常用低压电器在数控机床中的应用

电器是指对电能的生产、输送、分配和使用起控制、调节、检测、转换及保护作用的电工器械。电压电器是指工作于50Hz或者60Hz、额定电压等级在交流1200V以下、直流电压1500V以下电路中的电器元件。低压电器按其用途可分为如下两类：

1）低压配电电器，用于电能的输送和分配的电器，主要技术要求是断流能力强、限流小、在系统发生故障时保护动作准确、工作可靠、有足够的热稳定性和动稳定性。如刀开关、转换开关、低压断路器、熔断器等。

2）低压控制电器，用于各种控制电路和控制系统的电器，主要技术要求是操作频率高、寿命长、有相应的转换能力。如接触器、继电器、主令开关等。

5.2.1.1 刀开关

（1）刀开关的结构及工作原理

刀开关又称闸刀开关或隔离开关，它是手控电器中最简单而使用又较广泛的一种低压电器。它由静插座、手柄、触刀、铰链支座和绝缘底板组成。按极数不同刀开关分为单极、双极和三极3种。这种刀开关用于不频繁接通和分断电路或用来将电路与电源隔离。如果把熔断器和刀开关组合在一起，既可用来接通或切断电路，又可起短路保护作用，这个刀开关称为闸刀开关或铁壳开关，如图5-4、图5-5所示。

图5-4 刀开关结构和图形符号

（a）结构（b）单极刀开关图形符号（c）双极刀开关图形符号（d）三极刀开关图形符号

图5-5 闸刀开关分类及其图形符号

（a）闸刀开关（b）铁壳开关（c）图形符号

（2）刀开关常见故障现象（表5-3）

表5-3 刀开关常见故障

5.2.1.2 组合开关

（1）组合开关的结构及工作原理

组合开关又称为转换开关，实质上也是一种刀开关，不过它的刀片是转动式的、它由装在同一根轴上的单个或多个单极旋钮开关叠装在一起组成。组合开关常用作引入电源的开关，也可以用它来控制不频繁启动和停止小容量笼型电动机或局部照明电路（图5-6）。

图5-6 组合开关

（a）结构（b）接线（c）图形符号（d）实物

（2）组合开关常见故障

组合开关常见故障有：

1）机构损坏、磨损、松动造成动作失效；

2）触头弹性失效或尘污接触不良造成三触头同时接通或断开；

3）久用污染形成导电层、胶木烧焦，绝缘破坏造成短路。

5.2.1.3 低压断路器

（1）低压断路器的结构及工作原理

低压断路器：低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器，简称断路器。它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了广泛的应用。

低压断路器的主触点1是靠手动操作或电动合闸的。主触点1闭合后，自由脱扣器2机构将主触点1锁在合闸位置上。过电流脱扣器3的线圈和热脱扣器5的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器6的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器3的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器5的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。分离脱扣器4则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下启动按钮7，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点1断开（图5-7）。

图5-7 低压断路器

（a）工作原理（b）图形符号（c）实物

1—主触头 2—自由脱扣器 3—过电流脱扣器 4—分离脱扣器 5—热脱扣器 6—欠电压脱扣器 7—按钮

（2）低压断路器的常见故障现象及原因

低压断路器常见故障现象及原因见表5-4。

表5-4 低压断路器常见故障现象及原因

续表

5.2.1.4 熔断器

（1）熔断器的结构及工作原理

熔断器（俗称保险丝）是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器接入电路时，熔体串联在电路中。电路正常工作时，熔体发热的温度低于熔化温度，故长期不熔断。一旦发生短路或严重过载时，熔体温度急剧上升而熔断，切断电路，从而保护了电路和设备。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。但是熔断器对过载反应不很灵敏，当电气设备发生轻度过载时，熔断器将持续很长时间才熔断，有时甚至不熔断。因此，熔断器一般不宜作过载保护（图5-8）。

图5-8 熔断器

（a）实物（b）图形符号

（2）熔断器的选用原则

正确选用熔断器和熔体，才能既保证电路正常工作，又起到应有的保护作用。

1）熔断器的额定电压应等于或大于被保护电路的工作电压。

2）熔断器的额定电流应等于或大于所装熔体的额定电流。

3）熔体的额定电流根据不同的负载有以下几种选择：

①照明、电炉等阻性负载，额定电流应等于或稍大于负载的工作电流。

②对一台电动机，为了防止电动机较大启动电流的短时冲击，则取

I_RN=（1.5～2.5）I_N

I_RN——熔体的额定电流

I_N——电动机的额定电流

③对多台不同时启动的电动机，则有

I_RN=（1.5～2.5）I_Nmax+∑I_N

I_{N max}——最大的一台电动机的额定电流

∑I_N——其余电动机额定电流的总和

（3）熔断器常见故障及原因

熔断器常见故障现象及原因见表5-5。

表5-5 熔断器常见故障及原因

5.2.2.1 交流接触器

（1）交流接触器的结构及工作原理

接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器分为交流接触器和直流接触器，应用于电力、配电与用电场合。本文主要介绍交流接触器。

