CN111141972A - 一种基于pcb罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，该方法以PCB罗氏线圈作为电流传感器进行在线监测，包括步骤：(1)根据实际监测的电容器设计相应的PCB罗氏线圈，将其套在电容器的任意极测量电容的纹波电流；(2)利用隔离运放获得电容器的纹波电压与直流电压；(3)将纹波电流与纹波电压进行滤波输入微控制器；(4)测量电容器壳体的温度，间接得到电容器的核心温度；(5)查表或计算得到(4)求得电容器核心温度下的ESR初始值；(6)对电容器的纹波电压与纹波电流进行计算，得到电容器的实时ESR，并与初始ESR进行比较，得到电容器的运行状态，最终将信息传递给数据中心。本发明可以实时的监测电容器的运行状态。

Description

一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法。
背景技术
对大多数电力电子设备而言，电容器是其中必不可少的一部分。据统计分析，电力电子设备失效的原因大部分是电容器的损坏，而电解电容器尤为突出，为了避免电容失效后造成更大的损失，最好在电容即将失效前将其更换，我们有必要对电容的可靠性及预计寿命进行研究。目前电容的可靠性及寿命预测多根据各种技术手册与寿命预测模型，而实际依据技术手册与寿命预测模型得出的可靠性和寿命估计值与实际相差极大，因此对电容器进行状态监测是提高设备可靠性最为有效的方法。
目前电容器的状态监测主要有外部状态观测、离线监测法和在线监测法等三种方法。
外部状态观测主要是观测电容的外特性，主要是观测电容器的外形及介质损耗等因素，主要采用的方法有局部放电法、声测法与振动法等方法来观测电容器的运行状态。但由于电容器的外特性受环境与工况的影响较大，很难得到电容器实际的运行状态，因此实际意义并不是很大。
电容器的离线状态监测是监测电容器实际状态最为准确的方法，其主要的方法是对于方便拆卸的设备直接使用LCR测量器等设备对其进行测量，对于不方便拆卸的设备采用外部信号注入法来得到电容器的运行状态。由于离线法只能在电力电子设备停机时使用，且方法较为繁琐，并不适用于大规模的使用，具有很大的局限性。
电容器的在线监测基于电路模型的计算法、基于传感器测量法与基于数据的高级算法等三种方法。其中基于电路模型的计算法受电路中各个器件的影响较大，任何因素的变化都会导致实际传输信息的变化，最终求出的结果也会与实际偏差较大；基于传感器测量法多采用附加的传感器测量电容的纹波电压与纹波电流，进而求得电容的容值与ESR，但大多数的方法多采用外加电源并且传感器的体积较大，这就造成了实际应用及其不便，不利于大规模的推广应用；基于数据的高级算法多采用自适应神经模糊推理系统等方法，虽然实际检测结果较好，但该技术并不成熟，不能大规模的推广使用。
发明内容
针对上述技术背景中提到的现有的电容器在线监测中的不足，本发明提供了一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，可以实时的监测电容器的运行状态，并且具有不需外加电源、体积较小便于大规模推广、方便在已运行的电容器上安装等优点。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，包括以下步骤：
1)根据具体待监测电容器的尺寸设计一款适合该类电容器的PCB罗氏线圈，将其套在电容器的正极或负极端口测量流过电容的纹波电流；
2)利用高低电压隔离方法测得电容器两端的纹波电压与直流电压；
3)将步骤2)中测得的纹波电流与纹波电压进行滤波，获得某一频段的纹波电流与纹波电压值，将其送入微控制器；
4)利用温度温度传感器测得电容端子的温度，将其送入微控制器，利用经验公式推得电容内部热点温度；
5)将步骤4)中得到的电容内部核心热点温度带入ESR的温度与电阻值经验公式中推得该温度下的ESR值，；
6)利用步骤3)中得到的某一频段的纹波电压与纹波电流值送入低功耗的微控制器，经计算得到ESR的大小，与步骤5)中得到的ESR值进行比较，监测电容的运行状态，最终通过设置警报提醒或将数据传送至数据中心进行后续处理。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，使用PCB罗氏线圈作为电流传感器测得流过电容器的纹波电流，且PCB罗氏线圈能够根据具体要求设计成各种尺寸大小。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，由于电容器在实际应用中的阻抗ZC能够等效为电容、电阻与电感的串联模型：
