一种母线电解电容寿命的估算电路的制作方法

1.本实用新型属于变频驱动的技术领域，涉及一种电容寿命估算方法，特别是涉及一种母线电解电容寿命的估算电路。


背景技术：

2.随着电力电子技术的不断发展成熟以及家电市场的不断拓宽，变频驱动器的应用越来越广泛，对其性能要求也越来越高，因此驱动器的可靠性更加重要，相应地，对产品的寿命评估也更加重视起来。
3.新型变频外机系统与传统空调外机的不同在于：新型变频外机系统由于驱动器的存在，对空间的要求较高。其中，整流滤波单元内的储能铝电解电容由于制造工艺的问题，存在寿命衰减的问题：其基本结构是箔式卷绕型的结构，阳极为铝金属箔，介质是用电化学方法在阳极金属箔表面上形成的阀金属氧化膜，正极是铝(阳极箔)，中间介质是不导电的氧化铝(阳极氧化膜)，负极是电解液。电解电容的寿命长短取决于这个电解液，而其失效速度与电解液的挥发速度有关，挥发的速度又主要取决于温度，而电解电容内部的温度，取决于环境温度和纹波电流的双重影响。
4.在整个驱动器寿命评估中，电解电容占据着决定性的位置。对其寿命评估的传统评估方法是在电解电容表面布点测量其温升，同时将电解电容的本体引脚抬高，串入电流探头用示波器测量其纹波电流，结合不同负载工况，收集数据代入计算表格中，评估其寿命。然后在很多系统里面，抬高电解电容引线用示波器测量纹波电流不是很方便，同时操作时对机组也会带来不同的温升影响，导致寿命评估数据不准确。
5.因此，如何提供一种操作简便且测量数据可靠的电容寿命估算方案，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种母线电解电容寿命的估算电路，用于解决现有技术无法提供一种操作简便且测量数据可靠的电容寿命估算方案的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型一方面提供一种母线电解电容寿命的估算电路，所述母线电解电容寿命的估算电路包括：整流单元，用于对输入电压进行整流；功率因数校正单元，与所述整流单元连接，用于在变频过程中提高电力利用率；纹波电流采样单元，与所述功率因数校正单元连接，用于采集纹波电流转换的采样电压；采样运放单元，与所述纹波电流采样单元连接，用于对所述采样电压进行运算放大处理。
8.于本实用新型的一实施例中，所述整流单元为单相整流单元；所述单相整流单元包括整流桥和第一滤波电容；所述整流桥的第二端和第三端连接交流输入电压；所述整流桥的第一端和第四端与所述第一滤波电容的两端并联，输出整流电压。
9.于本实用新型的一实施例中，所述功率因数校正单元包括：储能电感、功率二极
管、高频吸收电容、母线电解电容、第四滤波电容、igbt、igbt驱动电阻、泄放电阻和驱动滤波电容；所述储能电感的一端与母线正极连接，另一端与所述功率二极管的阳极连接，所述功率二极管与所述高频吸收电容并联，所述功率二极管的阴极分别与所述母线电解电容的正极、所述第四滤波电容的一端连接，所述第四滤波电容的另一端与母线负极连接；所述igbt的基极分别与所述驱动电阻的一端、泄放电阻的一端以及所述驱动滤波电容的一端连接，所述igbt的发射极、所述泄放电阻的另一端以及所述驱动滤波电容的另一端均连接母线负极，所述igbt的集电极与所述功率二极管的阳极连接。
10.于本实用新型的一实施例中，所述纹波电流采样单元包括采样电阻；所述采样电阻的一端与所述母线电解电容的负极连接，另一端与母线负极连接。
11.于本实用新型的一实施例中，所述采样运放单元包括：第三运放电阻、第四运放电阻、第五运放电阻、第六反馈电阻、第七运放输出电阻、第五滤波电容、第六去耦电容、第七滤波电容和运算放大器；所述运算放大器的正向输入端分别与所述第三运放电阻的一端、所述第四运放电阻的一端和所述第五滤波电容的一端连接，所述第四运放电阻的另一端与电源正极连接，所述第五滤波电容的另一端与地连接；所述运算放大器的负向输入端分别与所述第五运放电阻的一端、所述第六反馈电阻的一端连接，所述第五运放电阻的另一端与地连接，所述第六反馈电阻的另一端分别与所述运算放大器的输出端、所述第七运放输出电阻的一端连接，所述第七运放输出电阻的另一端与所述第七滤波电容的一端连接，所述第七滤波电容的另一端与地连接；所述运算放大器的正向供电端分别与电源正极、所述第六去耦电容的一端连接，所述去耦电容的另一端与地连接，所述运算放大器的负向供电端与地连接。
