CN106655321B - 电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用充放电装置及方法 - Google Patents
电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用充放电装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电装置及方法，所述装置包括高压信号源、高压二极管D、恒流/恒压充电控制模块、高压继电器K1、恒功率/恒流放电调节模块、泄漏电流测量模块、分压电阻网络R、精密电流采样电阻器Rs、功率三极管Q1、高压场效应管Q2和微处理器；在充电过程中，对充电电压和充电电流进行监测，通过恒流/恒压充电控制模块实现充电过程的恒流充电或恒压充电；在电容器漏电流/绝缘电阻测量测量完成后，通过恒功率/恒流放电调节模块调节Q2栅极电压，实现在放电电流低于系统放电电流阈值时为恒功率放电，当放电电流达到系统放电电流阈值时为恒流放电。本发明能够提高电解电容器的充放电效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容器绝缘电阻测量装置，尤其涉及电解电容器绝缘电阻测量过程中的柔性高效充电和放电的装置和方法。
背景技术
电解电容器绝缘性能测量是电解电容器安规检测的重要内容，电解电容器的漏电流/绝缘电阻测量过程是：电容器充电+漏电流/绝缘电阻测量+电容器放电。在漏电流/绝缘电阻测量时必须保证电容器已充满电荷，否则测量时的电流值中将含有充电电流分量，且该充电电流会随着进入稳态而缓慢减小，导致测量出现较大误差；在测量完成后，必须给电容器放电，否则大容量电容器将形成安全隐患。在整个测量环节中，电容器充放电耗时远远大于漏电流/绝缘电阻测量环节的耗时，因此，在自动化大规模生产过程中，对电解电容器的充放电效率提出越来越高的要求。
传统漏电流/绝缘电阻测量仪用的电容器充放电均采用恒压充电、RC放电模式。在恒压充电模式中，充电电源内阻R与被测电容器C构成时间常数为τ＝RC的一阶低通滤波器电路，为获得稳态误差小于1％的高压，需要5τ的充电时间，由于被测电容器C(电解电容器)的电容值一般较大，故充电时间很长。分析该充电过程，在开始的时候充电电流大，随着被测电容器C两端电压的逐步上升/下降，充电电流逐渐减小，充电效率随着逐渐降低。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电装置及充放电方法，以提高电解电容器的充放电效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电装置，包括高压信号源、高压二极管D、恒流/恒压充电控制模块、高压继电器K1、恒功率/恒流放电调节模块、泄漏电流测量模块、分压电阻网络R、精密电流采样电阻器Rs、功率三极管Q1、高压场效应管Q2和微处理器；
所述恒流/恒压充电控制模块包括微处理器、电压检测单元、电流检测单元、电压设置单元、电流设置单元、恒压调节单元和恒流调节单元；分压电阻网络R的分压信号和精密电流采样电阻器Rs的前端电压信号提供给电压检测单元，电压检测单元的输出信号提供给恒压调节单元和微处理器，微处理器通过电压设置单元设定恒压充电电压阈值并输出至恒压调节单元的参考信号端，恒压调节单元的输出信号接功率三极管Q1的基极；精密电流采样电阻器Rs的前端电压信号和精密电流采样电阻器Rs的末端电压信号提供给电流检测单元，电流检测单元的输出信号提供给恒流调节单元和微处理器，微处理器通过电流设置单元设定恒流充电电流阈值并输出至恒流调节单元的参考信号端，恒流调节单元的输出信号接功率三极管Q1的基极；
