唐 威,姚 燕,陳澤熹

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018)

基于PLC的繞組線圈真空干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

唐 威,姚 燕,陳澤熹

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018)

目前廠家對(duì)浸漆繞組線圈的干燥主要使用傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)的方法，而且關(guān)于浸漆繞組線圈的干燥工藝研究尚不充分;針對(duì)傳統(tǒng)繞組浸漆線圈干燥時(shí)間長(zhǎng)，干燥所得線圈表面絕緣性能欠佳等問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套自動(dòng)化程度較高的繞組浸漆線圈真空干燥系統(tǒng);該系統(tǒng)主要由真空單元、溫度控制單元、電氣控制單元、人機(jī)交互單元等部分組成;通過(guò)將浸漆線圈放置于真空環(huán)境中，對(duì)浸漆線圈進(jìn)行通電的方式來(lái)加熱干燥，以可編程邏輯控制器為核心，利用PLC的PWM輸出功能控制加熱，同時(shí)提出了浸漆線圈干燥的均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，得出了最佳實(shí)驗(yàn)干燥工藝，最后通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得出了各實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系及顯著性影響;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅縮短了浸漆線圈的干燥時(shí)間，而且使浸漆線圈表面的絕緣性能有了明顯的提高。

繞組線圈；PLC；真空；均勻設(shè)計(jì)

0 引言

從各類大型變壓器、發(fā)電機(jī)組，到儀器儀表、生活小家電，人們的生產(chǎn)生活已離不開線圈的使用。而線圈往往是影響產(chǎn)品使用壽命和安全運(yùn)行的至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。例如：電機(jī)在某些場(chǎng)合的使用過(guò)程中，常因空氣中潮氣和侵蝕性氣體的慢性腐蝕，導(dǎo)致繞組線圈的絕緣程度、機(jī)械強(qiáng)度都不同程度有所下降，從而影響正常的使用，甚至?xí)╇娫斐蓢?yán)重事故[5]。因此研究如何改善線圈浸漆工藝，對(duì)提高線圈絕緣強(qiáng)度有重要意義。線圈浸漆生產(chǎn)過(guò)程包括浸漆、滴漆、干燥等工藝。其中干燥環(huán)節(jié)對(duì)線圈絕緣性能影響最大。目前，傳統(tǒng)的浸漆線圈干燥方法包括有燈泡干燥法、熱風(fēng)循環(huán)干燥法、紅外線燈干燥法等，這些方法干燥出來(lái)的線圈絕緣阻值效果一般，而且干燥時(shí)間需要至少3個(gè)小時(shí)。

因此本文旨在設(shè)計(jì)一套高效的浸漆干燥系統(tǒng)，能使線圈表面絕緣性能有明顯提高。

1 真空干燥機(jī)理及方法

傳統(tǒng)的干燥方法通常只是通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)由外而內(nèi)被動(dòng)傳遞熱量的方式將漆膜中的水分子蒸發(fā)帶走，漆膜表層的水分子雖易吸熱蒸發(fā)，但其深層的水分子不易透過(guò)漆膜蒸發(fā)。因此不僅會(huì)造成干燥時(shí)間的加長(zhǎng)，而且深層水分較易滯留的漆膜內(nèi)，這在降低漆膜絕緣性能的同時(shí)也為日后的正常使用埋下了安全隱患。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)要求

水分在真空環(huán)境下沸點(diǎn)隨著真空度的提高而逐漸降低(如表2)[1]，將物料置于真空環(huán)境下干燥，不但有利用水分子沸點(diǎn)的降低更易蒸發(fā)，而且由于負(fù)壓環(huán)境，水分子能夠通過(guò)壓力差和濃度差獲得足夠的動(dòng)能由內(nèi)而外擴(kuò)散到漆膜表面。同時(shí)若給予線圈通電的方式來(lái)加熱，熱量也是由內(nèi)而外進(jìn)行傳導(dǎo)，這樣水分子能以較主動(dòng)的方式由內(nèi)到外擴(kuò)散，不僅有利于深層水分子的蒸發(fā)，而且也有利于提高干燥效率。