12.于本实用新型的一实施例中，所述第三运放电阻的另一端与所述纹波电流采样单元的采样点连接。
13.于本实用新型的一实施例中，所述母线电解电容寿命的估算电路还包括：控制单元，分别与所述功率因数校正单元和所述采样运放单元连接，用于向所述功率因数校正单元输出校正信号，以及接收所述采样运放单元的采样电压。
14.于本实用新型的一实施例中，所述母线电解电容寿命的估算电路还包括：温度采样单元，与所述控制单元连接，用于将温度对应的采集电压传输至所述控制单元。
15.如上所述，本实用新型所述的母线电解电容寿命的估算电路，具有以下有益效果：
16.通过母线电解电容线路中的纹波电流采样电阻和相关运算放大回路，可以实时计算不同负载工况下的纹波电流，实现在机组内部收集可靠的纹波电流测量数据，方便评估电容寿命，保证产品设计的稳定性和可靠性。进一步，将测量的纹波电流结合母线电解电容布点采集的温度实现电容寿命的估算。
附图说明
17.图1显示为本实用新型的母线电解电容寿命的估算电路于一实施例中的电路连接示意图。
18.图2显示为本实用新型的母线电解电容寿命的估算电路于一实施例中的采样电路图。
19.图3显示为本实用新型的母线电解电容寿命的估算电路于一实施例中的运放电路
图。
20.元件标号说明
[0021]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
母线电解电容寿命的估算电路
[0022]
11
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整流单元
[0023]
12
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功率因数校正单元
[0024]
13
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纹波电流采样单元
[0025]
14
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采样运放单元
具体实施方式
[0026]
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
[0027]
请参阅附图。须知，本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
[0028]
本实施例提供的母线电解电容寿命的估算电路，在原有电路拓扑结构基础上，增加了母线电解电容纹波采样回路，方法简单，实施成本低廉，对原有电路结构改动较小，功耗较低，实现了母线电解电容的实时在线寿命评估，进一步使得母线电解电容所在的驱动器寿命评估更加简易可靠。
[0029]
请参阅图1，显示为本实用新型的母线电解电容寿命的估算电路于一实施例中的电路连接示意图。如图1所示，本实用新型所述的母线电解电容寿命的估算电路1包括：整流单元11、功率因数校正单元12、纹波电流采样单元13和采样运放单元14。
[0030]
所述整流单元11用于对输入电压进行整流。
[0031]
所述功率因数校正单元12与所述整流单元11连接，用于在变频过程中提高电力利用率。
[0032]
所述纹波电流采样单元13与所述功率因数校正单元12连接，用于采集纹波电流转换的采样电压。
[0033]
所述采样运放单元14与所述纹波电流采样单元13连接，用于对所述采样电压进行运算放大处理。
[0034]
请参阅图2，显示为本实用新型的母线电解电容寿命的估算电路于一实施例中的采样电路图。如图2所示，所述整流单元11为单相整流单元11。
[0035]
