直流输电换流原理(整流部分)

换相角与工况
2012年12月3日
45
换流器电流分析
整流器的阀电流和交流侧电流（， ）
下降段
阀
非换相段（直流）
电
上升段
流
交 流 侧 电 流
2012年12月3日
46
整流器的阀电流（ ）
上升段（ t + ）:
is
E (cos cost)
2X
Id
cos cost cos cos(
)
2012年12月3日
6
6
2E
6
Vd 0
A0
32
E
1.35E
3
14
有相控整流器( Lr 0)--延迟触发角 α
触发脉冲
vm
vn
eca 过零点
vd = vm vn
360，脉动六次
15
平均直流电压
6
A= 6
2E cosd
2E sin cos
6
2E cos
Vd
A
32
E cos
1.35E cos
Vd 0
• 换相过程所经历的电角度
• 2 3工况下小于 60 其它参数不变的情况下：
Id、E、 X 、
2012年12月3日
35
换相角（续）
换相重叠角（变化时）
2012年12月3日
36
整流器的直流电压（， ）
触发脉冲
vm
vn
eca wenku.baidu.com零点
vd = vm vn
2012年12月3日
37
电势相位关系图
1
csc csc(2 ) ctg(2 )2 1
2012年12月3日
59
换流装置的功率因数（工程应用）
较精确
cos
cos (1)
cos
2
较粗略
cos cos(1) cos
60
换流装置的功率因数分析（续）
P= 3 T
T
eidt
0
3 T
T
ei(1)dt
0
3 T
T
ei(n)dt
n1 0
2 L
cost C
2E 2X
cost C
t
:
i1
i
0;
C
2E cos
2X
i1 i Is2(cos cost)
2012年12月3日
Is2
2E 2X
30
整流器换相过程（续）
t : 换相开始时
i1 i 0 i5 I d i I d
• 换向角或 换相重叠
角
t :
换相过程中
阀的利用率高
• 换流变压器容量较小
变压器的利用率高
• 换流变压器接线较简单
• 阀的伏安容量较小
• 直流电压纹波较小
5
三相桥式换流器（续） 直流平波电感
交流电源
交流侧电流
阀电流
直流侧电流
换相电感
直流侧电压（滤波前）
单桥整流器
直流侧电压（滤波后）
6
三相桥式换流器（续）
三相桥式换流器中重要的量
• 交流侧相电压： va、 vb、 vc 桥交流端对 “O”点电位
直流输电基础
直流输电换流原理 （整流部分）
主要内容
单桥换流器
整流器
无相控：电压、电流、功率 有相控：电压、电流、功率
逆变器
双桥换流器 谐波
2
典型双极直流系统接线图
3
三相桥式换流器
• 三相交－直换流器桥接线 共阴极组
桥臂
共阳极组
4
4
三相桥式换流器（续）
三相桥式换流器的优点
• 桥阀承受的电压峰值较低
6
sin 2 sin 2( ) 2
4cos cos( )
Id
54
整流器的功率分析（续）
基波分I量(1) :
I2 (1) y
I2 (1)w
6
k(1)Id
cos 2 cos 2( )2 sin 2 sin 2( ) 2 2
k(1)
4cos cos( )
1 cos cos( ) 1 csc csc(2 ) ctg(2 )2
0.78Id
2012年12月3日
52
整流器的功率分析
有功功率平衡： PAC PDC
3EI(1) y Vd I d
32
2
E[cos
cos(
)]I d
基波有功分量:
I(1) y I(1) cos (1)
6 cos cos( )
2
Id
53
整流器的功率分析（续）
基波无功分量:
I(1)w I(1) sin(1)
cos
3
• 延迟触发的影响：平均直流电压减少 cos 倍
• α可由0度变成180度，Vd 可由 Vd0 变为 Vd0
16
整流器的空载直流电压
30°
> 30°
17
整流器的直流电压（α变化）
阀电势
直流电压
18
整流器的阀电流和交流侧电流
