普通机床电气电路的设计与分析电器原理大作业剖析.docx
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普通机床电气电路的设计与分析电器原理大作业剖析
题目普通机床电气电路的设计与分析
姓名
学号
专业电气工程及其自动化
所在学院电气工程学院
课程设计：
普通机床电气电路的设计与分析
1背景材料
普通卧式车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，主要用来车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。
1.1主要结构和运动情况
普通卧式车床结构主要有床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成，如图1。
图1
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—丝杆8—光杆9—床身
车床的主运动为工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘带动工件旋转，其为车削加工时的主要切削功率。
车削加工时，应根据加工工件，刀具种类、工件尺寸、工艺要求等来选择。
不同的切削速度，普通车床一般采用机械变速，车削加工时，一般不要求反转，但在加工螺纹时，为避免乱扣，要反转退刀，再以正向进刀继续进行加工，所以要求主轴能够实现正反转。
车床的进给运动是溜板带动刀架的横向或纵向的直线运动。
其运动方式有手动和机动两种。
主运动与进给运动由一台电动机驱动并通过各自的变速箱来调节主轴旋转或进给速度。
此外，为提高效率、减轻劳动强度，车床的溜板箱还能快速移动，称为辅助运动。
1.2C650车床对电气控制的要求
普通卧式车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主轴电动机M1、冷却泵电动机M2和刀架快速移动电动机M3。
从车削加工工艺要求出发，对各电动机的控制要求是：
1）主轴电动机M1,7.5kW，采用全电压下的空载直接起动，能实现正、反向旋转的连续运行。
为便于对工件作调整运动，即对刀操作，要求主轴电动机能实现单方向的点动控制，同时定子串入电阻获得低速点动。
2）主轴电动机停车时，由于加工工件转动惯量较大，采用反接制动。
加工过程中为显示电动机工作电流设有电流监视环节。
3）冷却泵电动机M2，300W，用以车削加工时提供冷却液，采用直接起动，单向旋转，连续工作。
4）快速移动电动机M3，2.2kW，单向点动、短时运转。
5）电路应有必要的保护和联锁，有安全可靠的照明电路。
图2普通车床电气原理图
2课程设计要求
2.1分析车床的电气控制电路的工作原理（图2）
符号
名称
符号
名称
M1
主电动机
SB1
总停按钮
M2
冷却泵电动机
SB2
主电动机正向点动按钮
M3
快速移动电动机
SB3
主电动机正转按钮
KM1
主电动机正转接触器
SB4
主电动机反转按钮
KM2
主电动机反转接触器
SB5
冷却泵电动机停转按钮
KM3
短接限流电阻接触器
SB6
冷却泵电动机启动按钮
KM4
冷却泵电机起动接触器
TC
控制变压器
KM5
快移电动机起动接触器
FU1~6
熔断器
KA
中间继电器
FR1
主电动机过载保护热继电器
KT
通电延时时间继电器
FR2
冷却泵电动机保护热继电器
SQ
快移电动机点动行程开关
R
限流电阻
SA
开关
EL
照明灯
KS
速度继电器
TA
电流互感器
A
电流表
QS
隔离开关
表1C650车床电气元件符号及名称对照表
2.1.1主电路分析
C650型卧式车床共有三台电动机：
Ø主轴电动机M1
用于拖动主轴旋转并通过进给机构实现进给运动，主要有正转与反转控制、停车制动时快速停转、加工调整时点动操作等电气控制要求。
