項目1 工作臺的自動往返控制

教學導航

1.1 項目描述

工農業生產中，有很多的機械設備都是需要往復運動的。例如，平面磨床矩形工作臺的往返加工運動，銑床加工中工作臺的左右運動、前后和上下運動，這都需要電氣控制線路對電動機實現自動正反轉換相控制來實現。

1.1.1 限位控制線路

限位控制線路如圖1-1所示。圖中SQ為行程開關，又稱限位開關，它裝在預定的位置上，在工作臺的梯形槽中裝有撞塊，當撞塊移動到此位置時，碰撞行程開關，使其觸點動作，從而控制工作臺停止和換向，這樣工作臺就能實現往返運動。其中撞塊1 只能碰撞SQ2 和SQ4，撞塊2只能碰撞SQ1和SQ3，工作臺行程可通過移動撞塊位置來調節，以適于加工不同的工件。

圖中SQ1、SQ2裝在機床床身上，用來控制工作臺的自動往返，SQ3和SQ4用來作終端保護，即限制工作臺的極限位置。SQ3和SQ4分別安裝在向左或向右的某個極限位置上，如果SQ1或SQ2失靈，工作臺會繼續向左或向右運動，當工作臺運行到極限位置時，撞塊就會碰撞SQ3或SQ4，從而切斷控制線路，迫使電動機M停轉，工作臺就停止移動。SQ3和SQ4在這里實際上起終端保護作用，因此稱為終端保護開關或簡稱為終端開關。

1.1.2 自動循環控制線路

工作臺前進-后退自動循環控制要求如下。

按下啟動按鈕，工作臺向前運動，當工作臺前進到一定位置時，固定在工作臺上的撞塊1壓動行程開關SQ2（固定在床身上），電動機反轉使工作臺向后運動；當工作臺向后運動到一定位置時，撞塊又使行程開關SQ1動作，電動機從反轉變為正轉。工作臺就這樣往復循環工作。按下停止按鈕，電動機停止轉動，工作臺停止。SQ3和SQ4起極限保護作用。

某機床工作臺需自動往返運行，由三相異步電動機拖動，其控制要求如下，完成其控制電路的設計與安裝。

（1）按下啟動按鈕，工作臺開始前進，到終端后自動后退，后退到原位后又自動前進，如此反復。

（2）要求能在前進或后退途中任意位置都能停止或啟動。

（3）電路設有短路、失壓欠壓、過載和位置極限保護。

相關知識

1.2 電氣控制器件

低壓電器種類很多，分類方法也很多。按操作方式可分為手動操作方式和自動切換電器，前者主要用手直接操作來進行切換；后者依靠本身參數的變化或外來信號的作用，自動完成接通或分斷等動作。按用途可分為低壓配電電器和低壓控制電器兩大類，低壓配電電器是指正常或事故狀態下接通和斷開用電設備和供電電網所用的電器；低壓控制電器是指電動機完成生產機械要求的啟動、調速、反轉和停止所用的電器。

本任務涉及的低壓電器有刀開關、熔斷器、按鈕開關、轉換開關、交流接觸器、熱繼電器等。

1.2.1 按鈕開關、刀開關、行程開關、轉換開關

1.按鈕開關

按鈕開關是一種用人力（一般為手指或手掌）操作，并具有儲能（彈簧）復位的一種控制開關。按鈕的觸點允許通過的電流較小，一般不超過5A，因此一般情況下它不直接控制主電路，而是在控制電路中發出指令或信號去控制接觸器、繼電器等電器，再由它們去控制主電路的通斷、功能轉換或電氣聯鎖。

1）結構

按鈕開關一般由按鈕帽、復位彈簧、橋式動觸點、動合靜觸點、支柱連桿及外殼等部分組成，按鈕的外形、結構與符號如圖1-2所示。圖中按鈕是一個復合按鈕，工作時常開和常閉觸點是聯動的，當按鈕被按下時，常閉觸點先斷開，常開觸點隨后閉合；而松開按鈕時，常開觸點先斷開，常閉觸點后閉合，也就是說兩種觸點在改變工作狀態時，有個先后時間差，盡管這個時間差很短，但在分析線路控制過程時應特別注意。

