CN114864269A - 一种变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法，包括控制中心、张紧系统、辅助张紧系统、监控系统、检测系统和直流电阻检测系统；控制中心包括操作界面、模型计算模块、数据分析与存储模块，操作界面设置新增输入区、安全系数输入区、操作输入区；数据分析与存储模块存储转速和拉力参数的历史记录和计算模型大数据，速度传感器实时检测绕线机转速，投影测距实时检测线规外形尺寸，模型计算模块计算、对比分析实时转速检测值与设定值、实时张力检测值与设定值，将分析数据与存储数据历史记录比对，输出张力和转速的最佳值，能够根据绕组线圈的参数要求和导线原材料规格，实时监测、动态控制线圈绕制过程中的牵引张紧力和绕线机转速。

Description

一种变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力输变电行业的变压器制造技术领域，具体涉及一种变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法。

背景技术

变压器是输变电行业电力传输设备中的重要组件，变压器的工作效率和工作状态直接决定了电力传输线路的稳定性能；而变压器绕组线圈又是变压器的核心部件，变压器绕组线圈在绕制过程中，作为原材料的导线受到绕线机和张紧装置等相关组件的多重牵引力作用后，易被拉伸而发生塑性延展变形，其长度增加的同时，截面直径相应变小；绕组导线的截面直径变小后直接影响到变压器的载流面积，并影响变压器的功率损耗计算结果，最终影响电力系统运行工作参数和设备制造成本，对油浸变压器造成的尤其明显。

变压器在检验冲击合闸时会产生瞬时冲击电流，即励磁涌流；变压器在运行过程中也会经受雷电冲击和操作过电压冲击；励磁涌流可达额定电流的6～8 倍，励磁涌流会产生很大的电动力，相应对变压器的机械强度造成很大影响，而绕组线圈是变压器内机械强度最薄弱的组件，因而绕组线圈在变压器检验冲击合闸时受到励磁涌流的影响最大，椭圆形线圈受到的影响较重，特别是矩形线圈的四角部位尤其严重，线圈绕制后若存在较大张紧力，在变压器检验冲击合闸受到励磁涌流、和运行过程中经受雷电冲击和操作过电压冲击时极易拉断，因此绕组线圈的张紧力决定了变压器的安全稳定性和使用寿命。

变压器种类繁多，根据冷却方式、防潮方式、铁芯线圈结构、电源相数、用途等不同形式分类，每种形式又分别包含有多种类型；每种类型的变压器绕组线圈各不相同，不同绕组线圈使用的导线各不相同，线圈绕制前使用的原材料线材规格、张紧力要求各不相同，线圈绕制后的成品线材规格张紧力要求也各不相同；现有技术中用于生产变压器绕组线圈的绕线机，在线圈绕制过程中通常只设置机械张紧装置，其目的只是单纯为了线圈绕线排线提供张紧力，不能根据导线的材料类型、线材规格、截面形状、延展性能、安全系数和变压器的种类准确计算张紧力，同时在线圈绕制过程中实时监测、精准控制牵引张紧力。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法，能够根据绕组线圈的参数要求和导线原材料规格，实时监测、动态控制线圈绕制过程中的牵引张紧力和生产设备工作参数。

本发明所采用的技术方案为：

一种变压器绕组张紧力智能控制系统，包括有绕线机和安装架，安装架设置于绕线机一侧外部；所述安装架上设置有控制中心、张紧系统、检测系统、辅助张紧系统、监控系统和直流电阻检测系统；

所述控制中心包括操作界面、模型计算模块、数据分析与存储模块；所述操作界面用于输入导线的材料属性和线规参数；所述模型计算模块用于计算实时应力值、实时张力值和实时应变值；所述数据分析与存储模块用于存储检测系统实时检测的绕线机在绕制绕组线圈过程中的动态数据，并对动态数据进行筛选分析，识别出最佳张力值和最佳转速值，为控制中心设置调整张力值和调整转速值提供参考依据；

所述张紧系统用于根据控制中心输出的最佳张力值张紧导线；

所述检测系统用于实时检测导线的几何尺寸变化值，和绕线机的实时转速，并将实时检测值反馈至控制中心；

所述辅助张紧系统用于在绕线机启停过程中辅助张紧导线；

所述监控系统用于监测绕线机实时运行参数，并在实时运行参数超过预设模型时发出报警信号；

所述直流电阻检测系统用于检测绕组的直流电阻和三相绕组直流电阻的不平衡率，并将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递至控制中心。

所述安装架包括有底座，底座上设置有一根与底座互相垂直的承重柱；所述控制中心固定在承重柱的一侧上部；所述张紧系统设置于承重柱上位于控制中心下方的位置上；

所述张紧系统包括有线盘承重轴和电磁张紧器，所述电磁张紧器设置于承重柱上对应于控制中心同侧下方的位置，所述线盘承重轴设置于承重柱的另外一侧，所述线盘承重轴用于安置导线盘；所述线盘承重轴与电磁张紧器的同轴设置，所述电磁张紧器连接至控制中心，控制中心能够控制电磁张紧器对线盘承重轴输出调整张力值。

所述操作界面设置有多个输入区域，多个输入区域中至少包括新增输入区、安全系数输入区和操作输入区；

所述新增输入区用于显示产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和常用力学参数并能够根据生产需求输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和常用力学参数；其中线规参数包括导线形状和几何尺寸；

