CN1988366A - 输配电变压器卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种输配电器卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制方法及系统，其方法包括：S1建立卷绕变压器的非圆卷绕的角速度数学模型。S2提供基于恒线速度控制的恒张力角速度。其系统包括：放卷电机、卷绕铁芯、置于卷绕铁芯上方的上压辊，位于卷绕铁芯两侧端的角度检测器和卷绕电机，联结角度检测器和卷绕电机的电机旋转控制器，该电机旋转控制器接收－恒线速度驱动而获得提供恒速卷绕张力的角速度W去驱动卷绕电机转动。本发明具有控制简单，节能安全等优点。

Description

输配电变压器卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制方法及系统

                           技术领域

本发明涉及一种变压器生产制造方法及系统。

                           背景技术

节能型三相输配电变压器属于新一代的变压器产品，它的圆截面卷铁芯的形状结构与传统的不同，它是对称的三角形结构，这样的结构需要采用专门设计的“非圆周形”卷辊的铁芯硅钢带卷绕系统，由于“非圆周型”卷绕的特点是卷径不断变化，这样就很难控制硅钢带的张力恒定。

传统的控制方法是通过简单的张力反馈闭环来控制硅钢带张力恒定，即，不断检测张力的当前值然后与给定值综合后输入采用某种算法的控制器来达到控制张力恒定的目的，但是“非圆周型”卷绕中卷径不断变化，简单的张力闭环是无法有效控制其恒定的，这一技术难点大大制约了变压器厂家的生产能力，虽然有些厂家不断的改进技术，但是大部分都是在控制器算法上作文章，没有把技术突破口放到分析“非圆周型”卷绕的自身特点上来，因此很难有技术突破。尽管现在已经有厂家把简单的张力控制转化到控制硅钢带的线速度恒定上来，但是，都没有一个有效获取当前反馈速度的方法且具有控制滞后性，因此本发明设计了一种方便有效的通过控制硅钢带线速度恒定来控制钢带张力恒定的方法，解决了这种新型变压器制造中的这一技术难点。

                           发明内容

针对目前存在的技术难点，本发明的方案在分析了“非圆周型”卷绕的自身特点基础上，推导了“非圆周型”卷绕卷径的变化规律数学模型，把此模型作为本发明技术的突破口，从而提出了通过控制卷绕电机的角速度来控制硅钢带卷绕线速度恒定的方案，也就是说，本发明的目的在于提供一种输配电变压器圆截面卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制方法及系统。

根据本发明的一种输配电变压器圆截面卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制方法，包括步骤：S1建立卷绕变压器的角速度数学模型：

其中：ω₁，ω₂，ω₃，ω₄分别为当前阶段的卷绕电机的角速度值。

V＝ωr为线速度，

S2.提供基于恒线速度控制的恒张力角速度。

进一步，对卷绕电机施加恒线速度V₁驱动卷绕电机旋转，经由电机转速控制器转换成

属于同一个技术构思，根据本发明的一种输配电变压器圆截面卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制系统，包括放卷电机，与放卷电机以卷绕线联结的卷绕铁芯，安置于该卷绕铁芯上方的上压棍，该上压棍垂直置放在该卷绕铁芯之上方，且水平位移为零，以上下压紧收缩弹簧与卷绕铁芯联结，位于卷绕铁芯一端的角度检测器，在对称处联结一驱动电机，以及一电机驱动控制器联结该角度检测器和外部输入的恒线速度V₁之驱动而产生的角速度施加于驱动电机上，使卷绕铁芯转动。

进一步，所说对驱动电机施加的角速度  当电机转速控制器处于旋转角度为0＜ωt＜β或者π/2＜ωt＜α为V₁/R；

而处于α+π/2＜ωt＜π或者β＜ωt＜π/2为V₁·sinωt/x

本发明的优点：

本发明所研究的是一个实用控制系统，它大大提高了三角形结构卷铁芯变压器的质量问题，它不仅可以带来良好的经济效益和社会效益，也解决了由于变压器质量问题所造成的生产事故和人身安全。

控制简单，只要检测角度，不需检测线速度、张力。

本发明所研究的控制方法能很好应用在三角形结构变压器生产制造中，为生产厂家提供更安全更合理更有效更节约的生产保障，大大提高了生产厂家的生产积极性，如果以每年均增加1000万KVA的输配电变压器来计算，每年可新增节约能源100万KVA/1000万KVA，每年可新增节约用料1.2亿元/1000万，每年可新增利润2.4亿元/1000万KVA。由于对称三角形结构的圆截面卷铁芯节能型三相输配电变压器的开发推广使用，为变压器生产企业创造了利润，又可以节约能源，为供电部门增加收入，市场的前景是非常乐观，所以本设计方案势必会充当重要的角色。

