BA龙门刨床电气控制系统.docx
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BA龙门刨床电气控制系统
B2010A龙门刨床电气控制系统
B2010APlaningMachineElectricalControlSystem
主编：
荀伟
团队：
陈浩蒋昀马宇龙
课程名称：
B2010A龙门刨床电气控制系统
提交日期：
2009年11月28日
指导老师：
赵家才
概要
B2010A系列龙门刨床是上世纪五十年代的产品，其调速系统采用旋转变流机组供电的F―D系统。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，故存在设备多、体积大、费用高、效率低、安装须打地基、运行有噪声、维护不方便等缺点，
但是系统的可逆运行很容易实现，且无论在正转还是反转减速时都能够实现回馈制动，因此在当时曾广泛地使用着，至今在尚未进行设备更新的地方仍使用着这种系统。
我从网上了解到，B2010A系列龙门刨床被誉为电气控制与电机调速之经典之作！
前言..............................................5
第一章龙门刨床的简介............................6
1.1龙门刨床的发展历史..........................6
1.2B2010A系列龙门刨床的特点...................7
第二章B2010A龙门刨床工况概述..................8
2.1龙门刨床对电力拖动的技术要求...................8
第三章B2010A龙门刨床详细原理与操作.............9
3.1B2010A龙门刨床的电气控制原理..................9
3.2机组启动.......................................12
3.3步进或步退.....................................13
3.4循环前进或后退.................................15
3.5减速和换向.....................................16
3.6速度调节及制动................................19
第四章工作台拖动系统.............................23
4.1拖动控制的发展状况.............................23
4.2工作台拖动系统的保护...........................24
4.3龙门刨床拖动系统的演变.........................25
第五章变频器运用在B2010A龙门刨床.............26
5.1选型........................................26
5.2.控制原理....................................28
第六章EMERSON变频器的特性应用.................30
6.1、注意变频器与电机的自调谐过程.................30
6.2、避免爬行.....................................30
6.4、使电机获得更好的起动性能.....................30
6.3、换向运行的快速响应............................30
第七章常见故障及检修流程.........................31
结论................................................35
致谢................................................36
参考文献............................................37
前言
本实训项目通过电动机调速系统总体方案设计、
选择具有电机调速的典型代表B2010A系列龙门刨床、绘制B2010A系列龙门刨床电路原理图、B2010A系列龙门刨床各个设备的原理、以及刨床电机的调速原理、B2010A系列龙门刨床设备的维护与维修、安装、刨床现代的调速方式、以及与现代调速的对比。
另外还增加了EMERSON变频器应用在B2010A龙门刨床，EMERSON变频器的特性应用
