CN102495292A - 一种在线监测母线电容容量状态的方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在线监测母线电容容量状态的方法，通过实时检测母线电容充放电过程中的电容电流实时值i_c和电容电压实时值U_c，根据母线电容C是电容电流i_c、电容电压U_c及时间t的函数，按照函数关系对电容容量进行估算，通过判断电容容量的估算值是否正常，实现在线监测母线电容容量状态。该方法能够及时发现电容性能下降及其可能导致的故障隐患，无需定期强制更换母线电容，降低了维护成本，而且对维护人员没有要求，降低维护成本和维护技术难度。

Description

一种在线监测母线电容容量状态的方法及电路

技术领域

本发明涉及母线电容容量的检测电路，尤其涉及一种在线监测母线电容容量状态的方法及电路。

背景技术

电容是一种能够储藏电荷的元件，也是最常用的电子元件之一，在电力电子技术领域，几乎所有电力电子电路都会用到电容。如图1-1和图1-2的电路所示，电容在电路中所起的作用是基本的充放电功能。以图1-1为例，首先软启动开关K2闭合，输入开关K1断开，输入电压Us经过K2和软启动电阻R给母线电容C充电，当母线电容Uc达到一定值后闭合输入开关K1，完成母线电容的软启动过程。图1-2电路中，首先软启动开关K1闭合，输入开关K2断开，输入电压Us经过K1和软启动电阻R给母线电容C充电，当母线电容Uc达到一定值后闭合输入开关K2，完成母线电容的软启动过程。其中，母线电容C主要起到储能和滤波的作用，后级的功率变换器将母线电容上的能量转换为需要的输出电压Uo后经输出开关K3输出。

母线电容通常选用电解电容，由于其自身的工艺特点，工作时要尽可能降低温升来延长电容的使用寿命。电容温度升高主要有两个原因，一是由于其交流电流在其等效串联电阻上的损耗，二是由于环境及散热条件对它的影响，也包括其他发热组件对温度的影响。随着电力电子产品功率密度不断提高，电解电容的体积问题和热的问题越来越突出。在列车车载电源产品中，由于环境温度很高，且车载电源自身发热很严重且散热条件不佳，母线电容容易发生电解液减少、容量下降等问题，导致车载电源工作不正常甚至出现供电中断事故。因此，在车载电源的维护规程中，母线电容被明确规定为易损件，在维护时要求人工检测母线电容性能并强制定期更换。

母线电容一般是高耐压大容量的电解电容，价格昂贵，定期更换成本高，而且需要有检测设备，对维护人员要求高，加上人工检测效率低，准确性低，如在该更换时未及时更换，存在较大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种在线检测母线电容容量的方法，实时监测母线电容容量的状态，及时发现电容性能下降及其可能导致的故障隐患，该方法无需专门的检测仪器设备，对维修人员没有要求，降低了维护的技术难度和设备要求。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：检测获得电容电压参数U_c和电容电流参数i_c，预设电容初始状态时，电容容量状态参数C_state为0；

S2：设定母线电容正常容量的下限值C_{dn_lmt}和母线电容正常容量的上限值C_{up_lmt}；根据下述公式(1)估算当前时刻的电容容量C：

$C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_0^k\frac{i_c\left(k\right)+i_c(k-1)}{2}{T}_s}{U_c(t_0+k{T}_s)-U_c\left(t_0\right)}$ (式1)

其中，C为母线电容容量，i_c为电容电流，U_c为电容电压，时间为t，采样周期为T_s，初始时刻为t₀，当前时刻为t_k，t_k＝t₀+k×T_s；

S3：判断步骤S2中估算得到的电容容量C是否大于母线电容正常容量的下限值C_{dn_lmt}且小于母线电容正常容量的上限值C_{up_lmt}，是则电容容量状态参数C_state加1，否则电容容量状态参数C_state减1；重复S2～S3步骤直至估算过程结束；