2 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

繞組線圈真空干燥系統(tǒng)包括真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

表2 真空度與水沸點(diǎn)的關(guān)系

圖1 真空干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 真空系統(tǒng)

在真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上主要考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題：1)真空箱體的設(shè)計(jì)，主要有真空箱的殼體設(shè)計(jì)、壁厚設(shè)計(jì)和校核強(qiáng)度的驗(yàn)證等；2)考慮真空泵的選型，能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到需要的真空度[2]。

真空箱體采用方形殼體，單個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)為420*350*370(mm)。真空箱體的壁厚按照矩形面板計(jì)算，壁厚的實(shí)際取值應(yīng)在理論壁厚值的基礎(chǔ)上給予一定附加量，并采用加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算，壁厚取值0.25 cm可確保真空箱體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以達(dá)到強(qiáng)度要求。

根據(jù)真空室的容積和所需要的真空度以及達(dá)到指定真空度要求的時(shí)間來(lái)選擇泵的抽速。在實(shí)際的選型過(guò)程中要將泵理論有效抽速增加20%來(lái)確定泵的抽速[3]。經(jīng)計(jì)算，選用抽速為15 L/h的真空泵，經(jīng)過(guò)1.2分鐘即可達(dá)到要求真空度，能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要是由歐姆龍PLC控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電氣控制系統(tǒng)接收來(lái)自真空傳感器和溫度傳感器的信號(hào)。根據(jù)預(yù)定的程序和工藝流程對(duì)真空閥、真空泵、充氣閥、指示燈進(jìn)行控制。

通過(guò)電氣控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)各部件的有序工作。

2.3 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)溫度控制范圍為40～150 ℃，選擇大于40 ℃為的是盡量減小環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)溫控的影響，小于150 ℃目的在于包括干燥所需溫度。

如圖2所示，整體結(jié)構(gòu)主要有由CP1H型OMRON PLC、固態(tài)繼電器、加熱電源、溫度變送器等構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

圖2 溫控原理圖

選用G-3NA-240R型固態(tài)繼電器作為加熱控制器件。選用Tp100 型電阻溫傳，量程-50～200 ℃，可滿足設(shè)計(jì)的要求。通過(guò)溫度變送器轉(zhuǎn)換成0～20 mA的電流信號(hào)，輸入到CP1H PLC中的內(nèi)置A/D端口[6]。

CPU采樣后與設(shè)定溫度對(duì)比，獲得溫度誤差信號(hào)，經(jīng)自整定PID運(yùn)算取得控制量，PLC的脈寬調(diào)制端口輸出一定占空比的脈沖[4]，通過(guò)改變固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和截止時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈溫度的精確控制。

線圈之間采用并聯(lián)的方式，這樣不僅節(jié)約空間，而且只需一個(gè)電源就可對(duì)全部線圈進(jìn)行通電，線圈可根據(jù)實(shí)際所需數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由PLC與MCGS 操作界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，PLC可以方便相關(guān)的數(shù)據(jù)采集處理、調(diào)試實(shí)驗(yàn)。MCGS為用戶提供了一個(gè)良好的操作界面，方便對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以及電氣檢測(cè)和儀表修正等系統(tǒng)軟件。

通過(guò)PLC編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體流程的有序控制，其軟件流程圖如3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

其中溫度一階段干燥溫度較溫度二階段干燥溫度低，一方面為的是避免溫度過(guò)高導(dǎo)致溶劑揮發(fā)過(guò)快，以至于在漆膜表面出現(xiàn)較多小氣孔，影響質(zhì)量；另一方面是防止線圈表面漆膜過(guò)早形成硬膜，從而妨礙內(nèi)部溶劑和潮氣的蒸發(fā)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 方法一

