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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 换流器的工作原理,概述,单桥整流器的工作原理,单桥逆变器的工作原理,多桥换流器简介,换流器的常见故障,2.1,概述,两端,HVDC,系统示意图,交流系统,A,交流系统,B,换流站,换流站,三相桥式换流器的原理结线图,桥臂组成方式,-,晶闸管串联和并联,A,M,晶闸管,A,M,串联方式需要,均压,，并联方式需要,均流,晶闸管,电压,：,5.59kV,电流,：,1.26kA,6,晶闸管级,晶闸管级：由晶闸管元件、阻尼回路、均压回路以及触发、保护、监视回路（晶闸管控制单元,TCU,）组成,RC,阻尼电路的功能,限制晶闸管关断时刻的换相过电压,降低在扰动和正常换相期间在晶闸管级上产生的陡波前浪涌,7,阀组件（或阀模块、阀段）,若干晶闸管级串联并与阳极电抗器串联后，再与均压电容并联，组成阀组件,换流阀,8,单阀（阀臂）,若干个阀组件串联连接组成一个单阀。单阀组成,6,脉动换流器的一个臂，所以单阀也称为阀臂,换流阀,换流器桥臂,桥臂符号,组件,10,换流器,换流站中用以实现交、直流电能相互转换的设备，也称换流阀组。换流器通常由换流阀接成一定的回路进行换流。换流器采用一个或者多个三相桥式换流电路（也称为,6,脉动换流器或,6,脉动换流阀组）串联构成。两个相差,30,的,6,脉动换流器串联可构成一个,12,脉动换流器，或称,12,脉动换流阀组,换流阀,二重阀阀塔外形图,阀导通条件：,阳极电位高于阴极电位，阀承受正向电压；,触发脉冲。,阀等效：单个晶闸管,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。,1,3,5,4,6,2,i,b,m,n,e,a,L,a,b,c,Ld,+,U,d,_,I,d,i,c,i,a,L,L,e,b,e,c,o,v,d,2.2,单桥整流器的工作原理,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,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),三相电压波形图,线电压波形图,1,3,5,4,6,2,i,b,m,n,e,a,L,a,b,c,Ld,+,U,d,_,I,d,i,c,i,a,L,L,e,b,e,c,o,v,d,单桥整流器的等值电路图,2.2.1,工作过程的定性分析,-,自然换相,e,a,e,b,e,c,C1,C3,C5,C1,C3,C2,C6,C4,C2,p2,p1,p4,p3,p5,p1,p6,p3,p2,v2v3,v6v1,v3v4,v5v6,v1v2,v6v1,v5v6,v4v5,v1v2,v2v3,v3v4,e,ca,e,ba,e,ab,e,cb,e,bc,e,ac,1 -,自然换相,单桥整流器自然换相过程（,=0,，,=0,）,e,bc,阀电流波形,（,=0,，,=0,）,e,a,e,b,e,c,C1,C3,C5,C1,C3,C2,C6,C4,C2,p2,p1,p4,p3,p5,p1,p6,p3,p2,v2v3,v6v1,v3v4,v5v6,v1v2,v6v1,v5v6,v4v5,v1v2,v2v3,v3v4,i,V1,i,V2,i,V3,i,V5,i,V4,i,V6,相电流波形,（,=0,，,=0,）,e,a,e,b,e,c,C1,C3,C5,C1,C3,C2,C6,C4,C2,p2,p1,p4,p3,p5,p1,p6,p3,p2,v2v3,v6v1,v3v4,v5v6,v1v2,v6v1,v5v6,v4v5,v1v2,v2v3,v3v4,i,a,i,b,i,c,1,3,5,4,6,2,i,b,m,n,e,a,L,a,b,c,Ld,+,U,d,_,I,d,i,c,i,a,L,L,e,b,e,c,o,v,d,单桥整流器的等值电路图,2-,滞后触发,触发滞后角,a,P,1,P,3,电压波形,（,0,，,=0,）,e,a,e,b,e,c,C1,C3,C5,C1,C3,C2,C6,C4,C2,e,a,e,b,e,c,e,a,v2v3,v6v1,v3v4,v5v6,v1v2,v6v1,v5v6,v4v5,v1v2,v2v3,v3v4,p2,p1,p4,p3,p5,p1,p6,p3,p2,p5,p4,e,ca,e,ba,e,ab,e,cb,e,bc,e,ac,e,ca,e,ba,e,cb,e,bc,阀电流波形,(,0,，,=0,）,e,a,e,b,e,c,C1,C3,C5,C1,C3,C2,C6,C4,C2,e,a,e,b,e,c,e,a,v2v3,v6v1,v3v4,v5v6,v1v2,v6v1,v5v6,v4v5,v1v2,v2v3,v3v4,p2,p1,p4,p3,p5,p1,p6,p3,p2,p5,p4,i,V1,i,V2,i,V3,i,V5,i,V4,i,V6,相电流波形,(,0,，,=0,）,e,a,e,b,e,c,C1,C3,C5,C1,C3,C2,C6,C4,C2,e,a,e,b,e,c,e,a,v2v3,v6v1,v3v4,v5v6,v1v2,v6v1,v5v6,v4v5,v1v2,v2v3,v3v4,p2,p1,p4,p3,p5,p1,p6,p3,p2,p5,p4,i,a,i,b,i,c,1,3,5,4,6,2,i,b,m,n,e,a,L,a,b,c,Ld,+,u,d,_,I,d,i,c,i,a,L,L,e,b,e,c,o,2.2.2,单桥整流器的换相过程,单桥整流器的等值电路图,5 6 1,5 6,6 1 2,6 1,1 2 3,1 2,2 3 4,2 3,3 4 5,3 4,4 5 6,4 5,5 6 1,5 6,6 1 2,6 1,1 2 3,1 2,2 3 4,2 3,3 4 5,3 4,4 5 6,4 5,p1,p2,p3,p4,p5,p6,p1,p2,p3,p4,p5,p6,电压波形（,0,，,0,）,e,a,e,b,e,c,e,a,e,b,e,c,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C1,C1,C2,C3,C4,C5,C6,e,ca,e,ba,e,ab,e,cb,e,bc,e,ac,e,ca,e,ba,e,ab,e,cb,e,bc,e,ac,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,（,1,）换相前,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,（,2,）换相中,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,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),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),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),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,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),图,2-7,阀,6,和阀,1,导通时的实际电路,（,3,）换相后,5 6 1,5 6,6 1 2,6 1,1 2 3,1 2,2 3 4,2 3,3 4 5,3 4,4 5 6,4 5,5 6 1,5 6,6 1 2,6 1,1 2 3,1 2,2 3 4,2 3,3 4 5,3 4,4 5 6,4 5,p1,p2,p3,p4,p5,p6,p1,p2,p3,p4,p5,p6,电压波形（,0,，,0,）,e,a,e,b,e,c,e,a,e,b,e,c,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C1,C1,C2,C3,C4,C5,C6,e,ca,e,ba,e,ab,e,cb,e,bc,e,ac,e,ca,e,ba,e,ab,e,cb,e,bc,e,ac,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),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,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,2.2.3,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,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),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,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),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,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 如图,2-12(a),中,AB,一段粗曲线所示。