换流器工作原理

直流输电的基本原理

1 换流器电路的理论分析 (1)

1.1 忽略电源电感的电路分析(即L c=0) (2)

1.2 包括电源电感的电路分析(即L c≠0) (10)

1.2.1 换相过程 (10)

1.2.2 电路的分析 (11)

2 整流和逆变工作方式分析 (14)

2.1 整流的工作方式 (15)

2.2 逆变的工作方式 (15)

3 总结 (20)

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，U a、U b和U c表示A、B、C三相交流电压，它们之间相差120゜。

令

U a=E m sin(wt+150)

U b=E m sin(wt+30)

U c=E m 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 c=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L c，为了便于分析，我们先假设该电感不存在，即L c=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：

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U d波形。从图1-2中可以

看出直流线路上的输出电压U d的电压与m点和n点的电势有很大关系，即

U d=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： U d=e a-e b=e ab

对于C0~C1时刻：U d=e a-e c=e ac

对于C1~C2时刻：U d=e b-e c=e bc

对于C2~C3时刻：U d=e b-e a=e ba

对于C3~C4时刻：U d=e c-e a=e ca

对于C4~C5时刻：U d=e c-e b=e cb

以C~C0时刻为例，此时可以进行如下的推导：

U d= e a-e b=e ab= E m sin(wt+150゜)- E m sin(wt+30?)

=E m·2cos(wt+90?) ·sin60?

=√3 E m cos(wt+90?) （wt∈[-120?,-60?]）

=√3 E m cosμ （μ∈[-30?,30?]）

再以C0~C1时刻为例，

U d= e a-e c=e ac= E m sin(wt+150゜)- E m sin(wt-90?)

=E m·2cos(wt+30?) ·sin120?

=√3 E m cos(wt+30?) （wt∈[-60?,0?]）

=√3 E m cos μ （μ∈[-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U d 就是以√3 E m 为基数的三角函数，其函数区间为[-30?,30?]。则U d 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，U d 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 U d = ()()??-=

30306cos 333

ππ

πππwt wt d e bc =πm E 33

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E m 为相电压有效值的2倍，则（P E 为相电压有效值，L E 为线电压有效值）

U d = π

m

E 33=P P E E 34.2233=?π U d = πm E 33=L L

E E 35.13233=??π

通过对输出的平均直流电压U d 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

U d

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U d 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U d 。）

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=√3E m 。则

047.13333U 阀峰

===ππ

m m d E E V 接下来，再利用图1-2来分析阀侧A 相、B 相和C 相的电流：

i a =i 1+i 4

i b =i 3+i 6

i c =i 5+i 2

其电流波形如下图1-4所示：

图1-4 阀电流波形

则各相的电流波形如下：

i 1

i 1 i 4 i 4

i 3

i 3

i 5

i 6 i 6 i 5

i 2 i 2

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

?。其它的阀依次类推，即所有阀会在原来触发角度，对应于时间轴应该是αω

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、C

0~C

8

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V2、V4和V6阀的导通）进行分析。在C

1

点处，此时共阴极阀中V1阀导

通，m点电位为e

a ；当C

1

1

+a时，此时V3阀的阳极电压为e

b

，而阴极电压

由于V1阀仍在导通，阴极电压为e

a 。通过图1-5，可以看出，在此时e

b

>e

a

，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

wt>C

1

+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e

b >e

a

，则此时V3阀导通，m点的电位变为e

b

(此前一直为e

a

)。若是

a>180?，则此时虽然有出发脉冲，但是由于阳极电位e

b 小于阴极电位e

a

，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

根据上述分析，可以画出直流输出电压U 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U d 的波形：

以C1时刻的分界点为例：

当C 1

当C 2>wt> C 1+a,此时U d =e bc =√3 E m cos(wt-30?)

由此，可以看出，原来的C 1~C 2的时间段被划分成了两段，因此其直流输电

电压U d 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 d 可以表示为(以【α，α+ 3π】为区间的e bc 时段来分析)：

U d =)()6(cos 333

wt d wt E m πππ

αα-?+

=απ

αππ3)

6sin(33+-?wt E m

= πm E 33?????

?--+)6sin()6sin(παπα = πm

E 33αcos

之前没有延迟触发角度时U d =π

m E 33,由此可见，晶闸管延迟α角度触发后使得输出的平均直流电压U d 减小为之前的αcos 倍。

U d

延迟触发角度α的取值区间为[0

?,180?]，因此cosα的取值范围在±1之

间，即U d的取值在

π

m

E3

3

和

π

m

E3

3

-之间。当α<90?时为正值，此时U d表示的是从交流到直流，为整流状态；当α>90?时为负值，此时的U d表示的是直流到交流，是与整流状态相反的逆变状态。当α=90?时，U d=0，此时为零功率状态。由此可见，α=90?为整流和逆变状态的临界值。当α=180?时，刚好是与α=0?相反的，其输出的直流电压波形与α=0?时相反，为正弦波负半轴的6脉动逆变器。

同样，各个阀在导通时刻通过的电流为I d，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α角度，其余的都没有变化。1.2 包括电源电感的电路分析(即L c≠0)

1.2.1 换相过程

（1）由于交流电源电感L c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μ表示。

（2）在0?<μ<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<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

μ

换相时间：μ/ω

60?60?