换流器的工作原理分解实用教案

1、图图2-1 三相三相(sn xin)桥式换流器的原理结桥式换流器的原理结线图线图上半桥下半桥第1页/共56页第一页，共57页。为了阐明基本原理，采取(ciq)下列假定条件：三相交流电源的电动势是对称的正弦波，频率恒定；交流电网的阻抗也是对称的，而且忽略不计换流变压器的激磁导纳；直流侧平波电抗器具有很大的电感，使直流侧电流经滤波后波形是平直的，没有纹波；阀的特性是理想的，即通态正向压降和断态漏电流小到可以忽略不计；六个桥阀以1/6周期的等相位间隔(jin g)依次轮流触发。第2页/共56页第二页，共57页。图图2-2 单桥整流器的等值电路图单桥整流器的等值电路图交流系统(xtng)三相等值电势交

2、流(jioli)系统每相等值电感第3页/共56页第三页，共57页。如果以系统等值电动势 的矢量(shling)作为基准，则电源相电动势的瞬时值为cae2sin3 032sin9 032sin1 5 03ao abo bco ceeEteeEteeEt其中(qzhng)，E为电源线电动势的有效值。 (2-1) 第4页/共56页第四页，共57页。则相应(xingyng)的线电动势为：2 sin2 sin1202 sin120cacooaacabaoobbabcbooccbeeeeeEteeeeeEteeeeeEt (2-2) 第5页/共56页第五页，共57页。可以从阀5和阀6导通，其余各阀阻断的状

3、态开始，并且假定整流器向直流线路(xinl)输出的直流电流为 ，这时，整流器实际导通的电路为：dI图图2-3 阀阀5和阀和阀6导通时的电路导通时的电路(dinl)dbcve第6页/共56页第六页，共57页。假定(jidng)触发角为 ，则在 阀1触发开通的瞬间，实际导通的电路变为图2-4。t图图2-4 阀阀5和阀和阀1换相时的实际换相时的实际(shj)电电路路第7页/共56页第七页，共57页。此时(c sh)，阀5、6、1都导通了，等值电路如图2-5所示。图图2-5 阀阀5和阀和阀1换相时的等值电路换相时的等值电路(dinl)第8页/共56页第八页，共57页。在分析换流器各组阀导通状态转换过程

4、时，一个基本原则是：在导通或关断瞬间，通过电感(din n)的电流是连续的，不会突变。在等值电路(dinl)中有：51rracdidiLLeedtdt由于(yuy) ，所以 的方向是从a点流向c点，因此：aceeri1rii5driIi代入式（2-3），可得：drrrracdIidiLLeedtdt (2-3) (2-4) (2-5) 第9页/共56页第九页，共57页。整理(zhngl)后，得：22sinrrdiLEtdt求积分(jfn)后，得：22coscos22rrrEEitAtALX 2cossItA 式中， -从电源到桥之间的每相等值电抗； 交流系统在换流器交流端两相短路 时，短路电流

5、强制分量(fn ling)的幅值； A - 积分常数。 (2-6) (2-7) rrLX222srEIL第10页/共56页第十页，共57页。在 时，电路从一组阀（阀5和阀6）导通改变成另一组阀（阀5、阀6和阀1）导通的瞬间，电流不会(b hu)突变，即：10riit (2-8) 所以(suy)式（2-7）中的积分常数：22coscos2srEAIX将式（2-8）代入式（2-7）中即得：122coscoscoscos2rsrEiitItX由式（2-9）可知： 实际上是阀1开通时，交流系统在ca两点发生两相短路时的短路电流。式中第一、二两项分别为短路电流的自由分量和强制(qingzh)分量。同时

6、(2-9) (2-10) ri5driIi第11页/共56页第十一页，共57页。阀1和阀5的电流(dinli)波形如图2-6所示。图图2-6 阀阀5和阀和阀1换相时的电流换相时的电流(dinli)波形波形第12页/共56页第十二页，共57页。随着(su zhe) 的增加，电流分量 将增大，因此阀1电流逐渐增大，而阀5电流逐渐减小。如果经过一定(ydng)相角 之后，电流 增大到 。即当 时，从式（2-9）可得：由于阀单向(dn xin)导电特性的限制， 不能反向，而停留在零值；此后 不可能再增大， 也保持为 ；所以当 ， 阀5就关断。换流器电流又从三个阀（5，6和1）导通状态改变位两个阀（6和