所述高压信号源的高压侧输出端接高压二极管D的阴极，高压二极管D的阳极分别与分压电阻网络R的高压侧、被测电容器C的高压侧和高压场效应管Q2的漏极相连，被测电容器C的低压侧接高压继电器K1的根触点，高压继电器K1的常闭触点接精密电流采样电阻器Rs的末端和高压场效应管Q2的源极，高压继电器K1的常开触点接泄漏电流测量模块的输入端，泄漏电流测量模块的输出信号提供给微处理器，微处理器设定恒功率/恒流放电阈值并输出至恒功率/恒流放电调节模块的参考信号端，恒功率/恒流放电调节模块的输出信号接高压场效应管Q2的栅极；所述高压信号源的回流端接功率三极管Q1的集电极，功率三极管Q1的发射极分别与分压电阻网络R的低压侧和精密电流采样电阻器Rs的前端相连；微处理器产生的高压信号源输出信号和高压信号源切断控制信号提供给高压信号源。
一种基于上述装置的电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电方法，为：
根据系统响应速度设计最优上升时间T、恒流/恒压充电模式转换阈值Vth和充电电压稳态误差εu，设被测电容器C两端的设定充电电压为Up，充电刚开始时为预充电阶段；t时刻被测电容器C两端的充电电压为U(t)，t时刻的充电电流为I(t)；充电过程包括如下步骤：
(1)预充电阶段：U(t)＜＜Up，通过恒流/恒压充电控制模块控制被测电容器C为恒流充电，此时的充电电流为Ia；预充电阶段持续达1s时刻或充电电压U(t)达到Up×5％时刻为预充电阶段结束时刻，预充电阶段结束时刻的充电电压记为Upre，在预充电阶段结束时刻进入步骤(2)；
(2)首先测量预充电阶段结束时刻充电电压的上升斜率为接着计算被测电容器C的电容值为然后通过电容值C、预充电阶段结束时刻的充电电压U0.1s和最优上升时间T计算最优充电电流进入步骤(3)；
(3)通过恒流/恒压充电控制模块控制被测电容器C为恒流充电，此时的充电电流为Iopt，进入步骤(4)；
(4)当充电电压U(t)与设定充电电压Up的偏差小于恒流/恒压充电模式转换阈值Vth，即|U(t)-Up|≤Vth时，通过恒流/恒压充电控制模块控制被测电容器C为恒压充电，此时的充电电压为Up，进入步骤(5)；
(5)当充电电压U(t)与设定充电电压Up的偏差小于充电电压稳态误差εu，即|U(t)-Up|≤εu时，充电过程结束，由泄漏电流测量模块进行泄漏电流测量；
(6)在步骤(3)过程中，若充电电压U(t)上升斜率发生斜率拐点，则判断出现电容器绝缘劣化现象，系统根据需要进行相应的安全保护，防止出现安全事故；
根据系统额定电流和被测电容器C设计最大放电电流Ith，根据系统额定功率和被测电容器C设计最优放电功率pth；放电过程包括如下步骤：在被测电容器C放电过程中，电压检测单元对t时刻电容器C两端的放电电压u(t)进行检测，电流检测单元对t时刻的放电电流i(t)进行检测：当放电电流i(t)小于最大放电电流Ith时，计算瞬时放电功率p(t)＝u(t)×i(t)，由恒功率/恒流放电调节单元根据瞬时放电功率p(t)调节高压场效应管Q2的栅极电压，使得放电功率恒定为最优放电功率pth；随着放电电压u(t)逐渐减小，放电电流i(t)逐渐增大，当放电电流i(t)大于等于最大放电电流Ith时，由恒功率/恒流放电调节单元调节高压场效应管Q2的栅极电压，以维持放电电流恒定为最大放电电流Ith。
有益效果：本发明提供的电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电装置及充放电方法，具有如下优势：1、比传统电容器绝缘性能测量过程中的充放电时间大大缩短，效率显著提高；2、在充电过程中实时监测电容器绝缘性能，当出现绝缘劣化时及时保护，预防出现安全事故，系统可靠性大为提高。
