現代變壓器是由鐵芯、線(xiàn)圈和絕緣材料共同組成的,該線(xiàn)圈通常分為高壓線(xiàn)圈和低壓線(xiàn)圈,其中高壓線(xiàn)圈使用絕緣導線(xiàn)進(jìn)行繞制。線(xiàn)圈繞制是變壓器制造的核心,對于變壓器工作性能影響較大,不僅直接影響變壓器外形尺寸,還影響著(zhù)變壓器絕緣性能和機械性能�,F有繞線(xiàn)機一般為半自動(dòng)繞線(xiàn)機,工作過(guò)程是:電機帶動(dòng)工件一起旋轉繞線(xiàn),通過(guò)計數裝置將纏繞圈數顯示在儀表上,工人手工排線(xiàn),根據儀表顯示纏繞圈數控制電機啟停。但它存在以下缺點(diǎn):由于人工排線(xiàn)方式,使工件加工質(zhì)量過(guò)于依賴(lài)工人技術(shù)水平,且當電機轉速過(guò)快時(shí),人的操作無(wú)法跟上電機速度,因此限制了加工效率。全自動(dòng)繞線(xiàn)機的出現雖然解決了半自動(dòng)繞線(xiàn)機生產(chǎn)的一些弊端,但現有的自動(dòng)排線(xiàn)繞線(xiàn)機為單絕緣層供給,不能實(shí)現線(xiàn)帶同步纏繞或線(xiàn)圈側邊絕緣紙纏繞,自動(dòng)化程度低且工藝不完備。傳統變壓器線(xiàn)圈繞制都是依靠人力將絕緣層按照生產(chǎn)工藝流程纏繞到組件上的,由工作人員統計匝數,使用傳統繞線(xiàn)方式受到人為因素影響,導致繞制效率較低。因此,采用全自動(dòng)變壓器繞線(xiàn)機來(lái)解決該問(wèn)題 。
針對上述問(wèn)題,采用伺服系統來(lái)驅動(dòng)排線(xiàn)機構,搭建硬件平臺,結合控制系統軟件部分設計,完成變壓器的繞制過(guò)程。為實(shí)現精密繞制,需對漆包線(xiàn)和絕緣帶中的張力進(jìn)行控制,本文對全自動(dòng)變壓器的自動(dòng)排線(xiàn)控制技術(shù)展開(kāi)研究,為了絕緣帶的張力控制奠定基礎。
1 繞線(xiàn)機設備構成
傳統的半自動(dòng)繞線(xiàn)機包括機座、檢測裝置、基于 PLC控制的控制柜和設置在機座上的人機界面,該設備僅為單絕緣層供給,不能實(shí)現線(xiàn)圈側邊絕緣紙纏繞,工藝不完備,生產(chǎn)的線(xiàn)圈側邊絕緣性能差 。因此本文設計的全自動(dòng)變壓器繞線(xiàn)機,采用雙絕緣層供給裝置,可同時(shí)實(shí)現線(xiàn)帶同步纏繞和線(xiàn)圈側邊絕緣紙纏繞。對于繞線(xiàn)機主要設備主要包括電線(xiàn)自動(dòng)排線(xiàn)裝置、主副絕緣層供給裝置、主副絕緣層主軸軸向驅動(dòng)裝置和卷繞主機等裝置,如圖 1 所示。
1.1 電線(xiàn)自動(dòng)排線(xiàn)裝置
自動(dòng)排線(xiàn)裝置為一軸伺服控制,包括排線(xiàn)裝置架體、主體小車(chē)、定向定位輪、電機、導軌、導程20的滾珠絲杠和1 : 5的配減速機組成的,排線(xiàn)裝置架體和主體小車(chē)上端設有絲杠,主體小車(chē)可沿導軌和絲杠方向移動(dòng),排線(xiàn)機頭安裝在滾珠絲杠上,可實(shí)現線(xiàn)頭沿著(zhù)導軌直線(xiàn)移動(dòng),而排線(xiàn)裝置兩端設有限位開(kāi)關(guān),其中排線(xiàn)電機功率設置為 150W 。
1.2 卷繞主機
