换流器的工作原理课件.ppt

换流器的工作原理换流器的工作原理2.1 概述概述图图2-1 三相桥式换流器的原理结线图三相桥式换流器的原理结线图上半桥下半桥为了阐明基本原理，采取下列假定条件：Ø三相交流电源的电动势是对称的正弦波，频率恒定；Ø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；Ø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；Ø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；Ø六个桥阀以1/6周期的等相位间隔依次轮流触发2.2 单桥整流器的工作原理单桥整流器的工作原理图图2-2 单桥整流器的等值电路图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 换相过程换相过程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) 则相应的线电动势为： (2-2) 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：图图2-3 阀阀5和阀和阀6导通时的电路导通时的电路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。

图图2-4 阀阀5和阀和阀1换相时的实际电路换相时的实际电路此时，阀5、6、1都导通了，等值电路如图2-5所示图图2-5 阀阀5和阀和阀1换相时的等值电路换相时的等值电路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：在等值电路中有：由于由于 ，所以，所以 的方向是从的方向是从a点流向点流向c点，因此：点，因此：代入式（代入式（2-3），可得：），可得： (2-3) (2-4) (2-5) 整理后，得：整理后，得：求积分后，得：求积分后，得：式中，式中， ----从电源到桥之间的每相等值电抗；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；时，短路电流强制分量的幅值； A A -- -- 积分常数。

积分常数 (2-6) (2-7) 在在 时，电路从一组阀（阀时，电路从一组阀（阀5和阀和阀6）导通改变成）导通改变成另一组阀（阀另一组阀（阀5、阀、阀6和阀和阀1）导通的瞬间，电流不会突变，）导通的瞬间，电流不会突变，即：即： (2-8) 所以式（所以式（2-7）中的积分常数：）中的积分常数：将式（将式（2-8）代入式（）代入式（2-7）中即得：）中即得：由式（由式（2-9）可知：）可知： 实际上是阀实际上是阀1开通时，交流系统在开通时，交流系统在ca两点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流的自由分量和强制分量同时同时 (2-9) (2-10) 阀1和阀5的电流波形如图2-6所示图图2-6 阀阀5和阀和阀1换相时的电流波形换相时的电流波形μ随着随着 的增加，电流分量的增加，电流分量 将增大，因此阀将增大，因此阀1电流逐渐增电流逐渐增大，而阀大，而阀5电流逐渐减小。

电流逐渐减小如果经过一定相角如果经过一定相角 之后，电流之后，电流 增大到增大到 即当 时，从式（时，从式（2-9）可得：）可得：由于阀单向导电特性的限制，由于阀单向导电特性的限制， 不能反向，而停留在零值；不能反向，而停留在零值；此后此后 不可能再增大，不可能再增大， 也保持为也保持为 ；所以当；所以当 ，， 阀阀5就关断换流器电流又从三个阀（就关断换流器电流又从三个阀（5，，6和和1）导通状态）导通状态改变位两个阀（改变位两个阀（6和和1）导通的状态，如图）导通的状态，如图2-7所示 (2-11) (2-12) μ图图2-7 阀阀6和阀和阀1导通时的实际电路导通时的实际电路几个名词：几个名词：u 换相过程换相过程：从阀：从阀1开通瞬间到阀开通瞬间到阀5关断瞬关断瞬间，直流电流从间，直流电流从c相流经阀相流经阀5转移到从转移到从a相流相流经阀经阀1的过程；的过程；u 换相电流换相电流：电流：电流 ；由上面的分析可知，；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直流输电的换流器是借助于交流电网所提供的短路电流的短路电流 来实现换相的。

来实现换相的u 换相电抗换相电抗：换相电流所流经的回路中每：换相电流所流经的回路中每相等值电抗相等值电抗 ；；u 换相角换相角：换相过程所经历的相位角：换相过程所经历的相位角 由式（由式（2-11）可得：）可得： (2-13) μ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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方式图图2-8 换相角换相角 的大小和换流器工作过程中的大小和换流器工作过程中同时导通的桥阀数的关系同时导通的桥阀数的关系2.2.2 整流器的直流电压和换相压降整流器的直流电压和换相压降1.整流器工作在滞后角整流器工作在滞后角 和换相角和换相角 的情况的情况六脉动六脉动图图2-9 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压波形情况下的电压波形整流器的直流电压整流器的直流电压 在一周之中是由六段相同的正弦曲线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。

