干式電容式套管卷芯機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計

Dry type condenser bushing volume core

for control system design of electric machines

鄧鶴鳴（西北機(jī)器有限公司,710119）

      摘要：本文介紹了干式電容式套管卷繞電控系統(tǒng)中S型切刀控制及放卷張力自動閉環(huán)控制。

0、 引言

      在電力行業(yè)高壓輸電變壓器用的電容式套管制造中，使用浸紙電容式套管的制作分為油浸紙電容式套管（通稱為濕式套管）、環(huán)氧樹脂浸紙電容式套管（通稱為干式套管）兩種類型。其中，環(huán)氧樹脂浸紙電容式套管的主絕緣為環(huán)氧樹脂在真空狀態(tài)下浸漬以高電氣性能絕緣紙纏繞的電容芯子并經(jīng)固化而成。該套管具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、無油、免維護(hù)、防暴、任意角度安裝等特點(diǎn)，其環(huán)氧樹脂浸紙絕緣，真空干燥電容芯子確保了產(chǎn)品運(yùn)行中無局部放電現(xiàn)象，套管內(nèi)不含有絕緣油或壓縮氣體，最大限度的避免了起火、爆炸的危險，從而得到用戶的高度關(guān)注及廣泛應(yīng)用。

      當(dāng)前，對環(huán)氧樹脂浸紙電容式套管的制造中，采用的方法通常是把皺紋紙裁成條狀（皺紋成橫向）收于紙芯中成盤狀，使條狀紙?zhí)幱趶埩愣ǖ臓顟B(tài)下，以螺旋狀纏繞在電容芯子軸上，并按工藝要求鋪屏、打孔及往復(fù)纏繞條狀紙而成。其采用的繞制設(shè)備也相對簡易，繞制過程操作繁瑣，勞動強(qiáng)度大，效率低，繞制的套管質(zhì)量不易保證。

1、系統(tǒng)原理

      皺紋紙料卷分別裝入放卷軸1、軸2、軸3，軸1和軸2置于下端，軸3在上端，各料卷按位置分位放置。三張皺紋紙料卷軸分別從放卷部分被動放出，分別進(jìn)入對應(yīng)的張力檢測部分，經(jīng)過張力檢測后，三張皺紋紙進(jìn)入切重疊料部分時匯集于同一棍，再經(jīng)過兩把“S”型切刀實(shí)現(xiàn)紙料重疊部的切割，在進(jìn)入卷繞部分前對軸1、軸2皺紋紙由邊料切刀對紙卷邊料進(jìn)行切割，簡單穿過卷繞部分后通過熱輥到達(dá)卷繞芯軸上。系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

2、電控系統(tǒng)及配置

      由圖1可知，該系統(tǒng)主要的控制對象為放卷的張力控制，S型切割控制（步進(jìn)電機(jī)），卷繞控制及卷繞的升降控制（交流伺服電機(jī)）。為此本系統(tǒng)采用PLC作為主控單元，觸摸屏作為人機(jī)界面，用于設(shè)定和顯示各種參數(shù)。系統(tǒng)要求PLC具有多路高速脈沖輸出口、高速計數(shù)口以及I/O點(diǎn)的數(shù)量，通過綜合比較，PLC選用了日本三菱公司的FX3U-48MT/ES-A。

      圖2為PLC電路圖，圖中A8為PLC、A9為觸摸屏；A10為旋轉(zhuǎn)編碼器用于卷繞速度的采樣；Y0、Y4分別用于控制S型切刀1步進(jìn)電機(jī)的頻率和方向，Y1、Y5分別輸出頻率和方向用于控制S型切刀2的步進(jìn)電機(jī)，Y2、Y6分別控制升降伺服電機(jī)的頻率和方向。

      圖3為控制部分電路圖，圖中M3、M4為S型切割電機(jī)，選用成都步進(jìn)公司的DM5676E步進(jìn)電機(jī)；M5、M6為升降電機(jī)，選用日本安川的SGMGH13AAA4S的交流伺服電機(jī)，由于伺服電機(jī)需要電壓為3ΦA(chǔ)C200V，因此必須進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)化，由3ΦA(chǔ)C380V轉(zhuǎn)化為3ΦA(chǔ)C200V，采用了三相變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在該系統(tǒng)中M3、M4、M5、M6的控制，均通過PLC控制各自的驅(qū)動器A4、A5、A6、A7進(jìn)行運(yùn)行。

      放卷機(jī)構(gòu)通過氣動制動器被動放卷，放卷張力值通過張力控制器直接設(shè)定，其張力大小通過安裝在張力部分張力檢測輥兩端的張力傳感器自動檢測，并將檢測信號上傳張力控制器，通過電空轉(zhuǎn)換器來控制氣動制動器，達(dá)到張力的閉環(huán)控制，確保放卷機(jī)構(gòu)紙帶張力不變，其張力大小通過張力控制器來顯示.

