CN110763946B - 一种电解电容寿命实时在线诊断及寿命预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解电容寿命实时在线诊断及寿命预测方法，复用电解电容***中的均压电阻，将均压电阻的中点电压与参考电压比较，实现每一只电解电容寿命的实时在线诊断，在寿命到期时提前发出预警和报警，帮助用户准确定位寿命到期的电解电容，并进行更换，避免***停机造成大量损失；采样电解电容均压电阻的中点电压，通过数学模型推算电解电容的寿命，实现每一只电解电容寿命的实时在线预测，给用户直观的预维护参考信息。本发明实现了对电力电子***中的每一只电解电容的寿命进行实时在线诊断和预测，实施成本低廉。

Description

一种电解电容寿命实时在线诊断及寿命预测的方法

技术领域

本发明涉及一种电解电容寿命诊断及预测的方法，具体说是一种电解电容寿命实时在线诊断及寿命预测的方法。

背景技术

电解电容作为电力电子变换器中的核心零部件，起着支撑、储能、滤波等重要作用，然而电解电容属于易损件，其寿命是电力电子变换器的寿命瓶颈。如果电解电容寿命到期，将导致电力电子变换器工作异常，造成产线停产损失，甚至导致机械设备的损坏和加工中工件的损坏。因此，对于电解电容的寿命到期防护方面，国内、国际有很多相关研究。

现有技术中，早期的方法是将电解电容在规定工作条件，如工作温度，工作电压，工作负载下的寿命标识在用户手册中，并给出其它工况下的寿命折算公式，提出部件更换的大致标准，便于用户在电力电子变换器中电容寿命到期前，有计划的对电解电容进行更换，从而避免意外停机造成的巨大损失。但这只能是一种人工防范措施，基于用户按照手册执行才能起到作用，且电解电容的寿命折算用户并不一定能够准确做到。图1就是安川Sigma7伺服驱动器手册电容更换截图。

后来经过演变，出现了电解电容的智能化实时在线寿命诊断及寿命预测方法。这些方法大致上可以分为两大类：基于寿命模型的方法和基于参数在线辨识的方法。

基于寿命模型的方法通常选取和电解电容寿命呈线性强相关的一个或多个参变量，通过理论、实验建立电解电容的寿命与该参变量的方程，通过实时在线监测该参变量实现电解电容寿命的实时预测及诊断。日系部分伺服驱动器产品，如安川Sigma7驱动器已经集成电容寿命预测功能，能够通过温度传感器采集电容周围的温度，并代入电容寿命方程实时计算出剩余寿命百分比显示给用户，如果寿命低于一定阈值还会产生警告(不停机)，提醒用户及时安排电解电容的批量更换。该方法的优势是增加较少的硬件成本即可实现电解电容的寿命在线预测和诊断，但该方法的劣势也很明显：前期需要投入大量的人力、物理获取寿命模型；该大类方法本质上属于基于模型的间接预测方法，电容个体差异、工况差异导致的预测偏差较大；无法精确定位到哪一个电解电容寿命到期，即使是同一台电力电子变换器中的不同电解电容，其寿命也不尽相同，统一判定寿命到期并全部更换，造成了一定的浪费。

最后一点在某些大型机械设备上体现尤其明显，因为大型机械设备需要较多电解电容完成储能，如果由于某一颗的寿命预警或报警，导致整个电容储能***的电解电容更换的话，会给用户造成很大损失。精确定位到每一个电解电容的寿命，是来自于用户端的迫切需求。

基于参数在线辨识的方法通常选取能够直接表征电解电容寿命到期的参数进行实时在线测量，一旦参数接近手册规定的极限范围，则产生预警，提醒用户更换电解电容，一旦参数超过手册规定的极限范围，则产生报警停机。同时，也可以根据上述参数和电解电容寿命之间的数学模型进行基于参数在线辨识的寿命计算，显示剩余寿命。常见的能够直接表征电解电容寿命到期的参数如图3中的第一列所示，有漏电流、电容容量、损耗正切角等，而电解电容寿命到期的标准如表1所示。该方法的优势是基于实时在线监测直接表征电解电容寿命的参变量，能够最直接的预警、报警电容寿命到期，相较于前一种方法更为准确，寿命预测相对于前一种方法也更加准确，且可以通过增加硬件成本分别监测每一个电容的寿命，提示用户有针对性的更换***中寿命到期的电解电容，但该方法也存在一定缺点：需要对电力电子设备中2个或2个以上的变量进行一定精度的实时监测，并计算获得直接表征电解电容寿命的参变量，需要增加一定的硬件成本。尤其是需求精确定位到每一个电解电容的寿命预测时，成本成倍增长，用户难以接受。

