机床电气控制与PLC1

机床电气控制与PLC,机械工业出版社,第1章三相异步电动机的基本控制,知识目标技能目标,知识目标,1）了解三相异步电动机及常用低压电器的类型、型号及选用方法，熟记其图形符号和文字代号。2）掌握三相异步电动机的基本控制环节。3）掌握电动机控制电路的保护环节。,技能目标,1）能根据不同场合，正确的选用电动机及常用低压电器。2）能准确地分析电动机的点动、启动、正反转及制动等电路。3）能根据电路图，对电动机的点动、启动、正反转及制动等电路进行接线、调试及故障排除等。4）能根据要求，设计简单的电动机控制线路。,问题导入,如何选择三相异步电动机？怎样控制才能使其完成工作任务？要用到哪些相关的电器元件？,电动葫芦,本章内容,1.1三相异步电动机1.2三相异步电动机的全电压启动控制1.3三相异步电动机的降压启动控制1.4三相异步电动机的正反转控制1.5三相异步电动机的制动控制1.6三相异步电动机的保护环节1.7三相异步电动机的变速,1.1三相异步电动机,1.1.1三相异步电动机的铭牌1.1.2三相异步电动机的选择,三相异步电动机,（d）JR系列绕线型（e）YB2隔爆型（f）MC/MY单相铝壳式,YS系列,Y2系列,YEJ系列电磁制动式,JR系列绕线型,YB2隔爆型,MC/MY单相铝壳式,1.1.1三相异步电动机的铭牌,（1）型号（2）电压及接法,（1）表示电动机的类型、用途和技术特征的代号。如Y132M-4（2）UN额定电压:电动机额定运行时，定子绕组上应加的额定电源线电压值。,（3）电流（4）功率、功率因数、效率,IN额定电流：定子绕组的额定线电流值PN额定功率:在额定运行状态下，其轴上输出的机械功率。电源输入的功率：P1NUNINcoscos功率因数：定子相电压与相电流相位差的余弦电动机的效率PN/P1N100%,（5）频率（6）转速（7）绝缘等级,（5）f1/fN额定频率：定子绕组外加的电源频率。工频：50Hz。（6）nN额定转速：电动机在额定电压、额定频率及输出额定功率时的转速。（7）绝缘等级：根据电动机绕组所用的绝缘材料、按使用时的最高允许温度而划分的不同等级,（8）工作方式及防护等级,对电动机在铭牌规定的技术条件下持续运行时间的限制，以保证电动机的温升不超过允许值。连续工作方式S1：在额定状态下可长期连续工作。机床、水泵、通风机。短时工作方式S2：在额定情况下，持续运行时间不允许超过规定的时限。分为10，30，60，90（分钟）等四种。断续工作方式S3：电动机的工作与停歇交替进行，时间都很短。吊车、起重机等。,想一想：,某三相笼型异步电动机的额定电压为220380V，那么在380V的情况下，可否采用Y-启动？为什么?,1.1.2三相异步电动机的选择,1功率（即容量）的选择2电动机类型的选择3电压的选择4转速的选择,1功率（即容量）的选择,电动机功率的选择，由生产机械所需的功率决定。对连续运行的电动机，要先算出生产机械的功率，使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械功率即可。对短时运行的电动机，可根据过载系数来选择功率。电动机的额定功率可以是生产机械所要求功率的1。,2电动机类型的选择,（1）三相电源是最普通的动力电源，若无特殊要求，交流电动机优于直流电动机。（2）选择交流电动机时，笼型的结构、价格、可靠性、维护等方面优于绕线转子电动机。（3）启动、制动频繁且具有较大启动转矩、制动转矩和小范围调速要求的，可选用绕线转子电动机，如起重机、锻压机、卷扬机等设备。（4）要求转速恒定或功率因数较高时，宜选用同步电动机。,3电压的选择,电压的选择要根据电动机类型、功率及使用地点的电源电压来决定。大容量的电动机(大于100kW)在允许条件下一般选用如3000V或6000V的高压电动机。小容量的Y系列笼型电动机电压只有380V一个等级。,4转速的选择,电动机的额定转速取决于生产机械的要求和传动机构的变速比。额定功率一定时，转速越高，则体积越小，价格越低，但需要变速比大的传动减速机构。必须综合考虑电动机和机械传动等方面的因素。,例1-1某三相异步电动机的技术数据：,额定功率PN30kW，形连接（额定电压UN380V），额定转速nN1370rmin，额定工作时的效率90，定子功率因数cos0.85，工频f150Hz，启动电流比Ist/IN7.0。