普通機床電氣電路的設計與分析——電器原理大作業(yè)

1、電器原理與應用大作業(yè)普通機床電氣電路的設計與分析題目 普通機床電氣電路的設計與分析 姓名 學號 專業(yè) 電氣工程及其自動化 所在學院 電氣工程學院 課程設計：普通機床電氣電路的設計與分析1 背景材料普通臥式車床是一種應用極為廣泛的金屬切削機床，主要用來車削外圓、內圓、端面、螺紋和定型表面，并可以通過尾架進行鉆孔、鉸孔、攻螺紋等加工。1.1 主要結構和運動情況普通臥式車床結構主要有床身、主軸變速箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、絲桿和光桿等部分組成，如圖1。圖11進給箱 2掛輪箱 3主軸變速箱 4溜板與刀架5溜板箱 6尾架 7絲桿 8光桿 9床身車床的主運動為工件的旋轉運動，它是由主軸通過卡盤帶動工

2、件旋轉，其為車削加工時的主要切削功率。車削加工時，應根據(jù)加工工件，刀具種類、工件尺寸、工藝要求等來選擇。不同的切削速度，普通車床一般采用機械變速，車削加工時，一般不要求反轉，但在加工螺紋時，為避免亂扣，要反轉退刀，再以正向進刀繼續(xù)進行加工，所以要求主軸能夠實現(xiàn)正反轉。車床的進給運動是溜板帶動刀架的橫向或縱向的直線運動。其運動方式有手動和機動兩種。主運動與進給運動由一臺電動機驅動并通過各自的變速箱來調節(jié)主軸旋轉或進給速度。此外，為提高效率、減輕勞動強度，車床的溜板箱還能快速移動，稱為輔助運動。1.2 C650車床對電氣控制的要求普通臥式車床由三臺三相籠型異步電動機拖動，即主軸電動機M1、冷卻泵電

3、動機M2和刀架快速移動電動機M3。從車削加工工藝要求出發(fā)，對各電動機的控制要求是：1) 主軸電動機M1, 7.5kW，采用全電壓下的空載直接起動，能實現(xiàn)正、反向旋轉的連續(xù)運行。為便于對工件作調整運動，即對刀操作，要求主軸電動機能實現(xiàn)單方向的點動控制，同時定子串入電阻獲得低速點動。2) 主軸電動機停車時，由于加工工件轉動慣量較大，采用反接制動。加工過程中為顯示電動機工作電流設有電流監(jiān)視環(huán)節(jié)。3) 冷卻泵電動機M2，300W，用以車削加工時提供冷卻液，采用直接起動，單向旋轉，連續(xù)工作。4) 快速移動電動機M3，2.2kW，單向點動、短時運轉。5) 電路應有必要的保護和聯(lián)鎖，有安全可靠的照明電路。圖

4、2 普通車床電氣原理圖2 課程設計要求2.1 分析車床的電氣控制電路的工作原理（圖2）符號名稱符號名稱M1主電動機SB1總停按鈕M2冷卻泵電動機SB2主電動機正向點動按鈕M3快速移動電動機SB3主電動機正轉按鈕KM1主電動機正轉接觸器SB4主電動機反轉按鈕KM2主電動機反轉接觸器SB5冷卻泵電動機停轉按鈕KM3短接限流電阻接觸器SB6冷卻泵電動機啟動按鈕KM4冷卻泵電機起動接觸器TC控制變壓器KM5快移電動機起動接觸器FU16熔斷器KA中間繼電器FR1主電動機過載保護熱繼電器KT通電延時時間繼電器FR2冷卻泵電動機保護熱繼電器SQ快移電動機點動行程開關R限流電阻SA開關EL照明燈KS速度繼電器

5、TA電流互感器A電流表QS隔離開關表1 C650車床電氣元件符號及名稱對照表2.1.1 主電路分析C650型臥式車床共有三臺電動機：Ø 主軸電動機M1用于拖動主軸旋轉并通過進給機構實現(xiàn)進給運動，主要有正轉與反轉控制、停車制動時快速停轉、加工調整時點動操作等電氣控制要求。Ø 冷卻泵電動機M2用于驅動冷卻泵電動機對零件加工部位進行供液，電氣控制要求是加工時起動供液，并能長期運轉。Ø 快速移動電動機M3用于拖動刀架快速移動，要求能夠隨時手動控制起動與停止。1. 主電動機電路1) 電源引入與故障保護三相交流電源L1、L2、L3由隔離開關QS引入后，經(jīng)熔斷器FU1進入C65

