一种电容能量泄放装置的制作方法

本实用新型涉及一种电容能量泄放装置，属于电容充放电技术领域。

背景技术：

目前大功率电力电子产品(例如新能源发电产品、柔性直流输电产品、无功补偿产品和直流配网产品)中所使用的母线电容主要为电解电容和金属膜电容，额定电压大约在dc1000～5000v。在大功率电力电子产品的很多离线测试中，母线电容经常需要多次充放电；但是试验过程中，由于被试产品的母线电容自身没有耗能回路，导致其一旦充电后就会在很长时间内存在高电压，即使本次试验结束也必须待其电压自然放电至安全范围内才能开展后续试验，而放电过程往往可以持续几分钟至几十小时，非常影响试验效率；同时，由于母线电容长时间带电，且无任何带电指示，也使试验环境内存在着极大的触电、短路火灾等安全隐患。

为解决上述试验效率及安全问题，现阶段主要采用简易的电阻放电装置进行电容能量泄放，但是，现有泄放方式仍存在如下局限性和安全问题：(一)针对容量和带电电压不同的待泄放电容，简易的电阻放电装置需要预先考虑所需泄放电阻的阻值和功率，以防止因泄放电阻选取不当而引发设备过流、电阻发热量过大及其它元器件烧毁问题；(二)简易的电阻放电装置，无法显示电容残余电压，可能导致放电未彻底，进而引发安全问题；(三)在实际操作过程中，由于常常无法满足泄放电阻型号与待泄放电容的电压容量完全匹配，经常会导致放电接触点存在拉弧现象；(四)临时制作的简易放电装置，对于绝缘性能、保护性能、安全性能均不能可靠保证。

综上所述，利用现有的简易电阻放电装置对大功率电力电子产品中的母线电容进行能量泄放时，存在不可靠、不安全的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种电容能量泄放装置，用以解决利用现有的简易电阻放电装置对电容进行能量泄放时，不可靠、不安全的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种电容能量泄放装置，该装置包括控制器、dc/dc变换电路和泄放电阻；dc/dc变换电路的输入端用于连接待泄放电容，dc/dc变换电路的输出端连接泄放电阻；控制器采样连接dc/dc变换电路的输入端和输出端，并控制连接dc/dc变换电路中的可控半导体元件，所述控制器用于控制dc/dc变换电路的输出电压稳定在设定范围内。

本实用新型的有益效果是：(1)利用控制器采集dc/dc变换电路的输入电压(即待泄放电容电压)和dc/dc变换电路的输出电压，并对采集到的电压进行处理生成控制信号，利用生成的控制信号对dc/dc变换电路中的可控半导体元件进行控制，使dc/dc变换电路的输出电压稳定在设定范围内，从而使施加在泄放电阻上的泄放电压稳定在设定范围内，实现泄放电压大小可控，能够降低安全风险，提高试验安全性；(2)由于泄放电压大小可控，则该装置能够适用于不同电压等级的待泄放电容，装置的通用性强，那么在需要对多类电力电子产品的部件或整机进行测试时，就无需更换不同的泄放装置，能够节省试验时间，提升试验效率；(3)由于dc/dc变换电路的输出电压大小可控，因此可按照泄放电阻的阻值和功率适当调整输出电压，就不会出现因泄放电阻选取不当而引发设备过流、电阻发热量过大及其它元器件烧毁问题，安全可靠；另外，还能通过选取合适的泄放电阻型号实现在安全范围内以最大的速度进行电容能量泄放，进一步提升试验效率；(4)可按照实际测试需要选择与待泄放电容的连接方式，装置操作方便。