表1.电解电容的寿命到期判据

参变量	寿命到期判据
		漏电流	小于0.01CV
电容容量	与出厂值相比缩小不超过10％
		损耗正切角	与出厂值相比增加不超过200％

发明内容

针对现有电解电容智能化在线寿命诊断及寿命预测方法的弊端，本发明提出一种电解电容寿命实时在线诊断及寿命预测方法，复用电解电容***中的均压电阻，将均压电阻的中点电压与参考电压比较，实现每一只电解电容寿命的实时在线诊断，在寿命到期时提前发出预警和报警，帮助用户准确定位寿命到期的电解电容，并进行更换，避免***停机造成大量损失；采样电解电容均压电阻的中点电压，通过数学模型推算电解电容的寿命，实现每一只电解电容寿命的实时在线预测，给用户直观的预维护参考信息。

本发明为实现发明目的而提出的电解电容寿命实时在线诊断及寿命预测方法，其步骤是：

电解电容寿命实时在线诊断：

步骤1.依次从上到下将电解电容串联桥臂中间节点的电压与上报警阈值和下报警阈值进行比较，获得每一个节点的比较结果。

步骤2.根据比较结果进行逻辑判断：如果串联电容桥臂每个中间节点的电压都没有高于上报警阈值，也都没有低于下报警阈值，则该串联电容桥臂的所有电解电容寿命都没有到期，不产生寿命到期报警；如果有任意一个节点及其下方的所有节点电压高于上报警阈值，且其上方的所有节点电压低于下报警阈值，则以该节点为下节点的电解电容寿命到期，产生报警，告知客户此颗电解电容寿命到期，需要停机维护。

电解电容寿命实时在线预测步骤：

步骤1.依次从上到下采样电解电容串联桥臂中间节点的电压，获得中间节点电压值U_n1-U_n(m-1)，其中n代表第n条电解电容串联桥臂，m为第n条电解电容串联桥臂的电容数量。采样第n条电解电容串联桥臂流过的电流，获得电流值I_n。

步骤2.复用***控制的必要参数母线电压U₀，按照下述数学公式依次计算获得该串联桥臂中每一个电解电容的漏电流I_dnx。

其中x代表该串联桥臂中第x颗电容，x是从1到m的整数。Rnx为第n条串联桥臂的第x个电容的并联均压电阻。

步骤3.将每一个电解电容的漏电流I_dnx与上一个采样周期的漏电流相比较，如果减少，则判断该电容还处于自愈修复区间，电容剩余寿命为100％；如果增大，则判断该电容已经处于寿命耗损区间，根据漏电流和寿命之间的数学模型L_nx＝f(I_dnx)，计算出电容剩余寿命百分比。

相比于现有电解电容智能化在线寿命诊断及寿命预测方法，本发明具备以下优势：

1、能够实现对电力电子***中的每一只电解电容的寿命进行实时在线诊断和预测。

2、复用电力电子***中的电容均压电阻，只需增加简单的比较电路，即可实现电解电容寿命的实时在线诊断，产生预警和报警，成本非常低廉；同样，对***中每一只电解电容的寿命预测也仅仅需要采样均压电阻的中点电压，而不需要采样2个或2个以上的参变量，成本较低。尤其当需求对多电容***中的每一只电容进行寿命诊断和预测时，本发明优势更加明显。

3、本发明从本质上而言是一种通过检测电解电容寿命到期的直接表征参数-漏电流来实现电解电容寿命实时在线诊断和预测的方法，相比于基于寿命模型的方法而言，更加准确可靠。

本发明适用的直流母线典型拓扑如图4所示。本发明适用于任何电解电容串并联实现母线支撑的拓扑，任何在本发明拓扑、方法上做细微修改的拓扑、方法，都在本发明的保护权利要求范围以内。

附图说明

图1是安川Sigma7伺服驱动器手册电容更换截图。

图2是安川Sigma7伺服驱动器手册寿命预测截图。

图3是电解电容的寿命实验数据。

图4是典型的直流母线拓扑图。

图5是电解电容寿命的浴盆曲线图。

图6是本发明电解电容寿命实时在线诊断的实现方案举例。

图7是电解电容寿命和漏电流的曲线图。

图8是本发明电解电容寿命实时在线预测的实现方案举例。

图9是第一串联支路电解电容寿命预测算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明方法作进一步详细说明。

出于成本和器件本身的局限，典型的直流母线拓扑通常选用N颗低压小容量电解电容串并联实现，由于采用低压电解电容串联耐受高母线电压，因此必须添加一定的均压措施，最常见的措施是采用电阻均压，电阻的理论计算依据如下：

R＝U_C/(5×I_L)＝U_C/(5×0.003CU_C)＝1/(0.015×C)

其中U_C为电容电压，I_L为电容漏电流，C为电容容值。但经实践证明，考虑到电解电容的实际漏电流和均压电阻功耗，按照R＝1/(0.0015C)计算均压电阻值即可。随着电解电容寿命的衰减，漏电流呈现上升趋势，当某一颗电解电容寿命到期，其漏电流会陡然增大，对应图5中的C阶段：耗损失效期。根据表1电解电容的失效判据，设置电解电容寿命到期的漏电流为I_D，该参数以电解电容厂家提供的数据为准，如南通江海的CD29C系列电解电容失效漏电流的判据为0.01CU_C。正常状态的电解电容处于图7中的B阶段-使用寿命期，漏电流非常小，通常与I_D相差数十倍，并且实际流过均压电阻的电流与I_D相比也小很多。

