CN113447737B - 空调变频控制器中的电解电容监测方法 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例提供了一种空调变频控制器中的电解电容监测方法，包括：预先确定在空调变频控制器中的电解电容达到使用寿命时，所述电解电容在空调控制板的直流母线上产生的最大纹波电压；在所述空调变频控制器的工作过程中，获取直流母线上第一测点的电压信号经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的实时纹波电压；将所述最大纹波电压在所述第一测点经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的电压作为纹波电压门限；根据所述实时纹波电压与纹波电压门限，确定所述电解电容是否达到使用寿命。本发明可以实现对电解电容的在线健康状况的实时监测，也可以提高纹波电压的电压值，便于在较大直流成分上识别波纹信号。
Description
技术领域
本说明书一个或多个实施例涉及空调技术领域，尤其涉及一种空调变频控制器中的电解电容监测方法。
背景技术
目前，变频技术因其所具有的节能、舒适的特点已经成为白色家电产品发展主要方向，尤其是在空调新能效标准于2020年7月正式实施后，家用空调将全面变频化。为满足电流谐波要求，变频空调室外变频控制器需搭载功率因数校正(英文为PowerFactorCorrecTIon，简称PFC)电路，变频控制器内的高压大容量铝电解电容在PFC电路和后端逆变负载中起稳定直流母线电压、储能等作用。但随着电解电容工作时间不断加长，其电解液将缓慢挥发而减少，尤其在制冷工况下室外变频控制器所处环境温度很高，较高的环境温度也会使得电解液不断减少，加速了电解电容的老化。电解电容老化后，其滤波、稳压效果明显下降，产生的纹波电压加大，直接影响到变频控制策略，甚至导致变频控制器失效，但是目前尚无在线实时监测电解电容健康状态的方案。
发明内容
本说明书一个或多个实施例描述了一种空调变频控制器中的电解电容监测方法。
本发明提供了一种空调变频控制器中的电解电容监测方法，包括：
预先确定在空调变频控制器中的电解电容达到使用寿命时，所述电解电容在空调控制板的直流母线上产生的最大纹波电压；
在所述空调变频控制器的工作过程中，获取直流母线上第一测点的电压信号经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的实时纹波电压；所述直流母线上的第一测点和接地端之间至少包括两个电阻以及设置在所述两个电阻之间的第二测点，所述第二测点为直流信号测点；
将所述最大纹波电压在所述第一测点经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的电压作为纹波电压门限；
根据所述实时纹波电压与纹波电压门限，确定所述电解电容是否达到使用寿命。
本说明书实施例提供的空调变频控制器中的电解电容监测方法，采集直流母线上的纹波电压在第一测点经过预设电解电容纹波检测电路后的实时纹波电压，并将该实时纹波电压与纹波电压门限进行比较，从而判断所述电解电容是否达到使用寿命，实现对电解电容的在线健康状况的实时监测，可以在电解电容达到使用寿命时及时更换控制板。而且本申请在第一测点采集信号，相对于现有技术中的第二测点，可以提高纹波电压的电压值，便于在较大直流成分上识别波纹信号。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本说明书一个实施例中空调变频控制器中的电解电容监测方法的流程示意图；
图2是本说明书一个实施例中预设电解电容纹波检测电路的结构示意图；
图3是本发明书一个实施例中直流母线上的实际电压的波形图；
图4是本发明书一个实施例中第一测点上的实际电压和第一交流信号的波形图；
图5是本发明书一个实施例中第三交流信号的波形图。
附图标记：第一电阻-R1；第二电阻-R2；第三电阻-R3；第四电阻-R4；第五电阻-R5；第六电阻-R6；第七电阻-R7；交流耦合电容-C1；整流二极管-D1；模拟数字转换模块-ADC1、ADC2。
具体实施方式
下面结合附图，对本说明书提供的方案进行描述。
如图1和2所示，本申请实施例提供一种空调变频控制器中的电解电容监测方法，该方法包括如下步骤：