2）型號

其中結構形式代號的含義為：

K——開啟式，適于嵌裝在操作面板上；

H——保護式，帶保護外殼，可防止內部零件受機械損傷或人偶然觸及帶電部分；

S——防水式，具有密封外殼，可防止雨水侵入；

F——防腐式，能防止腐蝕性氣體進入；

J——緊急式，作緊急切斷電源用；

X——旋鈕式，用旋鈕旋轉進行操作，有通和斷兩個位置；

Y——鑰匙操作式，用鑰匙插入進行操作，可防止誤操作或供專人操作；

D——光標按鈕，按鈕內裝有信號燈，兼作信號指示。

按鈕的顏色有紅、綠、黑、黃、白、藍等幾種，供不同場合選用。一般以紅色表示停止按鈕，綠色表示啟動按鈕。幾款常用按鈕如圖1-3所示。

3）選用

按鈕選擇的基本原則為：

根據使用場合和具體用途選擇按鈕的種類，如嵌裝在操作面板上的按鈕可選用開啟式。

根據工作狀態指示和工作情況要求，選擇按鈕或指示燈的顏色，如啟動按鈕可選用綠色、白色或黑色。

根據控制回路的需要選擇按鈕的數量，如單聯鈕、雙聯鈕和三聯鈕等。

2.刀開關

刀開關又稱閘刀開關，是一種結構最簡單，應用最廣泛的手動電器。在低壓電路中，刀開關用于不頻繁接通和分斷電路，或用來將電路與電源隔離。

圖1-4所示為刀開關的典型結構。它由操作手柄、觸刀、靜插座和絕緣底板組成。推動操作手柄來實現觸刀插入插座與脫離插座的控制，以達到接通電路和分斷電路的要求。

刀開關的種類很多，按刀的極數可分為單極、雙極和三極，其圖形表示符號見圖1-5。按刀的轉換方向可分為單擲和雙擲；按滅弧情況可分為帶滅弧罩和不帶滅弧罩；按接線方式可分為板前接線式和板后接線式。下面只介紹由刀開關和熔斷器組合而成的負荷開關，負荷開關分為開啟式負荷開關和封閉式負荷開關兩種。

1）開啟式負荷開關

開啟式負荷開關又稱為瓷底膠蓋刀開關，簡稱閘刀開關。生產中常用的是HK系列開啟式負荷開關，適用于照明和小容量電動機控制線路中，供手動不頻繁地接通和分斷電路，并起短路保護作用。

開啟式負荷開關的結構及符號如圖1-6所示。

其型號含義說明如下。

2）封閉式負荷開關

封閉式負荷開關是在開啟式負荷開關的基礎上改進設計的一種開關，可用于手動不頻繁地接通和斷開帶負載的電路，以及作為線路末端的短路保護，也可用于控制15kW以下的交流電動機不頻繁地直接啟動和停止。

常用的封閉式負荷開關有HH3、HH4系列，其中HH4系列為全國統一設計產品，它的結構如圖1-7所示。它主要由觸點及滅弧系統、熔斷器及操作機構三部分組成。三把閘刀固定在一根絕緣方軸上，由手柄完成分、合閘的操作。在操作機構中，手柄轉軸與底座之間裝有速動彈簧，使刀開關的接通與斷開速度與手柄操作速度無關。封閉式負荷開關的操作機構有兩個特點：一是采用了儲能合閘方式，利用一根彈簧使開關的分合速度與手柄操作速度無關，這既改善了開關的滅弧性能，又能防止觸點停滯在中間位置，從而提高開關的通斷能力，延長其使用壽命；二是操作機構上裝有機械聯鎖，它可以保證開關合閘時不能打開防護鐵蓋，而當打開防護鐵蓋時，不能將開關合閘。

封閉式負荷開關在電路圖中的符號與開啟式負荷開關相同。

其型號含義說明如下。

3）刀開關的選用及安裝注意事項

（1）選用刀開關時首先根據刀開關的用途和安裝位置選擇合適的型號和操作方式，然后根據控制對象的類型和大小，計算出相應負載電流大小，選擇相應級額定電流的刀開關。

（2）刀開關在安裝時必須垂直安裝，閉合操作時手柄操作方向應從下向上合，不允許平裝或倒裝，以防誤合閘；電源進線應接在靜觸點一邊的進線座，負載接在動觸點一邊的出線座；在分閘和合閘操作時，應動作迅速，使電弧盡快熄滅。