6、0車床主電路。主電動機電路中，熔斷器FU1為短路保護環(huán)節(jié)；FR1為熱繼電器，對電動機M1起過載保護作用。2) 主電動機正反轉KM1與KM2分別為交流接觸器KM1與KM2的主觸頭。根據(jù)電氣控制基本知識分析可知，KM1主觸頭閉合、KM2主觸頭斷開時，三相交流電源將分別接入M1主電動機的U1、V1、W1三相繞組中，M1電動機正轉。反之，將KM1主觸頭斷開、KM2主觸頭閉合時，三相交流電源將分別接入M1主電動機的W1、V1、U1三相繞組中，與正轉相比，U1與W1相繞組相序調換，因而M1主電動機反轉。3) 主電動機全壓與降壓運行狀態(tài)同KM1與KM2，KM3為交流接觸器KM3的主觸點。當KM3主觸頭斷開時

7、，三相交流電源電流將流經(jīng)限流電阻R而進入電動機繞組，電動機繞組電壓將減小，主電動機處于降壓運轉狀態(tài)。如果KM3主觸頭閉合，則電源電流不經(jīng)限流電阻而直接接入電動機繞組中，主電動機處于全壓運轉狀態(tài)。4) 繞組電流監(jiān)控電流表A在電動機M1主電路中起繞組電流監(jiān)視作用，通過TA線圈空套在繞組一相的接線上，當該接線有電流流過時，將產生感應電流，通過這一感應電流間顯示電動機繞組中當前電流值。其控制原理是當KT常閉延時斷開觸頭閉合時，TA產生的感應電流不經(jīng)過A電流表，而一旦KT觸頭斷開，A電流表就可檢測到電動機繞組中的電流。為防止電機起動電流的沖擊，采用時間繼電器KT的延時斷開常閉觸點。電機不起動的時候KT延

8、時斷開觸點常閉，將電流表短接；按下起動按鈕的瞬間，時間繼電器開始通電，延時斷開觸點仍然閉合，避免電機起動時的大電流對電流表造成沖擊，延時一段時間后常閉觸點斷開，電流表接入電路，對正常運行的電機電流進行監(jiān)視。KT延時時間應稍長于電機起動時間。5) 電動機轉速監(jiān)控KS是和M1主電動機主軸同軸安裝的速度繼電器檢測元件，根據(jù)主電動機主軸轉速對速度繼電器觸頭的閉合與斷開進行控制。主軸轉速大于一定值時，KS觸頭閉合；主軸轉速小于一定值時，觸頭斷開。2. 冷卻泵電動機電路熔斷器FU2在冷卻泵電動機電路中起短路保護作用；熱繼電器FR2則起過載保護作用。當KM4主觸頭斷開時，冷卻泵電動機M2停轉不供液；而KM4

9、主觸頭一旦閉合，M2將起動供液。3. 快速移動電動機電路快移電動機電路中熔斷器FU3起短路保護作用。KM5主觸頭閉合時，快移電動機M3起動；而KM5主觸頭斷開，快移電動機M3停止。2.1.2 控制電路分析主電路通過TC變壓器與控制線路和照明燈線路建立電聯(lián)系。TC變壓器一次側接入電壓為380V，二次側有36V、220V兩種供電電源，其中36V給照明燈線路供電，而220V給車床控制線路供電。KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KA、KT線圈初始狀態(tài)不通電。1. 主電動機的點動調整控制按下SB2，KM1線圈通電，其余所有線圈均處于斷電狀態(tài)。因此主電路中KM1主觸頭閉合，由隔離開關QS引入的三相交