Ø冷却泵电动机M2
用于驱动冷却泵电动机对零件加工部位进行供液，电气控制要求是加工时起动供液，并能长期运转。
Ø快速移动电动机M3
用于拖动刀架快速移动，要求能够随时手动控制起动与停止。
1.主电动机电路
1）电源引入与故障保护
三相交流电源L1、L2、L3由隔离开关QS引入后，经熔断器FU1进入C650车床主电路。
主电动机电路中，熔断器FU1为短路保护环节；
FR1为热继电器，对电动机M1起过载保护作用。
2）主电动机正反转
KM1与KM2分别为交流接触器KM1与KM2的主触头。
根据电气控制基本知识分析可知，KM1主触头闭合、KM2主触头断开时，三相交流电源将分别接入M1主电动机的U1、V1、W1三相绕组中，M1电动机正转。
反之，将KM1主触头断开、KM2主触头闭合时，三相交流电源将分别接入M1主电动机的W1、V1、U1三相绕组中，与正转相比，U1与W1相绕组相序调换，因而M1主电动机反转。
3）主电动机全压与降压运行状态
同KM1与KM2，KM3为交流接触器KM3的主触点。
当KM3主触头断开时，三相交流电源电流将流经限流电阻R而进入电动机绕组，电动机绕组电压将减小，主电动机处于降压运转状态。
如果KM3主触头闭合，则电源电流不经限流电阻而直接接入电动机绕组中，主电动机处于全压运转状态。
4）绕组电流监控
电流表A在电动机M1主电路中起绕组电流监视作用，通过TA线圈空套在绕组一相的接线上，当该接线有电流流过时，将产生感应电流，通过这一感应电流间显示电动机绕组中当前电流值。
其控制原理是当KT常闭延时断开触头闭合时，TA产生的感应电流不经过A电流表，而一旦KT触头断开，A电流表就可检测到电动机绕组中的电流。
为防止电机起动电流的冲击，采用时间继电器KT的延时断开常闭触点。
电机不起动的时候KT延时断开触点常闭，将电流表短接；按下起动按钮的瞬间，时间继电器开始通电，延时断开触点仍然闭合，避免电机起动时的大电流对电流表造成冲击，延时一段时间后常闭触点断开，电流表接入电路，对正常运行的电机电流进行监视。
KT延时时间应稍长于电机起动时间。
5）电动机转速监控
KS是和M1主电动机主轴同轴安装的速度继电器检测元件，根据主电动机主轴转速对速度继电器触头的闭合与断开进行控制。
主轴转速大于一定值时，KS触头闭合；
主轴转速小于一定值时，触头断开。
2.冷却泵电动机电路
熔断器FU2在冷却泵电动机电路中起短路保护作用；
热继电器FR2则起过载保护作用。
当KM4主触头断开时，冷却泵电动机M2停转不供液；
而KM4主触头一旦闭合，M2将起动供液。
3.快速移动电动机电路
快移电动机电路中熔断器FU3起短路保护作用。
KM5主触头闭合时，快移电动机M3起动；
而KM5主触头断开，快移电动机M3停止。
2.1.2控制电路分析
主电路通过TC变压器与控制线路和照明灯线路建立电联系。
TC变压器一次侧接入电压为380V，二次侧有36V、220V两种供电电源，其中36V给照明灯线路供电，而220V给车床控制线路供电。
KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KA、KT线圈初始状态不通电。
1.主电动机的点动调整控制
按下SB2，KM1线圈通电，其余所有线圈均处于断电状态。
因此主电路中KM1主触头闭合，由隔离开关QS引入的三相交流电源将经KM1主触头、限流电阻接入主电动机M1的三相绕组中，主电动机M1串电阻降压起动。
一旦松开SB2，KM1线圈断电，电动机M1断电停转。
即SB2是主电动机M1的点动控制按钮。
点动控制流程图如图2-1所示。
图2-1点动控制流程图
2.主电动机的正反转控制
1）正转控制
按下SB3，KM3线圈通电与KT线圈同时通电，常开辅助触头KM3闭合而使KA线圈通电，KA线圈通电又导致KA常开辅助触头闭合，使KM1线圈通电，且KM3线圈闭锁，保持通电，KM3保持通电又使KA线圈也保持通电。
