机床电气控制技术课件

第四章电气调速系统调速是机床对电力拖动系统要求的主要性能之一。目前机床常用的调速方法有：机械有级或无级调速；机械与电气结合的有级或无级调速；电气无级调速。4-1电气调速概述一、调速与稳速调速即速度调节，是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速，以满足工作机械的不同转速要求(由于负载或电源扰动而引起的电动机转速变化，则不叫调速)。

图4-1电动机的调速

图4-2开环调速系统结构二、电动机无级调速的类型按电源种类可分为直流和交流两大类。直流调速系统通常有以下几类：(1)直流发电机—直流电动机(G—M)系统图4-3闭环调速系统结构(2)交磁放大机—直流电动机(SKK—M)系统(3)晶闸管—直流电动机(SCR—M)系统(4)脉宽调制—直流电动机(PWM)系统该系统是用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压切割成与三角波同频率的矩形波。从电工学得知，电机的转矩T、转速n功率P的关系通式为式中Km——与电机结构及特性有关常数。(1)恒功率调速(2)恒转矩调速

图4-4恒功率调速特性图4-5恒转矩调速特性不同工作机械要求的调速范围不同，不同类型电动机在不同调速方式下所能达到的调速范围也不同。三、调速的性能指标1.调速范围(D)

等于在额定负载下，电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即2.调速的平滑性(Φ)3.静差度(S)

即速度的稳定度。式中ne——额定负载下的实际转速。静差度S常用百分数表示，故又称静差率。显然，电动机的机械特性愈硬，控制系统的静特性愈硬，由负载变动而引起的转速降落愈小，静差度S愈小，稳速精度愈高。4.调速的经济性调速的经济指标，一般是根据设备费用、能源损耗、运行及维扩费用多少来综合评价的。四、扩大调速范围的途径由前述可见，电动机转速下限nmin要受到静差度S指标的限制，相应调速范围D亦受静差度S的限制。该拖动系统的调速范围、静差度、静态速降和最高空载转速之间的关系为：图4-6转速与S的关系图4-7速度负反馈控制系统图4-7所示是一具有转速负反馈的直流调压调速系统。直流调压电源是用差值电压ΔU控制输出电压Ud的部件，直流电机M的转速n受Ud的控制，测速反馈电路的输出电压Uf比例于电动机转速n。当给定电压Ug一定时，电动机M有一对应转速n。若负载扰动引起转速变化，通过测速反馈电路的反馈电压Uf变化，自动调整差值电压ΔU变化，使调压电源的输出电压Ud变化，从而使电动机转速n又趋于原值。4-2直流电动机的调速控制一、直流电动机的基本调速方式及其调速特性从电工学可知，图4-8所示的他激直流电动机有以下方程，即图4-8他激直流电动机原理式中Ud——电动机的电枢电压；Ed——电动机的反电势；

T——电动机的电磁转矩；Ce——电动机的电势常数；

Ct——电动机的转矩常数；Φ——主磁极的磁通；

Id——电枢电流；Rd——电枢绕组电阻。图4-9调压调速的机械特性A1—固有特性A2、A3…—人为特性直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式，即1.改变电枢电压的调速方式(调压调速)调压调速具有：调节细，可实现无级调速，平滑性好；物性硬度不变，相对稳定性好；调速过程能耗低，可节省降压起动设备，经济性好；调速范围宽等优点。为使电机容量得到充分利用，应使电枢电流保持Id=Ied，此时磁通与转速成反比：故转矩也与转速成反比：直流电动机的调压调速为恒转矩调速，调磁调速为恒功率调速.2.改变励磁磁通的调速方式(调磁调速)所谓恒转矩调速或恒功率调速，是指在电机不超过发热条件限制下，按可调的不同转速长期工作时，都能输出额定转矩或额定功率的调速。调压调速和调磁调速的调速特性刚好满足常用的恒转矩和恒功率机械负载特性的要求。图4-10调磁调速时的机械特性1.转速负反馈晶闸管调速系统(SCR-M)(1)转速负反馈ＳＣＲ-M系统的组成和工作原理图4-13转速负反馈调速系统TG电枢两端电动势Ecf为式中Cef——测速发电机的电势常数；