本发明提出的电解电容寿命诊断的实现方案举例如图6所示，基本原理如下：同一串联臂的电解电容同一时刻只有一个进入耗损失效期，其它电解电容仍然处于使用寿命期，即失效电容路的等效串联电阻会明显减小，其它电路路的等效串联阻抗基本不变，因此该电容下方所有节点电压抬升，上方所有节点电压降低，利用该特性，使用简单的硬件比较电路即可实现电解电容寿命的实时在线诊断，及时产生报警和预警。具体说明以图6中的第一列电容串联支路为例：假设电容C₁₂寿命到期，进入耗损失效期，其漏电流陡然增大，导致电容支路等效串联阻抗明显减小，其下方节点O₁₂-O_1(m-1)的电压明显上升，经过报警比较电路后产生上限达到信号P₁₂-P_1(m-1)，其上方节点O₁₁的电压明显降低，经过报警比较电路后产生下限达到信号N₁₁，根据劣化电容下方节点电压上升，上方节点电压下降的判断原则，综合P₁₂-P_1(m-1)和N₁₁逻辑判断，能够精确定位到电解电容C₁₂寿命到期，产生报警信号，检测延迟非常小。与报警原理相同，调整比较器阈值可以实现电解电容寿命劣化的预警，产生预警信号，检测延迟非常小，提醒用户提前安排维护计划。其它串联支路的诊断机理相同，在此不作赘述。同样，基于上述原理，也可以通过对节点电压进行采样，在MCU中进行逻辑判断实现电解电容的寿命实时在线诊断，但成本略高。本发明的电解电容寿命实时在线诊断方法复用电解电容的均压电阻，***附加硬件成本非常低，实现了定位到***中每一颗电解电容的寿命预警和报警，具备极佳的经济性和竞争力，且该成本优势随着***电解电容个数的增加更加明显。图6本发明电解电容寿命实时在线诊断的实现方案举例。图7所示是某厂家针对8个400V560uF的电解电容做寿命实验的数据曲线，图中分别标注为1#～8#。从图中可以看出，在漏电流修复区之后，电解电容的漏电流随着时间线性增长，电解电容的漏电流是能够直接表征其寿命的参变量。电解电容如果长时间储存，漏电流指标会产生退化，通过加电压可以进行修复，图7的前半段时间电解电容处于漏电流修复区，漏电流随着时间线性下降。

本发明提出的电解电容寿命预测的实现方案举例如图8所示，以第一电容串联支路为例进行说明，通过采样节点电压U₁₁-U_1(m-1)，以及电解电容串联支路的电流I₁，复用电力电子***本身控制所需的变量母线电压U₀，可以通过公式(1)解算出串联支路中每一颗电解电容C_1x的漏电流I_dx。

第一串联支路每一颗电解电容寿命预测的算法流程图如图9所示，定期采样参变量U₁₁-U_1(m-1)、I₁、U₀，计算电容串联支路每一颗电解电容的漏电流I_dx，依次处理每一颗电解电容，将当前周期该电容漏电流和上一周期做比较，判断电解电容是否处于漏电流修复区，如果在漏电流修复区，则寿命百分比L_1x为100％；如果在漏电流修复区，则根据已经建立的寿命模型，查表获得电解电容剩余寿命百分比L_1x。其它并联电容支路算法流程相同，在此不作赘述。本发明提出的电解电容寿命实时在线预测方法，能够为用户实时显示***中每颗电解电容的寿命状况，让用户提前做好维护准备，防止意外停机，尤其是大型机械，如伺服压力机，***拥有较多电解电容，用户这方面的需求非常迫切。且本发明提出的电解电容实时在线寿命预测方法针对每条串联支路N个电容，仅仅需要采样N个参变量，比传统方法需要采样2N个参变量，***复杂度和成本大大降低。

Claims (1)

1.一种电解电容寿命实时在线诊断方法，其步骤是：

步骤1.依次从上到下将电解电容串联桥臂中间节点的电压与上报警阈值和下报警阈值进行比较，获得每一个节点的比较结果；

步骤2.根据比较结果进行逻辑判断：

如果串联电容桥臂每个中间节点的电压都没有高于上报警阈值，也都没有低于下报警阈值，则该串联电容桥臂的所有电解电容寿命都没有到期，不产生寿命到期报警；

如果串联电容桥臂某个中间节点及其下方的所有串联电容桥臂中间节点电压均高于上报警阈值，且其上方的所有串联电容桥臂中间节点电压均低于下报警阈值，则以该串联电容桥臂中间节点为下节点的电解电容寿命到期，产生报警，判断此颗电解电容寿命到期。

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