CN117783799A - 高压重频脉冲电容器寿命测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高压重频脉冲电容器寿命测试装置及方法，装置包括充电回路和放电回路，所述充电回路向被测电容充电，所述放电回路包括与被测电容串联组成回路的放电开关、回路电感、回路电阻，还包括电流电压监测模块和控制模块，电流电压监测模块用于检测被测电容的电流、电压，控制模块连接控制放电开关的闭合。本发明针对重复频率脉冲电容器，建立了寿命测试方法以研究电容器在重复频率下工作的寿命特性；本发明的放电回路中，采用的晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制。本发明对多个电容器进行并联，并采用脉冲功率开关进行控制，能够大大提高电容器测试实验效率。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲电容器，特别涉及一种高压重频脉冲电容器寿命测试装置及方法。
背景技术
高压脉冲电容器是一种有特殊用途的电容器，其产品技术含量高，能提供很大的峰值电流，具有先进性和高可靠性的特点，在电力工业、国防工业及其他高新技术领域具有广泛的应用。脉冲电容器是脉冲功率技术实际应用中最普遍、最常用的储能元件，也是很多脉冲放电设备的重要组成部分。
近年来，对脉冲电容器的研究发展推动了脉冲功率技术应用于更加广泛的领域，在单次脉冲条件下工作的电容器，一般不考虑电流流过电极的热效应。但在重复频率下工作时，大脉冲电流通过电容器产生的电动力有可能导致元件受损，电容器对外呈开路状态或电容量大幅下降，这种失效机制是在电、热、机械应力联合作用下的结果，直接会导致电容器的寿命降低。在工程实际应用领域中，脉冲功率技术基本都需要运行在一定的重复频率下，而在脉冲电容器重复充放电的工况下，其内部会产生较大的电动力破坏和能量损失，进而造成电容器寿命降低甚至击穿。在大系统中出现电容器故障，后果可能是灾难性的，其造成的损失远远大于维修设备的花费。在脉冲电容器的诸多性能参数中，充放电寿命也是一些高校科研单位和设备制造厂商最为关心的指标，针对重复频率脉冲电容器，建立寿命测试方法以研究电容器在重复频率下工作的寿命特性，在脉冲电容器投入运行前，取其部分样品进行寿命测试是必要的。因此，研究脉冲电容器在重复频率下的充放电寿命对制造高性能、长寿命的电容器以及促进脉冲功率技术的发展均具有重要意义。
传统针对脉冲电容器进行寿命试验，主要是以各类电容器实际应用下的工作条件为试验参数，进行不同等级的耐压、耐流试验。按照电容器的应用领域区分，不同领域、不同系列的电容器，其寿命试验次数也不同，在脉冲电容器寿命试验过程中，通常以其介质损耗角正切值超过0.002或电容量下降5％作为电容器失效的标准。
在一般情况下，高压脉冲电容器处于充放电工作状态时，其放电时间要远小于充电时间，因此在衡量高压脉冲电容器的寿命特性以及质量好坏时，不应以其在持续耐压下的工作时间长短为指标，而以一定重复频率下的充放电次数作为衡量标准。为了研究高压脉冲电容器的寿命特性以及对系列电容器的可靠性进行预估，需要对其进行充放电试验。
发明内容
本发明目的是：提供一种高压重频脉冲电容器寿命测试装置及方法，针对重复频率脉冲电容器，研究电容器在重复频率下工作的寿命特性，同时可满足大批量重频脉冲电容器的试制测试条件下，批量化重频脉冲电容器寿命测试以提升测试过程的效率。
本发明的技术方案是：
高压重频脉冲电容器寿命测试装置，包括充电回路和放电回路，所述充电回路向被测电容C充电，所述放电回路包括与被测电容C串联组成回路的放电开关V、回路电感L、回路电阻R。
优选的，还包括电流电压监测模块和控制模块，电流电压监测模块用于检测被测电容C的电流、电压，控制模块连接控制放电开关V的闭合。
