基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法，首先根据铝电解电容器的漏电流大小和电容器组的结构来计算均压电阻；再将辅助放电网络并联在铝电解电容器的两端；根据得到的均压电阻R、单个铝电解电容器两端的最高电压、电容器组两端的电压V

【技术实现步骤摘要】
基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法


[0001]本专利技术属于电力电子领域，具体是一种基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法。

技术介绍

[0002]电容器被广泛应用于功率变换器的直流环节中，具有抑制直流电压纹波、平衡输入侧与输出侧的瞬时功率变化等作用。直流链路电容器组通常由铝电解电容器、金属化聚丙烯薄膜电容器和多层陶瓷电容器组成。实际应用中，大约30％的功率变换器故障是由电容器失效引起的，而铝电解电容器的构造使其比电容器组中的其他电容器对电应力和热应力更加敏感，更易失效。因此，监测铝电解电容寿命，在其失效前进行维修或更换，对保障功率变换器可靠运行，具有重要的意义。
[0003]铝电解电容器在老化过程中，电容值逐渐减小，等效串联电阻值逐渐增大，现有规范规定电容值降低20％或等效串联电阻值增加至初值的2.8倍为铝电解电容器的失效判据。依据此失效判据衍生出许多铝电解电容器寿命监测方法：根据监测是否具有实时性可以将监测方式分为两类，一类是离线监测，另一类是在线监测。离线监测方式需要暂停变换器运行，拆卸电容进行测量，会中断变换器的连续运行。在线监测方式能够实时获得铝电解电容的健康状态数据，无需停止变换器运行，更加灵活、方便。
[0004]对于现有的铝电解电容器寿命在线监测方法可分为三种：
[0005]1)小信号纹波监测技术：测量电容电压纹波和电流来计算电容值或等效串联电阻值。测量电容电压纹波，根据拓扑反推电容电流，计算电容值和等效串联电阻值。但该方法需额外增加电流传感器，且电压传感器受测量范围影响，精度有限。
[0006]2)大信号暂态监测技术：根据电路启停或暂态时的波形计算电容值或等效串联电阻值。该方法是一种准在线测量方法，仅适用于特定工况下的在线监测。
[0007]3)黑盒模型监测技术：采集输入电压电流、输出电压等数据进行数据训练，得到电容值和等效串联电阻值。但该方法需要大量的测量数据与复杂的算法，占用大量的计算资源。
[0008]在高电压大电流场合，铝电解电容常采用串并联结构来提高耐压和通流能力，而现有的在线监测方法难以满足对单支路电容寿命进行在线监测的需求。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法。
[0010]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0011]步骤1、根据功率变换器输入侧电压和输出侧电压确定电容器组的结构；为了实现均压效果，流过均压电阻的电流大小需高于铝电解电容器漏电流的20倍；根据铝电解电容
器的漏电流大小和电容器组的结构来计算均压电阻大小，均压电阻R的选择经验公式如式(1)所示：
[0012][0013]式(1)中，N为铝电解电容器的并联个数，C
i
为单个铝电解电容器的额定容值；
[0014]步骤2、选取单个铝电解电容器两端的最高电压不高于其额定电压V
rated
的0.8倍；
[0015]由于输入电压值已知，因此能够得到电容器组两端的电压V
in
；
[0016]针对串并联式电容器组，辅助放电网络并联在位于各个电容串联支路中点下侧的铝电解电容器的两端；针对并串联式电容器组，辅助放电网络并联在位于整体电容器组中点下侧的铝电解电容器的两端；辅助放电网络由一个辅助放电电阻R
sup
和一个开关S串联形成；
[0017]再根据得到的均压电阻R、单个铝电解电容器两端的最高电压、电容器组两端的电压V
in
和电容器组的结构来计算辅助放电电阻R
sup
的阻值，辅助放电电阻R
sup
的选择公式如式(2)所示：
[0018][0019]式(2)中，R
sup
为辅助放电电阻的阻值，V
in
为电容器组两端的电压，V
rated
为铝电解电容器的额定电压，R为均压电阻的阻值；
[0020]步骤3、在功率变换器运行过程中，控制辅助放电网络中开关S的通断，实现与辅助放电网络并联的铝电解电容器的放电；当开关S接通时，启动计时器，当与辅助放电网络并联的铝电解电容器放电到阈值电压时，停止计时器，由此得到电容器组的中点电压v