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假定基准纵轴Y-Y位于位于 处，则曲线处，则曲线 的纵坐标可的纵坐标可用用 表示在 从从 到到 间隔内，这段间隔内，这段曲线下的面积为：曲线下的面积为：将将 除以除以 即可得即可得 情况下的直流电压平均值情况下的直流电压平均值此电压称为此电压称为无相控无相控的理想的理想空载空载直流电压直流电压 (2-14) (2-15) 各个阀电流和交流侧电流波形如图2-10所示图图2-10 整流器工作在整流器工作在 情况下的电流波形情况下的电流波形2.整流器工作在滞后角整流器工作在滞后角 和换相角和换相角 的情况的情况图图2-11 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压波形情况下的电压波形直流电直流电压有缺压有缺口口同理，可取一周中的同理，可取一周中的1/6波形来计算直流电压平均值，但积分的波形来计算直流电压平均值，但积分的上下限不同。

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此电压称为有相控有相控的理想的理想空载空载直流电压直流电压 (2-16) (2-17) 3.整流器工作在有相控且有负载的情况（整流器工作在有相控且有负载的情况（ ））图图2-12 整流器工作在整流器工作在 情况下的电压波形情况下的电压波形解释：解释：Ø 在换相角在换相角 之内，由于阀之内，由于阀5和阀和阀1换相，换流器交流端换相，换流器交流端ca两相两相短路，线电压短路，线电压 全部降落在这两相的换相电抗全部降落在这两相的换相电抗 上，每相上，每相 的降落各为的降落各为 的一半，所以这时的一半，所以这时m点的电位处于点的电位处于 和和 两曲两曲线之间的中点上，即线之间的中点上，即 如图如图2-12(a)中中AB一段粗曲线所示一段粗曲线所示Ø n点对中性点的电压为点对中性点的电压为 ，所以直流电压为：，所以直流电压为： (2-18) 直流电压的平均值可以从间隔为直流电压的平均值可以从间隔为60°的一段的一段 曲线下的面积曲线下的面积求取平均值求得，这时曲线下的面积又比求取平均值求得，这时曲线下的面积又比 时的小了时的小了一块由换相过程引起的缺口一块由换相过程引起的缺口 ，因此，因此 Ø根据图根据图2-12(a)可以求出可以求出 (2-19) (2-20) 所以所以 (2-21) Ø 将式（将式（2-11）代入上式可得换相压降：）代入上式可得换相压降：最后得到：最后得到： (2-22) (2-23) 式中，式中， 其意义是一个单位直流电流在换相过其意义是一个单位直流电流在换相过程中所引起的压降，称为程中所引起的压降，称为比换相压降比换相压降；有时也称为；有时也称为等值换相电阻等值换相电阻。

但是，它不是真正的电阻，但是，它不是真正的电阻， 只是只是代表换相电流在换相电抗中造成的压降而引起的换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图图2-13 整流器工作在整流器工作在 情况下的电流波形情况下的电流波形2.2.3 整流器的阀电压波形整流器的阀电压波形图图2-14 单桥整流器阀电压波形单桥整流器阀电压波形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由图可见：阀电压是由一段直线和七段正弦弧线所组成的ü 在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零；此时为零；ü 在阻断期间，只有短时间处在正向电压作用下，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。

器工作在整流状态下，易发生逆弧2.2.4 整流器的阀电流和交流侧电流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) 2.2.5 整流器的等值电路和外特性曲线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 图图2-15 单桥整流器正常运行（单桥整流器正常运行（ ）的等值电路）的等值电路和等和等 外特性曲线外特性曲线2.3 单桥逆变器的工作原理单桥逆变器的工作原理由前面分析可知：当由前面分析可知：当 时，换流器的直流电压时，换流器的直流电压平均值为平均值为 。

