換流器的工作原理(共21頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上直流輸電的基本原理1 換流器電路的理論分析高壓直流換流器(包括整流和逆變)主要是由晶閘管閥組成的，其接線方式有很多種，如：單相全波、單相橋式、三相半波、三相全波等，但是我們現(xiàn)在常用的是三相全波，即6脈動(dòng)換流器。其原理結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：圖1-1 三相橋式全波直流換流器原理結(jié)構(gòu)其中，Ua、Ub和Uc表示A、B、C三相交流電壓，它們之間相差120。令 Ua=Em sin(wt+150) Ub=Em sin(wt+30)Uc=Em sin(wt-90)我們可以將換流閥這樣定義：圖1-2 6脈動(dòng)換流閥電路圖1.1 忽略電源電感的電路分析(即Lc=0)從以上的電路圖中，我們可以

2、發(fā)現(xiàn)對于三相電壓，每相電路中都存在電感Lc，為了便于分析，我們先假設(shè)該電感不存在，即Lc=0。（一）無觸發(fā)延遲（觸發(fā)角a=0）無觸發(fā)延遲，即只要閥上晶閘管正向電壓建立，門級會立即接收到觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通整閥。對于V1、V3和V5來講，由于它們共陰極，因此三相中電壓較高的那相的閥導(dǎo)通，其余兩個(gè)閥關(guān)斷。而對于V4、V6和V2來說，由于它們共陽極，因此三相中電壓較低的那相的閥導(dǎo)通，其余兩個(gè)閥關(guān)斷。總之，就是比較三相電壓的高低來確定哪兩個(gè)閥導(dǎo)通。下面我們結(jié)合下圖進(jìn)行分析：舉個(gè)例子，CC0時(shí)刻，A相電壓最高，B相電壓最低。因此根據(jù)之前的分析，則共陰極的V1、V3和V5閥，則會由處于A相的V1閥導(dǎo)通，而共陽極

3、的V4、V6和V2閥，則是由處于B相的V6閥導(dǎo)通，此后的依此類推，循環(huán)往復(fù)。從上述的閥導(dǎo)通表格中可以看出，每個(gè)閥單個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間為120，V1V6閥按順序依次導(dǎo)通，間隔時(shí)間為60。（舉例，如V1閥在-1200導(dǎo)通，V2閥在-6060時(shí)刻導(dǎo)通，其中每個(gè)閥導(dǎo)通時(shí)間為120。V1閥導(dǎo)通起始時(shí)刻為-120，而V2閥導(dǎo)通的起始時(shí)刻為-60，兩者剛好相差60）。接下來再來分析下6脈動(dòng)換流器輸出的直流電壓Ud波形。從圖1-2中可以看出直流線路上的輸出電壓Ud的電壓與m點(diǎn)和n點(diǎn)的電勢有很大關(guān)系，即Ud=Um-Un不難發(fā)現(xiàn)，m點(diǎn)的電位其實(shí)就是共陰極閥V1、V3和V5閥，哪個(gè)閥導(dǎo)通，m點(diǎn)電位就是與哪個(gè)閥所處的

4、相電壓，比如，V1閥導(dǎo)通，m點(diǎn)的電位就是A相此刻的電壓。同理，n點(diǎn)電位也是如此。再結(jié)合剛剛分析所得閥的導(dǎo)通時(shí)刻圖，可以得出Ud的波形圖：按照一個(gè)周期對直流輸出電壓Ud進(jìn)行分析：對于CC0時(shí)刻： Ud=ea-eb=eab對于C0C1時(shí)刻：Ud=ea-ec=eac對于C1C2時(shí)刻：Ud=eb-ec=ebc對于C2C3時(shí)刻：Ud=eb-ea=eba對于C3C4時(shí)刻：Ud=ec-ea=eca對于C4C5時(shí)刻：Ud=ec-eb=ecb 以CC0時(shí)刻為例，此時(shí)可以進(jìn)行如下的推導(dǎo)：Ud= ea-eb=eab= Em sin(wt+150)- Em sin(wt+30) =Em2cos(wt+90) sin6

5、0 =3 Em cos(wt+90) （wt-120,-60） =3 Em cos （-30,30） 再以C0C1時(shí)刻為例，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）該周期的其它時(shí)段也是如此，因此Ud由上述的推導(dǎo)，可以發(fā)現(xiàn)Ud就是以3 Em為基數(shù)的三角函數(shù)，其函數(shù)區(qū)間為-30,30。則Ud的波形圖如下（以下純屬個(gè)人意思，通過這個(gè)公示我們可以看出，對于wt-120,-60這個(gè)區(qū)間，Ud將該區(qū)間的正弦函數(shù)幅值增大了，但是切割