7、1）导通的状态，如图2-7所示。 (2-11) (2-12) triridIt122coscos()coscos()2rsdrEiiIIX 50driIi5iri1idIt第13页/共56页第十三页，共57页。图图2-7 阀阀6和阀和阀1导通时的实际导通时的实际(shj)电电路路dbave第14页/共56页第十四页，共57页。几个(j )名词：u 换相过程：从阀1开通瞬间(shn jin)到阀5关断瞬间(shn jin)，直流电流从c相流经阀5转移到从a相流经阀1的过程；u 换相电流：电流 ；由上面的分析可知(k zh)，直流输电的换流器是借助于交流电网所提供的短路电流 来实现换相的。u 换相

8、电抗：换相电流所流经的回路中每相等值电抗 ；u 换相角：换相过程所经历的相位角 12coscos2rdX IE 由式（2-11）可得：ririrX (2-13) 第15页/共56页第十五页，共57页。当换相角(xin jio) 大小变化时，换流器在工作中同时导通的桥阀数目将不相同。如图2-8所示。第16页/共56页第十六页，共57页。换流器在正常工作情况下，一般 。在这种情况下，非换相期间有2个阀导通，换相期间有3个阀导通，而且2个和3个阀导通的状态是交替出现(chxin)的，这种工作方式简称2-3方式。图图2-8 换相角换相角 的大小和换流器工作过程的大小和换流器工作过程(guchng)中中

9、同时导通的桥阀数的关系同时导通的桥阀数的关系60第17页/共56页第十七页，共57页。1.整流器工作(gngzu)在滞后角 和换相角 的情况dbave六脉动(midng)图图2-9 整流器工作整流器工作(gngzu)在在 情况下的电情况下的电压波形压波形0,000第18页/共56页第十八页，共57页。整流器的直流电压 在一周之中是由六段相同的正弦曲线段组成的，求其平均值时，只要取其中的一段计算(j sun)。假定基准纵轴Y-Y位于 处，则曲线 的纵坐标可用 表示。在 从 到 间隔内，这段曲线下的面积为：660662cos2sin2AEtdtEtE将 除以 即可得 情况(qngkung)下的直流

10、电压平均值00321.353dAUEE此电压称为无相控的理想(lxing)空载直流电压。0,0dI030,00AdV30t66bae2cosE (2-14) (2-15) 第19页/共56页第十九页，共57页。各个阀电流和交流(jioli)侧电流波形如图2-10所示。图图2-10 整流器工作在整流器工作在 情况下的电流情况下的电流(dinli)波形波形0,0第20页/共56页第二十页，共57页。2.整流器工作在滞后角 和换相角(xin jio) 的情况图图2-11 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压情况下的电压(diny)波形波形直流电压有缺口(quku)0,000第21页/共56页第二十

11、一页，共57页。同理，可取(kq)一周中的1/6波形来计算直流电压平均值，但积分的上下限不同。66662 cos2 2 sincos2 cos6AEdEE 取平均(pngjn)，即可求得在此情况下的直流电压的平均(pngjn)值032coscos3ddAUEU此电压称为(chn wi)有相控的理想空载直流电压。 (2-16) (2-17) 第22页/共56页第二十二页，共57页。3.整流器工作(gngzu)在有相控且有负载的情况（ ）0,0图图2-12 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压情况下的电压(diny)波形波形0,0第23页/共56页第二十三页，共57页。解释(jish)： 在换相

12、角 之内，由于阀5和阀1换相，换流器交流端ca两相短路，线电压 全部降落在这两相的换相电抗(dinkng) 上，每相 的降落各为 的一半，所以这时m点的电位处于 和 两曲线之间的中点上，即 如图2-12(a)中AB一段粗曲线所示。 n点对中性点的电压(diny)为 ，所以直流电压(diny)为：ceae1122mcabueee be1322dmnbbbuuueee (2-18) cae2Xcae第24页/共56页第二十四页，共57页。直流电压的平均值可以(ky)从间隔为60的一段 曲线下的面积求取平均值求得，这时曲线下的面积又比 时的小了一块由换相过程引起的缺口 ，因此 01cos3ddUAA

13、UU 根据(gnj)图2-12(a)可以求出22caacaeeeeAedtdt112sin22cae dtEtdt2coscos2E (2-19) (2-20) dv0A第25页/共56页第二十五页，共57页。32coscos32AUE所以(suy)00coscossinsin222ddUV (2-21) 将式（2-11）代入上式可得换相压降：336ddddLUIX IfL IR I最后(zuhu)得到：0coscos2dU03cosddXUI (2-22) (2-23) dU0cosddUR I第26页/共56页第二十六页，共57页。式中， 其意义是一个单位直流电流在换相过程中所引起的压降，