所述安全系数输入区用于显示实时张力值、实时转速值、张力安全系数值和转速安全系数值，并能够调整张力安全系数值和转速安全系数值；

所述操作输入区包括选择、修改和删除功能单元；所述选择功能单元用于选择操作输入区显示的产品名称、规格型号和线规参数；所述修改功能单元用于编辑导线形状、几何尺寸；所述删除功能单元用于将产品名称、规格型号、常用力学参数和线规参数等数据从系统删除。

所述模型计算模块用于根据应力和应变的动静态力学模型计算出张力系统的最大张力值和绕线机的最大转速值，及线规的应变值、应力值；

其中最大张力值计算模型如下：

F＝σA₀，当导线为圆形时：A₀＝πR²、当导线为圆角扁线：

A₀＝a×b-0.858r²，

其中F为最大张力、σ为屈服强度、A₀为导线原始截面积、半径R、窄边尺寸a、宽边尺寸b、圆边半径r；

绕线机最大转速值计算模型如下：

v＝(σ/ρ)^1/2，

其中v为最大转速值、σ为屈服强度、ρ为材料密度；

导线任意时刻的应变值计算模型如下：

其中ε_t为任意时刻的应变值；A_t为任意时刻的截面积，当导线为圆形时，任意时刻的截面积：A_t＝πR_t ²；当导线为圆角扁线时，任意时刻的截面积：

A_t＝a_t×b_t-0.858r²，

导线任意时刻的应力计算模型如下：σ_t＝Eε_t，

导线任意时刻的张力值计算模型如下：F_t＝σ_tA_t。

所述直流电阻检测系统包括有直流电阻测试仪和直流电阻不平衡率计算模型，所述直流电阻测试仪设置于绕线机上，并能够通过直流电阻测试仪对绕组直流电阻进行实时检测，将实时检测值代入直流电阻不平衡率计算模型；所述直流电阻检测系统将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递给控制中心的数据分析与存储模块；

其中直流电阻不平衡率计算模型为：u＝3*(Ω₁-Ω₂)/(Ω₁+Ω₂+Ω₃)，Ω₁为实测最大值、Ω₂为实测最小值。

所述数据分析与存储模块的数据分析模型为线不平衡率u≤2％、相不平衡率u≤4％、σ_t＜σ、ε_t＜弹性极限、v_t＜v，当上述不等式同时成立时，则判断对应的张力值满足产品质量要求；当上述不等式任意一个不成立时，则判断对应的张力值不符合产品质量要求；

数据分析与存储模块根据数据分析模型根据历史数据识别出线不平衡率无限趋近于2％和相不平衡率无限趋近于4％时，则判断对应的平均转速值和平均张力值即为最佳转速值和最佳张力值，将最佳应力值和最佳张力值存储在数据分析与存储模块中，并在安全系数输入区进行最佳张力值、最佳转速值的显示，作为调整安全系数值的参考依据。

所述检测系统包括有投影测距模块和速度传感器；所述速度传感器设置于绕线机上；所述承重柱上位于线盘承重轴同侧上方的位置设置有固定架，投影测距模块通过连接支架固定设置于固定架下方，固定架沿水平方向横向延伸，使得投影测距模块位于绕线机与承重柱之间；投影测距模块上贯穿设置有第一通线孔，导线盘释放的导线穿过第一通线孔后输送至绕线机；

所述投影测距模块用于实时检测线规的几何尺寸变化，并将检测数值返馈至模型计算模块以计算实时应力值、实时张力值、实时应变值，当实时张力值超过调整张力值时在安全系数输入区的实时张力值显示为红色，同时监控系统的报警器启动报警；

所述速度传感器用于检测绕线机的实时转速，当实时转速超过调整转速值时在安全系数输入区的实时转速值显示为红色，同时监控系统的报警器启动报警。

所述监控系统包括有数据对比模型和报警器；

所述数据对比模型包括应力对比模型、张力对比模型、应变对比模型、速度对比模型；其中应力对比模型为实时应力值小于等于屈服强度，张力对比模型为实时张力值小于等于调整张力值，应变对比模型为实时应变值小于等于弹性极限，速度对比模型为实时转速值小于等于调整转速值；当监控系统监测到实时应力、实时应变、实时张力、实时转速违反数据对比模型时，则报警器启动报警，同时安全系数输入区的实时张力值和实时转速值显示为红色；其中实时应力、实时应变违反其数据对比模型时，安全系数输入区的实时张力值显示为红色；

所述报警器包括张力警示灯和速度警示灯，张力警示灯和速度警示灯分别设置于安全系数输入区上对应于实时张力值和实时转速值的位置上。

所述辅助张紧系统包括有弹性元件、第二通线孔和控制开关，所述弹性元件通过连接支架连接于固定架端部下方，所述第二通线孔贯穿设置于弹性元件上，导线依次穿过第一通线孔和第二通线孔后输送至绕线机；

所述弹性元件用于在绕线机启停时辅助张紧或者放松导线；

所述控制开关设置于控制中心，所述控制开关用于控制所述弹性元件的启停。

本发明还涉及一种根据上述变压器绕组张紧力智能控制系统的控制方法，包括有以下步骤：

第一步，通过操作界面向控制中心输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称、常用力学参数和线规参数；

