第2章 电气控制线路的基本环节电气控制线路是由许多电器元件按一定的要求连接而 成的。为了表达生产机械的电气控制系统的结构、原理等 设计意图，为了便于电气系统的安装、调试、使用和维修 ，需要将电气控制系统中各电器元件及其连接线路用一定 的图形表达出来，这种图就是电器控制系统图。电气控制系统图一般有三种：电气原理图、电器布置 图和电气安装接线图。在图上用不同的图形符号来表达各 种电器元件，用不同的文字符号来说明图形符号所代表的 电器元件的基本名称、主要特征及编号等。2.5 三相异步电机速度控制线路根据三相异步电动机的转速公式： 得出三相异步电动机的调速可使用改变电动机定子绕组 的磁极对数，改变电源频率或改变转差率的方式。改变转差 率调速又可分为绕线转子电动机在转子电路中串接电阻调速 、绕线转子电动机串级调速、异步电动机交流调压调速等。 2.5.1 三相笼型电动机的变极调速三相笼型电动机采用改变磁极对数调速。当改变定子 极数时，转子极数也同时改变。笼型转子本身没有固定的 极数，它的极数随定子极数而定。电动机变极调速的优点 是，它既适用于恒功率负载，又适用于恒转矩负载，线路 简单，维修方便；缺点是有级调速且价格昂贵。改变定子绕组极对数的方法有：(1).装一套定子绕组，改变它的连接方式，得到不同的 极对数。(2).定子槽里装两套极对数不一样的独立绕组。(3).定子槽里装两套极对数不一样的独立绕组，而每套 绕组本身又可以改变它的连接方式，得到不同的极对数。 NS极对数为1N极对数为2NSSV1三角形连接 双星形连接 V2V2V1W1W1W2U1U2U1U2W2V1星形连接 双星形连接 V2V2V1W1W1W2U1U2U1U2W2双速电机控制电路FABBM 3QA1QA1SF2BBSF1QA1KFQA3QA2QA0QA2QA3KFQA2SF3KFKFKFQA2QA1QA32.5.2 异步电动机的变频调速改变异步电动机的供电频率，即可平滑地调节同步转 速，实现调速运行。变频调速是利用电动机的同步转速随 频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的 。在交流异步电动机的各种调速方法中，变频调速具有调 速范围大，稳定性好，运行效率高的特点，已逐步得到推 广及应用。通用变频器可以应用于普通的异步电动机调速 控制。除此之外，还有高性能专用变频器、高频变频器、 单相变频器等。 由电动机理论可知，三相异步电动机定子每相电动势的 有效值为 ：如果不计定子阻抗压降，则： 式中：U1定子电源电压(V)；E1定子绕组感应电势(V)；f1定子电源的频率(Hz)； 气隙磁通(Wb)； N1线圈匝数。由上式可见，若端电压U1不变，则随着的f1升高，气 隙磁通将减小。又由转矩公式： 式中：I2转子电流(A)；Ct转矩常数；cos 2转子电路功率因数。可以看出， 的减小势必会导致电动机允许输出转矩T 的下降，降低电动机的出力。同时，电动机的最大转矩也将 降低，严重时会使电动机堵转。若维持端电压U1不变而减小f1 ，则气隙磁通将增加，这就会使磁路饱和，励磁电流上 升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此在许多场合 ，要求在调频的同时改变定子电压，以维持接近不变。 1) 基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频(电动机额定频率)向下调速的情况。为 了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变。这就 要求在降低供电频率的同时降低感应电动势，保持U1/f1=常 数，即保持电动势与频率之比为常数。这种控制又称为恒 磁通变频调速，属于恒转矩调速方式，但是难于直接检测 和直接控制。当频率较高时，定子的漏阻抗压降相对比较 小，如忽略不计，则可以近似地保持定子电压和频率的比 值为常数，即认为，保持U1/f1=常数。这就是恒压频比控制 方式，是近似的恒磁通控制。