接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场，产生的磁场使铁芯6产生电磁吸力吸引衔铁3，并带动交流接触器动触点1动作，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁3在缓冲弹簧4的作用下释放，使动触点复原（图5-9）。

图5-9 交流接触器

（a）结构（b）实物

1—动触点 2—静触点 3—衔铁 4—缓冲弹簧 5—电磁线圈

6—铁心 7—垫毡 8—触头弹簧 9—灭弧罩 10—触头压力弹簧

交流接触器的图形符号见图5-10。

图5-10交流接触器图形符号

（a）线圈（b）动合触点（c）动开触点

（2）交流接触器的选用

由于控制对象、使用场合、动作频繁程度等各方面的条件不一定相同，这就需要正确选择交流接触器，使其技术数据满足电路的要求，同时兼顾经济等因素。

1）交流接触器主触点的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压。

2）交流接触器主触点的额定电流应大于或等于负载的额定电流。对中小型容量的交流电动机，当额定电压为380V时，其额定电流值一般可按2倍的额定功率来计算。例如380V、7.5kW的三相笼型电动机，其额定电流约为15A。在电动机频繁启动、制动和频繁正反转的场合下，接触器的容量应增大一倍。

3）交流接触器线圈的额定电压应与控制电路的电压相同。

4）交流接触器的触点数量和类型应满足控制电路的要求。

（3）交流接触器常见故障诊断及排除

交流接触器常见故障诊断及排除见表5-6。

表5-6 交流接触器常见故障诊断及排除

（4）交流接触器保养检修

经常或定期检查交流接触器的运行情况，进行必要的维修是保证其运行可靠、延长其寿命的重要措施。检查、维修时应先断开电源，按下列步骤进行：

1）外观检查

①清除灰尘，可用棉布蘸少量汽油擦去油污，然后用布擦干；

②拧紧所有压接导线的螺钉，防止松动脱落、引起连接部分发热。

2）灭弧罩检修

①取下灭弧罩，用毛刷清除罩内脱落物或金属颗粒。如发现灭弧罩有裂损，应及时予以更换。

②对于栅片灭弧罩，应注意栅片是否完整或烧损变形、严重松脱、位置变化等，若不易修复则应更换。

3）触点系统检查

①检查动静触点是否对准，三相是否同时闭合，并调节触点弹簧使三相一致。

②摇测相间绝缘电阻值。使用500V摇表，其相间阻值不应低于10MΩ。

③触点磨损厚度超过1mm，或严重烧损、开焊脱落时应更换新件。轻微烧损或接触面发毛、变黑不影响使用，可不予处理。若影响接触，可用小锉磨平打光。

④经维修或更换触点后应注意触点开距，不得超行程。触点超行程会影响触点的终压力。

⑤检查辅助触点动作是否灵活，静触点是否有松动或脱落现象，触点开距和行程要符合要求，可用万用表测量接触的电阻，发现接触不良且不易修复时，要更换新触点。

4）铁心的检修

①用棉纱蘸汽油擦拭端面，除去油污或灰尘等；

②检查各缓冲件是否齐全，位置是否正确；

③铆钉有无断裂，导致铁心端面松散的情况；

④短路环有无脱落或断裂，特别要注意隐裂。如有断裂或造成严重噪声，应更换短路环或铁心；

⑤检查电磁铁吸合是否良好，有无错位现象。

5）电磁线圈的检修

①交流接触器的吸引线圈在电源电压为线圈额定电压的85%～105%时，应能可靠工作。

②检查电磁线圈有无过热，线圈过热反映在外表层老化、变色，线圈过热一般是由于匝间短路造成的，此时可测其阻值和同类线圈比较，不能修复则应更换。(www.xing528.com)

③检查引线和插接件有无开焊或将断开的情况。

④检查线圈骨架有无裂纹、磨损或固定不正常的情况。如发现应及早固定或更换。

5.2.2.2 继电器

继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器种类很多，数控机床中常用的继电器有如下几类。

（1）中间继电器

在电气控制中，经常需要把某一信号进行传递、放大或变成多路信号，中间继电器就是这样一种具有中间转换作用的自动电器。中间继电器的主要作用是：①用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量；②用于在控制电路中传递中间信号，如图5-11。

