数控机床电气控制基础

1模块一数控机床电气控制基础[模块教学内容]1、介绍数控机床主电路常用电器元件包括低压断路器、开关、熔断器、接触器、热继电器以及变压器的结构、原理、功能、技术参数、选型和应用。2、介绍数控机床控制电路常用电器元件包括继电器、按钮、开关、信号灯和直流稳压电源的结构、原理、功能、技术参数、选型和应用。3、介绍图形文字符号及选择方法；数控机床电气原理图的画法规则。[模块学习目标]1、了解数控机床主要电器的结构。2、掌握数控机床主要电器的基本应用技术。3、掌握组成电气控制线路的基本规律和绘图方法。2单元一数控机床主电路常用电器元件数控机床是在通用机床基础之上发展而来的，至今很多方面还保留着通用机床的痕迹，在电气系统主电路方面二者仍然是统一的。本单元介绍数控机床主电路常用的电器元件，如低压断路器、开关、熔断器、接触器等，同时介绍其工作原理及选用原则，以便学会正确选择和合理使用，为分析和设计数控机床电气控制线路打下基础。一、电器的作用与分类根据外界特定的信号和要求自动或手动接通或断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的接通、切换、保护、检测、控制、调节作用的装置称为电器。工作在交流1200V、直流1500V额定电压以下的电路中，能根据外界信号(机械力、电动力和其他物理量)，自动或手动接通和断开电路的电器称为低压电器。其作用是实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节。数控机床电气控制系统中采用了低压电器作为基本组成元件，而且控制系统的优劣与所用的低压电器直接相关，因此掌握低压电器的基本知识和常用低压电器的结构及工作原理，并能准确选用、检测和调整常用低压电器元件，才能够分析数控机床电气控制系统的工作原理，处理及维修一般故障。低压电器种类繁多、功能各样、构造各异，工作原理各不相同，常用低压电器的分类方法有：1．按操作方式分类（1）自动电器依靠自身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作，如接触器、继电器等。（2）手动电器用手动操作来进行切换的电器，如组合开关、转换开关、按钮等。32．按用途分类（1）配电电器主要用于低压配电系统中。要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，在规定条件下具有相应的动稳定性与热稳定性，使电器不会被损坏。常用的配电电器有断路器、转换开关、熔断器、断路器等。（2）控制电器主要用于电气传动系统中。要求寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠。常用的控制电器有接触器、继电器、电磁铁等。3．按工作原理分类（1）电磁式电器根据电磁感应原理动作的电器，如接触器、继电器、电磁铁等。（2）电子式电器利用电子元件的开关效应，即导通和截止来实现电路的通、断控制。如接近开关、霍尔开关、电子式时间继电器、固态继电器等。（3）非电量控制电器依靠外力或非电量信号（如速度、压力、温度等）的变化而动作的电器，如转换开关、行程开关、速度继电器、压力继电器、温度继电器等。以上这些电器很多在机床电路中得到广泛应用，因此有时也称之为“机床电器”，或者说机床电器类属于低压电器。二、低压断路器低压断路器通常称自动开关或空气开关，具有控制电器和保护电器的复合功能，可用于数控机床主电路及分支电路的通断控制。当电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断。在正常情况下也可用做不频繁地直接接通和断开电动机控制电路。低压断路器的种类繁多，按其用途和结构特点分为DW型框架式（或称万能式）断路器、DZ型塑料外壳式（或称装置式）断路器、DS型直流快速断路器和DWX型/DWZ型限流式断路器等。4框架式断路器规格、体积都比较大些，主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器相对要小，除用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制，因此数控机床主要使用塑料外壳式断路器。下面以塑料外壳式断路器为例，简要介绍其结构、工作原理、使用与选用方法。1．