CN113821961A - 一种变压器导线在线压扁及绕制系统 - Google Patents

一种变压器导线在线压扁及绕制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变压器导线在线压扁及绕制系统，涉及变压器技术领域，包括如下步骤：一、建立圆导线压扁机制：利用DEFORM‑3D有限元分析软件建立铜导线连续牵拉挤压成形刚塑性有限元分析模型，二、建立导线张力控制系统；三、建立硬软件设计方案；本发明的系统整体自动化程度高，控制精确，能够实现圆导线压扁功能和导线的恒张力高精度快速缠绕，实现对不同线径圆导线的有效压扁，对导线张力控制系统进行研究，设计张力控制机构，开发张力控制算法。

Description

一种变压器导线在线压扁及绕制系统
技术领域
本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种变压器导线在线压扁及绕制系统。
背景技术
电力系统是现代工业科技社会的命脉，输配电变压器是电力系统的核心装备。然而，电力变压器的抗短路能力不足已成为变压器运行中发生事故的主要原因，最新国标中规定可通过试验验证和计算、设计和制造同步验证两种方法对变压器承受短路的动稳定能力进行分析和测试，然而受到试验条件和成本限制的原因导致无法对每台变压器都进行短路试验。因此如何在制造阶段提高生产工艺水平确保变压器的抗短路能力变得十分重要。
近年来国内大型变压器制造厂家对提升变压器抗短路能力重要性的认识越来越普遍，进行多方面研究给出多种研究成果并进行了多种形式的突发短路试验及验证，但目前国内的研究成果仅在理论研究及软件验证层面。而在输配电变压器制造方面，大多厂家仅仅通过简单形式的内线圈加入硬纸筒、线圈端部刷胶和提高导线的硬度等方式提高抗短路能力。
在变压器的生产制造过程中线圈的缠绕主要采用非恒定导线张力控制和无压扁功能的半自动绕线机生产，而绝缘层绕制则完全依赖人工作业，工人劳动强度大生产效率低，产品质量及一致性差且成本高，这些短板导致我国生产的输配电变压器核心指标如抗突发短路能力、窗口填充系数普遍低于欧美企业生产的变压器，极大地影响了我国变压器生产质量和高端变压器的国际竞争力。
现有的变压器线圈绕线机生产效率低，排线过程不稳定，需手动进行张力控制的问题。
发明内容
为解决背景技术中的问题；本发明的目的在于提供一种变压器导线在线压扁及绕制系统。
本发明的一种变压器导线在线压扁及绕制系统，包括如下步骤：
一、建立圆导线压扁机制：
利用DEFORM-3D有限元分析软件建立铜导线连续牵拉挤压成形刚塑性有限元分析模型，通过数值模拟分析及实验研究变压器线圈圆导线挤压形变机理及规律，分析圆导线在被动牵拉及双辊冷压作用下的压扁形变机理及其形变影响因素，根据牵拉速度、压辊间隙参数对导线形变、质量、性能影响规律，确定不同导线最优压扁工艺，研制包括压辊快速开合、压辊间隙精密调节等机构的适用于全自动绕线装备的通用型可调压扁机构；
二、建立导线张力控制系统：
设计一种带有缓冲补偿机构的导线张力控制方案，实现绕制过程精确张力恒定，避免线圈由于受力不均造成绝缘损坏的情况，有效增强变压器线圈抗短路能力；
张力控制算法采用双PID控制方式；首先设置主PID控制器对摆杆位置偏差进行调节；同时设置辅助PID控制器；由于所绕制芯模为矩形或者椭圆形，在绕制过程中会出现周期性位置偏差，所以先对绕制过程中由于芯模长短半径交替部分进行滤波再由辅助PID控制器依据滤波结果进行速度因子的微调，最后和主PID控制器输出进行求和，将结果输送给伺服驱动器；
三、建立硬软件设计方案：
选择倍福工业控制系统，它主要包括倍福工业PC、客户端软件、耦合器和扩展模块；倍福工业PC采用CP2216系列，此系列PC集PLC、HMI为一体，内嵌Windows操作系统，功能强大，操作简单；该控制系统应用EtherCAT总线通讯，为确保设备运动过程中位置的精确度，所有轴均采用伺服系统控制；I/O扩展模块采用数字输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、编码器模块；
