CN101918852A

CN101918852A - 用于监控dc电压中间电路的电容状态的方法

Info

Publication number: CN101918852A
Application number: CN2009801025179A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫·阿尔霍
Original assignee: SWITCH HIGH POWER CONVERTERS O
Current assignee: SWITCH HIGH POWER CONVERTERS O
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-12-15
Also published as: FI120280B; WO2009092848A2; EP2235548A2; FI20085047A; WO2009092848A3; US8829919B2; US20100295554A1; FI20085047A0

Abstract

一种用于监控诸如变频器的电力电子设备中DC电压中间电路的电容装置(14-16)在其使用点处的状态的方法和系统，在所述方法中，将电容装置上的放电电压作为对时间的函数进行测量，并且在所述方法中，所述中间电路以预定DC电压进行预充电，从中间电路移除预充电，通过以一定的时间间隔采样测量所述中间电路的电压，基于所测得的中间电路电压，将压降作为时间的函数进行确定，基于所测得的压降，确定电容量或电容量的相对变化，基于所述压降，将所确定的电容量或其相对变化数值与预定的限定值进行比较，以及当以测量确定的数值达到或接近所述预定的限定值时，执行必要的状态监控过程。

Description

用于监控DC电压中间电路的电容状态的方法

技术领域

本发明的目的在于提供一种用于监控电力电子设备例如变频器的DC电压中间电路的电容单元状态的方法。

本发明的目的还在于提供一种用于监控电力电子设备例如逆变器的DC电压中间电路的电容单元状态的系统。

背景技术

通常地，利用电力电子的设备例如变频器的寿命由其电容决定，在DC电压中间电路中，所述电容特别用于滤除噪声电压，并且还用于存储电能。

在变频器中，DC电压中间电路的电容上被施加有大电压，经常发生电容的无法预料的破坏，并且也不可能期待对其更换。这进一步导致生产中不必要的中断，并造成经济损失。

外界温度、电流波动、高电压和频率对电容的寿命具有很大的影响。随着电容老化，其内阻增大，并且漏电流流过所述电容，电容量也随着时间缓慢减少。所有这些现象可以被测量，但实际操作中需要开启设备。

当电容的电容量减少达某一相对量时，制造商通常规定该电容的寿命终结。

由E.C.Aeloiza、J-H Kim，P.Ruminot、P.N.Enjeti在IEEE 2005第2867-2872页“A Real Time Method to Estimate Electrolytic Capacitor Condition in PWM Adjustable Speed Drives and Uninterruptible Power Supplies”中，提出了一种用于估计可变PWM交流驱动器和UPS设备中的电解电容状态的方法，在该方法中，所述状态可以在使用点被检测。该方法是以电容的损耗导致其内部串联等效电阻(ESR)的变化为依据。根据所述方法，对电容单元的平均功率或其电流的RMS值进行测量。该方法的缺陷在于其复杂性以及该方法对在该测量方法中所使用的控制电路的计算能力有较高的要求。

发明内容

本发明公开了一种用于监控电力电子设备的中间电路的电容包状态的新型方法，该电力电子设备具有变频器、逆变器或另一直流中间电路。

根据本发明提供的方法和系统，采用所述变频器中已有的内部测量组件来监控使用点处的电容包状态，并且因此可以采用DC中间电路中现有的测量组件来常规地(regularly)确定电容包的第一单元的寿命。

本方法是基于由于电容老化而造成的电容储电能力的减弱。这可以通过对中间电路的电压进行放电测试来验证。

本发明提供的方法和系统的特征将在下附权利要求中进行详述。

本方法非常简单，并且不需要在系统中设置额外的测量组件。

本发明的优点在于经由对电容包的常规条件监控而获得测量数据，其结果是可以估计电力电子设备的剩余寿命。有可能将多个不同的功能整合到控制单元的监控软件中，例如用于指示电容量已经下跌到临界点或临界点之下的报警通知。

附图说明

参考附图，本发明将以实施例的方式进行详细描述，其中，图1a示出了通过三相网络供电的现有技术变频器；图1b示出了通过三相网络供电的变频器的中间电路的等效开关；以及图2示出了电容的理论放电曲线。

具体实施方式

在本发明中，采用变频器的内部测量组件以监控使用点处的电容包(capacitor pack)状态，并且因此可以采用DC中间电路中现有的测量组件来有规律地确定电容包的第一单元的寿命。

