电气柜制作与设计优化方案

在充分了解了上述几个主要的电气元器件的运行条件和参数特性之后，我们就要进一步地考虑将这些电气元器件依据实际的功能使用情况安装整合到电气柜中，以保证这些电气元器件可以在标定的运行条件范围内进行正常的工作。可以说，电气柜是数控机床不可或缺的一部分，它不仅是数控机床各种电气元器件的载体，同时也是这些元器件的保护层。

因此，电气柜的设计以及电气线路的设计是保障数控机床可靠性的最重要的前提，如果电气柜及相关线路的设计出现缺陷，那么对于这个机床的稳定性能、工作质量乃至安全性能都会造成极大地影响，所以我们必须从源头出发，结合实际的应用情况和需求，做好电气柜及其内部相关电气元器件的设计工作。

1.电气柜的制造工艺

前面已经提及，电气柜不仅仅是数控机床各种电气元器件的载体，同时也是这些元器件的保护层。因此，电气柜的制造工艺必须严格依据相关的制作标准和工艺要求。

以下列出了基本的电气柜制作工艺中需要着重注意的一些要点和细节，为实际的电气柜的制作提供参考依据：

1）柜体表面、边缘及开孔应平整光滑、无毛刺及裂口。

2）柜体外表面、手柄和漆层应无损伤或变形。

3）应保证各零部件之间的配合准确有序；门、抽屉等活动部件应处于良好而灵活的工作状态；紧固件及连接件部分应牢固无松动。

4）活动门处应安装止动器。

5）如果需要在电气柜活动门或面板处安装元器件，那么必须在面板元器件的开孔间隙处使用足够数量的线槽安装筋，以方便面板线槽的准确固定及标准化走线。

6）电气柜柜内的每块底板背面都要做好明显的标记，以便后续安装工作的顺利进行。

7）安装的所有电气元器件的质量、型号、规格都必须符合设计要求，外观完好、附件齐全、排列整齐、固定牢固并具备良好的密封性。

8）为了提高电气柜接线的便捷性和工作效率，电气柜的门铰链要易于拆卸，并充分保证二次安装时的便捷性和日后使用的可靠性。

9）电气柜的备用钥匙要用扎带紧密牢固地捆绑于电气柜内安全可靠处，便于集中管理。

10）为了方便在电气柜底板的接线完毕之后对底板进行安装，应在底板最下方合适位置安装底板靠脚，以确保底板与电气柜之间留有一定的空隙。

11）电气柜中的保护及工作接地的接线柱的螺纹直径应不小于6mm；专用接地接线柱或接地板的导电能力，应至少相当于专用接地导体的导电能力，并且具备足够的机械强度。

12）电气柜内的接地螺栓最好使用铜制材质。如采用钢质螺栓，那么必须在电箱外壳上漆前用包带将其紧密包扎，以防止油漆覆盖层影响接地效果。

需要特别强调的是，不论电气柜的柜门上是否安装电气元器件，都必须在电气柜门上安装接地螺栓，同时柜体上也应设有专用的接地螺栓，并做好接地标记。

一般情况下，接地螺栓选择与接地铜导体截面以及电气设备中所使用的电源线的截面有关（特指固定安装的电气设备），为了更好地表明三者之间的关系，通过表2-11中给出的数据加以说明，为实际应用提供参考依据。

表2-11 接地螺栓的直径与接地铜导体截面、电气设备电源线截面之间的关系

2.电气柜柜体的设计

在设计电气柜时，必须充分考虑电气柜运输和使用的环境条件；另外，还应考虑采取相应的措施，减少显示器屏幕的电磁干扰，并做好噪声的预防措施；同时还应尽可能地兼顾维修上的便捷性。

基于以上考虑，一般在进行电气柜设计工作的时候，主要应该从密封性能和升温控制两大方面着手：

（1）电气柜的密封设计

在设计电气柜时应重点考虑确保其密封性以满足运输和使用的环境要求，电气柜结构必须可以确保有效地防止灰尘、冷却液和有机溶液的进入，以避免其对设备造成损害。一般来说，电气柜的防护标准应达到IP54的防护等级。

所谓IP54防护等级，是通过使用2个数字标记，来衡量设备的防护标准情况。例如上文提及的IP54防护等级中，IP是标记字母，5是第1个标记数字，4是第二个标记数字。

在表2-12中给出了具体防护等级的划分标准，供读者查询。

表2-12防护等级划分标准一览表

（续）

需要强调的是，在进行电气柜设计时，不仅需要考虑材质和连接处的密封性能，还需要结合实际应用的需要，充分考虑电气柜所有开孔密封性能及密封情况。一般来说，电气柜开孔的密封性处理可以从以下几方面进行考虑：