3.行程開關

行程開關是用以反映工作機械的行程，發出命令以控制其運動方向和行程大小的開關，主要用于機床、自動生產線和其他機械的限位及程序控制。

1）結構及工作原理

各系列行程開關的基本結構大體相同，都由觸點系統、操作機構和外殼組成。常見的有直動式和滾輪式。JLXK1系列行程開關的外形如圖1-8所示。

JLXK1-111型行程開關的結構和動作原理如圖1-9所示。當運動部件的擋鐵碰壓行程開關的滾輪時，杠桿連同轉軸一起轉動，使凸輪推動撞塊，當撞塊被壓到一定位置時，推動微動開關快速動作，使其動斷觸點斷開，動合觸點閉合。

行程開關的觸點動作方式有蠕動型和瞬動型兩種。蠕動型的觸點結構與按鈕相似，其特點是結構簡單，價格便宜，觸點的分合速度取決于生產機械擋鐵的移動速度。當擋鐵的移動速度小于0.47m/min時，觸點分合太慢，易產生電弧灼燒觸點，從而縮短觸點的使用壽命，也影響動作的可靠性及行程控制的位置精度。為克服這些缺點，行程開關一般都采用具有快速換接動作機構的瞬動型觸點。瞬動型行程開關的觸點動作速度與擋鐵的移動速度無關，性能顯然優于蠕動型。

LX19K型行程開關即是瞬動型，其工作原理如圖1-10所示。當運動部件的擋鐵碰壓頂桿時，頂桿向下移動，壓縮觸點彈簧使之儲存一定的能量。當頂桿移動到一定位置時，觸點彈簧的彈力方向發生改變，同時儲存的能量得以釋放，完成跳躍式快速換接動作。當擋鐵離開頂桿時，頂桿在復位彈簧的作用下上移，上移到一定位置，接觸板瞬時進行快速換接，觸點迅速恢復到原狀態。

行程開關動作后，復位方式有自動復位和非自動復位兩種，如圖1-8（a），（b）所示的直動式和單輪旋轉式均為自動復位式。但有的行程開關動作后不能自動復位，如圖1-8（c）所示的雙輪旋轉式行程開關。只有運動機械反向移動，擋鐵從相反方向碰壓另一滾輪時，觸點才能復位。

2）型號

常用的行程開關有JLXK1、LX19和JLXL1等系列。其中JLXK1系列和LX19系列的型號及含義如下：

行程開關在電路中的符號如圖1-9（c）所示。

4.轉換開關

組合開關又稱轉換開關，常用于交流50Hz、380V以下及直流220V以下的電氣線路中，供手動不頻繁地接通和分斷電路、電源或控制5kW以下小容量異步電動機的啟動、停止和正、反轉，各種用途的轉換開關如圖1-11所示。

組合開關的常用產品有：HZ6、HZ10、HZ15系列。一般在電氣控制線路中普遍采用的是HZ10系列的組合開關。

組合開關有單極、雙極和多極之分。普通類型的轉換開關各極是同時通斷的；特殊類型的轉換開關是各極交替通斷的，以滿足不同的控制要求。其表示方法類似于萬能轉換開關。其型號含義如下。

1）無限位型轉換開關

無限位型轉換開關手柄可以在360°范圍內旋轉，無固定方向。常用的是全國統一設計產品HZ10系列，其外形與結構如圖1-12所示。它實際上就是由多節觸點組合而成的刀開關，與普通閘刀開關的區別是轉換開關用動觸片代替閘刀，操作手柄在平行于安裝面的平面內可左右轉動。開關的三對靜觸點分別裝在三層絕緣墊板上，并附有接線柱，用于與電源及用電設備相接。動觸點用磷銅片（或硬紫銅片）和具有良好滅弧性能的絕緣鋼紙板鉚合而成，并和絕緣墊板一起套在附有手柄的方形絕緣轉軸上。手柄和轉軸能在平行于安裝面的平面內沿順時針或逆時針方向每次轉動90°，帶動三個動觸點分別與三對靜觸點接觸或分離，實現接通或分斷電路的目的。開關的頂蓋部分是由滑板、凸輪、彈簧和手柄等構成的操作機構。由于采用了彈簧儲能，可使觸點快速閉合或分斷，從而提高了開關的通斷能力。

2）有限位型轉換開關

有限位型轉換開關也叫做可逆轉換開關或倒順開關，它只能在90°范圍內旋轉，有定位限制，類似雙擲開關那樣，即所謂兩位置轉換類型。常用的為HZ3系列，其外形、結構觸點及符號如圖1-13所示。

