空间三角对称R型电力变压器铁心卷绕成形的控制方法

摘要

空间三角对称R型电力变压器铁芯成型的控制方法属于电力变压器卷绕成型技术领域，其特征在于：它把控制运动分为带材进给速度控制，它通过变频器控制任意一层的转速来保证带材的平均进给速度保持恒定；成型运动，它用步进马达带动滑动工作台去控制每一层带材的中心线由目前的位置移动到成型带材叠加中心线的位置上；纠偏运动，它用位置检测装置实时地检测带材中心线偏离成型带材叠加中心线的偏移量的大小和方向，再用上述步进马达带动滑动工作台对带材中心线的位置进行纠偏，它通过协调以上三类运动来保证成型零件的几何形状和精度。它可精确地实现空间三角对称R型电力变压器铁心的卷绕成型，也可卷绕对称的日型电力变压器，截面可以是圆形、阶梯形、折线形等。

说明书

技术领域

空间三角对称R型电机变压器铁心卷绕成形的控制方法属于电力变压器铁心卷绕成形技术领域。

背景技术

目前大多数的变压器铁心卷绕设备都是把导向对中、背紧及其他功能单元全部固定在工作台上，而工作台又固定在床身上，应用于卷绕传统的平面对称日型电力变压器和电子变压器尚可，却难于卷绕空间三角对称斜半圆截面R型电力变压器铁心，而空间三角对称R型电力变压器比其他各种电力变压器更具竞争力和推广价值。据检索所知，目前解决本问题普遍使用手动控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间三角对称R型电力变压器铁心卷绕成形的控制方法。

本发明所要解决的技术问题是如何实现非中心对称铁心横截面和实体的形状和精度，即如何控制实现卷绕过程中卷绕带材的运动控制从而保证卷绕叠加位置：例如一种空间三角对称斜半圆截面电力变压器的截面是一条倾斜角为30度直线和一条半圆曲线，半圆的两个端点和直线的两个端点重合组成一个半圆截面(如附图1)。

为实现上述目的，控制方法所采用的技术方案是：卷绕过程中导向对中单元、背紧单元和检测单元都固定在滑动工作台上，带材相对于工作台左右位置是固定的，随滑动工作台的移动而移动。将成形过程分为进给运动、成形运动和纠偏运动，并通过协调控制三种运动来保证几何形状和精度。卷绕过程带材的运动分析如附图5所示。

进给运动：带材在模具的回转运动牵引下在前一个成形表面上沿自身中心线的前移运动。

成形运动：成形运动定义为在卷绕成形工艺中为了形成零件的形状结构特征而使带材的中心线由目前的位置移动到成形带材叠加中心线的位置的运动。

纠偏运动：是指带材的中心线偏离理想位置时而使带材动态地保持在成形中心线的运动。

本发明的特征在于：它用变频器控制模具回转转速使带材卷绕一周的平均进给速度v保持恒定，它是通过下列公式去控制任意第n层转速N_n来实现的，N_n＝v/[2π(r₀+nk_t)]，其中，r₀为初始回转半径的平均值，n为当前卷绕成形的层数，k_t为带材的当量厚度，即考虑由于带材不平、卷绕不紧等因素对原带材进行修正后的厚度；它用步进马达去带动一个固定着换向、导向对中、背紧各装置和对于成形带材叠加中心线的偏移量测量传感器的滑动工作台去控制带材的中心线由目前的位置移动到成形带材叠加中心线的位置的运动即成形运动，它是通过下列公式去控制任意第n周的偏移运动输出控制脉冲数P来实现的，P＝[K_ttg(α)+(W_n-W_n-1)/2]/d，其条件是当前卷绕成形的圈数即层数n大于开始成形偏移运动的圈数n₀，其中，K_t为上述当量厚度，α为铁心截面斜线的角度，W_n为当前层的宽度，W_n-1为前一层的宽度，d为脉冲当量；它在任意一次的卷绕过程中用位置检测装置实时地去检测带材中心线偏离成形带材叠加中心线的偏移量的大小和方向，再用上述步进马达带动上述滑动工作台对带材中心线的位置进行纠正即进行纠偏运动，它是通过下列公式去控制纠偏运动输出脉冲数P₁来实现的，P₁＝(X₁-X₀)/d，其中，d为上述脉冲当量，X₁为当前带材中心线的偏移量，X₀为前次测量的带材中心的位置。所述的纠偏运动输出脉冲数P1是用下述方法得到的：一对位移传感器对称地固定在滑动工作台上，随滑动工作台移动，同时保证导向对中和上述偏移测量传感器的中心线在一条直线上并与卷绕轴线垂直，在卷绕过程中不停地测量并计算带材相对于导向机构的偏移量，再计算每一周的平均偏移量，把该偏移量与成形运动偏移量代数相加并把结果转化为脉冲数而得到的，在下一周刚开始卷绕时通过上述步进电机带动上述滑动工作台的移动以实现纠偏运动。