Φcf——测速发电机的励磁磁通。稳定电动机的转速n，其调整过程如下：(2)转速负反馈SCR-M系统静特性分析系统的静特性是指稳态时，电动机转速n与电枢电流Id之间的关系，即n=f(Id)。式中ΔE——晶闸管正向管压降(一般ΔE<1.2V)；

RΣ——电枢回路总电阻。其表达式为其中r′——主变压器全部漏抗折算到次级的等效电阻；

rtz——主变压器次级绕组电阻；

rp——平波电抗器绕组电阻；

Rd——电动机电枢绕组电阻。图4-14转速负反馈闭环系统静态结构框图该系统开环的总响应为闭环系统的总响应可写为比较式(4-9)与式(4-10)可得据式(4-4)可知有转速负反馈的闭环系统的调速范围Db为：式中Dk——该系统开环时调速范围。综上所述，当负载相同时，闭环系统的静态速降Δnb减小为开环系统静态速降Δnk的1/(1+K)；如果电动机的最高转速相同，而对静差度的要求也一样，那么，闭环系统的调速范围Db是开环系统调速范围Dk的(1+K)倍。图4-15静特性比较1—有反馈2—无反馈例4-1某龙门刨床工作台采用转速负反馈SCR-M系统。解：1)开环系统额定负载下的静态速降为：开环系统额定转速下的静差度为：显然，Sedk=21.6%>5%，不能满足要求。2)额定负载下电动机静态速降为：额定负载下最低转速时静差度为：式中ned1——额定负载时电动机最高转速；

ned2——额定负载时电动机最低转速；

Δned——额定负载时电动机转速降落；

n02——电动机最低理想空载转速；

S2——额定负载下最低转速时的静差度。2.电压负反馈和电流正反馈调速系统若电压负反馈的电阻分压比与电流正反馈电阻R，能满足关系式：则反馈电压为(1)电压负反馈环节其调速过程为可见，电压负反馈环节具有自动调整转速作用；在一定程度上扩大调速范围。只有电压负反馈系统的静特性如图4-17之曲线2，与开环特性1相比减小了静态速降。但与转速负反馈系统静特性曲线4相比软得多。可见，由电枢压降增量ΔIdRd引起的转速降落未能得到补偿。(2)电流正反馈环节其反馈电压IdR与给定电压Ug同极性，且与负载电流Id成正比，故当Id增大时，ΔU也随之增大，使电动机端电压高于原值，来补偿ΔIdRd，从而使转速基本不变。图4-16带有电压负反馈和电流正反馈的调速系统附加电流正反馈的电压负反馈系统的静特性曲线如图4-17之3所示，其特性硬度接近转速负反馈系统。如果式(4-13)成立，则曲线3与4重合。图4-18是该闭环系统的框图。图4-18带电压负反馈和电流正反馈的调速系统图4-17各种系统静特性1—开环系统2—电压负反馈系统3—电压负反馈和电流正反馈系统4—转速负反馈系统3.电流负反馈的应用电流截止负反馈电压IdRb与负载电流Id成正比，Ub是比较电压，由另外电源供给。图4-19带有电流截止负反馈的转速负反馈系统Ub和二极管V决定了产生电流截止负反馈的条件。当Id不大且IdRb≤Ub时，二极管V截止，电流负反馈不起作用，对系统放大电路无影响。当Id大到IdRb>Ub时，二极管V导通，电压(IdRb-Ub)通过二极管以并联负反馈的形式加到放大器的输入端，减弱ΔU的作用，降低Udα从而减小Id。带电流截止负反馈的自动调速系统的静特性如图4-21所示。图4-21带有电流截止负反馈的转速负反馈系统静特性图4-20带电流截止负反馈的转速负反馈系统框图图4-22电压微分负反馈这种两段式的特性是挖土机必须具备的特性，称之为“挖土机特性”。在电动机起、制动过程中，电流截止负反馈既能限制电流的峰值不会超过Idz，又能保证具有允许的最大起动和制动转矩，并能缩短起动、制动过渡过程，因此电流截止负反馈环节几乎被各种调速系统所采用。4.电压微分负反馈图4-22为电压微分负反馈原理电路。图中电枢电压通过C3R2支路加到放大触发电路的输入端，若选择电枢电压升高时微分值的极性与ΔU的极性相反，则构成并联电压微分负反馈形式。5.采用PI调节器的SCR-M转速负反馈系统(1)PI调节器自动控制系统中常用运算放大器的输入与输出的关系来调节系统的状态，故把这种运算放大器称为调节器。PI调节器是同时具有比例运算和积分运算两种作用的放大器，其电路结构和特性如图4-23所示。输出电压ΔU2可写成式中Kp=R2/R1——PI调节器的比例系数；