龙门刨床交流电动机具有结构简单、价格便宜、维护方便、运行可靠、单机容量大等优点，但直流电动机则具有较好的起动性能和调速性能，因此，直流拖动在对起动、制动、正反转、调速等有较高要求的场合应用都很广泛。
尽管直流电动机也存在着结构复杂、价格较贵、维修方便、安装受到一定的限制等缺点，但随着现代调速控制理论和电力电子技术的飞速发展，使直流拖动在现在的电气自动化中也占据了很重要的地位。
本报告正是以实训项目为载体，对实训项目中用到的软硬件主要技术、主要设备特性进行阐述。
第一章龙门刨床的简介
1.1龙门刨床的发展历史
具有门式框架和卧式长床身的刨床。
龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是工业的母机。
龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。
横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。
一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀，以免划伤工件表面。
机床工作台的驱动可用发电机－电动机组或用可控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。
有的龙门刨床还附有铣头和磨头，变型为龙门刨铣床和龙门刨铣磨床，工作台既可作快速的主运动，也可作慢速的进给运动，主要用于重型工件在一次安装中进行刨削、铣削和磨削平面等加工。
中国第一台龙门刨床于1953年4月在济南第二机床厂问世。
1．2B2010A系列龙门刨床的特点
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发
电机，故存在设备多、体积大、费用高、效率低、安装须打地基、运行有噪声、维护不方便等缺点，
但是系统的可逆运行很容易实现，且无论在正转还是反转减速时都能够实现回馈制动
龙门刨床是机械化自动化程度很高的大型机床。
龙门刨床的动力及控制回路比较复杂，尤其是刨床工作台主拖动系统完全依靠电气自动化控制来执行的。
B2010A龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A-G-M调速系统，即电机扩大机---直流发电机---直流电动机组系统。
图一所示
。
采用机械速比2:
1和电气调速范围为10:
1的机电联合调速系统。
第二章B2010A龙门刨床工况概述
2.1龙门刨床对电力拖动的技术要求
龙门刨床是频繁往复运动的生产机械，它的工作方式为循环方式。
前进行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只让工作台驶回为下一步切削作准备。
运动示意图如图二所示。
实际工作中为了提高劳动生产效率，轻载后退的速度要大于前进切削速度。
由于不同的金属材料和不同的加工工艺，必须要求控制系统具备：
工作台主拖动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；
工作台前进切削和后退的过程中运行平稳，不振荡，速度能单独地作无级调整，无须停车；
运行方向的改变要迅速、平滑、冲击力小、动作反应快；
在低速范围内切削力基本保持恒定状态，静差度小于3%；
前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确；
传动效率高，耗电量小；
控制系统简单，可靠安全，易于维修保养；
第三章B2010A龙门刨床详细原理与操作
3.1B2010A龙门刨床的电气控制原理
B2010A龙门刨床的电气控制原理如图1所示。
整个电气控制系统由三相380V50Hz的交流电源供电。
工作台由直流电机D拖动；油泵、冷却风机、电机放大机的原动机、直流发电机的原动机，分别由单独的三相交流异步电动机RB、FB、B、A拖动。
其中交流异步电动机A由Y―Δ起动。
工作台拖动电动机D的速度，是通过电压负反馈，电流正反馈和电流截止负反馈的高电阻电桥系统来改变发电机的端电压，达到速度调节的。
电机扩大机控制绕组采用磁差接法，分别将给定电压、电压负反馈、电流截止负反馈与电流正反馈接到扩大机单独的控制绕组0III与0II上。
全部控制电器装在三处，控制柜、悬挂操纵箱和机床上。
操纵者使用操纵箱进行操作。
工作台自动循环时，由安装在机床床身右侧的行程开关Q-JS1、Q-HX1和Q-HX2或H-JS1、H-HX1和H-HX2进行控制。
极限开关1HXC和2HXC也安装在机床床身右侧。
