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1、直流输电的基本原理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
2、理结构其中，Ua、Ub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忽略电源电感的电路分析(即即 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
3、们共阴极，因此三相中电压较高的那相的阀导通，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
4、为 60。 （举例，如 V1 阀在-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
5、所得阀的导通时刻图，可以得出 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：Ud=ea-ec=eac对于 C1C2 时刻：Ud=eb-ec=ebc对于 C2C3 时刻：Ud=eb-ea=eba对于 C3C4 时刻：Ud=ec-ea=eca对于 C4C5 时刻：Ud=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
6、= Em cos （-30,30-30,30）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 （-30,30-30,30）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（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这这个区间，个区间，Ud将
7、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。滤波了。 ）直流电压是由线电压的 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= = 30306cos333 wtwtdebcmE33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，火线对相电压：单相电压，火线对零线电压，常用的为零线电压，常用的为 220V。线电压为任意两根相线之间的电压，常用的为。线电压为任意两根相线之间的电压，常用的为380V。线电压。线电压=相电压。相电压。 ）3其中，交流电峰值 Em为相电压
8、有效值的倍，则（为相电压有效值，2PE为线电压有效值）LEUd= =mE33PPEE34.2233Ud= =mE33LLEE35.13233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（从上述的波形图可以很明显的看出
9、来，在 V1 阀导通时，其阀上所承受的电压阀导通时，其阀上所承受的电压为为 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。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047.13333 U阀峰mmdEEV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+i
10、4ib=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：i1i1i4i4i3ii3ii5i6i6i5i2i2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
11、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
12、、C0C8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
13、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时段来分析)：3Ud=)()6(cos333 wtdwtEm = 3)6sin(33wtEm= mE33 )6sin(
14、)6sin(= mE33cos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mE33使得输出的平均直流电压 Ud减小为之前的倍。cosU Ud d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，Ud=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
15、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包括电源电感的电路分析(即即 Lc0)1.2.1 换相过程换相过程（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，coscos23m dEV0dV即， ，0coscos0则， ，-22-902即在换相角度 0的影响下，整流和逆变的转折点从 a=90