                           附图说明

图1～图3示出了本发明的变压卷绕过程示意图；

图4为本发明的卷绕系统结构框图；

图5为本发明转速控制流程图；

图6为基于恒线速控制恒张力卷绕系统的计算机实现原理图；

图7为本发明中的角度检测示意图；

图8本发明中的卷绕电机的旋转控制流程示意图。

                           具体实施方式

下面根据图1～图8给出本发明的一个较好的实施例，并予以详细描述，以使本发明技术领域和技术人员能更易于理解本发明的方法特征和功能特色，而不是来限定本发明的范围。

如图1～图4所示，给出本发明方法的数学模型

(1)数学模型的推导

见图1，系统初始化状态如图一所示，上压辊的水平位置固定，垂直位置随着卷辊半径的变化而变化，起到压紧钢片2的作用。图中阴影部分为速度变化区，由于卷辊非圆周型卷绕，所以卷绕速度变化是由卷径的变化引起的，现在对卷经变化作一个分析，然后由此得到控制速度变化的规律。

在图2这个状态，在卷辊转过β角的这一阶段，带材与卷辊的等效接触点是a，所以等效半径：

r₁＝R

可以认为其速度是恒定的。其恒定的速度值为：

V＝ωr₁＝ω·R       (1)

在图3这个状态，卷辊已经转过β角了(丛初始时刻已经过了t₁时间了)，

那么在转过α角的这一阶段带材与卷辊的等效接触点是b，从图3可知此时的等效半径是不断的变化的直到卷辊转过α+β＝π/2角的时候为止，设：矩形卷辊的长轴半径为x，分析出其变化规律：

此时的等效半径的表达式：

r₂＝x/cos(π/2-ωt)  (2)

简化为：

r₂＝x/sinωt         (3)

式(2)中：

ω：卷绕电机的角速度；

t：卷辊从初始时刻开始转过的时间；

x：近似矩形卷辊的长半轴长度。

结合图1、图2阶段的分析，我们可以给出半径的变化规律：

$r=\{\begin{array}{cc}R& 0<{\mathrm{\&omega;}}_{1}t<\mathrm{\&beta;}\\ x/\sin {\mathrm{\&omega;}}_{2}t& \mathrm{\&beta;}<{\mathrm{\&omega;}}_{2}t<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ R& \mathrm{\&pi;}/2<{\mathrm{\&omega;}}_{3}t<\mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}\\ x/\sin {\mathrm{\&omega;}}_{4}t& \mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&omega;}}_{4}t<\mathrm{\&pi;}\end{array}---\left(4\right)$

其中：ω₁，ω₂，ω₃，ω₄分别为当前阶段的卷绕电机的角速度值。

由速度公式：V＝ωr得出，由于r变化，要想保持V恒定，则得出ω的变化规律：

ω＝V/r(5)

结合(4)(5)得出(6)：

$\mathrm{\&omega;}=\{\begin{array}{cc}V/R& 0<{\mathrm{\&omega;}}_{1}t<\mathrm{\&beta;}\\ V\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&omega;}}_{2}t/x& \mathrm{\&beta;}<{\mathrm{\&omega;}}_{2}t<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ V/R& \mathrm{\&pi;}/2<{\mathrm{\&omega;}}_{3}t<\mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}\\ V\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&omega;}}_{4}t/x& \mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&omega;}}_{4}t<\mathrm{\&pi;}\end{array}---\left(6\right)$

(2)张力控制方案

本发明采用的方案是恒线速度控制系统，在卷绕过程中，如果保证硅钢带的线速度V1的恒定，卷绕的张力就可以保持恒定。本设计方案将三角形结构变压器卷铁芯成型卷绕张力控制系统设计为如图4所示的简单开环结构。它是基于前述的线速度数学模型提出来的。

传统的张力闭环控制系统中，张力的值是由硬件装置测量出来的测量值，由于硅钢带的张力值很难测量，又由于“非圆周型”卷绕自身的特点，带材的张力不断的波动，张力值很难测量，而且由于硬件速度的原因，测量值往往存在滞后，经常是张力已经发生了很大的波动后才开始对其进行控制，所以传统的张力控制存在很大的控制误差，一些厂家为了增加控制的精确性不得不额外增加硬件张力测量装置的成本。而本技术方案除了要检测转过的角度以外，无需任何反馈与硬件装置。本发明的技术方案大大提高了控制张力恒定的精度，大大简化了检测装置，大大节约了成本。

图6是基于恒线速控制恒张力卷绕系统的计算机实现原理图，虚线内部是卷绕系统设备位置图，其中上压辊1的轴线必须与“非圆周型”卷辊轴线重合，V₁是给定速度值，它一般由人为给定，也是硅钢带线速度，只要保持V₁恒定，就能控制张力恒定，放卷电机与中轴线的距离一般为1米左右，上压辊上面有弹簧，起到压紧收缩的作用，且其运动方向是垂直的，水平位移为零。通过检测转辊一周内转过角度，来判断某一时刻该用那种公式计算电机的转速，来控制卷绕电机按着一定的规律变化使其与半径的乘积为恒定值。

