用于电路系统的线上电容检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及电容检测技术领域，尤其涉及一种用于电路系统的线上电容检测装置。


背景技术：

2.在现有的电路系统，尤其是电源系统中广泛地应用电容元件以稳定电压、滤除噪声以及储存能量。在电路系统中，为了保证负载的可靠运行，需要实时检测观察电容的老化程度以避免由于电容老化所造成的电容损坏或爆炸等对电路系统或负载产生不利的影响。
3.传统的电容检测方法需要先将电路系统关断，然后测试电路系统中的电容，测试完成后再恢复电路系统的正常运行。但是，频繁地关断电路系统会对电路系统及其负载产生不利的影响，并且会降低电路系统的使用效率。另外，在一些需要连续运行的电路系统中，将无法以静态的方式检测电路系统中的电容。


技术实现要素：

4.根据现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种用于电路系统的线上电容检测装置，所述装置包括控制器、电源以及检测器，所述电源以及所述检测器并联连接至所述电容的两端；以及所述控制器连接至所述电源和所述检测器，用于在所述电路系统运行过程中控制所述电源提供电压或电流至所述电容，以及用于控制所述检测器检测所述电容上的电压或电流变化以获得特征参数值，并将所述特征参数值与预定的阈值范围进行比较以判断所述电容是否异常。
5.优选地，所述特征参数值是电容值，所述控制器在第一时间段内控制所述电源将预定的电压或电流输送至所述电容，并控制所述检测器检测在所述第一时间段内所述电容两端电压的变化值，以计算得到所述电容值。
6.优选地，所述特征参数值是电容值，所述控制器控制所述电源将所述电容充电至预定的第一电压值，并在第二时间段内将所述电容放电至预定的第二电压值，以计算得到所述电容值。
7.优选地，所述控制器控制所述电源将所述电容充电至预定的第一电压值，并在第二时间段内将所述电容放电至预定的第二电压值，以及所述特征参数值是所述电容放电至所述第二电压值的当前测试时间。
8.优选地，所述特征参数值是电容值，所述检测器连接至所述电容的输入支路和输出支路，用于测量所述输入支路的电流、所述输出支路的电流以及所述输出支路的电压，以计算得到所述电容值。
9.优选地，所述控制器控制所述电源将交流电输送至所述电容，并控制所述检测器检测所述输入支路的电流、所述输出支路的电流以及所述输出支路的电压，以计算得到所述电容值。
10.优选地，所述电源是所述电路系统内部的电源，所述控制器是所述电路系统内部
的控制器以及所述检测器是所述电路系统内部的检测器。
11.优选地，所述电路系统是不间断电源，所述电容是直流母线电容，以及所述电源是所述不间断电源中的整流器、dc-dc转换器、预充电线路中的至少一个。
12.本实用新型还提供一种电路系统，其包括：
13.电容；以及
14.前述的用于电路系统的线上电容检测装置。
15.优选地，所述电路系统是不间断电源、服务器电源、网络能源、大功率充电器、充电桩或车载充电器。
16.本实用新型的线上电容检测装置可在电路系统运行过程中检测电路系统中的电容，包括直流电容、交流电容或任何其他类型的电容。本实用新型的线上电容检测装置可以实时检测和预测电容的老化程度，为技术工程师或客户提供容易地评估产品状态、轻松维护产品的数据，以及避免由于电容老化所造成的电容损坏或爆炸等对电路系统或负载产生不利的影响。
附图说明
17.图1示出了ups装置的工作架构示意图；
18.图2示出了根据本实用新型一个实施例的用于ups中的线上电容检测装置的示意图；
19.图3示出了根据本实用新型另一实施例的用于ups中的线上电容检测装置的示意图；
20.图4示出了根据本实用新型一个实施例的用于服务器电源的线上电容检测装置的示意图；
21.图5a示出了根据本实用新型一个实施例的用于ups的输出端的线上电容检测装置的示意图；
22.图5b示出了根据本实用新型另一实施例的用于ups的输出端的线上电容检测装置的示意图；
23.图6a示出了根据本实用新型一个实施例的用于ups的输入端的线上电容检测装置的示意图；以及
