【正文】 3一5年內，中壓10一35kV電纜將以環(huán)比增長10%速度擴大應用量。以往數(shù)年的城市電網(wǎng)建設與改造，使供電部門積累了大量經(jīng)驗和教訓，主要是:l、大量應用大截面三芯電纜。由于考慮到今后10一巧年甚至更長時間的發(fā)展，為避免以后輸電容量不夠又要擴容，供電部門在選用電纜時，會盡量放大截面，以免留下后遺癥。單芯大截面電纜將有所推廣?，F(xiàn)在常用三芯電纜，安裝敷設分支困難。國外大多數(shù)采用三個單芯電纜大節(jié)距絞合的方法，既方便敷設，盡量減少占用地下空間，又便于分支。城市電網(wǎng)建設與改造工程中，電纜地下化是各地的一項重要任 往確定在50一80%左右。因此，中壓交聯(lián)電纜在今后較長的一段時間內，有較大的市場機遇。交聯(lián)電纜以其良好的電氣，機械性能和容易敷設等優(yōu)點得到迅速發(fā)展，大有替代傳統(tǒng)的鋁包紙絕緣電力電纜，聚氯乙烯電力電纜和不滴流紙力電纜的趨勢。目前在交聯(lián)電纜生產(chǎn)中世界各國普遍采用過氧化物直接交聯(lián)工藝，其過程是:導電線芯經(jīng)過擠包內屏蔽，絕緣層和外屏蔽后進入交聯(lián)管內化學交聯(lián)，使擠包的PE分子交聯(lián)成XLPE然后進入冷卻管內冷卻，在保持其電器性能不變的情況下，可改善PE的熱特性和機械特性，提高電纜的品質。 交聯(lián)電纜生產(chǎn)線是電線電纜設備中最復雜的一個生產(chǎn)系統(tǒng)，它包括塑料擠出機組，交聯(lián)機冷卻系統(tǒng)，上下牽引裝置，收放線及儲線裝置，控制系統(tǒng)和輔助裝置，設備占地面積大，生產(chǎn)廠房要求條件高，這種交聯(lián)電纜生產(chǎn)線的方式以擠出機組布置在幾十米高的交聯(lián)塔頂部，交聯(lián)管垂直地面安裝即立式布置最為理想，它可以生產(chǎn)更高電壓等級的交聯(lián)電纜。有效的防止電纜偏心和擦管現(xiàn)象，保證電纜質量。但因VVC塔高需70米以上，土建費用高，建廠投資高，目前選用這種布線方式和設備的廠家很少。 懸鏈線式交聯(lián)電纜生產(chǎn)線的布線方式既可解決交聯(lián)生產(chǎn)中的擦管問題，又不使建筑費用增高(一般廠房經(jīng)改造即可安裝)，是目前國內外應用最廣泛的交聯(lián)電纜生產(chǎn)線。擠出機組安放在較高的平臺上，交聯(lián)管呈懸鏈線狀 從平臺上往地面延伸，根據(jù)所設計的生產(chǎn)速度，產(chǎn)品規(guī)格和其他條件確定懸鏈形狀，長度和冷卻段的尺寸，擠包后的交聯(lián)電纜就是靠上下牽引裝置的張緊力保持其在懸鏈線管內的中心位置，并使電纜在管內按規(guī)定的速度運動，從而完成電纜的連續(xù)交聯(lián)和冷卻過程，每一條交聯(lián)電纜生產(chǎn)線其交聯(lián)管的懸鏈形狀是固定不變的。而生產(chǎn)的電纜在一定的范圍內是分批變化的。因此保持在管內的正確位置和連續(xù)生產(chǎn)運動是衡量一條生產(chǎn)線的主要技術指標。交聯(lián)管內壓力，溫度，水位等影響使電纜在管內的位置經(jīng)常產(chǎn)生波動和變化，通過安裝在交聯(lián)管上的懸垂控制器和控制系統(tǒng)調整上下牽引裝置，以免擦傷管臂，劃傷電纜外層屏蔽。如果牽引裝置沒有可靠的技術特性和適時準確的懸垂度測量，生產(chǎn)線就不能正常工作?，F(xiàn)在懸垂控制多用PI或PID控制，在這種控制方式下，需要針對控制對象設定專門的P（比例）、I（積分）、D（微分）參數(shù)。而這些參數(shù)的設定，是針對特定的控制系統(tǒng)的，對于懸垂生產(chǎn)線，要求在電纜偏離中心位置時，必須是針對確定的偏離距離給出確定的誤差信號，比喻說對于電纜偏上1CM，必須給出1V的誤差電壓，而不能是時而給出1V，偏差不變則誤差電壓就不能變，只有在這樣的情況下，PID針對控制對象設定的PID參數(shù)才有意義，才能最佳的控制電纜穩(wěn)定的處于懸垂管中心位置。