换流器的工作基础学习知识原理.doc

*-直流输电的基本原理1 换流器电路的理论分析11.1 忽略电源电感的电路分析(即Lc=0)21.2 包括电源电感的电路分析(即Lc0)101.2.1 换相过程101.2.2 电路的分析112 整流和逆变工作方式分析142.1 整流的工作方式152.2 逆变的工作方式153 总结201 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，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 sin(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Lc=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、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，CC0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。（举例，如V1阀在-1200导通，V2阀在-6060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-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CC0时刻： Ud=ea-eb=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时刻：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) =Em2cos(wt+90) sin60 =3 Em cos(wt+90) （wt-120,-60） =3 Em cos （-30,30） 再以C0C1时刻为例，Ud= ea-ec=eac= Em sin(wt+150)- Em sin(wt-90)=Em2cos(wt+30) sin120=3 Em cos(wt+30) （wt-60,0）=3 Em cos （-30,30）该周期的其它时段也是如此，因此Ud由上述的推导，可以发现Ud就是以3 Em为基数的三角函数，其函数区间为-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= = 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Em为相电压有效值的倍，则（为相电压有效值，为线电压有效值）Ud= =Ud= =通过对输出的平均直流电压Ud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Ud。）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=3Em。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=i1+i4 ib=i3+i6 ic=i5+i2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：i2i2i5i5i6i6i3ii3ii4i4i1i1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a0）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。)a图1-5 延迟触发a角度的波形图结合图1-5(图中的C、C0C8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C1点处，此时共阴极阀中V1阀导通，m点电位为ea；当C1wtea，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wtC1+a时，阀控系统开始发送触发脉冲到V3阀晶闸管的门极，若aea，则此时V3阀导通，m点的电位变为eb(此前一直为ea)。若是a180，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0180之间。（也许会有人说，在120a180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。）Ud根据上述分析，可以画出直流输出电压Ud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C1wtwt C1+a,此时Ud=ebc=3 Em cos(wt-30)由此，可以看出，原来的C1C2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Ud可以表示为(以【，+ 】为区间的ebc时段来分析)：Ud= = = = 之前没有延迟触发角度时Ud=,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减小为之前的倍。延迟触发角度的取值区间为0,180，因此cos的取值范围在1之间，即Ud的取值在和 之间。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，Ud=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，刚好是与=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脉动逆变器。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。1.2 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Lc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”，用表示。换相时间：/（2）在060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6060（3）如果当60120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060。一般的角度在15和25范围之间，接下来分析的电路也都是保证在060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t=a开始，当t=a+时，整个换相过程结束，V1阀成功换相到V3阀。那么=a+，称之为“熄弧角”。换相期间V1阀和V3阀的电路图如下所示：而： 根据相关的推导，可以得出而： 当wt=a+时，=，=0，即：=那么，从而得出换相角 ，通过换相角公式，可以看出换相角和延迟触发角a以及电源电感Lc、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，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。m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， 所以， 从而可以得出： 即在从延迟触发角度a之后到=a+之间，的电压将不会再是，而是变为了（由于交流电三相电压的相位关系ea+eb+ec=0）。a+3依次类推，可以画出m点和n点的电压波形图，如下所示：a-ec/2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A/3,而， 则，平均压降为A/3= 所以，此时输出的平均直流电压Ud= A/3=当换相结束时， 即=a+时，=，=0，在上一章节电流分析过程中，得知：，则，平均压降A/3 =此时输出的平均直流电压也可以表示为：从上面公式上，我们将看成为线路电阻Rc，也常常被称为“等效换相电阻”，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 33Em 为Vd0）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= 33Em = Vd0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= 33Emcos = Vd0cos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= 33Em2（cos+cos） = Vd02（cos+cos），（=a+）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Rc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Ud的影响，使得Ud降低了RcId 。根据公式 可以画出整流器输出端的特性曲线图(正常运行时，换相角度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Id的增大，输出电压Ud在减小；图中,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Ud输出。因此，考虑到延迟触发角度a(此时不考虑换相电感)，当a0,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a90时，cos0，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=0。通过1.2.2章节的分析，在换相角度0,且存在延迟触发角度a的情况下，直流输出电压，当时，即， ，则， ，即在换相角度0的影响下，整流和逆变的转折点从a=90变为了a=。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。在描述整流器端时，我们常常使用触发延迟角度a和换相角度来表示。从而，为了便于描述逆变器端（在逆变器端，a和的范围值在90到180之间，不符合人们用锐角表示的习惯），也可以用相关的参数来描述，它们就是逆变角以及关断角。a由上图可以看出，逆变器端的逆变角其实就是：触发脉冲发出的时刻到落后于自然换相点180的时刻之间的电气角度；而关断角则是阀关断的时刻(即阀上电流为零)到落后于自然换相点180的时刻之间的电气角度。由此，可以得出如下结论： 那么，根据前面所得，逆变器端的输出直流电压Vmn=Ud_逆可以如下表示： ，= 亦可以表示为： 3 总结该文就高压直流输电的基本原理进行了简单的理论分析。主要就是讲述了换流器在整流和逆变过程的电路以及波形的分析，可以作为进一步提升和学习高压直流输电技术的理论基础。同时，在现代的高压直流输电技术中，并不是单桥运行，通常都是采用的多桥换流器。即：将多个6脉动换流器经过串联等形式组成以便获得更高的输出电压。