换流器的工作原理
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第二章 换流器的工作原理
逆变器的等值电路
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
逆变器的电流波形
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
§2.4 多桥换流器简介
§2.4 多桥换流器简介
§2.5 换流器的常见故障
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
整流器的电流波形
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
整流器的基波功率因数角
§2.3 单桥逆变器的工作原理
换流器的电压波形
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
逆变器
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
逆变器的电压波形
§2.3 单桥逆变器的工作原理（续）
单桥整流器滞后换相过程（ α≠0°，γ=0° ）
单桥整流器换相过程（ α≠0°，γ≠0° ）
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
阀V5、V6导通时的导通电路
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
阀V5和V1换相时的导通电路
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
阀V5和V1换相完毕后的导通电路
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
ea
C1 C3
ebC5ec源自C1eaC30
C2
C4
C6
C2
eb
0° 90°
ec
180°
ea
270°
eb
360°
ec
三相电压波形图
2011/3/29 hfliang@ 3
§2.2 单桥整流器的工作原理（续）
单桥整流器自然换相过程（α=0°，γ=0° ）
换流器的工作原理
3
此电压称为有相控的理想空载直流电压。
3.整流器工作在有相控且有负载的情况（ 0,0 ）
图2-12 整流器工作在0,0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 e c a 全部降落在这两相的换相电抗2 X 上，每相 的降落各为 e c a 的一半，所以这时m点的电位处于 e c 和 e a 两曲
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。
6
A 6 6
2E co sd22E sinco s 2E co s 6
6
(2-16)
取平均，即可求得在此情况下的直流电压的平均值
Ud A32EcosUd0cos (2-17)
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
假定触发角为 ，则在 t 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
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。
逆变运行需要三个条件：
✓ 一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流； ✓ 一个提供换相电压的有源交流系统； ✓ 要有足够大的关断越前角，以保证安全运行。
图2-16 作为逆变器运行的换流器
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。
此电压称为有相控的理想空载直流电压。
3.整流器工作在有相控且有负载的情况（ 0,0 ）
图2-12 整流器工作在0,0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 e c a 全部降落在这两相的换相电抗2 X 上，每相 的降落各为 e c a 的一半，所以这时m点的电位处于 e c 和 e a 两曲
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。
6
A 6 6
2E co sd22E sinco s 2E co s 6
6
(2-16)
取平均，即可求得在此情况下的直流电压的平均值
Ud A32EcosUd0cos (2-17)
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
假定触发角为 ，则在 t 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
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。
逆变运行需要三个条件：
✓ 一个反极性的直流电源以提供连续的单向电流； ✓ 一个提供换相电压的有源交流系统； ✓ 要有足够大的关断越前角，以保证安全运行。
图2-16 作为逆变器运行的换流器
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。
第二章 换流器的工作原理.
在等值电路中有：
di5 di1 Lr Lr ea ec (2-3) dt dt 由于ea ec ，所以 ir 的方向是从a点流向c点，因此： i1 ir i5 I d ir (2-4)
代入式（2-3），可得：
d I d ir dir Lr Lr ea ec dt dt
11
阀厅钢梁
直流连接1
屏蔽罩
屏蔽罩
阀层 阀模块
交流连接
10.4m
单阀
直流连接2
屏蔽罩 5.5m
屏蔽罩
二重阀阀塔外形图
阀等效：单个晶闸管
K g
A
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。
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。
vn
ia ib ic
ia iv1 iv 4
ib iv 3 iv 6
ic iv 5 iv 2
2-滞后触发
Ld
m
Id
ea
o
Lɤ
ia
ib
1
a
3
5
+
