道客巴巴數(shù)控機床強電控制電路

第五講 數(shù)控機床強電控制電路 在這一講，我們一起學習 機床常用低壓電器的工作原理 機床強電控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié) 一、機床常用低壓電器的工作原理 1.開關(guān)電器 1）組合開關(guān) 組合開關(guān)又稱轉(zhuǎn)換開關(guān)，實質(zhì)上也是一種刀開關(guān)，主 要用作電源的引入開關(guān)。 與普通刀開關(guān)不同的是，組 合開關(guān)的刀片是旋轉(zhuǎn)式的，比刀開關(guān)輕巧，是一種多 觸點，多位置，可控制多個回路的電器。 組合開關(guān)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 組合開關(guān)由動觸點、靜觸點、轉(zhuǎn)軸、手柄、定位機 構(gòu)及外殼等部分組成。根據(jù)動觸片和靜觸片的不同組 合，組合開關(guān)有多種接線方式，其結(jié)構(gòu)示意圖及外形 圖如圖 2.5所示。 組合開關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)和電氣符號 組合開關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、極 數(shù)等。組合開關(guān)一般有單極、雙極和三極。 圖 2.5 組合開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖、組合開關(guān)的圖形符號及外形照片 2）低壓斷路器 低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)，它不但能用于正常工作 時不頻繁接通和斷開的電路，而且當電路發(fā)生過載、短 路或失壓等故障時，能自動切斷電路，有效地保護串接 在它后面的電氣設備。 因此，低壓斷路器在機床上使用 得越來越廣泛。機床上常用的低壓斷路器有 DZ10、 DZ5-20和 DZ5-50系列。 低壓斷路器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 低壓斷路器主要由觸點系統(tǒng)、操作機構(gòu)和脫扣器等部分 組成。圖 2.7所示為低壓斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖。開關(guān)的 主觸頭是靠操作機構(gòu)手動或電動合閘的，并由自動脫扣 機構(gòu)將主觸頭鎖在合閘位置上。如果電路發(fā)生故障，自 由脫扣機構(gòu)在有關(guān)脫扣器的推動下動作，使鉤子脫開。 于是主觸頭在彈簧作用下迅速分斷。 圖 2.7 低壓斷路器工作原理 過流脫扣器 5的線圈和熱脫扣器 6的熱元件與主電路串聯(lián)， 欠壓脫扣器 7的線圈與電路并聯(lián)。當電路發(fā)生短路或嚴 重過載時，過流脫扣器的銜鐵被吸合，使自由脫扣機構(gòu) 4動作。當電路過載時，熱脫扣器的熱元件產(chǎn)生的熱量 增加，使雙金屬片向上彎曲，推動自由脫扣機構(gòu)動作。 當電路電壓過低時，欠壓脫扣器 7的銜鐵釋放，也使自 由脫扣機構(gòu)動作。 低壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)和電氣符號 a) 額定電壓 低壓斷路器額定電壓包括額定工作電壓， 額定絕緣電壓和額定脈沖電壓。 b) 額定電流 斷路器額定電流指額定持續(xù)電流，即脫 扣器能長期通過的電流。 c) 通斷能力 通斷能力也稱作額定短路通斷能力，指 斷路器在給定電壓下接通和分斷的最大電流值。 