断路器的结构与工作原理断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，脱扣器又包括过电流脱扣器、欠电压脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。图1-1是断路器工作原理示意图及图形符号。断路器合闸或分断操作是靠操作机构手动或电动进行的，合闸后自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上，使触头闭合。当电路发生故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，以实现起保护作用的自动分断。分励脱扣器远控按钮过载保护过流保护失压保护过电流脱扣器失电压脱扣器热脱扣器QFQF断路器图形符号1-分闸弹簧2-主触头3-传动杆4-锁扣5-轴6-过电流脱扣器7-热脱扣器8-欠压失压脱扣器9-分励脱扣器图1-1断路器工作原理示意图及图形符号过流脱扣器、欠压脱扣器和热脱扣器实质都是电磁铁。在正常情况下，过流脱扣器的衔铁是释放着的，电路一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路相串联的线圈将产生较强的电磁吸力吸引衔铁，从而推动杠杆顶开锁钩，使主5触点断开。失压脱扣器的工作情况恰恰相反，在电压正常时，吸住衔铁才不影响主触点的闭合，一旦电压严重下降或断电时，电磁吸力不足或消失，衔铁被释放而推动杠杆，使主触点断开。热脱扣器是在电路发生轻微过载时，过载电流不立即使脱扣器动作，但能使热元件产生一定的热量，促使双金属片受热向上弯曲，当持续过载时双金属片推动杠杆使搭钩与锁钩脱开，将主触点分开。注意，低压断路器由于过载而分断后，应等待2min～3min热脱扣器复位才能重新操作接通。分励脱扣器可做为远距离控制断路器分断之用。断路器因其脱扣器的组装不同，其保护方式、保护作用也不同。一般在图形符号中标注其保护方式，图1-1所示的断路器图形符号中标注了失压、过载、过电流3种保护方式。2．低压断路器的型号含义和主要技术参数（1）低压断路器的型号含义（2）主要技术参数1）额定电压①额定工作电压断路器的额定工作电压是指与能断能力及使用类别相关的电压值。对多相电路是指相间的电压值。②额定绝缘电压断路器的额定绝缘电压是指设计断路器的电压值，电气间隙和爬电距离应参照这些值而定。除非型号产品技术文件另有规定，额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压。在任何情况下，最大额定工作电压不超6过绝缘电压。2）额定电流①断路器壳架等级额定电流用尺寸和结构相同的框架或塑料外壳中能装入的最大脱扣器额定电流表示。②断路器额定电流断路器额定电流就是额定持续电流。也就是脱扣器能长期通过的电流。对带可调式脱扣器的断路器指可长期通过的最大电流。3．低压断路器的保护特性断路器的保护特性主要是指断路器过载和过流保护特性，即断路器动作时间与过载和过流脱扣器的动作电流关系。图中ab段为过载保护曲线，具有反时限。df段为瞬时动作曲线，当故障电流超过d点对应电流时，过电流脱扣器便瞬时动作。bce段为定时限延时动作曲线，当故障电流超过c点对应电流时，过电流脱扣器经短时延时后动作，延时长短由c点与d点对应的时间差决定。根据需要，断路器的保护特性可以是两段式，如abdf曲线，既有过载延时，又有短路瞬时保护；而abce曲线保护则为过载长延时和短路短延时保护。另外还可有三段式的保护特性，如abcghf曲线，既有过载长延时，短路短延时，又有特大短路的瞬时保护。为达到良好的保护作用，断路器的保护特性应与被保护对象的允许发热特性有合理的配合，即断路器保护特性2位于被保护对象的允许发热特性1的下方，并以此来合理选择断路器的保护特性。1-被保护对象的发热特性2-低压断路器保护特性图1-2低压断路器的保护特性74．低压断路器典型产品（1）塑料外壳式断路器塑料外壳式断路器外壳是绝缘的，内装触点系统、灭弧室及脱扣器等，可手动或电动(对大容量断路器而言)操作。有较高的分断能力和动稳定性，有较完善的选择性保护功能，用途广泛。目前数控机床常用的有DZ5、DZ20、DZXl9、DZ108和C45N（目前已升级为C65N）等系列产品。