换流器的工作原理

1、仅供个人参考直流输电的基本原理1换流器电路的理论分析.错误1.未定义书签1.1忽略电源电感的电路分析（即Lc=O）错误！未定义书签1.2包括电源电感的电路分析（即Lc0）错误！未定义书签1.2.1换相过程.错误_!.未定义书签1.2.2电路的分析 错误.未定义书签2整流和逆变工作方式分析错误！未定义书签2.1整流的工作方式 .错误!.未定义书签2.2逆变的工作方式.错误!.未定义书签3总结错误丄.未定义书签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

2、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=Em sin（ wt+150）Ub=Em si n（ wt+30）Uc=Em sin（ wt-90）我们可以将换流阀这样定义：图1-2 6脉动换流阀电路图1.1忽略电源电感的电路分析（即L=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 V

3、3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：举个例子，CCO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°, V1V6阀按顺序依次导通，间隔时间为 60?

4、。(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Ud=Um-U n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

5、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 CC0时刻：Ud=eareb=eab对于 C0C1 时刻：Ud=ea-ec=eac对于 C1C2时刻：Ud=eb-ec=ebc对于 C2C3时刻：Ud=eb-ea=eba对于 C3C4时刻：Ud=ec-ea=eca对于 C4C5寸刻：Ud=ec-eb=ecb以CC0时刻为例，此时可以进行如下的推导：Ud= ea-eb=eab= Em sin(wt+150° )- Em sin(wt+30?)=Em 2cos(wt+90?) sin60?=-Em cos(wt+90?)(wt -120?,-60?)=Em

6、cosy(卩 -30?,30?)再以C0C1时刻为例，Ud= ea-ec=eac= Em sin(wt+150° )- Em sin(wt-90?)=Em 2cos(wt+30?) sin120?=一 Em cos(wt+30?)(wt -60?,0?)=Em cosy(卩 卜30?,30?)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Em为基数的三角函数，其函数区间为 卜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

7、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=3 33 3 _ebcd wt 二一 3 coswt -乂 0乂 0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=相电压。)其中，交流电峰值Em为相电压有效值的 2倍，则(Ep为相电压有效值，El 为线电压有效值)Ud=辽互=土2 . .2Ep 二 2.34EPjijiUd=也二3八2 El 一 二 i. 35EL二二 3通过对输出的平均直流电压 Ud

8、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 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 Udo）从波形图以及

9、公式的推导可以分析出，阀所承受的电压峰值V阀峰二"Em。则接下来，再利用图1-2来分析阀侧A相、B相和C相的电流：ia=il+i4ib=i3+i6ic=i5 + i2图1-4阀电流波形其电流波形如下图1-4所示：则各相的电流波形如下：II I IIII I II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 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0）有触发延迟，顾名思义：

10、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=O?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=O?+a时触发。（注意这里的a是角度，对应 于时间轴应该是。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

11、1-5（图中的C COC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 VI、V3和V5阀的导通，下半部分为 V2、V4和V6阀的导通）进行分析。在 C点处，此时共阴极阀中 V1阀导通，m 点电位为ea；当GvwtvG+a时，此时V3阀的阳极电压为&，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eb>ea，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

12、。当wt>Ci+a时，阀控系统开始发送触发脉冲到 V3阀晶闸管的门极，若a<180?,仍满足eb>ea，则此时 V3阀导通，m点的电位变为eb（此前一直为ea）。若是a>180?,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?<a<180?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U

13、d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 Ci<wt<Ci+a,此时 Ud=eac=Em cos(wt+30?)当 C2>wt> C-i+a此时 Ud=ebc=Em cos(wt-30?)由此，可以看出，原来的CC2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 U可以表示为(以【:+二3】为区间的ebc时段来分析)：71 .3Em cos(wt)d (wt)63唱JI不得用于商业用途n

14、)-sin(:63 3Em sin(: 3 3Emcos :JI33E之前没有延迟触发角度时Ud= m，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的取值范围在土 1之间，即Ud的取值在3 3Em和一 3 "Em之间。当:<90?时为正值，此时Ud表示的3131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，U=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，冈収子是与

15、:=0? 相反的，其输出的直流电压波形与=0?时相反，为正弦波负半轴的6脉动逆变同样，各个阀在导通时刻通过的电流为 Id,而在截止时，电流为0。每个阀 还是导通120?，而仅仅只是波形相位移动了 :角度，其余的都没有变化。 12包括电源电感的电路分析(即Lc0)1.2.1换相过程(1) 由于交流电源电感 的存在，使得每相线路上的电流不可能发生瞬间 的变换，电流的变换需要一个过程，因而换相就需要一定的时间，这个时间我们 就称之为“换相时间”或者“叠弧时间”，其对应的角度也被称之为“换相角” 或者“叠弧角”，用卩表示。(2) 在0?卩60?时，换相过程中只有三个阀同时导通，在两次换相之间(即 上次

