高壓互感器是電力系統中發(fā)電廠(chǎng)、變電站等不可缺少的一種高壓電器,可實(shí)現高精度的高-低壓轉換以便于對電網(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,對于通常高達數萬(wàn)匝高電壓互感器線(xiàn)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,達到轉換測量精度要求,可靠、高精度的全自動(dòng)繞線(xiàn)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(xiàn)圈新型繞線(xiàn)機總體設計
高電壓互感器電壓高達等級幾十萬(wàn)伏,其電磁繞組線(xiàn)圈匝數多達幾萬(wàn)匝,通常采用自動(dòng)化機器繞制。目前,國內使用的傳統自動(dòng)繞線(xiàn)機,一般由機座、繞線(xiàn)電動(dòng)機、主傳動(dòng)機構、排線(xiàn)電動(dòng)機及排線(xiàn)傳動(dòng)機構等部分組成。繞線(xiàn)機主傳動(dòng)機構采用變頻電動(dòng)機拖動(dòng),通過(guò)變頻器面板旋鈕調節繞組輪轂轉速,其從動(dòng)排線(xiàn)機構采用微型直流電動(dòng)機拖動(dòng),也通過(guò)旋鈕完成調速。主、從兩部分運轉速度的協(xié)調,需要人工根據不同繞組規格進(jìn)行計算調整,操作繁復且難以保證繞線(xiàn)質(zhì)量和效率,時(shí)有斷線(xiàn)、疊線(xiàn)、跳線(xiàn)等故障,需人工操作調整的工作量大。由此,針對傳統繞線(xiàn)機的不足之處,從電控、機械兩方面做改進(jìn)設計。
其一,繞線(xiàn)機電氣控制系統改進(jìn)設計。選用PLC控制器、步進(jìn)驅動(dòng)器和步進(jìn)電動(dòng)機進(jìn)行設計,配置觸模屏,改善自動(dòng)繞線(xiàn)機可視化操作用戶(hù)界面,通過(guò)設置不同工藝參數,調用相應控制程序,可完成對不同規格線(xiàn)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,減小人為因數影響,保證繞制質(zhì)量、效率和穩定性。
其二,繞線(xiàn)機機械結構改進(jìn)設計。重新設計工作臺基座、鐵芯裝夾平臺機構部件、繞組輪轂壓緊調整機構,主傳動(dòng)機構部件、自動(dòng)排線(xiàn)機構部件、繞線(xiàn)張力控制及導線(xiàn)機構等部件。選用標準型伺服張力器以方便穩定調節導線(xiàn)張力,實(shí)現穩定的導引牽線(xiàn)排線(xiàn)功能,改進(jìn)型繞線(xiàn)機總體結構如圖3所示,傳動(dòng)系統簡(jiǎn)圖如圖4所示。2繞線(xiàn)機電氣控制系統繞線(xiàn)機電氣控制系統可分為電氣控制盒部件和操作面板部件兩部分,電氣控制盒內部安裝有直流電源、伺服驅動(dòng)器、PLC控制器及接線(xiàn)端子排等;操作面板配置有起、停操作按鈕、指示燈和參數設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,根據編制的PLC應用控制程序,完成對兩臺步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)器的指令控制,協(xié)調繞組線(xiàn)圈主傳動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機與自動(dòng)排線(xiàn)電動(dòng)機的運轉。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(xiàn)程序啟、停運行,并將繞線(xiàn)機運行狀態(tài)信息輸出到相應指示燈和觸摸屏界面顯示,提供給操作者查看可監控設備的運行。觸摸屏與PLC控制器通過(guò)串行通信接口相連,通過(guò)在觸摸屏上設置不同工藝參數,調用不同的繞線(xiàn)工藝程序可實(shí)現對不同規格的電磁線(xiàn)圈繞制。繞線(xiàn)機總體電氣連接如圖5所示。
2.1繞線(xiàn)機運轉PLC控制程序設計