HZ3-132型轉換開關的手柄有倒、停、順三個位置，手柄只能從“停”位置左轉45°和右轉45°。移去上蓋可見兩邊各裝有三個靜觸點，轉軸上固定著六個不同形狀的動觸點，六個動觸點分成兩組，每組三個。兩組動觸點不同時與靜觸點接觸。手柄從“停”位置左轉45°和一組靜觸點接觸，控制電動機正轉；手柄從“停”位置右轉45°和另一組靜觸點接觸，控制電動機反轉。

HZ3系列轉換開關多用于控制小容量異步電動機的正、反轉及雙速異步電動機△/YY、Y/YY的變速切換。

轉換開關根據電源種類、電壓等級、所需觸點數、接線方式進行選用。應用轉換開關控制異步電動機的啟動、停止時，每小時的接通次數不超過15～20 次，開關的額定電流也應該選得略大一些，一般取電動機額定電流的1.5～2.5倍。用于電動機的正、反轉控制時，應當在電動機完全停止轉動后，方可允許反向啟動，否則會燒壞開關觸點或造成弧光短路事故。

HZ5、HZ10系列轉換開關主要技術數據如表1-1所示，HZ10系列組合開關在電路圖中的符號如圖1-12所示。

HZ3系列轉換開關在電氣原理圖中的符號如圖1-13所示。

HZ3系列轉換開關的形式和用途如表1-2所示。

1.2.2 接觸器

接觸器是一種能頻繁地接通和斷開遠距離用電設備主回路及其他大容量用電回路的自動控制電路，它分交流和直流兩類，它的控制對象主要是電動機、電熱設備、電焊機及電容器組等。

1.交流接觸器的結構、原理

交流接觸器主要由電磁系統、觸點系統、滅弧裝置及輔助部件等組成，常見交流接觸器的外形如圖1-14所示。CJ10-20型交流接觸器的結構和工作原理如圖1-15所示。

1）電磁系統

交流接觸器的電磁系統主要由線圈、鐵芯（靜鐵芯）和銜鐵（動鐵芯）三部分組成。其作用是利用電磁線圈的通電或斷電，使銜鐵和鐵芯吸合或釋放，從而帶動動觸點與靜觸點閉合或分斷，實現接通或斷開電路的目的。

交流接觸器在運行過程中，線圈中通入的交流電在鐵芯中產生交變的磁通，因此鐵芯與銜鐵間的吸力也是變化的。這會使銜鐵產生振動，發出噪聲。為消除這一現象，在交流接觸器鐵芯和銜鐵的兩個不同端部各開一個槽，槽內嵌裝一個用銅、康銅或鎳鉻合金材料制成的短路環，又稱減振環或分磁環，如圖1-16（a）所示。鐵芯裝短路環后，當線圈通以交流電時，線圈電流產生磁通Φ1，Φ1一部分穿過短路環，在環中產生感生電流，進而會產生一個磁通Φ2，由電磁感應定律知，Φ1和Φ2的相位不同，即Φ1和Φ2不同時為零，則由Φ1和Φ2產生的電磁吸力Fl和F2不同時為零，如圖1-16（b）所示。這就保證了鐵芯與銜鐵在任何時刻都有吸力，銜鐵將始終被吸住，振動和噪聲會顯著減小。

2）觸點系統

觸點系統包括主觸點和輔助觸點，主觸點用以控制電流較大的主電路，一般由三對接觸面較大的常開觸點組成；輔助觸點用于控制電流較小的控制電路，一般由兩對常開和兩對常閉觸點組成。觸點的常開和常閉，是指電磁系統沒有通電動作時觸點的狀態。因此常閉觸點和常開觸點有時又分別被稱為動斷觸點和動合觸點。工作時常開和常閉觸點是聯動的，當線圈通電時，常閉觸點先斷開，常開觸點隨后閉合；而線圈斷電時，常開觸點先恢復斷開，隨后常閉觸點恢復閉合。也就是說，兩種觸點在改變工作狀態時，先后有個時間差，盡管這個時間差很短，但在分析線路控制過程時應特別注意。

觸點按接觸情況可分為點接觸式、線接觸式和面接觸式三種，分別如圖1-17（a）、（b）、（c）所示。按觸點的結構形式劃分，有雙斷點橋式觸點和指形觸點兩種，如圖1-17（d）、（e）所示。