附图说明
图1为本发明装置的电路结构示意图；
图2为本发明装置的一种实现电路；
图3为采用本发明装置对被测电容器进行充放电，被测电容器两端的实测电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
为提高效率，本案提出在充电过程中，当电容器两端电压远小于预定电压时采用恒流充电，在接近预定电压时采用恒压充电。充电电流越大，充电时间就越短，效率越高。但对于电解电容器绝缘电阻测量仪，充电电流过大，会导致充电斜率过高，容易形成过冲，造成电解电容器充电电流的极性翻转，引起测量误差，反映为在漏电流/绝缘电阻测量时测量值出现负值，无法正常使用；另外，在电容器漏电流/绝缘电阻测量过程中，当电容器存在绝缘缺陷时，在电容器两端电压上升到某一中间值时泄漏电流会突然变大，此时，应该即时进行电路保护，降低电压并进行报警，这些因素均体现出电容器漏电流/绝缘电阻测量的复杂性与特殊性。合理选择充电电流，根据系统响应时间合理选择充电电压上升斜率成为电容器漏电流/绝缘电阻测量的关键。针对这一问题，本案提出一种柔性恒流充电技术，首先采用一个较小的恒定电流Ia给电容器预充电，测量电容器C两端电压上升斜率再由算法计算出被测电容器的电容值进而由C值和最优上升时间T得到最优充电电流进行恒流充电。这里最优上升时间取决于系统的响应速度。在恒流充电过程中，一旦监测到充电电压斜率发生变化，即出现绝缘劣化的现象，系统将根据需要进行相应安全保护，防止出现安全事故。
电容器放电过程是影响测量效率的另一个关键因素，传统仪器将电容器C并联一个放电电阻R进行放电，其放电时间取决于放电时间常数，存在与传统充电过程类似的稳定时间长的缺点。分析该过程，起始放电时，由于电容器两端的电压高，显然开始的时候不能承受较大放电电流，而随着放电过程的进行，电容器两端的电压逐步降低，放电电流逐步增加。如果选择放电电阻，则放电电阻的功率要求很大，且放电后期，放电速度越来越慢，效率很低。本案提出，在放电开始时采用恒功率放电模式，监测放电电压，调节放电电流，保持放电功率恒定，当放电电流大于某一阈值时保持恒流放电。恒功率/恒流放电模式相比于RC放电具有速度快、无残压的优点。
基于本发明专利的充放电装置与方法，比传统电容器绝缘性能测量过程中的充放电时间大大缩短，效率大为提高，且在充电过程中实时监测电容器绝缘性能，当出现绝缘劣化时及时保护，预防出现安全事故，系统可靠性大为提高。
如图1和图2所示，为一种电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电装置，包括高压信号源、高压二极管D、恒流/恒压充电控制模块、高压继电器K1、恒功率/恒流放电调节模块、泄漏电流测量模块、分压电阻网络R、精密电流采样电阻器Rs、功率三极管Q1、高压场效应管Q2和微处理器。
所述恒流/恒压充电控制模块包括微处理器、电压检测单元、电流检测单元、电压设置单元、电流设置单元、恒压调节单元和恒流调节单元；分压电阻网络R的分压信号和精密电流采样电阻器Rs的前端电压信号提供给电压检测单元，电压检测单元的输出信号提供给恒压调节单元和微处理器，微处理器通过电压设置单元设定恒压充电电压阈值并输出至恒压调节单元的参考信号端，恒压调节单元的输出信号接功率三极管Q1的基极；精密电流采样电阻器Rs的前端电压信号和精密电流采样电阻器Rs的末端电压信号提供给电流检测单元，电流检测单元的输出信号提供给恒流调节单元和微处理器，微处理器通过电流设置单元设定恒流充电电流阈值并输出至恒流调节单元的参考信号端，恒流调节单元的输出信号接功率三极管Q1的基极。
