（中核汇能有限公司 100070）
摘要：本文简要介绍了数字电桥原理及作用，数字电桥在变频器维修中的重要性。较全面的分析了电容器在变频器中的作用，失效原因，以及如何使用高精度数字电桥测量及判断好坏。
关键词：数字电桥；电容失效
1引言
目前风电机组的故障维修主要是整体更换损坏备件，而风电机组中很多备件由于所使用的元器件的约束性具有一定的寿命，比如电容器。电容器主要作为风机变频器的直流滤波电容，其寿命直接影响了变频器的安全稳定运行。近期某风电场发生几起变频器IGBT模块电容爆炸故障，经检查均为直流滤波电容组电容炸裂。由于目前变频器备件价格昂贵，采购周期长，这给故障的及时消缺带来了很大的困难。针对这种情况，现场首次将数字电桥作为测量电容的仪器，通过更换损坏电容对变频器进行备件级的维修，取得了良好的效果，不断创新降本增效实践活动。
2 数字电桥介绍
2.1数字电桥的原理
数字电桥是一种以微处理器为基础的自动测试电阻、电感、电容等元件参数的智能测试仪器。主要用于精确评价元件的性能，比如新采购的电容器性能及质量分析；元器件生产线的快速检测和筛选等。数字电桥一般采用自动平衡电桥方法测量 L 、C 和 R，测量原理如图1：
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图1中：V2 = I2 ×Rr
V1 = I1 ×Zx
由于 I1 = I2
所以 Zx = V1/ I1 = V1/ I2 = Rr ×( V1/ V2)
通过测量高端矢量电压 V1 ,Rr 上的矢量电压 V2 ,即可计算出被测件的矢量阻抗 Zx。
2.2 数字电桥的主要测量参数
对于电容器而言，主要测量参数有电容量（C）、损耗因数（D）、相位角(θ)、串联等效电阻(ESR）等。
标称电容量是指在标称电压下电容器储藏电荷的能力，它只与电容的本身性质有关。电容量的降低表明其存储电荷能力的下降。
相位角(Φ)即功率因数角，在理想状态下，在纯电阻下是0°，在纯电容下是-90°，纯电感则为+90°。实际生产的电容器,由于内阻R的存在，其电流I超前电压的角度不是90°，而是略小于90°，如图2所示，此差值角度定义为损耗角，即δ=90°-Φ。
损耗因子 D 值是衡量电容器件性能的主要参数。是指电容器在某一频率的交流电压下工作时，其等效损耗电阻ESR与所呈现的容抗Xc之比。习惯上以损耗角正切tanδ表示电容损耗的大小。即
D=tanδ=Rs/Xc
电容器的损耗 D 越小，效率越高。损耗越大的元器件在实际使用过程中发热就越大，效率就越低。因此损耗因数是衡量电容器品质优劣的重要标志。
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图2，实际电容器并联等效电路
2.3 使用数字电桥的重要性
电容器的测量，一般用数字万用表的电容档测量，或者使用数字电桥测量。由于的数字万用表只能简单测量电容的标称容量，对于一些由于电解液干枯，外观完好的电解电容，从根本上并不能判断出电容器的好坏。如图3所示测量25V/680uF的电容器，从测量电容值来看并未完全失效，但是其损耗角为57.2°，性能严重下降，已不能满足正常使用要求。
某风电场使用WK4100高精度数字电桥作为电容器的测量仪器。如图4所示。其测量频率范围从20Hz—200KHz可调，可以满足大部分元器件测试要求，可完全满足变频器铝电解电容的测试。
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图3 图4
3 变频器中的滤波电容
3.1 铝电解电容的作用
风力发电变流器是风力发电机组的核心部件之一，通常采用三相电压型交-直-交双向变流器技术。在风机中一般采用铝电解电容器作为中间直流环节的整流滤波电容。变流器三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流，为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。二是吸收来自逆变电路由于元件换向或负载变化等原因而产生的纹波电压或电流。
3.2 电解电容器失效分析
在实际应用中直流滤波电路主要靠直流母排的大容量电容来实现，直流母线的电压一般在1100V左右, 为了得到所需的耐压值和容量，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组。另外，在每组电容上并联一个阻值相等的均压电阻。均压电阻的作用是防止电解电容的电压不均从而时烧坏电解电容，一组电容如图5所示。电容器的失效主要表现为电容量严重下降、损耗角正切值增大、绝缘性能下降或漏电流上升等，失效原因主要有如下几种：
1）电容组运行中纹波电流全部流过电解电容器，这个纹波电流在电容器的ESR产生功耗并转换成焦耳热。对于散热性能很差的电容器，这将产生比较高的温升，长期运行导致电容器容值离散性很大，而容值的不同就导致了各电容电压的不同，承受电压高的电容发热严重更容易失效或损坏。
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图5
2） 当其中一组并联的电容失效导致内部短路，这样整个母线电压被加在其他电容上，可导致电压过高而损坏整个电容组。
3）当一组并联的电容失效，如图5中C1、C2同时失效，长期运行中均压电阻R1通过的纹波电流很大，一旦R1由于过热导致开路或损坏，可导致电解电容炸裂。
4）一般来说电容的寿命与环境温度直接有关，环境温度越高，电容寿命越短。
3.3 直流母排电容组件的测量
在变频器出现电容器炸裂故障后，通过对整个电容组件的测试，正常电容测试如图6所示，其损耗因数很小，可满足使用要求。
失效电容测试如图7，已完全没有容量，串联等效电阻Rs很大，在使用中发热量大，起不到滤波作用。
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图6 图7
4 总结
风电变流器的功率很大，使用的铝电解电容器数量很大，在维修中对电容器的参数一致性要求很高。在实际更换中只有通过数字电桥来筛选一致性好的电容器，才能满足更换要求。另外用于风电变流器的电容器根据其使用的长期性和不可间断性，对于新的电容器通常是要求85℃5000小时和105℃5000小时的工作寿命，这样能保证在55℃的使用条件下使用40000小时和160000小时，也就是能保证5年和18年不要更换电容器。目前我风电场每台变频器使用60个CD138系列450V/2200uF电容器，其使用温度范围是-40-85℃。随着风机运行年限的增长，变频器直流母排电容组件有部分电容性能下降，个别电容已接近失效状态。通过后期批量采购电容器，应用数字电桥来筛选一致性好的电容器，提前对变频器失效电容予以更换，可以有效避免变频器直流母排电容组件的炸毁。间接避免了IGBT功率模块的连带损坏。保证了变流器安全稳定的运行。
参考文献
[1] 尹志华，风电变流器专用铝电解电容器，水电与新能源，2012（03）
[2] 周生景，高精度LCR测量系统的设计研究，电子测量与仪器学报，2003（9）