10、流電源將經(jīng)KM1主觸頭、限流電阻接入主電動機M1的三相繞組中，主電動機M1串電阻降壓起動。一旦松開SB2，KM1線圈斷電，電動機M1斷電停轉。即SB2是主電動機M1的點動控制按鈕。點動控制流程圖如圖2-1所示。圖2-1點動控制流程圖2. 主電動機的正反轉控制1) 正轉控制按下SB3，KM3線圈通電與KT線圈同時通電，常開輔助觸頭KM3閉合而使KA線圈通電，KA線圈通電又導致KA常開輔助觸頭閉合，使KM1線圈通電，且KM3線圈閉鎖，保持通電，KM3保持通電又使KA線圈也保持通電。而KM1常開輔助觸頭與KA常開輔助觸頭對SB3形成自鎖，保證KM1線圈能持續(xù)通電。主電路中KM3主觸頭與KM1主觸頭閉

11、合，電動機不經(jīng)限流電阻R則全壓正轉起動。繞組電流監(jiān)視電路中，因KT線圈通電后延時開始，但由于延時時間還未到達，所以KT常閉延時斷開觸頭保持閉合，感應電流經(jīng)KT觸頭短路，造成A電流表中沒有電流通過，避免了全壓起動初期繞組電流過大而損壞A電流表。KT線圈延時時間到達時，電動機已正常工作，繞組電流監(jiān)視電路中的KT將斷開，感應電流流入A電流表將繞組中電流值顯示在A表上。正轉起動流程圖如圖2-2所示。圖2-2 正轉起動流程圖2) 反轉控制按下SB4，導致KM3線圈與KT線圈通電，與正轉控制相類似，KA線圈通電，導致KM2線圈通電。主電路中KM2、KM3主觸頭閉合，電動機全壓反轉起動。KM1線圈所在支路與

12、KM2線圈所在支路通過KM2與KM1常閉觸頭實現(xiàn)電氣控制互鎖。反轉起動流程圖如圖2-3所示。圖2-3 反轉起動流程圖3. 主電動機的反接制動控制1) 正轉時的反接制動控制KS2是速度繼電器的正轉控制觸頭，當電動機正轉起動至接近額定轉速時，KS2閉合并保持。制動時按下SB1，控制線路中所有電磁線圈都將斷電，主電路中KM1、KM2、KM3主觸頭全部斷開，電動機斷電降速，但由于正轉轉動慣性，需較長時間才能降為零速。一旦松開SB1，則SB1又繼續(xù)閉合，又因為KM1斷電使串聯(lián)在KM2線圈電路中的KM1常閉觸點閉合，經(jīng)KS2使KM2線圈通電。主電路中KM2主觸頭閉合，三相電源電流經(jīng)KM2使U1、W1兩相換

13、接，再經(jīng)限流電阻R接入三相繞組中，在電動機轉子上形成反轉轉矩，并與正轉的慣性轉矩相抵消，電動機迅速降速，至接近零速時，KS2斷開，撤除電動機轉子上的反轉轉矩，電動機停車，實現(xiàn)反接制動。在電動機正轉起動至額定轉速，再從額定轉速制動至停車的過程中，KS1反轉控制觸頭始終不產生閉合動作，保持常開狀態(tài)。電機正轉時的反接制動流程圖如圖2-4所示。圖2-4 電機正轉時的反接制動2) 反轉時的反接制動控制KS1是速度繼電器的反轉控制觸頭，當電動機反轉起動至接近額定轉速時，KS1閉合并保持。制動時按下SB1，控制線路中所有電磁線圈都將斷電，主電路中KM1、KM2、KM3主觸頭全部斷開，電動機斷電降速，但由于反

14、轉轉動慣性，需較長時間才能降為零速。一旦松開SB1，則SB1又繼續(xù)閉合，又因為KM2斷電使串聯(lián)在KM1線圈電路中的KM2常閉觸點閉合，經(jīng)KS1使KM1線圈通電。主電路中KM1主觸頭閉合，三相電源電流經(jīng)KM1使U1、W1兩相換接，再經(jīng)限流電阻R接入三相繞組中，在電動機轉子上形成反向轉矩，并與電機原來的慣性轉矩相抵消，電動機迅速降速，至接近零速時，KS1斷開，撤除電動機轉子上的反向轉矩，電動機停車，實現(xiàn)反接制動。在電動機反轉起動至額定轉速，再從額定轉速制動至停車的過程中，KS2正轉控制觸頭始終不產生閉合動作，保持常開狀態(tài)。電機反轉時的反接制動流程圖如圖2-5所示。圖2-5 電機反轉時的反接制動4.

