專利名稱：：用于監(jiān)控dc電壓中間電路的電容狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的目的在于提供一種用于監(jiān)控電力電子設(shè)備例如變頻器的DC電壓中間電路的電容單元狀態(tài)的方法。本發(fā)明的目的還在于提供一種用于監(jiān)控電力電子設(shè)備例如逆變器的DC電壓中間電路的電容單元狀態(tài)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：通常地，利用電力電子的設(shè)備例如變頻器的壽命由其電容決定，在DC電壓中間電路中，所述電容特別用于濾除噪聲電壓，并且還用于存儲(chǔ)電能。在變頻器中，DC電壓中間電路的電容上被施加有大電壓，經(jīng)常發(fā)生電容的無法預(yù)料的破壞，并且也不可能期待對(duì)其更換。這進(jìn)一步導(dǎo)致生產(chǎn)中不必要的中斷，并造成經(jīng)濟(jì)損失。外界溫度、電流波動(dòng)、高電壓和頻率對(duì)電容的壽命具有很大的影響。隨著電容老化，其內(nèi)阻增大，并且漏電流流過所述電容，電容量也隨著時(shí)間緩慢減少。所有這些現(xiàn)象可以被測(cè)量，但實(shí)際操作中需要開啟設(shè)備。當(dāng)電容的電容量減少達(dá)某一相對(duì)量時(shí)，制造商通常規(guī)定該電容的壽命終結(jié)。由E.C.Aeloiza、J-HKim，P.Ruminot、P.N.Enjeti在IEEE2005第2867-2872頁“ARealTimeMethodtoEstimateElectrolyticCapacitorConditioninPWMAdjustableSpeedDrivesandUninterruptiblePowerSupplies”中，提出了一種用于估計(jì)可變PWM交流驅(qū)動(dòng)器和UPS設(shè)備中的電解電容狀態(tài)的方法，在該方法中，所述狀態(tài)可以在使用點(diǎn)被檢測(cè)。該方法是以電容的損耗導(dǎo)致其內(nèi)部串聯(lián)等效電阻(ESR)的變化為依據(jù)。根據(jù)所述方法，對(duì)電容單元的平均功率或其電流的RMS值進(jìn)行測(cè)量。該方法的缺陷在于其復(fù)雜性以及該方法對(duì)在該測(cè)量方法中所使用的控制電路的計(jì)算能力有較高的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開了一種用于監(jiān)控電力電子設(shè)備的中間電路的電容包狀態(tài)的新型方法，該電力電子設(shè)備具有變頻器、逆變器或另一直流中間電路。根據(jù)本發(fā)明提供的方法和系統(tǒng)，采用所述變頻器中已有的內(nèi)部測(cè)量組件來監(jiān)控使用點(diǎn)處的電容包狀態(tài)，并且因此可以采用DC中間電路中現(xiàn)有的測(cè)量組件來常規(guī)地(regularly)確定電容包的第一單元的壽命。本方法是基于由于電容老化而造成的電容儲(chǔ)電能力的減弱。這可以通過對(duì)中間電路的電壓進(jìn)行放電測(cè)試來驗(yàn)證。本發(fā)明提供的方法和系統(tǒng)的特征將在下附權(quán)利要求中進(jìn)行詳述。本方法非常簡(jiǎn)單，并且不需要在系統(tǒng)中設(shè)置額外的測(cè)量組件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于經(jīng)由對(duì)電容包的常規(guī)條件監(jiān)控而獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，其結(jié)果是可以估計(jì)電力電子設(shè)備的剩余壽命。有可能將多個(gè)不同的功能整合到控制單元的監(jiān)控軟件中，例如用于指示電容量已經(jīng)下跌到臨界點(diǎn)或臨界點(diǎn)之下的報(bào)警通知。參考附圖，本發(fā)明將以實(shí)施例的方式進(jìn)行詳細(xì)描述，其中，圖Ia示出了通過三相網(wǎng)絡(luò)供電的現(xiàn)有技術(shù)變頻器；圖Ib示出了通過三相網(wǎng)絡(luò)供電的變頻器的中間電路的等效開關(guān)；以及圖2示出了電容的理論放電曲線。具體實(shí)施例方式在本發(fā)明中，采用變頻器的內(nèi)部測(cè)量組件以監(jiān)控使用點(diǎn)處的電容包(capacitorpack)狀態(tài)，并且因此可以采用DC中間電路中現(xiàn)有的測(cè)量組件來有規(guī)律地確定電容包的第一單元的壽命。