而KM1常开辅助触头与KA常开辅助触头对SB3形成自锁，保证KM1线圈能持续通电。
主电路中KM3主触头与KM1主触头闭合，电动机不经限流电阻R则全压正转起动。
绕组电流监视电路中，因KT线圈通电后延时开始，但由于延时时间还未到达，所以KT常闭延时断开触头保持闭合，感应电流经KT触头短路，造成A电流表中没有电流通过，避免了全压起动初期绕组电流过大而损坏A电流表。
KT线圈延时时间到达时，电动机已正常工作，绕组电流监视电路中的KT将断开，感应电流流入A电流表将绕组中电流值显示在A表上。
正转起动流程图如图2-2所示。
图2-2正转起动流程图
2）反转控制
按下SB4，导致KM3线圈与KT线圈通电，与正转控制相类似，KA线圈通电，导致KM2线圈通电。
主电路中KM2、KM3主触头闭合，电动机全压反转起动。
KM1线圈所在支路与KM2线圈所在支路通过KM2与KM1常闭触头实现电气控制互锁。
反转起动流程图如图2-3所示。
图2-3反转起动流程图
3.主电动机的反接制动控制
1）正转时的反接制动控制
KS2是速度继电器的正转控制触头，当电动机正转起动至接近额定转速时，KS2闭合并保持。
制动时按下SB1，控制线路中所有电磁线圈都将断电，主电路中KM1、KM2、KM3主触头全部断开，电动机断电降速，但由于正转转动惯性，需较长时间才能降为零速。
一旦松开SB1，则SB1又继续闭合，又因为KM1断电使串联在KM2线圈电路中的KM1常闭触点闭合，经KS2使KM2线圈通电。
主电路中KM2主触头闭合，三相电源电流经KM2使U1、W1两相换接，再经限流电阻R接入三相绕组中，在电动机转子上形成反转转矩，并与正转的惯性转矩相抵消，电动机迅速降速，至接近零速时，KS2断开，撤除电动机转子上的反转转矩，电动机停车，实现反接制动。
在电动机正转起动至额定转速，再从额定转速制动至停车的过程中，KS1反转控制触头始终不产生闭合动作，保持常开状态。
电机正转时的反接制动流程图如图2-4所示。
图2-4电机正转时的反接制动
2）反转时的反接制动控制
KS1是速度继电器的反转控制触头，当电动机反转起动至接近额定转速时，KS1闭合并保持。
制动时按下SB1，控制线路中所有电磁线圈都将断电，主电路中KM1、KM2、KM3主触头全部断开，电动机断电降速，但由于反转转动惯性，需较长时间才能降为零速。
一旦松开SB1，则SB1又继续闭合，又因为KM2断电使串联在KM1线圈电路中的KM2常闭触点闭合，经KS1使KM1线圈通电。
主电路中KM1主触头闭合，三相电源电流经KM1使U1、W1两相换接，再经限流电阻R接入三相绕组中，在电动机转子上形成反向转矩，并与电机原来的惯性转矩相抵消，电动机迅速降速，至接近零速时，KS1断开，撤除电动机转子上的反向转矩，电动机停车，实现反接制动。
在电动机反转起动至额定转速，再从额定转速制动至停车的过程中，KS2正转控制触头始终不产生闭合动作，保持常开状态。
电机反转时的反接制动流程图如图2-5所示。
图2-5电机反转时的反接制动
4.刀架的快速移动和冷却泵控制
1）快移电动机M3点动控制
行程开关由车床上的刀架手柄控制。
转动刀架手柄，行程开关SQ将被压下而闭合，KM5线圈通电。
主电路中KM5主触头闭合，驱动刀架快速移动的电动机M3起动。
反向转动刀架手柄复位，SQ行程开关断开，则电动机M3断电停转。
M3点动控制流程图如图2-6所示。
图2-6M3点动控制流程图
2）冷却泵电动机起停控制
按下SB6，线圈KM4通电，并通过KM4常开辅助触头对SB6自锁，主电路中KM4主触头闭合，冷却泵电动机M2转动并保持。
按下SB5，KM4线圈断电，冷却泵电动机M2停转。
冷却泵电动机起停控制流程图如图2-7所示。
图2-7冷却泵电动机起停控制流程图
5.辅助电路
照明电路由经变压器变换得到的36V电压供电，灯开关SA置于闭合位置时，EL灯亮。
SA置于断开位置时，EL灯灭。
照明电路控制流程图如图2-8所示。