S110、预先确定在空调变频控制器中的电解电容达到使用寿命时，所述电解电容在空调控制板的直流母线上产生的最大纹波电压；
可理解的是，该步骤需要预先完成，例如，在设计阶段完成。
其中，空调变频控制器为空调的室外控制器。
可理解的是，随着空调变频控制器使用时间的延长，纹波电压越大，纹波电压为交流信号。
可理解的是，空调变频控制器需要对直流母线电压进行监控，其一是监控直流母线电压在所需的正常范围内，防止过压、欠压等问题；其二是为PFC电路提供参考电压，保证不同输入电压或负载大小情况下保证直流母线电压的稳定性。
在具体实施时，S110可以具体包括如下步骤：
S111、确定所述空调变频控制器所适用空调机型的最大输入功率，以及所述空调变频控制器中的所述电解电容在达到使用寿命时对应的最小容量；
参见下文中的第二公式可知，直流母线上的纹波电压正比于变频空调的输入功率，反比于电解电容的容量，为了后续对电解电容是否达到使用寿命进行判断，需要确定纹波电压的最大值，即最大纹波电压。所以首先要确定空调变频控制器适用的空调机型的最大输入功率，以及所述电解电容在达到使用寿命时对应的最小容量。
在具体实施时，S111中确定最小容量的过程可以包括：
S111a、确定所述空调变频控制器中的所述电解电容的标称值；
其中，标称值是指空调变频控制器中对电解电容标定的容量为标称值。S111b、确定所述空调变频控制器中的所述电解电容的容量误差范围；
可理解的是，任何标称值都是有误差的，例如，电解电容的容量误差范围为±20％。
S111c、确定所述空调变频控制器中的所述电解电容在达到使用寿命时静电容量与标称值之间的比值；
也就是说，当电解电容的容量下降到一定值后电解电容就达到了使用寿命，例如，据相关研究文献，电解电容的静电容量低至初始值的80％，就认为该电解电容的寿命已经终止，需要更换，此时比值为0.8。
S111d、根据所述标称值、所述容量误差范围和所述比值，确定所述最小容量。
在具体实施时，S111d可以采用第一公式计算所述最小容量，所述第一公式包括：
Cmin＝C0*(1-α)*β
式中，Cmin为所述最小容量，C0为所述标称值，α为所述容量误差范围中的最大值，β为所述比值。例如，电解电容的容量误差范围为±10％，则α为0.1。
举例来说，标称值为680uF的电解电容，上述比值为0.8，电解电容的容量误差范围为±20％，则对应的最小容量为：435.2uF。
S112、在所述最大输入功率的工况下，采用标称值为所述最小容量的电解电容进行最大纹波电压测试，得到最大纹波电压测试值；
例如，在最大输入功率1500W工况下，对标称值为435.2uF的电解电容进行最大纹波电压测试，实际测试得到的最大纹波电压测试值
具体可以通过示波器获取最大纹波电压测试值。
S113、计算所述最小容量和所述最大输入功率对应的最大纹波电压理论值；
在具体实施时，可以采用第二公式计算最大纹波电压理论值，所述第二公式包括：
式中，
为最大纹波电压理论值，P为所述最大输入功率，f为输入电压频率，Cmin为所述最小容量，U0为所述直流母线的电压。
S114、选取所述最大纹波电压测试值和所述最大纹波电压理论值中的最大值作为所述最大纹波电压。
这里在最大纹波电压理论值
和最大纹波电压测试值
中选择最大值作为最终的最大纹波电压
可理解的是，通过上述第二公式可知，最大纹波电压理论值没有考虑到电解电容的等效电阻，与通过实际测量得到的最大纹波电压测试值具有一定的差距。但是经过对同一厂家的电解电容多次测量和计算，获得最大纹波电压测试值和最大纹波电压理论值的差距，因此可以通过最大纹波电压理论值预测出最大纹波电压测试值的大致范围。
S120、在所述空调变频控制器的工作过程中，获取直流母线上第一测点的电压信号经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的实时纹波电压；所述直流母线上的第一测点和接地端之间至少包括两个电阻以及设置在所述两个电阻之间的第二测点，所述第二测点为直流信号测点；
其中，本申请中采用的是第一测点，而第二测点实际上现有技术中采用的测点。在现有技术中，第二测点连接一个模拟数字转换模块ADC1，直接获取第二测点的波纹电压。例如，在图2中，直流母线电压记为U0，进入ADC1的电压为Vp＝U0*R4/(R1+R2+R3+R4)，其中各个电阻为可以为贴片电阻。
