换流器的工作原理

2.1概述图2-1三相桥式换流器的原理结线图上半桥下半桥第一页，共55页。为了阐明基本原理，采取下列假定条件：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周期的等相位间隔依次轮流触发。第二页，共55页。2.2单桥整流器的工作原理图2-2单桥整流器的等值电路图交流系统三相等值电势交流系统每相等值电感2.2.1换相过程第三页，共55页。如果以系统等值电动势的矢量作为基准，则电源相电动势的瞬时值为其中，E为电源线电动势的有效值。(2-1)第四页，共55页。则相应的线电动势为：(2-2)第五页，共55页。可以从阀5和阀6导通，其余各阀阻断的状态开始，并且假定整流器向直流线路输出的直流电流为，这时，整流器实际导通的电路为：图2-3阀5和阀6导通时的电路第六页，共55页。假定触发角为，则在阀1触发开通的瞬间，实际导通的电路变为图2-4。图2-4阀5和阀1换相时的实际电路第七页，共55页。此时，阀5、6、1都导通了，等值电路如图2-5所示。图2-5阀5和阀1换相时的等值电路第八页，共55页。在分析换流器各组阀导通状态转换过程时，一个基本原则是：在导通或关断瞬间，通过电感的电流是连续的，不会突变。在等值电路中有：由于，所以的方向是从a点流向c点，因此：代入式（2-3），可得：(2-3)(2-4)(2-5)第九页，共55页。整理后，得：求积分后，得：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，短路电流强制分量的幅值；A--积分常数。(2-6)(2-7)第十页，共55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，电流不会突变，即：(2-8)所以式（2-7）中的积分常数：将式（2-8）代入式（2-7）中即得：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分量。同时(2-9)(2-10)第十一页，共55页。阀1和阀5的电流波形如图2-6所示。图2-6阀5和阀1换相时的电流波形μ第十二页，共55页。随着的增加，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。如果经过一定相角之后，电流增大到。即当时，从式（2-9）可得：由于阀单向导电特性的限制，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1）导通的状态，如图2-7所示。(2-11)(2-12)μ第十三页，共55页。图2-7阀6和阀1导通时的实际电路第十四页，共55页。几个名词：换相过程：从阀1开通瞬间到阀5关断瞬间，直流电流从c相流经阀5转移到从a相流经阀1的过程；换相电流：电流；由上面的分析可知，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。换相电抗：换相电流所流经的回路中每相等值电抗；换相角：换相过程所经历的相位角由式（2-11）可得：(2-13)μ第十五页，共55页。当换相角大小变化时，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。第十六页，共55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的，这种工作方式简称2-3方式。图2-8换相角的大小和换流器工作过程中同时导通的桥阀数的关系第十七页，共55页。2.2.2整流器的直流电压和换相压降1.整流器工作在滞后角和换相角的情况六脉动图2-9整流器工作在情况下的电压波形第十八页，共55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。假定基准纵轴Y-Y位于处，则曲线的纵坐标可用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示。在从到间隔内，这段曲线下的面积为：将除以即可得情况下的直流电压平均值此电压称为无相控的理想空载直流电压。(2-14)(2-15)第十九页，共55页。各个阀电流和交流侧电流波形如图2-10所示。图2-10整流器工作在情况下的电流波形第二十页，共55页。2.整流器工作在滞后角和换相角的情况图2-11整流器工作在情况下的电压波形直流电压有缺口第二十一页，共55页。同理，可取一周中的1/6波形来计算直流电压平均值，但积分的上下限不同。取平均，即可求得在此情况下的直流电压的平均值此电压称为有相控的理想空载直流电压。(2-16)(2-17)第二十二页，共55页。3.整流器工作在有相控且有负载的情况（）图2-12整流器工作在情况下的电压波形第二十三页，共55页。解释：在换相角之内，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点对中性点的电压为，所以直流电压为：(2-18)第二十四页，共55页。直流电压的平均值可以从间隔为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，因此根据图2-12(a)可以求出(2-19)(2-20)第二十五页，共55页。所以(2-21)将式（2-11）代入上式可得换相压降：最后得到：(2-22)(2-23)第二十六页，共55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，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。各个阀电流和交流侧电流波形如图2-13所示。第二十七页，共55页。图2-13整流器工作在情况下的电流波形第二十八页，共55页。2.2.3整流器的阀电压波形图2-14单桥整流器阀电压波形第二十九页，共55页。图2-14(a)中，以阀1为例，作出了它的阳极对中性点O的电压曲线，和它的阴极对O点的电压曲线，分别以粗虚线和粗实线表示。