机床常用电器及机床控制线路.doc

第一章 机床常用电器及机床控制线路的基本环节 普通机床一般都是由电动机来拖动的，而电动机尤其是三相异步电动机的控制是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等电器组成的电气控制线路来进行的。虽然机床的电气控制线路各不相同，但都是由一些比较简单的基本环节按需要组合而成的。本章介绍常用低压电器及电气控制线路的基本环节。 电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用，在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。 随着电子技术、自控技术和计算机应用技术的迅猛发展，一些电器元件可能被电子线路所取代。但是由于电器元件本身也朝着新的领域扩展（表现在提高元件的性能，生产新型的元件，实现机、电、仪一体化，扩展元件的应用范围等方面），且有些电器元件有其特殊性，所以是不可能完全被取代的。在今后的电气控制技术中继电接触器控制技术仍占有相当重要的地位。另一方面可编程序控制器（PLC）是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产物，而且PLC的输入、输出仍然与低压电器密切相关，因此掌握继电接触器控制技术也是学习和掌握PLC应用技术所必需的基本知识。 电器的功能多、用途广、品种规格繁多，为了系统地掌握，必须加以分类： 1、按工作电压等级分 高压电器 用于交流电压1200V、直流电压1500V及以上电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。 低压电器 用于交流50Hz（或60Hz）、额定电压1200V以下及直流额定电压1500V以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器（简称电器），例如接触器、继电器等。 2、按动作原理分 手动电器 人操作发出动作指令的电器，例如刀开关、按钮等。 自动电器 产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器，例如接触器、继电器、电磁阀等。3、按用途分 控制电器 用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器、电动机起动器等。 配电电器 用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器。 主令电器 用于自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、转换开关等。 保护电器 用于保护电路及用电设备的电器，例如熔断器、热继电器等。 执行电器 用于完成某种动作或传送功能的电器，例如电磁铁、电磁离合器等。本章主要介绍电气控制系统中常用的各种低压电器的结构、工作原理和技术规格，不涉及元件的设计，而着重于应用。 1.1 接触器 接触器是机床电气控制系统中使用量大、涉及面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并具有欠（零）电压保护。 1.1.1结构和工作原理 接触器主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成，结构简图如图1-1所示。 电磁系统： 电磁系统包括动铁芯（衔铁）、静铁芯和电磁线圈三部分组成，其作用是将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触头动作。触头系统： 触头又称为触点，是接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。触头的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触头用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。触头按其原始状态可分为常开触头（动合触点）和常闭触头（动断触点）。原始状态时（即线圈未通电）断开，线圈通电后闭合的触头叫常开触头；原始状态时闭合，线圈通电后断开的触头叫常闭触头。线圈断电后所有触头复位，即恢复到原始状态。灭弧装置：在分断电流瞬间，触头间的气隙中会产生电弧，电弧的高温能将触头烧损，并可能造成其它事故。因此，应采用适当措施迅速熄灭电弧。常采用灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置。 工作原理：接触器根据电磁工作原理，当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作，使常闭触头断开，常开触头闭合，两者是联动的。当电磁线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原，即常开触头断开，常闭触头闭合。接触器的图形符号、文字符号如图1-2所示。 图11 接触器结构简图1-灭弧罩 2-主触头 3-常闭辅助触头 4-常开辅助触头 5-动铁心 6-弹簧 7-电磁线圈 8-静铁心1.1.2 交、直流接触器的特点 接触器按其主触头所控制主电路电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。 1、交流接触器 交流接触器线圈通以交流电，主触头接通、分断交流主电路。 当交变磁通穿过铁芯时，将产生涡流和磁滞损耗，使铁芯发热。为减少铁损，铁芯用硅钢片冲压而成。为便于散热，线圈做成短而粗的圆筒状绕在骨架上。为防止交变磁通使衔铁产生强烈振动和噪声，交流接触器铁芯端面上都安装一个铜制的短路环。交流接触器的灭弧装置通常采用灭弧罩和灭弧栅。 2、直流接触器 直流接触器线圈通以直流电流，主触头接通、切断直流主电路。直流接触器铁芯中不产生涡流和磁滞损耗，所以不发热，铁芯可用整块钢制成。为保证散热良好，通常将线圈绕制成长而薄的圆筒状。直流接触器灭弧较难，一般采用灭弧能力较强的磁吹灭弧装置。 