τi=R1C2——PI调节器的积分时间常数。由式(4-15)可知，调节器输入电压ΔU1为一恒值时，输出电压ΔU2由一阶跃变量和随时间线性增长的两部分组成。变化规律如图4-23b)所示。图4-23比例积分调节器的原理和特性a)原理图b)特性(2)带有PI调节器的自动调速系统PI调节器在系统中起维持转速不变的作用，亦称速度调节器。给定电压Ug与转速反馈电压Ucf之差作为调节器的输入电压ΔU1，输入等效电路与图4-23a)相同。调节器的输出ΔU2=Uk送入触发电路，控制整流输出电压Udα，从而调节转速n。可见PI调节器中比例调节器的作用是缩短调节过程，积分调节器的作用是最终消除偏差，带有PI调节器的调速系统是一个无静差调速系统，在要求更高的场合，可采用两个PI调节器组成双闭环系统，此外在调速系统中应用的还有比例——积分——微分(PID)调节器等调速环节。图4-24带PI调节器的转速负反馈系统四、直流电动机的PWM调速原理晶体管有两种工作状态：放大状态和开关状态。实现晶体管脉冲调速的方式主要有以下几种：(1)脉冲宽度调制(PWM)调速(2)脉冲频率调制调速(3)混合调制调速一个固定的直流电压U经开关K的控制作用来改变加到电动机电枢上的电压。假定开关K的开闭周期(即序列脉冲周期)为T，每次闭合的时间为τ，则电机电枢两端的平均电压为图4-25脉冲调速原理a)线路图b)波形图因此，电机电枢两端的平均电压与导通率ST成正比。当T不变(频率固定)时，只要改变开关K闭合的时间τ，亦即改变导通率，就可以改变电枢两端的平均电压(如图中τ1→τ2，则Ud1→Ud2)，从而改变电机的转速。通常开闭周期T选得比电机的时间常数小得多，因此用PWM方式对电机进行调速是不会引起转速脉动的。给定电压Ug：用来设定电机的工作转速。放大器：对综合信号进行放大作为触发电图4-26DT006直流无级调速系统方框图路的输入，放大器的放大倍数越大，系统的调速精度越高。晶闸管整流器：它包含了触发电路和可控整流回路，输出可变的直流电压。电压负反馈和电流正反馈：电压微分负反馈：电流截止负反馈：其作用是将主电路的电流限制在允许值之内。4-3交流电机调速控制一、异步电动机的调速原理及调速方式由电机学可知，异步电动机的转速为式中n1——电机同步转速；S——转差率；f1——定子供电频率；P——电机定子绕组极对数。异步电动机的调速方式相应可分为三种：(1)变极调速——对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有级调速。(2)变频调速——通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。(3)变转差率调速——对于绕线式异步电动机，调节串联在转子绕组中的电阻值(调阻调速)；转子电路中引入附加的转差电压(串级调速)；调整电机定子电压(调压调速)和采用电磁转差离合器(电磁离合器调速)改变气隙磁场等方法均可实现变转差率S，对电机进行无级调速。晶闸管技术的应用方式可分为三类：交流调速系统内容丰富，技术复杂，涉及多学科理论和面临大量实际问题，异步电动机的各种调速方法可见表4-2。二、晶闸管交流调压及逆变电路原理1.晶闸管交流调压电路如图4-27b)所示的对称交流电压波形，改变控制角α就可改变Rfz上交流电压的大小，其电压有效值为式中U——输入交流电压有效值。我们把这种晶闸管调压方式称为相位控制方式。图4-27单相交流调压a)电路b)波形图4-28通断控制方式的负载电压波形2.晶闸管逆变电路从交流电转换成直流电的过程叫整流，而把相反的过程叫逆变。实现逆变的装置叫逆变器。一套晶闸管电路既能整流又能逆变，则称为变流器。逆变器由逆变电路和换流电路组成，其简单原理如下：(1)逆变器工作原理逆变器实际电路很多，图4-29a)所示为一种桥式逆变器原理图。(2)逆变器的换流从桥式逆变器工作可知，在任何瞬时每个桥臂上至多只能有一个SCR导通，另一个必须截止。当由前一个SCR换为后一个图4-29逆变器工作原理a)原理线路b)波形c)晶闸管组成的逆变器