第二步，模型计算模块根据第一步输入的数据，输出最大张力值和最大转速值；

第三步，用户根据第二步的计算结果结合工作经验，或者根据数据分析与存储模块的数据分析模型输出的最佳张力值，调整张力安全系数，设定调整张力值为张紧系统的最大上限张力值；

第四步，用户根据第二步的计算结果结合工作经验调，或者根据数据分析与存储模块的数据分析模型输出的最佳转速值，调整转速安全系数，设定调整转速值为绕线机的最大上限转速值；

第五步，速度传感器实时检测绕线机的转速；

第六步，投影测距实时检测线规外形尺寸，将检测的外形尺寸反馈给模型计算模块；

第七步，监控系统分别对比转速检测值与设定值、张力检测值与设定值；

第八步，检测值超出设定值时，监控系统报警并记录数据；

第九步，通过直流电阻检测系统，对绕组进行直流电阻检测和直流电阻不平衡率分析，将数据反馈给数据分析与存储模块；

第十步，通过数据分析模型将超差值与最佳值保存在存储模块，为下一次使用提供参考依据；

第十一步，辅助张紧系统在绕线机停止旋转时，启动运行，通过弹性作用力将导线张紧；在绕线机旋转时，辅助张紧系统停止运行，不对导线施加张紧力。

本发明的有益效果为：

一种变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法，包括有控制中心、张紧系统、辅助张紧系统、监控系统、检测系统和直流电阻检测系统；控制中心包括有操作界面、模型计算模块、数据分析与存储模块，操作界面设置有多个输入区域，多个输入区域中至少包括新增输入区、安全系数输入区、操作输入区；数据分析与存储模块存储转速和张力参数的历史记录和计算模型大数据，速度传感器实时检测绕线机的转速，投影测距实时检测线规外形尺寸，模型计算模块和数据分析模型分别用于计算、对比分析实时转速检测值与设定值、实时张力检测值与设定值，并将分析数据与存储数据历史记录比对，输出张力和转速的最佳值。

采用大数据分析和设置-调整动态闭环监控的管理思想，首次使用系统时，向控制中心输入绕组材质、线规格和张力安全系数，控制中心根据设置的参数向张紧系统设定合适的张紧力，同时向绕组生产设备设定最大转速。

在绕线机绕制绕组线圈的生产过程中，采用投影测距技术实时监控原材料的外形尺寸变化，若张紧系统的张力或绕线机的转速过大，导致原材料线规小于设定值时，系统会自动报警，同时记录线规、张力、转速的数值。

控制中心具备数据存储和分析能力，操作者再次输入同材质、同线规或同截面积的参数时，控制中心根据历史数据自动设置张紧系统的张力和生产设备的转速。

本发明的变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法能够根据绕组线圈的参数要求和导线原材料规格，实时监测、动态控制线圈绕制过程中的牵引张紧力和生产设备工作参数；不仅能够为线圈绕线排线提供张紧力，还能根据导线的材料类型、线材规格、截面形状、延展性能、安全系数和变压器的种类准确计算张紧力，同时在线圈绕制过程中实时监测、精准控制牵引张紧力；确保绕组线圈具有足够定型张紧力的同时，又不会超出正常张紧力，绕组导线的截面稳定性好，变压器的绕组线圈稳定可靠，提高了变压器的安全稳定性和使用寿命，电力系统运行工作参数不会受到影响，节约了设备制造成本。

1.根据变压器绕组的导线材质和导线规格，通过控制中心给张紧系统和绕线机设置最佳的张力值和转速值，解决实际生产中不关注绕线张力和转速对绕组质量的影响，有效避免因绕线张力和转速过大对绕组产生的隐性损失。

2.通过大数据分析和闭环动态管理，规避了因导线性能波动或材料参数设置偏差影响力学模型计算的绕线张力和转速值的准确性，有效解决了误差对张力和转速设置的影响。

3.本发明采用张力辅助系统在绕线机停止时，通过弹性元件对导线施加临时张力，使导线不会因临时停机而松弛，有效避免了因绕线机启停导致导线因承受较大冲击力而损伤的潜在风险。

附图说明

图1是本发明实施例一的变压器绕组张紧力智能控制系统控制原理示意图；

图2～3是本发明实施例一的变压器绕组张紧力智能控制系统结构示意图；

图4是本发明实施例一的变压器绕组张紧力智能控制系统的投影测距模块结构示意图；

图5是本发明实施例一的变压器绕组张紧力智能控制系统的控制中心操作界面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～5所示，本发明提供一种变压器绕组张紧力智能控制系统，整体策划方案为：首先，采用常规的绕制变压器绕组线圈的绕线机26，作为本发明绕制变压器绕组线圈的生产设备；在绕线机26的外部设置一个安装架，在安装架与绕线机26之间预留一定的工艺安全距离，具体根据各绕线机生产制造厂家的产品特征进行适应性选择即可；安装架在横向上的位置是对应于放线架至绕线头之间的位置。

在安装架上设置控制中心11、张紧系统、检测系统、辅助张紧系统、监控系统和直流电阻检测系统，各组成部分具体结构与功能如下：

所述控制中心11包括操作界面、模型计算模块、数据分析与存储模块；所述操作界面用于输入导线的材料属性和线规参数；所述模型计算模块用于计算实时应力值、实时张力值和实时应变值；所述数据分析与存储模块用于存储检测系统实时检测的绕线机在绕制绕组线圈过程中的动态数据，并对动态数据进行筛选分析，识别出最佳张力值和最佳转速值，为控制中心设置调整张力值和调整转速值提供参考依据；