图1示出了在四个象限工作的变频器设备的实例，该变频器与由转子驱动的三相交流发电机连接，采用该三相交流发电机，其相电压为U_R、U_S、U_T的三相交流电压经由例如网络滤波器被提供至三相交流电网。

所述变频器包括两个逆变器电桥单元-发电机电桥11和网络电桥12，所述电桥的DC连接被连接到直流中间电路，所述直流中间电路包括直流电容单元和一组连接到发电机的AC连接以及经由网络滤波器连接到交流电网的第二组AC连接。

在图1a所示的变频器中，发电机电桥11将发电机的三相交流电压(包括相电压U_U、U_V、U_W)整流成DC中间电路的DC电压U_DC，并且所述网络电桥根据所述DC中间电路的DC电压U_DC的振幅和频率而将DC中间电路的DC电压转换为与交流电网匹配的三相交流电压。每一个电桥都是六脉冲全波电桥，并且在电桥的每一支路中都包括可控半导体开关，所述可控半导体开关由例如根据图1a的IGBT(电桥11中的Q11-Q16以及与Q11-Q16并联的二极管D11-D16，电桥12中的Q21-Q26和D21-D26)构成。该电路还允许中间电路负电流在制动状态下在发电机方向上通过。

通过开关S1和S2，有可能将变频器与网络以及电机隔离。利用所述设备的控制单元13中的脉冲宽度调制来控制半导体开关。

DC中间电路包括电容单元，该电容单元包括多个串联连接的电容和并联连接的电容包14-16，所述电容包中的一部分属于制动斩波器(brakechopper)单元15。

在变频器中，DC中间电路的电压通过内部电压测量组件17进行测量，所述内部电压测量组件17与控制单元13连接。

下文对电容单元及其运行进行说明。

电容是在电场中存储电能的元件。在变频器的中间电路中，能够降低中间电路电压的振荡并且能够存储电能的电容特性被利用。在所述中间电路中，电容通常串联连接，利用所述串联的电容能够获得更高的电压耐受性，尽管同时总电容量下降。能够通过将电容器并联来提高所述电容量，以获得理想的电容量。

数学上而言，串联连接和并联连接的电容以及与之并联连接的微调电阻(trimmer resistors)能够简化地以一个电容和一个微调电阻组成的串联电路来表示，这是由于中间电路通过断路器与网络和电机隔离(图1b)。

图1b示出了与DC中间电路的电容包的电路相应的等效电路，其中C_tot表示总电容量，R_tot表示微调电阻的总电阻值，R_esr表示电容的内部电阻值。

根据Kirchoff电压定律，我们可以写成：

Uc+UESR+UR＝0

(1)Uc+(R_ESR+R_R)I_C＝0

电流对于电荷与时间相关的变化的依赖性

以及电荷变化对于电压变化的依赖性dQ_C＝C·dU_C，可体现在等式(1)中。

由于U_ESR＜＜U_R，U_ESR能够从测试(trial)中被忽略。

在进行分组之后，获得一阶微分方程式：

(2) RC \frac{{dU}_{c}}{dt} + U_{c} = 0

该方程式能够通过测试函数U_C＝Ae^rt来求解。

所使用的初始值为：U_C(0)＝U_DC电压。

该方程式的解为：

现在当电压变化(ΔU)和其所用时间(t)已知的情况下，有可能计算得出电容量C。变频器不直接测量电容上的电压，而是测量中间电路上的总电压。相比于测量的不准确，所述电容的内部电阻效应所引起的电压损耗可忽略不计，因而可以简单地假定U_C≈U_DC电压。