d) 分斷能力 分斷能力指切斷故障電流所需要的時間， 包括固有的斷開時間和燃弧時間。 低壓斷路器型號繁多、品種復雜，按其用途和結(jié)構(gòu)形式 分為框架式和塑殼式兩大類。 低壓斷路器的圖型符號和文字符號如圖 2.8所示。 圖 2.8 低壓斷路器的圖形符號 和文字符號 2.主令電器 自動控制系統(tǒng)中用于發(fā)送控制指令的電器稱為主令電器。 常用的主令電器有控制按鈕開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān) 等。 1）按鈕開關(guān) 按鈕開關(guān)通常用作短時接通或斷開小電流控制電路的開 關(guān)，通常用于控制電路中發(fā)出起動或停止等指令，再通 過接觸器、繼電器來控制電器接通或斷開主電路。 按鈕開關(guān)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 按鈕開關(guān)是由按鈕帽、復位彈簧、橋式觸頭、靜觸頭和 外殼組成。通常制成具有常開觸頭和常閉觸頭的復合結(jié) 構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如 2.9所示。 圖 2.9 按鈕結(jié)構(gòu)示意圖 ,按鈕的圖形及外形照片 按鈕的結(jié)構(gòu)形式很多。緊急式按鈕裝有突出的蘑茹形 鈕帽，用于緊急操作；旋鈕式按鈕用于旋轉(zhuǎn)操作；指 示燈式按鈕在透明的鈕帽內(nèi)裝有信號燈顯示信號；鑰 匙式按鈕須插入鑰匙方可操作。按鈕帽有多種顏色， 一般紅色用作停止按鈕，綠色用作起動按鈕。 2）行程開關(guān) 行程開關(guān)又稱限位開關(guān)，是根據(jù)運動部件位置而切換 電路的自動控制電器。 動作時，由擋塊與行程開關(guān)的 滾輪相碰撞，使觸頭接通或斷開來控制運動部件的運 動方向、行程大小或位置保護。行程開關(guān)種類很多， 按結(jié)構(gòu)可分為直動式、滾動式和微動式。機床上常使 用微動式行程開關(guān)。如圖 2.11所示，為微動式行程開 關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 2.11 微動式行程開關(guān) 圖 2.12 行程開關(guān)的圖形符號和文字符號 3）接近開關(guān) 接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。 當運動著的物體在一 定范圍內(nèi)與之接近時，接近開關(guān)就會發(fā)生物體接近而 “ 動作 ” 的信號，以不直接接觸方式控制運動物體的位 置。 接近開關(guān)按工作原理來區(qū)分，有高頻振蕩型、電容型、 感應電橋型、永久磁鐵型、霍爾效應型等多種，其中以 高頻振蕩型最為常用。高頻振蕩型接近開關(guān)的電路由振 蕩器、晶體管放大器和輸出電路三部分組成。其基本原 理是：當裝在運動部件上的金屬物體接近高頻振蕩器的 線圈 L時，由于該物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流損耗，使振蕩回路 等效電阻增大，能量損耗增加，使振蕩器減弱直至終止 , 開關(guān)輸出控制信號。 接近開關(guān)應根據(jù)其使用目的、使用場所的條件以及與控 制裝置的相互關(guān)系等來選擇。檢測距離也稱為動作距離， 是接近開關(guān)剛好動作時感辨頭與檢測體之間的距離。如 圖 3.13所示。接近開關(guān)多為三線制。三線制接近開關(guān)有 二根電源線（通常為 24V）和一根輸出線。輸出有常開、 常閉兩種狀態(tài)。 