eb
Lɤ Lɤ
b c
vd
6
n
Ud
_
ec
ic
4
2
单桥整流器的等值电路图
触发滞后角
P1
P3
1
3
电压波形（>0，=0 ）
di5 di1 Lr Lr ea ec (2-3) dt dt 由于ea ec ，所以 ir 的方向是从a点流向c点，因此： i1 ir i5 I d ir (2-4)
代入式（2-3），可得：
d I d ir dir Lr Lr ea ec dt dt
11
阀厅钢梁
直流连接1
屏蔽罩
屏蔽罩
阀层 阀模块
交流连接
10.4m
单阀
直流连接2
屏蔽罩 5.5m
屏蔽罩
二重阀阀塔外形图
阀等效：单个晶闸管
K g
A
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。
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。
vn
ia ib ic
ia iv1 iv 4
ib iv 3 iv 6
ic iv 5 iv 2
2-滞后触发
Ld
m
Id
ea
o
Lɤ
ia
ib
1
a
3
5
+
eb
Lɤ Lɤ
b c
vd
6
n
Ud
_
ec
ic
4
2
单桥整流器的等值电路图
触发滞后角
P1
P3
1
3
电压波形（>0，=0 ）
换流器的工作原理讲解
求积分后，得：
2E sin t
(2-6)
ir
2E
2 Lr
cos t
A
2E 2Xr
cos t
A
Is2 cos t A (2-7)
式中， Lr X r --从电源到桥之间的每相等值电抗；
2E 交流系统在换流器交流端两相短路 I s 2 2 Lr 时，短路电流强制分量的幅值；
A -- 积分常数。
2.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
直流电 压有缺
口
图2-11 整流器工作在 0, 0情况下的电压波形
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。
A 6
ea ea
ec
2E
2E sin t
sin t 120
(2-2)
ebc ebo eoc ec eb
2E
sin
t
120
可以从阀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 I d ，这时，整流器实际导通的电路 为：
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
在 t 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：i1 ir 0
所以式（2-7）中的积分常数：
A
2E cos
2Xr
Is2 cos
将式（2-8）代入式（2-7）中即得：
(2-8)
i1
ir
2E 2Xr
cos
cost
Is2
cos
cost
大，而阀5电流逐渐减小。
如果经过一定相角 μ 之后，电流 ir增大到 Id。即当t
模块化多电平(MMC)电压源型换流器工作原理
模块化多电平（MMC）电压源型换流器1柔直输电的基本原理柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术,也同样由换流站和直流输电线路构成。
柔性直流输电功率可双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行，其中处在送电端的工作在整流方式，处在受电端的工作在逆变方式。
为简明起见，以典型的三相两电平六脉动型换流器的柔性直流输电换流站为例，介绍柔性直流输电的基本原理。
系统结构如图2-1所示。
由图虚线划分可知，两端柔性直流输电系统可以看作为两个独立的静止无功发生器（STATCOM）通过直流线路联结的合成系统；对于交流系统而言，交流系统向柔性直流换流站提供连接节点，即换流站与交流系统是并联的。
由以上柔性直流输电系统拓扑结构特点分析可知，柔性直流输电系统具有STATCOM进行动态无功功率交换的功能，除此之外，由于两个电压源换流器（VSC）的直流侧互联，它们之间又具备了有功功率交换的能力，可以在互联系统间进行有功潮流的传输。
图2-1两端VSC-HVDC结构示意图（1－两端交流系统；2－联结变；3－交流滤波器；4－相电抗/阀电抗器；5－换流阀；6－直流电容；7－直流电缆/架空线路。
背靠背式两端VSC-HVDC不包含7）柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器/阀电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。
电压源型换流器包括换流电路和直流电容器，实现交流电和直流电转换的换流电路由一个或多个换流桥并联（或串联）组成，目前在柔性直流工程中还未出现多个换流桥组成的组合式换流器，但组合式换流器可以达到降低开关频率，减少损耗的目的，在某些情况下也可能被采用。
电压源型换流桥可以采用多种拓扑结构，工程中常用的有三相两电平桥式结构，二极管钳位式三电平桥式结构、模块化多电平结构，还有工程中未曾应用，但研究者比较关注的二极管钳位多电平结构和飞跨电容多电平结构。
换流器中的每个桥有三个相单元，一个相单元有上下两个桥臂，每个桥臂或由一重阀（两电平）构成，或由两重阀（三电平）构成，或由多重阀（多电平）构成。
12脉动换流器工作原理及仿真 matlab simulink
D Thyristor Converter
+ v -
0
alpha_de g A B C PD PY pulses
P1 P2 P3 P4 P5 P6
ua
+ v -
ub
+ v -
0
block
uc
Synchronized 12-Pulse Generator1
pulses y
P1
Va
Vb
Vc
pulses
P2 P3 P4 P5 P6
8
2. 12脉动换流器仿真
2.1 仿真参数
线路：交流侧——500kV，直流侧——±500kV 525 209 换流变压器：三相三绕组， S 474MVA，k1 : k2 : k3 : : 209 3 3 换流器：12脉动 晶闸管：耐受电压5500V，耐受电流1200A
2016/5/29
9
2. 12脉动换流器仿真
2.2 仿真模型
Discrete, Ts = 1e-06 s. powergui
A b2 c2 B a3 b3 C c3 B g + A B C g a2 + A
Y Thyristor Converter + v voltages