阀 电 流
交 流 侧 电 流
19
整流器电流分析
• 整流器的阀电流
• 阀电压： v1 ~ v6
V1 ~ V6阳极－阴极之间电压
• vd vm vn：直流侧电压 “m”、“n”点之间的电位差
• Vd ：换流器直流输出电压
vd 的平均值
• 阀电流： i1 ~ i6
• 交流侧电流： ia、 ib、 ic
7
电网侧电势量分析
• 相电势
ea eoa
2 E sin(t 30)
sin
2
V
3 L
Id
3
X Id
6 fL Id
R Id
等值换相电阻
2012年12月3日
39
换流装置的等值电路
Vd
Vd 0 2
cos
cos(
) Vd 0
cos
2
cos
2
Vd
0
cos
3X
Id
Vd 0 cos R Id
等值换相电阻
有相控理想空载电压
无相控理想空载电压
有相控带载输出电压
40
换相前 换相中 换相后
28
整流器换相过程（V5 V1 ）
i1
换相中
L
di1 dt
L
di5 dt
ea
ec
eca
i1 i ; i5 Id i
i5
2012年12月3日
L
di dt
L
d(Id i ) dt
eca
2L
di dt
eca
2Esint
29
整流器换相过程（V5 V1 ）
i
2E
120 矩形波，波形形状与无关，相位与有关
I 1 T i 2 dt
T0
IV 0
1
2
2
3
I
2 d
1 3
Id
0.577 I d
20
整流器电流分析
整流器的交流侧电流（ ）
总有效值：=?
I
2
2
2
3
Id2
2 3Id
0.816Id
2012年12月3日
21
整流器电流分析（续）
整流器的交流侧电流
• 当a=180时，Pa为最大负值而Qa为 零。不管换流器是用作整流器或是逆 变器，它都要从系统吸收无功功率。
24
有相控整流器——带触发滞后
• L 存在（换流变压器漏感、交流系统等值电感等） • L 的存在使得阀电流不能突变 • 存在同一半桥中两阀同时导通的区间 • 直流负载电流 Id 从一阀向另一阀转移 • 换相过程为两相短路过程
基波分量有效值（基于傅氏变换）：
I1
2
3
Id
cos d
3
2 Id
3
2012年12月3日
3
6
Id
0.78 I d
22
思考题：整流器的交流功率分析
条件：忽略换流器损耗时，交流功率应等于直流功率
证明： 基波功率因数
cos cos
23
整流器的交流功率
• 当a=0时，基波电流分量和相电压同 相；有功功率( Pa Ea I1 cos )为正值而 无功功率 ( Pa Ea I1 sin )为零。 • 当从0增加到90时，Pa减小而Qa增 加。当a=90时，Pa为零而Qa达到最大 值。a由90增到180时，Pa变为负值， 其绝对值不断增大；而Qa仍保持正值 而值逐渐减小。
cos
2
cos
2
57
换流装置的总功率因数（精确分析）
cos = P
W
3
cos
2
cos
2
1 3 (, )
0.955
cos
2
cos
2
1 3 (, )
0.955
cos
cos
2
cos
2
1cos cos( )
2
58
换流装置的基波功率因数（精确分析）
cos(1) =
cos2 cos2( )
sin2 sin2( ) 2 2 cos2 cos2( )2
63
单桥换流器的计算公式（ ）
2012年12月3日
64 64
单桥换流器的计算公式（ ）（续）
65
END
66
整流器的直流电压（变化， ）
阀电势
直流电压
2012年12月3日
41
整流器的阀电压
2012年12月3日
关断（承受反压）
导通
关断（承受正压）
42
整流器的阀电压（变化， ）
阴/阳极电压
V1的阳极电位（蓝）和阴极电位（红）
2012年12月3日
43
整流器的阀电压（变化， ）
阀电压
2012年12月3日
44
换相中
1 2 (ebc
• m点电势：OR
•
n点电势：
OB
•
换向过程直流电压：1
2
(ebc
eab )
• 缺口面积纵坐标长度：?