圖 3.13 接近開關(guān)的檢測距離、 接近開關(guān)的圖形符號和文字符號 接近開關(guān)具有工作穩(wěn)定可靠、使用壽命長、重復定位精 度高、操作頻率高等優(yōu)點，其主要參數(shù)有：工作電壓、 輸出電流、動作距離、重復精度及工作響應頻率等。 3.交流接觸器 接觸器是一種用來頻繁地接通或分斷帶有負載（如電動 機）的主電路自動控制電器。 接觸器按其主觸頭通過電 流的種類不同，分為交流、直流兩種，機床上應用最多 的是交流接觸器，下面我們僅介紹交流接觸器。 1）交流接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流接觸器的外形與結(jié)構(gòu)組成如圖 2.17所示，它由電 磁機構(gòu)、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置及其他部件等四部分組成。 圖 2.17交流接觸器的外形與結(jié)構(gòu)示意圖 電磁機構(gòu) 電磁機構(gòu)由吸引線圈、鐵心及銜鐵組成。它的作用是將 電磁能轉(zhuǎn)換成機械能帶動觸點使之閉合或斷開。 觸點系統(tǒng)是接觸器的執(zhí)行元件，用來接通和斷開電 路。接觸器觸點系統(tǒng)包括主觸點和輔助觸點，主觸點容 量大，用于接通或斷開主電路，根據(jù)其容量大小，有橋 式觸點和指形觸點兩種形式。輔助觸點容量小，用在控 制電路中起電氣自鎖或互鎖作用。 滅弧裝置 當主觸點分斷大電流時，在動、靜觸點間產(chǎn)生強列的 電弧。電弧一方面會燒壞觸點，另一方面會使電路切斷 時間延長，甚至會引起事故，為了使接觸器可靠工作， 必須采用滅弧裝置使電弧迅速熄滅。容量在 10A以上的 接觸器都有滅弧裝置。 10A下的接觸器，常采用雙斷口 橋形觸點以利于滅弧。 其它部件包括反作用彈簧、觸點壓力彈簧、傳動機 構(gòu)及外殼等。 交流接觸器是這樣工作的：當電磁線圈通電后，鐵心被 磁化產(chǎn)生磁通，由此在銜鐵氣隙處產(chǎn)生電磁力，將銜鐵 吸合，主觸點在銜鐵的帶動下閉合，接通主電路，同時 銜鐵還帶動輔助觸點動作，動斷輔助觸點首先斷開，接 著動合輔助觸點閉合。當線圈斷電或外加電壓顯著降低 時，在反力彈簧的作用下銜鐵釋放，主觸點、輔助觸點 又恢復到原來的狀態(tài)。 圖 2.18 接觸器的圖形及文字符號 2）接觸器的主要技術(shù)參數(shù)和電氣符號 交流接觸器的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、額定操作 頻率、接通與分斷能力等。接觸器的圖形符號和文字符號如圖 2.18所示。 接觸器的額定電壓是指主觸頭的額定電壓。交流接觸器的額定電 壓，一般為 500V或 380V兩種。接觸器的額定電流是主觸頭的額 定電流，有 5， 10， 20， 40， 60， 150A等幾種。 額定操作頻率是指接觸器每小時允許的接通次數(shù)，一般為 300次 / 小時、 600次 /小時和 1200次 /小時。 接觸器的接通和分斷能力是指主觸頭在規(guī)定條件下，能可靠地接 通和分斷的電流值。在此電流值下，接通時主觸點不應發(fā)生熔焊， 分斷時應能可靠滅弧。 4.繼電器 繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號的變化，而接通或斷 開控制電路，實現(xiàn)控制目的的電器。 繼電器的輸入信號 可以是電流、電壓等電學量，也可以是溫度、速度、時 間、壓力等非電量，而輸出通常是觸頭的動作（斷開或 閉合）。 繼電器的種類很多，按工作原理可分電磁式 繼電器、熱繼電器、壓力繼電器、時間繼電器、速度繼 電器等。在機床電氣控制中，應用最多的是電磁式繼電 器。 圖 2.19 電磁式繼電器結(jié)構(gòu)示意圖 1）電磁式繼電器 電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理與電磁式接觸器相似， 也是由電磁機構(gòu)、觸點系統(tǒng)和釋放彈簧等部分組成。