卷繞主機包括主軸 4.5kW 的伺服電機、 1 : 10 的主軸配減速機、便于安裝繞組芯模、取成品的主軸關(guān)節、主軸模架和手搖頂尖裝置;主機裝置軸承上可固定工件,隨著(zhù)主軸旋轉完成線(xiàn)圈的繞制。設收卷電極功率為 6.0kW ,通過(guò)變頻器驅動(dòng)腳踏開(kāi)關(guān)進(jìn)行啟動(dòng)與停止控制。收卷主機配有電磁驅動(dòng)器,能夠滿(mǎn)足收卷主軸的制動(dòng)需求。收卷電機與主軸之間是通過(guò)機械換擋來(lái)調節機箱傳遞動(dòng)力的,其中設置兩個(gè)檔位分別為變壓器繞制提供較小額定轉矩和較高額定轉速,以滿(mǎn)足工藝要求 。
1.3 主副絕緣層供給裝置
主副絕緣層供給裝置包括伺服張力控制系統 (內含伺服電機一臺及反饋傳感器等相關(guān)部件)、副絕緣層供給裝置中步進(jìn)驅動(dòng)輪組、剪紙機構和其他輔助機構;伺服系統控制絕緣紙捆沿定位定向輪移動(dòng)。另雙絕緣層供給排線(xiàn)繞線(xiàn)機還包括腳踏開(kāi)關(guān)和控制盒,卷繞主機主軸的正反轉可通過(guò)所述腳踏開(kāi)關(guān)和控制盒分別實(shí)現。
1.4 主副絕緣層主軸軸向驅動(dòng)裝置
主副絕緣層主軸軸向驅動(dòng)裝置包括主副絕緣層架體、 2kW 伺服電機、 1 : 5 的配減速機、導程 20 的絲杠、導軌和主體小車(chē);主副絕緣層主軸軸向伺服電機和主副絕緣層主軸軸向配減速機連接PLC控制系統, PLC控制系統設有觸摸屏,用于顯示繞線(xiàn)圈數,并具有正反記數和斷電記憶功能。
全自動(dòng)變壓器繞線(xiàn)機主要設備負責完成程序編寫(xiě)和人機界面組態(tài),程序是控制技術(shù)的具體實(shí)現,在硬件選型已經(jīng)確定條件下,程序控制將最終決定整臺機器的性能。人機界面作為人機交互平臺,不僅能夠完成向程序發(fā)送控制指令以及輸入工藝參數的操作,還可實(shí)時(shí)顯示設備運行狀態(tài) 。
2 自動(dòng)排線(xiàn)控制技術(shù)分析
對于影響全自動(dòng)變壓器繞線(xiàn)機繞線(xiàn)質(zhì)量以及加工精度,絕緣帶和漆包線(xiàn)中的張力是重要影響因素,目前張力控制已經(jīng)廣泛應用于繞線(xiàn)行業(yè)中。在自動(dòng)繞線(xiàn)機繞線(xiàn)過(guò)程中,如果漆包線(xiàn)中的張力較小,而導致繞線(xiàn)機組的絕緣帶松弛,那么就會(huì )產(chǎn)生繞線(xiàn)堆積現象;反之,如果漆包線(xiàn)中的張力較大,而導致繞線(xiàn)機組的絕緣帶纏繞表面坍塌,那么就會(huì )產(chǎn)生繞線(xiàn)斷帶現象,因此控制漆包線(xiàn)和絕緣帶張力對于繞線(xiàn)機繞線(xiàn)質(zhì)量來(lái)說(shuō)是具有重要的作用。
2.1 張力的產(chǎn)生
在繞線(xiàn)機自動(dòng)繞線(xiàn)過(guò)程中,為了達到工藝要求,必須在漆包線(xiàn)上產(chǎn)生摩擦力和阻力,因此對于張力的產(chǎn)生可通過(guò)如下3種情況進(jìn)行說(shuō)明 。