2) 基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。当频率由额定值 向上增大时，电压由于受额定电压U1N的限制不能再升高， 只能保持U1=U1N不变。这样必然会使主磁通随着f1的上升而 减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，即近似的恒功率 调速方式。2.6 常用机床电气控制线路分析在前面讨论了三相交流异步电动机的基本控制线路，这 些基本线路是机床电气继电器接触器控制系统的基本环节 。机床的电气自动控制系统，不仅能完成启动、制动、反转 和调速等一些基本要求，而且应保证机床各动作的准确与协 调，以满足生产工艺所提出的具体要求，即工作可靠，可实 现操作自动化。在本节中，我们将以几台典型机床控制线路为例，分析 机床控制线路的工作原理，从而提高识图能力。 2.6.1 普通车床电气控制线路在金属切削机床中普通车床所占比重最大、应用最广的 机床。它能完成切削内圆、外圆、端面、攻螺纹、螺杆、钻 孔、镗孔、倒角、割槽及切断等加工工序。车床的基本运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件旋转 ，溜板带动刀架直线移动，前者称为主运动，它承受车削时 的主要切削功率；后者称为进给运动，它使刀具移动，以切 削新的金属。普通车床的结构示意图 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丝杠 8光杠 9床身车削加工的切削速度是指工件与车刀接触点的相对速度 。根据被加工零件的材料的性质、车刀材料、几何形状、工 件的直径、加工方式及冷却条件的不同，要求具有不同的切 削速度，因而主轴就需要在相当大的范围内变速。对于普通 车床，其调速范围一般在70以上。车削加工一般不要求反转 ，但在加工螺纹时，为避免乱扣，需要反转退刀，并保证工 件的转速与刀具的移动速度之间具有严格的比例关系，因而 溜板箱与主油箱之间通过齿轮传动系统连接，刀架移动与主 抽旋转都是由同一台电动机拖动。车削的特点之一是近似恒功率负载，因而一般中小型车床部是采 用鼠笼式异步电动机拖动的，其作用是配合齿轮变速箱实行机械调速 ，以满足车削负载的要求；这种调速方式是恒功率调速。少数几种车 床也采用多速鼠笼式异步电动机拖动，但仅靠改变成极对数的电气凋 速还不能满足调速范围的要求仍需采用变速箱，形成机电配合调速 、为了与负载性质相适应，多速异步电动机也是采用恒功率性质的调 速方式。而带有电气调速的车床可以在工作过程中进行电气调速，无 需停车。无论是机械调速还是变极对数的机电配合调速，都属于有级调速 ，存在一定的速度损失，影响机床效率的充分发挥、这对中、小型车 床来说不是主要矛盾，但对重型或超重型车床就值得重视。因而这类 机床往往在考虑拖动方案上采用复杂昂贵的直流拖动系统，以获得平 滑调速，保证机床能提供所需要的切削速度，可以最大限度地发挥机 床的效能。这类车床一船只在大型工厂内使用，但也为数极少。在一 般中、小型普通车床的拖动方案个均采用价格便宜、运转可靠的交流 鼠笼式异步电动机。 车床的辅助运动是指刀架的快进与快退、尾架的移动与 工件的夹紧和松开。车床的辅助运动采用自动控制，可以减 轻体力劳动，缩短辅助工时提高生产率。其拖动一般采用 小型异步电动机。中、小型车床的电气控制线路的特点是，采用交流异步 电动机拖动，且一般主轴运动和进给运动都由一台主轴电动 机拖动，因而控制线路简单，操作方便。其主轴电动机的启 动和停止能实现自动控制。启动方式按其容量而定。当电动 机容量在5KW左右时，均采用直接启动；而容量在10KW以 上时，为避免对电网的冲击采用降压启动。对主轴电动机 空载启动的机床，虽电动机容量较大，但也可采用直接启动 ，如上海机床厂制造的C650车床，其主轴电动机功率为 20KW，却采用了直接启动方式。主轴电动机的制动有电气制动相机械制动两种方式， 调速方式通常采用变速箱，以实现机械有级调速的目的。主 轴旋转方向的改变有两种方法：一是电气方法，一是采用离 合器的机械方法。