14、称为比换相压降；有时也称为等值换相电阻。但是，它不是真正的电阻， 只是代表换相电流在换相电抗(dinkng)中造成的压降而引起的换流器交流端电压和直流电压的降落，所以等值换相电阻是不消耗有功功率的。各个(gg)阀电流和交流侧电流波形如图2-13所示。3 LRdR I第27页/共56页第二十七页，共57页。图图2-13 整流器工作整流器工作(gngzu)在在 情况下的情况下的电流波形电流波形0,0第28页/共56页第二十八页，共57页。图图2-14 单桥整流器阀电压单桥整流器阀电压(diny)波形波形第29页/共56页第二十九页，共57页。图2-14(a)中，以阀1为例，作出了它的阳极对中性点O

15、的电压曲线，和它的阴极对O点的电压曲线，分别以粗虚线(xxin)和粗实线表示。两曲线之间的纵坐标长度即代表阀1阳极和阴极之间的电压，即阀1的电压，如图(b)所示。由图可见：阀电压是由一段直线(zhxin)和七段正弦弧线所组成的。 在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零； 在阻断期间，只有短时间处在正向电压作用下，大部分时间处在反向电压作用下，所以(suy)汞弧换流器工作在整流状态下，易发生逆弧。第30页/共56页第三十页，共57页。各个阀电流的波形如图2-13所示。在换相过程中，阀电流上升(shngshng)和下降部分的波形如图2-6所示，在其余的导通期间，阀电流等于 。各阀导通的

16、时间为 。只分析(fnx)简单的情况：假定 ，则阀电流波形是宽度为120的矩形波，并且形状与 的大小无关。阀电流的有效值为：桥交流侧线电流的有效值为：201210.577233VdddIIII20.8163ddIII0dI120 (2-24) (2-25) 第31页/共56页第三十一页，共57页。从式（2-23）可知：单桥整流装置在以恒定交流电压(diny)和定滞后角 正常运行时的等值电路如图2-15所示。根据式（2-23）可绘出整流装置输出端的正常运行(ynxng)（ ）外特性曲线，如图2-15所示。等 外特性曲线是一族随 的增大而向下倾斜的直线，它在纵轴的交点是理想空载电压： ，斜率是 。

17、60dI03 2coscosdEUR第32页/共56页第三十二页，共57页。图图2-15 单桥整流器正常运行（单桥整流器正常运行（ ）的等值电路）的等值电路(dinl)和等和等 外特性曲线外特性曲线60第33页/共56页第三十三页，共57页。由前面(qin mian)分析可知：当 时，换流器的直流电压平均值为 。 当 时， ，工作(gngzu)在整流状态； 当 时， ，工作(gngzu)在逆变状态。逆变运行需要三个条件： 一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流； 一个提供换相电压的有源交流系统； 要有足够大的关断越前角，以保证安全运行。0090901800cosddUU0dU 0dU 第34

18、页/共56页第三十四页，共57页。图图2-16 作为作为(zuwi)逆变器运行的换流器逆变器运行的换流器第35页/共56页第三十五页，共57页。整流器和逆变器的不同(b tn)： 触发滞后角的不同； 整流器功率从交流侧传送(chun sn)到直流侧，直流侧是负载，而逆变器的功率是从直流侧传送(chun sn)到交流侧，直流侧是电源。为了分析方便，逆变器的触发(chf)相位角往往用触发(chf)越前角 来表示。它与触发(chf)滞后角 的关系为：180整流器和逆变器在工作原理上有很多相似之处，下面分析着重讨论两者差异的各点。 (2-26) 第36页/共56页第三十六页，共57页。逆变器的电压波形

19、如图2-17所示。可以看出，它如果在纸平面(pngmin)内旋转180，则得到与整流器一样的电压波形。图中，将阀5关断的时刻超前于线电压过零点(ln din)C4之间的相角定义为关断越前角 ，则有：同整流器的分析，可以得到换相期间的阀电流为：12coscossiiIt5diIi (2-27) (2-28) (2-29) 第37页/共56页第三十七页，共57页。图图2-17 单桥逆变器电压单桥逆变器电压(diny)波形波形515第38页/共56页第三十八页，共57页。换相结束(jish)时，180t 122coscoscoscos2sdEiiIIX 50i (2-30) (2-31) 上式与式（

20、2-11）类似(li s)，只是用 代替了其中的 角。逆变器的阀电流波形如图2-18所示。事实上，在分析逆变器时，只要是与时间无关的量，如电压电流的有效值、平均值等，都可以利用整流器的相应公式(gngsh)作角度的替换来计算。第39页/共56页第三十九页，共57页。图图2-18 单桥逆变器电流单桥逆变器电流(dinli)波形波形第40页/共56页第四十页，共57页。式（2-23）同样适用于逆变状态(zhungti)，将 代入得到：18000cos 180cosdddddUUR IVR I 可以(ky)看到：0dU 为了方便(fngbin)，往往重新规定 的正方向，将其反向。dU所以：0cosd

