有阀的导通都延迟a角度，并不是单指某一个单阀。)图1-5延迟触发a角度的波形图结合图1-5(图中的C、C0~C8都是自然换相点，也称为过零点，在正常没有延迟触发的情况下，阀都是在这些过零点开始换相)，以三相交流电正弦波的上半部分，即共阴极阀（可以看成上半部分为V1、V3和V5阀的导通，下半部分为a第9页V2、V4和V6阀的导通）进行分析。在C1点处，此时共阴极阀中V1阀导通，m点电位为ea；当C1wtC1+a时，此时V3阀的阳极电压为eb，而阴极电压由于V1阀仍在导通，阴极电压为ea。通过图1-5，可以看出，在此时ebea，但是由于延迟触发的原因，此时阀控系统并没有向V3阀的晶闸管门极发送触发脉冲。因此，V3阀没有满足晶闸管导通的两个必备条件，因而不能导通。当wtC1+a时，阀控系统开始发送触发脉冲到V3阀晶闸管的门极，若a180︒，仍满足ebea，则此时V3阀导通，m点的电位变为eb(此前一直为ea)。若是a180︒，则此时虽然有出发脉冲，但是由于阳极电位eb小于阴极电位ea，V3阀仍不会导通。因此，a的变化范围应在0︒~180︒之间。（也许会有人说，在120︒a180︒期间，应该是V5阀的阳极电位最高，应该是V5阀触发。但是请不要忘记前面讲过的，延迟触发是指所有阀都延迟a角度触发，此时应该触发的仍是V3阀，因为此时的V5阀并没有收到触发脉冲。）根据上述分析，可以画出直流输出电压Ud的m点电位和n点电位的波形图：图1-6延迟触发a角度时电位波形图分析输出直流电压Ud的波形：以C1时刻的分界点为例：当C1wtC1+a,此时Ud=eac=√3Emcos(wt+30︒)当C2wtC1+a,此时Ud=ebc=√3Emcos(wt-30︒)由此，可以看出，原来的C1~C2的时间段被划分成了两段，因此其直流输电电压Ud的波形跟之前没有延迟触发角的有些许的不同。按照上述的分析和图示，当延迟触发角度为a时，输出的平均直流电压Ud可以表示为(以【，+3】为区间的ebc时段来分析)：Ud第10页Ud=)()6(cos333wtdwtEm=3)6sin(33wtEm=mE33)6sin()6sin(=mE33cos之前没有延迟触发角度时Ud=mE33,由此可见，晶闸管延迟角度触发后使得输出的平均直流电压Ud减小为之前的cos倍。延迟触发角度的取值区间为[0︒,180︒]，因此cos的取值范围在±1之间，即Ud的取值在mE33和mE33之间。当90︒时为正值，此时Ud表示的是从交流到直流，为整流状态；当90︒时为负值，此时的Ud表示的是直流到交流，是与整流状态相反的逆变状态。当=90︒时，Ud=0，此时为零功率状态。由此可见，=90︒为整流和逆变状态的临界值。当=180︒时，刚好是与=0︒相反的，其输出的直流电压波形与=0︒时相反