根據繞組線(xiàn)圈的繞制工藝要求,設計繞線(xiàn)機PLC控制程序。首先,設計點(diǎn)動(dòng)運行檢測程序,測試繞線(xiàn)機主傳動(dòng)機構運轉,排線(xiàn)絲桿左右移動(dòng)等。在面板上設計“主輪旋轉”,“排線(xiàn)左移”,“排線(xiàn)右移”按鈕,測試繞機空載時(shí)運行狀態(tài)是否正常,并調試各級不同的繞線(xiàn)速度,控制主傳動(dòng)機構和從動(dòng)排線(xiàn)機構空運轉和復位。點(diǎn)動(dòng)檢測程序檢查正常之后,設計PLC自動(dòng)繞線(xiàn)程序,控制繞線(xiàn)的完整工藝過(guò)程。根據待繞線(xiàn)頭初始位置,確定排線(xiàn)絲桿移動(dòng)方向;調用參數計算子程序,根據線(xiàn)圈各級所設置的工藝參數、計算出主輪電動(dòng)機、絲桿電動(dòng)機運行頻率與脈沖數,存儲于內部數據組表格,用以控制對應當前層、段的導線(xiàn)繞制,并在觸摸屏上顯示當前繞制位置與繞制導線(xiàn)匝數。
在程序控制運轉過(guò)程中,若出現繞制斷線(xiàn)、疊線(xiàn)等意外情況,設備可急停,待人工處理好異常之后,按“復位”控鍵,PLC程序可控制自動(dòng)排線(xiàn)機構退回到當次繞線(xiàn)的起始位置,并復位當次繞制的匝數計數器,選擇“排線(xiàn)左移”或“排線(xiàn)右移”按鈕,則重新開(kāi)始當前層線(xiàn)圈繞制并繼續運行。根據高電壓互感器絕緣工藝要求,線(xiàn)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(jìn)行下一段線(xiàn)圈的繞制。因此,PLC控制程序中設計了包膜運轉子程序,控制電磁繞組骨架慢速旋轉2~3圈完成絕緣材料覆蓋包膜過(guò)程。此繞線(xiàn)機PLC控制程序采用模塊化設計,通過(guò)主程序調用子程序方式實(shí)現,各子程序分別完成不同功能。此繞線(xiàn)機PLC應用程序控制的總體運行流程為:PLC主機開(kāi)機,觸摸屏組態(tài)通信完成繞線(xiàn)工藝參數設置,程序初始化脈沖繼電器M8002接通,調用數據輸入子程序P0,調用繞線(xiàn)參數計算子程序P1,包膜參數計算子程序P2,根據檔位開(kāi)關(guān)狀態(tài)調用點(diǎn)動(dòng)檢測子程序P3,自動(dòng)運行子程序P4等。子程序中設置了進(jìn)程標識,狀態(tài)位置判斷標識,對其段、層、級計算標識進(jìn)行判斷,控制繞制狀態(tài)流程。程序采集高速計數器端口計數值,記錄已繞制匝數與總匝數機型比較判斷,確定是否進(jìn)入下一層程序,直至整個(gè)繞制過(guò)程控制的結束。繞組一層分多段,一段包含多匝線(xiàn)圈,其中一層自動(dòng)繞線(xiàn)控制程序流程如圖6所示。PLC應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D20、D30、D22、D32由參數計算子程序中根據輸入的線(xiàn)圈繞組的規格參數計算得出,從而實(shí)現對主從兩個(gè)步進(jìn)伺服電動(dòng)機的協(xié)調驅動(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(xiàn)機觸摸屏人機界面設計
觸摸屏是操作者對繞線(xiàn)機進(jìn)行操作和程序選擇的重要人機界面。觸摸屏可實(shí)現繞線(xiàn)機運行狀態(tài)的顯示,還可實(shí)現對繞線(xiàn)機的各種操作,如改變運行模式,修改運行工藝參數等功能。對此繞線(xiàn)機進(jìn)行觸摸屏界面設計如下:界面上設計提供七個(gè)標簽,分別對應七種規格線(xiàn)圈繞制程序,每種線(xiàn)圈需要設置七個(gè)工藝參數。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,將觸摸屏所設參數傳到PLC控制程序之中,并且還設計了觸控按鈕用于繞線(xiàn)機操作控制,如圖8所示。3結語(yǔ)此改進(jìn)設計的新型繞線(xiàn)機,通過(guò)校企合作方式進(jìn)行機械零部件的設計和電氣控制系統的PLC應用程序開(kāi)發(fā)調試,現已完成樣機研制并調試運行。通過(guò)在客戶(hù)現場(chǎng)使用實(shí)踐證明,采用此種新型繞線(xiàn)機進(jìn)行高壓互感器大型線(xiàn)圈繞制,繞線(xiàn)效率、質(zhì)量均有提高。此外,選用觸摸屏提供了友好的用戶(hù)界面,實(shí)現了可編程自動(dòng)化高精度繞線(xiàn)工藝,使得工藝參數修改、設置方便,實(shí)現了通過(guò)程序自動(dòng)控制繞制多種型號線(xiàn)圈的功能。該繞線(xiàn)機具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、運行可靠等優(yōu)點(diǎn)。