否則，不是電纜位置控制過于遲緩，就是控制過沖，在生產(chǎn)實踐中，這兩種情況下都會不可避免的造成電纜在懸垂管中的上下擺動。，如電纜對中心位置的相同1cm偏差，在信號正常時檢測裝置能正常給出1V的偏差電壓，但在信號較強時給出的偏差電壓變成了2V。這使得后續(xù)調節(jié)控制紊亂，其實這就是現(xiàn)在國內幾乎所有電纜廠的懸垂生產(chǎn)線調速器PID參數(shù)設置“困難”的實際原因——輸入變量不確定。 現(xiàn)在懸垂控制器（傳感器）現(xiàn)在完全做不到這一點（指偏差不變則誤差電壓就不能變），因為現(xiàn)在的測量原理是利用電纜中流過的感應電流，但是這個感應電流的大小，是依據(jù)多種因素變化的，根據(jù)實地采樣記錄造成電流變化并引起傳感器輸出相應的變化狀況：。、周邊環(huán)境改變等造成生產(chǎn)線相對懸垂檢測所需的分布參數(shù)改變，又會引起傳感器輸出變化若干倍。綜合上述因素，總的影響可以達到數(shù)千倍以上，由此看到，如果不對這些因素加以控制，懸垂傳感器時無法提供PID控制所必須的正確輸出，這就是電纜控制不穩(wěn)的根本原因。在這種情況下，技術人員往往精心調配好PID控制，短時間似乎正常了，可時間一久，又往往失控。 、抗干擾性能差，造成檢測裝置的靈敏度無法提高?，F(xiàn)有國內外懸垂檢測裝置都無法使用到連硫生產(chǎn)線上，因為這里的被檢測信號更弱、信號起伏更大。 所以必須使得傳感器輸出僅僅和位置及其偏離相關，而對于其它因素可能造成的傳感器輸出誤差予以補償和消除。 傳感器要有大的動態(tài)范圍，以適應感應電流變化，既在全程范圍（管內上下偏離10CM）信號不飽和，又具有足夠的相信分辨率（正負1mm）。研究課題主要解決這兩大點難題。第2章 交聯(lián)電纜生產(chǎn)牽引張力控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)中，都需要進行比較精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品質量。這些行業(yè)諸如造紙、紙加工、印刷、印染、包裝、電線電纜、光纖光纜、膠粘帶、紡織、皮革、金屬箔加工、纖維、橡膠等。在這些行業(yè)的收、放卷工藝中，為了滿足工藝要求都需要保持線材或帶材上張力的恒定。典型的張力控制收卷示意圖如下:圖21張力控制示意圖現(xiàn)在幾乎所有國外的交聯(lián)電纜生產(chǎn)線上下牽引張力控制采用直流調速方式，直流電機配置全數(shù)字控制的直流驅動器，調速的精度和性能都是相當好的，但隨著工作年限的增加，直流電機的維護量增大，維護費用巨大，經(jīng)常出現(xiàn)直流電機在維護過后特性發(fā)生變化，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻調速技術從最初的VF/轉矩控制到矢量控制，調速性能也達到了日臻完美的地步。伴隨著技術成熟的同時，變頻調速價格也相當經(jīng)濟，同樣一套交聯(lián)生產(chǎn)線，變頻交流調速張力系統(tǒng)的造價已經(jīng)低于直流調速張力系統(tǒng)的造價，雖然變頻器價格稍高于直流驅動器，但其可靠的穩(wěn)定性和易維護性有獨到的優(yōu)勢，交流異步鼠籠電機更因價格低廉、維護簡單而廣泛應用。相對而言，對于交聯(lián)電纜生產(chǎn)線上下牽引張力控制，交流系統(tǒng)的實現(xiàn)比直流系統(tǒng)更加直觀和簡單[14]。 三種張力控制方案張力控制系統(tǒng)的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定，由變頻器構成的系統(tǒng)可以通過兩種途徑達到以上目的:一是通過控制電機轉速來實現(xiàn)。另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現(xiàn)。對應這兩種途徑，有三種控制方案可選擇。(速度模式)通過調節(jié)電機轉速達到張力恒定。