CJ10系列交流接觸器的觸點一般采用雙斷點橋式觸點。

3）滅弧裝置

交流接觸器在斷開大電流或高電壓電路時，在動、靜觸點之間會產生很強的電弧。電弧的產生，一方面會灼傷觸點，縮短觸點的使用壽命；另一方面會使電路切斷時間延長，甚至造成弧光短路或引起火災事故。容量在10A以上的接觸器中都裝有滅弧裝置。在交流接觸器中常用的滅弧方法有雙斷口電動力滅弧、縱縫滅弧、柵片滅弧等；直流接觸器因直流電弧不存在自然過零點熄滅特性，因此只能靠拉長電弧和冷卻電弧來滅弧，一般采取磁吹式滅弧裝置來滅弧。

4）輔助部件

交流接觸器的輔助部件有反作用彈簧、緩沖彈簧、觸點壓力彈簧、傳動機構及底座、接線柱等。反作用彈簧的作用是線圈斷電后，推動銜鐵釋放，使各觸點恢復原狀態。緩沖彈簧的作用是緩沖銜鐵在吸合時對鐵芯和外殼的沖擊力。觸點壓力彈簧作用是增加動、靜觸點間的壓力，從而增大接觸面積，以減小接觸電阻。傳動機構的作用是在銜鐵或反作用彈簧的作用下，帶動動觸點實現與靜觸點的接通或分斷。

2.接觸器的主要技術參數

1）額定電壓

接觸器銘牌額定電壓是指主觸點上的額定電壓。通常用的電壓等級為：

直流接觸器：110V、220V、440V、660V等。

交流接觸器：127V、220V、380V、500V等。

如某負載是380V的三相感應電動機，則應選380V的交流接觸器。

2）額定電流

接觸器銘牌額定電流是指主觸點的額定電流。通常用的電流等級為：

直流接觸器：25A、40A、60A、100A、250A、400A、600A。

交流接觸器：5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。

3）線圈的額定電壓

通常用的電壓等級為：

直流線圈：24V、48V、220V、440V。

交流線圈：36V、127V、220V、380V。

4）動作值

動作值指接觸器的吸合電壓與釋放電壓。原部頒標準規定接觸器在額定電壓85%以上時，應可靠吸合，釋放電壓不高于額定電壓的70%。

5）接通與分斷能力

接通與分斷能力指接觸器的主觸點在規定的條件下能可靠地接通和分斷的電流值，而不應該發生熔焊、飛弧和過分磨損等。

6）額定操作頻率

額定操作頻率指每小時接通次數。交流接觸器最高為600次/小時，直流接觸器可高達1200次/小時。

3.接觸器的型號及電路圖中的符號

（1）接觸器的型號及含義表示如下。

例如，CJ12T-250，該型號的意義為CJ12T系列接觸器，額定電流為250A，主觸點為三極。CZ0-100/20表示CZ0系列直流接觸器，額定電流為100A，雙極常開主觸點。

（2）交流接觸器在電路圖中的符號如圖1-18所示。

4.接觸器的選用

（1）根據控制對象所用電源類型選擇接觸器類型，一般交流負載用交流接觸器，直流負載用直流接觸器。當直流負載容量較小時，也可選用交流接觸器，但交流接觸器的額定電流應適當選大一些。

（2）所選接觸器主觸點的額定電壓應大于或等于控制線路的額定電壓。

（3）應根據控制對象類型和使用場合，合理選擇接觸器主觸點的額定電流。

控制電阻性負載時，主觸點的額定電流應等于負載的額定電流。控制電動機時，主觸點的額定電流應大于或稍大于電動機的額定電流。當接觸器使用在頻繁啟動、制動及正、反轉的場合時，應將主觸點的額定電流降低一個等級使用。

（4）選擇接觸器線圈的電壓。當控制線路簡單，使用電器較少時，應根據電源等級選用380V或220V的電壓。當線路復雜，從人身和設備安全角度考慮，可選擇36V或110V電壓的線圈，此時增加相應變壓器設備。

（5）根據控制線路的要求，合理選擇接觸器的觸點數量及類型。

1.2.3 中間繼電器

中間繼電器實質上是一個電壓線圈繼電器，是用來增加控制電路中的信號數量或將信號放大的繼電器。其輸入信號是線圈的通電和斷電，輸出信號是觸點的動作。它具有觸點多，觸點容量大，動作靈敏等特點。由于觸點的數量較多，所以用來控制多個元件或回路。