图5-11 中间继电器实物及图形符号

（a）实物（b）线圈（c）动合触点（d）动闭触点

中间继电器实质上是一种小容量的交流接触器，它的结构与交流接触器相似，工作原理完全相同，但中间继电器的触点没有主、辅之分，每对触点允许通过的电流大小是相同的，其额定电流为5A，而接触器的触点有主、辅之分，主触点可以通过大电流。

中间继电器常见故障：

1）触头氧化；

2）闲置引起的锈蚀导致接触不良；

3）线圈的短路与断路；

4）线圈接线点的连接与接触不良。

（2）时间继电器

时间继电器是按时间顺序对电路进行控制的自动电器。它的种类较多，常用的有电磁式、电动式、空气阻尼式和晶体管式等。由于空气阻尼式时间继电器结构简单，延时范围较大（0.4～180s），在交流电路中应用广泛。

当线圈通电时，衔铁3及托板被铁心4吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点6接通或断开。但是推杆11和杠杆7不能同时跟着衔铁3一起下落，因为推杆11的上端连着气室中的橡皮膜，当推杆11在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹，上面空气室的空气变得稀薄而使推杆11受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，推杆11下降到一定位置，便通过杠杆7推动延时触点8动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用调节螺钉9调节空气室进气孔的大小来改变。

时间继电器的结构和图形符号见图5-12、图5-13。

图5-12 时间继电器

（a）实物（b）结构

1—线圈 2—反作用弹簧 3—衔铁 4—铁心 5—弹簧片 6—瞬时动作触点

7—杠杆 8—延时触点 9—调节螺钉 10—推板 11—推杆 12—宝塔弹簧

图5-13 时间继电器图形符号

（a）线圈一般符号（b）通电延时线圈（c）断电延时线圈（d）通电延时闭合动合（常开）触点

（e）通电延时断开动断（常闭）触点（f）断电延时断开动合（常开）触点

（g）断电延时闭合动断（常闭）触点（h）动合触点（i）动开触点

时间继电器常见故障现象及原因，如表5-7所示。

表5-7 时间继电器常见故障现象及原因

（3）速度继电器

速度继电器是测量转速的元件。它能反映转动的方向以及是否停转、因此广泛用于异步电动机的反接制动中。其结构和工作原理与笼型电动机类似，主要有转子、定子和触点三部分。其中转子是圆柱形永磁铁，与被控旋转机构的轴连接，同步旋转。定子是笼形空心圆环，内装有笼形绕组、它套在转子上，可以转动一定的角度。当转子转动时，在绕组内感应出电动势和电流，此电流和磁场作用产生扭矩使定子柄向旋转方向转动、拨动簧片使触点闭合或断开。当转子转速接近零（约100r/min），扭矩不足于克服定子柄重力时，触点系统恢复原态。

速度继电器结构、电器图形符号，如图5-14、图5-15所示；常见故障与排除，如表5-8所示。

图5-14 速度继电器结构

1—可动支架 2—转子 3—定子 4—端盖 5—连接头 6—电动机轴 7—转子（永久磁铁）

8—定子 9—定子绕组 10—胶木摆杆 11—簧片（动触头）12—静触头

图5-15 速度继电器图形符号

（a）继电器转子（b）动合触点（c）动断触点

表5-8 速度继电器常见故障诊断与排除

（4）热继电器

电动机在运行中往往会遇到负载过大或发生一相断路等现象，此时电动机的电流就会超过额定电流。若过载不是很大，过载时间较长，而熔断器的熔体不能熔断，这就会影响电动机的寿命，甚至烧毁电动机，因此就需要过载保护。热继电器就是对电动机或其他负载进行这样一种保护的自动电器。热继电器主要由热元件、动作机构、触点、电流整定装置和复位机构等组成（图5-16）。

图5-16 热继电器

（a）结构（b）发热元件（c）动开触点（d）动合触点

1—接线端子 2—主双金属片 3—热元件 4—推动导板 5—补偿双金属片 6—常闭触头

7—常开触头 8—复位调节螺钉 9—动触头 10—复位按钮 11—偏心轮 12—支撑件 13—弹簧

工作原理：当电动机过载时，流过电阻丝的电流超过热继电器的整定电流，电阻丝发热增多，温度升高，由于两块金属片的热膨胀程度不同而使主双金属片2向右弯曲，通过传动机构推动常闭触头6断开，分断控制电路。