圖1示出了在四個(gè)象限工作的變頻器設(shè)備的實(shí)例，該變頻器與由轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)的三相交流發(fā)電機(jī)連接，采用該三相交流發(fā)電機(jī)，其相電壓為uK、us、uT的三相交流電壓經(jīng)由例如網(wǎng)絡(luò)濾波器被提供至三相交流電網(wǎng)。所述變頻器包括兩個(gè)逆變器電橋單元-發(fā)電機(jī)電橋11和網(wǎng)絡(luò)電橋12，所述電橋的DC連接被連接到直流中間電路，所述直流中間電路包括直流電容單元和一組連接到發(fā)電機(jī)的AC連接以及經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)濾波器連接到交流電網(wǎng)的第二組AC連接。在圖Ia所示的變頻器中，發(fā)電機(jī)電橋11將發(fā)電機(jī)的三相交流電壓(包括相電壓Uu、Uv、Uw)整流成DC中間電路的DC電壓UDC，并且所述網(wǎng)絡(luò)電橋根據(jù)所述DC中間電路的DC電壓Udc的振幅和頻率而將DC中間電路的DC電壓轉(zhuǎn)換為與交流電網(wǎng)匹配的三相交流電壓。每一個(gè)電橋都是六脈沖全波電橋，并且在電橋的每一支路中都包括可控半導(dǎo)體開關(guān)，所述可控半導(dǎo)體開關(guān)由例如根據(jù)圖Ia的IGBT(電橋11中的Q11-Q16以及與Q11-Q16并聯(lián)的二極管D11-D16，電橋12中的Q21-Q26和D21-D26)構(gòu)成。該電路還允許中間電路負(fù)電流在制動(dòng)狀態(tài)下在發(fā)電機(jī)方向上通過。通過開關(guān)Sl和S2，有可能將變頻器與網(wǎng)絡(luò)以及電機(jī)隔離。利用所述設(shè)備的控制單元13中的脈沖寬度調(diào)制來控制半導(dǎo)體開關(guān)。DC中間電路包括電容單元，該電容單元包括多個(gè)串聯(lián)連接的電容和并聯(lián)連接的電容包14-16，所述電容包中的一部分屬于制動(dòng)斬波器(brakechopper)單元15。在變頻器中，DC中間電路的電壓通過內(nèi)部電壓測(cè)量組件17進(jìn)行測(cè)量，所述內(nèi)部電壓測(cè)量組件17與控制單元13連接。下文對(duì)電容單元及其運(yùn)行進(jìn)行說明。電容是在電場(chǎng)中存儲(chǔ)電能的元件。在變頻器的中間電路中，能夠降低中間電路電壓的振蕩并且能夠存儲(chǔ)電能的電容特性被利用。在所述中間電路中，電容通常串聯(lián)連接，利用所述串聯(lián)的電容能夠獲得更高的電壓耐受性，盡管同時(shí)總電容量下降。能夠通過將電容器并聯(lián)來提高所述電容量，以獲得理想的電容量。數(shù)學(xué)上而言，串聯(lián)連接和并聯(lián)連接的電容以及與之并聯(lián)連接的微調(diào)電阻(trimmerresistors)能夠簡(jiǎn)化地以一個(gè)電容和一個(gè)微調(diào)電阻組成的串聯(lián)電路來表示，這是由于中間電路通過斷路器與網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)隔離(圖lb)。圖Ib示出了與DC中間電路的電容包的電路相應(yīng)的等效電路，其中Ct。t表示總電容量，Rtot表示微調(diào)電阻的總電阻值，Resr表示電容的內(nèi)部電阻值。根據(jù)Kirchoff電壓定律，我們可以寫成Uc+UESR+UR=O(1)Uc+(Rese+Re)Ic=O電流對(duì)于電荷與時(shí)間相關(guān)的變化的依賴性Tc=,以及電荷變化對(duì)于電壓變dt化的依賴性dQc=C·dUc，可體現(xiàn)在等式(1)中。由于Uesk<<UE,Uese能夠從測(cè)試(trial)中被忽略。在進(jìn)行分組之后，獲得一階微分方程式(2)RC^-+Uc=0dt該方程式能夠通過測(cè)試函數(shù)Uc=Aert來求解。所使用的初始值為UC(0)=Udc電壓。該方程式的解為(3)Uc=UDG^e^現(xiàn)在當(dāng)電壓變化(AU)和其所用時(shí)間(t)已知的情況下，有可能計(jì)算得出電容量C。變頻器不直接測(cè)量電容上的電壓，而是測(cè)量中間電路上的總電壓。相比于測(cè)量的不準(zhǔn)確，所述電容的內(nèi)部電阻效應(yīng)所引起的電壓損耗可忽略不計(jì)，因而可以簡(jiǎn)單地假定UcUdc%ffi。當(dāng)自中間電路充電停止時(shí)起中間電路電壓下降某一相對(duì)量時(shí)，可被標(biāo)示為Uc=ν*Udc電壓。所述電容的電壓可從以下等式中解得-t在該等式中，DC電壓可忽略不計(jì)。當(dāng)引入一個(gè)半自然對(duì)數(shù)，并對(duì)該等式稍作分組(grouped)后，可解得電容量。(4)Ctot=~~~-~~其中，“V”表示中間電路DC電壓的相對(duì)變化，“t”表示與之對(duì)應(yīng)的放電時(shí)間，以及“Rt。