电机速度控制及机床控制线路.ppt

第2章电气控制线路的基本环节 电气控制线路是由许多电器元件按一定的要求连接而成的 为了表达生产机械的电气控制系统的结构 原理等设计意图 为了便于电气系统的安装 调试 使用和维修 需要将电气控制系统中各电器元件及其连接线路用一定的图形表达出来 这种图就是电器控制系统图 电气控制系统图一般有三种 电气原理图 电器布置图和电气安装接线图 在图上用不同的图形符号来表达各种电器元件 用不同的文字符号来说明图形符号所代表的电器元件的基本名称 主要特征及编号等 2 5三相异步电机速度控制线路 根据三相异步电动机的转速公式 得出三相异步电动机的调速可使用改变电动机定子绕组的磁极对数 改变电源频率或改变转差率的方式 改变转差率调速又可分为绕线转子电动机在转子电路中串接电阻调速 绕线转子电动机串级调速 异步电动机交流调压调速等 2 5 1三相笼型电动机的变极调速三相笼型电动机采用改变磁极对数调速 当改变定子极数时 转子极数也同时改变 笼型转子本身没有固定的极数 它的极数随定子极数而定 电动机变极调速的优点是 它既适用于恒功率负载 又适用于恒转矩负载 线路简单 维修方便 缺点是有级调速且价格昂贵 改变定子绕组极对数的方法有 1 装一套定子绕组 改变它的连接方式 得到不同的极对数 2 定子槽里装两套极对数不一样的独立绕组 3 定子槽里装两套极对数不一样的独立绕组 而每套绕组本身又可以改变它的连接方式 得到不同的极对数 V1 星形连接 双星形连接 V2 V2 V1 W1 W1 W2 U1 U2 U1 U2 W2 双速电机控制电路 2 5 2异步电动机的变频调速改变异步电动机的供电频率 即可平滑地调节同步转速 实现调速运行 变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性 通过改变电动机的供电频率进行调速的 在交流异步电动机的各种调速方法中 变频调速具有调速范围大 稳定性好 运行效率高的特点 已逐步得到推广及应用 通用变频器可以应用于普通的异步电动机调速控制 除此之外 还有高性能专用变频器 高频变频器 单相变频器等 由电动机理论可知 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 如果不计定子阻抗压降 则 式中 U1 定子电源电压 V E1 定子绕组感应电势 V f1 定子电源的频率 Hz 气隙磁通 Wb N1 线圈匝数 由上式可见 若端电压U1不变 则随着的f1升高 气隙磁通 将减小 又由转矩公式 式中 I2 转子电流 A Ct 转矩常数 cos2 转子电路功率因数 可以看出 的减小势必会导致电动机允许输出转矩T的下降 降低电动机的出力 同时 电动机的最大转矩也将降低 严重时会使电动机堵转 若维持端电压U1不变而减小f1 则气隙磁通 将增加 这就会使磁路饱和 励磁电流上升 导致铁损急剧增加 这也是不允许的 因此在许多场合 要求在调频的同时改变定子电压 以维持接近不变 1 基频以下的恒磁通变频调速这是考虑从基频 电动机额定频率 向下调速的情况 为了保持电动机的负载能力 应保持气隙主磁通不变 这就要求在降低供电频率的同时降低感应电动势 保持U1 f1 常数 即保持电动势与频率之比为常数 这种控制又称为恒磁通变频调速 属于恒转矩调速方式 但是难于直接检测和直接控制 当频率较高时 定子的漏阻抗压降相对比较小 如忽略不计 则可以近似地保持定子电压和频率的比值为常数 即认为 保持U1 f1 常数 这就是恒压频比控制方式 是近似的恒磁通控制 2 基频以上的弱磁变频调速这是考虑由基频开始向上调速的情况 当频率由额定值向上增大时 电压由于受额定电压U1N的限制不能再升高 