SCR导通时，前一个必须可靠地关断，这个过程称作换流过程，它是整个逆变器能否正常工作的关键。图4-30强迫换流原理图三、异步电动机的调压调速与串级调速1.异步电动机的调压调速图4-31异步电动机调压时的机械特性a)普通鼠笼转子的特性b)高电阻转子的特性c)具有频敏特性转子的特性当转子处于高速时，转子回路电流频率低，电阻值就减小；反之，电阻值加大，这就可以使电机具有近似垂直于T轴的机械特性，如图4-31c)所示。低速时，由于转子电阻值自动增大，所以不但能限制转子电流，而且还能自动增加电机的转矩。具有频敏特性的异步电动机在调压调速时，仍存在调速范围不大，低速运行稳定性差、损耗大等问题。2异步电动机串级调速(1)串级调速原理这种调速方法简单方便，但存在着以下缺点：i)调速是有级的，不平滑。ii)串入较大附加电阻后，电机的机械特性变得很软。iii)电机在低速运转时，效率甚低，电能消耗很大。(2)串级调速的特点及应用串级调速系统的调速范围一般可达4∶1，目前已在交流传动中得到日益广泛的应用。图4-32转子串Ef

的串级调速原理图·四、异步电动机变频调速的机械特性异步电动机定子绕组每相感应电势式中k1——定子绕组等值匝数，k1<1；ω1——定子绕组的实际匝数；f1——定子电源的频率；Φ——气隙中的磁通量。如果略去定子阻抗电压降，则感应电动势近似等于定子外加电压又从电机转矩式中I2——转子电流；cosφ2——转子电路功率因数；Ct——转矩常数。1.恒转矩调速在略去定子阻抗压降后可近似得出因此要求定子端电压要与频率成比例地变化，即式中，脚标e为额定频率时的数值，系数