觸 點有動觸點和靜觸點之分，在工作過程中能夠動作的稱 為動觸點，不能動作的稱為靜觸點。如圖 2.19為電磁式 繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖。 當線圈通電后，鐵心被磁化產(chǎn)生足夠大的電磁力，吸動 銜鐵并帶動簧片，使動觸點和靜觸點閉合或分開；當線 圈斷電后，電磁吸力消失，銜鐵返回原來的位置，動觸 點和靜觸點又恢復到原來閉合或分開的狀態(tài)。應用時只 要把需要控制的電路接到觸點上，就可利用繼用器達到 控制的目的。 電流繼電器與電壓繼電器在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要是線圈不 同。電流繼電器的線圈匝數(shù)少、導線粗，與負載串聯(lián)以 反映電路電流的變化。電壓繼電器的線圈匝數(shù)多、導線 細，與負載并聯(lián)以反映其兩端的電壓。中間繼電器實際 上也是一種電壓繼電器，只是它具有數(shù)量較多、容量較 大的觸點，起到中間放大的作用。 圖 2.20 電磁式繼電器的圖形符號和文字符號 電磁式繼電器的主要技術(shù)參數(shù)和電氣符號 電磁繼電器的主要參數(shù)有以下幾個： 額定工作電壓或額定工作電流 ：這是指繼電器工作時線圈需要的電 壓或電流。為了適應不同電壓的電路應用，一種型號的繼電器通常 有多種額定工作電壓或額定工作電流，并用規(guī)格型號加以區(qū)別。 直流電阻： 這是指線圈的直流電阻。有些產(chǎn)品說明書中給出額定工 作電壓和直流電阻，這時可根據(jù)歐姆定律求出額定工作電流。 吸合電流 ：它是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在實際使 用中，要使繼電器可靠吸合，給定電壓可以等于或略高于額定工作 電壓。但是，給定電壓一般不要大于額定工作電壓的 1.5倍。否則會 燒毀線圈。 釋放電流 ：它是指繼電器產(chǎn)生釋放動作的最大電流。如果減小處于 吸合狀態(tài)的繼電器的電流，當電流減小到一定程度時，繼電器恢復 到未通電時的狀態(tài)，這個過程稱為繼電器的釋放動作。釋放電流比 吸合電流小得多。 圖 2.24 雙金屬片熱繼電器結(jié)構(gòu)示意圖 2）熱繼電器 熱繼電器是利用電流的熱效應原理來切斷電路的保護電 器，主要用于電動機或其他負載的過載保護。 熱繼電器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理 熱繼電器主要由雙金屬片、加熱元件、動作機構(gòu)、觸 點系統(tǒng)、整定調(diào)整裝置及溫度補償元件等組成。如圖 2.24所示為熱繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 2.24 中，雙金屬片由兩種膨脹系數(shù)不同的金屬碾壓而 成，當雙金屬片受熱膨脹時會彎曲變形。實際應用時， 將雙金屬片與發(fā)熱元件串接于電動機的控制電路中。當 負載電流超過整定電流值并經(jīng)過一定時間后，發(fā)熱元件 所產(chǎn)生的熱量使雙金屬片受熱彎曲，帶動動觸點與靜觸 點分斷，切斷電動機的控制回路，使接觸器線圈斷電釋 放，從而斷開主電路，實現(xiàn)對電動機的過載保護。電源 切斷后，電流消失，雙金屬片逐漸冷卻，經(jīng)過一段時間 后恢復原狀，動觸點在失去作用力的情況下，靠自身彈 簧的彈性自動復位。 由此可見，熱繼電器由于熱慣性，當電路短路時不能立 即動作使電路立即斷開，因此不能作短路保護。 