專利名稱：一種電磁成形機的電氣保護裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁成形機的電氣元件及系統(tǒng)的保護裝置和方法。
背景技術(shù)：
電磁成形技術(shù)是可以廣泛應(yīng)用工業(yè)各領(lǐng)域的一種先進制造技術(shù)，具有突 出的技術(shù)優(yōu)點。電磁成形機屬于一種沖擊大電流設(shè)備，高壓脈沖電容器是設(shè)
備的儲能元件。電磁成形機具有工作電壓高(l-30kV)、工作電流大(幾百 kA)的特點，其安全性對于該技術(shù)的推廣應(yīng)用起決定作用。目前所知的多種 電磁成形機，大多數(shù)都能實現(xiàn)對加工線圈放電和對地安全放電這兩種基本功 能，正常工作時對加工線圈放電。 一般由操作人員判斷出設(shè)備有故障時發(fā)出 對地安全放電指令，實施對設(shè)備的安全保護。由此可見，設(shè)備是否能安全運 行受操作人員主觀因素的影響較大，不利于設(shè)備的穩(wěn)定運行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的電磁成形機保護系統(tǒng)存在的受操作人員主觀因素的 影響較大、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的問題，提供一種電磁成形機的電氣保護裝置及 方法。本發(fā)明的保護裝置由充電控制單元、充電回路、電流互感器、電壓互 感器、放電電流超限保護單元、脈沖電容器、斷電保護單元、泄荷保護單元、 過壓保護單元、放電開關(guān)、觸發(fā)回路、控制模塊、負(fù)匯流排和正匯流排組成， 充電控制單元的輸入端與220V交流電源的L端相連接，充電控制單元的輸 出端與充電回路的第一輸入端相連接，充電控制單元的數(shù)字量輸入端與控制 模塊的第一數(shù)字量輸出端連接，充電回路的第二輸入端與220V交流電源的 N端相連接，充電回路的第一輸出端與電流互感器的輸入端相連接，充電回 路的第二輸出端與負(fù)匯流排相連接，電流互感器的輸出端與正匯流排相連接， 電流互感器的模擬量輸出端與控制模塊的第一模擬量輸入端相連接，電壓互 感器的正極端與正匯流排相連接，電壓互感器的負(fù)極端與負(fù)匯流排相連接， 電壓互感器的模擬量輸出端與控制模塊的第二模擬量輸入端相連接，放電電 流超限保護單元的正極端與正匯流排相連接，放電電流超限保護單元的負(fù)極 端與脈沖電容器的正極端相連接，脈沖電容器的負(fù)極端與負(fù)匯流排相連接，斷電保護單元的正極端與正匯流排相連接，斷電保護單元的負(fù)極端與負(fù)匯流 排相連接，斷電保護單元的數(shù)字量輸出端與控制模塊的第二數(shù)字量輸出端相 連接，泄荷保護單元的正極端與正匯流排相連接，泄荷保護單元的負(fù)極端與 負(fù)匯流排相連接，泄荷保護單元的數(shù)字量輸出端與控制模塊的第三數(shù)字量輸 入端相連接，放電開關(guān)的輸入端與正匯流排相連接，放電開關(guān)的控制輸入端 與觸發(fā)回路的控制輸出端相連接，觸發(fā)回路的數(shù)字量輸入端與控制模塊的第 四數(shù)字量輸出端相連接。
本發(fā)明的方法由以下步驟實現(xiàn)-
步驟IOI、采樣充電時間值；
步驟102、判斷步驟101得到的充電時間值是否大于充電時間設(shè)定值， 判斷結(jié)果為是，則進入步驟103，判斷結(jié)果為否，則進入步驟104; 步驟103、啟動充電時間超限保護動作； 步驟104、采樣當(dāng)前充電電流值；
步驟105、判斷步驟104得到的充電電流值是否大于最大承受電流設(shè)定 值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟106，步驟結(jié)果為否，則進入步驟107; 步驟106、啟動充電電流保護動作； 步驟107、采樣脈沖電容電壓值；
步驟108、判斷步驟107得到的脈沖電容電壓值是否大于設(shè)備最高工作 電壓值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟109，判斷結(jié)果為否，則進入步驟110; 步驟109、啟動系統(tǒng)過壓保護動作；
