工厂电气控制技术 李振安主编 N030 节图 中 04 重庆大学出版社
目录 绪论… 第一章常用低压控制电器………… 3 §1-1概述… 3 §1-2刀开关与自动开关 §1-3熔斷群……… §1-4主令电器……………… §1-5接触器 §1-6继电器 习题 第二章基本电气控制线路 §2-1电气控制线路的绘制… §2-2三桕异步电动机的启动控制线路……………………… §2-3三桕异步电动机的正反转控制线路……… §2-4三桕异步电动机制动控制线路………… §2-5三相弄步电动机调速控制线路……… §2-6其它典型控制线路……………………………… ……70 第三章典型生产机械电气控制系统………… 74 §3-1普通车床电气控制亲统………………… 74 磨床电气控制亲统 77 §3-3摇臂钻床电气拉制统………………………… §3-4万能铣床电气控制亲统………… §3-5组合机床电气控制表统……………………………… §3-6桥式起重机电气控制表鲩…………………………… 习题 107 第四章电气控制线路设计基础 110 §4-1电气谩计的主要内容……………………………
§4-2电气设计的一般原则…… §4-3电气控制线路的设计…… …116 §4-4常用控制电罻及保护电跽的计算与选择…… 自c ,, 第五章数控与数显技术基础… 136 §5-1數控系统的构成及分类………………………… §5-2插补运算 39 §5-3数控亲統的程序编制…… §5-4位移涮量裴置 §5-5伺服装置…… 161 §5-6机床的数子显示… 167 习题…………………… ,;、和非,由 170 主要参考文献
绪论 、《工厂电气控制技术》课程的性质与任务 《工厂电气控制技术》是一门实践性较强的专业课。由于电气控制技术应用领域甚广,本课 程主要介绍机械制造过程中所用生产设备的电气控制原理线路及设计等有关知识虽然机械 设备种类繁多功能各异但基本组成可以分为4个部分,即主机部分、驱动部分、控制部分和 检测显示部分。现代机械设备所用控制方法很多,有电气的、液压的、气动的、机械的,或者是几 种方法的综合应用,而电气控制技术往往起着联接中枢作用,应用最为广泛 本课程的任务在于使学生熟悉常用控制电器的结构原理、用途、型号及选用方法,在此基 础上,熟悉电气控制的基本环节,对一般电气控制线路具有独立分析能力。通过对一些典型生 产设备电气控制系统及设计方法的介绍使学生获得更多的实用知识对电气控制设备具有 定的应用、维护、改造与设计能力。 电气控制技术的发展概况 电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而得到迅速发展 的。从最早的手动控制发展到自动控制从简单的控制设备发展到复杂的控制系统,从有触点 的硬接线继电器控制系统发展到以计箅机为中心的软件控制系统。现代电气控制技术综合应 用了计算机、自动控制、电子技术精密测量等许多先进的科学技术成果 作为生产机械动力的电机拖动,最早是采用成组拖动,即用一台电动机,通过皮带和天轴 传动,拖动多台生产机械电气控制线路也很简单。这种拖动方式能量损耗大操作不方便安 全可靠性差,所以早已被淘汰。后来出现了单独拖动方式,即用一台电动机拖动一台生产机械 与成组拖动相比,传动效率有所提高,机械设备的结构也简化了,生产安全性也有提高,目前这 种拖动方式在一些中、小型企业还有使用。随着生产的发展及自动化程度的提高出现了将生 产机械的不同运动部件分别由不同电机拖动的多电动机拖动方式,这种拖动方式既简化了机 械结构,缩短了传动链,也易于实现各运动部件的自动控制。 