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1、第 2 章 机床电气控制的基本环节,2.1 电气原理图 2.2 三相笼型异步电动机的直接启动控制线路2.3 三相笼型异步电动机的降压启动控制线路2.4 电动机正反转控制线路2.5 电动机制动控制线路2.6 双速电动机的高低速控制线路2.7 电动机的保护环节2.8 电液联合控制思考题与习题二,2.1 电 气 原 理 图,1.绘制电气原理图时应遵循的原则绘制电气原理图时应遵循以下原则：(1)主电路标号由文字符号和数字组成,其中的文字符号标明主电路中的电气元件或线段的主要特征,数字区别电路的不同线段,如图中的UVW、U1V1W1和U2V2W2等。,(2)控制电路采用阿拉伯数字编号,由三位或三位以下的
2、数字组成。在垂直绘制的电路中,标号顺序由上而下、从左到右编号,凡是被线圈、绕组、触头或电阻、电容等元件所间隔的线段,都应标以不同的电路标号。(3)从电源到电动机的电路,通过的电流较大，称为主电路，用粗线条绘制;辅助电路(包括控制电路、照明电路和信号电路)的电流小,用细线条绘制。(4)无论是主电路还是辅助电路,各电气元件按动作顺序从上到下、从左到右依次排列,可垂直布置或水平布置。,(5)标出各电源电路的电压值、极性、频率、相数。(6)继电器、接触器的触头按吸引线圈未通电状态画,按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画。(7)同一电器的各导电部件(如继电器、接触器的线圈和触点)按照它们在电路中
3、的联系分开画,但用相同的文字符号表示。对完成相同性质作用的几个电器,在相同的文字符号右下角加上数字序号,以示区别。,(8)动力电路的电源电路绘成水平线,电动机及其保护电器支路绘成垂直线;辅助电路垂直地绘在两条或几条水平电源线之间,线圈、电磁铁、照明灯、信号灯、指示灯接在接地的水平电源线上,控制触点连另一电源线。(9)有直接电联系的十字交叉导线连接点必须用黑圆点表示,否则不画黑圆点。,图2-1 CW6132型车床电气原理图,2.图面区域的划分 在原理图上方将图分成若干图区,并标明该区电路的用途与作用。原理图下方的1、2、3、数字是图区编号,它是为便于检索电气线路、方便阅读分析设置的。,3.继电器
4、、接触器的线圈与触头对应位置的索引 在继电器、接触器线圈下方列有触头表,说明线圈对应的触头所在图区号。接触器KM线圈下方从左至右第一栏标注常开主触头所在图区号,第二栏标注辅助常开触头所在图区号,第三栏标注常闭辅助触头所在图区号;中间继电器、电流继电器KA线圈下方从左至右第一栏标注常开触头所在图区号,第二栏标注常闭触头所在图区号;时间继电器KT线圈下方从左至右第一栏标注延时常开触头所在图区号,第二栏标注延时常闭触头所在图区号,第三栏标注瞬动常开触头所在图区号,第四栏标注瞬动常闭触头所在图区号。在继电器、接触器的触头下面标注触头对应的线圈所在图区号。,4.技术数据的标注 在电气原理图中还应标注各电
5、气元件的技术数据,如熔断器熔体的额定电流、热继电器的动作电流范围及其整定值、导线的截面积等。,2.2.1 直接启动控制线路直接启动是一种最简单的启动方式,启动时,通过一些直接启动设备把全部电源电压(即全压)直接加到电动机的定子绕组。一般规定异步电动机的功率低于7.5 kW时允许启动,如果功率大于7.5 kW但符合下式要求者也可直接启动:,如不满足上式,则必须采用降压启动的方法(见2.3节)。,2.2 三相笼型异步电动机的直接启动控制线路,图 2-2 用开关直接启动线路,图 2-3 用接触器直接启动线路,2.2.2 点动与长动控制线路图2-3中的接触器辅助触点KM是自锁触点,其作用是,当放开启动
