如何选择最适合的元器件？

数控机床的质量和稳定性很大程度上受到所使用的元器件的一致性与连贯性的影响，如果数控机床所采用的元器件型号和供货商经常变化，那么数控机床作为一个完整的产品，它的一致性和产品质量就无法得到充分的保证。在数控机床的设计调试中，技术部门关注元器件的性能指标，而采购部门则考虑元器件的市场可用性，出于平衡两者之间需求的考虑，可以将下列原则作为采购元器件的基本依据：

1）必须保证各元器件的技术指标可以充分满足预期功能上的全部需求，并且符合数控机床的工作条件。

2）必须在满足技术指标的基础上，再考虑技术成本。

3）在确定所选用的元器件之前，必须充分考察并验证元器件的质量和可靠性；同时，还需要对于生产厂商的生产资质进行细致的考证。

4）此外，还应该考虑准备各元器件替代品的型号，以确保在某种元器件发生供货短缺或质量问题时，可以使用替代品继续进行正常的生产工作。需要强调的是，无论是正式件，还是替代件，任何一个元器件都必须经过数控机床整机的运行考验后方可最终确定。

我们在数控机床的使用过程中，将会面对各种突发的情况，例如某个元器件存在问题，不能满足机床稳定性的需求；或者因某型号元器件厂商原因而不能继续供货等，这时就需要对元器件进行更换。

但是，无论基于何种原因，也不论使用何种类型的元器件作为替代件，都应该严格遵循一个最基本也是最重要的前提：必须针对替代的元器件进行整机测试，以保证数控机床的稳定性和可靠性，这是数控机床行业普遍认同的重要行业标准和原则。

在数控机床的实际应用与设计中，由于实际需要而涉及多种电气元器件，在本节的后续介绍中，将介绍其中最重要的，同时也是在SINUMERIK 808D数控系统在实际应用中使用率最高的五种电气元器件。

1.断路器

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合在规定的时间内承载和开断异常的回路条件（包括短路条件）下的电流的开关装置。

断路器的用途很多，例如可以通过使用断路器来分配电能、进行不频繁的起动异步电动机或者对电源电路及电动机等进行实时保护等。当电路发生严重的过载或者短路及欠电压等故障时，断路器可以自动切断出现故障的电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合；并且，在切断故障电流后通常是不需要变更零部件的。

一般来说，断路器的主要作用是过载保护、短路保护、欠电压保护；而断路器的主要作用又决定了它的选型需要满足以下几项基本要求：

1）断路器额定电压≥线路额定电压。

2）断路器额定电流≥线路计算负载电流。

3）断路器脱扣额定电流≥线路计算负载电流。

4）断路器极限通断能力≥线路中最大短路电流。

5）线路末端单相对地短路电流≥1.25倍断路器瞬时（或短延时）脱扣器整定电流。

6）断路器欠电压脱扣器的额定电压=线路额定电压。

2.熔断器

熔断器动作的执行是靠熔体的熔断来实现的：当电流较大时，熔体熔断所需要的时间就较短；而当电流较小时，熔体熔断所需要的时间就较长，甚至不会熔断。因此，对熔体来说，其动作电流和动作时间有一定的特性，我们通常称之为熔断器的安秒特性。

图2-15给出了熔断器的安秒特性曲线示意图，从图中我们可以清楚地看出，熔断器的安秒特性是一种反时限特性。

每一个熔体都有其对应的最小熔化电流，在不同的温度条件下，每一个熔体的最小熔化电流也不相同。虽然熔体的最小熔化电流在一定程度上会受到外界环境的影响，但是在实际的应用中，外界环境的影响可以忽略不计。

为了更好地表示熔体的熔化电流与额定电流之间的关联，我们引入了熔体的最小熔化系数这一概念。所谓熔体的最小熔化系数，就是指熔体的最小熔断电流与熔体的额定电流之间的比值。

一般来说，常用熔体的熔化系数都大于1.25。也就是说，对于一个额定电流为10A的熔体而言，只要确保通过该熔体的电流不超过12.5A，那么该熔体就不会熔断。

在表2-9中给出了熔断电流与熔断时间之间的关系。

图2-15 熔断器安秒特性曲线

2-9 熔断电流与熔断时间关系参考表

从这里可以看出，熔断器只能起到短路保护作用，不能很好地起到过载保护的作用。如果一定要在过载保护中使用，那么可以考虑在电路中使用额定电流相对较低的熔断器，例如将额定电流为8A的熔断器用于10A的电路中，使其同时执行短路保护及过载保护的作用。但是需要强调的是，对于这样的使用方法，熔断器的过载保护特性并不理想。