αF=f1/f1e。异步电动机在变频变压时的机械特性为式中r1——定子电阻；r——转子电阻折算值；X1——定子漏感抗；X——转子漏感抗折算值；P——极对数。将式(4-20)代入上式得上式可简化为不同αF时的电机机械特性为一簇平行曲线，如图4-33中虚线所示。同理可以导出变频调速时的最大转矩图4-33U1/f1=常数时变频调速的机械特性图4-34恒Tm调速时U1与f1的关系对于任意频率f1则有3.恒功率调速异步电动机的电磁功率若U1按下列规律控制，即式中，Te为额定功率时的转矩。4.恒电流调速在变频调速时，若保持异步电动机定子电流为一恒值，这种变频调速的控制方式称为恒流变频调速控制方式。图4-35恒转矩和恒功率调速时的机械特性图4-35恒转矩和恒功率调速时的机械特性图4-36给出了异步电动机的电流矢量图，定子电流I1、转子电流I和励磁电流Im之间有如下关系：将式(4-32)和(4-34)代入式(4-31)中得从而求出电机的转矩以及最大转矩图4-37恒流控制调速时的机械特性图4-38电压型变频器基本结构五、变频器的分类及特点这里指的是由晶闸管和大功率晶体管等半导体电力器件构成的静止变频器，这类变频器具有重量轻、体积小、维护方便、惯性小和效率高等优点。变频器按装置的形式可分为两类：第一类是把固定频率、固定电压的交流电源变换成为电压和频率都可调的交流电源，称为交—交变频器或直接变频器。第二类是把固定电压和固定频率的交流电源先整流成幅值可变的直流电源，然后再将此直流电源变换成频率可调的交流电源，称为交—直—交变频器或间接变频器。1.电压型变频器图4-38是电压型变频器动力电路的基本结构框图，它由可控整流器、滤波器和逆变器三部分组成。这种变频器的特点是在直流侧并联了一个滤波电容，用来贮存能量以缓冲直流回路与电机之间的无功功率传输。逆变器把直流变成三相交流输出，控制逆变器换流触发脉冲的相位，就能改变交流电的频率，简单的三相电压型逆变器动力电路(不包括换流部分)结构如图4-39所示。图4-39三相桥式逆变电器图4-40三相逆变器输出波形图4-41为一种电压闭环、频率开环的电压型变频系统的方框图，控制系统的调压部分由电压调节器和控制角调整器组成，调频部分由U/F变换器和脉冲分配器组成。图4-41电压型变频系统方框图2.电流型变频器电流型变频器与电压型变频器在结构上主要有两点不同：一是在中间直流滤波电路上没有大电容，而是在直流回路中串入了大电感，利用大电感来限制电流的变化，用以吸收无功功率，因串入了大电感，故电源的内阻很大，类似于恒电流源，逆变器输出电流为比较平直的矩形波。二是在逆变器中没有为吸收无功功率而与晶闸管反并联的二极管，每个晶闸管的导通角为2π/3。六、脉宽调制型(PWM)变频器及异步电动机矢量控制原理1.脉宽调制型变频器前面所介绍的电压型变频器(见图4-38)即采用了可控整流器加可控逆变器的控制方式，可控整流器用于电压控制，可控逆变器用于频率控制。脉宽调制方法是通过大功率晶体管GTR或门极可关断晶闸管GTO等具有自关断能力电力器件的快速通断作用把直流电压在交流半周期中变换成一系列等幅脉冲的一种方法。图4-42脉冲宽度调制型变频系统图4-43正弦波脉冲调制正弦脉冲调制如图4-43所示，用一个等腰三角形的载波与所要求的频率正弦信号相比较，在两波交点处控制电力器件的开或关，从而决定了所产生的脉冲位置，在整个半周期中，输出脉冲宽度按正弦规律变化，即脉冲宽度逐渐加大，然后再逐渐变小，在一定位置上的脉冲宽度，必须与脉冲所在位置的正弦波下包含的面积成比例。矢量变换控制的基本想法是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够象直流电动机一样进行控制。矢量变换控制的基本思路如下：任何拖动系统均服从于基本运动方程式，即直流电动机电枢电流控制方式被认为是具有控制性最优良的传动特性，电磁转矩与电枢电流Id间的关系为三相异步电动机转矩与转子电流I2的关系是其中，气隙磁通Φ、转子电流I2、转子功率因数cos

都是转差率S的函数，显然都是难以直接控制的。比较容易控制的是定子电流I1，而它又是I2的折合值与励磁电流Im的矢量和。矢量变换控制的基本思路是按照不同情况下的绕组产生同样的旋转磁场这一等效原则出发的。要达到上述目的必须解决磁通Φ相位角θ0、合成电流I1以及相位角ε

的测试。磁通Φ和相位角θ0的测试，可以采用磁通观测器也可以测图4-44矢量变换试三相定子电压进行转换后得到，I1和ε是直接对三相定子电流进行检测，再进行2/3的坐标变换得到，在这个转换过程中采用了矢量变换理论和一整套矢量变换法。