1.1.3 接触器型号 型号意义： 选择接触器时应从其工作条件出发，主要考虑下列因素： 控制交流负载应选用交流接触器；控制直流负载选用直流接触器。 接触器的使用类别应与负载性质相一致。 主触头的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流。还要注意的是接触器主触头的额定工作电流是在规定条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变。对于电动机负载可按下列经验公式计算：式中：为接触器主触点电流（A）；为电动机额定功率（kW）；为电动机的额定电压（V）；为经验系数，一般取11.4。 吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致，接触器在线圈额定电压85及以上时才能可靠地吸合。 主触头和辅助触头的数量应能满足控制系统的需要。 1.2 继电器 继电器主要用于控制和保护电路中作信号转换用。它具有输入电路（又称感应元件）和输出电路（又称执行元件），当感应元件中的输入量（如电流、电压、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。 控制继电器种类繁多，常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及温度、压力、计数、频率继电器等。 电压、电流继电器和中间继电器属于电磁式继电器，其结构、工作原理与接触器相似，由电磁系统、触头系统和释放弹簧等组成。由于继电器用于控制电路，流过触头的电流小,所以不需要灭弧装置。 1.2.1电磁式继电器 电磁式继电器按吸引线圈电流的种类不同有直流和交流两种。其结构及工作原理与接触器相似，但因继电器一般用来接通和断开控制电路，故触点电流容量较小（一般5A以下）。图1-3为电磁式继电器结构示意图，从图中可以看出释放弹簧7调得越紧，则吸引电流（电压）和释放电流（电压）就越大。非磁性垫片9越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻就越大，释放电流（电压）也就越大，而吸引值不变。初始气隙越大，吸引电流（电压）就越大，而释放值不变。可通过调节螺母8与调节螺钉1来整定继电器的吸引值和释放值。下面介绍一些常用的电磁式继电器。 1、电流继电器 电流继电器的线圈串接在被测量的电路中，以反映电路电流的变化。为了不影响电路工作情况，电流继电器线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。 电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两类。欠电流继电器的吸引电流为线圈额定电流的3065，释放电流为额定电流的1020，因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，输出信号。过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.14倍额定电流。在机床电气控制系统中，电流继电器主要根据主电路内的电流种类和额定电流来选择。 2、电压继电器 电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器线圈为并联的电压线圈，所以匝数多、导线细、阻抗大。 电压继电器按动作电压值的不同，有过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器之分。过电压继电器在电压为额定电压的110115以上时有保护动作；欠电压继电器在电压为额定电压的4070时有保护动作；零电压继电器当电压降至额定电压的525时有保护动作。 3、中间继电器 中间继电器实质上是电压继电器的一种，它的触点数多（有六对或更多），触点电流容量大，动作灵敏。其主要用途是当其它继电器的触点数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，从而起到中间转换的作用。 中间继电器主要依据被控制电路的电压等级、触点的数量、种类及容量来选用。机床上常用的中间继电器有交流中间继电器和交直流两用中间继电器。电磁式继电器的图形符号一般是相同的，如图1-4所示。电流继电器的文字符号为KI，线圈方格中用I（或I）表示过电流（或欠电流）继电器。电压继电器的文字符号为KV，线圈方格中用U（或U=0）表示欠电压（或零电压）继电器。 1.2.2 时间继电器 时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型。机床控制线路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，目前晶体管式时间继电器也获得了愈来愈广泛的应用。 1、空气阻尼式时间继电器空气阻尼式时间继电器，是利用空气阻尼作用获得延时的，有通电延时和断电延时两种类型，时间继电器的结构示意图如图1-5所示。它主要由电磁系统、延时机构和工作触点三部分组成。其工作原理如下： 图1-5a为通电延时型时间继电器。当线圈1通电后，铁芯2将衔铁3吸合，推板5使微动开关16立即动作，活塞杆6在塔形弹簧的作用下，带动活塞13及橡皮膜9向上移动，由于橡皮膜下方气室空气稀薄，形成负压，因此活塞杆6不能迅速上移。当空气由进气孔12进入时，活塞杆6才逐渐上移，当移到最上端时，杠杆14才使微动开关15动作。延时时间为自电磁铁吸引线圈通电时刻起到微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺杆11调节进气孔的大小，就可以调节延时时间。 当线圈1断电时，衔铁3在复位弹簧4的作用下将活塞13推向最下端。因活塞被往下推时，橡皮膜下方气室内的空气，通过橡皮膜9、弱弹簧8和活塞13肩部所形成的单向阀，经上气室缝隙顺利排掉，因此延时与不延时的微动开关15与16都迅速复位。将电磁机构翻转180度安装后，可得到图1-5b所示的断电延时型时间继电器。