进一步地，所述dc/dc变换电路为buck变换电路。

为了使泄放装置能适用于更高电压等级的待泄放电容，使其具备更宽范围的电容电压泄放能力，进一步地，所述dc/dc变换电路包括：第一igbt、第二igbt、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和电感；其中，dc/dc变换电路输入端的正极、第一igbt、第二igbt、电感、第二电容和dc/dc变换电路输入端的负极依次串联，第二电容的两端作为dc/dc变换电路的输出端；第一二极管与第二二极管同向串联后，第一二极管的阴极串联在第二igbt与电感之间，第二二极管的阳极与dc/dc变换电路输入端的负极连接；第一电容的一端连接第一igbt和第二igbt的串联点，另一端连接第一二极管和第二二极管的串联点。

为了实时显示待泄放电容电压，帮助操作人员实时掌握待泄放电容的放电情况，保证操作人员安全，进一步地，该装置还包括显示屏，显示屏与控制器连接。

为了实现危险告警，进一步保证操作人员安全，进一步地，该装置还包括危险告警指示灯，危险告警指示灯与控制器连接。

为了实现危险告警，进一步保证操作人员安全，进一步地，该装置还包括蜂鸣器，蜂鸣器与控制器连接。

为了显示泄放装置的运行状态，进一步地，该装置还包括运行指示灯，运行指示灯与控制器连接。

为了实现泄放装置的过温保护，进一步地，该装置还包括过温继电器，过温继电器与控制器连接。

为了实现过流保护，进一步地，该装置还包括限流熔断器，限流熔断器连接在dc/dc变换电路的输入端。

为了易于实现后期功能的扩展，进一步地，所述控制器内部使用dsp+fpga+arm的芯片架构。

附图说明

图1是本实用新型的电容能量泄放装置的结构示意图；

图2是本实用新型的待泄放电容为1mf/2000v，泄放电阻为150w/500ω时的放电过程图；

图3是本实用新型的待泄放电容为1mf/4000v，泄放电阻为150w/500ω时的放电过程图；

图4是本实用新型的待泄放电容为1mf/2000v，泄放电阻为300w/250ω时的放电过程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1所示，本实施例的电容能量泄放装置(以下简称泄放装置)，包括控制器、dc/dc变换电路和泄放电阻；dc/dc变换电路的输入端用于连接待泄放电容，dc/dc变换电路的输出端连接泄放电阻。泄放电阻用于通过电阻耗能的方式消耗待泄放电容中的能量。

其中，dc/dc变换电路包括：第一igbt(s1)、第二igbt(s2)、第一二极管(d1)、第二二极管(d2)、第一电容(c1)、第二电容(c2)和电感(l)；其中，dc/dc变换电路输入端的正极(+)、第一igbt(s1)、第二igbt(s2)、电感(l)、第二电容(c2)和dc/dc变换电路输入端的负极(-)依次串联，第二电容(c2)的两端作为dc/dc变换电路的输出端；第一二极管(d1)与第二二极管(d2)同向串联后，第一二极管(d1)的阴极串联在第二igbt(s2)与电感(l)之间，第二二极管(d2)的阳极与dc/dc变换电路输入端的负极(-)连接；第一电容(c1)的一端连接第一igbt(s1)和第二igbt(s2)的串联点，另一端连接第一二极管(d1)和第二二极管(d2)的串联点。

本实施例中，控制器采样连接dc/dc变换电路的输入端和输出端，用于采集dc/dc变换电路的输入电压(即待泄放电容电压)和输出电压；控制器控制连接dc/dc变换电路中的第一igbt(s1)和第二igbt(s2)；控制器通过对待泄放电容电压、dc/dc变换电路的输出电压和目标输出电压进行比较、处理，生成控制dc/dc变换电路中igbt导通和关断的驱动脉冲信号(即igbt驱动脉冲信号)，从而控制dc/dc变换电路的输出电压稳定在设定范围内，即控制施加在泄放电阻上的泄放电压在设定范围内，进而控制泄放电流在设定范围内，达到控制泄放电压、电流稳定，避免过流、过载、过热等安全问题发生的目的，能够降低安全风险，提高试验安全性。其中，设定范围根据实际需要设置。当待泄放电容电压下降至低于限定幅值(限定幅值根据实际需要设置)后，igbt驱动脉冲信号进入饱和调制阶段，dc/dc变换电路的输出电压、电流持续降低，直到待泄放电容电压和dc/dc变换电路的输出电压均降低至30v以下，泄放装置封锁脉冲，自动停机。作为其他实施方式，泄放装置封锁脉冲的条件还可以根据实际需要设置，只要待泄放电容电压和dc/dc变换电路的输出电压降低到安全范围内或满足实验要求即可，并不限于将待泄放电容电压和dc/dc变换电路的输出电压均降低至30v以下。