其中C45N（C65N）断路器具有体积小，分断能力高、限流性能好、操作轻便，型号规格齐全、可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极、四极断路器的优点，广泛使用在60A及以下的支路中。以DZ5系列断路器为例其主要技术数据见表1-1。表1-1DZ5系列低压断路器主要技术数参数型号额定电压(V)额定电流（A）极数脱扣器类别热脱扣器额定电流(A)电磁脱扣器瞬时动作整定值（A）DZ5-20/200交流380202无脱扣器——DZ5-20/3003DZ5-20/2102热脱扣器0.15(0.10~0.15)0.20(0.15~0.20)为热脱扣器额定电流的8~12倍（出厂时整定于10倍）DZ5-20/3103DZ5-20/220直流2202电磁脱扣0.30(0.20~0.30)0.45(0.30~0.45)1(0.65~1)1.5(1~1.5)为热脱扣器额定电流的8-12倍（出厂时整定于10倍）DZ5-20/3203DZ5-20/2302复式脱扣8DZ5-20/33033(2~3)4.5(3~4.5)10(6.5~10)15(10~15)（2）漏电保护型低压断路器漏电保护型低压断路器又称为漏电保护自动开关。常用它作为低压交流电路中配电，电动机过载、短路、漏电保护使用。漏电保护型低压断路器主要由三部分组成：自动开关、零序电流互感器和漏电脱扣器。实际上，漏电保护型低压断路器就是在一般的低压断路器的基础上增加了零序电流互感器和漏电脱扣器来检测漏电情况。当有人身触电或设备漏电时能够迅速切断故障电路，避免人身和设备受到危害。常用的漏电保护型低压断路器有电磁式和电子式两大类。电磁式漏电保护型低压断路器又分为电压型和电流型。电流型的漏电保护型低压断路器比电压型的性能较为优越，所以目前使用的大多数漏电保护型低压断路器为电流型。以电磁式电流型漏电保护型低压断路器为例：1）三相漏电保护型低压断路器图1-3所示为电磁式电流型的三相漏电保护型低压断路器的原理图。电路中的三相电源线穿过零序电流互感器1的环形铁心，零序电流互感器的输出端与漏电脱扣器2相联结，漏电脱扣器的衔铁被永久磁铁吸住，拉紧了释放弹簧。当电路正常时，三相电流的向量和为零，零序电流互感器的输出端无输出，漏电保护自动开关处于闭合状态。9图1-3电磁式电流动作型的三相漏电保护型低压断路器原理图当有人触电或设备漏电时，触电电流或漏电电流从大地流回变压器的中性点，此时，三相电流的向量和不为零，零序电流互感器的输出端有感应电流Is输出，当Is足够大时，该感应电流使得漏电脱扣器产生的电磁吸力抵销掉永久磁场所产生的对衔铁的电磁吸力，漏电脱扣器释放弹簧的反力就会将衔铁释放，漏电闭合自动开关触点动作，切断电路使触电的人或漏电的设备与电源脱离，起到漏电保护的作用。2）单相漏电保护型低压断路器单相电路的漏电保护型低压断路器，其保护原理类似于三相漏电保护型低压断路器。不同的是，单相漏电保护自动开关穿过零序电流互感器的导线是相线和中线。当线路正常时，相线和中线电流的向量和为零，因此零序电流互感器的铁心中的磁通也为零，互感器的二次回路无输出，漏电保护自动开关的触电处于闭合状态；而当出现人身触电或设备漏电时，相线和中线的矢量和不为零，互感器的二次侧有输出，如该输出电流大于漏电脱扣器的动作电流，则漏电脱扣器动作，使漏电保护自动开关的触点断开，从而切断电路，保护人身和设备的安全。单相漏电保护型低压断路器一般其额定电压为交流220V，额定电流为15～16A或32A左右，额定动作电流为30mA，漏电脱扣器动作时间小于0.1s。（3）智能型低压断路器智能型断路器的特征是采用了以微处理器或单10片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它不仅具备普通断路器的各种保护功能，同时还具备实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率、功率因数等），对电路进行在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断、通信等功能，能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中以便查询，国内DW45、DW40、DW914(AH)、DWl8(AE-S)、DW48、DWl9(3WE)、DWl7(ME)等智能化框架断路器和智能化塑壳断路器，都配有ST系列智能控制器及配套附件，它采用