6、按钮SB2后仍可保证KM线圈通电,电动机运行(长动)。通常将这种用接触器本身的触点来使其线圈保持通电的环节称做自锁环节。如果启动按钮SB2不并联触点KM,则松开SB2后KM线圈断电,电动机停止运行,此即为点动方式。点动用于机床刀架、横梁、立柱的快速移动以及机床的调整对刀等。图2-4(a)、(b)、(c)所示分别为用按钮、开关、中间继电器来实现点动的控制线路。长动与点动的主要区别是控制电器能否自锁。,图 2-4 点动控制线路,2.2.3 多点起停控制线路在大型机床设备中,为了操作方便,常要求能在多个地点对机床进行控制。如图25(a)中将启动按钮并联、停止按钮串联,可在三个地方对机床实行启停控制。
7、图2-5(b)中则将启动按钮串联,只有几个启动按钮都被压下时设备才能工作,可保证操作安全。,图 2-5 多点启停控制线路,2.2.4 顺序启停控制线路某些机床经常要求电动机有顺序地启动,如主轴必须在液压泵工作后才能工作,主轴旋转后工作台才能运动,主轴停转后润滑泵才能停止工作等等。图2-6中,启动时,合上开关Q,按下SB2,KM1线圈得电自保,电动机M1启动运转;再按下SB4,KM2线圈得电自保,M2启动,同时将SB1锁住。停车时,先按下SB3,KM2线圈失电,其常开辅助触头复位,M2停转;再按下SB1,KM1线圈失电,M1停转。,图 2-6 顺序启停控制线路,2.3 三相笼型异步电动机的降压启
8、动控制线路,2.3.1 定子串电阻降压启动电动机启动时在三相定子电路中串接电阻,使电动机定子绕组电压降低,启动后再将电阻短路,电动机仍然在正常电压下运行。这种启动方式由于不受电动机接线形式的限制,设备简单,因而在中小型机床中也有应用。机床中也常用这种串电阻的方法限制点动调整时的启动电流。图2-7所示控制线路的工作过程如下:,图 2-7 定子串电阻降压启动控制线路,合上Q,按下SB2,KM1线圈得电自保,其常开主触点闭合,电动机M串电阻R启动,且使时间继电器KT线圈得电。当到达KT的整定时间时(此时M的转速接近额定转速),其常开延时触点闭合,KM2线圈得电自保,KM2的常闭辅助触点先打开,使KM
9、1线圈失电,进而使KT线圈失电,由于常开主触点KM2闭合,将R短接,M全压运转。,2.3.2 Y-降压启动正常运行时定子绕组接成联结的笼型异步电动机,常用Y-减压启动的方法限制启动电流。启动时,定子绕组先接成Y形联接,待转速上升到接近额定转速时,再将定子绕组接成形联接,电动机全压运行。图2-8所示控制线路的工作过程如下:合上Q,按下SB2,KM2线圈得电自保,KM1线圈得电,使M进行Y形联接启动,同时KT线圈也得电。当M的转速接近额定转速时,到达时间继电器KT整定时间,KT的常闭延时触点先打开,KM1线圈失电,KT的常开延时触点后闭合,KM3线圈得电自保,M定子绕组形联接全压运转,同时KT线圈
10、也失电。图中KM1、KM3的辅助常闭触点可防止KM1、KM3同时得电造成电源短路。,图 2-8 Y-降压启动控制线路,图 2-9 自耦变压器降压启动控制线路,2.3.3 自耦变压器降压启动正常运行时定子绕组接成Y形联接的异步电动机,可用自耦变压器减压启动。启动时,定子绕组加上自耦变压器的二次电压,一旦启动完毕,自耦变压器被甩开,定子绕组加上额定电压正常运行。图2-9所示控制线路的工作过程如下:合上Q,按下SB2,KM1线圈得电,自耦变压器T作Y形联接,同时KM2线圈得电自保,电动机减压启动,KT线圈得电自保。,当电动机的转速接近额定转速时,到达KT的整定时间,其常闭延时触头先打开,KM1、KM
11、2线圈先后失电,T被断开,KT的常开延时触头后闭合,在KM1的常闭辅助触头复位前提下,KM3得电自保,电动机全压运行。电路中KM1、KM3的常闭辅助触头可防止线圈KM1、KM2、KM3同时得电将T的一部分绕组短接而使其余部分绕组烧坏。,2.4 电动机正反转控制线路,2.4.1 互锁控制线路在电气控制系统中,有时要求两个电动机M1和M2不准同时接通,或同一电动机驱动的执行元件有两个相反的动作(如主轴正反转、工作台的上下双向移动等),或两个电气元件不允许同时得电,这时就要用到互锁控制线路。如图2-10所示,分别将KM1、KM2的动断(常闭)触点串接在对方线圈所在电路,使KM1、KM2的触点互相制约
