两种电容快速放电方法研究.pdf

技术专栏732023 年第 3 期 安全与电磁兼容0引言电容是基本电子元件，广泛应用于各类电气系统。以电容为基础的各类电子器件如滤波器、限幅器、分频器等广泛应用于航天、航空、电脑、雷达等行业。电容所特有的高效能量存储、极宽电压范围等特性，常用于储能、过电压保护等场合，如汽车电源、电网子模块、避雷模块、本质安全设备等1-2。电压较低、电容量较小的电容，充电电能较小、放电时间短，进行自然放电即可。然而电压较高、电容量较大的电容，放电时间长，使用完后必须进行专门放电工作，若不进行放电，不仅可能对使用者造成伤害3，在特殊环境下如瓦斯气体、粉尘等还会产生电火花4甚至有爆炸风险5。为保证使用者和大电容连接设备的安全，电容放电必不可少。传统的电容放电方法为自然放电或连接恒定放电电阻放电。对于高电压的电容，须将电压释放至安全电摘 要：电容使用完成后必须对其进行放电，以保证使用者的安全和延长电容的使用寿命。传统电容放电方式是采用自然放电或连接恒定电阻放电，对于大电容、高电压的电容需较长的放电时间。为提升电容放电速率，提出了两种快速放电法。增大放电电流，改变放电过程中放电电阻的阻值，保证放电电流保持在较高水平，从而大幅减少放电时间。结果表明，采用电机控制放电电阻随时间均匀变化可达到最快的放电速率，比连接恒定电阻的放电速率提升 5 倍左右；采用继电器控制放电电阻阻值阶跃变化可提升电容放电速率，比连接恒定电阻放电速率提升 1 倍左右。关键词：电容；放电装置；快速放电；自动控制引用格式:焦龙飞，安伟，迟雷,等.两种电容快速放电方法研究 J.安全与电磁兼容,2023(3):73-76.JiaoLongfei,AnWei,ChiLei,etal.ReserchonTwoMethordsofCapacitorDischargeJ.SAFETY&EMC,2023(3):73-76.(inChinese)Abstract：Afterthecapacitorswereused,theymustbedischargedtoensurethesafetyoftheuserandprolongtheservicelifeofthecapacitors.Traditionalcapacitordischargemethodsarenaturaldischargeorconnectedwithconstantresistancedischarge,whichrequiresalongdischargetimeforcapacitorswithlargecapacitanceandhighvoltage.Inordertoincreasethedischargerateofcapacitor,tworapiddischargemethodswereproposed.Onthebasisofincreasingthedischargecurrent,keptthedischargecurrentatahigherlevelbychangingtheresistancevalueofthedischargeresistanceinthedischargeprocess,andthedischargetimewasgreatlyreduced.Theresultsshowthatthefastestdischargeratecanbeachievedbyusingmotortocontroltheuniformchangeofdischargeresistanceovertime,andthedischargerateisincreasedbyabout5timescomparedwiththatofconnectingconstantresistance;thedischargerateofcapacitorcanbeincreasedbyastepchangeofdischargeresistancevaluecontrolledbyrelay,andthedischargerateisincreasedby1timescomparedwiththatofconnectingconstantresistance.Keywords：capacitor;dischargedevice;dischargequickly;automaticcontrol两种电容快速放电方法研究ReserchonTwoMethordsofCapacitorDischarge1河北北芯半导体科技有限公司2中国电子科技集团公司第十三研究所焦龙飞1 安伟1 迟雷2 陈龙坡2 张崇2压方可认为放电完成。在特定情况下，需使电容两端完全放电。高电压、大容量的电容的自然放电时间可长达1 h 甚至更长时间6。如汽车维修中电容的自然放电时间可达 812 h7；在对某些组件如过压保护装置、避雷装置等进行绝缘性测试时，由于其内部电路为容性，测试后自然放电时间也达 1 h 以上；电网中换流阀子模块电容的残余电荷释放也需近 1 h。对于多电容电气系统，其放电时间只会更长，直接影响生产效率和效益。为提升放电效率，通常使用固定阻值的放电电阻进行放电，在不产生电火花和不损坏待放电电容的基础上选择适当的放电电阻，可大大减少放电时间6-7。连接固定电阻虽可大幅提高放电效率，但由于 RC放电过程呈指数下降趋势，64%的电压在第一个时间常数内释放，在放电过程后期放电效率较低，需要四个时间常数的时间释放 35%的电压，且仍留有 1%的残余电压。为提升电容放电速率，使电容整个放电过程保Technical Column74SAFETY&EMC No.3 2023持高效，本文提出了两种高效放电的方法，使放电效率相比连接恒定电阻放电效率提升 15 倍，且可实现完全放电，解决大容值、多电容电气系统放电时间过长的 问题。1放电原理1.1 传统放电方法电容放电是通过电流将电容中的电荷释放的过程，放电过程中电容上的电荷量 Q 随时间的延长而减少，电容两端的电压随电荷量的减少而降低。