试求：（1）极对数p；（2）额定转差率sN；（3）额定电流IN；（4）直接启动电流Ist。,解：,（1）求极对数p由于电动机的额定转速略小于旋转磁场的同步转速n0，因此，可根据nN1370r/min判断其同步转速n01500rmin，故得p60f1n06050/15002,（2）求额定转差率sNsN（n0nN）/n0100%（1500-1370）/1500100%8.7%（3）求额定电流INP1NPNUNINcosINPNUNcos301033800.90.8559.6A（4）求启动电流IstIst7.0IN7.059.6417.2A,思考题：,（1）说明电动机型号Y160L-4的意义。（2）说明某三相异步电动机铭牌的意义：2.8kW、Y/、220/380V、10.9/6.3A、1470r/min、50Hz、cos0.9。,1.2三相异步电动机的全电压启动控制（边学边做）,电气原理图,（1）电气原理图分为主电路和控制电路（2）各电器元件采用国家统一的图形和文字代号。各电器元件的导电部件（如KM线圈和触点），都绘制在它们起作用的地方。（3）原理图中，各电器元件的触点是没有外力作用或没有通电时的原始状态。按钮的触点按不受外力作用时的状态绘制接触器的触点，按线圈未通电时的状态绘制。,任务目标,(1)认识与启动控制相关的几个常用的低压电器元件开关、熔断器、热继电器、自动开关、按钮、接触器、变压器；(2)学会全电压直接启动的控制方法。,1.2.1相关电器元件,1刀开关2熔断器3热继电器4自动开关5控制按钮6接触器7变压器,1刀开关,（1）胶盖开关（2）铁壳开关（3）刀开关的选用,（1）胶盖开关,单极、双极和三极,刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。如果倒装，拉闸后手柄可能会因自重下落而引起误合闸，造成人身及设备安全事故。接线时较为安全的做法是：将电源线接在刀开关的上端，负载线接在其下端。,（2）铁壳开关,速断刀开关与熔断器组合在一起,（3）刀开关的选用,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。如果用来控制非频繁起停的小容量异步电动机，其额定电流不能小于电动机额定电流的3倍。,2熔断器,（1）熔断器的组成（2）熔断器的分类（3）熔断器的选用,（1）熔断器的组成,熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）组成。,（2）熔断器的分类,RL型螺旋式熔断器RC型插入式熔断器密封管式熔断器RT型有填料密封管式熔断器RMl0型无填料密封管式熔断器,RL型螺旋式熔断器,RC型插入式熔断器,（a）RC型熔断器实物图（b）RC型熔断器示意图,密封管式熔断器,a）RT型有填料式熔断器b）RMl0型无填料式熔断器c）密封管式熔断器示意图,（3）熔断器的选用,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。冲击电流没有冲击电流,熔体额定电流的选择,a)对于照明、电炉等没有冲击电流的电阻性负载，熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流，IRNIb）保护单台电动机时，熔断器的额定电流：IRN（1.52.5）INc)对于多台电动机由一个熔断器保护：IRN(1.52.5)INmax+IN,对于电动机类负载，应考虑启动冲击电流的影响,3热继电器,利用电流的热效应原理对三相异步电动机长期过载进行保护的。（1）热继电器的组成及工作原理（2）热继电器的技术数据（3）热继电器的选择,（1）热继电器的组成及工作原理,热元件、双金属片和触点三部分组成,热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作而使电路瞬间断开，因此不能作短路保护。同理，在电动机启动或瞬间过载时，热继电器也不会动作，这样可避免电动机不必要的停车。