本发明可以精确地实现空间三角对称R型电力变压铁心的卷绕成形，也可以卷绕对称的日型电力变压器铁心，截面形状可以是圆形、阶梯形、折线形和R改进形。

附图说明

图1：空间三角对称R型电力变压铁心结构

图2：平面对称日型电力变压器铁心结构

图3：卷绕设备结构示意图

图4：控制原理图

图5：带材卷绕过程运动分析

图6：控制程序流程图

图7：滑动工作台装置机械结构图

具体实施方式

附图1中，1a是截面形状图，1b是局部截面形状图，1c是其立体图，所示的空间三角对称半圆形截面铁心变压器较附图2所示的结构优点如下：该变压器的呈三角布置的铁心由三个完全相同的单相铁心拼装而成，铁心柱横截面近似为圆形，并呈等边三角形布置，结构完全对称，提高了变压器的性能；三根带材一样，避免了日型结构内外环的两次加工，简化了加工过程，提高了材料的利用率；本装置具有体积小，重量轻，损耗低，材料省及三相电流平衡的优点。图2中，22是内圈芯带，23是外圈芯带。

滑动工作台装置(如图3)主要由以下几个功能单元组成：换向机构1、初导向机构2、背紧装置3、精导向机构4、位移传感器装置5、换向机构6换向机构、滑板12和动力传动装置等。换向机构1、初导向机构2、背紧装置3、精导向机构4、位移传感器装置5、换向机构6换向机构都固定在滑板12上，随滑板一起移动。步进电机8固定在床身11上，步进电机的回转通过联轴器传递给滚珠丝杠，丝杠螺母与滑板12固定连接，带动滑板在滚动直线导轨7上前后运动，从而带动带材移动到预定的叠加位置。初导向机构2、精导向机构4和一对偏移量测量传感器5的中心线一致并与后面卷绕成形零件的回转轴线垂直。

带材经过换向轮1后由初导向对中装置2首先进行带材中心的初定位；背紧装置3提供成形过程中的张紧力保证铁心的紧密度和带材的当量厚度，背紧装置上滚轮在气缸的作用下可以上下移动，当需要带材穿过时，上滚轮抬起让带材穿过，当带材的一段在模具上固定后上滚轮落下压紧带材；精导向装置4对带材在模具上成形之前进行精对中，精导向对中机构是一对齿轮弹簧机构，连杆随着带材宽度的变化而转动，在扭簧的作用下始终紧贴带材的曲线边，并且两个齿轮连杆扭簧机构是完全相同的，它们的动作一致而且同步；在经过精导向对中机构4之后再通过换向轮6进行换向，以便提供卷绕所需的张紧力，而且张紧力的竖直分力可提供一个压力，压紧成形模具上的带材材料；换向之后在主轴模具18的转动和压紧轮19的碾压作用下实现卷绕成形。工作台上的所有功能单元同滑板一起可以滑动。模具回转轴18上有光电计数器通过控制系统实现卷绕圈数的计算，根据圈数的不同控制系统控制滑板12在导轨7上的移动实现成形运动即成形零件21的截面30度直线和圆弧段的成形。滑板上的偏移位移传感器5随着带材宽度的变化而变化，保证传感器的触头始终紧贴带材的曲线边，从而根据两侧传感器监测数据的变化差异来检测带材中心的偏移量，该偏移量也转化为纠偏运动的脉冲输出由滑板执行。

该控制系统有主控单元、输入单元和输出单元三部分组成，是一个闭环控制系统。控制系统原理图如附图4所示。输入单元包括卷绕圈数的计数输入和位移传感器的检测量输入；主控单元通过人机接口实现卷绕种类及各种参数的设置并显示输出实时参数(已加工圈数、位置偏移量、卷绕转速以及报警信息等等)，控制系统实现进给运动、成形运动和纠偏运动。输出单元包括变频器和执行机构。