步驟110、判斷步驟107得到的脈沖電容電壓值是否大于電容過壓保護 設(shè)定值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟lll，判斷結(jié)果為否，則進入步驟112;
步驟lll、啟動主回路過壓保護動作；
步驟112、判斷系統(tǒng)是否收到泄荷保護指令，判斷結(jié)果為是，則進入步
驟113，判斷結(jié)果為否，則進入步驟114; 步驟113、啟動泄荷保護動作；
步驟114、判斷系統(tǒng)是否斷電，判斷結(jié)果為是，則進入步驟115，判斷結(jié)
果為否，則進入步驟116;
步驟115、啟動斷電保護動作；
步驟116、判斷系統(tǒng)是否收到觸發(fā)指令，判斷結(jié)果為是，則進入步驟117， 判斷結(jié)果為否，則返回步驟102; 步驟117、采樣放電電流值；
步驟118、判斷步驟117采集的放電電流值是否大于放電電流超限設(shè)定 值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟119，判斷結(jié)果為否，則進入步驟120; 步驟119、啟動放電電流超限保護動作; 步驟120、電氣保護過程結(jié)束。
有益效果本發(fā)明的裝置具有電壓、電流以及斷電、泄荷等多個保護單 元，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，可以極大的促進電磁成形這一先進制造技 術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，具有較大的應(yīng)用前景和推廣價值；本發(fā)明的方法能夠 通過控制模塊對回路內(nèi)出現(xiàn)的故障自動進行判斷，并可根據(jù)要求對超過放電 頻率的電磁成形機內(nèi)部的故障進行保護和報警，提高了電氣保護的安全性和 可靠性。
圖1是本發(fā)明的電氣保護裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明的電氣保護方法 流程圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖1，本實施方式由充電控制單元1、充電回路2、 電流互感器3、電壓互感器4、放電電流超限保護單元5、脈沖電容器6、斷 電保護單元7、泄荷保護單元8、過壓保護單元9、放電開關(guān)10、觸發(fā)回路 11、控制模塊13、負(fù)匯流排14和正匯流排15組成，充電控制單元1的輸入 端與220V交流電源的L端相連接，充電控制單元1的輸出端與充電回路2 的第一輸入端相連接，充電控制單元1的數(shù)字量輸入端與控制模塊13的第一 數(shù)字量輸出端連接，充電回路2的第二輸入端與220V交流電源的N端相連 接，充電回路2的第一輸出端與電流互感器3的輸入端相連接，充電回路2 的第二輸出端與負(fù)匯流排14相連接，電流互感器3的輸出端與正匯流排15 相連接，電流互感器3的模擬量輸出端與控制模塊13的第一模擬量輸入端相 連接，電壓互感器4的正極端與正匯流排15相連接，電壓互感器4的負(fù)極端 與負(fù)匯流排14相連接，電壓互感器4的模擬量輸出端與控制模塊13的第二 模擬量輸入端相連接，放電電流超限保護單元5的正極端與正匯流排15相連
接，放電電流超限保護單元5的負(fù)極端與脈沖電容器6的正極端相連接，脈 沖電容器6的負(fù)極端與負(fù)匯流排14相連接，斷電保護單元7的正極端與正匯 流排15相連接，斷電保護單元7的負(fù)極端與負(fù)匯流排14相連接，斷電保護 單元7的數(shù)字量輸出端與控制模塊13的第二數(shù)字量輸出端相連接，泄荷保護 單元8的正極端與正匯流排15相連接，泄荷保護單元8的負(fù)極端與負(fù)匯流排 14相連接，泄荷保護單元8的數(shù)字量輸出端與控制模塊13的第三數(shù)字量輸 入端相連接，放電開關(guān)10的輸入端與正匯流排15相連接，放電開關(guān)10的控 制輸入端與觸發(fā)回路11的控制輸出端相連接，觸發(fā)回路11的數(shù)字量輸入端 與控制模塊13的第四數(shù)字量輸出端相連接。
本實施方式中的放電電流超限保護、斷電保護和泄荷保護都是由回路中 的元件實現(xiàn)，充電時間超限保護和充電電流超限保護由控制模塊13實現(xiàn)；回 路中的斷電保護單元7和泄荷保護單元8直接并聯(lián)在脈沖電容器6的兩端， 放電電流超限保護單元5串連在放電回路中，控制模塊13所實現(xiàn)的充電電流 超限保護和過壓保護通過電流互感器3和電壓互感器4連接在回路中實現(xiàn)， 充電時間超限保護是由控制模塊13中的定時器來實現(xiàn)的；將負(fù)載12的兩端 分別與正匯流排15和負(fù)匯流排14相連接。各元件的基本工作原理為