采用傳統(tǒng)干燥方法來(lái)進(jìn)行浸漆線圈的干燥，即熱風(fēng)循環(huán)干燥法。其干燥工藝流程首先是將浸漆繞組線圈放入烘箱內(nèi)，然后工人在60～90 ℃根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一個(gè)較低的溫度值進(jìn)行烘干，1小時(shí)后，然后人工再設(shè)定一個(gè)較高的溫度值繼續(xù)烘干2小時(shí)左右。其主要利用烘箱內(nèi)熱風(fēng)的循環(huán)流動(dòng)來(lái)進(jìn)行水分的干燥。經(jīng)過(guò)3小時(shí)干燥后，使用兆歐表測(cè)得浸漆線圈絕緣阻值。

4.2 方法二

采用真空環(huán)境下對(duì)浸漆線圈進(jìn)行通電方法進(jìn)行干燥，并通過(guò)均勻設(shè)計(jì)方案得出了最佳工藝參數(shù)，最后將均勻設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸分析，得出了各實(shí)驗(yàn)因素和實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之間關(guān)系的回歸方程以及顯著性影響。

對(duì)于同一類線圈及絕緣漆，在不同的溫度、真空度、時(shí)間工藝參數(shù)下進(jìn)行干燥驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干燥所得產(chǎn)品表面阻值有較大差別。其中產(chǎn)品表面絕緣阻值為因變量，而溫度、真空度和時(shí)間均為自變量，也就是說(shuō)在每組不同的溫度、真空度、時(shí)間的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都有與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？芍峋€圈干燥工藝參數(shù)在某個(gè)溫度、真空度以及干燥時(shí)間選擇上必定有一個(gè)最佳值組合，能使產(chǎn)品表面絕緣阻值盡可能地最大化。如若能找出溫度一階段和溫度二階段干燥工藝的最佳值組合，將有利于工藝的優(yōu)化和效率的提高。因此首先想到的是采用正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，但如若采用正交設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)在溫度一干燥階段三個(gè)因素，采用七個(gè)水平，就需要343組工藝實(shí)驗(yàn)，這顯然不切實(shí)際。

于是采用均勻設(shè)計(jì)的方案來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，相較正交設(shè)計(jì)，均勻設(shè)計(jì)更適用于因素及水平較多的實(shí)驗(yàn)中[7]。經(jīng)大量實(shí)踐證明，它是十分有效的方法。根據(jù)均勻性原則，保持其他條件相同，對(duì)于同一類線圈和絕緣漆，如表3，在溫度一干燥階段本文選取實(shí)驗(yàn)溫度(A)、真空度(B)、時(shí)間(C)三個(gè)因素，它們各取7個(gè)水平來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表3 水平因素表

表4 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度一階段的60℃到90℃這個(gè)區(qū)間內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，采用溫度75℃，真空度500 Pa，2.5 h的工藝條件下所得阻值是最大的，理論上應(yīng)取這組參數(shù)。但比較第5組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果阻值差別很小，而第5組時(shí)間只要0.5 h，相較于第4組實(shí)驗(yàn)，明顯第5組實(shí)驗(yàn)效率更高。結(jié)合實(shí)際情況，因此選擇第5組的實(shí)驗(yàn)工藝為這個(gè)階段最優(yōu)工藝參數(shù)。

在第五組工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行溫度二階段的均勻設(shè)計(jì)方案。同樣方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出第二階段110℃，1 500 Pa,1 h為最佳工藝參數(shù)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)應(yīng)用中的逐步回歸的方法進(jìn)行計(jì)算與分析，可得出以下回歸方程：

y=33.588+0.714x1-0.014x2

其中:y為目標(biāo)值，x1為溫度因素，x2為真空度因素。

對(duì)回歸方程作F統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，可得以下方程方差分析表5：

表5 方差分析表

計(jì)算F值為18.203后進(jìn)行檢驗(yàn)，取顯著水平α=0.05，因?yàn)镕0.95(2，4)=6.94,比較F與F0.95的大小，由于F>F0.95，故回歸方程顯著。