15、 刀架的快速移動和冷卻泵控制1) 快移電動機M3點動控制行程開關由車床上的刀架手柄控制。轉動刀架手柄，行程開關SQ將被壓下而閉合，KM5線圈通電。主電路中KM5主觸頭閉合，驅動刀架快速移動的電動機M3起動。反向轉動刀架手柄復位，SQ行程開關斷開，則電動機M3斷電停轉。M3點動控制流程圖如圖2-6所示。圖2-6 M3點動控制流程圖2) 冷卻泵電動機起停控制按下SB6，線圈KM4通電，并通過KM4常開輔助觸頭對SB6自鎖，主電路中KM4主觸頭閉合，冷卻泵電動機M2轉動并保持。按下SB5，KM4線圈斷電，冷卻泵電動機M2停轉。冷卻泵電動機起?？刂屏鞒虉D如圖2-7所示。圖2-7 冷卻泵電動機起停控制流

16、程圖5. 輔助電路照明電路由經(jīng)變壓器變換得到的36V電壓供電，燈開關SA置于閉合位置時，EL燈亮。SA置于斷開位置時，EL燈滅。照明電路控制流程圖如圖2-8所示。圖2-8 照明電路控制流程圖2.1.3 分析電路的保護環(huán)節(jié)，聯(lián)鎖環(huán)節(jié)1. 熔斷器 FU1、FU2、FU3 分別為電機 M1、M2 和 M3 提供短路保護，熔斷器 FU4 為變壓器 TC提供短路保護，熔斷器 FU5 為控制回路提供短路保護，熔斷器 FU6 為照明電路提供短路保護。2. 熱繼電器 FR1、FR2 分別為電機 M1 和 M2 提供過載保護。3. 主電機 M1 正反轉控制中，KM1 和 KM2 的動斷觸點形成電氣互鎖，已在主電

17、動機的正反轉控制中詳述。4. 與電流表并聯(lián)的 KT 延時斷開觸點用來保護電流表。繞組電流監(jiān)視電路中，因KT線圈通電后延時開始，但由于延時時間還未到達，所以KT常閉延時斷開觸頭保持閉合，感應電流經(jīng)KT觸頭短路，造成A電流表中沒有電流通過，避免了全壓起動初期繞組電流過大而損壞A電流表。KT線圈延時時間到達時，電動機已接近額定轉速，繞組電流監(jiān)視電路中的KT將斷開，感應電流流入A電流表將繞組中電流值顯示在A表上。5. 限流電阻 R 用來減小點動起動和反接制動時的大電流沖擊以及降壓起動。6. 當電源嚴重低于額定電壓或失壓時，接觸器吸力急劇下降，銜鐵釋放，電路斷開，即使電源電壓恢復正常也不會自動啟動運轉，

18、因此電路具有欠壓和失壓保護作用。2.2 電機的選用已知電動機M1，M2，M3功率分別為7.5KW，300W，2.2KW，電壓等級都是380V。請仔細分析計算各主要元器件的工作參數(shù)和要求，并在此基礎上，查閱產品樣本，選擇合適的型號，生產廠家，并說明選用的原則。主要器件包括：KM1KM5FU1 FU6FR1FR2KS, KT, KAKC (變壓器可以定制，只需說明電壓,電流和容量就可以)注意：三相電機的額定電流計算2.2.1 交流接觸器KM1KM5選取1. 相關參數(shù)計算及型號選擇C650車床控制電氣電路各電動機回路額定功率與額定電壓為：PN1=7.5KW，PN2=300W，PN3=2.2KW，UN

19、1=UN2=UN3=380V由，設=0.8，可求得M1、M2、M3電動機回路額定電流分別為：實際選用接觸器時，主觸點額定電流應大于計算值。因為負載是380V的三相感應電動機，故交流接觸器KM1KM5應選用380V的交流接觸器。1) KM1/KM2/KM3：由以上計算得電動機M1回路的額定電流為14.24A，同時主電機M1為持續(xù)運行設備，故接觸器KM1/KM2/KM3電流按67%-75%計算，即額定電流不小于14.24/75%=19A。根據(jù)國標規(guī)定，可選用德力西電氣生產的CJ20-25交流接觸器，其額定電流為25A，額定電壓380V。 2) KM4：M2回路的額定電流為0.57A，電動機M2也為