所述张紧系统用于根据控制中心输出的最佳张力值张紧导线；

所述检测系统用于实时检测导线的几何尺寸变化值，和绕线机的实时转速，并将实时检测值反馈至控制中心；

所述辅助张紧系统用于在绕线机启停过程中辅助张紧导线；

所述监控系统用于监测绕线机实时运行参数，并在实时运行参数超过预设模型时发出报警信号；

所述直流电阻检测系统用于检测绕组的直流电阻和三相绕组直流电阻的不平衡率，并将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递至控制中心。

具体地，安装架设置一个底座1作为基础支撑结构，在底座1的中部设有一根沿竖直方向向上延伸的承重柱10，控制中心11设置于承重柱10的一侧上部靠近顶端的位置，在承重柱10上与控制中心同侧的位置下方设置一个电磁张紧器13，绕线机绕制绕组线圈的原材料导线盘通过一个线盘承重轴6固定支撑安装，线盘承重轴6固定连接在承重柱10的另外一侧与电磁张紧器13相同高度的位置上，线盘承重轴6与电磁张紧器13同轴设置，线盘承重轴6和电磁张紧器13构成张紧机构，可以控制线盘承重轴6上输出的绕制变压器绕组线圈的原材料导线的张紧力。

在承重柱10上与线盘承重轴6同侧上方的位置连接一个固定架9，在固定架9上通过连接支架2固定安装一个投影测距模块3，在投影测距模块3上贯穿设置一个第一通线孔8，线盘承重轴6上的导线盘释放的输出的绕制变压器绕组线圈的原材料导线从第一通线孔8中穿过后，再通过导线导向输送机构输送至绕线机上的绕组绕制机构，从而可以通过投影测距模块3测量导线线规的几何尺寸变化；并在绕线机上设置一个速度传感器15，速度传感器15安装在绕线机上任意能够测量绕线机的实时转速的位置，投影测距模块3和速度传感器15构成检测系统。

辅助张紧系统也通过固定架9连接在承重柱10上，辅助张紧系统包括弹性元件7，在弹性元件7上贯穿设置一个第二通线孔4和控制开关，图中未示出控制开关和弹性元件的详细结构，具体结构可以直接采用现有技术中的弹性元件和能够控制弹性元件工作状态的控制开关即可；弹性元件7也通过连接支架 2连接于固定架9的端部下方，所述第二通线孔4贯穿设置于弹性元件7上，线盘承重轴6上输出的绕制变压器绕组线圈的原材料导线从第二通线孔4中穿过，通过控制开关可以控制弹性元件压紧导线或者放松导线，从而辅助控制导线的张紧力。

在绕线机上还安装一个直流电阻测试仪16，通过直流电阻测试仪16可以检测绕线机绕制的绕组的直流电阻和三相绕组直流电阻不平衡率，并预设一个直流电阻不平衡率计算模型，通过直流电阻测试仪16和直流电阻不平衡率计算模型构成直流电阻检测系统。

监控系统也设置于控制中心11上。

电磁张紧器13、速度传感器15、直流电阻测试仪16和投影测距模块3均通过连接线连接至控制中心11，其中投影测距模块3通过第一连接线5连接至控制中心11，电磁张紧器13通过第二连接线12连接至控制中心11，速度传感器15通过第三连接线14连接至控制中心11，辅助张紧系统的控制开关也通过有线或者无线连接至控制中心；由控制中心控制各模块和单元的联动运行。

进一步地：

控制中心11由操作界面、模型计算模块、数据分析与存储模块构成；

操作界面设置于控制中心11的面板上，可以按区分别设置小型触摸屏，也可以采用整体触摸屏等。

在操作界面上设置新增输入区17、安全系数输入区18和操作输入区19共三个输入区域，新增输入区17、安全系数输入区18和操作输入区19三个输入区域并排设置于操作界面上方的位置上，通过三个输入区域进行数据存储和参数设定等相应功能操作；其中操作输入区包括选择、修改、删除功能。

具体地，新增输入区17用于显示产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和常用力学参数并能够根据生产需求输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和常用力学参数；其中线规参数包括导线形状和几何尺寸。

安全系数输入区18用于显示实时张力值、实时转速值、张力安全系数值和转速安全系数值，并能够调整张力安全系数值和转速安全系数值；

最佳张力值和最佳转速值是作为调整张力值和调整转速值、监控系统的一个主要依据；实时张力值和实时转速值是检测系统检测的实时数值，不能超过最佳张力值和最佳转速值，是监控系统作为报警的依据；另外调整应力值＝张力安全系数值*最大张力值、调整转速值＝转速安全系数值*最大转速值，以最佳张力值和最佳转速值为参考标准，通过张力安全系数值和转速安全系数值，使调整张力值＝最佳张力值、调整转速值＝最佳转速值。

两个系数设定值均在0～1之间。

安全系数输入区还包含最大张力值、最大转速值、调整张力值、调整转速值、最佳张力值、最佳转速值、实时张力值、实时转速值的显示区、张力警示灯和速度警示灯。根据模型计算模块输出最大张力值和最大转速值，当调整两个安全系统时，调整张力值和调整转速值变化。根据投影测距模块监控的线规几何尺寸值，通过模型计算模块的任意时刻应变计算模型、任意时刻应力计算模型、任意时刻张力计算模型，即可计算出任意时刻张力值，在实时张力值区域显示。根据速度传感器即可监控任意时刻的转速值，在实时转速值区域显示。