,（2）热继电器的技术数据,JRS1、JRS4、JRS28、JR0及JRl0表1-7JR0-40型热继电器的技术数据,（3）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,4自动开关,（1）自动开关的工作原理（2）自动开关的选用,（1）自动开关的工作原理,（2）自动开关的选用,DZ1-20、DZ1-50、DZl0、3VE1、3VE3和3VE4等系列表：3VE1系列自动开关的主要技术数据,5控制按钮,（1）按钮的组成（2）按钮的分类（3）按钮的选用,（1）按钮的组成,控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成,（2）按钮的分类,停止按钮复合按钮指示灯式按钮紧急式按钮旋钮式按钮,（3）按钮的选用,1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、防水式、防腐式等。2）根据用途，选用合适的类型，如钥匙式、紧急式、带灯式等。3）按控制回路的需要，确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮、多钮等。4）按工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮及指示灯的颜色。,6接触器,用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（1）接触器的结构（2）接触器的工作原理（3）接触器的选用,（1）接触器的结构,由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件组成,（2）接触器的工作原理,1-动触头2-静触头3-衔铁4-弹簧5-线圈6-铁芯,7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧,（3）接触器的选用,交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。接触器的触点IC=PN/KUN接触器的线圈额定操作频率,表CJX1（3TB）系列接触器的主要技术数据,7变压器,根据电磁感应原理制成的一种电气设备。具有变换电压、变换电流和变换阻抗等功能（1）变压器的结构（2）变压器的工作原理（3）变压器的额定技术指标,（1）变压器的结构,（2）变压器的工作原理,原、副边电压,注意：虽然变压器的原、副边电压取决于电压变比，但却不能只根据变比来选用变压器。,（3）变压器的额定技术指标,原边额定电压U1N原边额定电流I1N副边额定电压U2N副边额定电流I2N额定容量SN对单相变压器：SN=U2NI2N=U1NI1N（VA）额定频率fN：变压器的效率N：,想一想：,（1）熔断器在电路中的作用是什么？它有哪些主要参数？（2）熔断器的额定电流与熔体的额定电流是不是一回事？二者有何区别?,1.2.2电动机的启动分析,电动机接通电源，转速由零上升到稳定值的过程为启动过程。在电动机接通电源的瞬间（即转子尚未转动时），n0，s1，定子电流（即启动电流）Ist很大。启动电流虽很大，但启动时间短，且随着电动机转速的上升电流会迅速减小，故对容量不大且不频繁启动的电动机影响不大。三相异步电动机一般有全压直接启动和降压启动两种方式。,1.2.3实训步骤,（1）直接用开关启动电动机（2）单向全电压连续启动控制,(3)点动控制,1.3三相异步电动机的降压启动控制,任务目标(1)认识与降压启动控制相关的低压电器元件时间继电器；(2)学会Y-降压启动的控制方法，会分析；(3)学会自耦变压器降压启动控制。,1.3.1时间继电器,从获得输入信号（线圈的通电或断电）时起，经过一定的延时后才有信号输出（触点的闭合或断开）的电器，为时间继电器，它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、电动式及晶体管式等类型。,（1）空气阻尼式时间继电器,（a）通电延时型（b）断电延时型图1-29JS7-A系列时间继电器动作原理图1-线圈2-铁心3-衔铁4-复位弹簧5-推板6-活塞杆7-杠杆8-塔形弹簧9-弱弹簧10-橡皮膜11-空气室壁12-活塞13-调节螺杆14-进气孔15，16-微动开关,（2）晶体管式时间继电器,（a）通电延时线圈（b）断电延时线圈（c）延时闭合常开触点（d）延时断开常闭触点（e）延时断开常开触点（f）延时闭合常闭触点（g）瞬动常开触点（h）瞬动常闭触点,表JSJ型晶体管式时间继电器的技术数据,1.3.2电动机的启动分析,降压启动时，要先降低加在定子绕组上的电压，当电动机接近额定转速时，再加上额定电压运行。