它的工作原理与通电延时型相似，微动开关15是在吸引线圈断电后延时动作的。 空气阻尼式时间继电器的优点是：结构简单、寿命长、价格低廉，还附有不延时的触点，所以应用较为广泛。缺点是准确度低，延时误差大，因此在要求延时精度高的场合不宜采用。 2、晶体管式时间继电器 晶体管式时间继电器具有延时范围广、体积小、精度高、调节方便及寿命长等优点，所以发展快，应用广泛。选择时间继电器主要根据控制回路所需要的延时触点的延时方式、瞬时触点的数目以及使用条件来选择。时间继电器的图形符号如图1-6所示，文字符号为KT。 1.2.3 热继电器 热继电器是利用电流的热效应原理来保护电动机，使之免受长期过载的危害，它的原理图如图1-7所示。电动机过载时间过长，绕组温升超过允许值时，将会加剧绕组绝缘的老化，缩短电动机的使用寿命，严重时会使电动机绕组烧毁。热继电器主要由热元件、双金属片和触点三部分组成。图中1是热元件，是一段电阻不大的电阻丝，接在电动机的主电路中；2是双金属片，是由两种不同线膨胀系数的金属辗压而成，下层金属的线膨胀系数大，上层的小。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，热元件产生的热量使双金属片向上弯曲，经过一定时间后，弯曲位移增大，因而脱扣，扣板3在弹簧4的拉力作用下，将常闭触点5断开。触点5是串接在电动机的控制电路中的，控制电路断开使接触器的线圈断电，从而断开电动机的主电路。若要使热继电器复位，则按下复位按钮6即可。热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能作短路保护。同理，在电动机起动或短时过载时，热继电器也不会动作，这可避免电动机不必要的停车。每一种电流等级的热元件，都有一定的电流调节范围，一般应调节到与电动机额定电流相等，以便更好地起到过载保护作用。热继电器的选择主要根据电动机的额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。热继电器的图形及文字符号如图1-8所示。1.2.4 速度继电器 速度继电器根据电磁感应原理制成的,用于转速的检测，如用来在三相交流异步电动机反接制动转速过零时，自动断开反相序电源。图1-9为其结构原理图。据图知，速度继电器主要由转子、圆环（笼型空心绕组）和触点三部分组成。转子由一块永久磁铁制成，与电动机同轴相联，用以接受转动信号。当转子（磁铁）旋转时，笼型绕组切割转子磁场产生感应电动势，形成环内电流，此电流与磁铁磁场相作用，产生电磁转矩，圆环在此力矩的作用下带动摆锤，克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动，并拨动触点改变其通断状态（在摆锤左右各设一组切换触点，分别在速度继电器正转和反转时发生作用）。速度继电器的动作转速一般不低于120r/min，复位转速约在100 r/min以下，工作时，允许的转速高达10003600 r/min。速度继电器的图形符号如图1-10所示，文字符号为KS。 1.2.5 固态继电器 固态继电器（Solid State Relay）简称SSR，是70年代中后期发展起来的一种新型无触点继电器。由于可靠性高、开关速度快和工作频率高、使用寿命长、便于小型化、输入控制电流小以及与TTL、CMOS等集成电路有较好的兼容性等一系列优点，不仅在许多自动控制装置中替代了常规的继电器，而且在常规继电器无法应用的一些领域，如：在微型计算机数据处理系统的终端装置、可编程序控制器的输出模块、数控机床的程控装置以及在微机控制的测量仪表中都有用武之地。随着我国电子工业的迅速发展，其应用领域正在不断扩大。 固态继电器是具有两个输入端和两个输出端的一种四端器件，其输入与输出之间通常采用光电耦合器隔离，并称其为全固态继电器。固态继电器按输出端负载的电源类型可分为直流型和交流型两类。其中直流型是以功率晶体三极管的集电极和发射极作为输出端负载电路的开关控制的，而交流型是以双向三端晶闸管的两个电极作为输出端负载电路的开关控制的。固态继电器的形式有常开式和常闭式两种，当固态继电器的输入端施加控制信号时，其输出端负载电路常开式的被导通，常闭式的被断开。交流型的固态继电器，按双向三端晶闸管的触发方式可分为非过零型和过零型两种。其主要区别在于交流负载电路导通的时刻不同，当输入端施加控制信号电压时，非过零型负载端开关立即动作，而过零型的必须等到交流负载电源电压过零（接近0V）时，负载端开关才动作。输入端控制信号撤消时，过零型的也必须等到交流负载电源电压过零时负载端开关才复位。固态继电器的输入端要求有几个mA至20mA的驱动电流，最小工作电压为3V，所以MOS逻辑信号通常要经晶体管缓冲级放大后再去控制固态继电器，对于CMOS电路可利用NPN晶体管缓冲器。当输出端的负载容量很大时，直流固态继电器可通过功率晶体管（交流固态继电器通过双向晶闸管）再驱动负载。当温度超过35左右后，固态继电器的负载能力（最大负载电流）随温度升高而下降，因此使用时必须注意散热或降低电流使用。对于容性或电阻类负载，应限制其开通瞬间的浪涌电流值（一般为负载电流的7倍），对于电感性负载，应限制其瞬时峰值电压值，以防损坏固态继电器。具体使用时，可参照样本或有关手册。图1-11所示为用固态继电器控制三相感应电动机线路图。1.3 熔断器 熔断器是一种应用广泛的最简单有效的短路保护电器。在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。 熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。熔体一般由熔点低，易于熔断、导电性能良好的合金材料制成。在小电流的电路中，常用铅合金或锌作成的熔体（熔丝）。对大电流的电路，常用铜或银作成片状或笼状的熔体。在正常负载情况下，熔体温度低于熔断所必须的温度，熔体不会熔断。当电路发生短路或严重过载时，电流变大，熔体温度达到熔断温度而自动熔断，切断被保护的电路。熔体为一次性使用元件，再次工作必须更换新的熔体。 选择熔断器主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。