新增输入区17根据生产需要用于输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称、常用力学参数(包括弹性模量E、材料密度ρ、弹性极限、屈服强度等)、线规参数，其中线规参数包括导线形状(圆形、圆角扁线)、几何尺寸(半径R、窄边尺寸a、宽边尺寸b、圆边半径r)。当输入产品的上述参数后，以产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和线规参数显示在操作输入区。

操作输入区19以列表形式显示新增输入区的产品名称、规格型号和线规参数，选择功能用于选择操作输入区显示的产品名称、规格型号和线规参数。选中后，点击修改即可编辑导线形状、几何尺寸，编辑完成后点击保存即保存修改内容、点击取消即不保存修改内容；点击删除即将产品名称、规格型号、常用力学参数和线规参数等数据从系统删除，系统提示“是否删除”，点击确认即永久删除选中内容，点击取消即不删除选中内容。

模型计算模块用于根据应力和应变的动静态力学模型计算出张力系统的最大张力值和绕线机的最大转速值，及线规的应变值、应力值。

其中最大张力值计算模型如下：

F＝σA₀，当导线为圆形时：A₀＝πR²、当导线为圆角扁线： A₀＝a×b-0.858r²

其中F为最大张力、σ为屈服强度、A₀为导线原始截面积、半径R、窄边尺寸a、宽边尺寸b、圆边半径r。

绕线机最大转速值计算模型如下：

v＝(σ/ρ)^1/2

其中v为最大转速值、σ为屈服强度、ρ为材料密度。

导线任意时刻的应变值计算模型如下：

其中ε_t为任意时刻的应变值；A_t为任意时刻的截面积，当导线为圆形时，任意时刻的截面积：A_t＝πR_t ²；当导线为圆角扁线时，任意时刻的截面积： A_t＝a_t×b_t-0.858r²。

导线任意时刻的应力计算模型如下：σ_t＝Eε_t。

导线任意时刻的张力值计算模型如下：F_t＝σ_tA_t

直流电阻检测系统用于检测绕组直流电阻和三相绕组直流电阻不平衡率，并将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递给数据分析与存储模块，包括直流电阻检测仪和直流电阻不平衡率计算模型。直流电阻测试仪16设置于绕线机 26上，并能够通过直流电阻测试仪16对绕组的直流电阻进行实时检测，将实时检测值代入直流电阻不平衡率计算模型；所述直流电阻检测系统将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递给控制中心的数据分析与存储模块；

通过直流电阻检测仪对绕组直流电阻进行实测，并将实测值代入直流电阻不平衡率计算模型。

其中直流电阻不平衡率计算模型为：u＝3*(Ω₁-Ω₂)/(Ω₁+Ω₂+Ω₃)，Ω₁为实测最大值、Ω₂为实测最小值。

数据分析与存储模块用于存储实时监测数据和比对筛选历史数据，根据数据分析模型为控制中心设置最佳张力值和最佳转速值提供依据。

其中数据分析模型为线不平衡率u≤2％、相不平衡率u≤4％、σ_t＜σ、ε_t＜弹性极限、v_t＜v，当上述不等式同时成立时，对应的张力值满足产品质量要求。当上述不等式任意一个不成立时，对应的张力值不符合产品质量要求。

数据分析与存储模块根据数据分析模型根据历史数据识别出线不平衡率无限趋近于2％和相不平衡率无限趋近于4％时，对应的平均转速值和平均张力值即为最佳转速值和最佳张力值，存储在数据分析与存储模块中，并在安全系数操作区的最佳张力值、最佳转速值显示，供安全系数调整参考。根据历史数据识别出数据分析模型不成立时的应力值和转速值，存储在数据分析与存储模块中，一方面作为安全系数操作区调整最大张力值和最大转速值的最大限定值；一方面作为监控系统数据对比模型的的限定值，当实时张力值和实时转速值超过该数值时，监控系统的报警器启动报警，同时安全系数输入区的实时张力值和实时转速值显示为红色。

进一步地，张紧系统由线盘承重轴、电磁张紧器组成，控制中心根据输入的导线材料、线规参数，根据最大张力计算模型输出最大张力值，结合安全系数输入区的张力安全系数调整值计算出调整张力值用于控制电磁张紧器，按该数值输出张力。

进一步地，监控系统由数据对比模型和报警器组成。数据对比模型包括应力对比模型、张力对比模型、应变对比模型、速度对比模型。其中应力对比模型为实时应力值小于等于屈服强度，张力对比模型为实时张力值小于等于调整张力值，应变对比模型为实时应变值小于等于弹性极限，速度对比模型为实时转速值小于等于调整转速值。当监控系统监测到应力、应变、张力、转速违反数据对比模型时，报警器将启动报警，同时安全系数输入区的实时张力值和实时转速值显示为红色。其中应力、应变违反其数据对比模型时，安全系数输入区的实时张力值显示为红色。报警器包括张力警示灯22和速度警示灯21，位于安全系数输入区的实时张力值和实时转速值附近。