C
Three winding transformer
正常运行时，换相角 小于30，工作在4-5工 况，不会出现5-6工况。只有当换流器过负荷 或者交流电压过低时才会出现 。
2016/5/29
5
Y桥相电压
D桥相电压
D桥任意两 桥臂之间的 电压差
Y桥任意两 桥臂之间的 电压差
2016/5/29
6
Y桥6脉动电压
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，、和表示A、B、C三相交流电压，它们之间相差120゜。
令(150)(30)(90)我们可以将换流阀这样定义：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，为了便于分析，我们先假设该电感不存在，即0。
（一）无触发延迟（触发角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，0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゜，V16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波形。
从图1-2中可以看出直流线路上的输出电压的电压与m点和n点的电势有很大关系，即不难发现，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。
换流器的工作原理
2.2 单桥整流器的工作原理
2.2.1 换相过程
交流系统三相等值电势
交流系统每相 等值电感
图2-2 单桥整流器的等值电路图
如果以系统等值电动势 eca 的矢量作为基准， 则电源相电动势的瞬时值为
ea eoa eb eob ec eoc 2 E sin t 30 3 2 E sin t 90 3 2 E sin t 150 3
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：
di5 di1 Lr Lr ea ec (2-3) dt dt 由于ea ec ，所以 ir 的方向是从a点流向c点，因此： i1 ir i5 I d ir (2-4)
所以
A 3 2 U E cos cos 3 2
Ud 0 cos cos Vd 0 sin sin (2-21) 2 2 2
将式（2-11）代入上式可得换相压降：
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
2.2.2 整流器的直流电压和换相压降
1.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
六脉动
vd eba
图2-9 整流器工作在 0, 0 情况下的电压波形
整流器的直流电压 Vd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 t 30处，则曲线 eba 的纵坐标可 用 2 E cos 表示。在 从 6 到 6 间隔内，这段 曲线下的面积为：
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曲线下的面积为：
A0
6
2E costdt
2E
sin
t
6
2E
6
6
将 A0除以
即可得
0,
0
(2-14)
情况下的直流电压平均值
3 Ud0
A0
32
E
1.35E
(2-15)
3
此电压称为无相控的理想空载直流电压。
0
Id 0, 0
各个阀电流和交流侧电流波形如图2-10所示。
图2-10 整流器工作在 0, 0 情况下的电流波形
换流器的工作原理
2.1 概述
上半桥
VT1 VT3 VT5 d1
ua
ia
Ls
ub o
Ls
uc
id
i5
+
ud
-
Ls
下半桥 VT4 VT6 VT2 d2
图2-1 三相桥式换流器的原理结线图
为了阐明基本原理，采取下列假定条件：
➢ 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；
ea ea
ec
2E
2E sin t
sin t 120
(2-2)
ebc ebo eoc ec eb
2E
sin
t
120
可以从阀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 I d ，这时，整流器实际导通的电路 为：
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
如果以系统等值电动势 eca 的矢量作为基准， 则电源相电动势的瞬时值为
ea eoa eb eob ec eoc
2 3
E
sin
t
30
2 3
E
sin
t
90
2
E
sin
t
150
3
(2-1)
其中，E为电源线电动势的有效值。
则相应的线电动势为：
eab
eca eco eoa eao eob eb
2.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
直流电 压有缺
口
图2-11 整流器工作在 0, 0情况下的电压波形
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。
A 6
6
2E cos d 2 2E sin cos 6
6
6
2E cos
(2-16)
短路，线电压 eca全部降落在这两相的换相电抗2 X 上，每相
的降落各为 eca 的一半，所以这时m点的电位处于 ec 和 ea 两曲
线之间的中点上，即
um
1 2
ec
ea
1 2
eb
如图2-12(a)中AB一段粗曲线所示。
➢ n点对中性点的电压为 eb ，所以直流电压为：
1
3
ud um un 2 eb eb 2 eb (2-18)
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，所以汞弧换流 器工作在整流状态下，易发生逆弧。
2.2.4 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 I d 。各阀导通的时间为
➢ 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。
2.2 单桥整流器的工作原理
2.2.1 换相过程
交流系统三相等值电势
交流系统每相 等值电感
图2-2 单桥整流器的等值电路图