在选择熔断器类型时，最主要的参考依据是实际应用中的负载保护特性和短路电流的大小。对于容量较小的电动机和照明支线，通常需要使用熔断器实现过载保护和短路保护双重功用，因此一般会选用铅锡合金熔体等熔化系数较小的熔断器；而对于容量较大的电动机和照明干线，则应着重考虑所使用的熔断器的短路保护功能和分断能力，因此通常会考虑选用具有较高分断能力的熔断器；此外，如果电路有可能出现较大短路电流时，则应当优先考虑选用具有限流作用的熔断器。

3.接触器

接触器主要用于工业控制，一般负载以电动机居多，同时还经常用于配合加热器、双电源切换等应用场合。

接触器本身并不具备短路保护和过载保护的能力，因此在实际应用中，必须将其与熔断器、热继电器相互配合使用。接触器主要的用途是用于接通和分断负载，保护运行中的电气设备；此外，在较为复杂或有特殊需要的电路中，还经常配备辅助触点作为其主要附件。

接触器的通断是通过控制线圈上的电压来实现的，从不同角度可以对接触器进行不同的分类：例如根据灭弧的不同结构可以分为真空接触器和普通接触器；而根据不同的控制电压则可以分为直流接触器和交流接触器等，下面将会进行较详细的介绍。

（1）接触器的种类

一般来说，我们经常会使用到的接触器主要有以下几种：

1）交流接触器：主要用在主回路中接通和分断交流负载，其控制线圈可以有交流或直流。

2）直流接触器：主要用在主回路中接通和分断直流负载，控制线圈可以有交流或直流。直流接触器的动作原理与交流接触器相似，但直流分断时感性负载存储的磁场能量瞬时释放，断点处会产生高能电弧，因此要求直流接触器具有较好的灭弧功能。

3）真空接触器：真空接触器的组成部分与一般的空气式接触器相似，不同之处在于真空接触器的触头是密封在真空灭弧室之中的。其特点是接通或分断时的电流较大，额定操作电压较高。

4）半导体式接触器：双向晶闸管是典型的半导体式接触器，其主要特点是无可动部分，寿命长，动作快，不受爆炸、粉尘及有害气体等影响，耐冲击震动性能良好。(www.xing528.com)

5）电磁闭锁接触器：所谓电磁闭锁接触器，就是在模块安装与母线安装的电磁闭锁接触器上都安装特殊的电磁铁，以便于在线圈失电时，可以将其保持在接通位置。

6）电容接触器：电容接触器的主要用途是，在低压无功补偿设备中投入或者切除并联电容，以调整用电系统的功率因数。

7）可逆交流接触器：可逆交流接触器由两个规格相同的交流接触器与机械互锁（和电气互锁）构成，主要应用于双电源切换和电动机设备正反转控制。

8）星三角起动组合接触器：星三角起动组合接触器主要应用于星三角起动的设备，该接触器在结构上主要采用3个接触器、1个热继电器和1个延时头及辅助触点块等。在实际应用中，可以选择独立元器件组装。

（2）接触器选型原则

接触器的选型需要考虑众多综合因素，一般来说，重点需要关注的方面主要包括接触器种类，负载类型，主回路参数，控制回路参数辅助触点，以及电气寿命，机械寿命等。

需要强调的是，在实际选型过程中，必须结合实际的设计和应用需求，充分考虑接触器自身特点以及其与其他元器件配合特性的需要，做好接触器的选型工作。

4.继电器

电磁继电器是由电磁铁的线圈组件与电路触点组件所构成一种常用的电气元器件，它的基本原理是：在线圈两端加上额定电压时，会使得一定的电流通过线圈，进而通过电磁感应原理使线圈组件形成电磁铁，从而对触点组件的可动部分进行吸合或放松，致使电路发生通断作用。

从不同的角度和使用需求，可以将电磁继电器划分成多种不同的种类：从触点的动作上可分为静触点、动触点；从电路的作用上可分为常开触点、常闭触点等。

在描述电磁继电器的状态时，一般我们认为，当电磁继电器的线圈未通电时，如果其处于断开状态的静触点，则称之为常开触点；而如果其处于接通状态的静触点，则称之为常闭触点。

电磁继电器是重要的电气元器件，因此针对它的选型必须做好充分的准备工作，结合实际的应用情况，有针对性地对继电器各方面的参数和性能进行充分的了解之后，最终确定选型方案。一般来说，在实际选型过程中，主要应从两方面进行充分的考虑：

（1）了解相关的控制电路及负载情况

电磁继电器并不是孤立存在的，它的作用是为了配合相关电路中的实际需要，通过接收特定的信号，进而完成特定的动作或实现预期的通断过程而存在的。因此，必须在选型过程中，充分地了解和分析实际应用中控制电路的结构及负载情况。一般来说，可以从以下几方面进行分析：