1HXC的接点在工作台前进超过极限位置时断开，2HXC的接点在工作台后退超过极限位置时断开。
整个电气线路可分为交流主回路-图1左上部分、交流控制回路-图1右半部分和直流主回路图1左中间部分、直流控制回路-图1左下部分四部分。
其中交流控制回路的电源由两相380V交流电通过熔断器2RL，供给机组的Y―Δ起动控制和控制变压器BK降压至127V。
工作台的步进或步退、前进或后退、自动循环，以及润滑泵的控制电源由交流127V通过熔断器3RL提供。
直流控制回路的电源是直流220V，由原动机交流异步电动机A拖动励磁机L整流通过熔断器1RL输出。
用于控制发电机的输出端电压。
（注：
图一中继电器JI的触点[240]-[200]应为常闭触点）下图
图一
3.2机组启动
启动前，机组和控制系统应处于就绪状态，即图1中自动空气开关UZ、1UZ、2UZ都在合闸位置，所有接触器或中间继电器均在释释放状态。
交流电源指示灯2e发亮，所有电机的靠背轮都可用手转动，此时就可以开机。
（“[101]”内为线号；“↑”表示线圈吸合或触点闭合，“↓”则相反下同。
）
按下悬挂操纵箱上的“起动”按钮2A—→接触器C-A吸合，时间继电器JS-A吸合，接触器Y吸合—→Y起动。
随着电机A的旋转，励磁机L就有直流220V输出，使直流时间继电器JS-Δ吸合，其常闭延时释放触点[723]-[725]闭合；当时间继电器JS-A的常开延时触点[705]-[723]闭合，接
触器C-B吸合。
其常闭触点[717]-[719]断开，Y接触器释放；常闭触点[H1-D]-[51]断开，直流时间继电器JS-Δ释放；常开触点[717]-[721]闭合，Δ接触器吸合。
时间继电器JS-A延时常闭触点[705]-[717]断开；继电器JS-Δ常闭延时触点[705]-[717]闭合。
完成主拖动电机的Y-Δ转换，机组
启动完毕。
机组起动过程中各相关接触（继电）器或触点的动作过程如图2所示。
JS-A的延时调节在3～4s，JS-Δ的延时为1s以下。
一般使电动机A在Y联结起动至稳定转速后，立即断开Y联结，留出接触器转接时间，即刻转成Δ联结运转，这时JS-A、JS-Δ的延时时间认为是调节得合适的。
机组起动结束后相关接触（继电）器的状态如下：
C-A、JS-A、Δ、C-B吸合，Y、JS-Δ释放。
注意：
继电器JS-Δ不吸合，主拖动电机不能从Y转换到Δ。
图二
3.3步进或步退
机组启动完毕后且工作台不在换向位置，即在Q-HX1、2或H-HX1、2没有动作的情况下，方可进行步进或步退操作。
以“步进”为例，下面分别对交流控制回路和直流控制回路作分析。
⑴交流控制回路要使工作台步进，则按住悬挂操纵箱上的“步进”按钮8A，触点[111]—[113]闭合。
电源通过[101]—→[103]—→[105]—→[107]—→[109]—→[111]—→[113]—→[115]，加到“工作台前进”中间继电器Q的线圈上，使中间继电器Q吸合。
其他中间继电器H、1Q、
1H、J、JI处在释放状态。
松开“步进”按钮8A，则触点[111]-[113]断开，中间继电器Q释放。
⑵直流控制回路工作台步进时，中间继电器Q吸合，常开触点[1]-[3]闭合→继电器JS吸合。
JS的常闭触点[280]-[OⅢ2]和[270]-[S1-K]断开，制动回路断开。
但中间继电器H、1Q、1H、J、JI处在释放状态，此时直流控制回路的等效电路如图3（a）所示。
为清楚起见再进一步将给定电压UI1和发电机反馈取样电压UF作等效，更简化的电路见图3（b）所示。
图中RF、RI分别是2R、1R的等效电阻，其值固定，只有可变电阻器5RT可以改变其阻值。
因此当UI和UF稳定时调节5RT阻值的大小，便可改变回路中的电流，即流过放大机控制绕组OⅢ1-OⅢ2的电流iw，从而改变行进的速度。
因此工作台以给定电压UI低速向前移动。
图3（a）图3（b）
中间继电器Q释放，则工作台停止。
若工作台步退时，则按住悬挂操纵箱上的“步退”按钮12A，此时不是中间继电器Q吸合，而是中间继电器H吸合。
其他与上面步进类似，这里不再重复。
步进（退）时有关接触（继电）器的状态如下：
Q（H）、JS吸合。
注意：
改变可变电阻器5RT或6RT的阻值，便可改变“步进”或“步退”的速度。
3.4循环前进或后退
如前所说，机组启动完毕后且工作台不在换向位置，既Q-HX1、2或H-HX1、2没有动作的情况下，方可进行循环前进或后退操作。
⑴交流控制回路要使工作台前进，则按住悬挂操纵箱上的“前进”按钮9A，触点[111]—[131]闭合。
