CN216434268U

CN216434268U - 用于监测电力电路中的至少一个电容器的设备及电力电路

Info

Publication number: CN216434268U
Application number: CN202120816706.0U
Authority: CN
Inventors: 泰穆·萨尔米亚; 马库斯·维尔基; 汉娜·拉皮诺亚
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: DE202021102066U1; EP3901645A1

Abstract

涉及用于监测电力电路中的至少一个电容器的设备及电力电路。一种用于监测电力电路(10)中的至少一个电容器(100)的设备，其特征在于，每个电容器(100)包括保护机构，该保护机构用于在电容器发生故障时将该电容器与电力电路(10)电连接断开，该设备包括：用于测量电力电路(10)中的每个电容器的电流的装置，以及用于基于电流测量结果来确定和指示电力电路(10)中的电容器的连接断开的装置。

Description

用于监测电力电路中的至少一个电容器的设备及电力电路

技术领域

本实用新型涉及用于监测电力电路中的至少一个电容器的设备及电力电路。

背景技术

电容器广泛用于电力电子领域和电子领域。薄膜电容器(film capacitor)是常用的电容器类型。薄膜电容器可以是DC电容器或AC电容器。DC电容器可以例如用作转换器(converter)中的中间电压电路中的电容器。AC电容器可以例如用作网络逆变器中的LCL滤波电容器以便将传递至网络的失真滤除。

薄膜电容器是基于使用塑料膜作为电容器中的介电介质。塑料膜可以涂覆有形成电极的金属，或者单独的金属膜可以在电容器中形成电极。大功率应用中最常用的塑料膜是聚丙烯，因为它具有很高的耐电压性。聚丙烯的熔点为160摄氏度并且在温度达到高于300摄氏度的水平时开始分解。在分解时，丙烯产生碳水合物，并且同时薄膜电容器内的压力增大。薄膜电容器可能由于太高的电压和/或太高的温度而分解以及/或者在自修复失败的情况下分解。成功的自修复也将使电容器内的压力逐渐增大。

薄膜电容器可以设置有保护机构，该保护机构将薄膜电容器与薄膜电容器在其中工作的电路电连接断开。另一方面，薄膜电容器可以设置有测量电容器内的压力的压力传感器。由压力传感器测量的过压可以改变指示电容器的故障的开关的状态。在第二替选方案中，破损的薄膜电容器保持连接到电力电路中。

薄膜电容器可以包括罐。该罐可以包括在一端用底部封闭并且在相对端用盖封闭的本体。该本体可以为圆柱形。具有电极的介电膜可以被布置在罐内。第一替选方案中的保护机构可以在电容器发生故障时由罐内增加的压力触发。罐内压力的增加超过某个阈值水平将致使罐膨胀。罐可以在罐的盖附近设置有在罐的本体的周围上延伸的弱化部(weakening)。该弱化部将由于电容器罐的膨胀而破损，由此盖将从罐向上弹起，并且电容器在罐内的内部布线将断开。

因此，破损的薄膜电容器将在电力电路中无限期地保持断开状态。通常从外部看不到电力电路中的电容器破损。电容器的故障将可能根本不会被注意到。这在存在若干并联工作的电容器的情况下更是如此，由此仅电路的总电容的一部分下降。

即使在所有LCL电容器都已经下降的情况下，网络逆变器的控制电路也可以工作。这样的结果是：馈入网络的失真与计划的失真水平相比处于高得多的水平。

由于电容的减小，对电路的调节将更加困难、失真将增加并且部件的预热将增加。

电容的减小将改变一个或多个谐振频率，由此出现不期望的谐振现象。这适用于AC薄膜电容器和DC薄膜电容器。

中间电路中的电容的减小致使电压增加较快并且使得控制更加困难。这可以例如从提供至电动机的转矩控制信号的不准确中看出。

LCL电容器中的电容的减小致使将较大失真提供到电力网络中。这可能会对连接至电力网络的其他装备造成干扰或使其过热，或者LCL可能过热。这也将使得对网络逆变器的控制更加困难。

实用新型内容

本实用新型涉及用于监测电力电路中的至少一个电容器的设备，其特征在于，每个电容器包括保护机构，保护机构用于在电容器发生故障时将电容器与电力电路电连接断开。该设备包括：用于测量电力电路中的每个电容器的电流的装置；以及用于基于电流测量结果来确定和指示电力电路中的电容器的连接断开的装置。