mid
(t)以及电容器组中点下侧的铝电解电容器的放电时间常数τ；
[0021]对于串并联式电容器组，所有的均压电阻的阻值均相等，电容器组的中点电压v
mid
(t)为：
[0022][0023]式(3)中，τ为放电时间常数，根据计时器结果能够得到；电容器组的中点电压v
mid
(t)根据中点电压采样结果得到；
[0024]再对功率变换器输入侧电路进行时域分析，得到：
[0025][0026]再对式(4)进行公式变形，得到各个电容串联支路中的铝电解电容器容值：
[0027][0028]式(5)中，C1，C2，...,C
2n
为各个铝电解电容器的容值；
[0029]对于并串联式电容器组，所有的均压电阻的阻值均相等，电容器组的中点电压v
mid
(t)如式(3)所示；
[0030]再对功率变换器输入侧电路进行时域分析，得到：
[0031][0032]再对式(6)进行公式变形，得到整体电容器组中的铝电解电容器容值为：
[0033][0034]步骤4、将步骤3得到的此时铝电解电容器容值与各自的初始值进行比较；当符合铝电解电容器的失效判据时，判定为铝电解电容器失效。
[0035]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0036](1)本专利技术通过辅助放电网络实现测量铝电解电容容值的功能。
[0037](2)本专利技术无需对电容电流进行采样，因而无需添加额外的电流传感器，大大降低了成本，缓解了电容支路插入电流传感器造成的侵扰问题。
[0038](3)本专利技术对大信号进行采样，因而无需高精度高带宽的采样电路，降低了处理电路的复杂程度，同时也降低了成本。
[0039](4)本专利技术的电容放电仅影响中点电压，对电容器组两端的电压没有影响，测量时间更加灵活，而非仅在变换器停机或启动时刻才能实现对电容寿命的在线监测。
[0040](5)本专利技术不仅适用于Buck变换器的铝电解电容器寿命的在线监测，还适用于其他变换器拓扑。同时，本专利技术适用于变换器的输入侧和输出侧的铝电解电容器寿命的在线监测。
附图说明
[0041]图1为本专利技术的并联有辅助放电网络的串并联式电容器组的电路拓扑结构图；
[0042]图2为本专利技术的并联有辅助放电网络的并串联式电容器组的电路拓扑结构图
[0043]图3为本专利技术实施例1的Buck变换器的主电路拓扑图；
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于辅助放电网络的铝电解电容器寿命在线监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、根据功率变换器输入侧电压和输出侧电压确定电容器组的结构；为了实现均压效果，流过均压电阻的电流大小需高于铝电解电容器漏电流的20倍；根据铝电解电容器的漏电流大小和电容器组的结构来计算均压电阻大小，均压电阻R的选择经验公式如式(1)所示：式(1)中，N为铝电解电容器的并联个数，C
i
为单个铝电解电容器的额定容值；步骤2、选取单个铝电解电容器两端的最高电压不高于其额定电压V
rated
的0.8倍；由于输入电压值已知，因此能够得到电容器组两端的电压V
in
；针对串并联式电容器组，辅助放电网络并联在位于各个电容串联支路中点下侧的铝电解电容器的两端；针对并串联式电容器组，辅助放电网络并联在位于整体电容器组中点下侧的铝电解电容器的两端；辅助放电网络由一个辅助放电电阻R
sup
和一个开关S串联形成；再根据得到的均压电阻R、单个铝电解电容器两端的最高电压、电容器组两端的电压V
in
和电容器组的结构来计算辅助放电电阻R
sup
的阻值，辅助放电电阻R
sup
的选择公式如式(2)所示：式(2)中，R
sup
为辅助放电电阻的阻值，V
in
为电容器组两端的电压，V
rated
为铝电解电容器的额定电压，R为均压电阻的阻值；步骤3、在功率变换器运行过程中，控制辅助放电网络中开关S的通断，实现与辅助放电网络并联的铝电解电容器的放电；当开关S接通时，启动计时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建良，刘佳威，程辉，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：