首先由帶(線)材的線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環(huán)，調整變頻器的頻率指令。同步匹配頻率指令的計算方程式: f = ( V * P * I ) / ( π * D) (21)其中:f變頻器同步匹配頻率指令V 材料線速度P電機極對數(shù)I機械傳動比D卷筒的卷徑材料線速度由線速度檢測模塊獲得，卷徑有卷徑計算模塊獲得。此方案中，保證比較準確的同步匹配頻率指令可以減少P功調節(jié)器的調節(jié)量，使系統(tǒng)更容易穩(wěn)定，還有就是線速度的檢測的準確性比較重要。(轉矩模式)通過控制電機輸出轉矩控制張力恒定。由設定的張力和卷筒的卷徑計算出變頻器的轉矩指令。計算方程式如下: f = (F*D) / (2 * I) (22)其中:T變頻器輸出轉矩指令F張力設定指令D卷筒的卷徑I機械傳動比變頻器工作在轉矩控制模式，可以獲得更為穩(wěn)定的張力控制效果。此方案無需張力反饋，但變頻器需工作在閉環(huán)矢量控制方式，必須安裝測速編碼器。采用轉矩模式進行張力控制時，必須考慮系統(tǒng)加減速過程中轉動慣量的影響，采取慣性補償模塊處理。(轉矩模式) 在開環(huán)張力控制方案的基礎上增加了張力反饋閉環(huán)調節(jié)。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環(huán)調節(jié)，調整變頻器輸出轉矩指令。這種方案可以保證更高的張力控制精度。 采用一般的V/F控制通用變頻器給異步電動機供電時，可以實現(xiàn)無級平滑調速，起動和停車都很方便。但是，調速時有靜差，精度不高，調速范圍不過1:10，而且也不能像直流調速系統(tǒng)那樣提供很高的動態(tài)性能。 過去的變頻調速方案中所采用的V/F等于常數(shù)的變頻器有如下缺點:，轉速趨近O時轉矩響應很差，導致電機于低轉速時的低運轉效率由于技術的發(fā)展，現(xiàn)代變頻器已廣泛采用矢量控制技術，矢量控制變頻器具有如下優(yōu)點:，在整個電機轉速范圍提供恒定轉矩，即可在低轉速時獲得額定電機轉矩值 要實現(xiàn)高動態(tài)性能，必須充分研究電機的物理模型和動態(tài)數(shù)學模型?，F(xiàn)在常用的高性能控制策略有矢量控制和直接轉矩控制兩種，這里介紹矢量控制及矢量控制范疇中的無速度傳感器矢量控制。 矢量控制系統(tǒng)采用由轉子磁鏈決定d一軸方向的d一q同步旋轉坐標系，把異步電機的定子電流分解為其勵磁分量和轉矩分量，得到類似于直流電機的轉矩模型，再采取措施把非線性系統(tǒng)變換成兩個獨立的轉速和轉子磁鏈的子系統(tǒng)，從而模仿直流電機分別用P1調節(jié)器進行控制。矢量控制在選用高精度的光電碼盤傳感器時，其調速范圍可達1:1000，動態(tài)性能也很好。但按轉子磁鏈定向會受電機參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調速性能，采用智能化調節(jié)器可以克服這一缺點，提高系統(tǒng)的魯棒性[5]。 從總體控制結構來看，采用轉矩和磁鏈分別控制，轉矩控制環(huán)(或電流的轉矩分量環(huán))都處于轉速環(huán)的內環(huán)，可以抑制磁鏈變化對轉速子系統(tǒng)的影響，從而使轉速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解禍。因此能獲得較高的靜、動態(tài)性能[4]。 系統(tǒng)中傳動部分分為送卷張力卷繞控制和收卷張力卷繞控制。為了減小送卷和收卷兩子系統(tǒng)的禍合作用，對送卷張力卷饒控制采取張力開環(huán)控制方案，對收卷張力卷饒控制采取上述的張力閉環(huán)控制方案2。送卷張力卷繞控制時變頻器工作在轉矩控制模式，根據(jù)PLC內部計算模塊穩(wěn)定工作，收卷張力卷繞控制工作在閉環(huán)狀態(tài)，根據(jù)張力變化，與張力設定值構成PID閉環(huán)控制。