在设备运行过程中，为确保下位机系统的稳定性与兼容性，采用倍福公司开发的应用软件TwinCAT 2，它由System Manger和PLC Control两部分组成。System Manager主要负责硬件的配置、调试以及软硬件的I/O映射；PLC Control主要用于PLC程序的开发及调试。因倍福工业PC内嵌Windows操作系统，所以选择使用C#来进行上位机开发，它以图形用户界面为开发环境，配合连结数据库的功能，构成一个以面向对象程序设计为中心的应用开发工具。提高编程效率的同时，做出的界面也更简洁、美观。
上位机系统主要包括工艺计算模块和实时监控模块，负责对下位机的实时监控和工艺文件计算；在工艺计算模块中，根据导线的直径、绝缘纸带的宽度以及工艺要求编制线圈生产的工艺文件；在实时监控模块中，查看缠绕匝数、生产流程、故障报警信息；
下位机控制系统主要包括主任务模块、自动排线模块、绕制工艺模块，负责运动控制及控制算法的实现；在主任务模块中，包括通讯、设备初始化等任务块，主要负责上位机、下位机之间的信息传递以及开机上电时设备的初始化；在自动排线模块中，包括主轴位置计算、排线小车位置修正、轨迹规划等任务块，主要负责排线小车行进位置的计算，确保导线缠绕的精确度；在绕制工艺模块中，包括绕制流程、绕制方式等任务块，主要负责线圈绕制的流程及工艺步骤。
作为优选，所述张力控制系统由放卷辊、摩擦辊、制动单元、Dancer Control机构、摆杆、收卷辊、气缸、检测机构、调节机构组成，其中，制动单元为放卷电机，制动单元与放卷辊连接，放卷辊的一侧设置有三个摩擦辊，两个摩擦辊在上侧，两个摩擦辊的下侧中部为第三个摩擦辊，气缸的杆体通过摆杆与第三个摩擦辊连接，调节机构为电气比例阀，通过进气和排气，调节气缸内的气压；检测机构为sick位移传感器，工作过程中将检测到位移的变化反馈到工控机的Dancer Control机构中；Dancer Control机构是倍福工控机中的软件模块，将位移解算为张力显示在人机界面上，并与设定值比较，再向制动单元发送信号调节开卷速度，达到对张力的控制，形成闭环系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一、系统整体自动化程度高，控制精确，能够实现圆导线压扁功能和导线的恒张力高精度快速缠绕。
二、实现对不同线径圆导线的有效压扁，对导线张力控制系统进行研究，设计张力控制机构，开发张力控制算法。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明中Dancer张力控制系统机械结构图；
图2为本发明中张力控制系统方框图；
图3为本发明中软件结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本具体实施方式采用以下技术方案：包括如下步骤：
一、建立圆导线压扁机制：
利用DEFORM-3D有限元分析软件建立铜导线连续牵拉挤压成形刚塑性有限元分析模型，通过数值模拟分析及实验研究变压器线圈圆导线挤压形变机理及规律，分析圆导线在被动牵拉及双辊冷压作用下的压扁形变机理及其形变影响因素，根据牵拉速度、压辊间隙等参数对导线形变、质量、性能等影响规律，确定不同导线最优压扁工艺，研制包括压辊快速开合、压辊间隙精密调节等机构的适用于全自动绕线装备的通用型可调压扁机构；
二、建立导线张力控制系统：
设计一种带有缓冲补偿机构的导线张力控制方案，实现绕制过程精确张力恒定，避免线圈由于受力不均造成绝缘损坏的情况，有效增强变压器线圈抗短路能力。