ü 当当 时，时， ，工作在整流状态；，工作在整流状态；ü 当当 时，时， ，工作在逆变状态工作在逆变状态逆变运行需要三个条件：逆变运行需要三个条件：ü 一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流；一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流；ü 一个提供换相电压的有源交流系统；一个提供换相电压的有源交流系统；ü 要有足够大的关断越前角，以保证安全运行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整流器到逆变器的转换图图2-16 作为逆变器运行的换流器作为逆变器运行的换流器整流器和逆变器的不同：整流器和逆变器的不同：ü 触发滞后角的不同；触发滞后角的不同；ü 整流器功率从交流侧传送到直流侧，直流侧是负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为了分析方便，逆变器的触发相位角往往用触发越前角前角 来表示。

它与触发滞后角来表示它与触发滞后角 的关系为：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面分析着重讨论两者差异的各点 (2-26) 2.3.2 逆变器的换相过程逆变器的换相过程逆变器的电压波形如图逆变器的电压波形如图2-17所示可以看出，它如所示可以看出，它如果在纸平面内旋转果在纸平面内旋转180°，则得到与整流器一样的电，则得到与整流器一样的电压波形图中，将阀图中，将阀5关断的时刻超前于线电压过零点关断的时刻超前于线电压过零点C4之间之间的相角定义为关断越前角的相角定义为关断越前角 ，则有：，则有：同整流器的分析，可以得到换相期间的阀电流为：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) 图图2-17 单桥逆变器电压波形单桥逆变器电压波形换相结束时，换相结束时， (2-30) (2-31) 上式与式（上式与式（2-11）类似，）类似，只是用只是用 代替了其中的代替了其中的 角角逆变器的阀电流波形如图逆变器的阀电流波形如图2-18所示。

所示事实上，在分析逆变器时，只要是与时间无关的量，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器的相应公式作角度的替换来计算图图2-18 单桥逆变器电流波形单桥逆变器电流波形2.3.3 逆变器的直流电压和换相压降逆变器的直流电压和换相压降式（式（2-23）同样适用于逆变状态，）同样适用于逆变状态，将将 代代入得到：入得到：可以看到：可以看到：为了方便，往往重新规定为了方便，往往重新规定 的正方向，将其反向的正方向，将其反向所以：所以：另外，将逆变器电压波形旋转另外，将逆变器电压波形旋转180°，可看到与整流，可看到与整流的波形一样其中，逆变器的的波形一样其中，逆变器的 对应整流器的对应整流器的 所以有：所以有： (2-32) (2-33) (2-34) 2.3.4 逆变器的阀电压波形逆变器的阀电压波形图图2-19 单桥逆变器阀电压波形（单桥逆变器阀电压波形（ ））应该注意的是：应该注意的是：关断越前角关断越前角 要足够大，使换流阀有要足够大，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。

以阀的阀能完全恢复阻断能力以阀5为例，如果为例，如果 不够不够大，在过了大，在过了C4点之后，加在阀点之后，加在阀5上的电压又变为正向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，并发生通过阀再次导通，并发生通过阀1的电流又倒换到阀的电流又倒换到阀5的故障这种故障称为换相失败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，用大于某一定角度，这角度称为换相余裕角，用 表表示一般为示一般为15°或更大一些或更大一些由图可见：逆变器阀电压波形形状也相当于把整流由图可见：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器阀电压波形在纸面上旋转180°其特点为：其特点为：ü 在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，在导通期间，是一条代表很小正向压降的直线，此时为零；此时为零；ü 在阻断期间，有很长一段时间处在正向电压作在阻断期间，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，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阀在该段时间内存在有未经触发就发生误开通误开通（通弧）故障（通弧）故障的可能性；而很短时间处在反向电的可能性；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导通故障的机率较小这与整流器情况恰恰相反2.3.5 逆变器的阀电流和交流侧电流逆变器的阀电流和交流侧电流阀电流的波形以阀阀电流的波形以阀1、阀、阀4和和a相为例，如图相为例，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需替换角度即可即用 代替代替 角2.3.6 逆变器的等值电路和外特性曲线逆变器的等值电路和外特性曲线根据式（根据式（2-33）和（）和（2-34）可以画出逆变器的等值）可以画出逆变器的等值电路如图电路如图2-20所示，分别用所示，分别用 和和 两种相角表示两种相角表示两者实质是一样的两者实质是一样的图图2-20 单桥逆变器的等值电路图单桥逆变器的等值电路图同样可作出两种外特性曲线如图同样可作出两种外特性曲线如图2-21所示。