      放卷張力控制示意圖如圖4所示。

      圖5為張力控制電路圖，圖中A1、A2、A3為蒙特福（MONTALVO）張力控制器張力控制器，分別控制三張皺紋紙，用于設(shè)定和顯示其張力大小；QS1～QS6為張力傳感器，用于放卷張力的自動檢測，為了保證檢測信號的準(zhǔn)確性，成對使用；IP1～I(xiàn)P3為電/氣轉(zhuǎn)換器，其將張力控制器輸出的電信號轉(zhuǎn)化為氣壓信號，用于控制氣動制動器的制動力大小。

3、軟件系統(tǒng)

⑴ S型切割控制單元的軟件控制

      由于三卷皺紋紙卷的拼接，在接縫處，必然出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，采用S型切割方法，一方面可使接縫處平整不疊加不離縫，同時也為了使三張皺紋紙卷繞后，拼接處互壓成為一體，使紙卷在軸向有連接力，互不脫離。切割刀在皺紋紙向前運(yùn)動時，帶動切割刀轉(zhuǎn)動，切割刀在氣動的作用下，刀刃下壓疊加的雙層皺紋紙與導(dǎo)向支撐輥靠緊，使切割刀切開邊紙，同時，絲杠轉(zhuǎn)動帶動切割刀體沿導(dǎo)向輥支撐軸向往復(fù)移動（與皺紋紙的運(yùn)動方向垂直），從而達(dá)到S型的切割軌跡。

      切割電機(jī)運(yùn)行頻率f的計算公式為：

f=nsm/tt1

      式中：n為卷繞速度；s為S型切割的振幅設(shè)定值；m為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)；t為絲杠導(dǎo)程；t1為S型切割的周期設(shè)定值。由上式可知，m、t的值在設(shè)備中是定值，s、t1的值通過觸摸屏設(shè)定好，f的值隨n的變化而變化，這樣使得S型的切割軌跡在整個切割過程中不因速度的變化而產(chǎn)生影響。切割電機(jī)部分PLC梯形圖如圖6所示。在指令上采用了不帶加減速的脈沖輸出指令DPLSY,該指令最大的優(yōu)點(diǎn)是在指令執(zhí)行過程中可更改運(yùn)行頻率。該指令的格式是[DPLSY S1 S2 D],其中S1為實(shí)際工作頻率，S2為需要輸出脈沖數(shù)，D為脈沖輸出口地址號。其中D204為S型切割的振幅設(shè)定單元，D210為S型切割的周期設(shè)定單元，D82為卷繞采樣速度（圈/秒），D512為切割電機(jī)運(yùn)行頻率，M14為切割電機(jī)啟動標(biāo)志，M210、M211為切割電機(jī)運(yùn)動方向標(biāo)志。

⑵升降交流伺服的軟件控制

      為了保證在繞制過程中收卷軸始終和兩托輥相切，系統(tǒng)由伺服電機(jī)經(jīng)減速機(jī)通過絲杠驅(qū)動收卷芯軸上下移動，通過收卷機(jī)構(gòu)一端的旋轉(zhuǎn)編碼器采樣，并經(jīng)軟件計算使收卷軸隨巻徑的變化同步自動上移，同時其上下限位及零位檢測通過接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)。升降電機(jī)運(yùn)行頻率f的計算公式為：

f=nhmi/t

      式中：n為卷繞速度；h為紙張厚度設(shè)定單元；m為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)；i為減速機(jī)的減速比；t為絲杠導(dǎo)程。由上式可知，i、m、t的值在設(shè)備中是定值，h的值通過觸摸屏設(shè)定好，f的值隨n的變化而變化。這樣升降距離在整個升降過程中不因速度的變化而產(chǎn)生影響。升降部分PLC梯形圖如圖7所示。其中C251為高速計數(shù)單元，D200為紙張厚度設(shè)定單元，D82為卷繞采樣速度（圈/秒），D86為升降電機(jī)運(yùn)行頻率。

4、結(jié)束語

      該系統(tǒng)采用PLC控制，充分發(fā)揮了三菱FX3U系統(tǒng)三路高速輸出和多路高速計數(shù)的性能，使設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，運(yùn)行可靠性高；同時采用蒙特福（MONTALVO）張力控制器對放卷張力進(jìn)行閉環(huán)控制,大大提高了卷繞質(zhì)量，受到用戶好評。

參考文獻(xiàn)：

⑴ 美國蒙特福（MONTALVO）張力控制器及張力傳感器使用手冊

⑵ 日本安川交流伺服使用手冊

⑶ 日本三菱FX3U編程手冊

作者簡介：鄧鶴鳴，男，電氣工程師，主要從事電子專用設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計。

地 址：陜西省西安市高新區(qū)新型工業(yè)園創(chuàng)匯路25號

單位名稱：西北機(jī)器有限公司西安電子設(shè)備研究院

聯(lián) 系 人：鄧鶴鳴

聯(lián)系電話：13659290131 13571729919

郵 編：710119

郵 箱：heming.deng@163.com