斷電保護單元7:通過電磁機構(gòu)實現(xiàn)，該單元由控制模塊13控制，不通 電時自動將脈沖電容器6的正負(fù)兩極連接，泄放脈沖電容器6使其兩端電壓 直至為零；
泄荷保護單元8:通過電磁機構(gòu)實現(xiàn)，該單元由控制模塊13控制，實現(xiàn) 對脈沖電容器6的正負(fù)極連接，泄放脈沖電容器6使其兩端電壓直至為零；
放電電流超限保護單元5:當(dāng)脈沖電容器6內(nèi)部發(fā)生短路故障時，其余 并聯(lián)的電容器會向其放電，當(dāng)電流大于其最大承受電流時，該單元及時切斷 放電通道，避免故障電容器出現(xiàn)爆炸事故，在使用時需要根據(jù)具體參數(shù)合理 計算確定脈沖電容器的最大承受電流；
控制模塊13:以PLC為核心構(gòu)成電磁成形機的保護裝置，具有模擬量 輸入輸出及數(shù)字量輸入輸出的功能，隔離型的電壓互感器4并聯(lián)在脈沖電容 器6兩端，隔離型的電流互感器3串聯(lián)在脈沖電容器6的充電回路內(nèi)。
以下為各個保護功能的實現(xiàn)過程
過壓保護電壓互感器4變換脈沖電容電壓，控制模塊13將其作為第一 路模擬量輸入，并對其進行采樣和變換，當(dāng)脈沖電容器6電壓達(dá)到控制模塊13的電壓整定值時，切斷充電回路；控制模塊13的電壓整定值即為設(shè)備最 高工作電壓；
充電電流超限保護在給脈沖變壓器6充電的過程中，如果充電回路存 在短路故障，會使充電電流超限，易造成充電回路元件的損壞，電流互感器 3變換充電回路電流，作為控制模塊13的第二路模擬輸入量，當(dāng)其大于控制 模塊13的電流整定值時，切斷充電回路，控制模塊13的電流整定值要根據(jù) 設(shè)備充電回路的結(jié)構(gòu)而定，不能超過充電回路元件的最大承受電流，可以跟 據(jù)原理圖計算或者實測得到該整定值；
充電時間超限保護設(shè)備工作時，如果主回路中存在絕緣缺陷，或者充 電回路存在元件故障，會造成設(shè)備充電時間異常，充電回路工作時，啟動控 制模塊13中的定時器，對充電時間進行計時，當(dāng)時間大于整定值時，切斷充 電回路，充電時間整定值要根據(jù)具體充電回路元件參數(shù)設(shè)定，稍大于脈沖電 容器充電達(dá)到最大工作電壓的時間，可以根據(jù)原理圖計算或者實測得到該整 定值，整定值一般為實測值的110%。
具體實施方式
二參見圖1，本實施方式在具體實施方式
一的基礎(chǔ)上增 加了過壓保護單元9，過壓保護單元9的正極端與正匯流排15相連接，過壓 保護單元9的負(fù)極端與負(fù)匯流排14相連接。
過壓保護單元9可采用球間隙空氣開關(guān)實現(xiàn)回路的過壓保護通過球間 隙所形成稍不均勻電場，選擇球直徑及調(diào)整球間距使其擊穿電壓高于設(shè)備最 高工作電壓，但小于脈沖電容器最大承受電壓，作為保護裝置的后備過壓保護。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點在于放電電流 超限保護單元5由若干個電阻組成，脈沖電容器6由若干個電容組成，所述 電阻和電容的數(shù)量相同并且每一個電阻都分別只與一個電容串聯(lián)，每個電阻 與電容組成的串聯(lián)支路連接在負(fù)匯流排14與正匯流排15之間。
放電電流的額定保護值由電阻和電容的數(shù)量決定，可以根據(jù)回路中元件 的參數(shù)設(shè)定。
具體實施方式
四參見圖2，本實施方式由以下步驟組成 步驟IOI、啟動充電時間定時器，采樣充電時間值；
步驟102、判斷步驟101得到的充電時間值是否大于充電時間設(shè)定值， 可以根據(jù)原理圖計算或者實測得到該設(shè)定值，設(shè)定值一般為實測值的110%，
判斷結(jié)果為是，則進入步驟103，判斷結(jié)果為否，則進入步驟104; 步驟103、啟動充電時間超限保護動作，停止充電并報警； 步驟104、采樣當(dāng)前充電電流；
步驟105、判斷步驟104得到的充電電流值是否大于最大承受電流設(shè)定 值，可以跟據(jù)原理圖計算或者實測得到該設(shè)定值，判斷結(jié)果為是，則進入步 驟106，步驟結(jié)果為否，則進入步驟107;