圖 2.25 熱繼電器的圖形符號和文字符號 熱繼電器的主要技術(shù)參數(shù)和電氣符號 熱繼電器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)有：整定電流、額定電壓、額 定電流、相數(shù)及熱元件編號等。所謂整定電流是指長期 通過發(fā)熱元件而不動作的最大電流。熱繼電器的圖形符 號和文字符如圖 2.25所示 二、機床強電控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié) 機床的種類繁多，加工工藝各異，因此所要求的控制 線路也多種多樣、千差萬別。但它們一般都是由一些 基本控制環(huán)節(jié)組成的，只要分析研究這些基本控制線 路的特點，掌據(jù)其規(guī)律，就能夠閱讀和設計電氣控制 線路。 1.電氣控制線路的繪制 電氣控制系統(tǒng)圖有三類：電氣原理圖、電器元件布 置圖和電氣安裝接線圖。 1）電氣控制系統(tǒng)圖中的圖形符號和文字符號 在電氣控制系統(tǒng)中必須使用國家統(tǒng)一規(guī)定的電氣元件 圖形符號。國家規(guī)定從 1990年 1月 1日起，電氣系統(tǒng)圖 中的圖形符號和文字符號必須符合最新的國家標準。 2）電氣原理圖 電氣原理圖是表達所有電器元件的導電部件和接線端子 之間的相互關(guān)系。根椐便于閱讀和分析線路及簡單清晰 的原則，電氣原理圖應該采用標準電氣元件圖形符號繪 制。電氣原理圖一般分為主電路和輔助電路兩部分。主 電路是從電源到電動機等通過大電流的電路。輔助電路 包括控制電路、照明電路、信號電路和保護電路等，輔 助電路中流過的是小電流。圖 2.29所示為某車床電氣原 理圖， 圖 2.29 某機床電氣原理圖 3）電器元件布置圖 電氣元件布置圖主要用來表明各種電氣元件在 機械設備上和電氣控制柜中的實際安裝位置， 為機械電氣控制設備的制造、安裝、維修提供 必要的資料。各電氣元件的安裝位置是由機床 的結(jié)構(gòu)和工作要求決定的，比如，電動機要和 被拖動的機械部件在 一起，行程開關(guān)應放在要 取得信號的地方，操作元件要放在操縱臺及懸 掛操縱箱等操作方便的地方，一般電氣元件應 放在控制柜內(nèi)。圖 2.32 所示為某車床電器布置 圖。 圖 2.32 某車床電氣布置圖 4）電器安裝接線圖 電氣安裝接線圖是用規(guī)定的圖形符號，根據(jù)原理圖，按 各電器元件相對位置繪制的實際接線圖，它清楚地表明 了各電器元件的相對位置和它們之間的電路連接的詳細 信息，主要是為了安裝電氣設備和電氣元件時進行配線 或檢查維修電氣控制線路故障服務的。如圖 2.33所示為 某電氣互連接線圖。 GB6988 1986 電氣制圖、接線圖和接線表 中詳細 規(guī)定了電氣安裝接線圖的編制規(guī)則。主要有： 在接線圖中，一般都應標出項目的相對位置、項目代 號、端子間的電氣連接關(guān)系、端子號、線號、線纜類型、 線纜截面積等。 同一控制盤上的電氣元件可直接連接，而控制盤內(nèi)元 器件與外部元件連接時必須通過接線端子板。 圖 2.33 某車床電氣互連接線圖 接線圖中各電器元件的圖形符號與文字符號均應以原 理圖為準，并保持一致。 互連接線圖中的互連關(guān)系可用連續(xù)線、中斷線或線束 表示，連接導線應注明導線根數(shù)、導線截面積等。一般 不表示導線實際走線路徑，施工時根據(jù)實際情況選擇最 佳走線方式。 二、機床強電控制電路的基本環(huán)節(jié) 1.三相異步電動機的起動控制線路 為了減小起動電流，電動機在起動時應采用適當?shù)拇?施。三相籠型電動機有直接起動（全電壓起動）和間接 起動（降壓起動）兩種方式。直接起動是一種簡單、可 靠、經(jīng)濟的起動方式，適合小容量電動機。對于較大容 量（大于 10KW）的電動機，因起動電流大（可達額定 電流的 4 7倍），一般采用減壓起動方式來降低起動電 流。 