38
整流器的换相压降（， ）
A=
1
2E sin d
2 E cos cos( )
2
2
V
A
32
2
E cos
cos(
)
3
Vd 0 2
cos
cos(
)
Vd 0
sin
2
47
整流器的阀电流（续）
下降段（120 + t 120 + + ）:
ij
Id
Id
cos cos(t 120) cos cos( )
2012年12月3日
48
整流器的阀电流（续）
有效值:
IV
1
2
is2d(t)
2
3
2
3
i2j d(t)
2
3
Id2
Id 3
13 (, ) 0.577Id
25
带触发滞后有相控整流器
触发滞后角P
P1
P3
P1
P3
26
有相控整流器
触发滞后角P与开通滞后角
• 理想情况下，P1 ~ P6 相等，记为P • 触发滞后角P ：触发脉冲时刻 P 与 C 间的电角度 • 开通滞后角：阀开通时刻 T 与 C 间的电角度
正常运行情况下：
开通滞后角 ＝ 触发滞后角
27
带触发滞后有相控整流器（续） 整流器换相过程
换相开始
换相结束
2012年12月3日
33
整流器换相过程（续）
换相过程：六个电子开关轮流工作
• i ：换相电流（两相短路电流） • vac ：换相电压（两相短路电压） • X ：换相电抗 • 换相期间三阀导通；非换相期间两阀导通
2012年12月3日
34
换相角
arccos
cos
2X
Id
2E
2
2012年12月3日
55
换流装置的功率因数（直观分析）
2
2012年12月3日
56
换流装置的总功率因数（精确分析）
有功功率
P Pd Vd I d
W 3EI
视在功率
3
32
cos
Vd
2
cos
2
2 3Id
13(, )
3
Vd
Id
2012年12月3日
13(, )
cos
2
cos
2
3
Pd
13(, )
13 (, )
2012年12月3日
49
思考题：整流器的阀电流（续）
(,
)
1
2
sin
2
cos(2
cos
) 12cos cos( )2
cos(
)
2012年12月3日
50
整流器的阀电流（续）
• 修正系数性质 有效值系数：
2012年12月3日
51
整流器的交流侧电流（ ）
有效值:
I 2IV 0.816Id 13(, )
eca 过零点
计时起点
eab 过零点
ebc 过零点
ebc 过零点
eca 过零点
eab 过零点
9
单桥整流器触发时间范围
触发V1前导通
va vc v1 0
v1 va vc
180
10
无相控整流器
理想的假定条件
• 三相交流电源对称、正弦、频率恒定 • 交流电网阻抗对称，忽略换流变压器激磁导纳 • 大电感平波电抗器，换流器直流侧电流为纯直流 • 阀的特性是理想的 • 桥阀等相位间隔依次轮流触发
3EI(1) cos(1) 0 3EI(1) cos(1)
I2 (1) y
I2 (1) w
2012年12月3日
W
3EI
3E
I2 (1)
I2 (n)
n1
P2 Q2 N2
有功功率 基波无功功率
畸变无功功率
61
可控整流器的运行特性
外特性
62
延迟触发角
• 一般要求大于3~5度，阀中元件可靠同时触发 开通； • 正常运行不宜过大，避免功率因数过低； • 一般取15度；
i1 i I s2 (cos cos t)
i5 I d i
31
整流器换相过程（续）
t :
换相结束时
i1 i Is2 cos cos( ) Id
i5 Id i 0
arcco
s
co
s
2X Id
2E
32
整流器换相过程（续）
两相短路电压
短路电流强制分量 短路电流直流分量
3
eb eob
2 E sin(t 90)
3
ec eoc
2 E sin(t 150)
3
• 线电势
eca ea ec 2E sin t eab eb ea 2E sin(t 120) ebc ec eb 2E sin(t 120)
8
电网侧电势量分析（续）
• 交流侧电源线电势过零点
11
无相控整流器（续）
无相控整流器阀臂的导通顺序及电流电压波形
12
无相控整流器（续）
• 整流器的直流电压
vd = vm vn
vm vn
脉动六次
13
平均直流电压
eba
2E sin(t )
3
2E
sin(0
3
)
横坐标向右平移30度
eba 2E cos
6
A0 =
2E cosd
2E
sin