由圖 2 可知:圖 ( a )中在漆包線(xiàn)表面設置摩擦輥,使在運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生張力。當機器主軸產(chǎn)生帶動(dòng)飛叉旋轉的繞線(xiàn)時(shí),摩擦輥與漆包線(xiàn)之間會(huì )產(chǎn)生相對摩擦力,因此在摩擦輥與絕緣帶之間的漆包線(xiàn)產(chǎn)生了張力;圖 ( b )中是對防線(xiàn)卷施加了阻力矩,設置產(chǎn)生阻力矩的裝置;圖 (c )是利用防線(xiàn)速度和收線(xiàn)速度之差來(lái)產(chǎn)生拉力,采用該方式可通過(guò)控制放線(xiàn)卷的放線(xiàn)速度實(shí)現對漆包線(xiàn)和絕緣帶中張力的控制。
圖 ( a )中產(chǎn)生的張力與帶盤(pán)半徑大小無(wú)關(guān),即帶盤(pán)轉動(dòng)變化對絕緣帶中張力是不產(chǎn)生影響的,因此對于張力的控制是比較容易的;圖 ( b )中裝置產(chǎn)生的阻力矩是保持不變的,因此絕緣帶產(chǎn)生的張力值是由阻力矩與放線(xiàn)卷半徑的比計算出來(lái)的;由于在摩擦輥與絕緣帶之間施加正壓力產(chǎn)生一定張力值才能促使繞線(xiàn)機正常工作,因此在圖 ( c )產(chǎn)生張力過(guò)程中,絕緣帶張力由如下公式進(jìn)行計算:
公式 ( 1 )中: V 2 和 V 1 分別為控制收線(xiàn)卷和防線(xiàn)卷的速度;
s 為絕緣帶的截面積; α 為絕緣帶彈性模量; d 為轉動(dòng)點(diǎn)之間的距離;
t 為設備運轉時(shí)間。
絕緣帶張力會(huì )隨著(zhù)繞線(xiàn)機繞線(xiàn)的速度變化而產(chǎn)生一定影響,在整個(gè)張力控制過(guò)程中實(shí)際上就是計算控制收線(xiàn)卷和放線(xiàn)卷之間的速度差,采用這種方式將張力控制轉化為兩線(xiàn)速度差的控制。卷繞主機上放置線(xiàn)圈芯模,而絕緣層
供給裝置將絕緣紙送至卷繞主機,卷繞主機轉動(dòng)使絕緣紙纏繞在線(xiàn)圈芯模上,主副絕緣層主軸軸向驅動(dòng)裝置左右重復移動(dòng)使絕緣紙均勻布滿(mǎn)線(xiàn)圈芯模,通過(guò)張力調節線(xiàn)架,將導線(xiàn)通過(guò)電線(xiàn)自動(dòng)排線(xiàn)裝置送至卷繞主機,卷繞主機轉動(dòng)使導線(xiàn)纏繞在絕緣紙上,電線(xiàn)自動(dòng)排線(xiàn)裝置左右重復移動(dòng)使導線(xiàn)均勻布滿(mǎn)絕緣紙。本文提出伺服自動(dòng)排線(xiàn)方案,提高排線(xiàn)精確度,為絕緣帶張力的控制打下基礎。
2.2 伺服自動(dòng)排線(xiàn)設計
伺服電機的控制有精確度高、定位準、調速范圍寬、響應速度快、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)。本系統中排線(xiàn)機構需要較好的跟隨性和主軸電機協(xié)同運轉,同時(shí)需要排線(xiàn)誤差小,排線(xiàn)均勻,精確度高,因此我們選用三菱伺服系統來(lái)驅動(dòng)排線(xiàn)機構進(jìn)行排線(xiàn) 。
使用伺服驅動(dòng)器時(shí),電線(xiàn)自動(dòng)排線(xiàn)方案設計如下所示:
根據一定時(shí)間內繞線(xiàn)機轉過(guò)的角度來(lái)控制程序向伺服驅動(dòng)器發(fā)動(dòng)的脈沖,排線(xiàn)裝置快速跟隨繞線(xiàn)機主軸轉動(dòng),根據在執行時(shí)發(fā)送的脈沖指令改變發(fā)送脈沖頻率,當發(fā)送脈沖指令之前,會(huì )按照之前設定的頻率發(fā)送脈沖,一旦更改了發(fā)送脈沖頻率之后,必須先斷開(kāi)接通條件,再重新接通啟動(dòng)脈沖指令,才可按照原始的脈沖頻率執行。此時(shí)電極工作是位于控制模式下進(jìn)行的,由此設計了如圖 3 所示的排線(xiàn)時(shí)序圖。
由圖3可知,為了使排線(xiàn)更加平滑,需保證脈沖采樣時(shí)間間隔最短,選擇可編程邏輯控制器的掃描周期 T 作為采樣時(shí)間,每隔2T更新一次脈沖數量,但是每次都必須在時(shí)間 T內完成脈沖的發(fā)送,因此在采樣周?chē)鸀?span lang="EN-US">2T時(shí),就完成了一次自動(dòng)排序任務(wù),繼續進(jìn)行下一次自動(dòng)排線(xiàn),直到自動(dòng)繞線(xiàn)全部完成。具體排線(xiàn)方案設計如下所示:
a )計算導線(xiàn)整體直徑;
b )計算主軸轉速;
c )計算可編程邏輯控制器發(fā)送的脈沖主要頻率;
d )將上一次差值折算為可編程邏輯控制器發(fā)送脈沖的附加頻率;
e )計算可編程邏輯控制器實(shí)際應發(fā)脈沖頻率,并以此頻率發(fā)送脈沖;
f )統計一個(gè)周期的采樣結果;
g )計算以此脈沖發(fā)送結束時(shí)的可編程邏輯控制器實(shí)際應發(fā)脈沖與理論應發(fā)脈沖之差;
h )將第一次差值固定,將下一次差值移動(dòng)到上一次差值中;
i )查看是否達到設定的匝數?
j )如果達到,則結束;如果沒(méi)有達到,則需重新計算導線(xiàn)整體直徑,直到達到設定的匝數即可。
雖然根據上述設計方案實(shí)現了繞線(xiàn)機的快速排線(xiàn),但在變壓器的繞制過(guò)程中通過(guò)電磁剎車(chē)裝置實(shí)現主軸電機的快速制動(dòng),開(kāi)始時(shí)電機轉速由低速加速到高速運行,在這一段繞制快要結束時(shí)電機又由高速降為低速運行,繞線(xiàn)完成一層后,自動(dòng)鋪設絕緣層,伺服電機排線(xiàn)方向取反,繼續繞制工作。在這個(gè)過(guò)程中,主軸轉速過(guò)快,轉動(dòng)慣量過(guò)大,致使排線(xiàn)誤差偏大,漆包線(xiàn)張力波動(dòng),因此本文提出逐次逼近補償的方法減少慣性造成的誤差。
本文采用伺服張力器工作原理是由電機作為主要工作機構,通過(guò)調節速度控制扭矩,由傳統被動(dòng)送線(xiàn)方式轉變?yōu)橹鲃?dòng)送線(xiàn)方式,保持張力穩定性�?刂蒲b置是張力控制核心,對于整個(gè)控制系統具有重大影響,通過(guò)接收來(lái)自張力傳感器的反饋信號,根據時(shí)序圖設計具體排線(xiàn)方案,通過(guò)調試確定慣性補償系數,保證繞線(xiàn)能夠平滑移動(dòng),改善慣性誤差,最終實(shí)現繞線(xiàn)機張力穩定控制。通過(guò)研究結果可知,采用所研究的控制技術(shù)最高控制效率可達到90% 。自動(dòng)化程度高、功能齊全、動(dòng)力強勁,適用于矩形和橢圓形線(xiàn)圈的繞制,適合啟動(dòng)平穩、頻繁點(diǎn)動(dòng)、制動(dòng)平穩及急停剎車(chē)的工作狀態(tài)。