图2-8照明电路控制流程图
2.1.3分析电路的保护环节，联锁环节
1.熔断器FU1、FU2、FU3分别为电机M1、M2和M3提供短路保护，熔断器FU4为变压器TC提供短路保护，熔断器FU5为控制回路提供短路保护，熔断器FU6为照明电路提供短路保护。
2.热继电器FR1、FR2分别为电机M1和M2提供过载保护。
3.主电机M1正反转控制中，KM1和KM2的动断触点形成电气互锁，已在主电动机的正反转控制中详述。
4.与电流表并联的KT延时断开触点用来保护电流表。
绕组电流监视电路中，因KT线圈通电后延时开始，但由于延时时间还未到达，所以KT常闭延时断开触头保持闭合，感应电流经KT触头短路，造成A电流表中没有电流通过，避免了全压起动初期绕组电流过大而损坏A电流表。
KT线圈延时时间到达时，电动机已接近额定转速，绕组电流监视电路中的KT将断开，感应电流流入A电流表将绕组中电流值显示在A表上。
5.限流电阻R用来减小点动起动和反接制动时的大电流冲击以及降压起动。
6.当电源严重低于额定电压或失压时，接触器吸力急剧下降，衔铁释放，电路断开，即使电源电压恢复正常也不会自动启动运转，因此电路具有欠压和失压保护作用。
2.2电机的选用
已知电动机M1，M2，M3功率分别为7.5KW，300W，2.2KW，电压等级都是380V。
请仔细分析计算各主要元器件的工作参数和要求，并在此基础上，查阅产品样本，选择合适的型号，生产厂家，并说明选用的原则。
主要器件包括：
KM1~KM5
FU1~FU6
FR1~FR2
KS,KT,KA
KC（变压器可以定制，只需说明电压,电流和容量就可以）
注意：
三相电机的额定电流计算
2.2.1交流接触器KM1~KM5选取
1.相关参数计算及型号选择
C650车床控制电气电路各电动机回路额定功率与额定电压为：
PN1=7.5KW，PN2=300W，PN3=2.2KW，UN1=UN2=UN3=380V
由
，设
=0.8，可求得M1、M2、M3电动机回路额定电流分别为：
实际选用接触器时，主触点额定电流应大于计算值。
因为负载是380V的三相感应电动机，故交流接触器KM1~KM5应选用380V的交流接触器。
1）KM1/KM2/KM3：
由以上计算得电动机M1回路的额定电流为14.24A，同时主电机M1为持续运行设备，故接触器KM1/KM2/KM3电流按67%-75%计算，即额定电流不小于14.24/75%=19A。
根据国标规定，可选用德力西电气生产的CJ20-25交流接触器，其额定电流为25A，额定电压380V。
2）KM4：
M2回路的额定电流为0.57A，电动机M2也为持续运行设备，接触器电流计算原则同M1，根据国标规定可选用德力西电气生产的CJ20-10交流接触器。
3）KM5：
M3回路的额定电流为4.19A，电动机M3也为持续运行设备，接触器电流计算原则同M1，根据国标规定可选用德力西电气生产的CJ20-10交流接触器。
2.2.2熔断器FU1~FU6选取
（1）FU1：
因为M1是频繁启动的电动机，且有时还要点动控制，则熔断器电流按电动机额定电流的2.5倍配置，即额定电流大于14.24*2.5=35.6A，额定电压380V。
可选用北京唯天创杰电气设备有限公司生产的RT20-100型高分断能力有填料圆柱型熔断器，适用于交流50Hz，额定电压交流380/500V，额定电流至100A的配电线路中，作过载和短路保护。
（2）FU2：
因为冷却泵电机M2是频繁启动的电动机，其配置的熔断器电流大小按电动机额定电流的2.5倍设置。
所以，额定电流取0.57*2.5=1.425A左右，额定电压380V。
可选用北京唯天创杰电气设备有限公司生产的RT20-2型高分断能力有填料圆柱型熔断器。
（3）FU3：
快移电动机M3也是频繁启动的电动机，额定电流取4.19*2.5=10.475A，额定电压380V。
可选用北京唯天创杰电气设备有限公司生产的RT20-25型高分断能力有填料圆柱型熔断器。