12、,可保证KM1、KM2的线圈不会同时得电。此外,还可将复合按钮或行程开关的常闭触头串接在对方接触器的线圈电路中来实现机械互锁。,图 2-10 互锁控制线路,2.4.2 正反转控制线路大多数机床的主轴或进给运动都需要正反两个方向运行,故要求电动机能够正反转。在电工学课程中我们学过,只要把电动机定子三相绕组任意两相调换一下接到电源上去,电动机定子相序即可改变,从而电动机就可改变方向了。如果我们用两个接触器KM1和KM2来完成电动机定子绕组相序的改变,那么由正转与反转启动线路组合起来就成了正反转控制线路。,图2-11所示控制线路的工作过程是:当电动机M停转时,如要M正转,则按下SB2,其常闭触头先打
13、开,其常开触头后闭合,KM1线圈得电,其常闭辅助触头先断开,其常开主触头后闭合,M正向启动运转,常开辅助触头闭合自保;当M正转时,如要M反转,则按下SB3,其常闭触头先打开,KM1线圈失电,M的定子切断正序电源,其常开触头后闭合,在KM1常闭触头复位前提下,KM2线圈得电自保,M反转;M反转变为正转与正转变为反转类似。此控制线路采用复合按钮SB2、SB3与接触器KM1、KM2联合控制,可避免由于KM1或KM2的常闭辅助触头烧结时而造成的电源短路。,图 2-11 正反转控制线路,图2-12所示为机床工作台往返运动的示意图。行程开关SQ1(反向转正向)、SQ2(正向转反向)分别固定安装在床身上,反
14、映循环的两端点,撞块A、B固定在工作台上,随着运动部件的移动可压下行程开关SQ1、SQ2,使其触头动作,并使电动机正反向运转。,图 2-12 工作台往返运动示意图,图2-13所示为往复自动循环的控制电路,其工作过程是:合上Q,按下SB2,KM1线圈得电自锁,M正转,驱动运动部件前进,当前进到位,撞块B压下SQ2,其常闭触头断开,KM1线圈断电,M切断正序电源,但SQ2常开触头闭合,又使KM2得电,M反转,运动部件后退,当后退到位时,撞块A压下SQ1使KM2断电,KM1通电,M由反转变为正转,如此周而复始地自动往复工作。按下SB1时,M停转。若换向用行程开关SQ1、SQ2失灵,则由限位开关SQ3
15、、SQ4的常闭触头切断M的电源,避免运动部件因超出极限位置而发生事故。,图 2-13 往复自动循环控制线路,2.5 电动机制动控制线路,2.5.1 反接制动反接制动是利用改变异步电动机定子绕组中的三相电源相序,产生与转子惯性旋转方向相反的转矩,因而产生制动作用。反接制动的过程为:停车时,首先将三相电源切换,然后当电动机转速较低时再将三相电源切断。,图2-14所示为单向反接制动线路,其工作过程是:合上Q,按SB2,KM1得电自锁,电动机M正转,当转速达到速度继电器KS的整定值时,KV的常开触点闭合,为反接制动作好准备。M停车时,按下SB1,SB1的常闭触点先打开,KM1失电,切断M的正序电源,但
16、M因惯性仍以很高的转速继续旋转,原已闭合的KS常开触点仍闭合,SB1的常开触点后闭合,由于此时KM1的常闭辅助触点已复位,因此KM2得电自锁,M定子串接两相电阻进行反接制动。当M的转速下降到低于KS的整定值时,KS的常开触点复位,KM2失电,M切断反序电源自然停车至零。,图 2-14 单向反接制动线路,2.5.2 能耗制动能耗制动是在电动机要停车时切断三相交流电源的同时,把定子绕组接入电源,利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的,在转速接近于零时再切断直流电源。能耗制动实质上是把转子原来储存的机械能转变为电能,消耗在转子的制动上,所以称为能耗制动。一般可用时间继电器按时间控制原则或用