继电接触式控制系统主要由继电器接触器按钮、行程开关等组成其控制方式是断续 的,所以又称为断续控制系统。由于这种系统具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力 强等优点,至今仍是机床和其他许多机械设备广泛采用的基本电气控制形式,也是学习更先进 电气控制系统的基础这种控制系统的缺点是采用固定接线方式,灵活性差,工作频率低触点 易损坏,可靠性差。 以软件手段实现各种控制功能以微处理机为核心的可编程序控制器(PC),由于能适应 恶劣的工业环境,兼备计算机和继电接触式控制系统的优点,目前已成为世界各国标准化通用 控制设备,广泛用于各种工业控制领域 50年代出现的数控机床(NC)适应了占机械加工总量80%的单件和小批量生产自动化的
要求,具有高速、高效、高精度、低劳动强度和高度自动化的特点,是一种广泛通用的高效自动 化机床,有着广阔的发展前景。在此基础上发展起来的数控加工中心,是一种具有刀具自动迅 速交换机能的复合数控机床,它可以实现多道工序连续自动加工大大提高了加工效率,节省 了占地面积 由多台加工中心与物料自动搬运系统、信息处理系统和工业机器人组成的柔性制造系统 (FMS),能按适当顺序对几种同类型零件同时进行加工,整个系统的加工效率极高,并有很强 的适应性,已成为80年代以来机械加工技术的一个新的方向,使电气控制技术发展到一个新 的阶段。 在微电子技术、传感器技术、自动控制技术、精密机被技术、人工智能技术迅速发展基础上 出现的机电一体化技术,将机械设备、动力设备、控制设备、检测传感设备熔为一体,从而实现 多功能、高效率、高智能化、高可靠性,节省材料和能源。机电一体化技术是科学技术发展的必 然趟势
第一章·常用低压控制电器 §1-1概述 电器是根据外界信号(机械力、电动力和其它物理量)自动或手动接通和断开电路实现对 电路或非电对象的切换、控制保护、检测、变换和调节用的电气元件或设备 电器的种类繁多,构造各异。按工作电压交流1000V、直流1200V为界,可分为高压电器 和低压电器;按用途可分为配电电器与控制电器;按动作方式可分为自动切换电器和非自动切 换电器;按工作原理可分为电磁式电器和非电量控制电器。 电器一般由两个基本部分,即:检测部分与执行部分组成。检测部分接受外界信号并进行 物理量的转换、放大,执行部分根据检测部分的输出执行相应的动作,从而接通或分断线路,实 现控制的目的。本章主要介绍工作在交流1000V以下、直流1200V以下的低压控制电器,如常 用开关电器、主令电器、接触器继电器的结构、原理、型号、技术参数及选用原则。低压控制电 器中大部分为电磁式电器。各类电磁式电器的工作原理和构造基本相同,由检测部分 机构和执行部分—触头系统组成。 电磁机构 · 图1-1直动式电磁机构 1-衔铁2-铁心3-吸引线阉 电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁组成,其 结构形式按衔铁的运动方式可分为直动式和拍 合式。图1-1和图1-2示出直动式和拍合式电磁 机构的常用结构形式 吸引线圈的作用是将电能转换为磁能,即产 生磁通,衔铁在电磁吸力作用下产生机械位移使 铁心吸合。通入直流电的线圈称直流线圈,通入 交流电的线图称交流线圈 拍合式咆碳杌构 对于直流线圈,铁心不发热,只有线圈发热,1-衔铁2-铁心3-吸引线圈