优选的，所述放电开关V采用晶闸管。
优选的，所述晶闸管为多个，多个晶闸管依次串联，增大耐压能力。
优选的，所述被测电容C为多个，各被测电容分别并联，每个并联支路上串联一个脉冲功率开关。
优选的，所述充电回路包括串联的充电电源、充电电阻RL、充电开关S1。
高压重频脉冲电容器寿命测试方法，包括：
首先被测电容C充电到设置电压U0，断开充电开关S1，再合上放电开关V；
放电开关V合上时间设为0，0时刻电流为零，起始电压Uc(0)与起始电流iL(0)分别为：
Uc(0)＝U0，
iL(0)＝0；
合上开关后放电回路方程为：
令方程特征根为：
根据实际工况下不同负载进行回路参数选择，得到脉冲条件下的任意波形，进行寿命测试。
优选的，回路参数改变后，脉冲放电波形也随之改变，分为3种情况：
(1)过阻尼情况：调节参数使得即a＞ω0，特征根p1和p2为不相等的负实根，放电电流表达式如下：
(2)临界阻尼情况
调节回路参数，使得a＝ω0，特征根p1和p2为相等的负实根。放电电流表达式为：
(3)欠阻尼情况
调节回路参数，使得a<ω0，特征根p 1和p2为有负实部的共轭复根，脉冲放电电流表达式为：
优选的，通过逐个控制脉冲功率开关的导通，逐个接入被测电容进行测试。
优选的，当测试不同温度或湿度环境下电容寿命特性时，将脉冲电容器放入恒温恒湿箱中，进行寿命测试。
本发明的优点是：
1、本发明针对重复频率脉冲电容器，建立了寿命测试方法以研究电容器在重复频率下工作的寿命特性，在脉冲电容器投入运行前，取其部分样品能够进行寿命测试试验；
2、本发明的放电回路中，采用晶闸管进行脉冲放电的导通，晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，在此选用当电压过高，可将晶闸管进行串联，增大整体的耐压能力；
3、本发明对多个电容器进行并联，并采用脉冲功率开关进行控制，能够大大提高电容器测试实验效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的高压重频脉冲电容器寿命测试装置的原理图；
图2为本发明装置的测试回路原理图。
具体实施方式
本发明的高压重频脉冲电容器寿命测试装置，包括充电回路、放电回路、电流电压监测模块和控制模块，所述充电回路向被测电容充电，放电回路对被测电容放电，电流电压监测模块用于检测被测电容的电流、电压，控制模块连接控制充电回路、放电回路的开关。
如图1所示，所述被测电容包括C1、C2……Cn，各被测电容分别相互并联，每个并联支路上分别串联一个脉冲功率开关SC1、SC2……SCn。
所述充电回路包括与被测电容串联组成回路的充电电源P.S.、充电电阻RL、充电开关S1。所述放电回路包括与被测电容串联组成回路的放电开关V、回路电感L、回路电阻R、放电回路开关S2。被测电容的两端P1、P2分别为电流、电压的测试点。
所述放电开关V采用晶闸管VT。晶闸管VT具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，在此选用晶闸管进行脉冲放电的导通。当电压过高，可将晶闸管进行串联，增大整体的耐压能力。图1中，为提高放电开关的关断速度，在晶闸管VT上反向并联一个续流二极管VD，组成逆导晶闸管，使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能，其关断时间仅几微秒，工作频率达几十千赫。
本发明的高压重频脉冲电容器寿命测试方法，包括以下步骤。
首先被测电容充电到设置电压U0，断开充电开关S1，再合上放电回路开关S2，然后晶闸管进行脉冲放电的导通，开始测试工作；如图2所示，为测试回路原理图，回路电感L的电感值为L、回路电阻R的阻值为R，被测电容C的容值为C。
晶闸管导通时间t设为0，在0时刻电流为零，起始电压Uc(0)与起始电流iL(0)分别为：