报警器的张力警示灯22和速度警示灯21设置于操作界面上位于新增输入区17、安全系数输入区18和操作输入区1共三个输入区域下方的位置上，同时还并排设置一个开关按钮20，开关按钮20用于控制本发明变压器绕组张紧力智能控制系统的启停，也可以联动控制绕线机的启停。

进一步地，辅助张紧系统由弹性元件、通线孔和控制开关组成。当检测系统的速度传感器检测到绕线机速度为零时，辅助张紧系统启动控制开关，通过弹性元件对导线施加一定的张紧力，以确保导线不因绕线机启停瞬间张力过大对导线造成损伤。

控制开关与绕线机启停开关连接，当绕线机旋转时，控制开关控制辅助张紧系统不工作，当绕线机停止时，控制开关控制辅助张紧系统工作。

再进一步地，检测系统由投影测距模块3和速度传感器15组成，其中投影测距模块3用于实时检测线规的几何尺寸变化，并将检测数值返回模型计算模块以计算实时应力值、实时张力值、实时应变值，当实时张力值超过调整张力值时在安全系数输入区的实时张力值显示为红色，同时监控系统的报警器启动报警；速度传感器15用于实时检测绕线机的转速，当实时转速超过调整转速值时在安全系数输入区的实时转速值显示为红色，同时监控系统的报警器启动报警。

最后，线盘承重轴固定在承重柱侧面上，两者在同一平面内且相互垂直，线盘承重轴的轴线与绕线机主轴的轴线互相平行；投影测距模块与线盘承重轴位于承重柱同一侧面，位于线盘承重轴的前上方，与线盘承重轴保持一定的距离，通过水平横杆构成第二固定架固定连接在承重柱上，在投影测距模块3的中部设置一个能够供绕组导线穿过的第一通线孔8，且第一通线孔8与绕线机主轴方向的互相垂直。

具体地，因为绕线机26通常采用圆形或者矩形两种截面形状的导线绕制变压器绕组线圈，因此在第一通线孔8上设置一对第一光栅位移传感器23和一对第二光栅位移传感器24共两对光栅位移传感器，每对光栅位移传感器沿着第一通线孔8的直径方向互相对应对应设置，两对光栅位移传感器分别设置于第一通线孔8的两条互相垂直的直径方向上，并且两对光栅位移传感器沿着第一通线孔8的轴向互相错开设置；两对光栅位移传感器设置的位置确保工作时不干涉，两对光栅位移传感器用于测量绕线机的速度引起的导线外形尺寸的变化情况。

投影测距模块3通过两对光栅位移传感器实现检测导线线规的几何尺寸变化。

本发明还涉及一种根据上述变压器绕组张紧力智能控制系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：

第一步，通过操作界面向控制中心输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称、常用力学参数和线规参数；

第二步，模型计算模块根据第一步输入的数据，输出最大张力值和最大转速值；

第三步，用户根据第二步的计算结果结合工作经验，或者根据数据分析与存储模块的数据分析模型输出的最佳张力值，调整张力安全系数，设定调整张力值为张紧系统的最大上限张力值；

第四步，用户根据第二步的计算结果结合工作经验调，或者根据数据分析与存储模块的数据分析模型输出的最佳转速值，调整转速安全系数，设定调整转速值为绕线机的最大上限转速值；

第五步，速度传感器实时检测绕线机的转速；

第六步，投影测距实时检测线规外形尺寸，将检测的外形尺寸反馈给模型计算模块；

第七步，监控系统分别对比转速检测值与设定值、张力检测值与设定值；

第八步，检测值超出设定值时，监控系统报警并记录数据；

第九步，通过直流电阻检测系统，对绕组进行直流电阻检测和直流电阻不平衡率分析，将数据反馈给数据分析与存储模块；

第十步，通过数据分析模型将超差值与最佳值保存在存储模块，为下次使用提供参考；

第十一步，辅助张紧系统在绕线机停止旋转时，将导线张紧，绕线机旋转时，不对导线施加张紧力。

本发明提供的变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法，通过数据分析与存储模块存储转速和张力参数的历史记录和计算模型大数据，速度传感器实时检测绕线机的转速，投影测距实时检测线规外形尺寸，模型计算模块和数据分析模型分别用于计算、对比分析实时转速检测值与设定值、实时张力检测值与设定值，并将分析数据与存储数据历史记录比对，输出张力和转速的最佳值。

采用大数据分析和设置-调整动态闭环监控的管理思想，首次使用系统时，向控制中心输入绕组材质、线规格和张力安全系数，控制中心根据设置的参数向张紧系统设定合适的张紧力，同时向绕组生产设备设定最大转速。

在绕线机绕制绕组线圈的生产过程中，采用投影测距技术实时监控原材料的外形尺寸变化，若张紧系统的张力或绕线机的转速过大，导致原材料线规小于设定值时，系统会自动报警，同时记录线规、张力、转速的数值。

控制中心具备数据存储和分析能力，操作者再次输入同材质、同线规或同截面积的参数时，控制中心根据历史数据自动设置张紧系统的张力和生产设备的转速。

本发明的变压器绕组张紧力智能控制系统及其控制方法能够根据绕组线圈的参数要求和导线原材料规格，实时监测、动态控制线圈绕制过程中的牵引张紧力和生产设备工作参数；不仅能够为线圈绕线排线提供张紧力，还能根据导线的材料类型、线材规格、截面形状、延展性能、安全系数和变压器的种类准确计算张紧力，同时在线圈绕制过程中实时监测、精准控制牵引张紧力；确保绕组线圈具有足够定型张紧力的同时，又不会超出正常张紧力，绕组导线的截面稳定性好，变压器的绕组线圈稳定可靠，提高了变压器的安全稳定性和使用寿命，电力系统运行工作参数不会受到影响，节约了设备制造成本。

