机床电气控制电子教案Word下载.docx

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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1—1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：

①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。

②接触器的使用类别应与负载性质相一致。

③主触头的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。

④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1~1.4。

⑤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。

⑥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30％～65％，释放电流为额定电流的10％～20％，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1.1～4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110％～115％以上时有保护动作；

欠电压继电器在电压为额定电压的40％～70％时有保护动作；

零电压继电器当电压降至额定电压的5％～25％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100r/min以下，工作时，允许的转速高达1000～3600r/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（SolidStateRelay）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（1.5～2.5）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（1.5～2.5）INmax+∑IN

式中，INmax为容量最大的一台电动机的额定电流；

∑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15～20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5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：

⑴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）。

⑵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