熔断器的类型应根据线路要求和安装条件来选择。熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压。熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如下：对于如照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的电流，即Ifu3I 式中，Ifu 为熔体的额定电流；I为电路的工作电流。对于电动机一类的负载，应考虑起动冲击电流的影响，应按下式计算 Ifu3（1.52.5）IN 式中，IN 为电动机的额定电流。对于多台电动机，如果由一个熔断器保护时，熔体的额定电流应按下式计算 Ifu3（1.52.5）INmax+S IN 式中，INmax 为容量最大的一台电动机的额定电流；S IN为其余电动机额定电流的总和。熔断器的图形及文字符号如图1-12所示。1.4 开关电器 1.4.1刀开关 刀开关（俗称闸刀开关）结构简单，由操作手柄、刀片、触头座和底板等组成。在机床上刀开关主要用来接通和断开长期工作设备的电源。 使用注意的问题：刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。如果倒装，拉闸后手柄可能因自重下落引起误合闸而造成人身和设备安全事故。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样较为安全。 刀开关分单极、双极和二极，机床上常用的三极开关长期允许通过的电流有100A、200A、400A、 600A、1000A五种。 负荷开关有快断刀闸的刀开关与熔断器组合在一起的铁壳开关，常用来控制小容量异步电动机的不频繁起动和停止。刀开关主要根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。若用来控制不经常起停的小容量异步电机时，其额定电流不要小于电动机额定电流的三倍。图1-13 为刀开关结构简图，图1-14 刀开关的图形及文字符号。 1.4.2 转换开关 转换开关又称组合开关，主要用作电源的引入开关，所以也称电源隔离开关。它也可以起停5kW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过1520次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.52.5倍。 转换开关有单极、双极和多极之分。它是由单个或多个单极旋转开关叠装在同一根方形转轴上组成的，在开关的上部装有定位机构，它能使触片处在一定的位置上。 转换开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。图1-15为转换开关的结构示意图，图1-16为转换开关的图形及文字符号。1.5 低压断路器 低压断路器又称为自动开关。低压断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实现保护，当它们发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等的组合，而且在分断故障后一般不需要更换零部件，因而获得了广泛的应用。低压断路器主要有触头和灭弧装置、各种可供选择的脱扣器与操作机构、自由脱扣机构三部分组成。各种包括过流、欠压脱扣器和热脱扣器等。工作原理图如图1-17所示。图中选用了过载和欠压两种脱扣器。开关的主触头靠操作机构手动或电动合闸，在正常工作状态下能接通和分断工作电流，当电路发生短路或过流故障时，过流脱扣器4的衔铁被吸合，使自由脱扣机构的钩子脱开，自动开关触头分离，及时有效地切除高达数十倍额定电流的故障电流。若电网电压过低或为零时，失压脱扣器5的衔铁被释放，自由脱扣机构动作，使断路器触头分离，从而在过流与零压欠压时保证了电路及电路中设备的安全。 1.6 主令电器 自动控制系统中用于发送控制指令的电器称为主令电器。常用的主令电器有控制按钮、行程开关、接近开关、万能开关等几种。 1.6.1 控制按钮控制按钮通常用作短时接通或断开小电流控制电路的开关。控制按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。通常制成具有常开触点和常闭触点的复合式结构，其结构示意图如图1-18所示。指示灯式按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式按钮装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作。旋钮式按钮是用手扭动旋钮来进行操作的。 按钮帽有多种颜色，一般红色用作停止按钮，绿色用作启动按钮。按钮主要根据所许的触点数、使用场合及颜色来进行选择。 按钮开关的图形符号及文字符号如图1-19所示。1.6.2 行程开关 行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置而切换的自动控制电器，用来控制运动部件的运动方向、行程大小或位置保护。行程开关有机械式和电子式两种，机械式常见的有按钮式和滑轮式两种。图1-20为行程开关外形图，图1-21为行程开关图形符号。1.6.3 接近开关 行程开关是有触点开关，工作时由挡块与行程开关的滚轮或触杆碰撞使触点接通或断开的。在操作频繁时，易产生故障，工作可靠性较低。接近开关是无触点开关，具有工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、动作迅速等优点，因此在工业控制系统中应用越来越广泛。 1.7 机床电气原理图的画法规则 电气控制系统是由许多电气元件按一定要求连接而成的。为了便于电气控制系统的设计、分析、安装、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其连接，用一定的图形表达出来，这种图形就是电气控制系统图。电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图。 