1.結構及工作原理

中間繼電器的結構及工作原理與接觸器基本相同，但中間繼電器的觸點對數多，且沒有主輔之分，各對觸點允許通過的電流大小相同，多數為5A。因此，對于工作電流小于5A的電氣控制線路，可用中間繼電器代替接觸器實施控制。JZ7系列為交流中間繼電器，其結構如圖1-19（a）所示。

JZ7系列中間繼電器采用立體布置，由鐵芯、銜鐵、線圈、觸點系統、反作用彈簧和緩沖彈簧等組成。觸點采用雙斷點橋式結構，上下兩層各有四對觸點，下層觸點只能是動合觸點，故觸點系統可按8動合觸點或6動合觸點、2動斷觸點及4動合觸點、4動斷觸點組合。繼電器吸引線圈額定電壓有12V、36V、110V、220V、380V等。

JZ14系列中間繼電器有交流操作和直流操作兩種，該系列繼電器帶有透明外罩，可防止塵埃進入內部而影響工作的可靠性。

中間繼電器的選用主要依據是被控制電路的電壓等級、所需觸點的數量、種類和容量等要求。

2.型號

中間繼電器的型號及含義表示如下。

中間繼電器在電路圖中的符號如圖1-19（b）所示。

1.2.4 熱繼電器

熱繼電器是利用流過繼電器的電流所產生的熱效應而反時限動作的繼電器。所謂反時限動作，是指熱繼電器動作時間隨電流的增大而減小的性能。熱繼電器主要用于電動機的過載、斷相、三相電流不平衡運行的保護及其他電氣設備發熱狀態的控制。

1. 分類和型號

熱繼電器的形式有多種，其中雙金屬片式熱繼電器應用最多。按極數劃分，熱繼電器可分為單極、兩極和三極三種，其中三極熱繼電器又包括帶斷相保護裝置的和不帶斷相保護裝置的；按復位方式分，有自動復位式（觸點動作后能自動返回原來位置）和手動復位式。目前常用的有國產的JR16、JR20等系列，以及國外的T系列和3UA等系列產品。

常用的JRS1系列和JR20系列熱繼電器的型號及含義說明如下。

2.工作原理

熱繼電器主要由加熱元件、動作機構和復位機構三大部分組成。動作系統常設有溫度補償裝置，保證在一定的溫度范圍內，熱繼電器的動作特性基本不變。典型的熱繼電器外形、內部結構及符號如圖1-20所示。

在圖1-20中，加熱元件串接在接觸器負載（電動機電源端）的主回路中，當電動機過載時，主雙金屬片受熱彎曲推動導板，并通過補償雙金屬片與推桿使常閉觸點（串接在接觸器線圈回路的熱繼電器常閉觸點）分開，以切斷電路保護電動機。電流調節凸輪是一個偏心輪。改變它的半徑即可改變補償雙金屬片與導板的接觸距離，因而達到調節整定動作電流值的目的。此外，靠調節復位螺釘來改變常開靜觸點的位置使熱繼電器能動作在自動復位或手動復位兩種狀態。調成手動復位時，在排除故障后要按下手動復位按鈕才能使動觸點恢復初始位置。

熱繼電器的常閉觸點常串入控制回路，常開觸點可接入信號回路。

三相異步電動機的電源或繞組斷相是導致電動機過熱燒毀的主要原因之一，尤其是定子繞組采用△形接法的電動機，必須采用三相結構帶斷相保護裝置的熱繼電器實行斷相保護。

3.選用

選擇熱繼電器主要根據所保護電動機的額定電流來確定熱繼電器的規格和熱元件的電流等級。

根據電動機的額定電流選擇熱繼電器的規格，一般情況下，應使熱繼電器的額定電流稍大于電動機的額定電流。

根據需要的整定電流值選擇熱元件的編號和電流等級。一般情況下，熱繼電器的整定值為電動機額定電流的0.95～1.05倍。但如果電動機拖動的負載是沖擊性負載或啟動時間較長及在拖動的設備不允許停電的場合，熱繼電器的整定值可取電動機額定電流的1.1～1.5倍。如果電動機的過載能力較差，熱繼電器的整定值可取電動機額定電流的0.6～0.8倍。同時整定電流應留有一定的上下限調整范圍。