17、速度继电器按速度控制原则来进行制动,对制动准确性要求不高的机床也可以手动控制。,图2-15所示是用时间继电器按时间控制原则设计的单向能耗制动控制线路,图中KM1为单向运行接触器,KM2为能耗制动接触器,KT为时间继电器,T为整流变压器,VC为桥式整流电路。其工作过程如下:合上Q,按下SB2,KM1得电自保,电动机M启动;停车时,按下SB1,其常闭触头先断开,KM1失电,M定子切断三相电源;SB1的常开触头后闭合,KM2、KT同时得电自保,如果M定子绕组Y形联接,则将两相定子绕组接入直流电源进行能耗制动。M在能耗制动作用下转速迅速下降,当转速接近零时,到达KT的整定时间,其延时常闭触头打开,KM
18、2、KT相继断电,制动结束。,图 2-15 时间继电器控制的控制线路,该电路中,将KT常开瞬动触点与KM2自保触点串联,是考虑KT断线或机械卡住致使常闭延时触点不能断开,不至于使KM2长期得电,造成M定子绕组长期通过直流电流而过热。图2-16所示是用速度继电器按速度控制原则设计的双向能耗制动控制线路,图中KM1、KM2为正反转接触器,KM3为制动接触器,KV1、KV2为速度继电器。其工作过程如下:,图 2-16 速度继电器控制的控制线路,电动机M正向启动运转停车时能耗制动过程:合上Q,按下SB2,KM1得电自保,M正向启动运转,当正向转速达到KV1整定值时,KV1常开触点闭合;停车时,按下SB
19、1,其常闭触点先打开,KM1失电,由于惯性M的转速还很高,KV1的常开触点仍闭合,在SB1的常开触点闭合时,KM3得电自锁,M定子绕组接通直流电源进行能耗制动,M的转速迅速下降,当正向转速低于KV1整定值时,KV1的常开触点复位,KM3失电,能耗制动结束,以后M自然停车。,M反向启动运转停车时能耗制动过程与正向类似,不再赘述。与反接制动相比较,能耗制动具有制动准确、平稳,能量消耗小等优点。但制动力较弱,特别是在低速时尤为突出。另外,它还需要直流电源。故适用于要求制动准确、平稳的场合,如磨床、龙门刨床及组合机床的主轴定位等。,2.6 双速电动机的高低速控制线路,2.6.1 双速电动机的变极调速原
20、理双速电动机在车床、铣床、镗床等中都有较多应用。笼型双速电动机是由改变定子绕组的磁极对数来改变其转速的。由异步电动机的同步转速公式n060f1/p知,如果电动机的磁极对数p减少一半,旋转磁场的转速n0便提高一倍,转子的转速n差不多也提高一倍。,改变p的方法是把定子每相绕组分成两半,然后进行两种接法。如图2-17所示，将出线端D1、D2、D3接电源,D4、D5、D6端悬空,则绕组为接法,每相绕组中两个线圈串联,形成四个极,电动机为低速；当出线端D1、D2、D3短接,而D4、D5、D6接电源,则绕组为双星形,每相绕组中两个线圈并联,形成两个极,电动机为高速。,2.6.2 高低速控制线路图2-17中
21、接触器KM1动作为低速,KM2动作为高速。图2-17(a)右上用开关S实现高、低速控制;图2-17(a)右下用复合按钮SB2和SB3来实现高、低速控制。采用复合按钮连锁,可使高低速直接转换,而不必经过停止按钮。这两种方式均用于小功率电动机。图2-17(b)右用开关S转换高低速。,图 2-17 三种双速电动机高低速控制线路,2.7.1 短路保护1.熔断器保护熔断器的熔体串联在被保护的电路中,当电路发生短路或严重过载时,它自动熔断切断电路,达到保护的目的。熔断器一般适用于对动作准确性和自动化程度要求不高的系统中,如小容量的笼型电动机、一般的普通交流电源等。,2.7 电动机的保护环节,2.自动开关保