S4：母线电容容量估算结束后，判断电容容量状态参数C_state的值是否大于0，是则母线电容容量正常，否则母线电容容量异常，从而实现在线监测母线电容容量状态。

进一步的，所述步骤S2中，母线电容容量的估算算法由微处理器或者可编程逻辑器件控制完成。

进一步的，所述微处理器包括但不仅限于单片机、DSP，可编程逻辑器件包括但不仅限于CPLD、FPGA。

进一步的，所述步骤S2还包括根据下述公式(2)估算母线电容容量C，

$C=\frac{{\∫}_{t0}^t{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}}{U_c\left(t\right)-U_c\left(t_0\right)}$ (式2)。

进一步的，根据下述公式(3)两边进行积分运算得到公式(2)，

$i_c\left(t\right)=C\frac{{\mathrm{dU}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ (式3)。

进一步的，所述步骤S1中获得电容电流的方法还包括通过检测其他电气参数，根据电气参数与电容电流的关系间接计算得出。

进一步的，所述步骤S2中估算母线电容的容量值由电容电压、检测到的电气参数按照一定的函数关系计算得出。

进一步的，所述步骤S1中电容电流由电流控制电路给定。

进一步的，母线电容容量值由电容电压、电流控制电路给定电流按照一定的函数关系计算得出。

本发明公开一种在线监测母线电容容量状态的方法，实时检测母线电容充放电过程中的电容电流实时值和电容电压实时值，根据母线电容是电容电流、电容电压及时间的函数，按照函数关系对电容容量进行估算，通过判断电容容量的估算值是否正常，实现在线监测母线电容状态。该方法能够及时发现电容性能下降及其可能导致的故障隐患，无需定期强制更换母线电容，降低了维护成本，而且对维护人员没有要求，降低维护成本和维护技术难度。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1-1、1-2、1-3为现有技术中母线电容接线电路图；

图2为本发明在线监测母线电容容量状态的电路结构图；

图3为本发明在线监测母线电容容量状态的方法流程图；

图4至图7为本发明在线监测母线电容容量状态的电路中在输入不同电压情况下的母线电容估算波形图。

具体实施方式

本发明技术原理：母线电容C主要起到储能和滤波的作用，本发明利用电力电子产品本身的资源，实时检测母线电容充放电过程中的电容电流实时值I_c和电容电压实时值U_c，母线电容C为电容电流I_c、电容电压U_c及时间t的函数，按照一定的函数关系对电容容量进行估算，根据电容容量值是否处于电容容量正常上下限范围内，可实时在线监测母线电容容量的状态。根据如1-1、1-2的工作原理，我们可以抽象出电容充放电的基本电路如图1-3，原理工作如下，电路中接通直流电源，当电路中有电流变化时，电容发挥存储电荷的功能，电流无变化时，电容无存储功能；电容在切断电源的回路中，相当于电源给负载供电，处于放电状态。电路中接通交流电时，由于交流电是时刻变化的，所以对电容进行重复的充放电过程。

在图1-3所示的电路中，电容电流I_c、电容电压U_c是可以实时测得的，根据计算公式对母线电容容量进行估算。计算公式如下：

$C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_0^k\frac{i_c\left(k\right)+i_c(k-1)}{2}{T}_s}{U_c(t_0+k{T}_s)-U_c\left(t_0\right)}$ (式1)

$C=\frac{{\∫}_{t0}^t{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}}{U_c\left(t\right)-U_c\left(t_0\right)}$ (式2)

$i_c\left(t\right)=C\frac{{\mathrm{dU}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ (式3)

$S={\∫}_a^{b}f\left(x\right)\mathrm{dx}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i\≈\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{y_{i-1}+y_i}{2}{\mathrm{\Δx}}_i$ (式4)

其中，C为母线电容容量，i_c为电容电流，U_c为电容电压，时间为t，采样周期为T_s，初始时刻为t₀，当前时刻为t_k，t_k＝t₀+k×T_s，U_c(t₀)为估算过程起始时刻的母线电容电压值，i_c(t₀)为估算过程起始时刻的母线电容电流值。

