基于PLC的繞組線圈真空干燥系統的設計

唐 威,姚 燕,陳澤熹

(中國計量大學 計量測試工程學院，杭州 310018)

基于PLC的繞組線圈真空干燥系統的設計

唐 威,姚 燕,陳澤熹

(中國計量大學 計量測試工程學院，杭州 310018)

目前廠家對浸漆繞組線圈的干燥主要使用傳統熱風循環的方法，而且關于浸漆繞組線圈的干燥工藝研究尚不充分;針對傳統繞組浸漆線圈干燥時間長，干燥所得線圈表面絕緣性能欠佳等問題，設計研發了一套自動化程度較高的繞組浸漆線圈真空干燥系統;該系統主要由真空單元、溫度控制單元、電氣控制單元、人機交互單元等部分組成;通過將浸漆線圈放置于真空環境中，對浸漆線圈進行通電的方式來加熱干燥，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，同時提出了浸漆線圈干燥的均勻設計實驗方案，得出了最佳實驗干燥工藝，最后通過對實驗數據的回歸分析得出了各實驗指標之間的關系及顯著性影響;實驗結果表明：該系統不僅縮短了浸漆線圈的干燥時間，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；均勻設計

0 引言

從各類大型變壓器、發電機組，到儀器儀表、生活小家電，人們的生產生活已離不開線圈的使用。而線圈往往是影響產品使用壽命和安全運行的至關重要的環節。例如：電機在某些場合的使用過程中，常因空氣中潮氣和侵蝕性氣體的慢性腐蝕，導致繞組線圈的絕緣程度、機械強度都不同程度有所下降，從而影響正常的使用，甚至會漏電造成嚴重事故[5]。因此研究如何改善線圈浸漆工藝，對提高線圈絕緣強度有重要意義。線圈浸漆生產過程包括浸漆、滴漆、干燥等工藝。其中干燥環節對線圈絕緣性能影響最大。目前，傳統的浸漆線圈干燥方法包括有燈泡干燥法、熱風循環干燥法、紅外線燈干燥法等，這些方法干燥出來的線圈絕緣阻值效果一般，而且干燥時間需要至少3個小時。

因此本文旨在設計一套高效的浸漆干燥系統，能使線圈表面絕緣性能有明顯提高。

1 真空干燥機理及方法

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

表1 系統參數設計要求

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

2 系統總體的設計

繞組線圈真空干燥系統包括真空系統、溫度控制系統、電氣控制系統、人機交互系統。其結構框圖如圖1所示。

表2 真空度與水沸點的關系

圖1 真空干燥系統結構框圖

2.1 真空系統

在真空系統的設計上主要考慮兩個方面的問題：1)真空箱體的設計，主要有真空箱的殼體設計、壁厚設計和校核強度的驗證等；2)考慮真空泵的選型，能否在規定時間內達到需要的真空度[2]。

真空箱體采用方形殼體，單個設計參數為420*350*370(mm)。真空箱體的壁厚按照矩形面板計算，壁厚的實際取值應在理論壁厚值的基礎上給予一定附加量，并采用加強筋的設計，經計算，壁厚取值0.25 cm可確保真空箱體結構穩定，以達到強度要求。

根據真空室的容積和所需要的真空度以及達到指定真空度要求的時間來選擇泵的抽速。在實際的選型過程中要將泵理論有效抽速增加20%來確定泵的抽速[3]。經計算，選用抽速為15 L/h的真空泵，經過1.2分鐘即可達到要求真空度，能滿足設計要求。

2.2 電氣控制系統

電控系統主要是由歐姆龍PLC控制器來實現。電氣控制系統接收來自真空傳感器和溫度傳感器的信號。根據預定的程序和工藝流程對真空閥、真空泵、充氣閥、指示燈進行控制。

通過電氣控制系統協調控制，實現各部件的有序工作。

2.3 溫控系統

溫控系統設計目標溫度控制范圍為40～150 ℃，選擇大于40 ℃為的是盡量減小環境溫度對實驗溫控的影響，小于150 ℃目的在于包括干燥所需溫度。

如圖2所示，整體結構主要有由CP1H型OMRON PLC、固態繼電器、加熱電源、溫度變送器等構成一個閉環反饋系統。

圖2 溫控原理圖

選用G-3NA-240R型固態繼電器作為加熱控制器件。選用Tp100 型電阻溫傳，量程-50～200 ℃，可滿足設計的要求。通過溫度變送器轉換成0～20 mA的電流信號，輸入到CP1H PLC中的內置A/D端口[6]。

CPU采樣后與設定溫度對比，獲得溫度誤差信號，經自整定PID運算取得控制量，PLC的脈寬調制端口輸出一定占空比的脈沖[4]，通過改變固態繼電器的導通和截止時間來實現對線圈溫度的精確控制。

線圈之間采用并聯的方式，這樣不僅節約空間，而且只需一個電源就可對全部線圈進行通電，線圈可根據實際所需數量進行調整。

3 系統軟件設計

系統軟件由PLC與MCGS 操作界面來實現，PLC可以方便相關的數據采集處理、調試實驗。MCGS為用戶提供了一個良好的操作界面，方便對整個操作系統進行監控，對相關的參數進行設置，以及電氣檢測和儀表修正等系統軟件。