24.图6b示出了根据本实用新型另一实施例的用于ups的输入端的线上电容检测装置的示意图。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
26.本实用新型提供一种用于电路系统的线上电容检测装置，可在电路系统运行过程中，通过控制器控制内部或外部电源对电路系统中的电容进行充电或放电以扰动电容上的电压或电流，从而评估电容的老化程度。在本实用新型中，术语“线上(on line)”指的是在测量电路系统中的电容时，电路系统不需要关断，可始终处于线上运行状态。
27.本实用新型的线上电容检测装置可以应用于任何的需要检测电容的电路系统。优选地，本实用新型的线上电容检测装置可应用于电源系统，包括但不限于，不间断电源(uninterrupted power supply，ups)、服务器电源(server power)、网络能源(network power)、大功率充电器(high power charger)、充电桩(ev charger)以及车载充电器(on-board charger)等。为了便于说明，以下将以ups为例进行描述，但本实用新型不限于此，其他的电路系统也可以应用本实用新型的检测装置。
28.图1是ups装置的工作架构示意图，如图1所示，ups通常包括功率因数校正器(整流器)101、逆变器102、蓄电池103、dc-dc转换器104以及静态旁路。在市电输入正常时，ups相当于稳压器，可利用整流器101将市电整流成直流电，然后再利用逆变器102把直流电逆变成稳定无杂质的交流电，输出至负载105使用。一旦市电交流输入异常，例如出现欠压或者停电等故障，那么ups会启用蓄电池103，并同时将整流器101所在的整流电路关断，相应地，利用dc-dc转换器104和逆变器102将蓄电池的直流电逆变成稳定无杂质的交流电，供给后级负载105使用。静态旁路会在ups不工作时，例如休眠或发生故障时，闭合静态开关107直接将市电传输至负载105进行供电。图1中的ups还包括预充电线路106用于在ups刚开始工作时，对直流母线(dc母线)进行电压建立，防止整流器101中产生大电流。应当注意，在图1中，预充电线路106与直流母线的连接用虚线表示，其仅仅是为了使图示更加清楚，并不用于限定本实用新型，本实用新型的其他附图亦是如此。
29.在ups的整流器101和逆变器102之间的正负直流母线之间并联有多个直流母线电容108，该直流母线电容108用于稳定电压、滤除噪声、储存能量以及去除直流成分等。直流母线电容108的老化会对ups电源产生不利的影响，例如电容108可能会损坏或者爆炸，从而损毁ups电源。
30.根据本实用新型的一个实施例，可以对直流母线电容108进行充电或放电以评估直流母线电容108的老化。电容充电过程中的电流电压关系可参考等式1：
31.qc＝ic×
tc＝c
×
δvcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式1
32.其中，qc为电荷量，ic为预定的充电电流，tc为充电时间，c为电容的容值，δvc为充电过程中电容两端电压的变化。由于充电电流ic通常是固定的，因此，在一定的充电时间tc内，通过测量δvc即可得到当前的电容值c。
33.电容放电过程中的电流电压关系可参考等式2：
[0034][0035]
其中，ed为开始放电时电容两端的电压，td为放电时间，vd为放电td时间之后电容两端的电压。时间常数τ＝r
×
c，c为电容值，r为电路中的电阻值。根据等式2，在一定的放电时间td内，通过测量vd的变化(例如下降)即可得到当前的电容值c。也可以通过观察从ed下降到vd的时间来评估电容值c。
[0036]
图2是根据本实用新型一个实施例的用于ups中的线上电容检测装置的示意图。其中该电容为直流母线电容108，并且可以在ups正常运行过程中进行检测。线上电容检测装置包括控制器109、电源110以及检测器111。其中，电源110以及检测器111并联连接至电容108的两端；控制器109连接至电源110以及检测器111，用于控制电源110提供输出电压或电流至电容108，以及控制检测器111检测电容108上的电压或电流变化以判断电容108是否异