ZC＝C+ESR+ESL
式中：C为电容器的容值，ESR为串联等效电阻，ESL为串联等效电感；
故在不同频段上电容器的阻抗值是不同的，测得ESR主导频段上的电容与电压值即可得到ESR的大小。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中，由于电容器的ESR值为衡量电容器运行状态的指标之一，对电解电容器而言当ESR变为原来2～3倍时即可判定电容器失效，并且电容器的ESR值受电容器核心温度影响较大，在不同核心温度下，电容器的ESR值是不同的；因此，步骤3)中得到的ESR值与步骤5)中得到的原始ESR值进行比较后监测电容器的运行状态，当监测值达到规定值时可报警或将数据实时传送至数据中心进行后续处理。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，通过利用罗氏线圈获得电容器两端的纹波电流与电压隔离方法获得电容器两端的纹波电压，将其进行滤波后得到ESR主导频段下的纹波电流与纹波电压值，利用安培定律即可得到电容器的ESR值，进而对电容器的运行状态进行监测。
首先，本发明根据具体的电容型号及实际安装要求设计一款合适的PCB罗氏线圈，罗氏线圈可以直接监测纹波电流的变化率，可直接将其套在电容正负极的任意一极，使其电流穿过线圈中间。在输出侧接入积分器就可以直接地反应纹波电流的变化。罗氏线圈的体积较小、性能稳定、价格低廉且不需要外加电源供电，可以进行大规模的推广使用，对提升整个电力电子设备的可靠性有极大的帮助。
其次，本发明直接采用了电容器正负极两端电压供电，不需要外加电源，极大的节省了监测系统的成本，而整个监测系统功率极小，与电容器所消耗的功率相比可以忽略不计。纹波电流与纹波电压的采样均采用了隔离的方式进行，极大的避免了高压侧对监测系统的干扰，提高了整个监测系统的准确性，对于电容器状态监测与提高电力电子设备可靠性有重要的意义。
综上所述，本发明能在不占用多余空间、不使用外加电源的条件下，以较低的功耗与极低的成本，便可对电容器进行在线监测，相比于目前其他的电容器状态监测方案，本发明有利于进行大规模的广泛使用，对于提高整个电力电子系统的可靠性有极大的意义。
附图说明
图1为PCB罗氏线圈结构示意图；其中，图1(a)为正面，图1(b)为反面；
图2为PCB罗氏线圈等效电路图；
图3为电容正负极供电图；
图4为电容器等效电路图；
图5为电容器阻抗变化图；
图6为采样滤波与计算原理图；
图7为ESR的温度变化曲线；
图8为监测系统设计图；
图9为设备安装图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供的一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，包括以下步骤：
1)根据具体待监测电容器的尺寸设计一款适合该类电容器的PCB罗氏线圈，使用PCB罗氏线圈作为电流传感器测得流过电容器的纹波电流，且PCB罗氏线圈能够根据具体要求设计成各种尺寸大小，其体积较小、安装方便、性能稳定，在某些情况下对已经投入使用的电容器，可在不影响其正常工作的情况下进行安装，结合测得的电压，进而求得ESR的值，通过监测ESR的变化监测电容的状态。具体要求包括安装位置处螺栓的尺寸、两个螺栓之间的间距、安装所允许的高度与电容器的最高工作电压V。如图1所示，螺栓的尺寸用于确定PCB罗氏线圈的内半径r，最高工作电压V用于确定a：
Figure BDA0002319592280000051
两个螺栓之间的距离用于确定b与外半径R，安装所允许的最大高度则用于确定PCB罗氏线圈是否增加高度h。如图2所示，PCB罗氏线圈主要是通过互感M感应流过电容的纹波电流，其中M的表达式为：
Figure BDA0002319592280000052
式中：μ0为真空磁导率，为4π×10-7N/A2，N为线圈的圈数，a、b、h如图1所示。
当采用双向绕线时，PCB罗氏线圈的自感基本可以忽略，因此可直接在输出侧接输出电阻与积分器后即可得到电容器纹波电流的变化。故将其套在电容器的正极或负极端口即可测量流过电容的纹波电流；
2)本发明采用无外加电源的方法，故需要从电容器两端取电，如图3所示，采用多级达林顿结构并联分压的方法将高电压转换为低电压供电，并采用电源芯片将高压侧与低压侧进行隔离，针对纹波电压采样模块，采用了隔离运放，能够较好的在高低电压隔离的条件下得到电容器的纹波电压；
3)如图4、图5所示，电容器的阻抗等效为电容、ESR与ESL串联电路，由电容器的等效电路可知，只有在中间一端频率中才等效为ESR的值，因此将步骤2)中测得的纹波电流与纹波电压进行滤波，获得某一频段的纹波电流与纹波电压值，将其送入微控制器，原理如图6所示；
