現(xiàn)代變壓器是由鐵芯、線圈和絕緣材料共同組成的,該線圈通常分為高壓線圈和低壓線圈,其中高壓線圈使用絕緣導(dǎo)線進(jìn)行繞制。線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,還影響著變壓器絕緣性能和機(jī)械性能�，F(xiàn)有繞線機(jī)一般為半自動繞線機(jī),工作過程是:電機(jī)帶動工件一起旋轉(zhuǎn)繞線,通過計數(shù)裝置將纏繞圈數(shù)顯示在儀表上,工人手工排線,根據(jù)儀表顯示纏繞圈數(shù)控制電機(jī)啟停。但它存在以下缺點(diǎn):由于人工排線方式,使工件加工質(zhì)量過于依賴工人技術(shù)水平,且當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過快時,人的操作無法跟上電機(jī)速度,因此限制了加工效率。全自動繞線機(jī)的出現(xiàn)雖然解決了半自動繞線機(jī)生產(chǎn)的一些弊端,但現(xiàn)有的自動排線繞線機(jī)為單絕緣層供給,不能實(shí)現(xiàn)線帶同步纏繞或線圈側(cè)邊絕緣紙纏繞,自動化程度低且工藝不完備。傳統(tǒng)變壓器線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(tǒng)計匝數(shù),使用傳統(tǒng)繞線方式受到人為因素影響,導(dǎo)致繞制效率較低。因此,采用全自動變壓器繞線機(jī)來解決該問題 。
針對上述問題,采用伺服系統(tǒng)來驅(qū)動排線機(jī)構(gòu),搭建硬件平臺,結(jié)合控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計,完成變壓器的繞制過程。為實(shí)現(xiàn)精密繞制,需對漆包線和絕緣帶中的張力進(jìn)行控制,本文對全自動變壓器的自動排線控制技術(shù)展開研究,為了絕緣帶的張力控制奠定基礎(chǔ)。
1 繞線機(jī)設(shè)備構(gòu)成
傳統(tǒng)的半自動繞線機(jī)包括機(jī)座、檢測裝置、基于 PLC控制的控制柜和設(shè)置在機(jī)座上的人機(jī)界面,該設(shè)備僅為單絕緣層供給,不能實(shí)現(xiàn)線圈側(cè)邊絕緣紙纏繞,工藝不完備,生產(chǎn)的線圈側(cè)邊絕緣性能差 。因此本文設(shè)計的全自動變壓器繞線機(jī),采用雙絕緣層供給裝置,可同時實(shí)現(xiàn)線帶同步纏繞和線圈側(cè)邊絕緣紙纏繞。對于繞線機(jī)主要設(shè)備主要包括電線自動排線裝置、主副絕緣層供給裝置、主副絕緣層主軸軸向驅(qū)動裝置和卷繞主機(jī)等裝置,如圖 1 所示。
1.1 電線自動排線裝置
自動排線裝置為一軸伺服控制,包括排線裝置架體、主體小車、定向定位輪、電機(jī)、導(dǎo)軌、導(dǎo)程20的滾珠絲杠和1 : 5的配減速機(jī)組成的,排線裝置架體和主體小車上端設(shè)有絲杠,主體小車可沿導(dǎo)軌和絲杠方向移動,排線機(jī)頭安裝在滾珠絲杠上,可實(shí)現(xiàn)線頭沿著導(dǎo)軌直線移動,而排線裝置兩端設(shè)有限位開關(guān),其中排線電機(jī)功率設(shè)置為 150W 。
1.2 卷繞主機(jī)
卷繞主機(jī)包括主軸 4.5kW 的伺服電機(jī)、 1 : 10 的主軸配減速機(jī)、便于安裝繞組芯模、取成品的主軸關(guān)節(jié)、主軸模架和手搖頂尖裝置;主機(jī)裝置軸承上可固定工件,隨著主軸旋轉(zhuǎn)完成線圈的繞制。設(shè)收卷電極功率為 6.0kW ,通過變頻器驅(qū)動腳踏開關(guān)進(jìn)行啟動與停止控制。收卷主機(jī)配有電磁驅(qū)動器,能夠滿足收卷主軸的制動需求。收卷電機(jī)與主軸之間是通過機(jī)械換擋來調(diào)節(jié)機(jī)箱傳遞動力的,其中設(shè)置兩個檔位分別為變壓器繞制提供較小額定轉(zhuǎn)矩和較高額定轉(zhuǎn)速,以滿足工藝要求 。
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(tǒng) (內(nèi)含伺服電機(jī)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(qū)動輪組、剪紙機(jī)構(gòu)和其他輔助機(jī)構(gòu);伺服系統(tǒng)控制絕緣紙捆沿定位定向輪移動。另雙絕緣層供給排線繞線機(jī)還包括腳踏開關(guān)和控制盒,卷繞主機(jī)主軸的正反轉(zhuǎn)可通過所述腳踏開關(guān)和控制盒分別實(shí)現(xiàn)。