本实用新型还涉及电力电路，该电力电路包括至少一个电容器，其特征在于，每个电容器包括：保护机构，保护机构用于在电容器发生故障时将电容器与电力电路电连接断开；以及上述用于监测电力电路中的至少一个电容器的设备。

根据本实用新型的装置将提高电气设备的可靠性。

附图说明

将参照附图描述本实用新型，在附图中：

图1示出了电力转换器；

图2示出了电容器；以及

图3和图4示出了针对电容器的监测电路。

具体实施方式

图1示出了根据实施方式的电力转换器。

电力转换器10可以包括：整流器11，用于将三相AC电流转换成 DC电流；中间电路12，用于平滑DC电流；以及逆变器13，用于将DC 电流转换成三相AC电流。整流器11可以基于二极管桥，中间电路12 可以基于电容器C10，并且逆变器13可以基于IGBT开关(绝缘栅双极晶体管)。电力转换器10可以向电动机15供应电力。

三相L1、L2、L3电力可以被供应至整流器11的输入。整流器11 的DC输出通过中间电压电路12中的电容器C10被平滑。然后，中间电路12的DC电压在逆变器13中被转换成三相AC电压，并且该三相AC 电压被供应至电动机15。

电容器C10可以是DC薄膜电容器。

图2示出了根据实施方式的电容器。

示例性电容器100是罐式电容器。罐式电容器100可以形成在具有带有底部111和盖112的本体110的罐中。底部111和盖112附接至本体110的轴向端部，使得本体110内部形成封闭空间。电容器100可以具有轴向中心线Y1-Y1。电容器板可以形成在罐内。本体110的盖112 可以设置有连接件120。电容器板可以经由穿过罐的盖112的线连接至连接件120。电容器100还可以经由连接件120连接至外部电路。罐的本体 110可以设置有弱化部130。弱化部130可以被定位在罐的盖112下方的轴向距离L1处。该轴向距离L1可以相当短。

当电容器100内的压力增加至某个阈值水平时，薄膜电容器100的罐将开始膨胀。罐的本体110中的弱化部130将由于电容器的罐的膨胀而破损。这将致使盖112从罐的本体110向上弹起。连接件120也将与盖112一起向上弹起。这意指从罐的本体110内的电容器板引向连接件 120的内部布线也将断开。

弱化部130形成薄膜电容器100的保护机构。保护机构130将薄膜电容器100与薄膜电容器100在其中工作的电力电路电连接断开。在保护机构松脱之后，薄膜电容器100可能永久留在开路电路中。

因此，故障的电容器100与电容器100在其中工作的电力电路断开连接。

罐的本体110可以是如图所示的圆柱形。因此，当罐的本体110为圆柱形时，罐的本体110的水平截面将为圆形。罐的本体110的圆柱形形式是薄膜电容器100中经常使用的形式。然而，罐的本体110的水平截面可以例如是椭圆形、矩形或多边形而不是圆形。

图3和图4示出了根据实施方式的针对电容器的监测电路。

监测电路旨在用于监测至少一个AC电容器。

图3示出了电流测量结果和整流器桥的电压，图4示出了测量电路。

确定和指示电容器的保护机构的松脱并因此确定和指示电容器的连接断开的一种可能性是测量电容器的电流。可以例如利用针对被布置在印刷电路上的每个电容器的电流互感器(current transformer)来测量该电流。电流互感器可以包括围绕初级导体——即通向电容器的导体——的变压器芯。变压器芯可以设置有次级绕组。次级绕组的端部可以连接至电流测量电阻。在初级导体中流动的AC初级电流经由感应在电流互感器的次级绕组中产生AC次级电流。次级电流与初级电流成比例。流经电流测量电阻的次级电流在电流测量电阻上产生AC电压。因此电流测量电阻上的电压与初级电流成比例。可以将电流测量电阻上的电压与参考电压进行比较。当作用在电流测量电阻上的电压超过参考电压时，可以指示电容器的故障，并且因此指示电容器的连接断开。另一种可能性是以相反的方式操作电路。当以相反的方式操作电路时，仅在没有电流流经电流互感器——即在电流测量电阻上没有电压——的情况下，指示电容器中的故障，并且因此指示电容器的连接断开。

图3的上部示出了AC电压源V2(在节点V-1与节点V11之间)、 V3(在节点V-2与节点V12之间)、V4(在节点V-3与节点V13之间)， AC电压源V2、V3、V4表示作用在电容器的电流互感器中的电流测量电阻上的电压。这些图示出了三相AC电力电路中的以下情况：在每个相中都有电容器。