所述单相整流单元11包括整流桥db1和第一滤波电容c1；所述整流桥db1的第二端和第三端连接交流输入电压，具体地，第二端连接交流输入电压acl，第三端连接交流输入电压acn。
[0036]
所述整流桥db1的第一端和第四端与所述第一滤波电容c1的两端并联，输出整流电压。
[0037]
请继续参阅图2，所述功率因数校正单元12包括：储能电感l1、功率二极管frd1、高频吸收电容c3、母线电解电容e1、第四滤波电容c4、igbt、igbt驱动电阻r1、泄放电阻r2和驱动滤波电容c2。具体地，功率二极管frd1为快恢复功率二极管。
[0038]
所述储能电感l1的一端与母线正极dc+连接，另一端与所述功率二极管frd1的阳极连接，所述功率二极管frd1与所述高频吸收电容c3并联，所述功率二极管frd1的阴极分别与所述母线电解电容e1的正极、所述第四滤波电容c4的一端连接，所述第四滤波电容c4的另一端与母线负极dc-连接。
[0039]
所述igbt的基极分别与所述驱动电阻r1的一端、泄放电阻r2的一端以及所述驱动滤波电容c2的一端连接，所述igbt的发射极、所述泄放电阻r2的另一端以及所述驱动滤波电容c2的另一端均连接母线负极dc-，所述igbt的集电极与所述功率二极管frd1的阳极连接。
[0040]
请继续参阅图3，所述纹波电流采样单元13包括采样电阻rs1。
[0041]
所述采样电阻rs1的一端与所述母线电解电容e1的负极连接，另一端与母线负极dc-连接。
[0042]
请参阅图3，显示为本实用新型的母线电解电容寿命的估算电路于一实施例中的运放电路图。如图3所示，所述采样运放单元14包括：第三运放电阻r3、第四运放电阻r4、第五运放电阻r5、第六反馈电阻r6、第七运放输出电阻r7、第五滤波电容c5、第六去耦电容c6、第七滤波电容c7和运算放大器u7a。
[0043]
所述运算放大器u7a的正向输入端分别与所述第三运放电阻r33的一端、所述第四运放电阻r4的一端和所述第五滤波电容c5的一端连接，所述第四运放电阻r4的另一端与电源正极+3.3v连接，所述第五滤波电容c5的另一端与地连接。其中，地是指运算放大器的地。
[0044]
所述运算放大器u7a的负向输入端分别与所述第五运放电阻r5的一端、所述第六反馈电阻r6的一端连接，所述第五运放电阻r5的另一端与地连接，所述第六反馈电阻r6的另一端分别与所述运算放大器u7a的输出端、所述第七运放输出电阻r7的一端连接，所述第七运放输出电阻r7的另一端与所述第七滤波电容c7的一端连接，所述第七滤波电容c7的另一端与地连接。
[0045]
所述运算放大器u7a的正向供电端分别与电源正极+3.3v、所述第六去耦电容c6的一端连接，所述去耦电容c6的另一端与地连接，所述运算放大器u7a的负向供电端与地连接。
[0046]
图3所示采样运放单元的具体电路将电压进行抬升，使得测量电压围绕1.65v进行变化，便于信号处理。除此之外，其他的可以实现采样点电压urs运算放大处理的器件组合成的变形运放电路也在本实用新型保护的范围内。
[0047]
于一实施例中，所述第三运放电阻r3的另一端与所述纹波电流采样单元的采样点连接。具体地，图2中所述第三运放电阻r3的另一端与所述采样电阻rs1的上端即采样点urs连接。
[0048]
于一实施例中，所述母线电解电容寿命的估算电路还包括：控制单元。
[0049]
所述控制单元分别与所述功率因数校正单元和所述采样运放单元连接，用于向所述功率因数校正单元输出校正信号，以及接收所述采样运放单元的采样电压。具体地，所述控制单元可以是由dsp(digital signal process，数字信号处理)芯片组成的控制电路。
[0050]
于一实施例中，所述母线电解电容寿命的估算电路还包括：温度采样单元。
[0051]
所述温度采样单元与所述控制单元连接，用于将温度对应的采集电压传输至所述控制单元。具体地，可以将温度传感器在电解电容表面进行布点测量其温升。
[0052]