因此线圈与铁心接触以利散热,线图做成无骨架、高而薄的瘦高型,以改善线圈自身散热铁心 和衔铁由软钢或工程纯铁制成。 对于交流线图除线图发热外雹铁心中有涡流和磁滞损蚝铁心也要发热。为了改善线圈 和铁心的散热情况,在铁心与线圈之间留有散热间隙,而且把线圈做成有骨架的矮胖型。铁心 用硅钢片叠成,以减小涡流 另外,根据线圈在电路中的联接方式可分为串联线圈(又称电流线圈)和并联线圈(又称电 压线圈)。 串联(电流)线医串接于线路中,流过的电流大。为减少对电路的影响,线圈的导线粗,匝数 少,线圈的阻抗较小。 并联(电压)线圈并联在线路上,为减小分流作用,降低对原电路的影响,需要较大的阻抗 所以线图的导线细而且匝数多 电磁铁工作时,线圈产生的磁通作用于衔铁,产生电磁吸力,并使衔铁产生机械位移。衔铁 复位时复位弹簧将衔铁拉回原位。因此作用在衔铁上的力有两个:电磁吸力与反力。电磁吸力 由电磁机构产生,反力则由复位弹簧和触头弹簧所产生。铁心吸合时要求电磁吸力大于反力 即衔铁位移的方向与电磁吸力方向相同。衔铁复位时要求反力大于电磁吸力(此时线圈断电 只有剩磁产生的电磁吸力)。 电磁吸力 10 B2S (1-1 式中F—电磁吸力(N); B气隙磁感应强度(T); S·一磁极截面积(m2) 当线圈中通以直流电时,F为恒值。当线圈中通以交流电时磁感应强度为交变量,即 B=Basinet 由式(1-1)和式(1-2)可得: (1-3) 电磁吸力按正弦函数平方的规律变化,最大值为Fn SB2 电磁吸力的最小值为零。当电磁吸力的瞬 时值大于反力时铁心吸合;当电磁吸力的 瞬时值小于反力时,铁心释放。所以电源电 压变化一个周期,电磁铁吸合两次、释放两 要 次使电磁机构产生剧烈的振动和噪音因 而不能正常工作。解决的办法是在铁心端 L费 面开一小槽,在槽内嵌入铜质短路环如图 1-3所示。 加上短路环后磁通被分成大小接近 图1-3交流电磁铁的短路环 相位相差约90电角度的两相磁通,因而两 1一衔铁2一铁心3一线圈4-短路环
相磁通不会同时过零。由于电磁吸力与磁通的平方成正比,所以由两相磁通产生的合成电磁吸 力较为平坦,在电磁铁通电期间电磁吸力始终大于反力,使铁心牢牢吸合,这样就消除了振动 和噪音。一般短路环包2/3的铁心端面。 二、触头系统 触头是电器的执行机构,在 銜铁的带动下起接通和分断电路 的作用。由于铜具有良好的导电 导热性能触头通常用钢制成。铜 质触头表面容易产生氧化膜,使 触头的接触电阻增大,从而使触 图1-4触头的结构型式 头的损耗也增大。有些小容量电器的触头采用银质材料,与铜质触头相比,银质触头除具有更 好的导电、导热性能外,触头的氧化膜电阻与纯银相差无几,而且氧化膜的生成温度很高,所 以银质触头的接触电阻较小,而且较稳定。 触头主要有两种结构型式:桥式触头和指形触头。如图1-4所示。触头的接触方式一緞有 3种即点接触、线接触和面接触如图15所示 桥式触头的两个触头串于同一电路中,电路的通断由两个触头同时完成桥式触头多为面 接触常用于大容量电器中(如交流接触器)。 指形触头为线接触。触头分断或闭合时产生滚动,用于接电次数多、电流大的场合。触头 接通或分断时产生的滚动,既可产生摩擦消除触头表面的氧化膜;又可缓冲触头闭合时的撞击 能量,改善触头的电器性能。 触头在通电状态下动、静触头脱离接触时,由于电场的存在,使触头表面的自由电子大量 溢出而产生电弧。电弧的存在既烧损触头金属表面,降低电器的寿命,又延长了电路的分断时 间,所以必须迅速消除。 (a)点接 ()线接触 (c)面接触 图1-5触头的接触方式 图1-6电动力灭弧示意图 1一静触头2一动触头 常用的灭弧方法有以下几种: 1.迅速增大电弧长度 电弧长度增加使触头间隙增加,电场强度降低,同时又使散热面积增大,降低电弧温度, 使自由电子和空穴复合的运动加强,因而电弧容易熄灭。 2.冷却 使电弧与冷却介质接触带走电弧热量,也可使复合运动得以加强,从而使电弧熄灭