1）实际应用中负载的电压及电流大小。

2）实际应用中负载的类型，针对于直流负载还是交流负载。

3）实际应用中负载的阻抗型式。

4）实际应用中负载所处的环境、温度及湿度条件。

5）实际应用中负载的控制方式及断通比。

6）实际应用中控制电路所提供的线圈电压及电流值。

7）实际应用中控制电路所要求的绝缘阻抗值。

8）实际应用中机器设备的使用年限和使用寿命。

（2）掌握电磁继电器的主要规格及应用原则

除了需要在实际应用中，对相关的控制电路及负载情况进行充分地分析和了解之外，还必须在选型过程中，仔细分析继电器自身的技术特性和技术参数，了解其主要规格和应用原则，以判断其是否符合实际的应用需求。一般来说，我们应从以下几个方面来分析判断所选用的电磁继电器是否符合实际的应用需要。

1）触点容量：电磁继电器的触点容量就是其对所在电路中电压和电流的导通能力的大小。在实际应用中需要注意，根据控制电路中的电压和电流的大小情况合理选择所需要的电磁继电器，确保相关的电压和电流值不超过所选用的继电器的触点容量。

2）线圈工作电压和工作电流：根据电磁继电器的工作原理，我们知道继电器工作的前提条件之一就是在其线圈上施加一定大小的电压和电流。一般而言，同一机种的继电器，在构造上是基本相同的；但是针对不同的应用电路，即使是同一机种的继电器也会有数种工作电压和电流可供选择。因此，必须注意所选用的继电器的线圈工作电压和工作电流值是否与实际电路相匹配。

3）吸合电压：所谓吸合电压，是指能够使电磁继电器产生吸合动作的最小线圈电压。在实际应用中，为使继电器能够可靠吸合，施加给线圈的电压应以线圈工作电压为准；同时还要注意电压值不可超过最大允许的线圈电压，否则很可能会导致线圈因过热而烧毁。

4）释放电压：继电器的释放电压，是指电磁继电器产生释放动作时的最大线圈电压。当继电器线圈处于吸合状态时，如果慢慢减小此时施加给线圈的电压，那么当电压减小到一定程度时，继电器触点将会断开，将恢复到线圈未通电时的状态。而此时的线圈电压，就是我们所说的线圈电压。

5）环境温度：环境温度也是影响电磁继电器工作性能的一个重要因素。在实际应用中，必须注意保证继电器在其所允许的环境温度范围内进行工作，以避免由于部件的温度异常而导致继电器性能劣化。

6）线圈温升：在电磁继电器进行工作时，其线圈本身就是发热的来源。在实际应用中，必须注意线圈的发热情况，将其控制在允许的最大温升内，以避免线圈组件由于温度过高而导致性能劣化。

7）外形尺寸：在实际应用中，应根据实际的需要和整体空间的允许，来选择外形尺寸与需求相符的电磁继电器。一般来说，外形尺寸较大的继电器具有更好的散热能力。

总之，在实际应用中，对于继电器机种型号的选用，首先要充分了解继电器所应用的相关控制电路及负载情况，其次要将厂商所提供的技术规格和技术参数作为参考依据，最后还要考虑负载的阻抗型式是否有浪涌电流，保留充分的余度。

5.开关电源

在电气线路设计中，24V直流电源占有极其重要的位置。在实际应用中，具体到SINU-MERIK 808D数控系统对于24V直流电源的使用上，则应尽可能地为SINUMERIK 808D PPU的系统电压和SINAMICS V60驱动器电源配备不同的24直流输出电源。换句话说，就是每台机床上最好配备使用两个24V直流电源，一个用于SIMUNERIK 808D PPU系统及其后侧的输入/输出点，另一个则用于SINAMICS V60驱动器及机床的外围元器件。

在实际应用中，对于开关电源的选择，需要根据实际的负载情况对电源的额定输出电流值的要求来确定，并且在此基础上，留取一定的余量以保证负载的稳定运转；同时，基于节能考虑，当需要使用一个电源带多个负载回路时，首先必须清楚负载回路的时序和工作过程，否则很可能造成部分负载无法正常工作的情况。

此外，电源的容量选择和安装位置也十分重要。原则上，电源容量的大小应高于联动负载的最高值；同时，电源的安装位置也应尽可能地远离一切可能的强干扰源。

以上述的参考依据为基础，在表2-10中给出SINUMERIK 808D数控系统24V直流电源的输入特性，方便使用者可以有针对性地为SINUMERIK 808D数控系统选择合适的24V直流电源。

表2-10 SINUMERIK 808D数控系统24V直流电源输入特性

注：关于SINUMERIK 808D数控系统所使用的24V直流电源的进一步描述，可参见本书第3.1.3节中所述内容。