1.7.1 电气控制系统图中的图形符号和文字符号 电气控制系统图中，电气元件必须使用国家统一规定的图形符号和文字符号。国家规定从1990年1月1日起，今后电气系统图中的图形符号和文字符号必须符合最新的国家标准。目前推行的最新标准是国家标准局颁布GB4728-84电气图用图形符号、GB6988-87电气制图和GB7159-87 电气技术中的文字符号制订通则。 1.7.2 电气原理图 电气原理图是为了便于阅读和分析控制线路，根据简单清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制成的表示电气控制线路工作原理图的图形。在电气原理图中只包括所有电气元件的导电部件和接线端点之间的相互关系，但并不按照各电气元件的实际布置位置和实际接线情况来绘制，也不反映电气元件的大小。下面结合图1-22所示某机床的电气原理图说明绘制电气原理图的基本规则和应注意的事项。绘制电气原理图的基本规则： 原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出：主电路就是从电源到电动机绕组的大电流通过的路径。辅助电路包括控制回路、信号电路及保护电路等，由继电器的线圈和触点、接触器的线圈和辅助触点、按钮、照明灯、控制变压器等电器元件组成。一般主电路用粗实线表示，画在左边（或上部）；辅助电路用细实线表示，画在右边（或下部）。原理图中，各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准来画，文字符号也要符合国家标准。属于同一电器的线圈和触点，都要用同一文字符号表示。当使用相同类型电器时，可在文字符号后面加注阿拉伯数字序号来区分。原理图中，各电器元件的导电部件如线圈和触点的位置，应根据便于阅读和发现的原则来安排，绘在它们完成作用的地方。同电器元件的各个部件可以不画在一起。原理图中所有电器的触点，都按没有通电或没有外力作用时的开闭状态画出。如：继电器、接触器的触点，按线圈未通电时的状态画；按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画出；控制器按手柄处于零位时的状态画等。原理图中，有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示。无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般应按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。 1.7.3 电气元件布置图 电气元件布置图主要用来表示各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。各电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求来决定的，如电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，操作元件要放在操作台及悬挂操纵箱等操作方便的地方，一般电气元件应放在控制柜内。 机床电气元件布置图主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操纵台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。在绘制电气设备布置图时，所有能见到的以及需表示清楚的电气设备均用粗实线绘制出简单的外形轮廓，其它设备（如机床）的轮廓用双点划线表示。 1.7.4 电气安装接线图 电气安装接线图是为了安装电气设备和电气元件时进行配线或检查维修电气控制线路故障服务的。在图中要表示各电气设备之间的实际接线情况，并标注出外部接线所需的数据。在接线图中各电气元件的文字符号、元件连接顺序、线路号码编制都必须与电气原理图一致。图1-23是根据图1-22电气原理图绘制的接线图。图中表明了该电气设备中电源进线、按钮板、照明灯、行程开关、电动机与电气安装板接线端之间的关系，也标注了所采用的包塑金属软管的直径和长度以及理解导线的根数、截面积与颜色。如按钮板与电气安装板的连接，按钮板上有SB1、SB2、HL1与HL2四个元件，根据电气原理图SB1与SB2有一端相连为“地”，其余的2、3、4、6、7、15、16通过7根1mm的红色线接到安装板上相应的接线端，与安装板上的元件相连。 第二章 继电接触控制系统的基本控制电路2.1 电机控制的基本环节 2.1.1 起动、停止控制线路 笼型三相异步电动机的起动、停止控制线路是应用最广泛的、也是最基本的控制线路。如图2-1所示，它由刀开关QS、熔断器FU1、接触器KM的主触头、热继电器FR的热元件和电机M构成主电路，由起动按钮SB2、停止按钮SB1、接触器KM的线圈及其常开辅助触头、热继电器FR的常闭触头和熔断器FU2构成控制回路。电机的起动有全压起动和减压起动两种方式。较大容量的（大于10kW）电机，因起动电流较大（可达额定电流47倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。 线路的工作原理：起动时，合上QS ，引入三相电源。按下SB2，交流接触器KM的线圈通电，KM的主触头闭合，电动机接通电源直接起动运转。同时，与SB2并联的接触器KM的常开触头闭合，使接触器KM线圈经两条路通电。这样，当手松开，SB2自动复位时，接触器KM的线圈仍可通过其常开触头的闭合而继续通电，从而保持电动机的连续运行。这种依靠接触器自身辅助触头使其线圈保持通电的现象称为“自锁”。这一对起自锁作用的辅助触头称为自锁触头。要使电动机M停止运转，只要按下停止按钮SB1，将控制电路断开即可。按下SB1，KM线圈断电释放，KM的三个常开主触头断开，切断三相电源，电动机M停止运转。当手松开，SB1虽复位成常闭状态，但KM的自锁常开触头已断开，KM线圈不能再依靠自锁而通电了。2.1.2 点动控制线路 所谓点动，即按下按钮时电机转动工作，手松开按钮电机停止工作。点动控制多用于机床刀架、横梁、立柱等快速移动和机床对刀等场合。图2-2列出了实现点动控制的几种电气控制线路。