热继电器见常故障现象及原因，如表5-9所示。

表5-9 热继电器常见故障现象及原因

5.2.2.3 主令开关

在电路中用来控制其他电器动作，以发送控制指令的电器称为主令开关。数控机床中常用的主令开关主要有按钮开关、行程开关和接近开关等。

（1）按钮开关

按钮开关简称按钮，是用来短时间接通或断开小电流控制电路的手动电器。按钮开关在电气控制中被广泛使用，而且同一控制电路中往往有几个按钮，为了标明各按钮的作用，通常将按钮帽做成不同的颜色以示区分，一般用红色表示停止，绿色表示启动、工作，黑色表示启动和停止交替动作（图5-17）。

图5-17 按钮开关

（a）结构（b）动合触点（c）动开触点（d）复合触点（e）实物

1—动断静触点 2—动断静触点 3—动合静触点 4—动合静触点

5—桥式动触点 6—按钮帽 7—复合按钮

主令开关常见故障及原因，如表5-10所示。

表5-10 按钮开关常见故障及原因

（2）行程开关

行程开关是位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。它利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等，如安装在x轴上的左右限位开关（图5-18、图5-19）。

行程开关常见故障：

1）机构失灵、损坏、断线或离挡块太远；

2）开关复位，但动断触头不能闭合；

3）开关的顶杆已偏转，但触头不动；

4）开关松动与移位。

图5-18 行程开关结构

（a）滚轮式行程开关（b）按钮式行程开关（c）单轮旋转式（d）双轮旋转式

1—滚轮 2—上转臂 3—弹簧 4—套架 5—弹簧 6—压板 7—触点

8—触点推杆 9—压板 10—小滑轮 11—弹簧

（3）接近开关

图5-19 行程开关图形符号

（a）动合触点（b）动开触点

接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（或PLC）装置提供控制指令。接近开关是一种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强，并具有防水、防振、耐腐蚀等特点。接近开关种类较多，有高频振荡型、电磁感应型、电容型、永磁型及磁敏元件型、光电型、超声波型等。以下将介绍电磁感应型接近开关。

电磁感应型接近开关由三大部分组成：LC振荡电路、信号触发器及开关放大器。LC振荡电路产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。LC振荡电路振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的（图5-20）。

接近开关常见故障与排除，如表5-11所示。

图5-20 接近开关

（a）实物（b）接近开关工作原理（c）动合触点（d）动开触点

表5-11 接近开关常见故障诊断与排除

5.2.2.4 变压器及直流稳压电源

（1）变压器

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁心）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等（图5-21）。

（2）直流稳压电源

直流稳压电源可将非稳定交流电源变成稳定直流电源。在数控机床电气控制系统中，为驱动器控制单元，直流继电器，信号指示灯等提供直流电源。数控机床中主要使用开关电源或者一体化电源。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

图5-21 三相变压器

（a）变压器（b）单相变压器图形符号（c）三相变压器图形符号

AC电压经过EMI滤波电路滤除各种干扰信号后，经过整流滤波将AC电压变为平滑的直流电，通过PWM（Pulse-Width Modulation）电路调节开关晶体的开通与截止，结合变压器之隔离及变换作用，从次级输出一组方波，通过低压端的整流滤波电路，再输出平滑之直流电。稳压过程是通过反馈电路从输出端取样再将信号送到PWM（Pulse-Width Modulation）电路调节开关晶体的开通与截止时间从而使输出电压稳定。通过对输出端的电流、电压的监控然后将信号反馈到PWM控制电路从而实现各种保护功能。

开并电源的框图，如图5-22所示。实物和图形符号，如图5-23所示。

图5-22 开关电源工作原理

图5-23 开关电源实物和图形符号

（a）实物（b）图形符号

开关电源常见故障，如表5-12所示。

表5-12 开关电源常见故障

5.2.2.5 电源滤波器

数控机床主要是由主机、数控装置、驱动装置、辅助装置、编程及其他附属设备组成。它在工作中主要还是变频器控制电动机的运转而达到精密加工的功能。而变频器主电路一般是交流—直流—交流模式，对电网来说是非线性负载，变频器换流产生的高次谐波，在其输入端将使电源的电压波形和电流波形发生畸变，对与其共电源的其他设备直接造成干扰。逆变器采用SPWM技术，当工作于开关模式并作高速切换时，产生大量耦合性噪声，其输出端的高次谐波，通过感应、辐射、地线系统等途径，对相关设备造成干扰。

电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。电源滤波器是一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。

电源滤波器的原理就是一种阻抗适配网络，电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效（图5-24）。

图5-24 电源滤波器实物