换流器的工作原理讲解

1、 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： 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。 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 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

2、ca e 2 sin3 0 3 2 sin9 0 3 2 sin1 5 0 3 ao a bo b co c eeEt eeEt eeEt 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 sin 2 sin120 2 sin120 cacooaac abaoobba bcbooccb eeeeeEt eeeeeEt eeeeeEt (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： d I 图图2-3 阀阀5和阀和阀6导通时的电路导通时的电路 dbc ve 假定触发角为 ，则在 阀1

3、触发开通的 瞬间，实际导通的电路变为图2-4。 t 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： 51 rrac didi LLee dtdt 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： ac ee r i 1r ii 5dr iIi 代入式（代入式（2-3），可得：），可得： d

4、r r rrac dIidi LLee dtdt (2-3) (2-4) (2-5) 整理后，得：整理后，得： 22sin r r di LEt dt 求积分后，得：求积分后，得： 22 coscos 22 r rr EE itAtA LX 2 cos s ItA 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) rr LX 2 2 2 s r E I L 在在 时，电路从一组阀（阀时，

5、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： 1 0 r ii t (2-8) 所以式（所以式（2-7）中的积分常数：）中的积分常数： 2 2 coscos 2 s r E AI X 将式（将式（2-8）代入式（）代入式（2-7）中即得：）中即得： 12 2 coscoscoscos 2 rs r E iitIt X 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

6、路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。电流的自由分量和强制分量。 同时同时 (2-9) (2-10) r i 5dr iIi 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 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。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

7、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。所示。 (2-11) (2-12) t r i r i d It 12 2 coscos()coscos() 2 rsd r E iiII X 5 0 dr iIi 5 i r i 1 i d It 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 dba ve 几个名词：几个

8、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 1 2 coscos 2 rd X I E

9、 由式（由式（2-11）可得：）可得： r i r i r X (2-13) 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 60 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 dba ve 六脉动六脉动 图图2-9 整流器工作在整流器工作在 情

10、况下的电压波形情况下的电压波形0,0 0 0 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： 66 0 66 2cos2sin2AEtdtEtE 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 0 0 32 1.35 3 d A UEE 此电压称

11、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。 0,0 d I 0 3 0,0 0 A d V 30t 66 ba e 2cosE (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0,0 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 0,0 0 0 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

12、值，但积分的 上下限不同。上下限不同。 6 6 6 6 2 cos2 2 sincos2 cos 6 AEdEE 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 0 32 coscos 3 dd A UEU 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（ ）0,0 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0,0 解释：解释： 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

13、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。 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： c e a e 11 22 mcab ueee b e 13 22 dmnbbb uuueee (2-18) ca e2X ca e 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

14、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 0 1 cos 3 dd UAAUU 根据图根据图2-12(a)可以求出可以求出 22 ca ac a eeee Aedtdt 11 2sin 22 ca e dtEtdt 2 coscos 2 E (2-19) (2-20) d v 0 A 32 coscos 32 A UE 所以所以 0 0 coscossinsin 222 d d U V (2-21) 将式（将式（2-11）代入上式可得换相

15、压降：）代入上式可得换相压降： 3 3 6 dddd L UIX IfL IR I 最后得到：最后得到： 0 coscos 2 d U 0 3 cos dd X UI (2-22) (2-23) d U 0 cos dd UR I 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

16、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。 3 L R d R I 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 0,0 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

17、电压是由一段直线和七段正弦弧线所 组成的。组成的。 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； 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。 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

18、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 0 121 0.577 233 Vddd IIII 2 0.816 3 dd III 0 d I 120 (2-24) (2-25) 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 。 60 d I 0 3 2 coscos d E U R 图图2-15 单桥整流器正常

19、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 60 由前面分析可知：当由前面分析可知：当 时，换流器的直流电时，换流器的直流电 压平均值为压平均值为 。 当当 时，时， ，工作在整流状态；，工作在整流状态； 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： 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； 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； 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。 0 090 901

20、80 0 cos dd UU 0 d U 0 d U 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： 触发滞后角的不同；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： 180 整流器和逆变器在工作原理

21、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) 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。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： 12 cosco

22、s s iiIt 5d iIi (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 51 5 换相结束时，换相结束时，1 8 0t 12 2 coscoscoscos 2 sd E iiII X 5 0i (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

23、，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 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： 180 00 cos 180cos ddddd UUR IVR I 可以看到：可以看到：0 d U 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。 d U 所以：所以： 0 cos ddd UUR I 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，可看到与整 流的波形一样。其中，逆变器的流的波形一样。其中，

24、逆变器的 对应整流器对应整流器 的的 。所以有：。所以有： , , 0 cos ddd UUR I (2-32) (2-33) (2-34) 图图2-19 单桥逆变器阀电压波形（单桥逆变器阀电压波形（ ）60 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。以阀通的阀能完全恢复阻断能力。以阀5为例，如果为例，如果 不不 够大，在过了够大，在过了C4点之后，加在阀点之后，加在阀5上的电压又变为正上的电压又变为正 向的。由于阀阻断能力未完全

25、恢复，因而不加触发也向的。由于阀阻断能力未完全恢复，因而不加触发也 会再次导通，并发生通过阀会再次导通，并发生通过阀1的电流又倒换到阀的电流又倒换到阀5的故的故 障。这种故障称为换相失败。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 表示。一般为表示。一般为15或更大一些。或更大一些。 0 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

26、：。其特点为： 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； 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

27、障的机率较小。这与整流器情况恰恰相反。 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。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。角。 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

28、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 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。 多桥换流器一般由偶数个的桥串联组成，其中每多桥换

29、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两组三相交流电压可以从接线方式为Y/Y和和Y/ 的的 两台换流变压器得到，也可以从一台两台换流变压器得到，也可以从一台Y/Y/ 接线的接线的 三绕组变压器的两个次绕组得到。三绕组变压器的两个次绕组得到。 多桥换流器的多桥换流器的优点优点： 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

30、减小谐波电流大大减小。 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。 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。 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。 所以，所以，

31、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。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。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 T X II Q 双桥换流器的运行特点：双桥换流器的运行特点： 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