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