圖22張力控制系統(tǒng)原理圖 第3章 在線測控的懸垂控制器設計 交聯(lián)聚乙烯電纜以其具有優(yōu)異的電氣性能，良好的運行安全性能和熱過載機械特性以及安裝運行，維修簡便等優(yōu)點得到了廣泛的運用。在交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜生產(chǎn)過程中，電纜硫化生產(chǎn)線將裸導線加工成成品電纜產(chǎn)品，其長度可達百米。為保證電纜質量，必須對牽引設備的卷繞機轉速進行控制，保持線速度恒定的前提下控制電纜張力恒定，以防止電纜碰壁擦管，由于交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜生產(chǎn)工藝特殊性，在硫化管中對張力不易直接檢測到，電纜懸垂度成為電纜張力的直觀反映。 國內也有少數(shù)廠家研制該檢測裝置，由于采用的方法均為模擬電路系統(tǒng)，從實際使用的角度來看并不理想，主要表現(xiàn)為電纜在硫化管內擺動幅度大，且對生產(chǎn)電纜的規(guī)格有一定的要求，具有很大的局限性，不太符合實際生產(chǎn)的要求，因此研制智能化電纜懸垂度在線測控裝置，對提高我國電纜生產(chǎn)質量，提高電纜企業(yè)的經(jīng)濟效益具有非常重要的意義[2]。圖中發(fā)射控制器由穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生電路、前置放大器、幅值控制電路和功率放大器等組成。通過對接收信號的調理，再經(jīng)PLC采集、分析、處理來實現(xiàn)測控[3]。 圖31系統(tǒng)組成及測量框圖 發(fā)射線圈為一個環(huán)型線圈，套裝在硫化管的外部，其初級回路由帶鐵芯的環(huán)型螺線圈組成，次級回路由電纜纜芯以及分布電容構成。套裝本線圈的一段硫化管應該對地絕緣且和其他管道同徑。根據(jù)電磁感應理論，如果在發(fā)射線圈上加有高頻電流，則會在電纜上產(chǎn)生同頻感應電流。由于現(xiàn)場環(huán)境的溫度較高，所以設計本發(fā)射線圈時鐵心材料的選擇是一個關鍵。 收線圈由耐高溫高濕的材料制成。本系統(tǒng)采用了兩個接收線圈，它們上下對稱安裝在硫化管中，內徑尺寸與硫化管的內徑相同。當電纜中流過交變電流時，交變電流會產(chǎn)生磁場，接收線圈中就會感應出一定的電勢，它的大小與電纜和其中交變電流的大小有關。比較兩個接收線圈的感應電勢，就可以測量出電纜在硫化管道中的位置。該位置信號經(jīng)過PID處理后控制牽引設備，以達到控制硫化管中電纜張力即懸垂度的目的。接收線圈是兩塊印制線圈，將它們分別固定于懸垂管的上、下方，盡量貼近懸垂管，但不要接觸，保持1mm間隙以防懸垂管的溫度直接導入而燒壞接收線圈。安裝時，切切注意：要求印制線圈的平面必須與懸垂管的軸線、以及與鉛垂線保持平行。 本系統(tǒng)設計的信號發(fā)生電路產(chǎn)生頻率約為127KHZ的正弦信號，但因其輸出功率不大，而發(fā)射線圈實為一大功率器件，因此對信號進行放大?？紤]到各種規(guī)格的電纜線直徑，材料不同，硫化水位的高或低以及生產(chǎn)過程中收放 信號截止失真，通過改變電壓放大過程中運算放大器的反饋電阻的大小保持電纜中電流穩(wěn)定，反饋電阻大小由PLC控制。具體框圖見圖32。圖32發(fā)射控制器框圖 接收控制器 接收控制器對接收線圈中的信號進行處理。接收線圈中的信號送入到接收控制器的電壓跟隨器中，這里的電壓跟隨器有兩個作用，一為隔離接受線圈和后續(xù)電路，二為增強后續(xù)電路的驅動能力。緊接電壓跟隨器的放大電路的作用也不僅僅是放大信號，更重要的是它的放大增益使得二極管的壓降變小(相對于放大電路防在全波整流之后而言)。對高頻交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，如果選擇了合適的濾波電容后，不僅可以濾掉許多雜波，也可以使電路反映非常靈敏。最后一級為直流放大電路，可根據(jù)PLC的需要，調整其放大倍數(shù)，由PLC進行數(shù)據(jù)采集和處理。第4章 電路設計測量裝置用