如图1所示，所述张力控制系统由放卷辊1、摩擦辊2、制动单元3、Dancer Control机构4、摆杆5、收卷辊7、气缸6、检测机构8、调节机构9组成，其中，制动单元3为放卷电机，制动单元与放卷辊1连接，放卷辊1的一侧设置有三个摩擦辊2，两个摩擦辊2在上侧，两个摩擦辊2的下侧中部为第三个摩擦辊2，气缸6的杆体通过摆杆5与第三个摩擦辊2连接，调节机构9为电气比例阀，通过进气和排气，调节气缸内的气压；检测机构8为sick位移传感器，工作过程中将检测到位移的变化反馈到工控机的Dancer Control机构4中；Dancer Control机构4是倍福工控机中的软件模块，将位移解算为张力显示在人机界面上，并与设定值比较，再向制动单元发送信号调节开卷速度，达到对张力的控制，形成闭环系统。
张力控制算法采用双PID控制方式。首先设置主PID控制器对摆杆位置偏差进行调节。但为提高生产效率，主轴电机在启停和折返处会进行快速速度变化，单PID控制器无法进行快速调节，因此设置辅助PID控制器。由于所绕制芯模为矩形或者椭圆形，在绕制过程中会出现周期性位置偏差，所以先对绕制过程中由于芯模长短半径交替部分进行滤波再由辅助PID控制器依据滤波结果进行速度因子的微调，最后和主PID控制器输出进行求和，将结果输送给伺服驱动器。
三、建立硬软件设计方案：
本设计的方案所需I/O点较多，通信数据传输较快，考虑到系统的稳定性及精确性，故选择倍福工业控制系统，它主要包括倍福工业PC、客户端软件、耦合器和扩展模块。倍福工业PC采用CP2216系列，此系列PC集PLC、HMI为一体，内嵌Windows操作系统，功能强大，操作简单。该控制系统应用EtherCAT总线通讯，数据传输快，而且安全、稳定。为确保设备运动过程中位置的精确度，所有轴均采用伺服系统控制。伺服驱动器可使转速计算误差、累积误差大幅降低，跟随主轴转动速度保证了移动的精度。I/O扩展模块采用EL1008/EL2008（数字输入/输出模块）、EL3064/EL4002（模拟量输入/输出模块）、EL5101/EL5021（编码器模块）等。
在设备运行过程中，为确保下位机系统的稳定性与兼容性，采用倍福公司开发的应用软件TwinCAT 2，它由System Manger和PLC Control两部分组成。System Manager主要负责硬件的配置、调试以及软硬件的I/O映射；PLC Control主要用于PLC程序的开发及调试。因倍福工业PC内嵌Windows操作系统，所以选择使用C#来进行上位机开发，它以图形用户界面为开发环境，配合连结数据库的功能，构成一个以面向对象程序设计为中心的应用开发工具。提高编程效率的同时，做出的界面也更简洁、美观。
分析变压器线圈绕制机的功能及不同导线直径、绝缘纸宽度的缠绕工艺，设计控制系统软件模块结构，如图3所示。上位机系统主要包括工艺计算模块和实时监控模块，负责对下位机的实时监控和工艺文件计算。在工艺计算模块中，可以根据导线的直径、绝缘纸带的宽度以及工艺要求编制线圈生产的工艺文件。在实时监控模块中，可以查看缠绕匝数、生产流程、故障报警等信息。
下位机控制系统主要包括主任务模块、自动排线模块、绕制工艺模块，负责运动控制及控制算法的实现。在主任务模块中，包括通讯、设备初始化等任务块，主要负责上位机、下位机之间的信息传递以及开机上电时设备的初始化；在自动排线模块中，包括主轴位置计算、排线小车位置修正、轨迹规划等任务块，主要负责排线小车行进位置的计算，确保导线缠绕的精确度；在绕制工艺模块中，包括绕制流程、绕制方式等任务块，主要负责线圈绕制的流程及工艺步骤。
本具体实施方式的工作原理为：
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种变压器导线在线压扁及绕制系统，其特征在于：包括如下步骤：
一、建立圆导线压扁机制：
利用DEFORM-3D有限元分析软件建立铜导线连续牵拉挤压成形刚塑性有限元分析模型，通过数值模拟分析及实验研究变压器线圈圆导线挤压形变机理及规律，分析圆导线在被动牵拉及双辊冷压作用下的压扁形变机理及其形变影响因素，根据牵拉速度、压辊间隙参数对导线形变、质量、性能影响规律，确定不同导线最优压扁工艺，研制包括压辊快速开合、压辊间隙精密调节机构的适用于全自动绕线装备的通用型可调压扁机构；
