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，可實現(xiàn)高精度的高-低壓轉(zhuǎn)換以便于對電網(wǎng)電壓的檢測和電能計量。精密高電壓互感器的電磁繞組為重要功能部件，對于通常高達數(shù)萬匝高電壓互感器線圈繞組，在其繞制過程中如何控制匝間、層間絕緣、減少分布電容影響，達到轉(zhuǎn)換測量精度要求，可靠、高精度的全自動繞線機是保證互感器產(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總體設(shè)計
高電壓互感器電壓高達等級幾十萬伏，其電磁繞組線圈匝數(shù)多達幾萬匝，通常采用自動化機器繞制。目前，國內(nèi)使用的傳統(tǒng)自動繞線機，一般由機座、繞線電動機、主傳動機構(gòu)、排線電動機及排線傳動機構(gòu)等部分組成。繞線機主傳動機構(gòu)采用變頻電動機拖動，通過變頻器面板旋鈕調(diào)節(jié)繞組輪轂轉(zhuǎn)速，其從動排線機構(gòu)采用微型直流電動機拖動，也通過旋鈕完成調(diào)速。主、從兩部分運轉(zhuǎn)速度的協(xié)調(diào)，需要人工根據(jù)不同繞組規(guī)格進行計算調(diào)整，操作繁復(fù)且難以保證繞線質(zhì)量和效率，時有斷線、疊線、跳線等故障，需人工操作調(diào)整的工作量大。由此，針對傳統(tǒng)繞線機的不足之處，從電控、機械兩方面做改進設(shè)計。
其一，繞線機電氣控制系統(tǒng)改進設(shè)計。選用PLC控制器、步進驅(qū)動器和步進電動機進行設(shè)計，配置觸模屏，改善自動繞線機可視化操作用戶界面，通過設(shè)置不同工藝參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)控制程序，可完成對不同規(guī)格線圈繞組的自動化繞制，并能提高繞制過程自動化控制程度，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，繞線機機械結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。重新設(shè)計工作臺基座、鐵芯裝夾平臺機構(gòu)部件、繞組輪轂壓緊調(diào)整機構(gòu)，主傳動機構(gòu)部件、自動排線機構(gòu)部件、繞線張力控制及導(dǎo)線機構(gòu)等部件。選用標準型伺服張力器以方便穩(wěn)定調(diào)節(jié)導(dǎo)線張力，實現(xiàn)穩(wěn)定的導(dǎo)引牽線排線功能，改進型繞線機總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳動系統(tǒng)簡圖如圖4所示。2繞線機電氣控制系統(tǒng)繞線機電氣控制系統(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，完成對兩臺步進電動機驅(qū)動器的指令控制，協(xié)調(diào)繞組線圈主傳動步進電動機與自動排線電動機的運轉(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，以控制繞線程序啟、停運行，并將繞線機運行狀態(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)備的運行。觸摸屏與PLC控制器通過串行通信接口相連，通過在觸摸屏上設(shè)置不同工藝參數(shù)，調(diào)用不同的繞線工藝程序可實現(xiàn)對不同規(guī)格的電磁線圈繞制。繞線機總體電氣連接如圖5所示。
2.1繞線機運轉(zhuǎn)PLC控制程序設(shè)計
根據(jù)繞組線圈的繞制工藝要求，設(shè)計繞線機PLC控制程序。首先，設(shè)計點動運行檢測程序，測試繞線機主傳動機構(gòu)運轉(zhuǎn)，排線絲桿左右移動等。在面板上設(shè)計“主輪旋轉(zhuǎn)”，“排線左移”，“排線右移”按鈕，測試繞機空載時運行狀態(tài)是否正常，并調(diào)試各級不同的繞線速度，控制主傳動機構(gòu)和從動排線機構(gòu)空運轉(zhuǎn)和復(fù)位。點動檢測程序檢查正常之后，設(shè)計PLC自動繞線程序，控制繞線的完整工藝過程。根據(jù)待繞線頭初始位置，確定排線絲桿移動方向；調(diào)用參數(shù)計算子程序，根據(jù)線圈各級所設(shè)置的工藝參數(shù)、計算出主輪電動機、絲桿電動機運行頻率與脈沖數(shù)，存儲于內(nèi)部數(shù)據(jù)組表格，用以控制對應(yīng)當前層、段的導(dǎo)線繞制，并在觸摸屏上顯示當前繞制位置與繞制導(dǎo)線匝數(shù)。
在程序控制運轉(zhuǎn)過程中，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程序可控制自動排線機構(gòu)退回到當次繞線的起始位置，并復(fù)位當次繞制的匝數(shù)計數(shù)器，選擇“排線左移”或“排線右移”按鈕，則重新開始當前層線圈繞制并繼續(xù)運行。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，再進行下一段線圈的繞制。因此，PLC控制程序中設(shè)計了包膜運轉(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程。此繞線機PLC控制程序采用模塊化設(shè)計，通過主程序調(diào)用子程序方式實現(xiàn)，各子程序分別完成不同功能。此繞線機PLC應(yīng)用程序控制的總體運行流程為：PLC主機開機，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)計算子程序P1，包膜參數(shù)計算子程序P2，根據(jù)檔位開關(guān)狀態(tài)調(diào)用點動檢測子程序P3，自動運行子程序P4等。子程序中設(shè)置了進程標識，狀態(tài)位置判斷標識，對其段、層、級計算標識進行判斷，控制繞制狀態(tài)流程。程序采集高速計數(shù)器端口計數(shù)值，記錄已繞制匝數(shù)與總匝數(shù)機型比較判斷，確定是否進入下一層程序，直至整個繞制過程控制的結(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定位指令DDRVI，控制FX-3U控制單元的Y0、Y1端口輸出脈沖信號，指令相關(guān)的參數(shù)D20、D30、D22、D32由參數(shù)計算子程序中根據(jù)輸入的線圈繞組的規(guī)格參數(shù)計算得出，從而實現(xiàn)對主從兩個步進伺服電動機的協(xié)調(diào)驅(qū)動控制。兩軸脈沖發(fā)送梯形圖控制程序如圖7所示。
2.2繞線機觸摸屏人機界面設(shè)計
觸摸屏是操作者對繞線機進行操作和程序選擇的重要人機界面。觸摸屏可實現(xiàn)繞線機運行狀態(tài)的顯示，還可實現(xiàn)對繞線機的各種操作，如改變運行模式，修改運行工藝參數(shù)等功能。對此繞線機進行觸摸屏界面設(shè)計如下：界面上設(shè)計提供七個標簽，分別對應(yīng)七種規(guī)格線圈繞制程序，每種線圈需要設(shè)置七個工藝參數(shù)。觸摸屏與PLC之間通過RS422串行通信方式連接，通過共享地址的方式，將觸摸屏所設(shè)參數(shù)傳到PLC控制程序之中，并且還設(shè)計了觸控按鈕用于繞線機操作控制，如圖8所示。3結(jié)語此改進設(shè)計的新型繞線機，通過校企合作方式進行機械零部件的設(shè)計和電氣控制系統(tǒng)的PLC應(yīng)用程序開發(fā)調(diào)試，現(xiàn)已完成樣機研制并調(diào)試運行。通過在客戶現(xiàn)場使用實踐證明，采用此種新型繞線機進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，實現(xiàn)了可編程自動化高精度繞線工藝，使得工藝參數(shù)修改、設(shè)置方便，實現(xiàn)了通過程序自動控制繞制多種型號線圈的功能。該繞線機具有操作簡單、自動化程度高、運行可靠等優(yōu)點。
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