本发明根据公式(1)估算当前时刻的电容容量C。为求得母线电容容量C，公式(2)中积分项

按照梯形近似的方法得到公式(1)，其中梯形近似的方法是按照公式(4)将曲边小梯形的面积转化为由直边小梯形的面积近似求整个曲边梯形的面积的方法求得，或者也可以采用矩形近似的方法求得，梯形近似方法或矩形近似方法都属于数字信号处理技术中的常见手段，作为公知技术不在这里赘述。为求得公式(2)，对公式(3)进行两边积分运算。采用公式(3)进行两边积分的方法在数字信号处理时精度高、实现容易，而直接使用公式(3)时由于需要处理微分计算，在数字信号处理时误差大、实现困难。

本发明中，母线电容容量估算算法由微处理器或可编程逻辑器件控制完成。其中，微处理器包括但不限于DSP(digital signal processor)和MCU(MicroControl Unit)，可编程逻辑器件包括但不限于复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)和现场可编程门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)。虽然他们结构上有很多差别，但是在本发明中，微处理器与可编程逻辑器件所起的作用相同。

微处理器或逻辑可编程器件是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行处理，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。其中，在数字信号处理方面，DSP更具有优势。

DSP不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，具有强大数据处理能力和高运行速度。DSP微处理器在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

本发明采用DSP对模拟信号进行采集、转换、编译和处理。将信号检测装置测得的模拟信号输入DSP处理器，根据程序运行处理后得到的结果，与母线电容容量上下限值进行比较，可以判断电容容量的状态。

母线电容正常容量上下限值分别为C_{up_lmt}和C_{dn_lmt}。由于母线电容绝大多数为电解电容，业界标准规定容量差在额定容量的±15％内均为合格，且生产厂家为了解决成本，一般电解电容的实际容量均小于额定容量，所以C_{dn_lmt}可以选择70％-80％额定容量值，C_{up_lmt}可以选择115％额定容量值。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1-1、1-2、1-3为现有技术中母线电容接线电路图，其利用的都是电容最基本的充放电功能。

图2为本发明在线监测母线电容容量状态的电路结构图。如图2所示，电路包括电源单元、充放电单元、软启动单元和信号检测装置，电源单元包括直流电源Us_dc、交流电源Us_ac、电源内阻Rs；充放电单元包括电容器C；软启动单元包括软启动电阻R；信号检测装置包括第一电压表Us、第二电压表Uc和电流表Ic；其中，直流电源Us_dc、交流电源Us_ac、电源内阻Rs、电容器C和电流表Ic串联在电路中，第一电压表Us并联在电源单元的两端，表用于检测电源输入电压值[Us]；第二电压表Uc并联在电容器两端，表用于检测电容器两端电压值[Uc]；电流表用于检测回路中的充放电电流[Ic]。将测得的输入电压[Us]、电容电流[Ic]和电容电压[Uc]通过输入到仿真装置，通过仿真波形分析母线电容容量，实现在线监测母线电容容量状态。

除图2中采用电流表直接检测电容电流外，电容电流获得的方法还包括通过检测其他电气参数，根据电气参数与电容电流之间的函数关系间接计算得出，此时，估算母线电容的容量值的过程转变为电容电压与检测得到的电气参数之间的函数关系。这种条件下，电容电流只作为求解的一个中间桥梁。如检测到的其他电气参数为U_s、U_c与电容电流存在如下关系：

I_C＝g(U_s，U_c)；

则根据电容与电压、电流的关系可以得到母线电容容量值C，即

C＝f(U_c，I_c)＝f(U_c，g(U_s，U_c))

此外，电容电流还可通过电流控制电路进行给定，也就是说电容电流相当于一个常数，大小根据电流控制电路的给定值进行变化，电路处于一个相对稳定的充放电状态，此时，只要测得待测母线电容两端的电压，根据电容与电压之间的关系，即可计算得出母线电容容量值，从而实时检测母线电容容量状态。