,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),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),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。,2.2.4,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,2-15,单桥整流器正常运行（ ）的等值电路,和等 外特性曲线,2.2.5,整流器的阀电压波形,图,2-14,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。,2.2.6,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),整流器工作在 情况下的电流波形,图,2-13,整流器工作在 情况下的电流波形,整流器的基波功率因数角,2.2.7,整流器的功率因数,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。,2.3.1,整流器到逆变器的转换,换流器的电压波形,(60120,，,=0,),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),图,2-16,作为逆变器运行的换流器,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),图,2-17,单桥逆变器电压波形,图,2-17,单桥逆变器电压波形,图,2-17,单桥逆变器电压波形,图,2-17,单桥逆变器电压波形,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。,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),2.3.4,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,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,2.3.5,逆变器的阀电压波形,图,2-19,单桥逆变器阀电压波形（ ）,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。,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。,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，这角度称为安全关断越前角，用 表示。一般为,15,或更大一些。,2.3.6,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。,图,2-18,单桥逆变器电流波形,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),2.3.7,逆变器的功率因数,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。,Y/Y,接线换流变压器相位超前于,Y/,接线换流变压器；,桥,1,对应阀臂的开通时间超前于桥,2,对应阀臂,30,度；,每个单桥内部的,6,个阀臂按照,60,度的间隔顺序轮流导通。,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。,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。,图,2-22,双桥换流器的原理结线图,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。,双桥换流器电压波形,（理想情况）,o,e,a1c1,e,a2c2,12,脉动,i,v12,i,v42,p21,p11,p31,p61,p51,p41,p61,p11,p61,e,cb,e,ab,e,ac,e,bc,e,ba,e,ca,e,cb,e,ab,C21,C31,C41,C51,C61,C11,C21,C11,C61,C22,C32,C42,C52,C62,C12,C22,C12,C62,e,ca,e,cb,e,ab,e,ac,e,bc,e,ba,e,ca,e,cb,e,ab,p22,p12,p32,p62,p52,p42,p62,p12,p62,i,v11,i,v41,i,v31,i,v61,i,v61,i,v21,i,v51,i,v21,i,v51,i,v32,i,v62,i,v62,i,v52,i,v52,i,v22,双桥换流变阀侧电流波形,（理想情况）,p21,p11,p31,p61,p51,p41,p61,p11,p61,e,cb,e,ab,e,ac,e,bc,e,ba,e,ca,e,cb,e,ab,C21,C31,C41,C51,C61,C11,C21,C11,C61,C22,C32,C42,C52,C62,C12,C22,C12,C62,e,ca,e,cb,e,ab,e,ac,e,bc,e,ba,e,ca,e,cb,e,ab,p22,p12,p32,p62,p52,p42,p62,p12,p62,i,v11,i,v41,i,v31,i,v61,i,v61,i,v21,i,v51,i,v21,i,v51,双桥换流变网侧电流波形,（理想情况）,p21,p11,p31,p61,p51,p41,p61,p11,p61,e,cb,e,ab,e,ac,e,bc,e,ba,e,ca,e,cb,e,ab,C21,C31,C41,C51,C61,C11,C21,C11,C61,C22,C32,C42,C52,C62,C12,C22,C12,C62,e,ca,e,cb,e,ab,e,ac,e,bc,e,ba,e,ca,e,cb,e,ab,p22,p12,p32,p62,p52,p42,p62,p12,p62,双桥电源侧电流波形,（理想情况）,图,2-24,双桥换流器直流电压的脉动波形,正常运行情况,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,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,。,2.5,换流器的常见故障,换相失败的原因,交流系统电势下降,直流电流上升,关断越前角过小,换相失败的概念,两阀换相结束后，如果退出阀在重新承受正压时,未能完全恢复阻断能力,，或者换相,尚未结束,相电压已经,反相,，导致进入阀向退出阀倒换相，最后结果是退出阀重新导通，进入阀又恢复关断状态，即,换相没有成功,。,换相失败故障,逆变器误开通故障的发展过程,误开通故障,：,逆变器等同换相失败，整流器扰动较小,不开通故障,逆变器等同换相失败,
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