卷绕过程中光电计数器记录卷绕圈数，传感器不断检测带材的中心位置偏差，输入单元将这些信息传送给控制系统，控制系统根据圈数计算带材的叠加位置，将位置信息转化为成形运动；将位置偏差信息处理后转化为纠偏运动脉冲量输出，通过滑板的平移实现，保证带材中心位置的准确。

控制系统实现带材的进给运动(Y运动)、成形运动(X运动)和纠偏运动(C运动)。

1)进给运动控制(模具回转转速的控制)

带材的进给运动实际是由卷绕轴的转动带动带材在背紧力的作用下以一种张紧状态的运动。进给速度由卷绕轴的转速和卷绕模具的回转半径决定的，即v＝rw。随着卷绕层的增加卷绕半径呈递增变化，为了卷绕成形零件的均匀一致尽量保持带材进给速度的恒定，假设模具为圆形，则卷轴转速为： $>>>N>n>>=>>v>>2>\pi >>(>>r>0>>+>>nK>t>>)>>>>>s>$

N_n第N层转速，r₀初始回转半径的平均值(因为模具不是圆形)，v带材卷绕一圈的平均进给速度，K_t带材的当量厚度，n当前卷绕成形层数。

回转轴的转速由变频器控制，由于带材的厚度较小，本控制系统近似每5圈调速一次，由控制系统根据记录的转数，计数到5的倍数则控制系统的AD模块输出与转速相应的模拟信号给变频器进行一次调速，保证铁心在成形过程中进给速度的一致性。

2)成形运动控制(工作台运动脉冲数计算)

成形运动控制是该控制系统的关键，由于卷绕成形是一个三维实体展开后再恢复的过程，卷绕的过程就是零件特征的成形过程，成形时刻带材的长度和宽度及其中心线的位置将直接决定卷绕成形零件的形状精度。控制系统根据带材的位置(长度、宽度和中心线的位置)控制带材的成形偏移运动，由于铁心每一层的宽度是一样的，而且带材的长度位置及其对应的宽度和中心位置都随着层数(计数圈数)的变化而变化，而且这些参数的理论数据由且仅由层数(圈数)来确定，所以成形运动量是圈数的函数，根据计数圈数可以确定带材的位置进而实现成形运动的控制。

带材的成形运动量(脉冲数)的计算：

P＝[K_ttg(α)+(W_n-W_n-1)/2]/d    (n＞n₀)

P：偏移运动输出控制的脉冲数

K_t：带材的当量厚度

n：圈数

n₀：圆弧段圈数(开始成形偏移运动的圈数)

W_n：当前层的宽度

W_n-1：前一层的宽度

d：步进电机传动系统的脉冲当量

n：偏移运动输出控制的脉冲数

3)纠偏运动

位置检测装置检测到带材中心偏离成形中心位置时控制系统根据偏移量的大小和方向对带材进行纠正，纠偏运动由成形运动的实现装置和机构来完成。 $>>>P>1>>=>f>>(>>\Delta X>1>>,>>\Delta X>0>>,>d>)>>=>>>>\Delta X>1>>->>\Delta X>0>>>d>>>s>$

ΔX₁：当前带材中心线的偏移量

ΔX₀：前次测量的带材中心线位置

P₁：纠偏运动输出脉冲数

d：脉冲当量

再见图6：

程序开始后通过人机接口输入并计算所需加工参数，包括变压器规格型号、卷绕最大最小速度，加工总圈数等；卷绕开始后每转一圈计数器加一，计数达到加工总圈数时结束；当卷绕圈数大于开始偏移圈数后，计算偏移脉冲数开始加工后传感器输入处理子程序不停的采样计数，输入处理后进行纠偏计算；偏移脉冲和纠偏脉冲合成后送步进电机；判断当前圈数是否为调速圈数，是则进行调速。

附图7所示滑动工作台装置机械结构图。换向机构1、初导向机构2、背紧装置3、精导向机构4、位移传感器装置5、换向机构6都固定在滑板12上，滑板通过螺钉13与滚珠螺母14连接，滚珠丝杠9则通过滚动轴承与一对丝杠支撑机构10相连，丝杠支撑机构10通过螺栓13固定在床身11上，丝杠9通过联轴器16与步进电机8相连，步进电机固定在电机支撑座15上，电机支撑座15用螺钉固定在床身11上。7a是纵剖视图，7b是侧视图。

由此可见，本发明达到了预期目的。