所示图图2-21 单桥逆变器的外特性曲线单桥逆变器的外特性曲线2.4 多桥换流器多桥换流器Ø 在直流输电工程中，常把两个或两个以上换流桥在直流输电工程中，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到输电所需要的直流电压Ø 多桥换流器一般由偶数个的桥串联组成，其中每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分别由两组相位差为30°的三相交流电源供电这两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组三相交流电压可以从接线方式为Y/Y和和Y/△ △ 的两台的两台换流变压器得到，也可以从一台换流变压器得到，也可以从一台Y/Y/ △ △ 接线的三绕接线的三绕组变压器的两个次绕组得到组变压器的两个次绕组得到Ø 多桥换流器的多桥换流器的优点优点：：ü 各桥换流变压器适当联结后，可使整个换流器各桥换流变压器适当联结后，可使整个换流器注入系统的注入系统的谐波电流大大减小谐波电流大大减小。

ü 具有具有较高的运行可靠性较高的运行可靠性当多桥中的一桥故障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时，其余健全桥仍可工作，不致造成换流器全停ü 便于用便于用规格化的换流桥规格化的换流桥组成不同额定直流电压组成不同额定直流电压的换流器的换流器Ø 但是多桥换流器的换流变压器的接线较为复杂，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，控制形接线，给变压器的制造增加了困难另外，控制也很复杂也很复杂Ø 所以，所以，HVDC工程中采用最多的是双桥换流器工程中采用最多的是双桥换流器它共有它共有12个阀臂，其结线如图个阀臂，其结线如图2-22所示图图2-22 双桥换流器的原理结线图双桥换流器的原理结线图 图图2-22所示的双桥换流器的等值电路如图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两台换流变压器具有相同的容量和漏电抗 ，但其，但其中二号桥中二号桥 的一台换流变压器的接线具有的一台换流变压器的接线具有-30°的相的相位移。

位移图图2-23 双桥换流器的等值电路双桥换流器的等值电路Ø 双桥换流器的运行特点：双桥换流器的运行特点：ü 正常运行时正常运行时12个臂开通的次序如图中数字所示，个臂开通的次序如图中数字所示，为为11、、12、、21、、22、、31、、32、、41、、42、、51、、52、、61、、62各个臂开通时刻的间隔为各个臂开通时刻的间隔为1/12基波周期基波周期ü 双桥中的每个桥的直流电压都是双桥中的每个桥的直流电压都是6脉动的，但脉动的，但由于二者的三相交流电压相差由于二者的三相交流电压相差30°，串联后得到的，串联后得到的直流电压是直流电压是12脉动的如图脉动的如图2-24所示ü 12脉动的换流器比脉动的换流器比6脉动的换流器具有更小的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纹波系数，注入交流系统的谐波电流也较小图图2-24 双桥换流器直流电压的脉动波形双桥换流器直流电压的脉动波形Ø 在图在图2-23中，可以看到换流变压器网侧母线到交中，可以看到换流变压器网侧母线到交流系统等值电势流系统等值电势E之间有交流系统等值电抗之间有交流系统等值电抗 ，桥，桥1和桥和桥2的电流都流过这一电抗，所以它是两桥之间的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。

Ø 耦合感抗的存在，带来了多桥换流器特有的问题：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Ø 桥间耦合桥间耦合：一桥换相时，两相短路电流在耦合电：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，对其它桥产生影响生畸变，对其它桥产生影响Ø 为了消去桥间耦合的不利影响，必须采取解耦措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：安装施常见的措施有：安装交流滤波器交流滤波器和和平衡电抗器平衡电抗器 作业和思考题作业和思考题1.6脉动换流器的换相过程分析；脉动换流器的换相过程分析；2.6脉动换流器脉动换流器(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；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；3.影响换流器换相角（换流重叠角）的因素分析；影响换流器换相角（换流重叠角）的因素分析；4.换流器从整流状态转换为逆变状态的条件；换流器从整流状态转换为逆变状态的条件；5.换流器的直流电压、等值电路和外特性曲线。

换流器的直流电压、等值电路和外特性曲线。