当自中间电路充电停止时起中间电路电压下降某一相对量时，可被标示为U_C＝v·U_DC电压。

所述电容的电压可从以下等式中解得：

在该等式中，DC电压可忽略不计。当引入一个半自然对数，并对该等式稍作分组(grouped)后，可解得电容量。

(4) C_{tot} = \frac{- t}{R_{tot} \cdot \ln v}

其中，“v”表示中间电路DC电压的相对变化，“t”表示与之对应的放电时间，以及“R_tot”表示微调电阻的总电阻值。

作为实例，通过等式(3)，当中间电路的电容量、放电电阻的电阻值及其DC电压均已知的情况下，可绘出电容包的理论放电曲线(图2)。

初始值：电容量C＝3600μF

电阻值R＝10kΩ

DC电压U＝1000V

由于电容和微调电阻的制造公差变化，因此值得对每一设备单独地执行放电测试。电容量和电阻值相对于温度所发生的变化也必须考虑在内。这些设备装备在工厂中时，可在标准外界温度下以所配备的DC电压对中间电路进行预充电，在实际操作中所述标准外界温度约为20℃。将预充电电路18从中间电路中移除，并且利于测量组件监控中间电路的电压降低有多快。通过这种方法，当各电容是新的情况下，能够确定中间电路的电容量。控制单元中的应用软件管理电容量的计算，所述计算值进一步记录在控制单元中的独立存储器中。所计算的是相对电容量的变化值，而不是电容量的绝对值。在这种情况下，假定中间电路的电阻值在该设备的生命周期期间改变不大，则中间电路的电阻值在等式(4)中可以被忽略。中间电路的总电阻值取决于电桥的IGBT晶体管和与之并联连接的二极管的电阻值，此外还取决于微调电阻。可能与中间电路相连接的DC斩波器所用的电能也必须考虑在内。测量要求在某一预设温度范围内进行多次重复操作。原因在于，若非如此，与温度相关的组件的电气属性的变化可能会使结果产生相当大的误差。随着测量方法的标准化，能保证较高的准确度，从而获得较为可靠的结果。

当变频器在其最终位置上工作时，可以有规律地重复相应的测试，通过这种方法，可以监控中间电路电容的状态。应用软件分析来自系统的测量温度，并且以这种方式为放电测试定义合适的时间。所测得电压变化得越快，电容量相对下降就越多。当电容量的变化值相比于工厂装配时所测得的数值接近制造商给出的限定值时，则应更换该电容包或整个变频器。

显而易见地，本发明的不同实施方式不仅仅局限于上述实例，而是可以在所附权利要求限定的范围内做出各种变化。本发明还适用于其他具有直流中间电路的电力电子设备，例如UPS电源。根据功率需求，变频器还可以包括两个或更多个并联发电机电桥或网络电桥，在这种情况下，针对整个系统对电容量的改变进行计算。

Claims

1.一种用于监控诸如变频器的电力电子设备中DC电压中间电路的电容装置(14-16)在其使用点处的状态的方法，

在所述方法中，将所述电容装置上的放电电压作为对时间的函数进行测量，其特征在于，在所述方法中：

以预定DC电压对所述中间电路进行预充电；

从所述中间电路移除预充电；

通过以一定的时间间隔采样，测量所述中间电路的电压；

基于所测得的中间电路的电压，将压降作为时间的函数进行确定；

基于所述压降，确定电容量或电容量的相对变化；

基于所测得的压降，将所确定的电容量或电容量的相对变化与预定的限定值进行比较；以及

当利用测量所确定的数值达到或接近所述预定的限定值时，执行必要的状态监控程序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述设备的内部电压测量组件来测量所述电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对电容量的所述预定的限定值的确定中，对所述设备进行测试，以使得在标准外界温度下以所配备的DC电压对所述中间电路进行预充电，将所述预充电电路(18)从所述中间电路中移除，并以测量组件监测所述中间电路的电压的下降有多快，在此之后，在所述控制单元中确定所述电容量。

4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述电容量通过以下等式来确定：

(4) C_{tot} = \frac{- t}{R_{tot} \cdot \ln v}

其中，“v”表示所述中间电路的DC电压的相对变化，“t”表示与之对应的放电时间，以及“R_tot”表示微调电阻的总电阻值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过在等式(4)中将所述中间电路的电阻值忽略，计算相对电容量的变化。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，预定电容量数值被记录在存储器中。

7.一种用于监控诸如变频器的电力电子设备中DC电压中间电路的电容装置(14-16)在其使用点处的状态的系统，

所述系统包括测量组件(17)，采用所述测量组件(17)根据时间对所述电容上的电压进行测量，

其特征在于，所述系统的控制单元(13)被配备：

以预定DC电压对所述中间电路预充电；

以从所述中间电路中移除预充电；

以一定的时间间隔测量所述中间电路的电压；

基于所测得的中间电路电压来确定压降；

基于所测得的压降来确定电容量或电容量的相对变化；

当利用测量所确定的数值达到或接近所述预定的限定值时，控制必要的状态监控程序。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统被配备以采用所述设备的内部电压测量组件测量所述电压。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在对电容量的所述预定的限定值的确定中，所述设备被配备以进行测试，以使得在标准外界温度下以所配备的DC电压对所述中间电路进行预充电，将预充电电路(18)从所述中间电路中移除，并以测量组件监测所述中间电路的电压的下降得有多快，在此之后，在所述控制单元中确定所述电容量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，计算出的电容量数值被记录在所述控制单元中的存储器中。