只能保持U1 U1N不变 这样必然会使主磁通随着f1的上升而减小 相当于直流电动机弱磁调速的情况 即近似的恒功率调速方式 2 6常用机床电气控制线路分析 在前面讨论了三相交流异步电动机的基本控制线路 这些基本线路是机床电气继电器 接触器控制系统的基本环节 机床的电气自动控制系统 不仅能完成启动 制动 反转和调速等一些基本要求 而且应保证机床各动作的准确与协调 以满足生产工艺所提出的具体要求 即工作可靠 可实现操作自动化 在本节中 我们将以几台典型机床控制线路为例 分析机床控制线路的工作原理 从而提高识图能力 2 6 1普通车床电气控制线路在金属切削机床中普通车床所占比重最大 应用最广的机床 它能完成切削内圆 外圆 端面 攻螺纹 螺杆 钻孔 镗孔 倒角 割槽及切断等加工工序 车床的基本运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转 溜板带动刀架直线移动 前者称为主运动 它承受车削时的主要切削功率 后者称为进给运动 它使刀具移动 以切削新的金属 普通车床的结构示意图1 进给箱2 挂轮箱3 主轴变速箱4 溜板与刀架5 溜板箱6 尾架7 丝杠8 光杠9 床身 车削加工的切削速度是指工件与车刀接触点的相对速度 根据被加工零件的材料的性质 车刀材料 几何形状 工件的直径 加工方式及冷却条件的不同 要求具有不同的切削速度 因而主轴就需要在相当大的范围内变速 对于普通车床 其调速范围一般在70以上 车削加工一般不要求反转 但在加工螺纹时 为避免乱扣 需要反转退刀 并保证工件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系 因而溜板箱与主油箱之间通过齿轮传动系统连接 刀架移动与主抽旋转都是由同一台电动机拖动 车削的特点之一是近似恒功率负载 因而一般中小型车床部是采用鼠笼式异步电动机拖动的 其作用是配合齿轮变速箱实行机械调速 以满足车削负载的要求 这种调速方式是恒功率调速 少数几种车床也采用多速鼠笼式异步电动机拖动 但仅靠改变成极对数的电气凋速还不能满足调速范围的要求 仍需采用变速箱 形成机电配合调速 为了与负载性质相适应 多速异步电动机也是采用恒功率性质的调速方式 而带有电气调速的车床可以在工作过程中进行电气调速 无需停车 无论是机械调速还是变极对数的机电配合调速 都属于有级调速 存在一定的速度损失 影响机床效率的充分发挥 这对中 小型车床来说不是主要矛盾 但对重型或超重型车床就值得重视 因而这类机床往往在考虑拖动方案上采用复杂昂贵的直流拖动系统 以获得平滑调速 保证机床能提供所需要的切削速度 可以最大限度地发挥机床的效能 这类车床一船只在大型工厂内使用 但也为数极少 在一般中 小型普通车床的拖动方案个均采用价格便宜 运转可靠的交流鼠笼式异步电动机 车床的辅助运动是指刀架的快进与快退 尾架的移动与工件的夹紧和松开 车床的辅助运动采用自动控制 可以减轻体力劳动 缩短辅助工时 提高生产率 其拖动一般采用小型异步电动机 中 小型车床的电气控制线路的特点是 采用交流异步电动机拖动 且一般主轴运动和进给运动都由一台主轴电动机拖动 因而控制线路简单 操作方便 其主轴电动机的启动和停止能实现自动控制 启动方式按其容量而定 当电动机容量在5KW左右时 均采用直接启动 而容量在10KW以上时 为避免对电网的冲击 采用降压启动 对主轴电动机空载启动的机床 虽电动机容量较大 但也可采用直接启动 如上海机床厂制造的C650车床 其主轴电动机功率为20KW 却采用了直接启动方式 主轴电动机的制动有电气制动相机械制动两种方式 调速方式通常采用变速箱 以实现机械有级调速的目的 