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
（ 60）外特性曲线，如图2-15所示。
等 外特性曲线是一族随 I d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：
Ud 0 cos
3
2E
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：
(2-27)
同整流器的分析，可以得到换相期间的阀电流为：
i1 i Is2 cos cost (2-28)
i5 I d i
(2-29)
51
5
图2-17 单桥逆变器电压波形
换相结束时， t 180
图2-18 单桥逆变器电流波形
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 180 代
入得到：
Ud Ud0 cos180 R Id Vd0 cos R Id (2-32)
直流输电的换流器是借助于交流电网所提供
的短路电流 ir 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
X
；
r
换相角：换相过程所经历的相位角μ
由式（2-11）可得：
cos1
cos
2X r Id 2E
(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。
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。
vd eba
图2-7 阀6和阀1导通时的实际电路
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 ir ；由上面的分析可知，
假定触发角为 ，则在 t 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
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 t 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：i1 ir 0
所以式（2-7）中的积分常数：
A
2E cos
2Xr
Is2 cos
将式（2-8）代入式（2-7）中即得：
(2-8)
i1
ir
2E 2Xr
cos
cost
Is2
cos
cost
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：
180
(2-26)
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。
2.3.2 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。
(2-9)
由式（2-9）可知：ir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
i5 Id ir
(2-10)
阀1和阀5的电流波形如图2-6所示。
μ
图2-6 阀5和阀1换相时的电流波形
随着 t的增加，电流分量 ir将增大，因此阀1电流逐渐增
cos
Ud
0
cos
3X
Id
U d 0 cos R Id
(2-23)
式中，R
3 L
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，R Id 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
求积分后，得：
2E sin t
(2-6)
ir
2E
2 Lr
cos t
A
2E 2Xr
cos t
A
Is2 cos t A (2-7)
式中， Lr X r --从电源到桥之间的每相等值电抗；
2E 交流系统在换流器交流端两相短路 I s 2 2 Lr 时，短路电流强制分量的幅值；
A -- 积分常数。
1 2
2E sin tdt
2 2
E
cos
cos
(2-20)
所以
U
A
3
32
2
E
cos
cos
Ud0 2
cos
cos
Vd 0
sin
2
sin
2
(2-21)
➢ 将式（2-11）代入上式可得换相压降：
U
3L
Id
3
X Id
6 fL Id
R Id (2-22)
最后得到：
Ud
Ud0 2
cos
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
换流器在正常工作情况下，一般 60。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。
2.2.2 整流器的直流电压和换相压降
1.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
直流电压的平均值可以从间隔为60°的一段 vd曲线下的面积
A0
6
2E costdt
2E
sin
t
6
2E
6
6
将 A0除以
即可得
0,
0
(2-14)
情况下的直流电压平均值
3 Ud0
A0
32
E
1.35E
(2-15)
3
此电压称为无相控的理想空载直流电压。
0
Id 0, 0
各个阀电流和交流侧电流波形如图2-10所示。
图2-10 整流器工作在 0, 0 情况下的电流波形
换流器的工作原理
2.1 概述
上半桥
VT1 VT3 VT5 d1
ua
ia
Ls
ub o
Ls
uc
id
i5
+
ud
-
Ls
下半桥 VT4 VT6 VT2 d2
图2-1 三相桥式换流器的原理结线图
为了阐明基本原理，采取下列假定条件：
➢ 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；
ea ea
ec
2E
2E sin t
sin t 120
(2-2)
ebc ebo eoc ec eb
2E
sin
t
120
可以从阀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 I d ，这时，整流器实际导通的电路 为：
vd ebc
图2-3 阀5和阀6导通时的电路
如果以系统等值电动势 eca 的矢量作为基准， 则电源相电动势的瞬时值为
ea eoa eb eob ec eoc
2 3
E
sin
t
30
2 3
E
sin
t
90
2
E
sin
t
150
3
(2-1)
其中，E为电源线电动势的有效值。
则相应的线电动势为：
eab