本实施例的dc/dc变换电路中的可控半导体元件为ibgt，作为其他实施方式，可控半导体元件还可以是晶闸管或mos管等。

本实施例的dc/dc变换电路采用图1所示结构，电路中第一igbt(s1)、第二igbt(s2)的驱动脉冲信号相位相差180°；当驱动脉冲信号的占空比d不同时，该电路的等效电路不同，下面详细介绍在不同占空比d的情况下，该电路存在的四种工作方式：

1)s1导通、s2关断时，d1导通、d2承受反向电压截止；待泄放电容的能量通过s1、d1给c1、c2充电和被泄放电阻消耗；

2)s1、s2均关断时，c1不进行充放电，其电压不变；电感l内的电流通过d1、d2进行续流，电感l内的电流逐渐减小，能量被泄放电阻消耗；

3)s1关断、s2导通时，d2导通、d1承受反向电压截止；此时c1作为电压源为输出侧提供能量，c1电压下降，能量被泄放电阻消耗；

4)s1、s2均导通时，d1、d2均承受反向电压截止；电感l限流，待泄放电容的能量通过s1、s2被泄放电阻消耗。

该电路中第一二极管(d1)、第二二极管(d2)的主要作用是进行续流；第二电容(c2)的主要作用是稳定输出电压。

通过在上述不同工作方式下对电路进行积分运算，该电路的输出电压vout与待泄放电容电压(即输入电压)vin之间的关系为：vout＝d*vin。控制器根据采集到的电路的输入、输出电压值，改变s1、s2的驱动脉冲信号的占空比，从而控制输出电压vout；在驱动脉冲信号达到饱和前，输出电压稳定，从而泄放电流也保持恒定；在驱动脉冲信号达到饱和后，输出电压开始下降，直至待泄放电压下降至30v以下，电路停止工作。

图1所示的电路相较于传统buck变换电路的主要优势在于，该电路的器件应力只有传统buck变换电路的一半，在选用相同型号器件的情况下，该电路可适用于更高电压等级的待泄放电容，使泄放装置具备更宽范围的电容电压泄放能力；作为其他实施方式，dc/dc变换电路还可以采用其他形式的buck变换电路，只要能实现电压变换功能即可。

本实施例的泄放装置还包括显示屏，显示屏与控制器连接。显示屏用于在整个电容能量泄放过程中实时显示待泄放电容电压，帮助操作人员实时掌握待泄放电容的放电情况，保证操作人员安全。

本实施例的泄放装置还包括危险告警指示灯、蜂鸣器和运行指示灯，危险告警指示灯、蜂鸣器和运行指示灯均与控制器连接。控制器根据采集到的电压信号进行逻辑判断，控制运行指示灯、危险告警指示灯和蜂鸣器进行泄放装置状态指示及危险告警，在电容能量泄放过程中保障人员和装置的安全。其中，当泄放装置启动时，运行指示灯亮，整个泄放过程中，当待泄放电容电压大于30v时，危险告警指示灯和蜂鸣器一直告警，提醒操作人员和其它无关人员，防止误触电，直到待泄放电容电压泄放完成后泄放装置停止告警并正常停机。