1.4 主副絕緣層主軸軸向驅(qū)動裝置
主副絕緣層主軸軸向驅(qū)動裝置包括主副絕緣層架體、 2kW 伺服電機(jī)、 1 : 5 的配減速機(jī)、導(dǎo)程 20 的絲杠、導(dǎo)軌和主體小車;主副絕緣層主軸軸向伺服電機(jī)和主副絕緣層主軸軸向配減速機(jī)連接PLC控制系統(tǒng), PLC控制系統(tǒng)設(shè)有觸摸屏,用于顯示繞線圈數(shù),并具有正反記數(shù)和斷電記憶功能。
全自動變壓器繞線機(jī)主要設(shè)備負(fù)責(zé)完成程序編寫和人機(jī)界面組態(tài),程序是控制技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn),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(jī)器的性能。人機(jī)界面作為人機(jī)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(shù)的操作,還可實(shí)時顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài) 。
2 自動排線控制技術(shù)分析
對于影響全自動變壓器繞線機(jī)繞線質(zhì)量以及加工精度,絕緣帶和漆包線中的張力是重要影響因素,目前張力控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于繞線行業(yè)中。在自動繞線機(jī)繞線過程中,如果漆包線中的張力較小,而導(dǎo)致繞線機(jī)組的絕緣帶松弛,那么就會產(chǎn)生繞線堆積現(xiàn)象;反之,如果漆包線中的張力較大,而導(dǎo)致繞線機(jī)組的絕緣帶纏繞表面坍塌,那么就會產(chǎn)生繞線斷帶現(xiàn)象,因此控制漆包線和絕緣帶張力對于繞線機(jī)繞線質(zhì)量來說是具有重要的作用。
2.1 張力的產(chǎn)生
在繞線機(jī)自動繞線過程中,為了達(dá)到工藝要求,必須在漆包線上產(chǎn)生摩擦力和阻力,因此對于張力的產(chǎn)生可通過如下3種情況進(jìn)行說明 。
由圖 2 可知:圖 ( a )中在漆包線表面設(shè)置摩擦輥,使在運(yùn)動時產(chǎn)生張力。當(dāng)機(jī)器主軸產(chǎn)生帶動飛叉旋轉(zhuǎn)的繞線時,摩擦輥與漆包線之間會產(chǎn)生相對摩擦力,因此在摩擦輥與絕緣帶之間的漆包線產(chǎn)生了張力;圖 ( b )中是對防線卷施加了阻力矩,設(shè)置產(chǎn)生阻力矩的裝置;圖 (c )是利用防線速度和收線速度之差來產(chǎn)生拉力,采用該方式可通過控制放線卷的放線速度實(shí)現(xiàn)對漆包線和絕緣帶中張力的控制。
圖 ( a )中產(chǎn)生的張力與帶盤半徑大小無關(guān),即帶盤轉(zhuǎn)動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卷半徑的比計算出來的;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機(jī)正常工作,因此在圖 ( c )產(chǎn)生張力過程中,絕緣帶張力由如下公式進(jìn)行計算:
公式 ( 1 )中: V 2 和 V 1 分別為控制收線卷和防線卷的速度;
s 為絕緣帶的截面積; α 為絕緣帶彈性模量; d 為轉(zhuǎn)動點(diǎn)之間的距離;
t 為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時間。
絕緣帶張力會隨著繞線機(jī)繞線的速度變化而產(chǎn)生一定影響,在整個張力控制過程中實(shí)際上就是計算控制收線卷和放線卷之間的速度差,采用這種方式將張力控制轉(zhuǎn)化為兩線速度差的控制。卷繞主機(jī)上放置線圈芯模,而絕緣層
供給裝置將絕緣紙送至卷繞主機(jī),卷繞主機(jī)轉(zhuǎn)動使絕緣紙纏繞在線圈芯模上,主副絕緣層主軸軸向驅(qū)動裝置左右重復(fù)移動使絕緣紙均勻布滿線圈芯模,通過張力調(diào)節(jié)線架,將導(dǎo)線通過電線自動排線裝置送至卷繞主機(jī),卷繞主機(jī)轉(zhuǎn)動使導(dǎo)線纏繞在絕緣紙上,電線自動排線裝置左右重復(fù)移動使導(dǎo)線均勻布滿絕緣紙。本文提出伺服自動排線方案,提高排線精確度,為絕緣帶張力的控制打下基礎(chǔ)。