所述高压信号源的高压侧输出端接高压二极管D的阴极，高压二极管D的阳极分别与分压电阻网络R的高压侧、被测电容器C的高压侧和高压场效应管Q2的漏极相连，被测电容器C的低压侧接高压继电器K1的根触点，高压继电器K1的常闭触点接精密电流采样电阻器Rs的末端和高压场效应管Q2的源极，高压继电器K1的常开触点接泄漏电流测量模块的输入端，泄漏电流测量模块的输出信号提供给微处理器，微处理器设定恒功率/恒流放电阈值并输出至恒功率/恒流放电调节模块的参考信号端，恒功率/恒流放电调节模块的输出信号接高压场效应管Q2的栅极；所述高压信号源的回流端接功率三极管Q1的集电极，功率三极管Q1的发射极分别与分压电阻网络R的低压侧和精密电流采样电阻器Rs的前端相连；微处理器产生的高压信号源输出信号和高压信号源切断控制信号提供给高压信号源。
下面以-1000V条件下的铝电解电容器100uF的漏电流/绝缘电阻测量为例，阐述本发明方法的实现过程：
(1)将高压继电器K1切换到常闭触点，高压母线电压设定为-1200V；设定最优上升时间T＝10s，设定恒流/恒压充电模式转换阈值Vth＝Up×99％，设定充电电压稳态误差εu，设定充电电压Up＝-1000V；
(2)预充电阶段为恒流充电，充电电流Ia＝10mA，被测电容器C两端的充电电压为Upre＝Up×5％＝-50V时为预充电阶段结束时刻，计算开始充电时刻到预充电阶段结束时刻的时长为t，计算
(3)计算最优充电电流在预充电阶段结束时刻之后，依然为恒流充电，此时充电电流为Iopt；
(4)在充电过程中，在|U(t)-Up|＞|Vth|情况下，实时监测若发生斜率拐点，则判断出现电容器绝缘劣化现象，停止充电并进行相应保护；
(5)在充电过程中，当|U(t)-Up|≤|Vth|时，转换为恒压充电，直至充电电压U(t)与设定充电电压Up的偏差小于充电电压稳态误差εu；恒压充电的充电电压为Up；
(6)将高压继电器K1切换到常开触点，进行泄漏电流检测，并计算绝缘电阻值；
(7)泄漏电流检测完成后，将高压继电器K1切换到常闭触点，进入放电过程；
(8)实时监测电容器C两端的放电电压u(t)和放电电流i(t)，当放电电流i(t)小于500mA时，调节高压场效应管Q2的栅极电压，使得放电功率恒定为最优放电功率pth；
(9)当放电电流i(t)大于等于500mA时，调节高压场效应管Q2的栅极电压，以维持放电电流恒定为500mA。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电装置，其特征在于：包括高压信号源、高压二极管(D)、恒流/恒压充电控制模块、高压继电器(K1)、恒功率/恒流放电调节模块、泄漏电流测量模块、分压电阻网络(R)、精密电流采样电阻器(Rs)、功率三极管(Q1)、高压场效应管(Q2)和微处理器；
所述恒流/恒压充电控制模块包括微处理器、电压检测单元、电流检测单元、电压设置单元、电流设置单元、恒压调节单元和恒流调节单元；分压电阻网络(R)的分压信号和精密电流采样电阻器(Rs)的前端电压信号提供给电压检测单元，电压检测单元的输出信号提供给恒压调节单元和微处理器，微处理器通过电压设置单元设定恒压充电电压阈值并输出至恒压调节单元的参考信号端，恒压调节单元的输出信号接功率三极管(Q1)的基极；精密电流采样电阻器(Rs)的前端电压信号和精密电流采样电阻器(Rs)的末端电压信号提供给电流检测单元，电流检测单元的输出信号提供给恒流调节单元和微处理器，微处理器通过电流设置单元设定恒流充电电流阈值并输出至恒流调节单元的参考信号端，恒流调节单元的输出信号接功率三极管(Q1)的基极；