由于降低了启动电压，启动电流也就降低了。三相鼠笼型电动机的降压启动方法：定子绕组串电阻（或电抗器）启动自耦变压器降压启动星形三角形降压启动,1.3.3实训步骤,1.定子绕组串电阻降压启动控制,2.星形三角形降压启动控制,3.自耦变压器降压启动控制,练一练：两台电动机顺序起停电路的安装及调试,1）如果电路中的第一台电动机能正常启动，而第二台电动机无法启动，试分析可能发生的故障。2）如果电路中的第一台电动机不能正常启动，试分析可能发生的故障。,1.4三相异步电动机的正反转控制,任务目标(1)认识与位置有关的常用电器元件行程开关；(2)进一步理解互锁的意义和使用；(3)学会电动机“正停反”、“正反停”及正反转自动循环控制的方法。,1.4.1行程开关,行程开关又称限位开关，是根据运动部件位置情况切换控制电路的电器元件，主要用来控制运动部件的运动方向、行程大小或进行位置保护。行程开关按其工作原理可分为机械式行程开关和电子式行程开关；按运动形式可分为直动式、微动式、转动式等；按触点的性质又可分为有触点式和无触点式。,1有触点的行程开关,按钮式行程开关,触头式行程开关,2无触点的行程开关,1.4.2电动机的正反转分析,由三相异步电动机的工作原理可知，只要将电动机接在三相电源中的任意两根电线对调，即改变电源的相序，就可实现电动机的反转。,1.4.3实训步骤,1电动机的“正停反”控制2电动机的“正反停”控制3电动机的正反转自动循环控制,1电动机的“正停反”控制,2电动机的“正反停”控制,3电动机的正反转自动循环控制,1.5三相异步电动机的制动控制,任务目标(1)认识与启动控制相关的常用电器元件速度继电器；(2)理解制动的概念；(3)学会电动机反接制动的控制方法；(4)学会电动机能耗制动的控制方法。,1.5.1速度继电器,表1-15JY1型和JFZ0型速度继电器技术数据,1.5.2电动机的制动分析,机械制动是利用机械装置使电动机迅速停转，常用机械抱闸、液压制动器等机械装置。一般由制动电磁铁和闸瓦制动器组成，可分为通电制动和断电制动。电气制动实质上是在电动机停车时产生一个与转子原来转动方向相反的制动转矩，迫使电动机迅速停车。机床上常用的电气制动控制有能耗制动和反接制动。,1反接制动,当电动机需要停转时，将三根电源线中的任意两根位置对调，使旋转磁场反向（方向为如图中n0），此时产生一个与转子惯性旋转方向相反的电磁转矩（受力方向为F），从而使电动机迅速减速。当转速接近零时必须立即切断电源，否则电动机将会反转。,2能耗制动,当电动机断电后，立即向定子绕组中通入直流电而产生一个固定的不旋转的磁场B。由于转子仍以惯性转速运转，转子导条与固定磁场间有相对运动并产生感应电流。这时，转子电流与固定磁场相互作用产生的转矩方向与电动机惯性转动的方向相反（受力方向为F），起到制动作用。,1.5.3实训步骤,1反接制动速度原则时间原则2能耗制动速度原则时间原则,1反接制动,2能耗制动,1.6三相异步电动机的保护环节,为了确保设备长期、安全、可靠无故障地运行，机床电气控制系统必须有保护环节，用以保护电动机、电网、电气控制设备及人身的安全。电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过载保护、零压和欠压保护以及弱磁保护等。,1.6.1继电器,继电器是一种根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路，以实现控制目的电器元件，主要用于控制和保护电路或作为信号转换之用。按输入信号的性质可分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等,1.6.1继电器,继电器是一种根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路，以实现控制目的电器元件，主要用于控制和保护电路或作为信号转换之用。,l-弹簧2-框架3-接线端子4-线圈5-护轨夹,6-底座7-铁心8-联动杆9-动触点10-静触点,1电压继电器,按动作电压值分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。过电压继电器在电源电压为线圈额定电压的110115以上时动作；欠电压继电器在电源电压为线圈额定电压的4070时有保护动作；零电压继电器当电源电压降至线圈额定电压的525时有保护动作。