t”表示微調(diào)電阻的總電阻值。作為實(shí)例，通過等式(3)，當(dāng)中間電路的電容量、放電電阻的電阻值及其DC電壓均已知的情況下，可繪出電容包的理論放電曲線(圖2)。初始值電容量C=3600μF電阻值R=IOkQDC電壓U=1000V由于電容和微調(diào)電阻的制造公差變化，因此值得對(duì)每一設(shè)備單獨(dú)地執(zhí)行放電測(cè)試。電容量和電阻值相對(duì)于溫度所發(fā)生的變化也必須考慮在內(nèi)。這些設(shè)備裝備在工廠中時(shí)，6可在標(biāo)準(zhǔn)外界溫度下以所配備的DC電壓對(duì)中間電路進(jìn)行預(yù)充電，在實(shí)際操作中所述標(biāo)準(zhǔn)外界溫度約為20°C。將預(yù)充電電路18從中間電路中移除，并且利于測(cè)量組件監(jiān)控中間電路的電壓降低有多快。通過這種方法，當(dāng)各電容是新的情況下，能夠確定中間電路的電容量?？刂茊卧械膽?yīng)用軟件管理電容量的計(jì)算，所述計(jì)算值進(jìn)一步記錄在控制單元中的獨(dú)立存儲(chǔ)器中。所計(jì)算的是相對(duì)電容量的變化值，而不是電容量的絕對(duì)值。在這種情況下，假定中間電路的電阻值在該設(shè)備的生命周期期間改變不大，則中間電路的電阻值在等式(4)中可以被忽略。中間電路的總電阻值取決于電橋的IGBT晶體管和與之并聯(lián)連接的二極管的電阻值，此外還取決于微調(diào)電阻?？赡芘c中間電路相連接的DC斬波器所用的電能也必須考慮在內(nèi)。測(cè)量要求在某一預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行多次重復(fù)操作。原因在于，若非如此，與溫度相關(guān)的組件的電氣屬性的變化可能會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。隨著測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)化，能保證較高的準(zhǔn)確度，從而獲得較為可靠的結(jié)果。當(dāng)變頻器在其最終位置上工作時(shí)，可以有規(guī)律地重復(fù)相應(yīng)的測(cè)試，通過這種方法，可以監(jiān)控中間電路電容的狀態(tài)。應(yīng)用軟件分析來自系統(tǒng)的測(cè)量溫度，并且以這種方式為放電測(cè)試定義合適的時(shí)間。所測(cè)得電壓變化得越快，電容量相對(duì)下降就越多。當(dāng)電容量的變化值相比于工廠裝配時(shí)所測(cè)得的數(shù)值接近制造商給出的限定值時(shí)，則應(yīng)更換該電容包或整個(gè)變頻器。顯而易見地，本發(fā)明的不同實(shí)施方式不僅僅局限于上述實(shí)例，而是可以在所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)做出各種變化。本發(fā)明還適用于其他具有直流中間電路的電力電子設(shè)備，例如UPS電源。根據(jù)功率需求，變頻器還可以包括兩個(gè)或更多個(gè)并聯(lián)發(fā)電機(jī)電橋或網(wǎng)絡(luò)電橋，在這種情況下，針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電容量的改變進(jìn)行計(jì)算。權(quán)利要求一種用于監(jiān)控諸如變頻器的電力電子設(shè)備中DC電壓中間電路的電容裝置(1416)在其使用點(diǎn)處的狀態(tài)的方法，在所述方法中，將所述電容裝置上的放電電壓作為對(duì)時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其特征在于，在所述方法中以預(yù)定DC電壓對(duì)所述中間電路進(jìn)行預(yù)充電；從所述中間電路移除預(yù)充電；通過以一定的時(shí)間間隔采樣，測(cè)量所述中間電路的電壓；基于所測(cè)得的中間電路的電壓，將壓降作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行確定；基于所述壓降，確定電容量或電容量的相對(duì)變化；基于所測(cè)得的壓降，將所確定的電容量或電容量的相對(duì)變化與預(yù)定的限定值進(jìn)行比較；以及當(dāng)利用測(cè)量所確定的數(shù)值達(dá)到或接近所述預(yù)定的限定值時(shí)，執(zhí)行必要的狀態(tài)監(jiān)控程序。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以所述設(shè)備的內(nèi)部電壓測(cè)量組件來測(cè)量所述電壓。