4)如图7所示，电容器的ESR受温度的影响较大，为了提高监测的准确程度，利用温度温度传感器测得电容端子的温度，将其送入微控制器，利用经验公式推得电容内部热点温度；
5)将步骤4)中得到的核心热点温度对照datasheet中的ESR与温度变化曲线或带入ESR的温度与电阻值经验公式中推得该温度下的ESR值；
6)利用步骤3)中得到的某一频段的纹波电压与纹波电流值送入低功耗的微控制器，经计算可得到ESR的大小，与步骤5)中得到的ESR值进行比较，监测电容的运行状态，最终可设置警报提醒或将数据传送至数据中心进行后续处理，其监测系统设计图与设备安装图如图8、图9所示。
实施例：
以HCG F5A电容为例，该电容相关参数如表1所示，所使用PCB罗氏线圈结构示意图如图1所示。
表1 HCG F5A相关参数
相关参数 数值
电容容值/MFD 10000
额定直流电压/VDC 400
螺栓直径/mm 10
螺栓间距/mm 32
第一步，根据表1的相关参数求得a＝6.5mm,b＝20mm,r＝5mm,R＝21mm并由此画出PCB罗氏线圈。
第二步，如图3所示，分别从电容正负极取电，经过多级并联达林顿结构，再接稳压芯片给整个系统供电；同时利用隔离运放直接对电容器两端的纹波电压与直流电压进行采样。
第三步，由电容器的datasheet中可以得到，ESR主导的频段为10k到50k之间，故采用带通滤波器对电压与电流信号进行滤波。
第四步，利用LM35DZ监测电容端子的温度，将输出端送入MSP430F149中进行处理，利用经验公式得到电容器的核心温度。
第五步，对datasheet中的电容器ESR随温度的变化求拟合曲线，写入MSP430F149中，计算出第四部中求得核心温度对应的ESR初始值。
第六步，在MSP430F149中对电容纹波电压与纹波电流进行计算得到实时ESR值，并与初始ESR值进行比较，得到电容器的运行状态，最后利用无线传输将信息传送至数据中心。
由图9设备安装图可以看出，本监测系统位于电容的上部，基本不占用多余的空间，并且不需要外加电源，具有极大的便利性，可大规模推广使用。

Claims (4)

1.一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据具体待监测电容器的尺寸设计一款适合该类电容器的PCB罗氏线圈，将其套在电容器的正极或负极端口测量流过电容的纹波电流；
2)利用高低电压隔离方法测得电容器两端的纹波电压与直流电压；
3)将步骤2)中测得的纹波电流与纹波电压进行滤波，获得某一频段的纹波电流与纹波电压值，将其送入微控制器；
4)利用温度温度传感器测得电容端子的温度，将其送入微控制器，利用经验公式推得电容内部热点温度；
5)将步骤4)中得到的电容内部核心热点温度带入ESR的温度与电阻值经验公式中推得该温度下的ESR值，；
6)利用步骤3)中得到的某一频段的纹波电压与纹波电流值送入低功耗的微控制器，经计算得到ESR的大小，与步骤5)中得到的ESR值进行比较，监测电容的运行状态，最终通过设置警报提醒或将数据传送至数据中心进行后续处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，其特征在于，步骤1)中，使用PCB罗氏线圈作为电流传感器测得流过电容器的纹波电流，且PCB罗氏线圈能够根据具体要求设计成各种尺寸大小。
3.根据权利要求2所述的一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，其特征在于，步骤3)中，由于电容器在实际应用中的阻抗ZC能够等效为电容、电阻与电感的串联模型：
ZC＝C+ESR+ESL
式中：C为电容器的容值，ESR为串联等效电阻，ESL为串联等效电感；
故在不同频段上电容器的阻抗值是不同的，测得ESR主导频段上的电容与电压值即可得到ESR的大小。
4.根据权利要求3所述的一种基于PCB罗氏线圈的电容器运行状态在线监测方法，其特征在于，步骤6)中，由于电容器的ESR值为衡量电容器运行状态的指标之一，对电解电容器而言当ESR变为原来2～3倍时即可判定电容器失效，并且电容器的ESR值受电容器核心温度影响较大，在不同核心温度下，电容器的ESR值是不同的；因此，步骤3)中得到的ESR值与步骤5)中得到的原始ESR值进行比较后监测电容器的运行状态，当监测值达到规定值时可报警或将数据实时传送至数据中心进行后续处理。
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