图3的下部示出了整流器桥RE1、RE2、RE3，整流器桥RE1、RE2、RE3将三个AC电压V2、V3、V4整流成DC电压Vin1、Vin2、Vin3。

图4示出了用作比较器的运算放大器OP1、OP2、OP3。DC电压源 (图中未示出)可以向比较器OP1、OP2、OP3提供DC电压VCC。

来自整流器RE1、RE2、RE3的输出的DC电压Vin1、Vin2、Vin3 各自通过RC电路C1、R2；RC电路C2、R4；RC电路C3、R5连接至相应的运算放大器OP1、OP2、OP3中的反相输入。参考电压U5、U6、 U7连接至运算放大器OP1、OP2、OP3的同相输入。参考电压U5、U6、 U7可以在连接至运算放大器OP1、OP2、OP3的同相输入的二极管上产生。每个运算放大器OP1、OP2、OP3的输出经由电阻R3、R6、R7连接至相应晶体管Q1、Q2、Q3的基极。

每个运算放大器OP1、OP2、OP3将DC电压Vin1、Vin2、Vin3与参考电压U5、U6、U7进行比较。

当DC输入电压Vin1、Vin2、Vin3大于参考电压U5、U6、U7时，运算放大器OP1、OP2、OP3的输出U1、U2、U3朝向正供电电压(positive supply voltage)VCC饱和。

当DC输入电压Vin1、Vin2、Vin3小于参考电压U5、U6、U7时，运算放大器OP1、OP2、OP3的输出U1、U2、U3朝向负供电电压(negative supply voltage)0V饱和。

当DC输入电压Vin1、Vin2、Vin3之一小于参考电压U5、U6、U7 时，所述运算放大器OP1、OP2、OP3的输出信号U1、U2、U3将朝向负供电电压0V饱和。因此，相应晶体管Q1、Q2、Q3的基极将处于零电压状态。这意指所述晶体管Q1、Q2、Q3将处于阻断状态，即，电流无法流经所述晶体管Q1、Q2、Q3的发射极和集电极。

晶体管Q1、Q2、Q3串联连接，即，第一晶体管Q1的集电极连接至第二晶体管Q2的发射极，并且第二晶体管Q2的集电极连接至第三晶体管Q3的发射极。晶体管Q1、Q2、Q3的串联连接经由电阻R1连接至地。第三晶体管Q3的集电极连接至电阻R1的一端，并且电阻R1的另一端连接至地。当所有晶体管Q1、Q2、Q3都处于导通状态时，电流将流经电阻R1。电压V1将因此作用在点Di(第一晶体管Q1的发射极) 与地之间。晶体管Q1、Q2、Q3、Q4中的每个晶体管用作开关。因此，存在从点Di到地的各开关的串联连接。当晶体管Q1、Q2、Q3之一处于阻断状态时，则从点Di到地的电路将断开。因此，当串联连接的开关中的至少一个开关断开时，即晶体管Q1、Q2、Q3中的至少一个晶体管处于阻断状态时，从点Di到地的电压V1将为零。

因此，点Di可以例如连接至电路10的电源模块(power module)的数字输入。当晶体管Q1、Q2、Q3中的至少一个晶体管处于阻断状态时，电路10中的电源模块的数字输入将因此处于低状态(low state)。因此，电路10的电源模块的数字输入的输入处于低状态的事实可以被解释为意指电容器100中的至少一个电容器100故障并且断开。

可以将运算放大器OP1、OP2、OP3中的参考电压U5、U6、U7选择成使得：当LCL滤波器连接至AC网络时，流经电容器100的电流足以产生高于参考电压的电压。这使得能够正常地启动系统。

指示电容器100的保护机构的松脱的另一可能性是在薄膜电容器 100中添加压力测量装置。然后可以测量压力测量装置的压力，以便能够决定何时出现过压情况。

图3至图4中示出的用于监测至少一个电容器的电路旨在与包括三个电容器100的三相电力电路结合使用。因此，电路包括三个并联支路，即，每个电容器100一个支路。取决于要监测的电容器的数量，电路可以包括一个支路、两个支路、三个支路等。

自然地可以对电路进行修改，使得晶体管Q1，Q2，Q3不串联连接。然后，每个晶体管Q1、Q2、Q3的发射极将经由电阻连接至地。然后，每个晶体管Q1、Q2、Q3将单独指示相应电容器的状况。