常。检测器111将检测结果输送至控制器109中，控制器109可根据检测结果判断电容108是否异常，如果控制器109判断电容108处于异常状态，则可发出电容异常警报，并控制ups停止运行。线上电容检测装置还可以包括显示单元(未示出)，用于将检测器111的检测结果以及控制器109的判断结果输出给用户。
[0037]
根据本实用新型的一个实施例，控制器109可首先控制检测器111检测电容108两端的电压v1，然后控制器109控制电源110以预定的电能(电压或电流)对电容108进行充电，经过时间tc之后，控制器109控制电源110停止充电，并控制检测器111检测电容108两端的电压v2，电压差δvc＝v
2-v1，并根据等式1计算得到电容值。当ups正在工作时，ups通过市电-整流器101-逆变器102-负载105的线路进行供电，此时直流母线上已经有固定电压v
bus
，即v1＝v
bus
。
[0038]
根据本实用新型的另一实施例，控制器109可首先控制电源110以预定的电压ed连接至电容108，使得电容108两端的电压升至ed，然后控制器109控制电源110关闭，电容108两端的电压从ed进行放电，控制检测器111检测电容108两端的电压，并记录电压下降到vd时所经过的时间td，根据等式2计算得到电容值。当ups正在工作时，ups通过市电-整流器101-逆变器102-负载105的线路进行供电，此时直流母线上有固定电压v
bus
，因此电容108两端的电压并不是从0v上升至ed，而是从v
bus
上升至ed。
[0039]
根据本实用新型的另一实施例，在ups出厂时检测从电压ed放电至电压vd所经过的出厂测试时间。在ups的运行过程中，可以实时检测从电压ed放电至电压vd所经过的当前测试时间，并将该当前测试时间与出厂测试时间或者以前测得的历史测试时间相比较，进而判断电容是否异常。如果当前测试时间与历史测试时间或出厂测试时间相差较大超过一定范围，则可以认为电容发生异常。也可以根据出厂测试时间、历史测试时间或者根据经验设定预定的测试时间范围，如果当前测试时间超出所述预定的测试时间范围，则认为电容发生异常。
[0040]
控制器109可以是ups电源系统内部的控制器，也可以是外接的控制器。检测器111可以是ups电源系统内部的检测器，也可以外接的检测器。电源110可以是ups电源系统内部的电源，也可以是外接的电源。
[0041]
图3是根据本实用新型另一实施例的用于ups中的线上电容检测装置的示意图。在该实施例中，电源是ups内部的电源，例如整流器101、dc-dc转换器104以及预充电线路106。控制器109是ups内部的控制器以及检测器111是ups内部的检测器(例如adc反馈)。控制器109可分别连接至整流器101、dc-dc转换器104以及预充电线路106。当需要对电容108进行充电时，可以通过控制器109控制整流器101、dc-dc转换器104以及预充电线路106中的至少一个对电容108进行充电。具体的充放电过程与图2中的实施例相同，在此不再赘述。
[0042]
优选地，可以在旁路模式下测量电容，此时由于逆变器102不工作，因此不会对电容测量产生影响。也可以在逆变器102供电模式下测量电容，由于逆变器102的存在，对电容108充放电不会对负载105产生影响。为了使得电容测量结果更加准确，在逆变器102处于工作状态的情况下测量电容108时，还可以通过算法精确模拟逆变器102中电流的变化，进而补偿逆变器102对电容108放电产生的影响，以获得更加精确的测量结果。
[0043]
本实用新型的线上电容检测装置也可以应用于其他电源系统中。图4示出了根据本实用新型一个实施例的用于服务器电源的线上电容检测装置的示意图。服务器电源包括