图2-2（a）是最基本的点动控制线路。起动按钮SB没有并联接触器KM的自锁触头，按下SB，KM线圈通电，电机起动；手松开按钮SB时，接触器KM线圈又断电，其主触点断开，电机停止运转。图2-2（b）是带手动开关SA的点动控制线路。当需要点动控制时，只要把开关SA断开，由按钮SB2来进行点动控制。当需要正常运行时，只要把开关SA合上，将KM的自锁触点接入，即可实现连续控制。图2-2（c）中增加了一个复合按钮SB3来实现点动控制。需要点动控制时，按下点动控制按钮SB3，其常闭触点先断开自锁电路，常开触头后闭合，接通起动控制电路，KM线圈通电，接触器衔铁被吸合，主触头闭合，接通三相电源，电动机起动运转。当松开点动按钮SB3时，KM线圈断电，KM主触点断开，电机停止运转。 图2-2（d）是利用中间继电器实现点动控制线路。利用点动按钮SB2控制中间继电器KA，KA的常开触头并联在按钮SB3两端以控制接触器KM，再由KM去控制电动机实现点动。当需要连续控制时，由按钮SB3和SB1实现。2.1.3 多地控制线路在大型生产设备上，为使操作人员在不同方位均能进行起停操作，常常要求组成多地控制线路。多地控制线路只需多用几个起动按钮和停止按钮，无需增加其它电器元件。起动按钮应并联，停止按钮应串联，分别装在几个地方，如图2-3所示。通过上述分析，可得出普遍性结论：若几个电器都能控制甲接触器通电，则几个电器的常开触头应并联接到甲接触器的线圈电路中，即逻辑“或”的关系；若几个电器都能控制甲接触器断电，则几个电器的常闭触头应串联接到甲接触器的线圈电路中，即逻辑“与”的关系。2.1.4 可逆运行控制线路各种生产机械常常要求具有上、下、左、右、前、后等相反方向的运动，这就要求电动机能够实现可逆运行。三相交流电动机可借助正、反向接触器改变定子绕组相序来实现。为避免正、反向接触器同时通电造成电源相间短路故障，正反向接触器之间需要有一种制约关系 互锁，保证它们不能同时工作。图2-4给出了两种可逆控制线路。图2-4（a）是电动机“正停反”可逆控制线路，利用两个接触器的常闭触头KM1和KM2相互制约，即当一个接触器通电时，利用其串联在对方接触器的线圈电路中的常闭触头的断开来锁住对方线圈电路。这种利用两个接触器的常闭辅助触头互相控制的方法称为“互锁”，起互锁作用的两对触头称为互锁触头。图2-4（a）这种只有接触器互锁的可逆控制线路在正转运行时，要想反转必先停车，否则不能反转，因此叫做“正停反”控制线路。图2-4(b)是电动机“正反停”控制线路，采用两只复合按钮实现。在这个线路中，正转起动按钮SB2的常开触点用来使正转接触器KM1的线圈瞬时通电，其常闭触头则串联在反转接触器KM2线圈的电路中，用来锁住KM2。反转起动按钮SB3也按SB2的道理同样安排，当按下SB2或SB3时，首先是常闭触头断开，然后才是常开触头闭合。这样在需要改变电动机运动方向时，就不必按SB1停止按钮了，可直接操作正反转按钮即能实现电动机可逆运转。这个线路既有接触器互锁，又有按钮互锁，叫做具有双重互锁的可逆控制线路，为机床电气控制系统所常用。2.2 按连锁控制的规律按连锁控制的规律和按控制过程中变化参量进行控制的规律是组成电气控制线路的基本规律。连锁控制的应用是很广泛的。电动机控制的基本环节中已介绍了自锁控制、互锁控制、正常工作与点动的连锁控制。凡是生产线上某些环节或一台设备的某些部件之间具有互相制约或互相配合的控制，均称为连锁控制。下面再介绍实现按顺序工作时的连锁控制。在机床的控制线路中，常常要求电动机的起停有一定的顺序。例如磨床要求先起动润滑油泵，然后再起动主轴电机；龙门刨床在工作台移动前，导轨润滑油泵要先起动；铣床的主轴旋转后，工作台方可移动等；顺序工作控制线路有顺序起动、同时停止控制线路，有顺序起动、顺序停止控制线路，还有顺序起动、逆序停止控制线路。图2-5为两台电动机的连锁控制线路。 图2-5（a）是顺序起动、同时停止控制线路。在这个控制线路中，只有KM1线圈通电后，其串入KM2线圈电路中的常开触头KM1闭合，才使KM2线圈有通电的可能。按下SB1按钮、两台电机同时停止。图2-5（b）是顺序起动、逆序停止控制线路。停车时，必须按SB3按钮，断开KM2线圈电路，使并联在按钮SB1下的常开触头KM2断开后，再按SB1才能使KM1线圈断电。 通过上面的分析可知，实现连锁控制的关键是正确地选择和安排连锁触头。其相互制约关系（互锁）将各自控制电器的常闭触头串接到对方电器的线圈通路中来保证。要实现顺序动作连锁，则应将先通电的电器的常开触头串接在后通电的电器的线圈通路中，将先断电的电器的常开触头并接到后断电的电器的线圈通路中的停止按钮（或其它断电触头）上。具体方法有接触器和继电器触头的电气连锁，复合按钮连锁，行程开关连锁，操纵手柄以及转换开关连锁等。2.3 按控制过程的变化参量进行控制的规律任何一个生产过程的进行，总伴随着一系列的参数变化，如机械位移、温度、流量、压力、电流、电压、转矩等。原则上说，只要能检测出这些物理量，便可用它来对生产过程进行自动控制。对电气控制来说，只要选定某些能反映生产过程中的参数变化的电器元件，例如各种继电器和行程开关等，由它们来控制接触器或其它执行元件，实现电路的转换或机械动作,就能对生产过程进行控制。常见的有按时间变化、转速变化、电流变化、位置变化参量进行控制的电路，分别称为时间、速度、电流和行程原则的自动控制。2.3.1 时间原则控制电气控制系统按时间原则进行控制，应用极其广泛。时间继电器是时间控制的基本电器。利用时间控制原则可以实现电动机降压起动和制动过程的自动控制，自动间歇和各种动作的时间顺序的控制等。下面举例分析以时间为变化参量的时间原则控制线路。1.定子串电阻降压起动控制线路定子串电阻降压起动是电动机起动时在三相定子电路串接电阻，使得加在定子绕组上的电压降低，起动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。图2-6是定子串电阻降压起动控制线路。该线路是根据起动过程中时间的变化，利用时间继电器来控制降压电阻的切除。工作过程如下： 合上QS，按SB2，KM1线圈得电，KM1辅助常开触点闭合自锁，KM1主触点闭合，电机串电阻R起动。