步驟106、啟動充電電流保護動作，停止充電并報警；
步驟107、采樣脈沖電容器電壓；
步驟108、判斷步驟107得到的脈沖電容器的電壓值是否大于設(shè)備最高 工作電壓值，即系統(tǒng)內(nèi)電氣元件的最高工作電壓值，判斷結(jié)果為是，則進入 步驟109，判斷結(jié)果為否，則進入步驟110;
步驟109、啟動系統(tǒng)過壓保護動作，停止充電并報警；
步驟110、判斷步驟107得到的脈沖電容器的電壓值是否大于電容過壓 保護設(shè)定值，即脈沖電容最大承受電壓值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟lll， 判斷結(jié)果為否，則進入步驟112;
步驟lll、啟動主回路過壓保護動作，自動泄放脈沖電容電壓；
步驟112、判斷系統(tǒng)是否收到泄荷保護指令，判斷結(jié)果為是，則進入步 驟113，判斷結(jié)果為否，則進入步驟114;
步驟113、啟動泄荷保護動作，自動泄放脈沖電容電壓;
步驟114、判斷系統(tǒng)是否斷電，判斷結(jié)果為是，則進入步驟115，判斷結(jié)
果為否，則進入步驟116;
步驟115、啟動斷電保護動作，自動泄放脈沖電容電壓；
步驟116、判斷系統(tǒng)是否收到觸發(fā)指令，判斷結(jié)果為是，則進入步驟117，
判斷結(jié)果為否，則返回步驟102; 步驟117、采樣放電電流值；
步驟118、判斷步驟117采集的放電電流值是否大于放電電流超限設(shè)定 值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟119，判斷結(jié)果為否，則進入步驟120; 步驟119、啟動放電電流超限保護動作，切斷電容放電通道；
步驟120、電氣保護過程結(jié)束。
本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅限于上述各具體實施方式
的內(nèi)容，其中一個或幾個具體實施方式
的組合同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明創(chuàng)造的目的。
權(quán)利要求
1、一種電磁成形機的電氣保護裝置，它由充電控制單元(1)、充電回路(2)、電流互感器(3)、電壓互感器(4)、放電電流超限保護單元(5)、脈沖電容器(6)、斷電保護單元(7)、泄荷保護單元(8)、放電開關(guān)(10)、觸發(fā)回路(11)、控制模塊(13)、負(fù)匯流排(14)和正匯流排(15)組成，其特征在于充電控制單元(1)的輸入端與220V交流電源的L端相連接，充電控制單元(1)的輸出端與充電回路(2)的第一輸入端相連接，充電控制單元(1)的數(shù)字量輸入端與控制模塊(13)的第一數(shù)字量輸出端連接，充電回路(2)的第二輸入端與220V交流電源的N端相連接，充電回路(2)的第一輸出端與電流互感器(3)的輸入端相連接，充電回路(2)的第二輸出端與負(fù)匯流排(14)相連接，電流互感器(3)的輸出端與正匯流排(15)相連接，電流互感器(3)的模擬量輸出端與控制模塊(13)的第一模擬量輸入端相連接，電壓互感器(4)的正極端與正匯流排(15)相連接，電壓互感器(4)的負(fù)極端與負(fù)匯流排(14)相連接，電壓互感器(4)的模擬量輸出端與控制模塊(13)的第二模擬量輸入端相連接，放電電流超限保護單元(5)的正極端與正匯流排(15)相連接，放電電流超限保護單元(5)的負(fù)極端與脈沖電容器(6)的正極端相連接，脈沖電容器(6)的負(fù)極端與負(fù)匯流排(14)相連接，斷電保護單元(7)的正極端與正匯流排(15)相連接，斷電保護單元(7)的負(fù)極端與負(fù)匯流排(14)相連接，斷電保護單元(7)的數(shù)字量輸出端與控制模塊(13)的第二數(shù)字量輸出端相連接，泄荷保護單元(8)的正極端與正匯流排(15)相連接，泄荷保護單元(8)的負(fù)極端與負(fù)匯流排(14)相連接，泄荷保護單元(8)的數(shù)字量輸出端與控制模塊(13)的第三數(shù)字量輸入端相連接，放電開關(guān)(10)的輸入端與正匯流排(15)相連接，放電開關(guān)(10)的控制輸入端與觸發(fā)回路(11)的控制輸出端相連接，觸發(fā)回路(11)的數(shù)字量輸入端與控制模塊(13)的第四數(shù)字量輸出端相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁成形機的電氣保護裝置，其特征在于它還包括過壓保護單元(9)，過壓保護單元(9)的正極端與正匯流排(15)相連接， 