21、ddUUR I另外，将逆变器电压波形旋转180，可看到与整流的波形一样。其中，逆变器的 对应整流器的 。所以有：, , 0cosdddUUR I (2-32) (2-33) (2-34) 第41页/共56页第四十一页，共57页。图图2-19 单桥逆变器阀电压单桥逆变器阀电压(diny)波形波形（ ）60第42页/共56页第四十二页，共57页。应该注意的是：关断越前角 要足够大，使换流阀有足够长的时间处于反向电压作用(zuyng)下，以保证退出导通的阀能完全恢复阻断能力。以阀5为例，如果 不够大，在过了C4点之后，加在阀5上的电压又变为正向的。由于阀阻断能力未完全恢复，因而不加触发也会再次导通，

22、并发生通过阀1的电流又倒换到阀5的故障。这种故障称为换相失败。所以，逆变器在正常运行情况下，关断越前角必须(bx)大于某一定角度，这角度称为换相余裕角，用 表示。一般为15或更大一些。0第43页/共56页第四十三页，共57页。由图可见：逆变器阀电压波形形状(xngzhun)也相当于把整流器阀电压波形在纸面上旋转180。其特点为： 在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零； 在阻断期间，有很长一段时间处在正向电压作用下，此时如果电压过高，特别是电压上升过快，阀在该段时间内存在有未经触发就发生误开通（通弧）故障的可能性；而很短时间处在反向电压作用下，而且电压较低，所以逆变器发生反向导(x

23、ingdo)通故障的机率较小。这与整流器情况恰恰相反。第44页/共56页第四十四页，共57页。阀电流(dinli)的波形以阀1、阀4和a相为例，如图2-18所示。可以看出，逆变器阀电流的上升沿波形是向上凸出的，下降的后沿是向下凹进的。这恰恰和整流器阀电流的前后(qinhu)沿波形相反。阀电流、交流相电流的有效值的计算同整流器，只需替换角度即可。即用 代替 角。第45页/共56页第四十五页，共57页。根据式（2-33）和（2-34）可以画出逆变器的等值电路如图2-20所示，分别用 和 两种相角(xin jio)表示。两者实质是一样的。图图2-20 单桥逆变器的等值电路图单桥逆变器的等值电路图第4

24、6页/共56页第四十六页，共57页。同样可作出两种外特性(txng)曲线如图2-21所示。图图2-21 单桥逆变器的外特性单桥逆变器的外特性(txng)曲线曲线第47页/共56页第四十七页，共57页。 在直流输电工程中，常把两个或两个以上换流桥的直流端串联(chunlin)起来，组成一个多桥的换流器，以得到输电所需要的直流电压。 多桥换流(hun li)器一般由偶数个的桥串联组成，其中每两个桥布置成为一个双桥。每一个双桥中的两个桥分别由两组相位差为30的三相交流电源供电。这两组三相交流电压可以从接线方式为Y/Y和Y/ 的两台换流(hun li)变压器得到，也可以从一台Y/Y/ 接线的三绕组变压

25、器的两个次绕组得到。第48页/共56页第四十八页，共57页。 多桥换流器的优点(yudin)： 各桥换流变压器适当联结后，可使整个换流器注入系统的谐波电流大大减小。 具有较高的运行可靠性。当多桥中的一桥故障时，其余(qy)健全桥仍可工作，不致造成换流器全停。 便于用规格化的换流桥组成不同额定直流电压的换流器。 但是多桥换流器的换流变压器的接线(ji xin)较为复杂，两桥以上的多桥换流器的换流变压器往往采用曲折形接线(ji xin)，给变压器的制造增加了困难。另外，控制也很复杂。 所以，HVDC工程中采用最多的是双桥换流器。它共有12个阀臂，其结线如图2-22所示。第49页/共56页第四十九页

26、，共57页。图图2-22 双桥换流器的原理双桥换流器的原理(yunl)结线图结线图第50页/共56页第五十页，共57页。 图2-22所示的双桥换流器的等值电路如图2-23所示。两台换流变压器具有相同的容量和漏电(lu din)抗 ，但其中二号桥 的一台换流变压器的接线具有-30的相位移。图图2-23 双桥换流器的等值电路双桥换流器的等值电路(dinl)TXIIQ第51页/共56页第五十一页，共57页。 双桥换流器的运行(ynxng)特点： 正常运行时12个臂开通(kitng)的次序如图中数字所示，为11、12、21、22、31、32、41、42、51、52、61、62。各个臂开通(kitng)时刻的间隔为1/12基波周期。 双桥中的每个桥的直流电压都是6脉动的，但由于二者的三相交