根据前面已经讨论的数学公式

$\mathrm{\&omega;}=\{\begin{array}{cc}V/R& 0<{\mathrm{\&omega;}}_{1}t<\mathrm{\&beta;}\\ V\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&omega;}}_{2}t/x& \mathrm{\&beta;}<{\mathrm{\&omega;}}_{2}t<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ V/R& \mathrm{\&pi;}/2<{\mathrm{\&omega;}}_{3}t<\mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}\\ V\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&omega;}}_{4}t/x& \mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&omega;}}_{4}t<\mathrm{\&pi;}\end{array}---(4-1)$

可知，要想获得控制电机角速度的值必须知道卷辊当前转过的角度范围，通过这个范围来确定相应的计算公式，这样才能完成角速度的求值。为此本发明设计了检测角度范围的方法，图中D是四个接触开关，当ABCD任何开关接触到接触磁铁的时候，都会保存一个电信号，在这里用逻辑电平表示法，则当有电信号的时候ABCD的相应值为“1”。且某一时刻有唯一的一位是“1”，也就说某一时候有且只有一个接触开关与接触磁铁接触。

以ABCD顺序，按着二进制编码的格式来表示当某一时刻有接触开关与接触磁铁接触。如表1

8	4	2	1
				A	B	C	D

表1  接触开关状态的二进制表示形式

某一时刻当A与接触磁铁接触的时候，则A的状态是高电平，值为“1”，其他的状态为“0”则状态值二机制可以表示为：state＝1000B，十进制值为：state＝8。所以公式(4-1)的四个时间范围可以通过以上方法确定，当0＜ω₁t＜β时，也就等价于state＝8的时候， $\mathrm{\&beta;}<{\mathrm{\&omega;}}_{2}t<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}$ 等价于B刚刚与接触磁铁接触的一刹那向后延伸，可以表示为state＝4，同理可知，π/2＜ω₃t＜π/2+α等价于state＝2，π/2+α＜ω₄t＜π等价于state＝1。

下面给出简单的程序代码：

    int V，R，ω；

    while(1){

    If(state＝8){

       If(state！＝4)ω＝V/R；

       else if(state＝4){

          if(state！＝2)ω＝V*sin(ω2*t)/x；

          else if(state＝2){

             if(state！＝1)ω＝V/R；

             else if(state＝1){

                if(state！＝8)ω＝V*sin(ω4*t)/x；

             }

          }

       }

    }

    else

    printf(“卷辊为到达指定的初始化位置，请人为校正！\n”)；

}

Claims (4)

1、一种输配电变压器圆截面卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制方法，包括步骤：

S1.建立卷绕变压器的角速度数学模型：

卷绕电机的角速度 $\mathrm{\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}V/R& 0<{\mathrm{\&omega;}}_{1}t<\mathrm{\&beta;}\\ V\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&omega;}}_{2}t/x& \mathrm{\&beta;}<{\mathrm{\&omega;}}_{2}t<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ V/R& \mathrm{\&pi;}/2<{\mathrm{\&omega;}}_{3}t<\mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}\\ V\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&omega;}}_{4}t/x& \mathrm{\&pi;}/2+\mathrm{\&alpha;}<{\mathrm{\&omega;}}_{4}t<\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

其中：ω₁，ω₂，ω₃，ω₄分别为当前阶段的卷绕电机的角速值V＝ωr为恒线速度

S2.提供基于恒线速度控制的恒张力角速度。

2、根据权利要求1所述的输配电变压器圆截面铁芯成型非圆周卷绕转速的控制方法，对电机施加恒线速度V₁驱动，经电机转速控制器转换成：

角速度

3、一种输配电变压器圆截面卷铁芯成型非圆卷绕转速的控制系统，包括放卷电机(1)、与其以卷绕线联结的卷绕铁芯(2)，安置于卷绕铁芯(2)上方的上压棍(3)，其以垂直安置，水平位移为零，由上下压安收缩弹簧与卷绕铁芯(2)联结、卷绕铁芯(2)的一端联结角度检测器(4)在对输端处联结一驱动电机(6)以及一电机转速控制器(5)，联结该角度检测器(4)，自外部输入的恒线速度V₁驱动而产生角速度ω施加于驱动电机(6)上。

4、根据权利要求3所述的输配电变压器圆截面卷铁芯成型非圆卷转速的控制系统，其特征在于，所述的对驱动电机(6)施加角速度ω：当电机转速控制器(5)处于旋转角度0＜ωt＜β或者π/2＜ωt＜α为V₁/R；

而处于α+π/2＜ωt＜π或者β＜ωt＜π/2为V₁·sinωt/x

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