4.1 电流型变流器的基本概念
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电流型变流器的特点在于它的直流侧电流的方向保持在一个方向，若要改变功率输送的方向，只能通过改变直流电压的极性来实现，这与电压型变流器改变功率传输方向的调整方式是不同的。在电压型变流器中，直流电压的极性始终保持不变，只有通过直流电流的反向才能改变输送功率的方向。图4-1的电路结构表明了电流型变流器和电压型变流器之间的区别。图4-1 电压型和电流型变流器的概念 a) 电压型变流器 b) 电流型变流器
图4-1a所示为电压型变流器，图中的变流器部分用一个方框表示，方框内部的开关阀是可关
断器件与反并联二极管结构；但在图4-1b中，电流型变流器的开关阀方框中只有一个简单符号，它并不表明任何特别的器件。这是因为在电流型变流器中只要用二极管、普通晶闸管或其它可关断器件就可完成相应的功能，而在电压型变流器中就必须用具有反向关断能力的器件才能完成相应的任务。 原则上讲，电流型变流器主要有以下3种类型（图4-2）：
1．二极管变流器 如图4-2a所示，它可以很方便地将交流电压转换为直流电压，通过交流系统的电网电压实现从一个开关阀到另一个开关阀的直流换相。显然，二极管线性换相变流器由于不能进行任何控制，所以只能将交流侧有功功率传送到直流侧，还会消耗交流侧的部分无功功率。 胶囊模具
图4.2 电流型变流器的类型 a)二极管变流器 b)晶闸管线性换相变流器c)自换相变流器
2．晶闸管线性换相变流器 如图4-2b所示，由于普通晶闸管只能控制它的导通，而不能控制它的关断，所以它也只能利用交流系统的电网电压来实现从一个开关阀到另一个开关阀的换相；还能够传送和控制任一方向的有功功率，但在此过程中仍需消耗交流侧的无功功率，也不能向交流系统提供无功功率。
3．自换相变流器 图4-2c为电流型自换相变流器的结构图，它的开关阀由自关断器件构成，如GTO、MCT、IGCT、IGBT等。在自换相变流器中，器件的换相是根据器件的自关断控制和交流侧电容器来实现开关阀的转换，从而达到换相的目的。在电压型变流器中，器件的换相是由直流电容器两端所具有的刚性直流电压来支撑的；而在电流型自换相变流器中，可认为直流侧能提供刚性的直流电流，且交流侧电容也能提供很硬的交流电压特性，因而能够提供换相所需的快速冲击电流。与电压型变流器一样，这种变流器能够控制两个方向上的功率，还可以提供或吸收可控的无功功率。尽管这种变流器可以提供无功功率，即能够起到无功电源的作用，但在任何情况下仍需要交流侧的电容器和滤波器。具有自关断器件的变流器（自换相变流器）的优点在于它们能提供较大的灵活性，其中包括PWM运行模式所能提供的优越性。
值得一提的是，对于具有自关断器件的自换相变流器而言，一般都采用电压型变流器。事实上，本书中所阐述的所有基于换相的控制器都指的是电压型变流器。当然，随着器件特性的改进，以及功能的进一步完善，这种情况或许在将来会发生变化，但在本书对由自关断器件构成的电流型变流器将不进行很详细的阐述。
当系统不存在无功功率的控制问题，或系统不需要提供可控无功功率时（此时变流器消耗的无功功率可以从系统中的电容器或滤波器得到），线性换相变流器比自换相变流器有明显的经济优势。在HVDC中，无论是从交流到直流还是从直流到交流的变换几乎都是采用线性换相技术，此时所需的无功功率可通过投切电容和滤波器得到，或直接从系统获取。由于超导电抗器本身就是一个电流源，所以超导储能变流器可能会是一个非常好的电流型变流器。此外，采用电压型变流器构成的相角调节器，如果它的直流功率是通过储能方式得到的，则这种相角调节器也能够成为电流型变流器，第7章将对这种调节器进行专门讨论。由于晶闸管比GTO、IGCT、MTO等自关断器件具有高得多的经济优势，且晶闸管的输送功率是它们的2~3倍。因此，工程设计人员在进行变流器设计时，除了应了解各种变流器的特性外，还应本着平和的心态，不断地反复评估变流器的拓扑结构，并考虑功率器件和其它系统结构的发展现状及趋势。