可理解的是，直流母线的稳压和储能必须用到高压大容量铝电解电容，电解电容因其自身特点和生产工艺原因，不是理想的电容，存在串联等效电阻(简称ESR)，产生电流纹波，导致电容发热；另外因长时间工作，电解液将挥发，电容容量减少。容量减少后，直流母线纹波电压不断加大。直流母线电压一般是300多V，以350V为例，当负载在1K多瓦时，直流母线电压纹波为20V左右，假如采用现有方案，在第二测点连接一个模拟数字转换模块ADC1，实际上很难纹波电压，纹波电压是交流信号。因为直流350V要衰减近百倍得到模拟数字转换模块ADC1能处理的电压，20V左右纹波电压衰减近百倍后，电压值太小，模拟数字转换模块ADC1在较大直流成分上识别小信号交流信号的难度很大，所以本申请采用在第一测点进行监测。
在具体实施时，预设电解电容纹波检测电路包括：交流耦合模块、分压模块、整流模块和模拟数字转换模块；其中，
所述交流耦合模块，一端连接空调控制板的直流母线上的第一测点，另一端连接所述分压模块，用于通过电容耦合的方式提取出所述第一测点的第一交流信号；
所述分压模块，输入端与所述交流耦合模块连接，输出端与所述整流模块连接，用于将所述交流耦合模块输出的第一交流信号进行分压，得到第二交流信号；
所述整流模块，输入端与所述分压模块连接，输出端与所述模拟数字转换模块连接，用于去掉所述第二交流信号中的负端信号，得到第三交流信号；
所述模拟数字转换模块，输入端与所述整流模块连接，输出端与所述控制模块连接，用于将所述第三交流信号转换为数字信号，得到所述实时纹波电压。
也就是说，通过所述交流耦合模块提取出直流母线上第一测点的波纹电压，提取出的波纹电压称之为第一交流信号，将提取出的第一交流信号经过所述分压模块分压，得到第二交流信号；通过整流模块对第二交流信号进行整流，去掉负端信号，保留正端信号，从而得到第三交流信号；将第三交流信号输入到模拟数字转换模块ADC2中，将模拟信号转换为数字信号，即得到实时波纹电压。
在具体实施时，如图2所示，所述直流母线上可以包括依次连接的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，所述第一测点设置在所述第二电阻R2和所述第三电阻R3之间。第二测点设置在第三电阻R3和第四电阻R4之间。如图3所示，直流母线上的实际电压包括直流成分和交流成分(即纹波电压)，两种成分形成了图3所示的波形，文中的直流母线电压实际上指的是直流成分，纹波电压是交流成分。
在具体实施时，如图2所示，所述交流耦合模块可以包括交流耦合电容C1；所述分压模块可以包括第五电阻R5和第六电阻R6；所述第五电阻R5的一端连接所述交流耦合电容C1，另一端连接第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端接地；所述整流模块可以包括整流二极管D1，所述整流二极管D1的正极连接在所述第五电阻R5和第六电阻R6之间，所述整流二极管D1的负极连接所述模拟数字转换模块。
其中，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值至少10倍于第三电阻R3，这样可以保证交流耦合电容C1可以耦合出完整的波形。
在实际中，整流模块中除了整流二极管D1之外，还可以包括第七电阻R7，第七电阻R7的一端与整流二极管D1的负极连接，另一端接地。
在图2中，本申请采用在第三电阻R3上采集电压，而并非在第四电阻R4上采集电压，这样是为了提高纹波电压的电压值，上文中已经说明如果在第四电阻R4采样，交流信号太小。将直流母线电压U0中的纹波电压定义为Vriple,经过在第一测点采样后纹波电压Vripple_ad1＝Vriple*(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)，但是在第一测点的电压既包括直流成分，也包括交流成分(即Vripple_ad1)，第一测点的实际波形如图4中上方的波形。经过交流耦合电容C1后，得到第一交流信号，只保留了其交流成分，其波形如图4中下方的波形。再经过第五电阻R5和第六电阻R6分压，分压的作用是为了保证当大容量电解电容老化后，纹波电压较大时模拟数字转换模块ADC2都可以采集到。