2.2 伺服自動排線設(shè)計
伺服電機(jī)的控制有精確度高、定位準(zhǔn)、調(diào)速范圍寬、響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中排線機(jī)構(gòu)需要較好的跟隨性和主軸電機(jī)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn),同時需要排線誤差小,排線均勻,精確度高,因此我們選用三菱伺服系統(tǒng)來驅(qū)動排線機(jī)構(gòu)進(jìn)行排線 。
使用伺服驅(qū)動器時,電線自動排線方案設(shè)計如下所示:
根據(jù)一定時間內(nèi)繞線機(jī)轉(zhuǎn)過的角度來控制程序向伺服驅(qū)動器發(fā)動的脈沖,排線裝置快速跟隨繞線機(jī)主軸轉(zhuǎn)動,根據(jù)在執(zhí)行時發(fā)送的脈沖指令改變發(fā)送脈沖頻率,當(dāng)發(fā)送脈沖指令之前,會按照之前設(shè)定的頻率發(fā)送脈沖,一旦更改了發(fā)送脈沖頻率之后,必須先斷開接通條件,再重新接通啟動脈沖指令,才可按照原始的脈沖頻率執(zhí)行。此時電極工作是位于控制模式下進(jìn)行的,由此設(shè)計了如圖 3 所示的排線時序圖。
由圖3可知,為了使排線更加平滑,需保證脈沖采樣時間間隔最短,選擇可編程邏輯控制器的掃描周期 T 作為采樣時間,每隔2T更新一次脈沖數(shù)量,但是每次都必須在時間 T內(nèi)完成脈沖的發(fā)送,因此在采樣周圍為2T時,就完成了一次自動排序任務(wù),繼續(xù)進(jìn)行下一次自動排線,直到自動繞線全部完成。具體排線方案設(shè)計如下所示:
a )計算導(dǎo)線整體直徑;
b )計算主軸轉(zhuǎn)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(yīng)發(fā)脈沖頻率,并以此頻率發(fā)送脈沖;
f )統(tǒng)計一個周期的采樣結(jié)果;
g )計算以此脈沖發(fā)送結(jié)束時的可編程邏輯控制器實(shí)際應(yīng)發(fā)脈沖與理論應(yīng)發(fā)脈沖之差;
h )將第一次差值固定,將下一次差值移動到上一次差值中;
i )查看是否達(dá)到設(shè)定的匝數(shù)?
j )如果達(dá)到,則結(jié)束;如果沒有達(dá)到,則需重新計算導(dǎo)線整體直徑,直到達(dá)到設(shè)定的匝數(shù)即可。
雖然根據(jù)上述設(shè)計方案實(shí)現(xiàn)了繞線機(jī)的快速排線,但在變壓器的繞制過程中通過電磁剎車裝置實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的快速制動,開始時電機(jī)轉(zhuǎn)速由低速加速到高速運(yùn)行,在這一段繞制快要結(jié)束時電機(jī)又由高速降為低速運(yùn)行,繞線完成一層后,自動鋪設(shè)絕緣層,伺服電機(jī)排線方向取反,繼續(xù)繞制工作。在這個過程中,主軸轉(zhuǎn)速過快,轉(zhuǎn)動慣量過大,致使排線誤差偏大,漆包線張力波動,因此本文提出逐次逼近補(bǔ)償?shù)姆椒p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(jī)作為主要工作機(jī)構(gòu),通過調(diào)節(jié)速度控制扭矩,由傳統(tǒng)被動送線方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀途�方式,保持張力穩(wěn)定性�？刂蒲b置是張力控制核心,對于整個控制系統(tǒng)具有重大影響,通過接收來自張力傳感器的反饋信號,根據(jù)時序圖設(shè)計具體排線方案,通過調(diào)試確定慣性補(bǔ)償系數(shù),保證繞線能夠平滑移動,改善慣性誤差,最終實(shí)現(xiàn)繞線機(jī)張力穩(wěn)定控制。通過研究結(jié)果可知,采用所研究的控制技術(shù)最高控制效率可達(dá)到90% 。自動化程度高、功能齊全、動力強(qiáng)勁,適用于矩形和橢圓形線圈的繞制,適合啟動平穩(wěn)、頻繁點(diǎn)動、制動平穩(wěn)及急停剎車的工作狀態(tài)。
精密平行繞線機(jī)
精密環(huán)型繞線機(jī)
自動飛叉繞線機(jī)
全自動設(shè)備系列
精密線圈
包膠線圈
精密馬達(dá)線圈
空芯線圈
變壓器線圈