KT线圈得电延时，KT的延时闭合的常开触头闭合，KM2线圈得电，KM2常开触头闭合短接电阻，电动机全电压运行。在图2-6（a）的线路中，电动机起动后，接触器KM1和时间继电器KT的线圈仍一直通电，需要改进。2-6（b）的线路中，接触器KM2得电后，用其常闭触头将KM1及KT的线圈电路断电，同时KM2自锁。这样，在电动机起动后，只有KM2得电使之正常运行。2.自耦变压器（补偿器）降压起动控制线路补偿器降压起动是利用自耦变压器来降低起动电压，达到限制起动电流的目的，常用于大容量笼型异步电动机的起动。电动机起动的时候，定子绕组得到的电压是自耦变压器的副边电压，一旦起动完毕，切断自耦变压器电路，把额定电压直接加在电动机的定子绕组上，电动机进入全压正常运行。图2-7所示的自耦变压器降压起动控制线路是根据起动过程中时间的变化，利用时间继电器来控制自耦变压器的切除。工作过程如下：合上QS，按SB2，KM1线圈得电，KM1主触点闭合，自耦变压器低压侧接入，KM1常开触头闭合，自耦变压器接星形，电机降压起动。同时，KT线圈得电延时，KT瞬时常开触头闭合自锁，KT延时断开的常闭触点延时断开，KM1线圈失电切除自耦变压器T，KT延时闭合的常开触点延时闭合，KM2线圈得电，KM2主触头闭合，电动机进入全压正常运行。自耦变压器绕组一般具有多个抽头以获得不同的变化。在获得同样大小的起动转矩前提下，自耦变压器降压起动从电网索取的电流要比定子串电阻降压起动小得多，或者说，如果两者要从电网索取同样大小的起动电流，则采用自耦变压器降压起动的起动转矩大，其缺点是自耦变压器价格较贵，而且不允许频繁起动。3.星形三角形降压起动控制线路正常运行时定子绕组接成三角形的笼型异步电动机可采用星形三角形降压起动的方法达到限制起动电流的目的。起动时，定子绕组首先接成星形，待转速上升到接近额定转速时，再将定子绕组的接线换接成三角形，电动机便进入全电压的正常运行状态。因功率在4kW以上的三相笼型异步电动机均为三角形接法，故都可采用星形三角形起动方法。图2-8所示的是13kW以上的电动机用三个接触器换接的星形三角形降压起动控制线路，它是根据起动过程中时间的变化，利用时间继电器来控制星形三角形的换接。 工作过程如下：起动时，按SB2，接触器KM1、KM3线圈得电，KM1、KM3的主触点使定子绕组接成星形，电动机减压起动。同时时间继电器KT线圈得电，经一段延时后电动机已达到额定转速，其延时断开常闭触点KT断开，使KM3失电，而延时闭合常开触点KT闭合，接触器KM2线圈得电，使电动机定子绕组由星形换接到三角形，实现全电压运行。线路中KM2和KM3的常闭触头构成互锁，保证电动机绕组只能连接成一种形式，即星形或三角形，以防止同时连接成星形和三角形而造成电源短路。与其它降压起动相比，星形三角形降压起动投资小，线路简单，但起动转矩小。这种起动方法只适用于空载或轻载状态下。4.双速电动机的控制线路 三相笼型异步电动机的调速方法之一是依靠变更定子绕组的极对数来实现的。图2-9为4/2极的双速异步电动机定子绕组接线示意图，图（a）将电动机定子绕组的U1、V1、W1三个接线端接三相交流电源，而将电动机定子绕组的U2、V2、W2三个接线端悬空，三相定子绕组接成三角形。此时每相绕组中的、线圈串联，电流方向如图（a）中箭头所示，电动机以四极运行为低速。若将电动机定子绕组的U2、V2、W2三个接线端子接三相交流电源，而将另外三个接线端子U1、V1、W1连在一起如图（b）所示，则原来三相定子绕组的三角形接线变为双星形接线，此时每相绕组中的、线圈相互并联，电流方向如图（b）中箭头所示，于是电动机便以两极运行为高速。 图2-10所示的双速电动机控制线路采用两个接触器来换接电动机的出线端以改变电动机的转速。图（a）中由复合按钮SB2和SB3分别控制电动机低速和高速运行，其工作过程请读者自行分析。图2-10（b）为双速电动机接成低速起动，然后自动切换成高速运转的控制线路，它也是根据起动过程中时间的变化，利用时间继电器控制低、高速的转换。按下按钮SB2时，断电延时的时间继电器KT的线圈通电，其延时断开的常开触头立即闭合，使接触器KM1的线圈通电，将电动机的定子绕组接成三角形，低速起动，同时使中间继电器KA通电并自锁。KA的常闭触头断开使时间继电器KT断电，经延时，KT的常开触头断开，接触器KM1断电，其常闭触头复位使接触器KM2通电，电动机便自动地从三角形接法换接成双星形接法，变为高速运行。2.3.2 行程原则控制 行程原则控制取行程为变化参量，行程开关是行程原则控制的基本电器。行程开关装在所需地点，当装在运动部件上的撞块碰动行程开关时，行程开关的触头动作，从而实现电路的切换。行程控制主要用于机床进给速度的自动换接、自动工作循环、自动定位以及运动部件的限位保护等。图2-11是两个动力头的行程控制线路，它是由行程开关来实现动力头的往复运动的。工作循环的动作顺序首先是动力头I由位置a移动到位置b停下；然后动力头II由位置c移动到位置d停住；接着动力头I和II同时退回原位停下。限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别装在床身的a、b、c、d处。动力头I和II分别由电动机M1和M2驱动，在原位时分别压下SQ1和SQ3。线路工作过程如下：按起动按钮SB，接触器KM1线圈通电并自锁，电动机M1正转带动机床运动部件左移，当运动部件移至左端并碰到SQ2时，将限位开关SQ2压下，使KM1失电，动力头I停止。同时接通KM2线圈，电动机正转，带动运动部件右移，当移至右端撞块碰到限位开关SQ4时，使KM2失电，同时KM3、KM4得电吸合并自锁，电动机M1和M2都反转，使动力头I和II都向原位退回。当退到原位时，限位开关SQ1、SQ3分别被压下，使KM3和KM4失电，两个动力头都停在原位。2.4 三相异步电动机的制动控制线路2.4.1 能耗制动控制线路电动机的电磁转矩与旋转方向相反的运行状态是电气制动状态。笼型异步电动机的制动常采用能耗制动，就是在电动机脱离三相交流电源之后，向定子绕组内通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用产生制动的电磁转矩，达到制动的目的。