还有一些电流型变流器，包括晶闸管强迫换相变流器，谐振变流器和混合型变流器，限于篇幅，本书将不对它们进行阐述。
因为电流型变流器中的直流电压可以为任一极性，所以变流器开关阀必须具有正向和反向阻断能力。普通晶闸管的正反向阻断能力一般都是对称的，而且它易于生产，造价也很低廉，在大电流工作状态下，它还能阻断高达12kV的峰值电压。而自关断器件做成对称器件时，它的正向导通压降会很高。由于市场导向的作用，生产厂家已向市场提供了大量不对称的可关断器件，如将这种不对称的自关断器件与二极管串联起来使用，则可得到一个对称特性，因而也具有一定的经济优势。当然，它同样会产生较高的正向压降和由此带来的损耗。正是由于这种原因和其它一些可能的原因，由IGBT等一些具有快速开关性能的器件形成的变流器的工业化市场，已快速转向电压型的PWM变流器结构，第3章已对该问题进行了说明，此处不再赘述。
4.2 三相全波二极管整流器
为了解释全控型变流器的原理，有必要先对三相全波二极管整流器作进一步的详细分析。可以说在任何情况下，二极管整流器通过可利用的交流电源来获得廉价的直流电源是非常
可取的，而且容量大于几十千瓦的整流器几乎都是采用图4-3a所示的三相全波电路，或几个同样电路的组合。
图4-3 忽略换相重叠角的三相全波二极管整流器 a)三相全波六脉波二极管整流器 b) 三相全波二极管整流器的电流波形和电压波形。
为了解释问题方便起见，并使解释具有实际指导意义，在图4-3a中，首先假设直流侧的电感非常大，因而可以认为直流电流为恒定值。该整流器由旋转式清堵机看看6个二极管组成，编号分别为1~6，该编号顺序表示二极管的导通顺序和直流输出电压的顺序。通过二极管的电流换相作用，使直流电流转变为交流电流。
图4-3bad视频矩阵表示以变压器中性点n为参考点的三相交流电压波形ua、ub和uc。假设交流系统的阻抗为零，且变压器为理想变压器，则图4-3b最上面的波形也表示了以变压器中性点n为参考点的直流母线的电压波形。接下来的波形分别为恒定直流电流波形、与恒定直流电流相关的交流电流波形，最后是直流母线间的直流输出电压波形。
为了叙述的统一性，在以下陈述中仍将用开关阀一词来代替二极管。如图4-3b所示，从tl到t2，开关阀1和开关阀阻焊油墨2导通，直流电流从a相流出，经过开关阀1和开关阀2，最后流入c相。在此期间，直流侧两条母线分别与a、c两相相连，所以直流输出电压即为a、c两相的电压差，如图中的粗实线所示。在t人与嘼 交 互3时刻，b相的电压高于a相电压，开关阀3变为正偏，二
极管在正向电压下便开始导通，开关阀1中的电流则转移到开关阀3，此时的直流输出电压如图中b、c两相电压之差的粗实线表示。与此同时，电流流经开关阀2、c相、b相和开关阀3的路径。在t4瞬间，a相电位低于c相电位，开关阀4变成正向偏压，因此对应的二极管开始导通，开关阀2中的电流转移到了开关阀4中。然后在t5瞬间，开关阀3中的电流被开关阀5中的电流取代。在t6瞬间，开关阀6又取代开关阀4。最后在t1瞬间，电流又从开关阀5回到开关阀1，从而完成了一个电流周期。如图4-3所示，三相电流均为1200的直流方波电流，每相桥臂的上下两个开关阀各导通一个方波。
