干式電容式套管卷芯機的電控系統設計

Dry type condenser bushing volume core

for control system design of electric machines

鄧鶴鳴（西北機器有限公司,710119）

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

0、 引言

      在電力行業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）、環氧樹脂浸紙電容式套管（通稱為干式套管）兩種類型。其中，環氧樹脂浸紙電容式套管的主絕緣為環氧樹脂在真空狀態下浸漬以高電氣性能絕緣紙纏繞的電容芯子并經固化而成。該套管具有結構緊湊、體積小、重量輕、無油、免維護、防暴、任意角度安裝等特點，其環氧樹脂浸紙絕緣，真空干燥電容芯子確保了產品運行中無局部放電現象，套管內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注及廣泛應用。

      當前，對環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，使條狀紙處于張力恒定的狀態下，以螺旋狀纏繞在電容芯子軸上，并按工藝要求鋪屏、打孔及往復纏繞條狀紙而成。其采用的繞制設備也相對簡易，繞制過程操作繁瑣，勞動強度大，效率低，繞制的套管質量不易保證。

1、系統原理

      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，分別進入對應的張力檢測部分，經過張力檢測后，三張皺紋紙進入切重疊料部分時匯集于同一棍，再經過兩把“S”型切刀實現紙料重疊部的切割，在進入卷繞部分前對軸1、軸2皺紋紙由邊料切刀對紙卷邊料進行切割，簡單穿過卷繞部分后通過熱輥到達卷繞芯軸上。系統簡圖如圖1所示。

2、電控系統及配置

      由圖1可知，該系統主要的控制對象為放卷的張力控制，S型切割控制（步進電機），卷繞控制及卷繞的升降控制（交流伺服電機）。為此本系統采用PLC作為主控單元，觸摸屏作為人機界面，用于設定和顯示各種參數。系統要求PLC具有多路高速脈沖輸出口、高速計數口以及I/O點的數量，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步進電機的頻率和方向，Y1、Y5分別輸出頻率和方向用于控制S型切刀2的步進電機，Y2、Y6分別控制升降伺服電機的頻率和方向。

      圖3為控制部分電路圖，圖中M3、M4為S型切割電機，選用成都步進公司的DM5676E步進電機；M5、M6為升降電機，選用日本安川的SGMGH13AAA4S的交流伺服電機，由于伺服電機需要電壓為3ΦAC200V，因此必須進行電壓轉化，由3ΦAC380V轉化為3ΦAC200V，采用了三相變壓器進行轉化。在該系統中M3、M4、M5、M6的控制，均通過PLC控制各自的驅動器A4、A5、A6、A7進行運行。

      放卷機構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，通過電空轉換器來控制氣動制動器，達到張力的閉環控制，確保放卷機構紙帶張力不變，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確性，成對使用；IP1～IP3為電/氣轉換器，其將張力控制器輸出的電信號轉化為氣壓信號，用于控制氣動制動器的制動力大小。

3、軟件系統

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，必然出現疊加現象，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動時，帶動切割刀轉動，切割刀在氣動的作用下，刀刃下壓疊加的雙層皺紋紙與導向支撐輥靠緊，使切割刀切開邊紙，同時，絲杠轉動帶動切割刀體沿導向輥支撐軸向往復移動（與皺紋紙的運動方向垂直），從而達到S型的切割軌跡。

      切割電機運行頻率f的計算公式為：

f=nsm/tt1

      式中：n為卷繞速度；s為S型切割的振幅設定值；m為步進電機轉一圈所需脈沖數；t為絲杠導程；t1為S型切割的周期設定值。由上式可知，m、t的值在設備中是定值，s、t1的值通過觸摸屏設定好，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生影響。切割電機部分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,該指令最大的優點是在指令執行過程中可更改運行頻率。該指令的格式是[DPLSY S1 S2 D],其中S1為實際工作頻率，S2為需要輸出脈沖數，D為脈沖輸出口地址號。其中D204為S型切割的振幅設定單元，D210為S型切割的周期設定單元，D82為卷繞采樣速度（圈/秒），D512為切割電機運行頻率，M14為切割電機啟動標志，M210、M211為切割電機運動方向標志。

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，系統由伺服電機經減速機通過絲杠驅動收卷芯軸上下移動，通過收卷機構一端的旋轉編碼器采樣，并經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實現。升降電機運行頻率f的計算公式為：

f=nhmi/t

      式中：n為卷繞速度；h為紙張厚度設定單元；m為伺服電機轉一圈所需脈沖數；i為減速機的減速比；t為絲杠導程。由上式可知，i、m、t的值在設備中是定值，h的值通過觸摸屏設定好，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生影響。升降部分PLC梯形圖如圖7所示。其中C251為高速計數單元，D200為紙張厚度設定單元，D82為卷繞采樣速度（圈/秒），D86為升降電機運行頻率。

4、結束語

      該系統采用PLC控制，充分發揮了三菱FX3U系統三路高速輸出和多路高速計數的性能，使設備整體結構緊湊，操作簡單，運行可靠性高；同時采用蒙特福（MONTALVO）張力控制器對放卷張力進行閉環控制,大大提高了卷繞質量，受到用戶好評。

參考文獻：

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備的電氣系統設計。

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