22、护自动开关又称自动空气熔断器,它有短路、过载和欠压保护,这种开关能在线路发生上述故障时快速地自动切断电源。它是低压配电的重要保护元件之一，常作低压配电盘的总电源开关及电动机变压器的合闸开关。在发生短路时,熔断器很可能使一相熔断器熔断,造成单相运行,而自动开关只要发生短路就会自动跳闸,将三相同时切断。自动开关结构复杂,操作频率低,广泛用于要求较高的场合。,2.7.2 过载保护电动机长期超载运行时,绕组温升超过其允许值,其绝缘材料就要变脆,寿命缩短,严重时使电动机损坏。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,热继电器可以满足这样的要求:当电动机为额定电流时,电动机为额
23、定温升,热继电器不动作；在过载电流较小时,热继电器要经过较长时间才动作；过载电流较大时,热继电器则经过较短时间就会动作。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,因此在使用热继电器过载保护的同时,还必须设有短路保护。并且短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过热继电器发热元件的额定电流的4倍。,2.7.3 过电流保护过电流一般是由于不正确的启动和过大的负载转矩引起的,一般比短路电流要小。在电动机运行中产生过电流要比发生短路的可能性更大,尤其是在频繁正反转、启动、制动的重复短时工作的电动机中更是如此。对于三相笼型电动机,由于其短时过电流不会产生严重后果,一般
24、不采用过电流保护而采用短路保护。直流电动机和绕线转子异步电动机一般采用过电流继电器来实现短路保护。,2.7.4 零电压与欠电压保护 当电动机正在运行时,如果电源电压因某种原因消失,那么在电源电压恢复时电动机就将自行启动,这就可能造成生产设备的损坏,甚至造成人身事故。对电网来说,同时有许多电动机及其他用电设备自行启动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。为了防止电压恢复时电动机自行启动的保护叫零压保护。一般常用电压继电器来实现零压保护,用按钮代替开关来操作也可实现零压保护。当电动机正常运转时,电源电压过分地降低将引起一些电器释放,造成控制线路不正常工作,可能产生事故;电源电压过分地降低也会引
25、起电动机转速下降甚至停转。因此需要在电源电压降到一定允许值时将电源切断,这就是欠电压保护。一般常用欠电压继电器来实现欠电压保护。,2.7.5 弱磁保护直流电动机在磁场有一定强度下才能启动,如果磁场太弱,电动机的启动电流就会很大,直流电动机正在运行时磁场突然减弱或消失,电动机转速就会迅速升高,甚至发生飞车。因此需要采取弱磁保护。弱磁保护是通过电动机励磁回路串入弱磁继电器(电流继电器)来实现的,在电动机运行中,如果励磁电流消失或降低很多,弱磁继电器就释放,其触点切断主回路接触器线圈的电源,使电动机断电停车。,2.8 电液联合控制,液压传动系统和电气控制线路相结合的电液控制系统在组合机床、自动化机床
26、、生产自动线、数控机床等中的应用越来越广泛。液压传动系统易获得很大的力矩,运动传递平稳、均匀、准确、可靠,控制方便,易实现自动化。许多机床的自动循环都是靠行程控制来完成的,某些机床(如龙门刨床、平面磨床等)的工作台要求正反向运动自动循环,除采用本章2.4节介绍的电动机正反转来实现外,采用电液联合控制更易满足这一要求,且电动机无须频繁正反转。下面我们以组合机床液压动力头的控制为例来说明电液联合控制的工作过程和特点。,图 2-18 动力头工作循环示意图,组合机床的动力头是既能完成进给运动,又能同时完成刀具切削运动的动力部件。液压动力头的自动工作循环是由控制线路控制液压系统来实现的。图2-18所示是