6、成了兩段，更利于采樣濾波了。）直流電壓是由線電壓的60時(shí)段組成的。因此，平均直流電壓可由任一60時(shí)段的瞬時(shí)電壓積分后對時(shí)間求平均得到。則 Ud= = 用相電壓的有效值或者線電壓的有效值表示（相電壓：單相電壓，火線對零線電壓，常用的為220V。線電壓為任意兩根相線之間的電壓，常用的為380V。線電壓=3相電壓。）其中，交流電峰值Em為相電壓有效值的倍，則（為相電壓有效值，為線電壓有效值）Ud= =Ud= =通過對輸出的平均直流電壓Ud推導(dǎo)，可以很容易得到閥電壓的波形。因?yàn)楫?dāng)該閥導(dǎo)通時(shí)，我們可以簡單的認(rèn)為該閥上所承受的電壓為0；而當(dāng)閥關(guān)斷時(shí)，則無論時(shí)共陽極還是共陰極的閥，它們必定都有一個(gè)閥是導(dǎo)通的

7、。因此，它們一端的電壓必定為導(dǎo)通閥所在的相電壓，另一端為本相電壓，這樣其閥上的壓降跟平均直流電壓Ud是一樣的，則可以推斷出閥電壓波形如下：圖1-3 閥V1所承受的電壓波形圖（從上述的波形圖可以很明顯的看出來，在V1閥導(dǎo)通時(shí)，其閥上所承受的電壓為0。當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，其閥上的電壓跟我們之前推導(dǎo)的直流輸出電壓的波形很相似。注意觀察，如果所有閥所承受的電壓波形都畫出來，那么最上面虛線畫出來的部分就是輸出的直流電壓Ud。）從波形圖以及公式的推導(dǎo)可以分析出，閥所承受的電壓峰值V閥峰=3Em。則接下來，再利用圖1-2來分析閥側(cè)A相、B相和C相的電流：ia=i1+i4 ib=i3+i6 ic=i5+i2其電流波形

8、如下圖1-4所示：圖1-4 閥電流波形則各相的電流波形如下：i2i2i5i5i6i6i3ii3ii4i4i1i1這就是閥V1的電流示意圖，該圖中就可以很明顯的看出來，閥V1導(dǎo)通的時(shí)段。高電平的為導(dǎo)通，低電平為關(guān)斷(這其實(shí)就是FCS)。單個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為120，關(guān)斷時(shí)間為240，對于常用的50Hz的交流電來講，簡單換算之后就是導(dǎo)通時(shí)間約為6.67ms，關(guān)斷時(shí)間約為13.33ms。（二）有觸發(fā)延遲（觸發(fā)角a0）有觸發(fā)延遲，顧名思義：閥控系統(tǒng)并不是接到來自閥的正向電壓建立信號就會立即觸發(fā)，而是延遲一段時(shí)間再向晶閘管門極發(fā)送觸發(fā)脈沖。通常，用a表示“延遲觸發(fā)角度”。舉個(gè)例子，以V1閥和V3閥為例，正

9、常沒有觸發(fā)延遲的情況下，V1閥在wt=-120時(shí)觸發(fā)，V3閥在wt=0時(shí)觸發(fā)。如果有了觸發(fā)延遲角度a時(shí)，則V1閥會在wt=-120+a時(shí)觸發(fā)，而V3閥在wt=0+a時(shí)觸發(fā)。（注意這里的a是角度，對應(yīng)于時(shí)間軸應(yīng)該是 。其它的閥依次類推，即所有閥會在原來觸發(fā)角度的基礎(chǔ)上再延遲a角度之后才會觸發(fā)。(需要注意的是：這里所指的觸發(fā)延遲角度是所有閥的導(dǎo)通都延遲a角度，并不是單指某一個(gè)單閥。)a圖1-5 延遲觸發(fā)a角度的波形圖結(jié)合圖1-5(圖中的C、C0C8都是自然換相點(diǎn)，也稱為過零點(diǎn)，在正常沒有延遲觸發(fā)的情況下，閥都是在這些過零點(diǎn)開始換相)，以三相交流電正弦波的上半部分，即共陰極閥（可以看成上半部分為V1

10、、V3和V5閥的導(dǎo)通，下半部分為V2、V4和V6閥的導(dǎo)通）進(jìn)行分析。在C1點(diǎn)處，此時(shí)共陰極閥中V1閥導(dǎo)通，m點(diǎn)電位為ea；當(dāng)C1wtea，但是由于延遲觸發(fā)的原因，此時(shí)閥控系統(tǒng)并沒有向V3閥的晶閘管門極發(fā)送觸發(fā)脈沖。因此，V3閥沒有滿足晶閘管導(dǎo)通的兩個(gè)必備條件，因而不能導(dǎo)通。當(dāng)wtC1+a時(shí)，閥控系統(tǒng)開始發(fā)送觸發(fā)脈沖到V3閥晶閘管的門極，若aea，則此時(shí)V3閥導(dǎo)通，m點(diǎn)的電位變?yōu)閑b(此前一直為ea)。若是a180，則此時(shí)雖然有出發(fā)脈沖，但是由于陽極電位eb小于陰極電位ea，V3閥仍不會導(dǎo)通。因此，a的變化范圍應(yīng)在0180之間。（也許會有人說，在120a180期間，應(yīng)該是V5閥的陽極電位最高，應(yīng)