Uc(0)＝U0，
iL(0)＝0；
合上开关后放电回路方程为：
令方程特征根为：
根据实际工况下不同负载进行回路参数选择，回路参数改变后，脉冲放电波形也随之改变，分为3种情况：
(1)过阻尼情况：调节参数使得即a＞ω0，特征根p1和p2为不相等的负实根，放电电流表达式如下：
(2)临界阻尼情况
调节回路参数，使得a＝ω0，特征根p1和p2为相等的负实根。放电电流表达式为：
(3)欠阻尼情况
调节回路参数，使得a<ω0，特征根p 1和p2为有负实部的共轭复根，脉冲放电电流表达式为：
通过图2的回路设置，进行参数调整，可以得到脉冲条件下的任意波形，进行寿命测试，同时可满足大批量重频脉冲电容器的试制测试条件下，批量化重频脉冲电容器寿命测试以提升测试过程的效率。
本发明电容器放电过程，需要通过同步或逐个控制开关的导通，以确保每个脉冲电容器的状态检测。对多个电容器进行并联，并采用脉冲功率开关进行控制，能够大大提高电容器测试实验效率。
当需要测试脉冲电容器在特殊条件下的寿命特性时，需在回路中增加适当的设备以达到测试要求。如测试不同温度或湿度环境下脉冲电容器的寿命特性，可将脉冲电容器放入恒温恒湿箱中，用导线将其接入回路，进行寿命测试。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.高压重频脉冲电容器寿命测试装置，其特征在于，包括充电回路和放电回路，所述充电回路向被测电容C充电，所述放电回路包括与被测电容C串联组成回路的放电开关V、回路电感L、回路电阻R。
2.根据权利要求1所述的高压重频脉冲电容器寿命测试装置，其特征在于，还包括电流电压监测模块和控制模块，电流电压监测模块用于检测被测电容C的电流、电压，控制模块连接控制放电开关V的闭合。
3.根据权利要求2所述的高压重频脉冲电容器寿命测试装置，其特征在于，所述放电开关V采用晶闸管。
4.根据权利要求3所述的高压重频脉冲电容器寿命测试装置，其特征在于，所述晶闸管为多个，多个晶闸管依次串联，增大耐压能力。
5.根据权利要求1所述的高压重频脉冲电容器寿命测试装置，其特征在于，所述被测电容C为多个，各被测电容分别并联，每个并联支路上串联一个脉冲功率开关。
6.根据权利要求1所述的高压重频脉冲电容器寿命测试装置，其特征在于，所述充电回路包括串联的充电电源、充电电阻RL、充电开关S1。
7.高压重频脉冲电容器寿命测试方法，其特征在于，包括：
首先被测电容C充电到设置电压U0，断开充电开关S1，再合上放电开关V；
放电开关V合上时间设为0，0时刻电流为零，起始电压Uc(0)与起始电流iL(0)分别为：
Uc(0)＝U0，
iL(0)＝0；
合上开关后放电回路方程为：
令方程特征根为：
根据实际工况下不同负载进行回路参数选择，得到脉冲条件下的任意波形，进行寿命测试。
8.根据权利要求7所述的高压重频脉冲电容器寿命测试方法，其特征在于，回路参数改变后，脉冲放电波形也随之改变，分为3种情况：
(1)过阻尼情况：调节参数使得即a＞ω0，特征根p1和p2为不相等的负实根，放电电流表达式如下：
(2)临界阻尼情况
调节回路参数，使得a＝ω0，特征根p1和p2为相等的负实根。放电电流表达式为：
(3)欠阻尼情况
调节回路参数，使得a<ω0，特征根p 1和p2为有负实部的共轭复根，脉冲放电电流表达式为：
9.根据权利要求8所述的高压重频脉冲电容器寿命测试方法，其特征在于，通过逐个控制脉冲功率开关的导通，逐个接入被测电容进行测试。
10.根据权利要求9所述的高压重频脉冲电容器寿命测试方法，其特征在于，当测试不同温度或湿度环境下电容寿命特性时，将脉冲电容器放入恒温恒湿箱中，进行寿命测试。
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