過壓保護單元(9)的負(fù)極端與負(fù)匯流排(14灘連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁成形機的電氣保護裝置，其特征在于 放電電流超限保護單元(5)由若干個電阻組成，脈沖電容器(6)由若干個電容組 成，所述電阻和電容的數(shù)量相同并且每一個電阻都分別只與一個電容串聯(lián)，每 個電阻與電容組成的串聯(lián)支路連接在負(fù)匯流排(14)與正匯流排(15)之間。
4、 一種電磁成形機的電氣保護方法，其特征在于它由以下步驟實現(xiàn) 步驟101、采樣充電時間值；步驟102、判斷步驟101得到的充電時間值是否大于充電時間設(shè)定值，判 斷結(jié)果為是，則進入步驟103，判斷結(jié)果為否，則進入步驟104; 步驟103、啟動充電時間超限保護動作； 步驟104、采樣當(dāng)前充電電流值；步驟105、判斷步驟104得到的充電電流值是否大于最大承受電流設(shè)定值， 判斷結(jié)果為是，則進入步驟106，步驟結(jié)果為否，則進入步驟107; 步驟106、啟動充電電流保護動作； 步驟107、采樣脈沖電容電壓值；步驟108、判斷步驟107得到的脈沖電容電壓值是否大于設(shè)備最高工作電 壓值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟109，判斷結(jié)果為否，則進入步驟110; 步驟109、啟動系統(tǒng)過壓保護動作；步驟110、判斷步驟107得到的脈沖電容電壓值是否大于電容過壓保護設(shè) 定值，判斷結(jié)果為是，則進入步驟lll，判斷結(jié)果為否，則進入步驟112; 步驟lll、啟動主回路過壓保護動作；步驟112、判斷系統(tǒng)是否收到泄荷保護指令，判斷結(jié)果為是，則進入步驟 113，判斷結(jié)果為否，則進入步驟114; 步驟113、啟動泄荷保護動作；步驟114、判斷系統(tǒng)是否斷電，判斷結(jié)果為是，則進入步驟115，判斷結(jié)果為否，則進入步驟116;步驟115、啟動斷電保護動作；步驟116、判斷系統(tǒng)是否收到觸發(fā)指令，判斷結(jié)果為是，則進入步驟117，判斷結(jié)果為否，則返回步驟102; 步驟117、采樣放電電流值；步驟118、判斷步驟117采集的放電電流值是否大于放電電流超限設(shè)定值， 判斷結(jié)果為是，則進入步驟119，判斷結(jié)果為否，則進入步驟120;步驟119、啟動放電電流超限保護動作；步驟120、電氣保護過程結(jié)束。
全文摘要
一種電磁成形機的電氣保護裝置及方法，它涉及一種電磁成形機的充放電回路和控制系統(tǒng)的保護裝置和方法，以解決電磁成形機保護系統(tǒng)存在的受操作人員主觀因素影響較大、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的問題。充電回路、電流互感器、正匯流排、放電開關(guān)、負(fù)匯流排串聯(lián)在主回路中，電壓互感器、放電電流超限保護單元、脈沖電容器、斷電保護單元、泄荷保護單元并聯(lián)在主回路中，充電控制單元、斷電保護單元、泄荷保護單元、觸發(fā)回路、電流互感器和電壓互感器的輸出端與主控制模塊的輸入端連接。根據(jù)充電時間值、充電電流值、脈沖電容電壓值、放電電流值以及泄荷、斷電和觸發(fā)指令啟動保護動作。本發(fā)明具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，可促進電磁成形在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。
文檔編號H02H3/12GK101340081SQ200810136920
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者于海平, 李春峰, 趙志衡 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)