主轴旋转方向的改变有两种方法 一是电气方法 一是采用离合器的机械方法 或者两种制动方法同时采用 这可以根据不同的要求进行选择 车床加工时需要对刀具进行冷却 所以 一般车床都有一台鼠笼式电动机拖动冷却泵 有的尚备一台润滑油泵电动机 1 C616普通车床控制线路 1 线路介绍该车床有三台电动机 M1为主电机 M2为润滑泵电机 M3为冷却泵电机 三台电动机由380V三相交流电源供电 由断路器QA接通 完成操作前电路的准备工作 2 电路工作原理在启动主电动机前 需要先起动润滑油泵电动机MA2 才能允许主电动机MA1启动 其作用是保证车床主油箱润滑良好后 方可启动主电动机MA1 主轴电机的控制属于直接正反转控制 不再介绍 3 控制线路的保护措施主电动机有必要的短路保护和过载保护 这是由FAl和BB实现的 此机床由于其冷却电动机及润滑电动机的容量小 为了尽量减少电器的使用 所以末用过载保护 只设置了短路保护 FA2 变压器副边为电源指示灯PG提供6 3V电压 为机床照明灯EA提供36V电压 EA由开关SF6控制 SF6 FA4 FA3 BB M3 QA1 BB QA0 L1L2L3 MA1主电机 M3 QA3 MA2润滑电机 M3 MA3冷却泵电机 QA2 FA2 TA EA SF5 QA3 QA3 QA1 SF2 SF1 QA1 QA2 SF2 SF3 SF3 QA2 QA2 QA1 QA3 SF4 PG FA1 6 3V 36V 2 C650普通车床控制线路 1 机床的主要结构和运动形式C650卧式车床属于中型车床 可加工的最大工件回转直径为1020mm 最大工件长度为3000mm 其主要由床身 主轴 刀架 溜板箱和尾架等部分组成 该车床有两种主要运动 一种是安装在床身主轴箱中的主轴运动 称为主运动 另一种是溜板箱中的溜板带动刀架的直线运动 称为进给运动 刀具安装在刀架上 与滑板一起沿主轴轴线方向实现进给移动 主轴的转动和溜板箱的移动均由主电机驱动 由于加工的工件比较大 加工时其转动惯量也比较大 需要有停车制动的功能 为了加工螺纹等工件 主轴需要正 反转运动 主轴转速应该在相当大的范围内可以调节 还需要提供切削液 并且为了减轻工人的劳动强度和节省辅助工作时间 而要求带动刀架移动的滑板能够快速移动 2 电力拖动及控制要求从车床的加工工艺出发 对拖动控制有如下要求 A 主轴电机的点动 直接起动 双向运行与反接制动 B 冷却泵电机直接起动和停止 C 刀架快速移动电机直接起动和停止 D 具有必要的短路和过载保护 E 应有安全的照明装置 3 主电路分析 BB1 M3 QA1 QA0 L1L2L3 MA1主电机 M3 QA4 MA2冷却泵电机 M3 MA3快移电机 QA2 QA3 RA KF1 A PA BB2 FA1 QA5 BS FA2 主电机MA1的短路保护由断路器QA0完成 QA1为正转接触器 QA2为反转接触器 电流表PA监视主电机绕组工作时的电流变化 为防止电流表被起动电流冲击损坏 利用时间继电器KF1在起动时短时将电流表短接 接触器QA3可控制主电路中是否接入限流电阻RA 用于防止频繁点动和反接制动时的过大电流 速度继电器BS用于反接制动时的速度检测 正常正转时BS2动合触点闭合 正常反转时BS1动合触点闭合 刀架快移电机短时工作 不设过载保护 4 控制电路分析 主电机点动控制 正转 BS2闭合 SF6 FA4 FA3 BB1 M3 QA1 QA1 SF3 BB1 SF1 QA1 KF1 QA0 QA2 QA3 L1L2L3 MA1主电机 M3 QA4 MA2冷却泵电机 M3 MA3快移电机 QA2 QA3 RA KF1 A PA BB2 FA1 QA5 BS TA EA 36V 110V