根據電動機定子繞組的連接方式選擇熱繼電器的結構形式，即Y形連接的電動機可選用普通三相結構的熱繼電器，△形接法的電動機應選用三相帶斷相保護裝置的熱繼電器。

對于頻繁正、反轉和頻繁啟動、制動工作的電動機，不宜采用熱繼電器來保護。

1.2.5 熔斷器

熔斷器在電氣線路中主要用做短路保護的電器，使用時串聯在被保護的電路中，當電路發生短路故障，通過熔斷器的電流達到或超過某一規定值時，以其自身產生的熱量使熔體熔斷，從而自動分斷電路，起到保護作用。

1.結構

熔斷器主要由熔體（俗稱熔絲）和安裝熔體的熔管（或熔座）兩部分組成。熔體由鉛、錫、鋅、銀、銅及其合金制成，常做成絲狀、片狀或柵狀。熔管是裝熔體的外殼，由陶瓷、絕緣鋼紙制成，在熔體熔斷時兼有滅弧作用。熔斷器的外形、結構及符號如圖1-21所示。

2.種類與型號

熔斷器按結構形式分為半封閉插入式、無填料封閉管式、有填料封閉管式、螺旋式、自復式熔斷器等。其中有填料封閉管式熔斷器又分為：刀形觸點熔斷器、螺栓連接熔斷器和圓筒形帽熔斷器。

熔斷器型號說明如下。

常用熔斷器型號有：RL1、RT0、RT15、RT16（NT）、RT18等，如圖1-22所示。可根據使用場合選用。

3.主要技術參數

額定電壓：能保證熔斷器長期正常工作的電壓。若熔斷器的實際工作電壓大于其額定電壓，熔體熔斷時可能發生電弧不能熄滅的危險。

額定電流：保證熔斷器在長期工作下，各部件溫升不超過極限允許溫升所能承載的電流值。它與熔體的額定電流是兩個不同的概念。熔體的額定電流是指在規定工作條件下，長時間通過熔體而熔體不熔斷的最大電流值。通常一個額定電流等級的熔斷器可以配用若干個額定電流等級的熔體，但熔體的額定電流不能大于熔斷器的額定電流值。

分斷能力：熔斷器在規定的使用條件下，能可靠分斷的最大短路電流值。通常用極限分斷電流值來表示。

時間-電流特性：又稱保護特性，表示熔斷器的熔斷時間與流過熔體電流的關系。一般熔斷器的時間-電流特性如圖1-23所示，熔斷器的熔斷時間隨著電流的增大而減少，即反時限保護特性。

4.選用

熔斷器和熔體只有經過正確的選擇，才能起到應有的保護作用，選擇基本原則如下。

（1）根據使用場合確定熔斷器的類型。例如，對于容量較小的照明線路或電動機的保護，宜采用RC1A系列插入式熔斷器或RM10系列無填料密閉管式熔斷器；對于短路電流較大的電路或有易燃氣體的場合，宜采用具有高分斷能力RL系列螺旋式熔斷器或RT（包括NT）系列有填料封閉管式熔斷器；對于保護硅整流器件及晶閘管的場合，應采用快速熔斷器（RLS或RS系列）。

（2）熔斷器的額定電壓必須等于或高于線路的額定電壓。額定電流必須等于或大于所裝熔體的額定電流。

（3）熔體額定電流的選擇應根據實際使用情況按以下原則進行計算。

對于照明、電熱等電流較平穩，無沖擊電流的負載短路保護，熔體的額定電流應等于或稍大于負載的額定電流。

對一臺不經常啟動且啟動時間不長的電動機的短路保護，熔體的額定電流 IRN應大于或等于1.5～2.5倍電動機額定電流IN，即IRN≥（1.5～2.5）IN。

對于頻繁啟動或啟動時間較長的電動機，其系數應增加到3～3.5。

對多臺電動機的短路保護，熔體的額定電流應等于或大于其中最大容量電動機的額定電流INmax1.5～2.5倍，再加上其余電動機額定電流的總和ΣIN，即

IRN≥INmax（1.5～2.5）+ΣIN

（4）熔斷器的分斷能力應大于電路中可能出現的最大短路電流。

5.安裝與使用

（1）安裝熔斷器除保證足夠的電氣距離外，還應保證足夠的間距，以保證拆卸、更換熔體方便。

（2）安裝前應檢查熔斷器的型號、額定電壓、額定電流和額定分斷能力等參數是否符合規定要求。

（3）安裝熔體必須保證接觸良好，不能有機械損傷。

（4）安裝引線要有足夠的截面積，而且必須擰緊接線螺釘，避免接觸不良。

（5）插入式熔斷器應垂直安裝，螺旋式熔斷器的電源線應接在瓷底座的下接線座上，負載線接在螺紋殼的上接線座上，這樣在更換熔管時，旋出螺帽后螺紋殼上不帶電，保證了操作者的安全。