在制动过程中，电流、转速和时间三个参量都在变化，原则上可以任取其中一个参量作为控制信号。取时间作为变化参量，其控制线路简单、成本较低，故实际应用较多。图2-12是时间原则控制的单向能耗制动控制线路。设电动机已经正常运行，运行时线圈得电。要想停车制动，需按停止按钮。制动过程如下：设电机正在正向运转，需要停车制动时，按下停止按钮SB1，KM1断电，KM2和KT线圈通电并自锁，KM2的主触头闭合，将直流电源接入电动机定子绕组，进行能耗制动。经过一段时间，KT的延时断开的常闭触头断开，接触器KM2断电，切断通往电动机的直流电源，时间继电器KT也随之断电，电动机能耗制动结束。图中自锁回路中的瞬时常开触头的作用是为了考虑时间继电器KT线圈断线或机械卡住故障时，断开接触器KM2的线圈通路，使电动机定子绕组不致长期接入直流电源。速度原则控制取转速为变化参量。速度继电器是检测转速和转向的自动电器，也是速度控制的基本电器。利用速度原则可以实现电动机反接制动和能耗制动的自动控制，以及电动机的低速脉动控制等。图2-13是速度原则控制的单向能耗制动控制线路。采用了速度继电器来检测电动机的速度变化，在1203000r/min范围内速度继电器触点动作，当转速低于100r/min时，其触点复位，速度继电器要与电动机同轴旋转。制动过程如下：电动机正常运行，速度继电器的常开触头KS闭合，为制动做准备。当要停车制动时，按下复合按钮SB1，接触器KM1线圈断电，其三个主触头断开，切断通往电动机的交流电源，同时接触器KM2线圈通电，其三个主触头闭合，给电动机通直流电，进入能耗制动。当电动机的转速下降至接近零时，KS的常开触头断开，使KM2线圈断电，其常开触头断开，切除直流电源，能耗制动结束。2.4.2 反接制动控制线路反接制动是利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生相反方向的旋转磁场，因而产生制动转矩的制动方法。反接制动常采用转速为变化参量进行控制。由于反接制动时，转子与旋转磁场的相对速度接近于两倍的同步转速，所以定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接起动时电流的两倍，因此反接制动特点之一是制动迅速，效果好，冲击大，通常仅适于10kW以下的小容量电动机。为了减小冲击电流，通常要求在电动机主电路中串接限流电阻。 图2-14为电动机单向反接制动控制线路。电动机正常运行时，KM1通电，速度继电器常开触头KS已闭合（为制动做准备）。停转制动过程如下：当正转接触器KM1闭合，电动机接正相序三相电源运转时，速度继电器KS常开触头闭合，为反接制动时接触器KM2线圈通电作好准备。停车时，按下停止按钮SB1，KM1线圈断电，电动机脱离三相电源作惯性转动。同时接触器KM2线圈通电吸合并自锁，使电动机定子绕组中三相电源的相序相反，电动机进入制动状态，转速迅速下降。当电动机转速降到接近零时，速度继电器KS常开触头复位，接触器KM2线圈通电，正向反接制动过程结束。2.5 电动机控制的保护环节电气控制系统除了要能满足生产机械加工工艺的要求外，还应保证设备长期安全、可靠、无故障地运行，因此保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分，用来保护电动机、电网、电气控制设备及人身安全。电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过载保护、零压、欠压保护及弱磁保护。2.5.1 短路保护电机、电器以及导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。短路电流可能使电器设备损坏，因此要求一旦发生短路故障时，控制线路能迅速切断电源。常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。由于熔断器价格便宜，断弧能力强，所以一般电路几乎无例外地用它作短路保护。但是熔体的品质、老化及环境温度等因素对其动作值影响很大。用其保护电动机时，可能只有一相熔体烧断而造成电动机单相运行，用自动开关作短路保护则能克服这些缺陷。当出现短路时，其电流线圈动作，将整个开关跳开，三相电源同时被切断。自动开关还兼有过载保护和欠压保护，不过其结构复杂，价格贵，不宜频繁操作，一般用在要求高的场合。2.5.2 过电流保护电动机不正确地起动或负载转矩剧烈增加会引起电动机过电流运行。一般情况下这种过电流比短路电流小，但比电动机额定电流却大得多。在电动机运行过程中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转起动的重复短时工作制的电动机中更是如此。过电流的危害虽没有短路那么严重，但同样会造成电动机的损坏。原则上，短路保护所用元件可以用作过电流保护，不过断弧能力可以要求低些，完全可以利用控制电动机的接触器来断开过电流，因此常用瞬时动作的过电流继电器与接触器配合起来作过电流保护，过电流继电器作为测量元件，接触器作为执行元件断开电路。由于笼型电动机起动电流很大，如果要使起动时过电流保护元件不动作，其整定值就要大于起动电流，那么一般的过电流就无法使之动作了。所以过电流保护一般只用在直流电动机和绕线式异步电动机上。整定过电流动作值一般为起动电流的1.2倍。2.5.3 过载保护电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆，寿命减少，严重时会使电机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器作过载保护的同时，还必须设有短路保护，选作短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4倍热继电器发热元件的额定电流。必须强调指出，短路、过电流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流的动作值、保护特性和保护要求以及使用元件的不同，它们之间是不能相互取代的。2.5.4 零电压和欠电压保护在电动机运行中，