再分压之后，由于第二交流信号有正有负，负端信号不宜直接进入数字转换模块ADC2进行处理，因此这里将第二交流信号经过整流二极管D1整流后，得到只有正端波形的第三交流信号，例如，图5中示出的波形。第三交流信号的纹波电压为Vripple_ad2＝Vripple_ad1*(R6/(R5+R6))-VFM，整体而言，Vripple_ad2＝Vriple*(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)*(R6/(R5+R6))-VFM。该公式体现了直流母线上的纹波电压Vriple与模拟数字转换模块ADC2采集到的Vripple_ad2之间的关系。
S130、将所述最大纹波电压在所述第一测点经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的电压作为纹波电压门限；
基于上述直流母线上的纹波电压Vriple与模拟数字转换模块ADC2采集到的Vripple_ad2之间的关系，可以得知直流母线上的最大纹波电压与纹波电压门限之间的关系可以参考如下第三公式，所述第三公式包括：
式中，Umax-th为所述纹波电压门限，
为所述最大纹波电压，R1为所述第一电阻R1，R2为所述第二电阻R2，R3为所述第三电阻R3，R4为所述第四电阻R4，R5为所述第五电阻R5，R6为所述第六电阻R6，VFM为所述整流二极管D1的正向导通压降。
也就是说，将S110中确定的最大纹波电压在第一测点的分压经过图2所示的预设电解电容纹波检测电路后得到的电压作为纹波电压门限。
S140、根据所述实时纹波电压与纹波电压门限，确定所述电解电容是否达到使用寿命。
在具体实施时，如果模拟数字转换模块ADC2监测到的实时纹波电压大于或等于纹波电压门限，说明电解电容已经达到了使用寿命，达到了老化极限。如果实时纹波电压小于纹波电压门限，则说明电解电容还可以正常工作，继续进行监测即可。
在具体实施时，在确定所述电解电容达到使用寿命时，还可以向空调内机发送更换控制板的提示信息。具体可以通过内外机通讯电路将提示信息发送给内机，内机在接收到提示信息后，可以点亮控制板更换提示灯。其中内机是指位于空调位于室内的机器。
在具体实施时，本申请提供的方法还可以包括：将所述电解电容是否达到使用寿命的判断结果发送至对应机型的所述远程智能管理平台。
也就是说，将判断结果发送给远程智能管理平台，这样远程智能管理平台可以实现对电解电容健康状态的远程监控。
当然，还可以向维修中心发送需要更换控制板的提示，以实现对控制板的及时更换。
可理解的是，该方法除了步骤S110之外，其余步骤对应的计算机程序可以存储在控制板上，也可以存储在控制外之外的独立模块中，以实现对纹波电压的实时监控。
本申请提供的空调变频控制器中的电解电容监测方法，采集直流母线上的纹波电压在第一测点经过预设电解电容纹波检测电路后的实时纹波电压，并将该实时纹波电压与纹波电压门限进行比较，从而判断所述电解电容是否达到使用寿命，实现对电解电容的在线健康状况的实时监测，可以在电解电容达到使用寿命时及时更换控制板。而且本申请在第一测点采集信号，相对于现有技术中的第二测点，可以提高纹波电压的电压值，便于在较大直流成分上识别波纹信号。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、挂件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种空调变频控制器中的电解电容监测方法，其特征在于，包括：
预先确定在空调变频控制器中的电解电容达到使用寿命时，所述电解电容在空调控制板的直流母线上产生的最大纹波电压；
在所述空调变频控制器的工作过程中，获取直流母线上第一测点的电压信号经过预设电解电容纹波检测电路后得到的实时纹波电压；所述直流母线上的第一测点和接地端之间至少包括两个电阻以及设置在所述两个电阻之间的第二测点，所述第二测点为直流信号测点；
将所述最大纹波电压在所述第一测点经过所述预设电解电容纹波检测电路后得到的电压作为纹波电压门限；
根据所述实时纹波电压与纹波电压门限，确定所述电解电容是否达到使用寿命；
其中，预先确定在空调变频控制器中的电解电容达到使用寿命时，所述电解电容在空调控制板的直流母线上产生的最大纹波电压，包括：