1)直接起動控制線路 單向全電壓起動控制 電動機容量在 10kW以下者，一般采用全電壓直接起動 方式起動。普通機床上的冷卻泵、小型臺鉆和砂輪機 等小容量電動機可直接用開關(guān)起動。直接起動可采用 刀開關(guān)直接起動控制線路，也可采用接觸器直接起動 控制線路。采用刀開關(guān)起動方法所用電器少，線路簡 單經(jīng)濟 (如圖 2.34所示 )。但這種手動控制方法操作勞動 強度大，不安全，不能實現(xiàn)遠距離的自動控制。僅適 用于控制不頻繁起動的小容量電動機。 圖 2.34 刀開關(guān)直接起動控制線路 a）主電路 b）控制電路 圖 2.35 接觸器直接起動控制線路 中小型普通機床的主電路通常采用接觸器直接起動控制 方式。如圖 2.35所示是采用接觸器直接起動的電動機單 向全電壓起動控制線路，主電路由刀開關(guān) QS、熔斷器 FU、接觸器 KM的主觸點、熱繼電器 FR的熱元件與電動 機 M組成。 控制電路由起動按鈕 SB2、停止按鈕 SB1、接觸器 KM的 線圈及其常開輔助觸點、熱繼電器 FR的常閉觸點和熔斷 器 FU2組成。 三相電源由 QS引入，按下起動按鈕 SB2，接觸器 KM的 線圈通電，其主觸點閉合，電動機直接起動運行。同時 與 SB2并聯(lián)的輔助觸點 KM閉合，將 “ SB2”短接，其作 用是當放開起動按鈕 SB2后，仍可使 KM線圈通電，電 動機繼續(xù)運行。這種依靠接觸器自身的輔助觸點來使其 線圈保持通電的現(xiàn)象稱為自鎖或自保。帶有自鎖功能控 制線路具有失壓保護作用。起自鎖作用的輔助觸點稱為 自鎖觸點。 按停止按鈕 SB1，接觸器 KM的線圈斷電，其常開主觸 點斷開，電動機停止轉(zhuǎn)動。同時 KM的自鎖觸點斷開， 所以松手后 SB1雖仍閉合，但 KM的線圈不能繼續(xù)得電。 2)減壓起動控制線路 容量較大的電動機（一般大于 10kW）起動時會產(chǎn)生較 大的起動電流，引起電網(wǎng)電壓的下降，因此必須采取降 壓起動的方法，限制起動電流。降壓起動是指利用起動 設備或線路，降低加在電動機繞組上的電壓，從而達到 減小起動電流的目的。 常用的降壓起動方法有定子繞組串接電阻降壓起動、星 形 三角形降壓起動和自耦變壓器降壓起動。 定子繞組串接電阻降壓起動控制線路 在定子繞組串接電阻降壓起動控制線路中，電動機起動 時在定子繞組上串接電阻或電抗器，起動電流在電阻或 電抗上產(chǎn)生電壓降，使定子繞組上的電壓低于電源電壓、 起動電流減小。待電動機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，再將電 阻或電抗器短接，使電動機在額定電壓下運行。 a）主電路 b）控制電路 圖 2.38 定子繞組串接電阻降壓起動控制線路 如圖 2.38所示為定子繞組串接電阻降壓起動控制線路。 電動機起動時，合上電源開關(guān) QS，按下起動按鈕 SB2， 接觸器 KM1、時間繼電器 KT線圈同時通電并自鎖，此 時電動機定子繞組串接電阻 R進行降壓起動。當電動機 轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，時間繼電器 KT常開延時觸頭閉 合，接觸器 KM2線圈通電并自鎖， KM2常閉觸頭斷開并 切斷 KM1、 KT線圈電路，使 KM1、 KT斷電釋放。于是 形成先由 KM1主觸頭串接定子回路電阻 R，再由 KM2主 觸頭短接定子電阻，電動機經(jīng) KM2主觸頭在全電壓下進 入正常運轉(zhuǎn)。 定子繞組串接電阻降壓起動方式不受電動機接線形式的 限制，較為方便。但起動時會消耗大量的電能，所以不 宜用于經(jīng)常起動的電動機上，并且常常用電抗器代替電 阻。 這一講我們就學習到這里，謝謝大家！