eca eco eoa eao eob eb
2.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
直流电 压有缺
口
图2-11 整流器工作在 0, 0情况下的电压波形
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。
A 6
6
2E cos d 2 2E sin cos 6
6
6
2E cos
(2-16)
短路，线电压 eca全部降落在这两相的换相电抗2 X 上，每相
的降落各为 eca 的一半，所以这时m点的电位处于 ec 和 ea 两曲
线之间的中点上，即
um
1 2
ec
ea
1 2
eb
如图2-12(a)中AB一段粗曲线所示。
➢ n点对中性点的电压为 eb ，所以直流电压为：
1
3
ud um un 2 eb eb 2 eb (2-18)
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，所以汞弧换流 器工作在整流状态下，易发生逆弧。
2.2.4 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 I d 。各阀导通的时间为
➢ 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。
2.2 单桥整流器的工作原理
2.2.1 换相过程
交流系统三相等值电势
交流系统每相 等值电感
图2-2 单桥整流器的等值电路图
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
（ 60）外特性曲线，如图2-15所示。
等 外特性曲线是一族随 I d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：
Ud 0 cos
3
2E
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：
(2-27)
同整流器的分析，可以得到换相期间的阀电流为：
i1 i Is2 cos cost (2-28)
i5 I d i
(2-29)
51
5
图2-17 单桥逆变器电压波形
换相结束时， t 180
图2-18 单桥逆变器电流波形
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 180 代
入得到：
Ud Ud0 cos180 R Id Vd0 cos R Id (2-32)
直流输电的换流器是借助于交流电网所提供
的短路电流 ir 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
X
；
r
换相角：换相过程所经历的相位角μ
由式（2-11）可得：
cos1
cos
2X r Id 2E
(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。
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。
vd eba
图2-7 阀6和阀1导通时的实际电路
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 ir ；由上面的分析可知，
假定触发角为 ，则在 t 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
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 t 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：i1 ir 0
所以式（2-7）中的积分常数：
A
2E cos
2Xr
Is2 cos
将式（2-8）代入式（2-7）中即得：
(2-8)
i1
ir
2E 2Xr
cos
cost
Is2
cos
cost
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：
180
(2-26)
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。
2.3.2 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。
(2-9)
由式（2-9）可知：ir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
i5 Id ir
(2-10)
阀1和阀5的电流波形如图2-6所示。
μ
图2-6 阀5和阀1换相时的电流波形
随着 t的增加，电流分量 ir将增大，因此阀1电流逐渐增
cos
Ud
0
cos
3X
Id
U d 0 cos R Id
(2-23)
式中，R
3 L
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，R Id 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
求积分后，得：
2E sin t
(2-6)
ir
2E
2 Lr
cos t
A
2E 2Xr
cos t
A
Is2 cos t A (2-7)
式中， Lr X r --从电源到桥之间的每相等值电抗；
2E 交流系统在换流器交流端两相短路 I s 2 2 Lr 时，短路电流强制分量的幅值；
A -- 积分常数。
1 2
2E sin tdt
2 2
E
cos
cos
(2-20)
所以
U
A
3
32
2
E
cos
cos
Ud0 2
cos
cos
Vd 0
sin
2
sin
2
(2-21)
➢ 将式（2-11）代入上式可得换相压降：
U
3L
Id
3
X Id
6 fL Id
R Id (2-22)
最后得到：
Ud
Ud0 2
cos
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
换流器在正常工作情况下，一般 60。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。
2.2.2 整流器的直流电压和换相压降
1.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
直流电压的平均值可以从间隔为60°的一段 vd曲线下的面积