FA5 SF2 KF2 SF3 KF2 KF2 n BS1 QA3 n BS2 SF4 SF4 QA2 QA2 QA1 KF2 BB2 SF5 QA4 QA4 BG QA5 FA2 4 控制电路分析 主电机正转起动 通过KF2自锁 断开制动 KF2 SF6 FA4 FA3 BB1 M3 QA1 QA1 SF3 BB1 SF1 QA1 KF1 QA0 QA2 QA3 L1L2L3 MA1主电机 M3 QA4 MA2冷却泵电机 M3 MA3快移电机 QA2 QA3 RA KF1 A PA BB2 FA1 QA5 BS TA EA 36V 110V FA5 SF2 KF2 SF3 KF2 KF2 n BS1 QA3 n BS2 SF4 SF4 QA2 QA2 QA1 KF2 BB2 SF5 QA4 QA4 BG QA5 FA2 KF2 4 控制电路分析 主电机正转中制动 正转过程中 按下停车按钮SF1 则QA1 QA3 KF1均失电 当停车按钮释放 由于惯性 速度继电器触点BS2仍然闭合 使QA2得电 但不能自锁 进入反接制动过程 当速度降低到一定程度 BS2断开 制动结束 2 6 2X62W卧式万能铣床电气控制线路分析1 铣床的结构 X62W万能卧式铣床结构示意图1 底座2 进给电动机3 升降台4 进给变速手柄及变速盘5 溜板6 转动部分7 工作台8 刀架支杆9 悬梁10 主轴11 主轴变速盘12 主轴变速手柄13 床身14 主轴电动机 2 机床运动和传动情况主运动 主轴的旋转运动进给运动 工作台在三个相互垂直方向上的直线运动 手动或机动 辅助运动 工作台在三个相互垂直方向上的快速直线运动铣床采用单独传动形式 即主轴和工作台分别由两台电动机拖动 且进给电动机与进给箱均安装在升降台上 这样 快速移动也由进给电动机经快速传动链来获得 为提高主轴旋转的均匀性并消除铣削加工时的振动 主轴上装有飞轮 主轴由主轴电动机经主轴变速箱驱动 可获得18种转速 调速范围为50 工作台在三个方向上的进给运动 由进给电动机经进给变速箱获得18种不同转速再经不同传动路线传递给三个进给丝杠来实现 3 万能卧式铣床的电力拖动特点与控制要求 1 采用单独传动 即主轴和工作台分别由主轴电动机 进给电动机拖动 而工作台工作进给与快速移动由进给电动机拖动 经电磁离合器传动来获得 2 主轴能移实现正 反转但旋转方向不需经常改变 3 采用电磁离合器控制主轴停车制动和主轴上刀制动 4 进给电动机能正 反转 而且 同一时间只允许工作台只有一个方向的移动 故应有联锁保护 5 使用圆工作台时 工作台不得移动 6 主轴旋转和工作台进给应有先后顺序控制 7 应有冷却泵电动机拖动冷却泵 供给冷却液 8 为适应铣削加工时操作者的正面与侧面操作要求 机床应对主轴电动机的起动与停止及工作台的快速移动控制 具有两地操作 9 工作台上下 左右 前后六个方向的运动应具有限位保护 10 应有局部照明电路 FA2 BB1 M3 SF1 QA0 L1L2L3 MA1主电机 M3 MA2冷却泵电机 M3 MA3进给电机 QA1 BB2 FA1 QA3 48V QA2 SF7 SF8 BB3 FA3 TA TB FA4 SF2 SF9 MB1 MB2 MB3 QA4 QA4 FA5 6V PG FA6 24V EA FA7 110V 4 控制线路分析 主电路及主轴制动 工作台工进和快进 SF8换向开关可改变主轴转向 SF1 SF2两地停车按钮 SF9为换刀旋钮 QA4得电表示工作台快动方式 失电表示工作台工进方式 SF10 为控制电路供电 4 控制线路分析 主轴电机的起动和停止 停止时通过电磁制动器MB1进行制动 SF3 SF4两地起动 SF1 