1）由于数控机床常常需要在恶劣的环境中运行，所以在考虑电气柜的换气风扇或空气入口处的开孔的密封处理时，通常都需要使用空气过滤器以及防护罩作为空气过滤防护装置，以起到控制气流、防止灰尘的进入的作用。

在图2-16中给出了常用的空气过滤防护装置实例图，为读者提供参考。

2）电气柜的电缆连接穿孔也是一个需要重点进行密封处理的部位。

一般情况下，电气柜到机床的电缆接口设计需要使用锁紧件，同时备用口需加孔堵以满足密封条件；此外，在有电缆穿孔的地方要使用电缆锁紧装置进行密封，在兼顾密封性的同时还可以起到固定电缆的作用。

图2-16 空气过滤防护装置实例图

在图2-17中给出了常见的穿孔锁紧装置及孔堵实例图，为读者提供参考。

3）密封处理的另一个重点部位是电气柜门及操作站，在实际应用中，应根据需要使用密封胶条或其他密封措施对其进行密封处理。如果电气柜或操作站部位的密封不够充分，灰尘就会不断地穿过缝隙而附着在电气柜内部的电气单元上并不断地累积，而灰尘的累积将会进一步引起绝缘效果的降低和恶化。

在图2-18中给出了加密封胶条的电气柜的实例图，为读者提供参考。(www.xing528.com)

（2）电气柜内部的温升设计

在电气柜的设计工作中，除了需要充分考虑电气柜的密封性能之外，其内部的升温设计和温度控制也十分重要。之所以需要考虑电气柜内部的升温设计，是由于安装在电气柜内部的元器件所产生的热量会使电气柜内部的温度升高，因此在设计中需要充分考虑有可能发生的情况，对电气柜内的温度变化进行合理的控制。

图2-17 穿孔加锁紧装置或加孔堵实例图

图2-18 电气柜加装密封胶条实例图

一般而言，对电气柜内部的温升设计，通常可以从电器柜内电气单元的散热标准、电气柜内部各部件的布置标准、风扇的合理安装与使用以及冷却单元的合理安装与使用这四方面进行重点的关注和考虑：

1）电气柜内部所安装的电气单元的散热标准。在电气柜内，内部产生的热量是通过电气柜自身表面进行散热的，直至电气柜的内部温度和电气柜外部温度在一定的热水平上达到平衡状态。因此，如果将元器件产生的热量近似地看作一个常量，那么电气柜的表面面积越大，电气柜内部的温升就越慢；反之，电气柜的表面面积越小，电气柜内部的温升就越快。当温升过快时，我们就要考虑采取一定的手段使温升下降。

对于操作箱等小型电气柜，在假定电气柜内的空气能够充分流通的前提下，电气柜的散热能力可通过表2-13中所给出的示例数据及相关数值进行计算。

表2-13 电气柜散热计算示例数据值

注：以上给出的示例数值仅作为参考示例，在实际应用中应根据实际所使用的电气柜材质和尺寸进行计算。

基于以上数据，可以得到电气柜允许的总散热量：8×0.5722×13+3.7×0.2632×13W=72W因此，该电气柜中所安装的各电气单元的散热总量不可以超过72W。

2）电气柜内部各部件的布置标准。在实际的电气柜的温度设计中，除了需要充分考虑电气柜内部温升的变化情况之外，还需要充分地了解电气柜内部所安装的主要工作部件的工作性能的基本情况，结合其正常工作所需要达到的使用条件及使用标准进行电气柜的设计工作。

针对于SINUMERIK 808D数控系统以及SINAMICS V60驱动器而言，应确保这些部件在指定的温度条件下工作，如果温度过高则会使部件产生降容，从而影响系统维持正常而稳定的工作状态。因此，在安装部件时，我们应当参考SINUMERIK 808D数控系统以及SI-NAMICS V60驱动器的性能指标和参考布置方案，结合实际的电气柜设计情况和其他温控措施的需要，对电气柜内重要元器件的布置方案进行合理的设计和优化，以尽可能地满足SI-NUMERIK 808D数控系统以及SINAMICS V60驱动器对于工作环境的要求，确保部件可以正常而稳定的运行。

一般来说，在实际设计中，我们主要需要注意部件之间的空气流通空间以及电缆线的布置。关于这两方面的具体说明，在表2-14和表2-15中给出详细的描述和说明。

其中，表2-14及表2-14中的图主要说明了不同部件的空气流通空间对元器件的寿命及故障率的影响情况；而表2-15及表2-15中的图则主要说明了不同的电缆布线方式对元器件的寿命及故障率的影响情况。