所述高压信号源的高压侧输出端接高压二极管(D)的阴极，高压二极管(D)的阳极分别与分压电阻网络(R)的高压侧、被测电容器(C)的高压侧和高压场效应管(Q2)的漏极相连，被测电容器(C)的低压侧接高压继电器(K1)的根触点，高压继电器(K1)的常闭触点接精密电流采样电阻器(Rs)的末端和高压场效应管(Q2)的源极，高压继电器(K1)的常开触点接泄漏电流测量模块的输入端，泄漏电流测量模块的输出信号提供给微处理器，微处理器设定恒功率/恒流放电阈值并输出至恒功率/恒流放电调节模块的参考信号端，恒功率/恒流放电调节模块的输出信号接高压场效应管(Q2)的栅极；所述高压信号源的回流端接功率三极管(Q1)的集电极，功率三极管(Q1)的发射极分别与分压电阻网络(R)的低压侧和精密电流采样电阻器(Rs)的前端相连；微处理器产生的高压信号源输出信号和高压信号源切断控制信号提供给高压信号源。
2.一种基于权利要求1所述装置的电解电容器漏电流/绝缘电阻测量仪用柔性充放电方法，其特征在于：
根据系统响应速度设计最优上升时间T、恒流/恒压充电模式转换阈值Vth和充电电压稳态误差εu，设被测电容器(C)两端的设定充电电压为Up，充电刚开始时为预充电阶段；t时刻被测电容器(C)两端的充电电压为U(t)，t时刻的充电电流为I(t)；充电过程包括如下步骤：
(1)预充电阶段：U(t)＜＜Up，通过恒流/恒压充电控制模块控制被测电容器(C)为恒流充电，此时的充电电流为Ia；预充电阶段持续达1s时刻或充电电压U(t)达到Up×5％时刻为预充电阶段结束时刻，预充电阶段结束时刻的充电电压记为Upre，在预充电阶段结束时刻进入步骤(2)；
(2)首先测量预充电阶段结束时刻充电电压的上升斜率为接着计算被测电容器(C)的电容值为然后通过电容值C、预充电阶段结束时刻的充电电压U0.1s和最优上升时间T计算最优充电电流进入步骤(3)；
(3)通过恒流/恒压充电控制模块控制被测电容器(C)为恒流充电，此时的充电电流为Iopt，进入步骤(4)；
(4)当充电电压U(t)与设定充电电压Up的偏差小于恒流/恒压充电模式转换阈值Vth，即|U(t)-Up|≤Vth时，通过恒流/恒压充电控制模块控制被测电容器(C)为恒压充电，此时的充电电压为Up，进入步骤(5)；
(5)当充电电压U(t)与设定充电电压Up的偏差小于充电电压稳态误差εu，即|U(t)-Up|≤εu时，充电过程结束，由泄漏电流测量模块进行泄漏电流测量；
(6)在步骤(3)过程中，若充电电压U(t)上升斜率发生斜率拐点，则判断出现电容器绝缘劣化现象，系统根据需要进行相应的安全保护，防止出现安全事故；
根据系统额定电流和被测电容器(C)设计最大放电电流Ith，根据系统额定功率和被测电容器(C)设计最优放电功率pth；放电过程包括如下步骤：在被测电容器(C)放电过程中，电压检测单元对t时刻被测电容器(C)两端的放电电压u(t)进行检测，电流检测单元对t时刻的放电电流i(t)进行检测：当放电电流i(t)小于最大放电电流Ith时，计算瞬时放电功率p(t)＝u(t)×i(t)，由恒功率/恒流放电调节单元根据瞬时放电功率p(t)调节高压场效应管(Q2)的栅极电压，使得放电功率恒定为最优放电功率pth；随着放电电压u(t)逐渐减小，放电电流i(t)逐渐增大，当放电电流i(t)大于等于最大放电电流Ith时，由恒功率/恒流放电调节单元调节高压场效应管(Q2)的栅极电压，以维持放电电流恒定为最大放电电流Ith。
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