换位导线生产线电气控制系统
电机驱动/电子齿轮/相位控制/PROFIBUS
1 引言
换位导线主要用于制造大型油浸式电力变压器、电抗器和大容量干式变压器的绕组。

采用换位导线生产的变压器具有离散场损失少、容量大、体积小、热稳定性好、耐压等级高等显著特点,近年来随着国家电网的升级改造,大功率、高耐压等级、大容量变压器得到普及和推广,换位导线也成为变压器制造行业的首选材料。

2 换位导线生产线的设备组成
换位导线生产线主要由5个功能部件组成:绞笼式放线架、换位头、多台绕包机、0-90°双工位牵引机、龙门式收线架。

2.1 地轴式换位导线生产线
传统的换位导线生产线采用机械地轴式传动方式,牵引装置与绕包机、换位头、绞笼式放线架的传动由同一电机通过减速器、变速箱、地轴、角箱等组成并驱动,参见图1。

传统换位导线生产线由于结构上的限制,使用时存在一些弊端,
⑴采用地轴和齿轮箱传动方式,由于齿间隙等问题,易产生运动冲击,造成齿轮磨损和损坏,同时生产现场噪音大。

⑵绕包节距、换位频率等工艺参数由牵引、绕包机、换位头等通过机械变档来实现的,因受机械档位的限制,一些工艺上要求的绕包节距和换位频率无法实现,导致生产线在使用过程中存在工艺参数和规格方面的限制。

同时,如果更换不同的导线棵数,操作人员在调试生产工艺时需要更改每台设备的机械档位来调试,操作时既费时费力。

⑶同步传动精度不理想,维修保养难度高。

2.2 分电机驱动换位导线生产线
为克服传统换位导线生产线结构和使用方面的弊端,2005年我们研制了分电机驱动80头换位导线生产线及其全套电气控制系统。

该生产线由80头联合推扭绞笼式放线架(10盘×8头/盘)、换位头、4台绕包机(4个绕包头/台)、双工位牵引机、地轨龙门式收线架等设备组成。

生产线各功能部件均采用独立电机驱动,通过大模数同步带连接绕包机、换位头等机械部件,摒弃了多级变速箱和整条生产线的机械传动地轴,参见图2。

分电机传动系统克服了地轴传动系统在结构、工艺功能和传动精度方面的不足,同时也简化了操作难度,操作人员通过人机界面设定需要的生产线速度、绕包节距、换位节距等工艺参数后即可开始生产,在生产过程中也可根据需要微调生产线的运行状态,参见图4。

3 控制系统构成和实现
换位导线生产线主要工艺参数,绕包节距、换位节距等的数学表达式为,
(1)
式(1)为绕包节距表达式。

式(1)中,n m为绕包头的旋转速度,k为所需的绕包节距,v line为线速度。

(2)
式(2)为换位节距表达式。

式(2)中,n p为换位击打频次,因换位击打头由换位电机和凸轮组成,凸轮旋转一圈击打一次,n p 也即换位头转速,B为所需的换位节距,V line为线速度,b为导体宽度,4~17为国家标准,要求换位节距B在(4b,17b)范围内。

(3)
式(3)为绞笼转速表达式。

式(3)中,n f为绞笼转速,n p为换位头转速,n为需加工的导体根数
分析上述数学表达式可知,线速度是生产线同步运行的基础,整条生产线通过线速度同步控制其他功能部件的运转速度。

机械地轴的功能是将主驱动电机产生的线速度传送至生产线的各功能部件,这样生产线可获得一致的基准速度,各功能部件再根据工艺参数要求通过变速箱的变档得到各自需要的实际运行速度。

本项目设计的分电机驱动换位导线生产线同样以线速度为生产线的基准速度。

系统由上位机、S7-315-
2DP Plc、伺服型变频器、配备2000线增量型编码器的变频电机等组成。

分电机驱动系统通过采用数字主轴、电子齿轮和相位控制技术将生产线各功能部件有序协调起来,实现了基于PROFIBUS通讯总线[3]的分电机控制系统。