这种条件下，可根据公式(2)计算母线电容容量，其中，分子部分相当于对常数进行积分，母线电容与电压存在如下关系：

C＝f(U_c)

求得母线电容容量值。

图3为本发明在线监测母线电容容量状态的方法流程图。如图3所示，该方法包括如下步骤：

1)检测电容电压参数和电容电流参数，母线电容容量估算开始前，起始时刻为t₀时，检测电容电压的初始值U_C(t₀)、电容电流的初始值I_c(t₀)，预设此时电容容量状态参数C_state＝0；

2)接通电源，电路软启动，采样周期为T_s，t₁＝t₀+1×T_s时刻，检测母线电容电压值U_c(t₁)和母线电容电流值i_c(t₁)；

3)母线电容与电容电流、电容电压及时间的函数关系如公式(3)，对公式(3)两端同时取积分，得到函数公式(2)，将电容容量转化为电容电流积分与电容电压参数的关系；按照公式(4)梯形近似的方法近似求得电容电流积分项，从而按照公式(1)估算得到电容容量；计算t₁时刻母线电容容量估算值C₁＝∑i_c1/(U_c(t₁)-U_c(t₀))；

4)判断t₁时刻母线电容容量估算值C₁是否大于母线电容正常容量的下限值C_{dn_lmt}且小于母线电容正常容量的上限值C_{up_lmt}，是则电容状态参数C_state加1，否则电容状态参数C_state减1；

5)后续每个采样时刻t_k＝t₀+k×T_s，计算当前时刻母线电容容量估算值C_k＝∑i_ck/(U_c(t_k)-U_c(t₀))；

6)判断步骤5)中估算得到的电容容量C是否大于母线电容正常容量的下限值C_{dn_lmt}且小于母线电容正常容量的上限值C_{up_lmt}，是则电容容量状态参数C_state加1，否则电容容量状态参数C_state减1；重复2)～4)步骤直至估算过程结束；

7)母线电容容量估算结束后，判断电容容量状态参数的值是否大于0，是则认为母线电容容量正常，否则认为母线电容容量异常，从而实现实时在线监测母线电容容量状态。

图4至图7为本发明在线监测母线电容容量状态的电路中在输入不同电压情况下的母线电容估算波形图。如图4至图7所示，将图2电路中测得的输入电压U_s、电容电流I_c和电容电压U_C的值输入到仿真装置，通过仿真装置分析处理，得出母线电容容量估算值，实现对母线电容容量状态的实时监控。结合图2所示电路进行说明。

设直流输入电压Us_dc＝600V，交流输入电压Us_ac可设置，输入电压内阻Rs可设置，软启动电阻R＝120Ω，母线电容C容量为10200μF，将测得的输入电压U_s、电容电流I_c和电容电压U_C的值输入到仿真装置，设仿真步长为5毫秒，仿真时间为5秒，通过分析不同输入电压情况下的仿真波形图，分析电容的状态。

图4所示为输入电压为恒压源时的母线电容估算波形，即Us_ac＝0V，Rs＝0Ω，直流输入电压Us_dc＝600V时，根据实时测得的电容电流I_c和电容电压U_C，可以看出电容不断充电直至电容电压与恒压源电压值相同，母线电容估算值接近母线电容C的额定值。

图5所示为输入电压为有内阻的电压源时的母线电容估算波形，即Us_ac＝0V，Rs＝60Ω，直流输入电压Us_dc＝600V时，根据实时测得的电容电流I_c和电容电压U_C，可以看出电容不断充电直至电容电压接近直流输入电压值，母线电容估算值接近母线电容C的额定值。

图6所示为输入电压为波动电压源时的母线电容估算波形，即Us_ac＝60V，Rs＝0Ω，直流输入电压Us_dc＝0V时，根据实时测得的电容电流I_c和电容电压U_C，可以看出电容不断充放电直至达到与交流电有效值相同的电压，并形成不断充放电的稳定结构，母线电容估算值接近母线电容C的额定值。