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在對(duì)電容量的所述預(yù)定的限定值的確定中，對(duì)所述設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以使得在標(biāo)準(zhǔn)外界溫度下以所配備的DC電壓對(duì)所述中間電路進(jìn)行預(yù)充電，將所述預(yù)充電電路(18)從所述中間電路中移除，并以測(cè)量組件監(jiān)測(cè)所述中間電路的電壓的下降有多快，在此之后，在所述控制單元中確定所述電容量。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述電容量通過以下等式來確定其中，“V”表示所述中間電路的DC電壓的相對(duì)變化，“t”表示與之對(duì)應(yīng)的放電時(shí)間，以及“Rt。t”表示微調(diào)電阻的總電阻值。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，通過在等式(4)中將所述中間電路的電阻值忽略，計(jì)算相對(duì)電容量的變化。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，預(yù)定電容量數(shù)值被記錄在存儲(chǔ)器中。7.一種用于監(jiān)控諸如變頻器的電力電子設(shè)備中DC電壓中間電路的電容裝置(14-16)在其使用點(diǎn)處的狀態(tài)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括測(cè)量組件(17)，采用所述測(cè)量組件(17)根據(jù)時(shí)間對(duì)所述電容上的電壓進(jìn)行測(cè)量，其特征在于，所述系統(tǒng)的控制單元(13)被配備以預(yù)定DC電壓對(duì)所述中間電路預(yù)充電；以從所述中間電路中移除預(yù)充電；以一定的時(shí)間間隔測(cè)量所述中間電路的電壓；基于所測(cè)得的中間電路電壓來確定壓降；基于所測(cè)得的壓降來確定電容量或電容量的相對(duì)變化；基于所測(cè)得的壓降，將所確定的電容量或電容量的相對(duì)變化與預(yù)定的限定值進(jìn)行比較·’以及當(dāng)利用測(cè)量所確定的數(shù)值達(dá)到或接近所述預(yù)定的限定值時(shí)，控制必要的狀態(tài)監(jiān)控程序。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)被配備以采用所述設(shè)備的內(nèi)部電壓測(cè)量組件測(cè)量所述電壓。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在對(duì)電容量的所述預(yù)定的限定值的確定中，所述設(shè)備被配備以進(jìn)行測(cè)試，以使得在標(biāo)準(zhǔn)外界溫度下以所配備的DC電壓對(duì)所述中間電路進(jìn)行預(yù)充電，將預(yù)充電電路(18)從所述中間電路中移除，并以測(cè)量組件監(jiān)測(cè)所述中間電路的電壓的下降得有多快，在此之后，在所述控制單元中確定所述電容量。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，計(jì)算出的電容量數(shù)值被記錄在所述控制單元中的存儲(chǔ)器中。全文摘要一種用于監(jiān)控諸如變頻器的電力電子設(shè)備中DC電壓中間電路的電容裝置(14-16)在其使用點(diǎn)處的狀態(tài)的方法和系統(tǒng)，在所述方法中，將電容裝置上的放電電壓作為對(duì)時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并且在所述方法中，所述中間電路以預(yù)定DC電壓進(jìn)行預(yù)充電，從中間電路移除預(yù)充電，通過以一定的時(shí)間間隔采樣測(cè)量所述中間電路的電壓，基于所測(cè)得的中間電路電壓，將壓降作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行確定，基于所測(cè)得的壓降，確定電容量或電容量的相對(duì)變化，基于所述壓降，將所確定的電容量或其相對(duì)變化數(shù)值與預(yù)定的限定值進(jìn)行比較，以及當(dāng)以測(cè)量確定的數(shù)值達(dá)到或接近所述預(yù)定的限定值時(shí)，執(zhí)行必要的狀態(tài)監(jiān)控過程。文檔編號(hào)H02M7/48GK101918852SQ200980102517公開日2010年12月15日申請(qǐng)日期2009年1月15日優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日發(fā)明者蒂莫·阿爾霍申請(qǐng)人:轉(zhuǎn)換高功率轉(zhuǎn)爐有限公司