1.根据变压器绕组的导线材质和导线规格，通过控制中心给张紧系统和绕线机设置最佳的张力值和转速值，解决实际生产中不关注绕线张力和转速对绕组质量的影响，有效避免因绕线张力和转速过大对绕组产生的隐性损失。

2.通过大数据分析和闭环动态管理，规避了因导线性能波动或材料参数设置偏差影响力学模型计算的绕线张力和转速值的准确性，有效解决了误差对张力和转速设置的影响。

3.本发明采用张力辅助系统在绕线机停止时，通过弹性元件对导线施加临时张力，使导线不会因临时停机而松弛，有效避免了因绕线机启停导致导线因承受较大冲击力而损伤的潜在风险。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：包括有绕线机(26)和安装架，安装架设置于绕线机(26)的一侧外部；所述安装架(26)上设置有控制中心(11)、张紧系统、检测系统、辅助张紧系统、监控系统和直流电阻检测系统；

所述控制中心(11)包括操作界面、模型计算模块、数据分析与存储模块；所述操作界面用于输入导线的材料属性和线规参数；所述模型计算模块用于计算实时应力值、实时张力值和实时应变值；所述数据分析与存储模块用于存储检测系统实时检测的绕线机在绕制绕组线圈过程中的动态数据，并对动态数据进行筛选分析，识别出最佳张力值和最佳转速值，为控制中心设置调整张力值和调整转速值提供参考依据；

所述张紧系统用于根据控制中心输出的最佳张力值张紧导线；

所述检测系统用于实时检测导线的几何尺寸变化值，和绕线机的实时转速，并将实时检测值反馈至控制中心；

所述辅助张紧系统用于在绕线机启停过程中辅助张紧导线；

所述监控系统用于监测绕线机实时运行参数，并在实时运行参数超过预设模型时发出报警信号；

所述直流电阻检测系统用于检测绕组的直流电阻和三相绕组直流电阻的不平衡率，并将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递至控制中心。

2.根据权利要求1所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述安装架包括有底座(1)，底座(1)上设置有一根与底座(1)互相垂直的承重柱(10)；所述控制中心(11)固定在承重柱(10)的一侧上部；所述张紧系统设置于承重柱(10)上位于控制中心(11)下方的位置上；

所述张紧系统包括有线盘承重轴(6)和电磁张紧器(13)，所述电磁张紧器(13)设置于承重柱(10)上对应于控制中心(11)同侧下方的位置，所述线盘承重轴(6)设置于承重柱(10)的另外一侧，所述线盘承重轴(6)用于安置导线盘；所述线盘承重轴(6)与电磁张紧器(13)同轴设置，所述电磁张紧器(13)连接至控制中心(11)，控制中心(11)能够控制电磁张紧器(13)对线盘承重轴(6)输出调整张力值。

3.根据权利要求2所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述操作界面设置有多个输入区域，多个输入区域中至少包括新增输入区(17)、安全系数输入区(18)和操作输入区(19)；

所述新增输入区(17)用于显示产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和常用力学参数并能够根据生产需求输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称和常用力学参数；其中线规参数包括导线形状和几何尺寸；

所述安全系数输入区(18)用于显示实时张力值、实时转速值、张力安全系数值和转速安全系数值，并能够调整张力安全系数值和转速安全系数值；

所述操作输入区(19)包括选择、修改和删除功能单元；所述选择功能单元用于选择操作输入区显示的产品名称、规格型号和线规参数；所述修改功能单元用于编辑导线形状、几何尺寸；所述删除功能单元用于将产品名称、规格型号、常用力学参数和线规参数等数据从系统删除。

4.根据权利要求3所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述模型计算模块用于根据应力和应变的动静态力学模型计算出张力系统的最大张力值和绕线机的最大转速值，及线规的应变值、应力值；

其中最大张力值计算模型如下：

F＝σA₀，当导线为圆形时：A₀＝πR²、当导线为圆角扁线：

A₀＝a×b-0.858r²，

其中F为最大张力、σ为屈服强度、A₀为导线原始截面积、半径R、窄边尺寸a、宽边尺寸b、圆边半径r；

绕线机最大转速值计算模型如下：

v＝(σ/ρ)^1/2，

其中v为最大转速值、σ为屈服强度、ρ为材料密度；

导线任意时刻的应变值计算模型如下：

其中ε_t为任意时刻的应变值；A_t为任意时刻的截面积，当导线为圆形时，任意时刻的截面积：A_t＝πR_t ²；当导线为圆角扁线时，任意时刻的截面积：

A_t＝a_t×b_t-0.858r²，

导线任意时刻的应力计算模型如下：σ_t＝Eε_t，

导线任意时刻的张力值计算模型如下：F_t＝σ_tA_t。

5.根据权利要求4所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述直流电阻检测系统包括有直流电阻测试仪(16)和直流电阻不平衡率计算模型，所述直流电阻测试仪(16)设置于绕线机(26)上，并能够通过直流电阻测试仪(16)对绕组的直流电阻进行实时检测，将实时检测值代入直流电阻不平衡率计算模型；所述直流电阻检测系统将直流电阻实测值和不平衡率计算值传递给控制中心的数据分析与存储模块；

