高壓互感器是電力系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站等不可缺少的一種高壓電器，可實(shí)現(xiàn)高精度的高-低壓轉(zhuǎn)換以便于對(duì)電網(wǎng)電壓的檢測(cè)和電能計(jì)量。精密高電壓互感器的電磁繞組為重要功能部件，對(duì)于通常高達(dá)數(shù)萬(wàn)匝高電壓互感器線圈繞組，在其繞制過(guò)程中如何控制匝間、層間絕緣、減少分布電容影響，達(dá)到轉(zhuǎn)換測(cè)量精度要求，可靠、高精度的全自動(dòng)繞線機(jī)是保證互感器產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。高電壓互感器及電磁繞組如圖1、圖2所示。
1高電壓互感器線圈新型繞線機(jī)總體設(shè)計(jì)
高電壓互感器電壓高達(dá)等級(jí)幾十萬(wàn)伏，其電磁繞組線圈匝數(shù)多達(dá)幾萬(wàn)匝，通常采用自動(dòng)化機(jī)器繞制。目前，國(guó)內(nèi)使用的傳統(tǒng)自動(dòng)繞線機(jī)，一般由機(jī)座、繞線電動(dòng)機(jī)、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、排線電動(dòng)機(jī)及排線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。繞線機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用變頻電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過(guò)變頻器面板旋鈕調(diào)節(jié)繞組輪轂轉(zhuǎn)速，其從動(dòng)排線機(jī)構(gòu)采用微型直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，也通過(guò)旋鈕完成調(diào)速。主、從兩部分運(yùn)轉(zhuǎn)速度的協(xié)調(diào)，需要人工根據(jù)不同繞組規(guī)格進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，操作繁復(fù)且難以保證繞線質(zhì)量和效率，時(shí)有斷線、疊線、跳線等故障，需人工操作調(diào)整的工作量大。由此，針對(duì)傳統(tǒng)繞線機(jī)的不足之處，從電控、機(jī)械兩方面做改進(jìn)設(shè)計(jì)。
其一，繞線機(jī)電氣控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。選用PLC控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，配置觸模屏，改善自動(dòng)繞線機(jī)可視化操作用戶界面，通過(guò)設(shè)置不同工藝參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)控制程序，可完成對(duì)不同規(guī)格線圈繞組的自動(dòng)化繞制，并能提高繞制過(guò)程自動(dòng)化控制程度，減小人為因數(shù)影響，保證繞制質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性。
其二，繞線機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)工作臺(tái)基座、鐵芯裝夾平臺(tái)機(jī)構(gòu)部件、繞組輪轂壓緊調(diào)整機(jī)構(gòu)，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件、自動(dòng)排線機(jī)構(gòu)部件、繞線張力控制及導(dǎo)線機(jī)構(gòu)等部件。選用標(biāo)準(zhǔn)型伺服張力器以方便穩(wěn)定調(diào)節(jié)導(dǎo)線張力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的導(dǎo)引牽線排線功能，改進(jìn)型繞線機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。2繞線機(jī)電氣控制系統(tǒng)繞線機(jī)電氣控制系統(tǒng)可分為電氣控制盒部件和操作面板部件兩部分，電氣控制盒內(nèi)部安裝有直流電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC控制器及接線端子排等；操作面板配置有起、停操作按鈕、指示燈和參數(shù)設(shè)置觸摸屏人機(jī)界面等。選用三菱FX-3U系列可編程控制器作為主控單元，根據(jù)編制的PLC應(yīng)用控制程序，完成對(duì)兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的指令控制，協(xié)調(diào)繞組線圈主傳動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與自動(dòng)排線電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，PLC控制器還接收操作面板和觸摸屏上按鈕的指令信號(hào)，以控制繞線程序啟、停運(yùn)行，并將繞線機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息輸出到相應(yīng)指示燈和觸摸屏界面顯示，提供給操作者查看可監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。觸摸屏與PLC控制器通過(guò)串行通信接口相連，通過(guò)在觸摸屏上設(shè)置不同工藝參數(shù)，調(diào)用不同的繞線工藝程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的電磁線圈繞制。繞線機(jī)總體電氣連接如圖5所示。
2.1繞線機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)PLC控制程序設(shè)計(jì)