二、建立导线张力控制系统：
设计一种带有缓冲补偿机构的导线张力控制方案，实现绕制过程精确张力恒定，避免线圈由于受力不均造成绝缘损坏的情况，有效增强变压器线圈抗短路能力；
张力控制算法采用双PID控制方式；首先设置主PID控制器对摆杆位置偏差进行调节；同时设置辅助PID控制器；由于所绕制芯模为矩形或者椭圆形，在绕制过程中会出现周期性位置偏差，所以先对绕制过程中由于芯模长短半径交替部分进行滤波再由辅助PID控制器依据滤波结果进行速度因子的微调，最后和主PID控制器输出进行求和，将结果输送给伺服驱动器；
三、建立硬软件设计方案：
选择倍福工业控制系统，它主要包括倍福工业PC、客户端软件、耦合器和扩展模块；倍福工业PC采用CP2216系列，此系列PC集PLC、HMI为一体，内嵌Windows操作系统，功能强大，操作简单；该控制系统应用EtherCAT总线通讯，为确保设备运动过程中位置的精确度，所有轴均采用伺服系统控制；I/O扩展模块采用数字输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、编码器模块；
在设备运行过程中，为确保下位机系统的稳定性与兼容性，采用倍福公司开发的应用软件TwinCAT 2，它由System Manger和PLC Control两部分组成；System Manager主要负责硬件的配置、调试以及软硬件的I/O映射；PLC Control主要用于PLC程序的开发及调试；因倍福工业PC内嵌Windows操作系统，所以选择使用C#来进行上位机开发，它以图形用户界面为开发环境，配合连结数据库的功能，构成一个以面向对象程序设计为中心的应用开发工具；提高编程效率的同时，做出的界面也更简洁、美观；
上位机系统主要包括工艺计算模块和实时监控模块，负责对下位机的实时监控和工艺文件计算；在工艺计算模块中，根据导线的直径、绝缘纸带的宽度以及工艺要求编制线圈生产的工艺文件；在实时监控模块中，查看缠绕匝数、生产流程、故障报警信息；
下位机控制系统主要包括主任务模块、自动排线模块、绕制工艺模块，负责运动控制及控制算法的实现；在主任务模块中，包括通讯、设备初始化任务块，主要负责上位机、下位机之间的信息传递以及开机上电时设备的初始化；在自动排线模块中，包括主轴位置计算、排线小车位置修正、轨迹规划任务块，主要负责排线小车行进位置的计算，确保导线缠绕的精确度；在绕制工艺模块中，包括绕制流程、绕制方式任务块，主要负责线圈绕制的流程及工艺步骤。
2.根据权利要求1所述的一种变压器导线在线压扁及绕制系统，其特征在于：所述张力控制系统由放卷辊、摩擦辊、制动单元、Dancer Control机构、摆杆、收卷辊、气缸、检测机构、调节机构组成，其中，制动单元为放卷电机，制动单元与放卷辊连接，放卷辊的一侧设置有三个摩擦辊，两个摩擦辊在上侧，两个摩擦辊的下侧中部为第三个摩擦辊，气缸的杆体通过摆杆与第三个摩擦辊连接，调节机构为电气比例阀，通过进气和排气，调节气缸内的气压；检测机构为sick位移传感器，工作过程中将检测到位移的变化反馈到工控机的DancerControl机构中；Dancer Control机构是倍福工控机中的软件模块，将位移解算为张力显示在人机界面上，并与设定值比较，再向制动单元发送信号调节开卷速度，达到对张力的控制，形成闭环系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114880728A (zh) * 2022-04-29 2022-08-09 哈尔滨理工大学 一种细线径线圈的张力控制系统及方法

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