七、变频调速的功率接口及系统实例通常齿轮变速式的主轴转速最多只有30级可供选择，无法进行精细的恒线速控制，而且还必须定期维修离合器板。图4-45所示是将通用型富士变频器FVR075G7S-4EX应用于数控车床主轴调速的功率接口配置情况。图4-45变频器应用于数控车床图4-46为一工件加工例子。工件既有台阶又有锥度，要求工件在整个加工过程中保持恒线速切削，以保证加工表面粗糙度的一致性和实现高效率、高精度切削。图4-46的下方即为变频器调速过程。图4-46工件形状例与运行模式5-1可靠性的基本概念一、可靠性的定义与重要性控制元件或系统应具备各种功能以满足使用要求。可靠性和使用条件有很大关系。可靠性与使用时间有关，用得愈久可靠度愈低。第五章机床电气控制的可靠性可靠性与规定的功能有关，同一产品在相同条件下和同一时间内，丧失不同功能的概率是不同的。二、固有可靠性和使用可靠性产品由制造厂按要求制造并按标准检验来保证的可靠性称为固有可靠性。三、可修复产品和不可修复产品有触点控制电器元件发生接触失效(即触头闭合后，接触电阻过大的失效)以后，往往不经修复就能在下一次闭合时自行恢复正常，因而对于具有接触功能的元件来说具有类似可修复产品的性质。5-2失效与可靠性特征量一、失效率工作到某一时刻尚未失效的产品在其后单位时间内发生失效的概率称为失效率λ，有式中F(t)——在t以前发生失效的累积概率；f(t)——失效分布密度函数。在λ为常数时，由上式可得当可修复产品的失效或自行恢复的失效服从指数分布时，失效率的倒数称为平均无故障工作时间MTBF(MeanTimeBetweenFailure)MTBF也可作为可靠性特征量，表示相邻两次失效的间隔时间的平均值。二、早期、偶然、耗损失效早期失效的失效率随使用时间的增长而减小，直至进入偶然失效期。因各种偶然因素而发生的失效称为偶然失效，偶然失效和使用条件关系很大。耗损失效随时间的增加而加大。失效率随时间变化的曲线形状类似浴盆，称为浴盆曲线(图5-1)。三、可靠度与可靠寿命图5-1浴盆曲线图5-2可靠度函数曲线控制电器元件失效率在很多情况下服从下式当m=1时λ是常数，反映偶然失效；当m＞1时λ是t的增函数，反映耗损失效；当m＜1时λ是t的减函数，反映早期失效。令C=m/t0，由上式可得如果t从早期失效结束时算起，则耗损失效期R(t)为式中R(t)——t时的可靠度；m——形状参数；t0——尺寸参数；γ——位置参数。符合上式的概率分布称为威伯尔分布，影响这种分布有三个参数：m大表示一批产品寿命集中；t0大表示可靠寿命长；γ大表示耗损故障发生得晚。5-3可靠性设计一、可靠性设计的内容可靠性设计的主要内容包括制订可靠性指标，可靠性预测，可靠性分配以及与提高可靠性有关的具体设计工作和可靠性审查。本节只介绍前三个内容。二、可靠性指标的制定对可靠性特征量的要求称为可靠性指标。制订可靠性指标的工作包括确定指标项目和指标数值。三、可靠性预测可靠性预测分为定性或定量的两类。关于定量的可靠性预测，只介绍符合下列条件的情况：1.系统中任一元件失效将导致系统失效，这种系统称为可靠性串联系统；2.所有元件时期失效都已排除；3.所有元件在进入耗损失效期之前进行调换。这时系统失效率λs符合下式式中λs——系统失效率；λi——第i个元件的失效率；n——元件数。四、可靠性分配5-4提高可靠性的途径一、电气控制系统方案的选择在选择方案时，应考虑尽量减小控制元件数、接点数和焊点数，以降低系统的失效率。二、控制元件的选用正确选用控制元件的品种、规格是提高元件使用可靠性的关键。三、控制元件的工作环境尘埃不但会引起电接触故障，而且可以降低绝缘性能、增加交流磁系统极面粘住的危险，因此必须采用必要的防尘措施，对于对可靠性要求较高的系统，控制元件应装入尘埃不能侵入的罩壳或电柜内。机床上的控制元件常工作在有润滑油或切削油的地方，这时必须选用防油型电器或采取防油措施。四、筛选和预防性更换件进入耗损失效期以后，失效率将明显上升。为了防止这种情况影响系统的可靠性，可以在有效寿命(或偶然故障期)将结束时，不管元件是否损坏，也进行更换。五、现场失效调查提高可靠性的办法从根本上是应以现场失效调查和分析着手。机械设备的设计工作，包括机械设计和电气设计两个主要部分，两者是同时开始，交叉进行的。