27、动力头工作循环示意图,图2-19 所示是动力头工作循环液压系统和电气控制线路图。表2-1是电磁铁动作顺序表。其自动工作循环是:快进-工进-快退,工作过程如下:(1)动力头原位停止。动力头由液压缸YG驱动,当电磁铁1YA、2YA、3YA都断电时,电磁阀YV1处于中间位置,动力头停止不动。动力头在原位时,限位开关SQ1由挡铁压住,其动合触点闭合,动断触点断开。,图 2-19 动力头工作循环液压系统和电气控制图,(2)动力头快进。把转换开关S拨到“1”位置,按动按钮SB1,中间继电器K1得电动作,并自锁,其动合触点闭合使电磁铁1YA、2YA通电。1YA通电使电磁阀YV1左位工作,动力头向右运动(进)
28、。由于1YA、3YA同时通电,除了接通工进油路外,还经阀YV2将液压缸有杆腔内的回油排入无杆腔,形成差动联接,加大了油的流量,所以动力头做快速向前运动。,(3)动力头工进。在动力头快进过程中,当挡铁压动开关SQ2时,其动合触点闭合,使KA2得电动作,KA2的动断触点断开使3YA断电,使动力头自动转换为工作进给状态。KA2的动合触头接通自锁电路(即当挡铁离开SQ2时,SQ2触点复位,K2的线圈仍保持得电)。,表2-1 电磁铁动作顺序表,(4)动力头快退。当动力头工作进给到终点后,挡铁压下开关SQ3，其动合触点闭合,使KA3得电动作并自锁,其动断触点打开,使1YA、3YA断电,动力头停止工进;KA
29、3的动合触点闭合,使2YA得电,电磁阀YV1右位工作,动力头快速退回,动力头退到原位后,开关SQ1被压下,其动断触点断开,使KA3断电,因此2YA也断电,动力头停止运动。,(5)动力头“点动调整”。将转换开关S拨到“2”位置时,按动按钮SB1也可接通KA1,使电磁铁1YA、3YA通电,动力头可向前快进。但由于KA1不能自锁,因此松开SB1后,动力头立即停止运动,故动力头可点动向前调整。当动力头不在原位(SQ1原态),需要快退时,可按动按钮SB2,使KA3得电动作而使2YA得电,动力头快速退回原位,压下SQ1,使KA3断电,动力头停止。,在加工不通孔时,为了保证孔底的光洁和顺利断屑,需要刀具在孔
30、底作一短暂的停留,这时可在上述控制线路的基础上加一延时线路,就可得到这样的自动工作循环:快进-工进-延时停留-快退。其控制线路如图2-20所示。实际上就多加了一个时间继电器KT。当工进到终点后,压动开关SQ3,使时间继电器KT通电,其瞬时动断触点KT断开,使1YA、3YA断电,动力头停止工进。到达时间继电器的整定时间后,其延时闭合触点闭合,使继电器KA3延时接通得电,即2YA通电后才开始快退。,图 2-20 具有“延时停留”的控制线路,思考题与习题二,2-1 如何确定电动机的启动方式？2-2 简述互锁控制的工作原理。2-3 电动机的制动有哪些方式？各应用于什么场合？2-4 简述电动机的变极调速
31、原理。2-5 电动机常用的保护环节有哪些？各应用于什么场合？2-6 短路保护和热保护(过载保护)有什么区别？零电压保护的目的是什么？2-7 试设计可以两处操作的对一台电动机实现长动和点动控制的主电路和控制电路。,2-8 图2-21所示为机床自动间歇润滑的控制线路图,其中接触器KM为润滑液压泵电动机启停用接触器(主回路未画出)。线路可使润滑液压泵电动机规律间歇工作。试分析其工作原理,并说明中间继电器KA和按钮SB的作用。2-9 试设计两台笼型电动机M1、M2的顺序启动停止的控制线路。(1)M1启动后才允许M2启动,M1可点动;(2)M1、M2能同时或分别停止。,图 2-21 题2-8图,2-11 图2-22所示为某机床工作台(由液压缸驱动)的行程示意图及液压原理图。(1)试设计其控制线路。(2)如果工作行程改为下列循环:液压泵启动后,工作台前进,压下行程开关SQ2后后退,压下SQ1后又前进按下停止按钮后,不论工作台是进还是退都立即退回到原位后停止运动。试设计此控制线路。,图 2-22 题2-11图,2-12 试设计某机床主电动机控制线路图。要求:(1)可正反转;(2)可正向点动、两处启停;(3)可反接制动;(4)有短路和过载保护;(5)有安全工作照明及电源信号灯。,