需要说明的是，在表2-14和表2-15中所给出的关于安装空间及电缆布线方式对于电气柜内电气元器件寿命及故障率影响情况的介绍和说明，并不仅仅是个别案例，而是电气柜内各重要元器件在使用和装配过程中普遍出现的情况。这些判断标准对SINUMERIK 808D数控系统以及SINAMICS V60驱动器而言，也是同样适用的。

表2-14 不同部件的安装空间对温度的影响

表2-15 不同电缆布线方式对温度的影响

通过表2-14和表2-15中所介绍的内容，我们可以看到部件位置以及电缆布线的安装不当都会造成电气柜内温度的上升，而温度的上升又会进一步对元器件产生严重的危害；同时，温度的升高极易导致部件产生一些零星的故障，进而影响部件的使用寿命；除此之外，温度的升高还会导致部件运行功率的下降，影响加工的质量和效率。

因此，我们在设计电气柜时必须结合部件及相关元器件的实际情况，进行合理的布局设计，以确保其正常而稳定的工作运行。

除了考虑部件单元的散热标准及合理布线之外，我们还应该考虑采取一些合理而有效的措施对电气柜内的温度进行有效的控制。一般来说，设计电气柜时，需要保证随着电气柜内的温度上升时柜内和柜外的温度差不超过10°C，否则故障率会翻倍。

同时，在实际应用中，通常还会采用在封闭的电气柜内安装风扇或空调等换气冷却装置的方法，以保证内部空气的循环，从而起到降低柜体内部温升的作用。需要注意的是，对于风扇及冷却单元的安装及使用，必须严格依照相关的规范进行，才能够起到预期的作用。

3）风扇的合理安装与使用。在电气柜的设计过程中，通过安装风扇来降低电气柜内部的温升，是目前性价比较高的一种方法，也是应用较为广泛的一种做法。

在使用风扇时，应该通过合理的设计以保证风扇产生的空气以0.5m/s的速度流过每一个安装单元的表面。需要注意的是，在这个过程中，要避免空气直吹。如果空气由风扇直接吹向单元，灰尘将很容易地附着在单元表面并且会不断的积累，进而很有可能会产生冷凝现象（冷凝是一种物理现象，是指气体或液体遇冷而凝结，如水蒸气遇冷变成水），而冷凝现象极易引发单元故障，缩短元器件使用寿命；此外，还应尽量保证风扇的排风能够直接作用到驱动器或安装单元上。

在表2-16中对安装和使用风扇时的基本注意事项及注意要点进行了简要的介绍；同时，表2-16图中还给出了常见的风扇安装示例图。

表2-16 风扇装置安装使用注意要点及示例

注：在表2-16图中所标注的红色叉号，表示此安装方式为错误的安装方式。

4）冷却单元的合理安装与使用。在实际应用中，除了使用风扇对电气柜内部进行温度调节控制之外，使用冷却单元也是常用的手段之一。而对于冷却单元安装使用的具体方法，必须结合实际情况，选择适当的方式进行安装，才可以达到所预期的温度调节控制的目的和效果。

一般来说，冷却单元有两种安装方式，顶装与侧装。顶装的优势在于充分利用热空气向上运动的特性，将通风口设在电气柜底部，以形成自下而上的空气流动，这样在电气元器件表面不易形成热点和局部的热导效应。

在实际应用中，我们可以选择冷风机作为冷却单元。冷风机主要以排风为主，即向电气柜外部进行排风。如果风机无法达到电气柜内的降温需求，则可进一步选装机柜空调进行搭配使用。

需要特别强调的是，在选装电气柜柜内空调时，应重点注意对于其功率的选择。如果所选择的柜内空调的功率过大，则会导致机柜内的温度低于或等于28℃，这样就极易导致冷凝现象的形成，并很可能进一步地引发电气元器件短路等问题，造成部分元器件损坏而影响正常工作；此外，过大功率的电气柜空调的制冷时间较短，从而导致其在工作状态与非工作状态之间进行切换的频率较高，这也会对电气柜空调本身的使用寿命造成极大的影响。

基于以上的介绍可知，正确的安装和使用冷却单元是十分必要的。在表2-17中，对冷却单元在安装使用时所需要考虑的注意事项及注意要点进行了简要的介绍；同时，在对应的表2-17图中给出了常见的冷却单元顶装及侧装两种安装方式的示例图。

表2-17 冷却单元装置安装使用注意要点及示例

注：在表2-17图中所标注的红色叉号，表示此安装方式为错误的冷却单元安装方式。