（4）FU4：
熔断器FU4为变压器高压侧提供短路保护和过载保护，额定电压380V，额定电流取（6*5*220+30）/380*（1.05~1.15），约为15.7A。
可选用北京唯天创杰电气设备有限公司生产的RT20-10型熔断器。
（5）FU5：
熔断器FU5为变压器低压侧提高短路保护和过载保护，同时为控制电路提供短路保护和过载保护。
合闸电流按总电流的1.05~1.15倍来设置。
所以，额定电压取220V，最多6个线圈同时工作，如果6个线圈的额定电流都是5A，则额定电流取6*5*（1.05~1.15），约为35A。
可选用北京唯天创杰电气设备有限公司生产的RT20-40型熔断器。
（6）FU6：
熔断器FU6为普通照明电路提高短路保护和过载保护，合闸电流按总电流的1.05~1.15倍来设置。
所以，额定电压为36V，当照明电路功率为60w时，额定电流取=60/36*（1.05~1.15），约为2A。
可选用上海金山电器厂有限公司生产的RT20-1型瓷插熔断器。
2.2.3热继电器FR1、FR2选择
1.选择原则
热继电器的选择，主要以电动机的额定电流为依据，同时也要考虑到电动机的型式、动作特性和工作制等因素。
具体选择热继时应考虑以下几点：
（1）原则上热继电器额定电流按照电动机的额定电流的90-110%选择,并要校验动作特性。
但是要注意电动机的绝缘材料等级，因为不同的绝缘材料有不同的允许温度和过载能力。
（2）要保证热继电器在电动机的正常起动过程中不致误动作。
如果电动机起动不频繁，且起动时间又不长，一般可按电动机的额定电流选择热继，按照起动时间长短确定CLASS10/20的等级（IEC947-4-1标准指定：
在当前电流为整定电流的7.2倍时CLASS10级的动作时间为4-10秒，CLASS20级的动作时间为6-20秒）；如果起动时间超长，则不宜采用热继，应选用电子过流继电器产品。
（3）要注意电动机的工作制。
如果操作频率高，则不宜采用热继保护，而要采取其他保护措施，例如在电机中预埋热电阻/电偶测温做温度保护。
（4）注意热继电器的正常工作温度，热继的正常工作范围是-15℃--+55℃超过范围后，环境温度补偿失效,有可能存在热继误动作或不动作问题。
2.型号选择
（1）FR1：
热继电器FR1对主电动机M1进行过载保护。
M1额定电流为14.24A。
FR1整定电流按M1额定电流的1.1~1.15倍设置，即为14.24*（1.1~1.15），约16.4A，可选用德力西电气生产的JRS1-25/CJX2-32型热继电器。
（2）FR2：
热继电器FR2对电动机M2进行过载保护。
M2额定电流为0.57A。
FR1整定电流按M2额定电流的1.1~1.15倍设置，即为0.57*（1.1~1.15），约0.66A，同时考虑与交流接触器KM4相配合，可选用德力西电气生产的JRS1-25/CJX2-10型热继电器。
2.2.4速度继电器KS选择
常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型两种。
其中，JY1型可在700～3600r/min范围内可靠地工作；JFZO－1型使用于300～1000r/min；JFZO-2型适用于1000～3600r/min。
KS可选用上海约瑟电器有限公司生产的JY1型电子速度继电器，额定电压380V，额定电流25A，工作转速100~3600r/min。
2.2.5时间继电器KT选择
选用时间继电器时应注意：
其线圈（或电源）的电流种类和电压等级应与控制电路相同；按控制要求选择延时方式和触点型式；校核触点数量和容量，若不够时，可用中间继电器进行扩展。
C650卧式车床控制电路中，时间继电器KT最大电压为220V，因而KT可选择上海思源公司生产的JS48S-S时间继电器，延时范围0.1s-99s，额定电压220V。
2.2.6中间继电器KA选择