,2中间继电器,中间继电器实质上是电压继电器的一种，但它的触点数可达6对甚至更多，触点额定电流一般为510A。可用于扩大继电器或接触器辅助触点的数量，也可用于扩大PLC的触点容量，起到中间转换的作用,3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3065，释放电流为额定电流的1020。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，继电器才释放，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1.14倍额定电流。,1.6.2三相异步电动机的保护环节,1短路保护2过载保护3过电流保护4零电压及欠电压保护,1短路保护,电动机绕组或导线的绝缘损坏，或者线路发生故障时，都可能造成短路事故。常用的短路保护元件有熔断器FU和自动开关QF。,2过载保护,三相异步电动机的负载突然增加、断相运行或电网电压降低都会引起过载。电动机长期超载运行，其绕组温升将超过允许值，会造成绝缘材料变脆、变硬、减少寿命，甚至造成电动机损坏，因此要进行过载保护。常用的过载保护元件是热继电器FR和自动开关QF。,熔断器熔体的额定电流一般不应超过热继电器发热元件额定电流的4倍,3过电流保护,过大的负载转矩或不正确的启动方法，会引起电动机的过电流故障。过电流一般比短路电流要小，产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转启动、制动的重复短时工作中更是如此。一般过电流的动作值为启动电流的1.2倍过电流保护元件是过电流继电器，通常采用过电流继电器KI和接触器KM配合使用。,4零电压及欠电压保护,（1）零电压保护零电压保护是为防止电网失电后恢复供电时，电动机自行启动而实行的保护。（2）欠电压保护欠电压保护是为防止电源电压降到允许值以下，造成电动机损坏而实行的保护。一般通过接触器KM的自锁环节来实现电动机的零电压、欠电压保护，也可用自动开关QF来进行保护，或用欠电压（或零电压）继电器来保护。,1.6.3接地,接地，就是将电气设备或过电压保护装置用接地线与接地体连接。实际是提供一个等电位点或电位面。工作接地：为了电路或者设备达到运行需要的接地。如变压器的低压中性点接地等。保护接地：为了防止电气设备金属外壳等由于绝缘体损坏可能的带电，这种电压可能会危及人身安全，因此而设的接地，也称为安全接地。保护接地是中性点不接地的电气系统最常采用的一种保安措施。,1保护接地的形式,（1）TT系统（2）TN系统,（1）TT系统,电源系统有一点直接接地，如果设备外露部分中，导电部分的接地与电源系统的接地在电气上无关。,机床的接地可以采用,（2）TN系统,电源系统有一点直接接地，如果负载设备外露部分中，导电部分通过保护线连接到此接地点，这样的系统称为TN系统。根据中性线和保护线的布置，TN系统可分为3种。TN-S系统TN-C-S系统TN-C系统,TN-S系统,整个系统中，中性线（N线）和保护线（PE线）是分开的,在电气设计时，通常不把中性导体引入控制柜。如果一定要引入，必须标明N标志，在电气柜中不允许将PE线和N线短接。,机床的接地可以采用,TN-C-S系统,统中一部分中性线（N线）和保护线（PE线）的功能能合在一根导线上,机床的接地不可采用,TN-C系统,整个系统中，中性线（N线）和保护线（PE线）的功能能合在一根导线上,机床的接地不可采用,2保护接地的要点,电气设备都应有专门的保护导线接线端子（保护接线端子），黄绿色标记。不允许用螺丝在外壳、底盘等代替保护接地端子。保护接地线用粗而短的黄绿线连接到保护接地端子排上（俗称接地铜牌），接地铜排要接入大地，且接地电阻要小于4。保护接地不允许形成环路设备的金属外壳良好接地，是抑制放电干扰的最主要措施。设备外壳接地，起到屏蔽作用，减少与其他设备的相互电磁干扰。,串接后连接地排,与接地排直接连,3工作接地,(1)工作接地的方式工作地线：为了保证设备的正常工作的地线。如直流电源、信号输出要有一极接地，作为参考。工作接地有浮地、单点接地和多点接地等方式。(2)工作接地的要点,(1)工作接地的方式,浮地单点接地多点接地,浮地,工作接地与金属机箱绝缘，是浮置的。目的是防