功率因数校正器(整流器)401以及dc-dc转换器402。市电经整流器401和dc-dc转换器402之后转换为直流电提供至负载403。本实用新型的线上电容检测装置可以检测整流器401和dc-dc转换器402之间的正负直流母线之间的电容404。线上电容检测装置包括控制器405、电源406以及检测器407。其中，电源406以及检测器407并联连接至电容404的两端；控制器405连接至电源406以及检测器407，用于控制电源406提供输出电压或电流至电容404，以及控制检测器407检测电容404上的电压或电流变化以判断电容404是否异常。检测器407将检测结果输送至控制器405中，控制器405可根据检测结果判断电容404是否异常，如果控制器405判断电容404处于异常状态，则可发出电容异常警报，并控制服务器电源停止运行。线上电容检测装置还可以包括显示单元(未示出)，用于将检测器407的检测结果以及控制器405的判断结果输出给用户。该实施例中线上电容检测装置的操作模式与上述图2中的实施例相同，在此不再赘述。
[0044]
虽然上述实施例中以两级切换式电源架构为例进行了说明，但本实用新型不限于此，任何的电路系统均可以应用本实用新型的线上电容检测装置。在以上的实施例中，线上电容检测装置通过对电容提供电压或电流以对电容进行充电或放电，并检测电容器上的电压变化，进而计算电容值从而评估电容的老化程度。但在某些应用场景中，电容不能被充电或者放电，此时可以基于电容在频域中的阻抗的变化来评估电容。
[0045]
图5a示出了根据本实用新型一个实施例的用于ups的输出端的线上电容检测装置的示意图。ups的输出端包括逆变器505、电容501和负载506，逆变器505输出交流电流至负载506。电容501输入支路上的电流为i
l
，输出支路上的电流为io。线上电容检测装置包括控制器502、电源503以及检测器504。其中，电源503并联连接至电容501的两端；检测器504连接至电容501的输入支路以及输出支路；以及控制器502连接至电源503以及检测器504，用于控制电源503提供输出电压或电流至电容501，以及控制检测器504检测输入支路上的电流i
l
、输出支路上的电流io以及输出支路上的电压vo，以判断电容501是否异常。检测器504将检测结果输送至控制器502中，控制器502可根据检测结果判断电容501是否异常，如果控制器502判断电容501处于异常状态，则可发出电容异常警报，并控制电路系统停止运行。线上电容检测装置还可以包括显示单元(未示出)，用于将检测器504的检测结果以及控制器502的判断结果输出给用户。
[0046]
在本实施例中，由于电容501老化会导致频域中电容阻抗发生变化，通过测量输入支路和输出支路上的电流的差异即可以评估电容的老化程度。具体地，在频域中，
[0047][0048]
其中，xc是容抗，f是输入交流电的频率，c是电容值。根据欧姆定律可以得到：
[0049]vo
∠φ1＝(i
l
∠φ
2-io∠φ3)
＊
xc∠-90
ꢀꢀꢀꢀꢀ
等式4
[0050]
其中，vo为输出电压，ф1为输出电压的角度，ф2为输入支路上的电流i
l
的角度，ф3为输出支路上的电流io的角度。将等式3代入到等式4中可以得到：
[0051][0052]
因此，通过测量输入支路和输出支路的电流以及输出支路的电压即可计算得到电容值，从而评估电容的老化程度。
[0053]
在本实施例中，电容501通常为交流电容，电源503通常为交流电源，其可以是电路系统内部的电源也可以是外部电源，以下以外部电源503为例进行说明。控制器502控制电源503将电流输入至电路系统中，并控制检测器504检测输入支路的电流i
l
、输出支路的电流io以及输出支路的电压vo，根据上述等式5计算得到电容501的容值，从而评估电容501的老化程度。
[0054]
图5b示出了根据本实用新型另一实施例的用于ups的输出端的线上电容检测装置的示意图。该实施例与图5a的实施例基本相同，区别在于本实施例中的电源为内部电源。由控制器控制逆变器504提供输出电压或电流至电容501，其操作模式与图5a的实施例相同，在此不再赘述。
[0055]