图7所示为输入电压为有内阻的波动电压源时的母线电容估算波形，即Us_ac＝60V，Rs＝60Ω，直流输入电压Us_dc＝0V时，根据实时测得的电容电流I_c和电容电压U_C，可以看出电容不断充放电直至达到与交流电有效值接近的电压值，并形成不断充放电的稳定结构，母线电容估算值接近母线电容C的额定值。

由图4-图7可见，仿真输出的母线电容容量的估算值都非常接近电容容量额定值10200μF，可以得出电容容量是电容自身的特征，与输入电压关系不大，具有广泛的适用性。

本发明解决了电力电子电路中母线电容容量自动在线检测并实时上报母线电容状态的技术问题，使用户能够及时发现电容性能下降及其可能导致的故障隐患，降低维护成本和维护技术难度。

有益效果：本发明公开一种在线监测母线电容容量状态的方法，实时检测母线电容充放电过程中的电容电流实时值和电容电压实时值，根据母线电容是电容电流、电容电压及时间的函数，按照函数关系对电容容量进行估算，通过判断电容容量的估算值是否正常，实现在线监测母线电容状态。该方法能够及时发现电容性能下降及其可能导致的故障隐患，无需定期强制更换母线电容，降低了维护成本，而且无需专门的检测仪器设备，对维护人员没有要求，降低维护成本和维护技术难度。

Claims (9)

1.一种在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：检测获得电容电压参数U_c和电容电流参数i_c，预设电容初始状态时，电容容量状态参数C_state为0；

S2：设定母线电容正常容量的下限值C_{dn_lmt}和母线电容正常容量的上限值C_{up_lmt}；根据下述公式(1)估算当前时刻的电容容量C：

$C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_0^k\frac{i_c\left(k\right)+i_c(k-1)}{2}{T}_s}{U_c(t_0+k{T}_s)-U_c\left(t_0\right)}$ (式1)

其中，C为母线电容容量，i_c为电容电流，U_c为电容电压，时间为t，采样周期为T_s，初始时刻为t₀，当前时刻为t_k，t_k＝t₀+k×T_s；

S3：判断步骤S2中估算得到的电容容量C是否大于母线电容正常容量的下限值C_{dn_lmt}且小于母线电容正常容量的上限值C_{up_lmt}，是则电容容量状态参数C_state加1，否则电容容量状态参数C_state减1；重复S2～S3步骤直至估算过程结束；

S4：母线电容容量估算结束后，判断电容容量状态参数C_state的值是否大于0，是则母线电容容量正常，否则母线电容容量异常，从而实现实时在线监测母线电容容量状态。

2.根据权利要求1所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，所述步骤S2中，母线电容容量的估算算法由微处理器或者可编程逻辑器件控制完成。

3.根据权利要求2所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，所述微处理器包括但不仅限于单片机、DSP，可编程逻辑器件包括但不仅限于CPLD、FPGA。

4.根据权利要求1所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括根据下述公式(2)估算母线电容容量C，

$C=\frac{{\∫}_{t0}^t{i}_c\left(t\right)\mathrm{dt}}{U_c\left(t\right)-U_c\left(t_0\right)}$ (式2)。

5.根据权利要求4所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，根据下述公式(3)两边进行积分运算得到公式(2)，

$i_c\left(t\right)=C\frac{{\mathrm{dU}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ (式3)。

6.根据权利要求1所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，所述步骤S1中获得电容电流的方法还包括通过检测其他电气参数，根据电气参数与电容电流的关系间接计算得出。

7.根据权利要求6所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，所述步骤S2中估算母线电容的容量值由电容电压、检测到的电气参数按照一定的函数关系计算得出。

8.根据权利要求1所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，所述步骤S1中电容电流由电流控制电路给定。

9.根据权利要求8所述的在线监测母线电容容量状态的方法，其特征在于，母线电容容量值由电容电压、电流控制电路给定电流按照一定的函数关系计算得出。

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