16、换相结束到下一次换相开始之前) 则只有两个阀同时导通，通过下面的示意 图可以看出(3) 如果当60?卩120?时，在换相过程中就将会产生三个阀和四个阀交替 同时导通的现象，这是一种异常情况。因为，若是有四个阀同时导通，那么必然 会有处于同一相的两个阀同时导通， 这样就造成了短路。因此，必须要求在正常 运行情况下，换相角0?卩60?。一般的卩角度在15?和25?范围之间，接下来 分析的电路也都是保证 卩在0?卩60?区间之内。1.2.2电路的分析(1) 电流分析以V1到V3的换相过程来分析，若考虑到换相延迟角度a,则换相过程从3 t=a开始，当3 t=a+y时，整个换相过程结束，V1阀成功换相到

17、V3阀。那么 S =a+y，称之为“熄弧角”。换相期间V1阀和V3阀的电路图如下所示：而：1d = i 1 i 3而:根据相关的推导，可以得出Id - i i i 3当 wt= S =a+y 时，I d =i 3, i 1=0,即:3EI d = m (cos ： - cos C ') 2Lc那么，cos(1 )玉 cos :2 Lc3E2 Jm cos（二让二）3Em|cos ： - I d2 L.dcos 二 _ 、3Em、3Em2 LcId2 Lc从而得出换相角卩=arccos（cos a 一 上1 d） _。，通过换相角公式,7 3Em可以看出换相角和延迟触发角a以及电源电感L

18、c、直流输出电流Id以及Em有 关。（2）电压分析在触发延迟角度a之后，卩的范围之内，也就是换相过程中，存在三个阀同 时导通，此时以V1阀和V3阀为例继续分析电源电感造成的叠弧现象对线路电 压的影响。在换相过程中,V1阀和V3阀同时导通的，此时 m点的电压记为Um。而,Id二 ii i3所以,di 1 dtdi 3 dt=eb - ea-2从而可以得出:Umdi 3dteb ' ea2即在从延迟触发角度a之后到S =a+y之间，Um的电压将不会再是eb,而是变为了 eb电八乞（由于交流电三相电压的相位关系ea+eb+ec=0）2 2依次类推，可以画出m点和n点的电压波形图，如下所示:H

19、T从上图可以看出，有了叠弧电压的影响，输出的平均直流电压下降了 Au/ ,ea + ebv3Em而，(eb b)d( t)(cos ： -cos、)，/. 2 2兀33e贝U，平均压降为 Aj=' m(cos ： - cos :)2兀所以，此时输出的平均直流电压 Ud = 3 3Em cos ： - A u/ 31cos )_3 3Em=当换相结束时，即7 = S =a+u时，I d =i 3，i=0,在上一章节电流分析过程中，得知：灵Idcos ： - cosv'3Em2 Lc 2 Lc * I d<'3Em'则，平均压降AJ =3- * IdJI此时输

20、出的平均直流电压也可以表示为：从上面公式上，我们将 '土看成为线路电阻Rc,也常常被称为“等效换相31电阻”，不过其不消耗功率，只是可以用来解释由于换相叠弧现象导致的压降。这里，我们可以进行各总结：（记为Vdo） 在没有电源电感的影响下，没有延迟触发角度即a=0?，此时输出的平均直流电压为Ud= = Vdo 在没有电源电感的影响下，有延迟触发角度a,此时输出的平均直流电压为 Ud= = Vdo 在有电源电感的影响下，并且有延迟触发角度a，此时输出的平均直流电压为 Ud= （）= （）,（3=a+ 口 ）2整流和逆变工作方式分析2.1整流的工作方式换流器整流时，是交流变为直流，然后通过接

21、线直流输送到逆变器端。它要 求延迟触发角度a应当小于90?。正常运行时，整流器以一定的交流电压和延迟 触发角度a运行，其等值电路如下图所示：其中，上图中的R相当于换流变到阀侧的等值换相电感， 也很好的解释了换 相电感对直流输出电压 U的影响，使得Ud降低了 FC Id 0根据公式 4二3Em cos- Fc * Id可以画出整流器输出端的特性曲31线图（正常运行时，换相角度11W 60?）,也称之为“等a外特性曲线图”。当换相延迟角度a一定时，随着输出端直流电流I d的增大，输出电压Ud在减 小；图中o：j2,随着a的增大，其输出端直流电压Ud会减小。2.2逆变的工作方式逆变就是将直流电转换成