根据实施方式，用于监测电力电路10中的至少一个电容器100的装置可以包括：每个电容器100中的连接断开装置，用于将故障的电容器 100与电力电路10电连接断开；电流互感器，用于测量电力电路10中的每个电容器100的电流；基于比较器OP1、OP2、OP3的电路，用于基于电流测量结果来确定电力电路10中的电容器100的故障，比较器OP1、 OP2、OP3将作用在电流互感器中的电流测量电阻上的电压V11、V12、 V13与预定电压U5、U6、U7进行比较，以确定电流是否流向电容器100 并且从而确定电容器100是否已经发生故障；以及晶体管Q1、Q2、Q3，晶体管Q1、Q2、Q3连接至比较器OP1、OP2、OP3的输出，所述晶体管Q1、Q2、Q3用作基于比较器OP1、OP2、OP3中的比较结果来指示电容器100故障(即，电容器100的连接断开)的开关。

本实用新型可以用于监测电力电路中的至少一个电容器。

图3和图4示出了针对至少一个AC电容器的监测电路。可以以相应的方式实现针对至少一个DC电容器的监测电路。在与DC电容器连接时，自然地不需要整流器RE1、RE2、RE3。

自然地，本实用新型不限于仅与图1中示出的电力转换器结合使用。本实用新型可以与包括电容器的任何电力电路结合使用。电力电路可以例如包括LCL滤波器或LC滤波器。

本实用新型及其实施方式不限于附图中示出的示例，而是本实用新型可以在由权利要求书限定的保护范围内变化。

Claims

1.一种用于监测电力电路中的至少一个电容器(100)的设备，其特征在于，每个电容器(100)包括保护机构，所述保护机构用于在所述电容器发生故障时将所述电容器与所述电力电路电连接断开，所述设备包括：

用于测量所述电力电路中的每个电容器(100)的电流的装置；以及

用于基于电流测量结果来确定和指示所述电力电路中的电容器(100)的连接断开的装置。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，用于测量所述电流的装置包括至少一个电流互感器。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，用于确定和指示所述电容器的连接断开的装置被配置成：当在与所述电容器(100)相关联的所述电流互感器中的电流测量电阻上测量的电压(V2、V3、V4)超过预定阈值(U5、U6、U7)时，确定所述电容器(100)的连接断开。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，用于确定和指示所述电容器的连接断开的装置被配置成：当在与所述电容器(100)相关联的所述电流互感器中的电流测量电阻上测量的电压(V2、V3、V4)为零时，确定所述电容器(100)的连接断开。

5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，

用于确定和指示所述电容器的连接断开的装置包括：

基于比较器(OP1、OP2、OP3)的电路，用于将作用在所述电流互感器中的电流测量电阻上的电压(V2、V3、V4)与预定电压(U5、U6、U7)进行比较，以确定电流是否流向所述电容器(100)并且从而确定所述电容器(100)是否已经连接断开；以及

晶体管(Q1、Q2、Q3)，所述晶体管(Q1、Q2、Q3)连接至所述比较器(OP1、OP2、OP3)的输出，所述晶体管(Q1、Q2、Q3)用作基于所述比较器(OP1、OP2、OP3)中的比较结果来指示电容器(100)连接断开的开关。

6.一种电力电路，包括至少一个电容器(100)，其特征在于，每个电容器(100)包括：保护机构，所述保护机构用于在所述电容器发生故障时将所述电容器与所述电力电路电连接断开；以及根据权利要求1至5 中任一项所述的设备。

7.根据权利要求6所述的电力电路，其特征在于，所述电容器(100)是薄膜电容器。

8.根据权利要求7所述的电力电路，其特征在于，所述保护机构被配置成：基于所述电容器(100)内的压力增大至预定阈值水平以上来执行故障的电容器(100)与所述电力电路的连接断开。

9.根据权利要求7所述的电力电路，其特征在于，所述薄膜电容器(100)包括罐(110)、介电薄膜以及设置在所述罐(110)内的电极。

10.根据权利要求9所述的电力电路，其特征在于，所述保护机构包括在所述罐(110)的外周的弱化部(130)，所述弱化部(130)被配置成在所述罐(110)内的压力由于电容器(100)故障而增大至阈值水平以上时破损，由此所述罐(110)的盖(112)从所述罐(110)向上弹起，致使被定位在所述罐(110)的盖(112)上的端子(120)与所述罐(110)内的电容器(100)之间的电连接断开。

11.根据权利要求6所述的电力电路，其特征在于，所述电力电路是被配置成向电动机(15)供应电力的电力转换器。