根據(jù)繞組線圈的繞制工藝要求，設(shè)計(jì)繞線機(jī)PLC控制程序。首先，設(shè)計(jì)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行檢測(cè)程序，測(cè)試?yán)@線機(jī)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，排線絲桿左右移動(dòng)等。在面板上設(shè)計(jì)“主輪旋轉(zhuǎn)”，“排線左移”，“排線右移”按鈕，測(cè)試?yán)@機(jī)空載時(shí)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并調(diào)試各級(jí)不同的繞線速度，控制主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和從動(dòng)排線機(jī)構(gòu)空運(yùn)轉(zhuǎn)和復(fù)位。點(diǎn)動(dòng)檢測(cè)程序檢查正常之后，設(shè)計(jì)PLC自動(dòng)繞線程序，控制繞線的完整工藝過(guò)程。根據(jù)待繞線頭初始位置，確定排線絲桿移動(dòng)方向；調(diào)用參數(shù)計(jì)算子程序，根據(jù)線圈各級(jí)所設(shè)置的工藝參數(shù)、計(jì)算出主輪電動(dòng)機(jī)、絲桿電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率與脈沖數(shù)，存儲(chǔ)于內(nèi)部數(shù)據(jù)組表格，用以控制對(duì)應(yīng)當(dāng)前層、段的導(dǎo)線繞制，并在觸摸屏上顯示當(dāng)前繞制位置與繞制導(dǎo)線匝數(shù)。
在程序控制運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，若出現(xiàn)繞制斷線、疊線等意外情況，設(shè)備可急停，待人工處理好異常之后，按“復(fù)位”控鍵，PLC程序可控制自動(dòng)排線機(jī)構(gòu)退回到當(dāng)次繞線的起始位置，并復(fù)位當(dāng)次繞制的匝數(shù)計(jì)數(shù)器，選擇“排線左移”或“排線右移”按鈕，則重新開始當(dāng)前層線圈繞制并繼續(xù)運(yùn)行。根據(jù)高電壓互感器絕緣工藝要求，線圈繞組完成一段繞制后，需插入電工絕緣紙膜覆蓋保護(hù)，再進(jìn)行下一段線圈的繞制。因此，PLC控制程序中設(shè)計(jì)了包膜運(yùn)轉(zhuǎn)子程序，控制電磁繞組骨架慢速旋轉(zhuǎn)2～3圈完成絕緣材料覆蓋包膜過(guò)程。此繞線機(jī)PLC控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)主程序調(diào)用子程序方式實(shí)現(xiàn)，各子程序分別完成不同功能。此繞線機(jī)PLC應(yīng)用程序控制的總體運(yùn)行流程為：PLC主機(jī)開機(jī)，觸摸屏組態(tài)通信完成繞線工藝參數(shù)設(shè)置，程序初始化脈沖繼電器M8002接通，調(diào)用數(shù)據(jù)輸入子程序P0，調(diào)用繞線參數(shù)計(jì)算子程序P1，包膜參數(shù)計(jì)算子程序P2，根據(jù)檔位開關(guān)狀態(tài)調(diào)用點(diǎn)動(dòng)檢測(cè)子程序P3，自動(dòng)運(yùn)行子程序P4等。子程序中設(shè)置了進(jìn)程標(biāo)識(shí)，狀態(tài)位置判斷標(biāo)識(shí)，對(duì)其段、層、級(jí)計(jì)算標(biāo)識(shí)進(jìn)行判斷，控制繞制狀態(tài)流程。程序采集高速計(jì)數(shù)器端口計(jì)數(shù)值，記錄已繞制匝數(shù)與總匝數(shù)機(jī)型比較判斷，確定是否進(jìn)入下一層程序，直至整個(gè)繞制過(guò)程控制的結(jié)束。繞組一層分多段，一段包含多匝線圈，其中一層自動(dòng)繞線控制程序流程如圖6所示。PLC應(yīng)用程序采用兩條相對(duì)定位指令DDRVI，控制FX-3U控制單元的Y0、Y1端口輸出脈沖信號(hào)，指令相關(guān)的參數(shù)D20、D30、D22、D32由參數(shù)計(jì)算子程序中根據(jù)輸入的線圈繞組的規(guī)格參數(shù)計(jì)算得出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主從兩個(gè)步進(jìn)伺服電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)控制。兩軸脈沖發(fā)送梯形圖控制程序如圖7所示。
2.2繞線機(jī)觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)
觸摸屏是操作者對(duì)繞線機(jī)進(jìn)行操作和程序選擇的重要人機(jī)界面。觸摸屏可實(shí)現(xiàn)繞線機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的顯示，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)繞線機(jī)的各種操作，如改變運(yùn)行模式，修改運(yùn)行工藝參數(shù)等功能。對(duì)此繞線機(jī)進(jìn)行觸摸屏界面設(shè)計(jì)如下：界面上設(shè)計(jì)提供七個(gè)標(biāo)簽，分別對(duì)應(yīng)七種規(guī)格線圈繞制程序，每種線圈需要設(shè)置七個(gè)工藝參數(shù)。觸摸屏與PLC之間通過(guò)RS422串行通信方式連接，通過(guò)共享地址的方式，將觸摸屏所設(shè)參數(shù)傳到PLC控制程序之中，并且還設(shè)計(jì)了觸控按鈕用于繞線機(jī)操作控制，如圖8所示。3結(jié)語(yǔ)此改進(jìn)設(shè)計(jì)的新型繞線機(jī)，通過(guò)校企合作方式進(jìn)行機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)的PLC應(yīng)用程序開發(fā)調(diào)試，現(xiàn)已完成樣機(jī)研制并調(diào)試運(yùn)行。通過(guò)在客戶現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)踐證明，采用此種新型繞線機(jī)進(jìn)行高壓互感器大型線圈繞制，繞線效率、質(zhì)量均有提高。此外，選用觸摸屏提供了友好的用戶界面，實(shí)現(xiàn)了可編程自動(dòng)化高精度繞線工藝，使得工藝參數(shù)修改、設(shè)置方便，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)程序自動(dòng)控制繞制多種型號(hào)線圈的功能。該繞線機(jī)具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。
精密平行繞線機(jī)
精密環(huán)型繞線機(jī)
自動(dòng)飛叉繞線機(jī)
全自動(dòng)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