22、交流电的工作方式，在直流输电工程中，逆变器相 当于受端，整流侧相当于供端。这里，虽然逆变器是受端，但是目前大部分的逆 变器都是有源逆变。它要求逆变器所连接的交流系统必须提供换流器的换相电压 和电流，即受端交流系统必须有交流电源。在实际运行过程中，直流输送线路上有很大的平波电抗器等滤波设备，输出 的电压vmn经过滤波之后，即会以平均直流电压 u输出。因此，考虑到延迟触发 角度a（此时不考虑换相电感），当a<90?寸，>0,即Vmn为正，按照阀导通的方向送出直流电流，此时相当于向负荷端输送功率；在 a>90?时，<0,此时Vmn为负，按照阀导通的方向送出直流电流，就相当于负

23、荷向换流器输送功率。（其实，该有源负荷就相当于整流端的输出直流电压， 从而给逆变器端输送功率。 下图中所示的“负荷”其实是一个虚拟对象，其目的是为了便于分析。）考虑到现场，丫接型阀塔均与直流场相连接。根据电流的方向，对于整流器 端，电流是从D阀流向丫阀，从而进行直流输出。那么，则对于整流端而言，一1 3 5"1"4 6 21可以分析出D接型的为|, 丫接型的为|从而，D阀的电流4 6 2一J 3 5是从阀塔下部流向上部，从下向上为 D1阀、D2阀。而丫阀的电流时从上部流向 下部，从上向下依次为 丫3阀、丫4阀。而对于逆变端而言，电流是从 丫阀流向D阀，从而进行直流输入。那么

24、，可一1 3 5"4 6 21以分析出丫接型的为，D接型的为。114 6 2|11 3 5如上图所示，逆变器端的 Vm-n是小于0的，即n端为正电位端，m端为负电 位端，同整流器端连接起来的等值电路图就如上图所示。下面再对上述整体的电路进行分析（重点分析逆变器端）：假设此时A相的V1阀导通，此时电流的流向为：V6 eb e a整流器正端直流传输线路V1整流器负端V2 ec e a如果规定此时A相的电流i a方向为正，则B相的电流i b和C相的电流ic的方 向为负。若A相的V4阀导通，则此时的电流的流向为：eb V3整流器正端直流传输线路 V4 e a整流器负端ec V5那么，此时A相

25、的电流i a方向为负，则B相的电流i b和C相的电流ic方向为 正。综上所述，可以看出，在不同时刻流经 A相、B相和C相的电流是有正也有 负的交流电。这样，当电流流过阀侧的绕组时，换流变的网侧也能感应相应的电 流，从而将直流功率转变为交流电功率。其实，从这里我们可以看出，不论是整流站还是逆变站，其实其原理是极其 相似的。我们不妨将其都看为是整流过程，因为它们都是需要有交流电源提供 换相电压，然后通过换相过程，将交流电变为直流电。只是，逆变过程之后， 虽然变为直流电，但是由于其电电压和电流方向的原因，是由直流输出端向交 流输入端流动，因此被看成了直流逆变为交流电。由此，也可以得出逆变站要实现其正

26、常工作，需要具备的几个条件：（1）一个提供换相电压的有源交流系统（2） 个直流电源（其实就是上述分析过程中那个能提供电源“虚拟负荷”）， 其极性必须与晶闸管导通的方向一致。其实，通过分析可知，这个直流电源就是整流端输出的直流电压与逆变端输 出的直流电压的电压差，即：这里，需要注意的是V逆变是一个负值，由此我们可以将整流端和逆变端输出 直流电压的绝对值之和做为直流输电线路整体的电压值。（3） 最后一条，也是很重要的一条，就是延迟触发角度必须a超过90?（在换 相角度卩=0?情况下）。若是，在换相角度卩工0?的情况下，那么整流和逆变的转折点就不简单的是 触发延迟角度a=90?了。仔细分析，整流和逆变的主要区别就在于经过换相之后 输出的直流电压Vmn。如果Vm>0,那么该端就是整流端；如果 Vmn为负值，那么该 端就为逆变端。由此，可以推断出，整流和逆变的“转折点”就在于Vmn=0o通过，在换相角度卩工0?,且存在延迟触发角度a的情况下，直流输出电压 3EVd cos 二，cos ，当 Vd = 0 时，2兀即,cos c o S 0， 0 ： ：: :则，（6=o（+P）即在换相角度卩工0?的影响下，整流和逆变的转折点从a=90?变为了 a=90丄丄。从而也就保证了在触发延迟角度 a=90?时，肯定处于逆变状态了。2在描述整流器