20、持續(xù)運行設備，接觸器電流計算原則同M1，根據(jù)國標規(guī)定可選用德力西電氣生產的CJ20-10交流接觸器。3) KM5：M3回路的額定電流為4.19A，電動機M3也為持續(xù)運行設備，接觸器電流計算原則同M1，根據(jù)國標規(guī)定可選用德力西電氣生產的CJ20-10交流接觸器。2.2.2 熔斷器FU1 FU6選取（1）FU1：因為M1是頻繁啟動的電動機，且有時還要點動控制，則熔斷器電流按電動機額定電流的2.5倍配置，即額定電流大于14.24*2.5=35.6A，額定電壓380V?？蛇x用北京唯天創(chuàng)杰電氣設備有限公司生產的RT20-100型高分斷能力有填料圓柱型熔斷器，適用于交流50Hz，額定電壓交流380/500

21、V，額定電流至100A的配電線路中，作過載和短路保護。（2）FU2：因為冷卻泵電機M2是頻繁啟動的電動機，其配置的熔斷器電流大小按電動機額定電流的2.5倍設置。所以，額定電流取0.57*2.5=1.425A左右，額定電壓380V?？蛇x用北京唯天創(chuàng)杰電氣設備有限公司生產的RT20-2型高分斷能力有填料圓柱型熔斷器。（3）FU3：快移電動機M3也是頻繁啟動的電動機，額定電流取4.19*2.5=10.475A，額定電壓380V?？蛇x用北京唯天創(chuàng)杰電氣設備有限公司生產的RT20-25型高分斷能力有填料圓柱型熔斷器。（4）FU4：熔斷器FU4為變壓器高壓側提供短路保護和過載保護，額定電壓380V，額定電

22、流取（6*5*220+30）/380*（1.051.15），約為15.7A?？蛇x用北京唯天創(chuàng)杰電氣設備有限公司生產的RT20-10型熔斷器。（5）FU5：熔斷器FU5為變壓器低壓側提高短路保護和過載保護，同時為控制電路提供短路保護和過載保護。合閘電流按總電流的1.051.15倍來設置。所以，額定電壓取220V，最多6個線圈同時工作，如果6個線圈的額定電流都是5A，則額定電流取6*5*（1.051.15），約為35A。可選用北京唯天創(chuàng)杰電氣設備有限公司生產的RT20-40型熔斷器。（6）FU6：熔斷器FU6為普通照明電路提高短路保護和過載保護，合閘電流按總電流的1.051.15倍來設置。所以，額

23、定電壓為36V，當照明電路功率為60w時，額定電流取=60/36*（1.051.15），約為2A。可選用上海金山電器廠有限公司生產的RT20-1型瓷插熔斷器。2.2.3 熱繼電器FR1、FR2選擇1. 選擇原則熱繼電器的選擇，主要以電動機的額定電流為依據(jù)，同時也要考慮到電動機的型式、動作特性和工作制等因素。具體選擇熱繼時應考慮以下幾點：（1）原則上熱繼電器額定電流按照電動機的額定電流的90-110%選擇,并要校驗動作特性。但是要注意電動機的絕緣材料等級，因為不同的絕緣材料有不同的允許溫度和過載能力。（2）要保證熱繼電器在電動機的正常起動過程中不致誤動作。如果電動機起動不頻繁，且起動時間又不長，

24、一般可按電動機的額定電流選擇熱繼，按照起動時間長短確定CLASS 10/20的等級（IEC947-4-1標準指定：在當前電流為整定電流的7.2倍時CLASS 10級的動作時間為4-10秒，CLASS 20級的動作時間為6-20 秒）；如果起動時間超長，則不宜采用熱繼，應選用電子過流繼電器產品。（3）要注意電動機的工作制。如果操作頻率高，則不宜采用熱繼保護，而要采取其他保護措施，例如在電機中預埋熱電阻/電偶測溫做溫度保護。（4）注意熱繼電器的正常工作溫度，熱繼的正常工作范圍是-15-+55超過范圍后，環(huán)境溫度補償失效,有可能存在熱繼誤動作或不動作問題。2. 型號選擇（1）FR1：熱繼電器FR1對

