1、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 .20第 1 页1 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，U a、U
2、 b 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：第 2 页图 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
3、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：第 3 页举个例子，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
4、在-120 0导通，V2 阀在-60 60 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，即第 4 页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
5、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：U d=ea-ec=eac对于 C1C2 时刻：U d=eb-ec=ebc对于 C2C3 时刻：U d=eb-ea=eba对于 C3C4 时刻：U d=ec-ea=eca对于 C4C5 时刻：U d=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= Em cos(wt+90) （wt-120,-60）3= Em c
6、os （-30,30）3再以 C0C1 时刻为例，Ud= ea-ec=eac= Em sin(wt+150 )- Em sin(wt-90)=Em2cos(wt+30) sin120= Em cos(wt+30) （wt-60,0）3= Em cos （-30,30）3第 5 页该周期的其它时段也是如此，因此由上述的推导，可以发现 Ud就是以 3Em 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，U d 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
7、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= = 3030 6cos wtwtebc mE3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= 相电压。 ）3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，2PE为线电压有效值）LEUd= =m3PPE34.2Ud= =mELL51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
8、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Ud第 6 页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 = Em。3则 047.133U阀 峰
9、 mdEV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+i4ib=i3+i6ic=i5+i2其电流波形如下图 1-4 所示：第 7 页图 1-4 阀电流波形则各相的电流波形如下：i1 i1i4 i4i3ii3ii5i6 i6i5i2 i2第 8 页这就是阀 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
10、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第 9 页角度是所有阀的
11、导通都延迟 a 角度，并不是单指某一个单阀。)图 1-5 延迟触发 a 角度的波形图结合图 1-5(图中的 C、C 0C8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 C1ea，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
12、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120wt C1+a,此时 Ud=ebc= Em cos(wt-30)3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
13、来分析 )：3Ud= (6coswtdEm= 3)in(3wt= mE)6sin(6s= m3co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mE使得输出的平均直流电压 Ud 减小为之前的 倍。cosUd第 11 页延迟触发角度 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，U d=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
14、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。（2）在 00,即 Vmn为正，按照阀cos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，0，那么该端就是
15、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，cos23mdEV 0dV即， ，0cos则， ，-22-90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。2-90第 20 页在描述整流器端时，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）
16、，也可以用相关的参数来描述，它们就是逆变角 以及关断角 。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：， =cos20逆_VdUd 0dmE33mEa 第 21 页亦可以表示为： dcd ILVU3cos0逆_ dc-03 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。