本实用新型提供的母线电解电容寿命的估算电路应用于变频器驱动电路中，形成带有本实用新型电路功能的变频器驱动系统，该变频器驱动系统包括：emi(electromagnetic interference，电磁干扰)滤波、整流滤波、功率因数校正回路、开关电源、dsp驱动、逆变回路及其他变频驱动时所用的电路回路或电路结构单元。
[0053]
本实用新型中所述母线电解电容寿命的估算电路的工作原理如下：
[0054]
于具体应用中，由某一电解电容规格书中可获得该电解电容寿命的计算公式如下，不同电解电容计算公式或有区别，此处仅利用其中一个公式进行原理说明。
[0055][0056]
其中，l表示最终求得的母线电解电容寿命(单位：h)，l0表示额定温度和额定纹波电流下的寿命(单位：h)；t0表示额定环境温度(单位：℃)；t表示实际环境温度(单位：℃)；k表示纹波电流加速系数(纹波电流在允许范围内：k＝2，纹波电流超出允许范围：k＝4)；i0表示额定工作温度下的额定纹波电流(单位：arms)，i表示实际施加的纹波电流(单位：arms)，
△
t0表示额定工作温度下电容器中心温升(单位：℃)；ur表示额定工作电压(单位：v)；ua表示实际工作电压(单位：v)；n表示电压系数。对小尺寸引线式电容器，n＝0；对中等尺寸和大尺寸电容，n＝2.5实际工作电压规定如下：0.6ur≤ua≤ur，当工作电压小于0.6ur时，计算取0.6ur。
[0057]
在母线电解电容寿命的估算中，l0、t0、k、i0、
△
t0、ur、ua及n均为已知量，利用采样运放单元提供的uripple计算出实际施加的纹波电流i，并利用温度采样单元提供的采样电压计算出电解电容实际环境温度t，将i、t代入上述公式中，即可算的母线电解电容的寿命l。
[0058]
其中，计算实际施加的纹波电流i原理如下：采样电阻处电压为urs，假定r3、r4取值分别为1.27k和16.5k，假定新增的采样电阻rs1取值为0.005ω，纹波电流流经rs1，从urs处取得电压采样信号送到运放回路。假定实际施加的纹波电流为i，运放u7a的输入负端电压u-＝uripple*r5/(r5+r6)，于本实施例中假定阻值取值分别为2k和12k，即u-＝uripple*2/14＝uripple/7，在负反馈运放电路里，根据虚短原则，u+≈u-；同理，根据虚断原则，在运放u7a的正向输入端，流经运放电阻r4的电流i4≈流经r3的电流i3，可以由下列公式推理得出：
[0059]
根据i4＝(3.3-u+)/r4；i3＝(u+-urs)/r3以及u+≈u-＝uripple/7；i4≈i3得出：
[0060]
(3.3-u+)/16.5＝(u+-urs)/1.27，经过公式计算相当于3.3*1.27-1.27*u+＝16.5u+-16.5*urs，即17.77*u+＝3.3*1.27+16.5*urs。
[0061]
uripple*17.77/7＝4.191+16.5*urs，即
[0062]
uripple＝1.65+6.5*urs＝1.65+6.5*i*rs1＝1.65+0.0325*i，此处得到的uripple送到dsp芯片的adc采样口求取rms值，结合采样电阻rs1的阻值，计算反推得到电解电容的纹波电流i的有效值。具体地，由上述公式得到了纹波电流i与uripple之间的函数转换关系，uripple为采样运放单元输出至dps芯片的电压信号，为已知量，则可以根据该函数
转换关系，实时转换出纹波电流i。
[0063]
综上所述，本实用新型提供的母线电解电容寿命的估算电路通过母线电解电容线路中的纹波电流采样电阻和相关运算放大回路，可以实时计算不同负载工况下的纹波电流，实现在机组内部收集可靠的纹波电流测量数据，方便评估电容寿命，保证产品设计的稳定性和可靠性。进一步，将测量的纹波电流结合母线电解电容布点采集的温度实现电容寿命的估算。有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
[0064]
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。