通過PLC編程，實現對系統的整體流程的有序控制，其軟件流程圖如3所示。

圖3 系統流程圖

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高導致溶劑揮發過快，以至于在漆膜表面出現較多小氣孔，影響質量；另一方面是防止線圈表面漆膜過早形成硬膜，從而妨礙內部溶劑和潮氣的蒸發。

4 實驗結果

4.1 方法一

采用傳統干燥方法來進行浸漆線圈的干燥，即熱風循環干燥法。其干燥工藝流程首先是將浸漆繞組線圈放入烘箱內，然后工人在60～90 ℃根據經驗設定一個較低的溫度值進行烘干，1小時后，然后人工再設定一個較高的溫度值繼續烘干2小時左右。其主要利用烘箱內熱風的循環流動來進行水分的干燥。經過3小時干燥后，使用兆歐表測得浸漆線圈絕緣阻值。

4.2 方法二

采用真空環境下對浸漆線圈進行通電方法進行干燥，并通過均勻設計方案得出了最佳工藝參數，最后將均勻設計的實驗結果進行回歸分析。通過對實驗結果回歸分析，得出了各實驗因素和實驗指標之間關系的回歸方程以及顯著性影響。

對于同一類線圈及絕緣漆，在不同的溫度、真空度、時間工藝參數下進行干燥驗證試驗發現，干燥所得產品表面阻值有較大差別。其中產品表面絕緣阻值為因變量，而溫度、真空度和時間均為自變量，也就是說在每組不同的溫度、真空度、時間的工藝參數條件下進行實驗，都有與之對應的實驗結果?？芍峋€圈干燥工藝參數在某個溫度、真空度以及干燥時間選擇上必定有一個最佳值組合，能使產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，將有利于工藝的優化和效率的提高。因此首先想到的是采用正交設計的實驗方案，但如若采用正交設計，發現本實驗在溫度一干燥階段三個因素，采用七個水平，就需要343組工藝實驗，這顯然不切實際。

于是采用均勻設計的方案來進行實驗，相較正交設計，均勻設計更適用于因素及水平較多的實驗中[7]。經大量實踐證明，它是十分有效的方法。根據均勻性原則，保持其他條件相同，對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驗溫度(A)、真空度(B)、時間(C)三個因素，它們各取7個水平來進行實驗。

表3 水平因素表

表4 實驗方案及結果

由實驗結果發現，在溫度一階段的60℃到90℃這個區間內觀察發現，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，理論上應取這組參數。但比較第5組實驗發現，兩者實驗結果阻值差別很小，而第5組時間只要0.5 h，相較于第4組實驗，明顯第5組實驗效率更高。結合實際情況，因此選擇第5組的實驗工藝為這個階段最優工藝參數。

在第五組工藝參數的基礎上，進行溫度二階段的均勻設計方案。同樣方法經實驗得出第二階段110℃，1 500 Pa,1 h為最佳工藝參數。

對實驗數據采用數理統計應用中的逐步回歸的方法進行計算與分析，可得出以下回歸方程：

y=33.588+0.714x1-0.014x2

其中:y為目標值，x1為溫度因素，x2為真空度因素。

對回歸方程作F統計檢驗，可得以下方程方差分析表5：

表5 方差分析表

計算F值為18.203后進行檢驗，取顯著水平α=0.05，因為F0.95(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。

通過以上回歸分析發現，目標值與x1、x2顯著相關，即合適的干燥溫度和真空度對絕緣阻值影響最大，干燥時間對絕緣阻值影響最小，也就是說只要合理選擇干燥溫度和真空度在提高產品質量的同時還能大大減少干燥時間。其中還可發現，目標值與x2成負相關，也就是說真空度越高，實驗結果阻值越大。當然也不是一味地追求高真空度，還要考慮設備的成本和性價比，但也說明選擇一個合適的真空度進行干燥是有必要的。

(3)在其他條件相同的情況下，使用同一類絕緣漆，對于同一型號繞組線圈，使用兆歐表來分別測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據120組進行比較。部分測得數據如表6所示。

表6 阻值數據表

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

由表6中的測試數據可以看出，本文所用方法干燥所得線圈表面絕緣阻值較傳統方法干燥所得絕緣阻值至少提高了30%以上，滿足了設計要求。

5 結語

按照傳統方法，整個干燥過程至少需要3個小時，本文通過均勻設計的實驗方案得出了最佳工藝參數，干燥時間只需要1個半小時，為改善浸漆線圈干燥工藝提供了一定的數據和經驗。

[1] 張賢明，盧浩聞.油水分離設備“真空洗滌”工藝實驗研究[J].重慶工商大學學報，2013.30(5)，78-80.

[2] 周喬君，蔣 慶.基于PLC的真空氦質譜自動檢漏系統的設計[J].制造業自動化，2013(18)：64-68.

[3] 周喬君，蔣 慶.熱力膨脹閥氦質譜自動檢漏系統的研制[D].杭州：中國計量學院，2014.

[4] 嚴春平，宋耀華，熊望志.采用PWM方式的PLC恒溫控制系統設計[J].現代制造，2015(36)：121-121.

[5] 張 梅.電機絕緣水平綜述[J].工會博覽理論研究，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，2009.

[7] 劉 莉.橡膠配方均勻設計優化系統的開發與應用[D].青島：青島科技大學，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，主要從事自動化檢測及微型計算機應用方向的研究。

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

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