6-1机床电气设计的基本原则一、机床电气设计的基本要求二、机床电气设计的内容及设计步骤第六章机床电气控制电路设计1)拟定电气设计的技术条件(任务书)；2)确定电力传动方案和控制方案；3)确定电动机容量；4)设计电气控制原理图；5)选择电气元器件及装置；制定电气设备装置、元件、器件的清单及备件，易损件的清单；6)绘制电气安装图、位置图、互连图；7)设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件；8)编写设计计算说明书及使用说明书。包括顺序说明、维修说明及调整方法。三、电气设计的技术条件电气设计的技术条件通常以设计任务书的形式表达。四、机床电力传动方案的确定1.确定机床传动的调速方式机床传动的调速方式一般可分为机械调速和电气控制调速。前者是通过电动机驱动变速机构或液压装置，对机床的主运动和进给运动进行调速。后者是采用直流电动机或交流电动机以及步进电动机的调速系统，以达到机床无级和自动调速的目的。2.传动方式与其负载特性相适应3.电动机的起制动和正反转的要求在机床的传动控制中，采用电气控制电动机起制动和正反转是较为简单的一种控制方式。对于其他一些要求起制动频繁、转速平稳、定位准确的精密机床设备，除必须采用限制电动机起制动电流以外，还需要采用反馈控制系统、高转差电动机、步进电动机系统或其他较复杂的控制方式，以满足机床的控制要求。五、机床电气控制方案的确定1.机床电气控制方案的可靠性一个系统或产品的质量，一般包括技术性能指标和可靠性指标。设计的可靠性就是使一个系统或产品设计满足可靠性指标。可采用有触头的继电接触器控制系统。对于在控制中需要进行模拟量处理及数学运算的，输入输出信号多，控制要求复杂或控制要求经常变动的，控制系统要求体积小、动作频率高、响应时间快的、可根据情况采用可编程控制、数控及微机控制方案。六、控制方式的选择控制方式主要有时间控制、速度控制、电流控制及行程控制。时间控制方式是利用时间继电器或PC的延时单元，它将感测系统接受的输入信号经过延时一段时间后才发出输出信号，从而实现电路切换的时间控制。速度控制方式是利用速度继电器或测速发电机，间接或直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则的控制。电流控制方式是借助于电流继电器，它的动作反映了某一电路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。七、确定电动机容量电动机容量计算的基本步骤是：首先根据生产机械提供的功率负载图P=f(t)或转矩负载图Ml=f(t)预选一台电动机，然后根据负载进行发热校验，将检验结果与预选电动机参数进行比较，若发现预选电动机的额定容量太大或太小，再重新选择，直到电动机容量得到充分利用(电动机的稳定温升接近其额定温升)，最后再校验其过载能力与起动转矩是否满足拖动要求。图6-1PLV与P2关系图6-2某机床负载图P2—电动机实际输出功率PLV—考虑到有功及无功总损耗功率的当量损耗功率当电动机的机械特性很硬，以致电动机的转速在整个工作过程中可以认为近似不变时，电动机的功率近似与转矩成正比。此时，等效负载P为对不同电机的数据进行分析处理，可以得到PLV与P2的关系(图6-1)。由关系图可看出：当P2较小时，小容量电机损耗小。P2增大时，小电机PLV上升比大电机快，曲线出现了交点。这就说明：在某一区间内，大电机的PLV损耗比小电机还少。6-2机床常用电器元件选择一、电器元件的可靠性二、电器元件选择的基本原则1.根据对控制元件功能的要求，确定电器元件类型。2.确定元器件承载能力的临界值及使用寿命。3.确定元器件预期的工作环境及供应情况。4.确定元器件在应用时所需的可靠性等。三、电器元件的选择1.各种按钮、开关的选用(1)按钮按钮是短时切换小电流控制电路的开关，根据控制功能选择按钮的结构型式及颜色等。根据同时控制的路数，选择触头对数及类型。(2)刀开关刀开关主要用于接通和切断长期工作设备的电源。(3)组合开关组合开关主要用于电源引入与隔离，也叫电源隔离开关。表6-2是HZ2的主要技术参数。(4)行程开关根据控制功能、安装位置、电压电流等级、触头种类及数量来选择结构和型号。机床上常用的有LX2、LX19、JLXK1型行程开关及JXW-11，JLXK1-11型微动开关。LXK3系列行程开关主要技术数据见表6-3。