11、該是V5閥觸發(fā)。但是請不要忘記前面講過的，延遲觸發(fā)是指所有閥都延遲a角度觸發(fā)，此時(shí)應(yīng)該觸發(fā)的仍是V3閥，因?yàn)榇藭r(shí)的V5閥并沒有收到觸發(fā)脈沖。）Ud根據(jù)上述分析，可以畫出直流輸出電壓Ud的m點(diǎn)電位和n點(diǎn)電位的波形圖：圖1-6 延遲觸發(fā)a角度時(shí)電位波形圖分析輸出直流電壓Ud的波形：以C1時(shí)刻的分界點(diǎn)為例：當(dāng)C1wtwt C1+a,此時(shí)Ud=ebc=3 Em cos(wt-30)由此，可以看出，原來的C1C2的時(shí)間段被劃分成了兩段，因此其直流輸電電壓Ud的波形跟之前沒有延遲觸發(fā)角的有些許的不同。按照上述的分析和圖示，當(dāng)延遲觸發(fā)角度為a時(shí)，輸出的平均直流電壓Ud可以表示為(以【，+ 】為區(qū)間的ebc時(shí)

12、段來分析)：Ud= = = = 之前沒有延遲觸發(fā)角度時(shí)Ud=,由此可見，晶閘管延遲角度觸發(fā)后使得輸出的平均直流電壓Ud減小為之前的倍。延遲觸發(fā)角度的取值區(qū)間為0,180，因此cos的取值范圍在1之間，即Ud的取值在和 之間。當(dāng)90時(shí)為負(fù)值，此時(shí)的Ud表示的是直流到交流，是與整流狀態(tài)相反的逆變狀態(tài)。當(dāng)=90時(shí)，Ud=0，此時(shí)為零功率狀態(tài)。由此可見，=90為整流和逆變狀態(tài)的臨界值。當(dāng)=180時(shí)，剛好是與=0相反的，其輸出的直流電壓波形與=0時(shí)相反，為正弦波負(fù)半軸的6脈動(dòng)逆變器。同樣，各個(gè)閥在導(dǎo)通時(shí)刻通過的電流為Id，而在截止時(shí)，電流為0。每個(gè)閥還是導(dǎo)通120，而僅僅只是波形相位移動(dòng)了角度，其余的都

13、沒有變化。1.2 包括電源電感的電路分析(即Lc0)1.2.1 換相過程（1）由于交流電源電感Lc的存在，使得每相線路上的電流不可能發(fā)生瞬間的變換，電流的變換需要一個(gè)過程，因而換相就需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間我們就稱之為“換相時(shí)間”或者“疊弧時(shí)間”，其對應(yīng)的角度也被稱之為“換相角”或者“疊弧角”，用表示。換相時(shí)間：/（2）在060時(shí)，換相過程中只有三個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，在兩次換相之間（即上次換相結(jié)束到下一次換相開始之前）則只有兩個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，通過下面的示意圖可以看出6060（3）如果當(dāng)60120時(shí)，在換相過程中就將會產(chǎn)生三個(gè)閥和四個(gè)閥交替同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，這是一種異常情況。因?yàn)?，若是有四個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，那

14、么必然會有處于同一相的兩個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，這樣就造成了短路。因此，必須要求在正常運(yùn)行情況下，換相角060。一般的角度在15和25范圍之間，接下來分析的電路也都是保證在060區(qū)間之內(nèi)。1.2.2 電路的分析(1)電流分析以V1到V3的換相過程來分析，若考慮到換相延遲角度a，則換相過程從t=a開始，當(dāng)t=a+時(shí)，整個(gè)換相過程結(jié)束，V1閥成功換相到V3閥。那么=a+，稱之為“熄弧角”。換相期間V1閥和V3閥的電路圖如下所示：而： 根據(jù)相關(guān)的推導(dǎo)，可以得出而： 當(dāng)wt=a+時(shí)，=，=0，即：=那么，從而得出換相角 ，通過換相角公式，可以看出換相角和延遲觸發(fā)角a以及電源電感Lc、直流輸出電流Id以及Em有關(guān)