电源通过[101]—→[103]—→[105]—→[107]—→[109]—→[111]—→[131]—→[133]—→[135]—→[137]—→[139]，加到“工作台自动工作与调整移动连锁”中间继电器JI的线圈上，使中间继电器JI吸合。
中间继电器JI的触点[111]—[113]闭合，使中间继电器Q也吸合。
中间继电器JI的触点[107]—[129]闭合，起自保作用。
工作台快速向前移动。
由此可见工作台在自动循环工作状态下，中间继电器JI和Q或H（后退）应同时吸合。
⑵直流控制回路工作台在前进过程中，中间继电器JI和Q吸合。
其余中间继电器H、1Q、1H、J处在释放状态，此时直流控制回路的等效电路如图4（a）所示。
同样再进一步将给定电压UO2和发电机反馈取样电压UF2作等效，更简化的电路见图4（b）所示。
图中RF2、RO2也分别是2R、1R的等效电阻，其值固定，而调速器R-Q和可变电阻器1RT可以改变其阻值。
调节调速器R-Q可改变UO2和RO2或改变可变电阻器1RT的阻值，都能改变回路中的电流，即流过放大机K控制绕组OⅢ1-OⅢ2的电流，从而调节工作台行进的速度。
图4（a）图4（b）
工作台后退时，则按住悬挂操纵箱上的“后退”按钮11A，此时不是中间继电器Q吸合，而是中间继电器H吸合。
即中间继电器JI和H同时吸合。
其他与上面前进类似，这里不再重复。
循环前进（后退）有关接触（继电）器的状态如下：
JI、Q（H）、JS吸合。
注意：
调节调速器R-Q或R-H位置，便可改变“前进”或“后退”的速度。
3.5减速和换向
为了实现工作台的平稳换向，工作台在换向前都先进行减速，降速后才换向。
减速和换向的过程是通过安装在工作台底侧面的挡铁拨动安装在机床床身右侧的行程开关来实现的。
每端各有两个Q-JS、Q-HX或H-JS、H-HX。
4
⑴交流控制回路假定工作台在前进状态，当挡铁拨动“前进减速”行程开关Q-JS，其常开触点Q-JS1（[129]-[159]）闭合，中间继电器J吸合。
工作台减速前进。
当挡铁拨动“前进换向”行程开关Q-HX，其常闭触点Q-HX1（[107]-[109]）断开，“工作台前进”中间继电器Q释放，“工作台后退”中间继电器H吸合。
其常开触点Q-HX2（[129]-[155]）闭合，“前进换向”中间继电器1H吸合。
工作台开始换向。
⑵直流控制回路中间继电器J吸合后，其常闭触点[223]-[225]断开，常开触点[225]-[237]闭合。
加上行程开关Q-JS的常闭触点Q-JS2（[210]-[212]）断开。
工作台随即进入低速移动。
此时直流控制回路的等效电路如图5（a）所示。
这时工作台移动的速度给定电压由R-Q的固定抽头[231]与1R中心的固定抽头[210]之间的电压UO3决定。
速度调节可通过调节b-Q的位置，通过改变b-Q的阻值来改变流过放大机K控制绕组OⅢ1-OⅢ2的电流ik3到达。
工作台继续以低速前进。
当“工作台前进”中间继电器Q释放，“工作台后退”中间继电器H吸合。
“前进换向”中间继电器1H吸合后。
此时直流控制回路的等效电路如图5（b）所示。
图5（a）图5（b）
注意：
行程开关Q-JS未恢复原来状态，Q-JS1仍在闭合状态，即J仍吸合；Q-JS2仍在断开状态。
从图5中可以明显看出，原来由R-Q的固定抽头[231]通过3RT提供电压的，现在变成由R-H的固定抽头[232]通过4RT来提供电压了。
此时工作台虽然同样处在低速移动，但因流过放大机控制绕组OⅢ1-OⅢ2的电流方向改变了，故工作台移动的方向变为后退了。
若R-H的固定抽头[232]与1R中心的固定抽头[210]之间的电压跟R-Q的固定抽头[231]与1R中心的固定抽头[210]之间的电压数值相同，只是方向相反的话，那么工作台低速移动的速度相同，而方向相反。
变前进为后退，到达换向的目的。
随着工作台往回移，挡铁拨回“前进换向”行程开关Q-HX，以及“前进减速”行程开关Q-JS。
工作台进入快速后退移动状态。
前进换后退过程结束。
工作台在后退状态下，减速和换向的过程与上述类似，只是直流控制回路的等效电路从图5（b）到图5（a），与上面正好相反，这里不再重复。
减速时有关接触（继电）器的状态如下：
JI、Q（H）、JS、J吸合。
换向时有关接触（继电）器的状态如下：
JI、H（Q）、JS、J、1H（1Q）吸合。
3.6速度调节及制动
速度调节分两种情况：
人为的手动调节和受外界影响的自动调节。
通常是在工作台自动循环工作状态下。
⑴人为的手动调节以图4为例，假如要求工作台移动速度加快（或变慢）。
调节调速器R-Q使UI升高（降低），由于发电机输出的电压还没有变，即UF电压还没有变，所以回路中的电流就增大（减小）。