(5)自动开关(自动空气开关)自动开关又称低压断路器。常用的有DZ10系列(额定电流分10，100，200，600A四个等级)。小容量的有DZ4，DZ5(额定电流25A，50A两级)。2.接触器选用接触器的选用，主要考虑主触头的额定电流、额定电压、吸引线圈的电压等级，其次考虑铺助触头的数量和种类、操作频率等。

根据电动机的容量Pe，用以下经验公式计算主触头的额定电流式中K——经验常数，一般取1～1.4；Ue——电动机额定线电压(V)；Iec——被选定接触器的额定电流；Uec——被选定接触器的额定电压；Uex——线路额定电压；IC——接触器主触头电流；Pe——被控电机功率(kW)。3.中间继电器的选用机床上常用JZ7系列中间继电器，新产品有JDZ1系列、CA2-DN1系列及仿西门子3TH的JZC1系列等，表6-7是几种中间继电器的主要技术数据。4.时间继电器的选用时间继电器的类型有：电磁式、空气阻尼式、晶体管式和电动机式等。JS7系列是应用较多的空气式时间继电器，代替它的新产品是JSK1其技术参数见表6-8。5.热继电器的选用热继电器主要对异步电动机进行过载保护。选择热继电器主要根据电动机的额定电流来确定热继电器的额定电流及热元件的电流等级。热元件的额定整定电流值，一般按电动机额定电流的0.95～1.05倍选用。过去常用的热继电器为JR0系列，新产品有JRS1系列、LR1-D系列及西门子3UA系列，表6-9为热继电器主要技术参数。6.熔断器选用其主要类型有：插入式、螺旋式、填料封闭管式等。机床上常用螺旋式，其主要技术参数见表6-10。对单台电动机长期工作(不经常起动)，则对于频繁起动的电动机，上式系数为3～4。

式中Ir——熔体额定电流；Ied——电动机额定电流；Iemax——容量最大的电动机之额定电流；∑Ied——除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。7.控制变压器的选择式中Sb——变压器所需容量(VA)；∑Sxc——控制电路在最大负载时工作的电器所需要的功率(VA)，对于交流电器(交流接触器、交流中间继电器及交流电磁铁等)，Sxc应取该电器的吸持功率值，一般认为这些电器功率因素近似相等；Kb——变压器容量的储备系数，一般取1.1～1.25。此时，Sb按下式计算，即式中∑Sjq——所有同时起动的交流接触器、交流中间继电器在起动时所需要的总功率(VA)；∑Sdq——所有同时起动的电磁铁在起动时所需要的总功率(VA)；KL——电磁铁的工作行程Lg与额定行程Le之比的修正系数常用交流电磁电器的起动与吸持功率(约为视在功率)由表6-11所示。按功用分类有：牵引电磁铁、阀用电磁铁；按电源分有交流和直流两大类。机床常用牵引电磁铁有MQ1和MQ2系列产品，其选用规格型号与技术参数见表6-12。9.控制电路中某些电阻的计算(1)鼠笼式异步电动机起动限流电阻的计算由下式近似计算，即式中Rq——每相起动限流电阻的阻值(Ω)；Ie——电动机的额定电流(A)；Kq——不加电阻时电动机的起动电流与额定电流之比(可查手册)；Kqr——加入起动限流电阻后，电动机的起动电流与额定电流之比。式中Tq——电动机不加起动电阻时的起动转矩；Te——电动机的额定转矩；Kt——电动机的起动转矩与额定转矩之比(可查手册)(2)鼠笼式异步电动机反接制动电阻计算按下式计算式中Kzr——接入限流电阻后，反接制动电流与额定电流之比。制动转矩Mzr可估算为6-3机床电气电路设计一、原理图设计的一般原则设计控制电路原理图时，必须遵循以下几个原则：(1)控制系统应满足生产机械的工艺要求；(2)力求控制电路安全可靠，简单经济；(3)合理选择各种电器元件；(4)符合人机关系，便于维修。二、控制电路电源选择及主回路设计1.控制电路电源的选择控制电路电源由表6-15所示进行选择。2.主电路设计对于三相鼠笼式异步电动机，要考虑的主要问题是：根据工艺要求，如何选择主电路电动机的起动方式，正反转控制及主电路的保护环节。式中Seb——电源变压器额定容量(kVA)；I