确定所述空调变频控制器所适用空调机型的最大输入功率，以及所述空调变频控制器中的所述电解电容在达到使用寿命时对应的最小容量；
在所述最大输入功率的工况下，采用标称值为所述最小容量的电解电容进行最大纹波电压测试，得到最大纹波电压测试值；
计算所述最小容量和所述最大输入功率对应的最大纹波电压理论值；
选取所述最大纹波电压测试值和所述最大纹波电压理论值中的最大值作为所述最大纹波电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述空调变频控制器中的所述电解电容在达到使用寿命时对应的最小容量，包括：
确定所述空调变频控制器中的所述电解电容的标称值；
确定所述空调变频控制器中的所述电解电容的容量误差范围；
确定所述空调变频控制器中的所述电解电容在达到使用寿命时静电容量与标称值之间的比值；
根据所述标称值、所述容量误差范围和所述比值，确定所述最小容量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用第一公式计算所述最小容量，所述第一公式包括：
Cmin＝C0*(1-α)*β
式中，Cmin为所述最小容量，C0为所述标称值，α为所述容量误差范围中的最大值，β为所述比值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第二公式计算最大纹波电压理论值，所述第二公式包括：
式中，
为最大纹波电压理论值，P为所述最大输入功率，f为输入电压频率，Cmin为所述最小容量，U0为所述直流母线的电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预设电解电容纹波检测电路包括：交流耦合模块、分压模块、整流模块和模拟数字转换模块；其中，
所述交流耦合模块，一端连接空调控制板的直流母线上的第一测点，另一端连接所述分压模块，用于通过电容耦合的方式提取出所述第一测点中的第一交流信号；
所述分压模块，输入端与所述交流耦合模块连接，输出端与所述整流模块连接，用于将所述交流耦合模块输出的第一交流信号进行分压，得到第二交流信号；
所述整流模块，输入端与所述分压模块连接，输出端与所述模拟数字转换模块连接，用于去掉所述第二交流信号中的负端信号，得到第三交流信号；
所述模拟数字转换模块，输入端与所述整流模块连接，输出端与控制模块连接，用于将所述第三交流信号转换为数字信号，得到所述实时纹波电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述直流母线上包括依次连接的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一测点设置在所述第二电阻和所述第三电阻之间；
所述交流耦合模块包括交流耦合电容；
所述分压模块包括第五电阻和第六电阻；所述第五电阻的一端连接所述交流耦合电容，另一端连接第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端接地；
所述整流模块包括整流二极管，所述整流二极管的正极连接在所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述整流二极管的负极连接所述模拟数字转换模块。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用第三公式计算所述纹波电压门限，所述第三公式包括：
式中，Umax-th为所述纹波电压门限，
为所述最大纹波电压，R1为所述第一电阻，R2为所述第二电阻，R3为所述第三电阻，R4为所述第四电阻，R5为所述第五电阻，R6为所述第六电阻，VFM为所述整流二极管的正向导通压降。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在确定所述电解电容达到使用寿命时，向空调内机发送更换控制板的提示信息。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述电解电容是否达到使用寿命的判断结果发送至对应机型的远程智能管理平台。
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