15、。(2)電壓分析在觸發(fā)延遲角度a之后，的范圍之內(nèi)，也就是換相過程中，存在三個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)以V1閥和V3閥為例繼續(xù)分析電源電感造成的疊弧現(xiàn)象對線路電壓的影響。m在換相過程中，V1閥和V3閥同時(shí)導(dǎo)通的，此時(shí)m點(diǎn)的電壓記為Um。而， 所以， 從而可以得出： 即在從延遲觸發(fā)角度a之后到=a+之間，的電壓將不會再是，而是變?yōu)榱耍ㄓ捎诮涣麟娙嚯妷旱南辔魂P(guān)系ea+eb+ec=0）。a+3依次類推，可以畫出m點(diǎn)和n點(diǎn)的電壓波形圖，如下所示：a-ec/2從上圖可以看出，有了疊弧電壓的影響，輸出的平均直流電壓下降了A/3,而， 則，平均壓降為A/3= 所以，此時(shí)輸出的平均直流電壓Ud= A/3=當(dāng)換相結(jié)束時(shí)

16、， 即=a+時(shí)，=，=0，在上一章節(jié)電流分析過程中，得知：，則，平均壓降A(chǔ)/3 =此時(shí)輸出的平均直流電壓也可以表示為：從上面公式上，我們將看成為線路電阻Rc，也常常被稱為“等效換相電阻”，不過其不消耗功率，只是可以用來解釋由于換相疊弧現(xiàn)象導(dǎo)致的壓降。這里，我們可以進(jìn)行各總結(jié)：（記 33Em 為Vd0）在沒有電源電感的影響下，沒有延遲觸發(fā)角度即a=0，此時(shí)輸出的平均直流電壓為Ud= 33Em = Vd0在沒有電源電感的影響下，有延遲觸發(fā)角度a，此時(shí)輸出的平均直流電壓為Ud= 33Emcos = Vd0cos在有電源電感的影響下，并且有延遲觸發(fā)角度a，此時(shí)輸出的平均直流電壓為Ud= 33Em2（c

17、os+cos） = Vd02（cos+cos），（=a+）2 整流和逆變工作方式分析2.1 整流的工作方式換流器整流時(shí)，是交流變?yōu)橹绷?，然后通過接線直流輸送到逆變器端。它要求延遲觸發(fā)角度a應(yīng)當(dāng)小于90。正常運(yùn)行時(shí)，整流器以一定的交流電壓和延遲觸發(fā)角度a運(yùn)行，其等值電路如下圖所示：其中，上圖中的Rc相當(dāng)于換流變到閥側(cè)的等值換相電感，也很好的解釋了換相電感對直流輸出電壓Ud的影響，使得Ud降低了RcId 。根據(jù)公式 可以畫出整流器輸出端的特性曲線圖(正常運(yùn)行時(shí)，換相角度60),也稱之為“等a外特性曲線圖”。當(dāng)換相延遲角度a一定時(shí)，隨著輸出端直流電流Id的增大，輸出電壓Ud在減??；圖中,隨著a的增大

18、，其輸出端直流電壓Ud會減小。2.2 逆變的工作方式逆變就是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的工作方式，在直流輸電工程中，逆變器相當(dāng)于受端，整流側(cè)相當(dāng)于供端。這里，雖然逆變器是受端，但是目前大部分的逆變器都是有源逆變。它要求逆變器所連接的交流系統(tǒng)必須提供換流器的換相電壓和電流，即受端交流系統(tǒng)必須有交流電源。在實(shí)際運(yùn)行過程中，直流輸送線路上有很大的平波電抗器等濾波設(shè)備，輸出的電壓Vmn經(jīng)過濾波之后，即會以平均直流電壓Ud輸出。因此，考慮到延遲觸發(fā)角度a(此時(shí)不考慮換相電感)，當(dāng)a0,即Vmn為正，按照閥導(dǎo)通的方向送出直流電流，此時(shí)相當(dāng)于向負(fù)荷端輸送功率；在a90時(shí)，cos0，那么該端就是整流端；如果Vmn為負(fù)值，那么該端就為逆變端。由此，可以推斷出，整流和逆變的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”就在于Vmn=0。通過1.2.2章節(jié)的分析，在換相角度0,且存在延遲觸發(fā)角度a的情況下，直流輸出電壓，當(dāng)時(shí)，即， ，則， ，即在換相角度0的影響下，整流和逆變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)從a=90變?yōu)榱薬=。從而也就保證了在觸發(fā)延遲角度a=90時(shí)，肯定處于逆變狀態(tài)了。在描述整流器端時(shí)，我們常常使用觸發(fā)延遲角度a和換相角度來表示。從而，為了便于描述逆變器端（在逆變器端，a和的范圍值在90到180之間，不符合人們用銳角表示的習(xí)慣），也可以用相關(guān)的參數(shù)來描述，它們就是逆變角以及關(guān)斷角。a由上圖可以看出，逆變器端的逆變角其實(shí)就是：