中间继电器在电气传动和控制线路中经常作为辅助继电器使用，以增大被控线路的容量及允许“切断”容量，选用中间继电器时应考虑以下的参数：
1）触头容量：
触头的额定电压及额定电流应大于控制线路所使用的额定电压及控制线路的工作电流；
2）触头的种类和数目应满足控制线路的需要；
3）电磁线圈的电压等级应与控制线路电源电压相等；
4）应考虑继电器使用过程中的操作频率；
5）应适合使用系统的工作制（长期、间断、反复工作制）；
C650卧式车床控制电路中，中间继电器KA最大电压为220V。
可选用上海富继电气有限公司生产的JZ7-44中间继电器。
其工作频率为50Hz、60Hz，额定电压为AC380VDC220V
2.2.7变压器TC选择
TC额定电压为380/220/36V，额定电流10/35/1A，高压绕组容量3800VA，中压绕组容量7700VA，低压绕组容量36VA。
2.3设计变频器驱动电路
如果M1主轴电机控制改为由变频器驱动，请设计变频器供电电路，设计变频器的接口电路，实现图2中，主轴电机的所有控制功能。
同时，请说明有哪些变频器参数必须设置。
注：
变频器选用西门子MICROMASTER420系列变频器，并假设其数字端口有三个以上。
2.3.1变频器接口电路
变频器的接口电路如图2-9所示：
图2-9
2.3.2变频器参数设置
1、变频器基本参数设置：
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0003
1
2
允许访问扩展参数
2
P0304
230
380
电动机的额定电压（380V）
3
P0305
1.3
15
电动机的额定电流（15A）
4
P0307
0.18
7.5
电动机的额定功率（7.5kW）
5
P0310
50.00
50.00
电动机的额定频率（50Hz）
6
P0311
0
1420
电动机的额定转速（1420r/min）
7
P1000
2
1
用操作面板（BOP）控制频率的升降
8
P1080
0
0
电动机的最小频率（0Hz）
9
P1082
50
50.00
电动机的最大频率（50Hz）
10
P1120
10
10
斜坡上升时间（10s）
11
P1121
10
10
斜坡下降时间（10s）
12
P0700
2
2
选择命令源（由端子排输入）
注意：
设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试），电机参数设置完成设定P0010=0（准备）。
2、正反转功能参数设置：
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0701
1
10
正向点动
2
P0702
12
11
反向点动
3
P1120
10
5
斜坡上升时间（5s）
4
P1121
10
5
斜坡下降时间（5s）
3、点动功能参数设置：
序号
变频器参数
出厂值
设定值
功能说明
1
P0703
9
10
正向点动
2
P1058
5.00
30
正向点动频率（低速30Hz）
3
P1059
5.00
50
反向点动频率（50Hz）
4
P1060
10.00
10
点动斜坡上升时间（10s）
5
P1061
10.00
5
点动斜坡下降时间（5s）
4、复位
设置参数前首先设定P0010=30，P0970=1，完成变频器的复位过程。
2.3.3控制说明
1、通过自锁电路实现对变频器的启停操作
按下起动按钮SB1àKM通电吸合，实现自锁à变频器电源接通，开始工作。
按下停止按钮SB2àKM失电复位à变频器断开电源，停止工作。
实现功能：
全压下的空载直接起动。
2、点动控制
按下点动控制按钮S3àDIN3高电平à电动机按P1060所设定的10s点动斜坡上升时间低速转动（频
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