在图5a-图5b的实施例中，在逆变器505正常为负载506供电的过程中，也可以不用控制器502控制电源503或逆变器505为电容501提供电压或电流，可以通过控制器502直接控制检测器504检测输入支路的电流i
l
、输出支路的电流io以及输出支路的电压vo，根据上述等式5计算得到电容501的容值，从而评估电容501的老化程度。
[0056]
图6a示出了根据本实用新型一个实施例的用于ups的输入端的线上电容检测装置的示意图。ups的输入端包括市电、电容601和整流器605，市电输出交流电流至整流器605。电容601输入支路上的电流为i
l
，输出支路上的电流为io。线上电容检测装置包括控制器602、电源603以及检测器604。其中，电源603并联连接至电容601的两端；检测器604连接至电容601的输入支路以及输出支路；以及控制器602连接至电源603以及检测器604，用于控制电源603提供输出电压或电流至电容601，以及控制检测器604检测输入支路上的电流i
l
、输出支路上的电流io以及输出支路上的电压vo，以判断电容501是否异常。其操作模式与图5a的实施例相同，在此不再赘述。
[0057]
图6b示出了根据本实用新型另一实施例的用于ups的输入端的线上电容检测装置的示意图。该实施例与图6a的实施例基本相同，区别在于本实施例中的电源为内部电源。由控制器602控制市电提供输出电压或电流至电容601，其操作模式与图5a的实施例相同，在此不再赘述。
[0058]
在图6a-图6b的实施例中，当ups工作于逆变器模式下，即通过市电-整流器-逆变器-负载的路线为负载供电时，也可以不用控制器602控制电源603或市电为电容601提供电压或电流，可以通过控制器602直接控制检测器604检测输入支路的电流i
l
、输出支路的电流io以及输出支路的电压vo，根据上述等式5计算得到电容601的容值，从而评估电容601的老化程度。
[0059]
根据本实用新型的一个实施例，控制器可以是微处理器、可编程逻辑器件以及单片机等。电源可以是任何的直流或交流电源。以及检测器可以是能够检测电压或电流的adc检测器，应当注意，检测器也可以包括多个电压或电流检测器，以分别用于检测电压或电流。
[0060]
在本实用新型的上述实施例中，控制器可以是电路系统内部的控制器，也可以是外接的控制器。检测器可以是电路系统内部的检测器，也可以外接的检测器。电源可以是电路系统内部的电源，也可以是外接的电源。
[0061]
综上，本实用新型提供一种用于电路系统的线上电容检测装置，所述装置包括控制器、电源以及检测器，所述电源以及所述检测器并联连接至所述电容的两端；以及所述控
制器连接至所述电源和所述检测器，用于在所述电路系统运行过程中控制所述电源提供电压或电流至所述电容，以及用于控制所述检测器检测所述电容上的电压或电流变化以获得特征参数值，并将所述特征参数值与预定的阈值范围进行比较以判断所述电容是否异常。其中，所述特征参数值可以是电容值，此时预定的阈值范围指的是预定的电容值的范围，超出该范围的电容值被判断为异常；所述特征参数值还可以是所述电容从预定的第一电压值放电至预定的第二电压值的当前测试时间，此时预定的阈值范围指的是以前测得的历史测试时间或预定的测试时间范围，超出以前测得的历史测试时间范围或预定的测试时间范围则被判断为电容异常。
[0062]
本实用新型的线上电容检测装置可在电路系统运行过程中检测电路系统中的电容，包括直流电容、交流电容或任何其他类型的电容。在电路系统运行过程中，电容本身已经具有一定的电压或电流，通过控制器控制内部或外部的电源提供额外的电压或电流至所述电容以扰动所述电容上的电压或电流，从而根据所检测的电容上的电压或电流变化来判断电容是否异常
[0063]
本实用新型的线上电容检测装置可以实时检测和预测电容的老化程度，为技术工程师或客户提供容易地评估产品状态、轻松维护产品的数据，以及避免由于电容老化所造成的电容损坏或爆炸等对电路系统或负载产生不利的影响。
[0064]
虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。