SF2两地停车 4 控制线路分析 主轴换铣刀控制 为避免更换铣刀时主轴转动 应将主轴制动 旋钮SF9旋至换刀位置 动合触点闭合 电磁制动器器MB1得电 将电动机主轴抱住 同时动断触点断开 切断控制电路 4 控制线路分析 主轴变速时的冲动控制冲动控制目的是使齿轮系统调整传动比以后能够快速重新啮合 冲动控制是利用变速手柄与冲动行程开关BG7 有点动功能 通过机械联动机构实现的 见下图所示 主轴变速的冲动控制示意图1 变速手柄 2 凸轮3 弹簧杆 4 变速盘 4 控制线路分析 工作台进给控制 工作台左右移动选择手柄在左 BG2受压 在右 BG1受压 在中位 BG1 BG2都不受压 工作台上下 左右 移动选择手柄在下 前 BG3受压 在上 后 BG4受压 在中位 BG3 BG4都不受压 选择圆工作台工作 则旋钮SF11相对于当前状态发生动作 选择平面工作台 则旋钮SF11处于当前位置 上下 前后的实现依靠传动链的不同 利用控制线路实现进给方向的联锁 利用BG6实现进给冲动控制 2 6 3Z4030摇臂钻床控制线路分析1 结构与运动形式 2 控制要求运动部件较多 采用多电动机拖动 要求主轴及进给有较大的调速范围 主运动与进给运动由一台电动机拖动 经主轴与进给传动机构实现主轴旋转和进给 主轴要求正反转 由机械方法获得 主轴电动机只需单方向旋转 对立柱 主轴箱及摇臂的夹紧放松采用液压技术 具有必要的联锁与保护 QA5 SF4 3 控制线路 主轴电动机的控制过程 FA2 BB1 M3 QA0 L1L2L3 MA1主电机 M3 MA4冷却泵电机 M3 MA2摇臂升降电机 QA1 FA1 QA2 SF7 BB2 QA3 M3 BB3 QA4 QA5 TA 201 24V FA3 301 6V FA4 110V BB2 BB1 SF2 QA1 QA1 BG2 QA2 QA3 FA5 BG5 SF1 BG1 BG6 KF1 SF3 SF4 SF3 QA3 QA2 BG2 KF1 BB3 QA4 QA5 QA4 SF5 BG3 SF6 KF1 KF1 SF5 SF6 MB MA3液压泵电机 通过按钮SF1 SF2完成 3 控制线路 摇臂升降及夹紧 放松控制 摇臂钻床工作时 摇臂应夹紧在外立柱上 在摇臂上升或下降之前 须先松开夹紧装置 当摇臂上升或下降到预定位置时 夹紧装置应自动将摇臂夹紧 行程开关BG1为摇臂上升极限位置保护 BG6为摇臂下降极限位置保护 QA5 SF4 3 控制线路 主轴箱与立柱的夹紧与放松 FA2 BB1 M3 QA0 L1L2L3 MA1主电机 M3 MA4冷却泵电机 M3 MA2摇臂升降电机 QA1 FA1 QA2 SF7 BB2 QA3 M3 BB3 QA4 QA5 TA 201 24V FA3 301 6V FA4 110V BB2 BB1 SF2 QA1 QA1 BG2 QA2 QA3 FA5 BG5 SF1 BG1 BG6 KF1 SF3 SF4 SF3 QA3 QA2 BG2 KF1 BB3 QA4 QA5 QA4 SF5 BG3 SF6 KF1 KF1 SF5 SF6 MB MA3液压泵电机 3 控制线路 照明指示电路 FA2 BB1 M3 QA0 L1L2L3 MA1主电机 M3 MA4冷却泵电机 M3 MA2摇臂升降电机 QA1 FA1 QA2 SF7 BB2 QA3 M3 BB3 QA4 QA5 TA 201 24V FA3 301 6V FA4 110V FA5 BG4 SF7 MA3液压泵电机 201 24V EL BG4 301 6V PG1 PG2 QA1 PG3 EL 照明灯 PG1 主轴箱松开指示灯 PG2 主轴箱夹紧指示灯 PG3 主电机工作指示灯