本实施例的泄放装置还包括过温继电器，过温继电器与控制器连接。过温继电器用于提供过温保护功能，在泄放过程中保障人员和装置的安全。

本实施例的泄放装置还包括限流熔断器(fu)，限流熔断器(fu)串联在待泄放电容与dc/dc变换电路输入侧之间，当泄放装置内部出现短路、过流等严重故障，故障电流超过限流熔断器(fu)的熔断电流时，限流熔断器(fu)熔断，从而使泄放装置与待泄放电容断开，实现过流保护功能，保护泄放装置安全。同时，还可将故障信息反馈给控制器进行告警，提醒操作人员及时采取处理措施。

本实施例的泄放装置中控制器还能实现过压保护功能，当控制器所采集的电压超过保护定值时，封锁igbt驱动脉冲并告警，保护泄放装置安全。

本实施例中，为了易于实现后期的功能扩展，控制器内部使用dsp+fpga+arm的芯片架构，作为其他实施方式，控制器内部还可以仅采用dsp或fpga或arm的芯片架构。

本实施例的泄放装置的工作原理如下：

泄放装置使用时，可以根据需要选择不同的连接方式。连接方式(1)：在电容带电前将泄放装置与电容的正负极使用带夹子高压导线连接，在需要放电时直接启动泄放装置；连接方式(2)：泄放已带电电容时，使用绝缘放电杆与已带电的电容良好接触后，再启动泄放装置。

当泄放装置与待泄放电容连接完成，且待泄放电容电压满足在dc30～5000v范围内时，启动泄放装置，dc/dc变换电路和控制器开始正常工作，运行指示灯、危险告警指示灯点亮，蜂鸣器开始报警，显示屏上电压显示正确；待泄放电容内的电能通过以下两种方式被消耗：(1)主要由泄放电阻以热量方式消耗；(2)由dc/dc变换电路内的igbt器件及其它导流器件以热量形式消耗(待泄放电容电压越高此部分消耗能量越多)；直至待泄放电容电压和dc/dc变换电路的输出电压均低于30v后，泄放装置封锁脉冲，正常停机，整个泄放过程自动实现。

当出现泄放装置内部过温或其它故障，但待泄放电容电压未泄放至30v以下时，泄放装置进入故障停机，泄放装置封锁脉冲、运行指示灯熄灭、危险告警指示灯点亮、蜂鸣器持续告警，防止人员触电。

下面通过试验验证利用本实施例的泄放装置进行电容能量泄放时的有效性。

待泄放电容为1mf/2000v，泄放电阻为150w/500ω时的放电过程如图2所示，待泄放电容为1mf/4000v，泄放电阻为150w/500ω时的放电过程如图3所示；通过对比图2和图3可以发现：泄放装置可以满足不同初始电压的电容的恒流泄放，当泄放电阻型号相同时，泄放时间取决于待泄放电容的初始电压值，初始电压越高，放电时间越长。

另外，该泄放装置也具备在一定范围内的扩容功能，通过连接功率较大、阻值较小的泄放电阻来加快容值较大的电容能量泄放速度，减少泄放时间。

待泄放电容为1mf/2000v，泄放电阻为300w/250ω时的放电过程如图4所示；通过对比图2和图4可以发现：在待泄放电容初始条件一致的情况下，通过改变泄放电阻的功率和阻值，可有效减少一倍的放电时间，因此，该泄放装置也可以通过上述方式来提升泄放效率。

在实际运用中，可将本实施例的泄放装置按照柔性直流输电、新能源、直流配网产品中所涉及的主要电容参数进行器件选型和设计；该装置具备快速泄放、短路保护、实时电压显示、安全告警、连接方式可变、泄放电阻可变更等功能；泄放电压大小可控，能够降低安全风险，提高试验安全性；能通过选取合适的泄放电阻型号实现在安全范围内以最大的速度进行电容能量泄放，提升试验效率；相比简易的电阻泄放装置，更加通用、安全、便捷；泄放装置体积较小，重量较轻，操作和移动便捷。