或者两种制动方法同时采用。这可以根据 不同的要求进行选择。车床加工时需要对刀具进行冷却，所 以，一般车床都有一台鼠笼式电动机拖动冷却泵，有的尚备 一台润滑油泵电动机。1.C616普通车床控制线路(1)线路介绍该车床有三台电动机：M1为主电机，M2为润滑泵电机，M3为冷 却泵电机。三台电动机由380V三相交流电源供电，由断路器QA接通， 完成操作前电路的准备工作。(2)电路工作原理在启动主电动机前，需要先起动润滑油泵电动机MA2，才能允许 主电动机MA1启动，其作用是保证车床主油箱润滑良好后，方可启动 主电动机MA1。主轴电机的控制属于直接正反转控制，不再介绍。(3)控制线路的保护措施主电动机有必要的短路保护和过载保护，这是由FAl和BB实现的。 此机床由于其冷却电动机及润滑电动机的容量小，为了尽量减少电器 的使用，所以末用过载保护。只设置了短路保护(FA2)。变压器副边为电源指示灯PG提供6.3V电压，为机床照明灯EA提供 36V电压，EA由开关SF6控制。SF6FA4FA3BBM 3QA1BB QA0L1 L2 L3MA1 主电机M 3QA3MA2 润滑电机M 3MA3 冷却泵电机QA2FA2TAEASF5QA3QA3QA1SF2SF1QA1QA2SF2SF3SF3QA2QA2QA1QA3SF4PGFA16.3V36V2.C650普通车床控制线路(1).机床的主要结构和运动形式C650卧式车床属于中型车床，可加工的最大工件回转直径为 1020mm，最大工件长度为3000mm。其主要由床身、主轴、刀架、溜 板箱和尾架等部分组成。该车床有两种主要运动：一种是安装在床身主轴箱中的主轴运动 ，称为主运动；另一种是溜板箱中的溜板带动刀架的直线运动，称为 进给运动。刀具安装在刀架上，与滑板一起沿主轴轴线方向实现进给 移动，主轴的转动和溜板箱的移动均由主电机驱动。由于加工的工件比较大，加工时其转动惯量也比较大，需要有停 车制动的功能。为了加工螺纹等工件，主轴需要正、反转运动。主轴转速应该在相 当大的范围内可以调节，还需要提供切削液，并且为了减轻工人的劳 动强度和节省辅助工作时间，而要求带动刀架移动的滑板能够快速移 动。(2).电力拖动及控制要求从车床的加工工艺出发，对拖动控制有如下要求：A、主轴电机的点动、直接起动、双向运行与反接制动；B、冷却泵电机直接起动和停止；C、刀架快速移动电机直接起动和停止；D、具有必要的短路和过载保护；E、应有安全的照明装置。(3).主电路分析BB1M 3QA1QA0L1 L2 L3MA1 主电机M 3QA4MA2 冷却泵电机M 3MA3 快移电机QA2QA3RAKF1APABB2FA1QA5BSFA2主电机MA1的短路保护由断路器 QA0完成。QA1为正转接触器，QA2为 反转接触器。电流表PA监视主电机绕 组工作时的电流变化。为防止电流表被 起动电流冲击损坏，利用时间继电器 KF1在起动时短时将电流表短接。接触 器QA3可控制主电路中是否接入限流电 阻RA，用于防止频繁点动和反接制动 时的过大电流。速度继电器BS用于反接制动时的 速度检测，正常正转时BS2动合触点闭 合，正常反转时BS1动合触点闭合。刀架快移电机短时工作，不设过载 保护。(4).控制电路分析主电机点动控制(正转、BS2闭合)SF6FA4FA3BB1M 3QA1QA1SF3BB1SF1QA1KF1QA0QA2QA3L1 L2 L3MA1 主电机M 3QA4MA2 冷却泵电机M 3MA3 快移电机QA2QA3RAKF1APABB2FA1QA5BSTAEA36V110V FA5SF2KF2SF3KF2KF2nBS1QA3nBS2SF4SF4QA2QA2QA1KF2BB2SF5 QA4QA4BGQA5FA2KF2SF6FA4FA3BB1M 3QA1QA1SF3BB1SF1QA1KF1QA0QA2QA3L1 L2 L3MA1 主电机M 3QA4MA2 冷却泵电机M 3MA3 快移电机QA2QA3RAKF1APABB2FA1QA5BSTAEA36V110V FA5SF2KF2SF3KF2KF