在通常情况下，电容放电过程需保证电容性能，不能使电容放电过快引起电火花、损伤电容，因此连接固定电阻放电。如在某些情况下本质安全设备中要保证放电能量低于限定值，则需连接大电阻降低放电能量，且在放电过程后期放电速度极慢。因此，连接恒定阻值电阻放电时，在放电初始时的电流最大，选定的电阻最大功率要大于电容的放电 功率。若使放电过程最快，则放电时的电流要越大越好，因此放电电阻的阻值 R0应选取功率允许范围内的最 小值。连接恒值电阻放电时，电容电阻形成经典的 RC 放电回路。此时电容上电荷量随时间变化的关系式为：010etR CQQ=（1）同理，电容上的电压随时间变化也有类似关系：010etR CUU=（2）电容上的电荷量随时间变化呈自然指数特性减小，时间常数=R0C，5 时间内可将电容两端电压释放至原值的 1%。1.2 快速放电方法由以上分析可知，对给定的电容，其放电时间只与外接的放电电阻阻值有关，因此可通过改变放电电阻阻值来提升放电效率。若使放电速度加快，放电电阻上的电流应保持较大值，可通过连接可变电阻实现。理想情况下，该电流值为初始放电时的电流值（即 I0）且随时间不变时，可达到最快的放电速度。此时电容上电荷量随时间的变化均匀减少：00QQI t=（3）此时外接的放电电阻阻值 R 与时间的关系可得出：01RRtC=（4）t=R0C 时放电完成，此时电阻为 0，短路可以实现完全放电。放电电阻 R 与时间 t 的关系为简单的一次函数关系，因此可直接通过恒速电机控制变阻器阻值变化实现。与使用常规恒定电阻放电相比，放电速率提升 5倍，放电电路如图 1 所示。使用电机或其它匀速装置控制外接电阻为理想情况的无极变化，但实际情况下实现难度较高，且电机运动消耗较多电能，此种方法仍有不足。为了提升放电效率的同时达到节能减排的要求，可使用继电器实现放电电阻阻值的阶跃减小，如图 2 所示。初始放电阶段电容连接恒定阻值 R0，当放电时间为t0时，打开继电器 K1，使外接放电电阻阻值减小，增大放电电流，提升放电效率，此时电容电荷量可表示为：00010etR CtQQ=（5）若此时打开继电器后，外接放电电阻的阻值为 R1，打开继电器连接新放电电阻后，电容电荷量随时间变化关系可轻易得出：()et tR CtQQ=（6）同理，可以在 t1，t2tn时刻通过打开继电器 K1，K2Kn改变外接电阻阻值，提升放电效率，当达到安全放电范畴后，电容两端通过 Kn直接短路，实现完全快速放电。在满足触点切换电压和电流要求的同时，确保继电器在工作过程中不被击穿或烧毁，控制放电电阻阶跃变化的继电器应选取适当的型号，必要时可选用定制继电器进行放电系统搭建。图 1 放电电阻均匀变化放电图 2 继电器控制放电电阻技术专栏752023 年第 3 期 安全与电磁兼容2仿真分析对以上三种放电方式进行仿真，并将放电过程绘制成图形，如图 3 所示。假定被放电电容两端初始电压U0为 3 000 V，电容 C 为 0.015 F。三种放电方式如下：方式：连接恒定电阻放电，放电电阻阻值恒为 2 000 ；方式：采用电机控制滑动变阻器放电，滑动变阻器阻值为 02 000。方式：采用继电器控制放电电阻阻值进行放电，两只阻值为 2 000 和一只阻值为 1 000 的电阻并联，通过继电器控制放电系统中接入放电电阻的个数。030 s，放电系统中接入 1 只 2 000 电阻；3045 s，放电系统中接入 2 只 2 000 电阻，放电电阻阻值降为1 000；45 s 后，放电系统中接入第 3 只 1 000 电阻，放电电阻阻值降为 500。从图 3 中可以看出，方式放电速度最慢，需要大概 140 s 将电容两端电压释放至 30 V；方式具有最快的放电速度，30 s 就将电容两端电压释放至 30 V，与方式相比，放电效率提升了近 5 倍；方式放电速度较快，70 s 内就将电容两端电压释放至 30 V，与方式相比，放电效率提升了 1 倍。在方式中，放电电阻阻值与被放电电容选定后，放电系统中接入更多放电电阻的时间仍为可变量，将方式中接入 2 只 2 000 电阻的时间改为 15 s，接入1 000 放电电阻的时间修改为 30 s，仿真结果如图 4 所示。通过继电器控制外接放电阻值提升放电效率的方法仍有较大提升空间，由图 3 中方式的放电曲线和 图 4 可以轻易得出结论，用继电器控制放电电阻变化的方法，有两种方法可以继续提高放电速率，一是通过添加多个继电器和放电电阻再次提高放电速率；二是通过改变继电器的闭合时间使放电速率进一步提高。3试验验证建立试验平台对以上理论及仿真结果进行验证，搭建试验电路如图 5 所示。为保证试验安全，选取被放电电容的容值为 1 000 F，电容充电电压为 5 V。放电电阻选取为 2 只1 k 的电阻和 1 只 500 的电阻。使用 NI PXIe 4139 单通道 SMU 模块提供电容充电电压，使用 NI PXIe 6571 32 通道数字向量模块提供继电器控制电压，将示波器连接到被放电电容两端监测放电过程，通过编写程序控制放电过程中放电电阻变化。试验结果如图 6 所示，其中图 6（a）为电容充电完成后只接入 1 k 的放电电阻，可观测到电容两端电压由 5 V 下降至 0.1 V 的时间为 3.54 s 左右；图 6（b）为电容充电完成后先接 1 k 的电阻进行放电，在 1 s时接入另一只 1 k 电阻使放电电阻变化为 500，可观测到电容两端电压下降至 0.1 V 的时间为 2.5 s 左右；图 6（c）为电容充电完成后先接 1 k 的电阻进行放电，在 0.5 s 时接入另一只 1 k 电阻使放电电阻变化为 500，可观测到电容两端电压下降至 0.1 V 的时间为2 s 左右；图 6（d）为电容充电完成后先接 1 k 的电阻进行放电，在 0.5 s 时接入另一只 1 k 电阻使放电电阻变化为 500，在 1 s 时再接入 500