换流器的工作原理.docx
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换流器的工作原理
直流输电的基本原理
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,Ua、Ub和Uc表示A、B、C三相交流电压,它们之间相差120゜。
令
Ua=Emsin(wt+150)
Ub=Emsin(wt+30)
Uc=Emsin(wt-90)
我们可以将换流阀这样定义:
图1-26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:
举个例子,C~C0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゜,V1~V6阀按顺序依次导通,间隔时间为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
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C~C0时刻:
Ud=ea-eb=eab
对于C0~C1时刻:
Ud=ea-ec=eac
对于C1~C2时刻:
Ud=eb-ec=ebc
对于C2~C3时刻:
Ud=eb-ea=eba
对于C3~C4时刻:
Ud=ec-ea=eca
对于C4~C5时刻:
Ud=ec-eb=ecb
以C~C0时刻为例,此时可以进行如下的推导:
Ud=ea-eb=eab=Emsin(wt+150゜)-Emsin(wt+30︒)
=Em·2cos(wt+90︒)·sin60︒
=Emcos(wt+90︒)(wt∈[-120︒,-60︒])
=Emcosµ(µ∈[-30︒,30︒])
再以C0~C1时刻为例,
Ud=ea-ec=eac=Emsin(wt+150゜)-Emsin(wt-90︒)
=Em·2cos(wt+30︒)·sin120︒
=Emcos(wt+30︒)(wt∈[-60︒,0︒])
=Emcosµ(µ∈[-30︒,30︒])
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Em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,Ud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==
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。
)
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,为线电压有效值)
Ud==
Ud==
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。
则
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+i4
ib=i3+i6
ic=i5+i2
其电流波形如下图1-4所示:
图1-4阀电流波形
则各相的电流波形如下:
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a≠0)
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、C0~C8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C1 通过图1-5,可以看出,在此时eb>ea,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wt>C1+a时,阀控系统开始发送触发脉冲到V3阀晶闸管的门极,若a<180︒,仍满足eb>ea,则此时V3阀导通,m点的电位变为eb(此前一直为ea)。 若是a>180︒,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0︒~180︒之间。
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- 换流 工作 原理