其中直流电阻不平衡率计算模型为：u＝3*(Ω₁-Ω₂)/(Ω₁+Ω₂+Ω₃)，Ω₁为实测最大值、Ω₂为实测最小值。

6.根据权利要求5所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述数据分析与存储模块的数据分析模型为线不平衡率u≤2％、相不平衡率u≤4％、σ_t＜σ、ε_t＜弹性极限、v_t＜v，当上述不等式同时成立时，则判断对应的张力值满足产品质量要求；当上述不等式任意一个不成立时，则判断对应的张力值不符合产品质量要求；

数据分析与存储模块根据数据分析模型根据历史数据识别出线不平衡率无限趋近于2％和相不平衡率无限趋近于4％时，则判断对应的平均转速值和平均张力值即为最佳转速值和最佳张力值，将最佳应力值和最佳张力值存储在数据分析与存储模块中，并在安全系数输入区进行最佳张力值、最佳转速值的显示，作为调整安全系数值的参考依据。

7.根据权利要求6所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述检测系统包括有投影测距模块(3)和速度传感器(15)；所述速度传感器(15)设置于绕线机(26)上；所述承重柱(10)上位于线盘承重轴(6)同侧上方的位置设置有固定架(9)，投影测距模块(3)通过连接支架(2)固定设置于固定架(9)的下方，固定架(9)沿水平方向横向延伸，使得投影测距模块(3)位于绕线机(26)与承重柱(10)之间的空间内；投影测距模块(3)上贯穿设置有第一通线孔(8)，导线盘释放的导线穿过第一通线孔(8)后输送至绕线机(26)；

所述投影测距模块(3)用于实时检测导线线规的几何尺寸变化，并将检测数值返馈至模型计算模块以计算实时应力值、实时张力值、实时应变值，当实时张力值超过调整张力值时在安全系数输入区的实时张力值显示为红色，同时监控系统的报警器启动报警；

所述速度传感器(15)用于检测绕线机的实时转速，当实时转速超过调整转速值时在安全系数输入区的实时转速值显示为红色，同时监控系统的报警器启动报警。

8.根据权利要求7所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述监控系统包括有数据对比模型和报警器；

所述数据对比模型包括应力对比模型、张力对比模型、应变对比模型、速度对比模型；其中应力对比模型为实时应力值小于等于屈服强度，张力对比模型为实时张力值小于等于调整张力值，应变对比模型为实时应变值小于等于弹性极限，速度对比模型为实时转速值小于等于调整转速值；当监控系统监测到实时应力、实时应变、实时张力、实时转速违反数据对比模型时，则报警器启动报警，同时安全系数输入区的实时张力值和实时转速值显示为红色；其中实时应力、实时应变违反其数据对比模型时，安全系数输入区的实时张力值显示为红色；

所述报警器包括张力警示灯(22)和速度警示灯(21)，张力警示灯(22)和速度警示灯(21)分别设置于安全系数输入区(18)上对应于实时张力值和实时转速值的位置上。

9.根据权利要求8所述的变压器绕组张紧力智能控制系统，其特征在于：所述辅助张紧系统包括有弹性元件(7)、第二通线孔(4)和控制开关，所述弹性元件(7)也通过连接支架(2)连接于固定架(9)的端部下方，所述第二通线孔(4)贯穿设置于弹性元件(7)上，导线依次穿过第一通线孔(8)和第二通线孔(4)后输送至绕线机(26)；

所述弹性元件(7)用于在绕线机(26)启停时辅助张紧或者放松导线；

所述控制开关设置于控制中心，所述控制开关用于控制所述弹性元件(7)的启停。

10.根据权利要求1～9之一所述的变压器绕组张紧力智能控制系统的控制方法，其特征在于：包括有以下步骤：

第一步，通过操作界面向控制中心输入产品编码、产品名称、规格型号、材料名称、常用力学参数和线规参数；

第二步，模型计算模块根据第一步输入的数据，输出最大张力值和最大转速值；

第三步，用户根据第二步的计算结果结合工作经验，或者根据数据分析与存储模块的数据分析模型输出的最佳张力值，调整张力安全系数，设定调整张力值为张紧系统的最大上限张力值；

第四步，用户根据第二步的计算结果结合工作经验调，或者根据数据分析与存储模块的数据分析模型输出的最佳转速值，调整转速安全系数，设定调整转速值为绕线机的最大上限转速值；

第五步，速度传感器实时检测绕线机的转速；

第六步，投影测距实时检测线规外形尺寸，将检测的外形尺寸反馈给模型计算模块；

第七步，监控系统分别对比转速检测值与设定值、张力检测值与设定值；

第八步，检测值超出设定值时，监控系统报警并记录数据；

第九步，通过直流电阻检测系统，对绕组进行直流电阻检测和直流电阻不平衡率分析，将数据反馈给数据分析与存储模块；

第十步，通过数据分析模型将超差值与最佳值保存在存储模块，为下一次使用提供参考依据；

第十一步，辅助张紧系统在绕线机停止旋转时，启动运行，通过弹性作用力将导线张紧；在绕线机旋转时，辅助张紧系统停止运行，不对导线施加张紧力。

Images