即流过放大机K控制绕组OⅢ1-OⅢ2的电流增大（减小），使放大机输出的电压也升高（降低），发电机励磁电流随即增大（减少），发电机输出电压升高（降低），直流电动机D的转速升高（降低），工作台移动速度加快（变慢）。
因发电机输出电压升高（降低），使反馈采样得到的电压UF也升高（降
低），使回路电流又逐渐减少，直到恢复至接近原来值。
工作台在新的速度上稳定运行。
由图中可以看出，采样电压UF的极性始终与给定电压UI的极性相反，而电压UF是通过发电机输
出反馈回来的，所以系统具有电压负反馈功能。
使发电机输出电压，即工作台的运动速度得到稳定有了可靠保证。
由上可知，工作台的运动速度由R-Q和1RT或R-H和2RT的阻值决定。
⑵受外界影响的自动调节仍以图4为例。
一种情况是假如在负载或其他因数的作用下，使直流电动机D的速度降低，那么直流电动机D反电势也降低，即UF降低了。
因而加在放大机K控制绕组OⅢ1-OⅢ2两端的电压增大，这样一来放大机K将增加发电机的输出电压直到直流电动机D的转速恢复至接近原来值。
另一种情况是假如直流主回路中的电流增大，即图6中的ID增大，使得电压UID也随之增大。
引起流过放大机K另一控制绕组OⅡ1-OⅡ2的电流增大。
因该电流的方向与流过放大机K控制绕组O
Ⅲ1-OⅢ2的电流方向相同，使放大机电势升高，发电机电压保持不便，电动机D转速不变。
由于流过控制绕组OⅡ1-OⅡ2的电流与流过控制绕组OⅢ1-OⅢ2的电流方向相同，这种功能称为电流正反馈。
图6
⑶限流功能由于电流正反馈功能的存在，补偿了直流主回路因电机D电流增大引起转速下降的不足，使电机D的转速保持平稳。
但是当电机D旋转方向改变即换向时，因电机D的反电势方向还没有改变，而发电机输出的电压极性改变了。
此时直流主回路中就会产生很大的与ID相反的电流
ID1，如图5（b）所示。
为了防止直流主回路中的电流超过所允许的整定电流，在线路中设有限流电路。
当UID>U1R/2+Ub-Q+V2ZX时（忽略控制绕组0Ⅲ上的电压），二极管开始导通。
控制绕组OⅢ流过相反的去磁电流IU1R。
也就是说UID被箝位在U1R/2+Ub-Q+V2ZX上。
保证直流主回路中的电流不超过所允许的数值。
这就实现了系统的过电流保护。
从图5（b）中可以看出，由于IU1R的方向与正常的激磁电流IK4的方向相反，且随着电流ID1的增大，电压UID被箝定在U1R/2+Ub-Q+V2ZX上。
这种作用被称为电流负反馈截止功能。
⑷停车制动控制系统为了防止工作台爬行或振荡，分别采取了两级不同的制动方式。
时间继电器JS的延时触点[1--203]和]2--204]动作之前为一级停车制动，延时触点动作动作之后为二级停车制动。
工作台运行中，按下停止按钮10A，“工作台自动工作与调整移动联锁”继电器JI、“工作台前
进”或“工作台后退”继电器都释放时，直流时间继电器JS也释放。
换向继电器Q或H和减速继电器J也都释放。
此时各继电器都在自然状态，而时间继电器JS的延时触点[1--203]和]2--204]还没有断开，其直流控制回路的等效电路如图7（a）所示。
图7（a）图7（b）
从图中可以看出，由于电路的对称性，此时速度给定电压UI=0V，而反馈电压UF还是原来的数值，因此放大机控制绕组0III中流过一个很大的反向励磁电流IUF，放大机反向励磁改变了放大
机输出电压极性，从而使发电机反向励磁，发电机输出电压急剧下降。
由于机械慣性，电动机的反电动势暂时不变，因此电动机的反电动势大于发电机电动势，主回路电流反向，电动机进行发电制动，使电动机转速迅速降低。
为了加强停车的稳定作用，在8RT两端并联了一副JI的常闭触点。
改变电阻5RT或6RT的阻值，可以调节一级制动的强弱。
阻值小，制动效果强。
但必须保证这两个电阻阻值基本相同。
时间继电器JS的延时触点[1--203]和[2--204]动作即断开、[280--0III2]和[270--S1-K]闭合后，进入二级停车制动的电路见图7（b）。
此时放大机和发电机的输出电压极性已改变。
时间继电器JS的延时触点[280--0III2]闭合，流过0III绕组的电流继续对放大机反向励磁。
由于触点[270--S1-K]闭合，使流过放大机补偿绕组的电流被7RT分流一部分，进一步削弱了放大机补偿能力，减少了对发电机的反向励磁，缓和了停车制动。
增大7RT的阻值，可加强消磁，但会影响二级停车制动的强弱。
第四章工作台拖动系统
4.1拖动控制的发展状况
现代拖动控制中，长期以来存在着交流
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