25、主電動機M1進行過載保護。M1額定電流為14.24A。FR1整定電流按M1額定電流的1.11.15倍設置，即為14.24*（1.11.15），約16.4A，可選用德力西電氣生產的JRS1-25/CJX2-32型熱繼電器。（2）FR2：熱繼電器FR2對電動機M2進行過載保護。M2額定電流為0.57A。FR1整定電流按M2額定電流的1.11.15倍設置，即為0.57*（1.11.15），約0.66A，同時考慮與交流接觸器KM4相配合，可選用德力西電氣生產的JRS1-25/CJX2-10型熱繼電器。2.2.4 速度繼電器KS選擇常用的速度繼電器有JY1型和JFZ0型兩種。其中，JY1型可在70036

26、00r/min范圍內可靠地工作；JFZO1型使用于3001000r/min；JFZO-2型適用于10003600r/min。KS可選用上海約瑟電器有限公司生產的JY1型電子速度繼電器，額定電壓380V，額定電流25A，工作轉速1003600r/min。2.2.5 時間繼電器KT選擇選用時間繼電器時應注意：其線圈(或電源)的電流種類和電壓等級應與控制電路相同；按控制要求選擇延時方式和觸點型式；校核觸點數(shù)量和容量，若不夠時，可用中間繼電器進行擴展。C650臥式車床控制電路中，時間繼電器KT最大電壓為220V，因而KT可選擇上海思源公司生產的 JS48S-S 時間繼電器，延時范圍 0.1s-99s，

27、額定電壓 220V。2.2.6 中間繼電器KA選擇中間繼電器在電氣傳動和控制線路中經(jīng)常作為輔助繼電器使用，以增大被控線路的容量及允許“切斷”容量，選用中間繼電器時應考慮以下的參數(shù)：1）觸頭容量：觸頭的額定電壓及額定電流應大于控制線路所使用的額定電壓及控制線路的工作電流；2）觸頭的種類和數(shù)目應滿足控制線路的需要；3）電磁線圈的電壓等級應與控制線路電源電壓相等；4）應考慮繼電器使用過程中的操作頻率；5）應適合使用系統(tǒng)的工作制(長期、間斷、反復工作制)；C650臥式車床控制電路中，中間繼電器KA最大電壓為220V?？蛇x用上海富繼電氣有限公司生產的JZ7-44中間繼電器。其工作頻率為50Hz、60Hz

28、，額定電壓為AC 380V DC 220V2.2.7 變壓器TC選擇TC額定電壓為380/220/36V，額定電流10/35/1A，高壓繞組容量3800VA，中壓繞組容量7700VA，低壓繞組容量36VA。2.3 設計變頻器驅動電路如果M1主軸電機控制改為由變頻器驅動，請設計變頻器供電電路，設計變頻器的接口電路，實現(xiàn)圖2中，主軸電機的所有控制功能。同時，請說明有哪些變頻器參數(shù)必須設置。注：變頻器選用西門子MICROMASTER 420 系列變頻器，并假設其數(shù)字端口有三個以上。2.3.1 變頻器接口電路變頻器的接口電路如圖2-9所示：圖2-92.3.2 變頻器參數(shù)設置1、變頻器基本參數(shù)設置：序號

29、變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P000312允許訪問擴展參數(shù)2P0304230380電動機的額定電壓(380V )3P03051.315電動機的額定電流( 15A )4P03070.187.5電動機的額定功率( 7.5kW )5P031050.0050.00電動機的額定頻率( 50Hz )6P031101420電動機的額定轉速( 1420 r/min )7P100021用操作面板（BOP）控制頻率的升降8P108000電動機的最小頻率( 0Hz )9P10825050.00電動機的最大頻率( 50Hz )10P11201010斜坡上升時間( 10s)11P11211010斜坡下降時間( 10s )12P070022選擇命令源（由端子排輸入）注意：設定電機參數(shù)時先設定P0010=1（快速調試），電機參數(shù)設置完成設定P0010=0（準備）。2、正反轉功能參數(shù)設置：序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P0701110正向點動2P07021211反向點動3P1120105斜坡上升時間( 5s )4P1121105斜坡下降時間( 5s )3、點動功能參數(shù)設置：序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P0703910正向點動2P10585.0030正向點動頻率（低