常用的灭弧装置有以下几种: 1.电动力吹弧 桥式触头在分断时本身就具有电动力吹弧功能,不用任何附加装置,便可使电弧迅速熄 灭。其原理如图1-6所示。触头间屯弧周围的磁场方向为G(由右手定则确定)在该磁场作用 下,电弧受力为F,其方向如图1-6所示,可由左手定则确定。在F的作用下,使电弧迅速拉长, 冷却,并迅速熄灭。这种灭弧方法多用于小容量交流接触器中 2.磁吹灭弧 磁吹灭弧装置的原理如图1-7所示。在触点电路中串入吹弧线圈该线圈产生的磁场由导 磁夹板引向触头周围其方向由右手定则确定(为图中×所示)。触点间的电弧所产生的磁场, 其方向为所示。这两个磁场在电弧下方方向相同(叠加)在弧柱上方方向相反(相减)因 此,弧柱下方的磁场强于上方的磁场。在下方磁场作用下,电弧受力的方向为F所指的方向, 在F的作用下,电弧被吹离触头,经引弧角进入灭弧罩使电弧熄灭。 2 」P 图1-7磁吹灭弧示意图 图1-8栅片灭弧示意图 1-磁吹线圈2一绝缘套3-铁心4~引弧角 1-灭弧糖片?-触头3—电弧 5一导磁夹板6-灭弧罩7一动靼头8-静触头 3.栅片灭弧 图1-8所示为栅片灭弧装置示意图。当电器的触头分离时,所产生的电弧在吹弧电动力作 用下被推向灭弧栅内、灭弧栅是一组镀铜的薄钢片,它们彼此间是相互绝缘的。当电弧进入栅 片后被分割成一段段串联的短弧,而栅片就是这些短弧的电极。每两片灭弧棚片之间都有150 250的绝缘强度,使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强,以致外加电压无法维持,电弧迅速熄 灭。除此之外栅片还能吸收电弧热量使电弧迅速冷却。基于上述原因电弧进入栅片后就会 很快熄灭由于栅片灭弧装置的灭弧效果在交流时要比直流时强得多所以在交流电器中常采 用栅片灭弧
§1-2刀开关与自动开关 刀开关 刀开关又称闸刀开关,是结构最简单、应用最广泛的一种手控电 器。它由绝缘底板、静插座、手柄、触刀和铰链支座等组成。如图1-9 所示。 刀开关在低压电路中用于不频繁地接通和分断电路,或用于隔 离电路与电源,故又称“隔离开关。” 切断电源时会产生电弧,必须注意在安装刀开关时应将手柄朝 上,不得倒装或平装。安装方向正确,可使作用在电弧上的电动力和 热空气上升的方向一致,电弧被迅速拉长而熄灭。否则电弧不易熄 灭,严重时会使触头及刀片烧伤,甚至造成极间短路。有时还可产生 误动作,引起人身和设备事故。 接线时,电源线接上端,负载接下端,拉闸以后刀片与电源隔离 可防止意外事故的发生。 刀开关的主要类型有:大电流刀开关、负荷开关熔断器式刀开图1-9刀开关结构 关。常用的产品有HD1l~HD14和HS11~HS13系列刀开关,HK11-静插座2-手柄 HK2系列开启式负荷开关,HH3、HH4系列封闭式负荷开关,HR33-触力4-钦链支 系列熔断器式刀开关等。 座5一绝缘底板 刀开关型号的含义为; 0不带灭弧罩 1带有灭弧罩 8板前接线 板后接线 极数 一额定电流 11中央手柄 12侧面正向操作 13中央杠杆操作 14侧面手柄 HD单投刀开关 HS双投刀开关 HK开启式刀开关 熔断器式刀开关 HH封闭式负荷开关
