机床常用电器及机床控制线路

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