通過(guò)以上回歸分析發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)值與x1、x2顯著相關(guān)，即合適的干燥溫度和真空度對(duì)絕緣阻值影響最大，干燥時(shí)間對(duì)絕緣阻值影響最小，也就是說(shuō)只要合理選擇干燥溫度和真空度在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)還能大大減少干燥時(shí)間。其中還可發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)值與x2成負(fù)相關(guān)，也就是說(shuō)真空度越高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果阻值越大。當(dāng)然也不是一味地追求高真空度，還要考慮設(shè)備的成本和性價(jià)比，但也說(shuō)明選擇一個(gè)合適的真空度進(jìn)行干燥是有必要的。

(3)在其他條件相同的情況下，使用同一類絕緣漆，對(duì)于同一型號(hào)繞組線圈，使用兆歐表來(lái)分別測(cè)量使用方法一干燥所得線圈表面絕緣電阻值和方法二干燥所得絕緣電阻值數(shù)據(jù)120組進(jìn)行比較。部分測(cè)得數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 阻值數(shù)據(jù)表

樣品方法一/GΩ方法二/GΩ對(duì)照組190．1125．3對(duì)照組288．5128．8對(duì)照組387．6129．8對(duì)照組494．3131．5對(duì)照組594．5133．7對(duì)照組690．3134．4對(duì)照組788．8127．3對(duì)照組895．4135．9對(duì)照組992．1134．1對(duì)照組1092．3131．7對(duì)照組1187．8129．2對(duì)照組1293．6132．4對(duì)照組1391．2133．6對(duì)照組1488．1128．6對(duì)照組1592．3134．8對(duì)照組1689．6124．9對(duì)照組1792．5131．2對(duì)照組1893．1130．9對(duì)照組1987．8125．1對(duì)照組2085．2122．3

由表6中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，本文所用方法干燥所得線圈表面絕緣阻值較傳統(tǒng)方法干燥所得絕緣阻值至少提高了30%以上，滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

按照傳統(tǒng)方法，整個(gè)干燥過(guò)程至少需要3個(gè)小時(shí)，本文通過(guò)均勻設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案得出了最佳工藝參數(shù)，干燥時(shí)間只需要1個(gè)半小時(shí)，為改善浸漆線圈干燥工藝提供了一定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

[1] 張賢明，盧浩聞.油水分離設(shè)備“真空洗滌”工藝實(shí)驗(yàn)研究[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2013.30(5)，78-80.

[2] 周喬君，蔣 慶.基于PLC的真空氦質(zhì)譜自動(dòng)檢漏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013(18)：64-68.

[3] 周喬君，蔣 慶.熱力膨脹閥氦質(zhì)譜自動(dòng)檢漏系統(tǒng)的研制[D].杭州：中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2014.

[4] 嚴(yán)春平，宋耀華，熊望志.采用PWM方式的PLC恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造，2015(36)：121-121.

[5] 張 梅.電機(jī)絕緣水平綜述[J].工會(huì)博覽理論研究，2011(5):194-194.

[6] 李柏榕.基于MODBUS的溫度控制器的研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2009.

[7] 劉 莉.橡膠配方均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[D].青島：青島科技大學(xué)，2004.

Design of Winding Coil Vacuum Drying System Based on PLC

Tang Wei，Yao Yan，Chen Zexi

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

At present, many manufacturers mainly use the traditional method of hot air circulation to heat the winding coil, and the study of drying process of the winding coil is not enough. Aiming at the problem that the traditional winding dip coating coil has a long drying time and poor insulation performance of the coil, a high degree of automation is designed and developed. The system is mainly composed of vacuum unit, temperature control unit, electric control unit, man-machine interactive unit and so on. The dipping coil placed in a vacuum environment, the impregnating coil is energized to heating and drying, using the programmable logic controller as the core, using the PWM output function of PLC control heating, and put forward the lacquer dry coil uniform experimental design, the optimum experimental drying process, finally through regression the analysis of experimental data obtained the relationship between each experimental index and significant. The experimental results show that the system can not only shorten the drying time, but also improve the insulation performance of the coil.

winding coil; PLC;vacuum;uniform design

2016-11-23；

2017-01-05。

唐 威(1991-)，男，浙江省紹興人，碩士研究生，主要從事自動(dòng)化檢測(cè)及微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)05-0101-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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