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，所以汞弧换流器工作在整流状态下，易发生逆弧。第三十页，共55页。2.2.4整流器的阀电流和交流侧电流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。各阀导通的时间为。只分析简单的情况：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：(2-24)(2-25)第三十一页，共55页。2.2.5整流器的等值电路和外特性曲线从式（2-23）可知：单桥整流装置在以恒定交流电压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（）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。第三十二页，共55页。图2-15单桥整流器正常运行（）的等值电路和等外特性曲线第三十三页，共55页。2.3单桥逆变器的工作原理由前面分析可知：当时，换流器的直流电压平均值为。当时，，工作在整流状态；当时，，工作在逆变状态。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。2.3.1整流器到逆变器的转换第三十四页，共55页。图2-16作为逆变器运行的换流器第三十五页，共55页。整流器和逆变器的不同：触发滞后角的不同；整流器功率从交流侧传送到直流侧，直流侧是负载，而逆变器的功率是从直流侧传送到交流侧，直流侧是电源。为了分析方便，逆变器的触发相位角往往用触发越前角来表示。它与触发滞后角的关系为：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)第三十六页，共55页。2.3.2逆变器的换相过程逆变器的电压波形如图2-17所示。可以看出，它如果在纸平面内旋转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：(2-27)(2-28)(2-29)第三十七页，共55页。图2-17单桥逆变器电压波形第三十八页，共55页。换相结束时，(2-30)(2-31)上式与式（2-11）类似，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作角度的替换来计算。第三十九页，共55页。图2-18单桥逆变器电流波形第四十页，共55页。2.3.3逆变器的直流电压和换相压降式（2-23）同样适用于逆变状态，将代入得到：可以看到：为了方便，往往重新规定的正方向，将其反向。所以：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：(2-32)(2-33)(2-34)第四十一页，共55页。2.3.4逆变器的阀电压波形图2-19单桥逆变器阀电压波形（）第四十二页，共55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，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。第四十三页，共55页。由图可见：逆变器阀电压波形形状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通故障的机率较小。这与整流器情况恰恰相反。第四十四页，共55页。2.3.5逆变器的阀电流和交流侧电流阀电流的波形以阀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。第四十五页，共55页。2.3.6逆变器的等值电路和外特性曲线根据式（2-33）和（2-34）可以画出逆变器的等值电路如图2-20所示，分别用和两种相角表示。两者实质是一样的。图2-20单桥逆变器的等值电路图第四十六页，共55页。同样可作出两种外特性曲线如图2-21所示。图2-21单桥逆变器的外特性曲线第四十七页，共55页。2.4多桥换流器在直流输电工程中，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/△的两台换流变压器得到，也可以从一台Y/Y/△接线的三绕组变压器的两个次绕组得到。第四十八页，共55页。多桥换流器的优点：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，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。第四十九页，共55页。图2-22双桥换流器的原理结线图第五十页，共55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2-23双桥换流器的等值电路第五十一页，共55页。双桥换流器的运行特点：正常运行时12个臂开通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流电压相差30°，串联后得到的直流电压是12脉动的。如图2-24所示。12脉动的换流器比6脉动的换流器具有更小的纹波系数，注入交流系统的谐波电流也较小。第五十二页，共55页。图2-24双桥换流器直流电压的脉动波形第五十三页，共55页。在图2-23中，可以看到换流变压器网侧母线到交流系统等值电势E之间有交流系统等值电抗，桥1和桥2的电流都流过这一电抗，所以它是两桥之间的耦合感抗。耦合感抗的存在，带来了多桥换流器特有的问题：桥间耦合。桥间耦合：一桥换相时，两相短路电流在耦合电抗上产生压降，从而使换流器网侧母线交流电压产生畸变，对其它桥产生影响。为了消去桥间耦合的不利影响，必须采取解耦措施。常见的措施有：安装交流滤波器和平衡电抗器。第五十四页，共55页。作业和思考题6脉动换流器的换相过程分析；6脉动换流器(包含整流和逆变两种状态）直流正负极母线相对交流中性点的波形、直流电压波形、阀电压波形，各个触发滞后角、换相角和熄弧角的位置；影响换流器换相角（换流重叠角）的因素分析；换流器从整流状态转换为逆变状态的条件；换流器的直流电压、等值电路和外特性曲线。第五十五页，共55页。