（6）更換熔體或熔管時，必須切斷電源，尤其不允許帶負荷操作，以免發生電弧灼傷。

1.3 電氣控制線路

1.3.1 三相異步電動機啟停控制

1.電動機點動控制

點動控制是指按下按鈕，電動機就得電運轉；松開按鈕，電動機就失電停轉的控制方式。電氣設備工作時常常需要進行點動調整，如車刀與工件位置的調整，因此需要用點動控制電路來完成。圖1-24所示的線路是由按鈕、接觸器來控制電動機運轉的最簡單的正轉控制線路。

圖1-24所示點動控制線路中，組合開關QS做電源隔離開關；熔斷器FU1、FU2分別做主電路、控制電路的短路保護；由于電動機只有點動控制，運行時間較短，主電路不需要接熱繼電器，啟動按鈕SB控制接觸器KM的線圈得電、失電；接觸器KM的主觸點控制電動機M的啟動與停止。

其工作原理如下。

啟動：合上開關QS，按下啟動按鈕SB使接觸器KM線圈得電，其中KM主觸點閉合時電動機M啟動運行；

停止：松開按鈕SB，接觸器KM線圈失電，KM主觸點斷開，這時電動機M失電停轉。

值得注意的是，停止使用時，應斷開電源開關QS。

2.電動機單向連續運行直接啟動控制電路

在要求電動機啟動后能連續運轉時，采用點動正轉控制線路顯然是不行的。為實現連續運轉，可采用如圖1-25所示的接觸器自鎖控制線路。它與點動控制線路相比較，主電路由于電動機連續運行，所以要添加熱繼電器進行過載保護，而在控制電路中又多串接了一個停止按鈕SB1，并在啟動按鈕SB2的兩端并接了接觸器KM的一對常開輔助觸點。

電路工作原理如下。

啟動：先合上電源開關QS，按下啟動按鈕SB2，KM線圈得電，KM主觸點閉合，使電動機通電啟動運行；KM常開輔助觸點也閉合。

當松開SB2時，由于KM的常開輔助觸點閉合，控制電路仍然保持接通，所以KM線圈繼續得電，電動機M實現連續運轉。這種利用接觸器KM本身常開輔助觸點而使線圈保持得電的控制方式叫做自鎖。與啟動按鈕SB2并聯起自鎖作用的常開輔助觸點叫做自鎖觸點。

停止：按下SB1，SB1常閉觸點斷開，KM線圈斷電，KM主觸點和自鎖觸點都斷開，電動機M失電自由停車。當松開SB1時，其常閉觸點恢復閉合，但由于此時KM的自鎖觸點已經斷開，故KM線圈保持失電，電動機不會得電。

電路所具有的保護環節如下。

（1）短路保護。主電路和控制電路分別由熔斷器FU1和FU2實現短路保護。當控制回路和主回路出現短路故障時，能迅速有效地斷開電源，實現對電器和電動機的保護。

（2）過載保護。由熱繼電器FR實現對電動機的過載保護。當電動機出現過載且超過規定時間時，熱繼電器雙金屬片發熱變形，推動導板，經過傳動機構，使動斷輔助觸點斷開，從而使接觸器線圈失電，電動機停轉，實現過載保護。

（3）欠壓保護。當電源電壓由于某種原因而下降時，電動機的轉矩將顯著下降，將使電動機無法正常運轉，甚至引起電動機堵轉而燒毀。采用帶自鎖的控制線路可避免出現這種事故。因為當電源電壓低于接觸器線圈額定電壓的75%左右時，接觸器就會釋放，自鎖觸點斷開，同時動合主觸點也斷開，使電動機斷電，起到保護作用。

（4）失壓保護。電動機正常運轉時，電源可能停電，當恢復供電時，如果電動機自行啟動，很容易造成設備和人身事故。采用帶自鎖的控制線路后，斷電時由于自鎖觸點已經打開，當恢復供電時，電動機不能自行啟動，從而避免了事故的發生。

欠壓和失壓保護作用是按鈕、接觸器控制連續運行的控制線路的一個重要特點。

1.3.2 接觸器控制三相異步電動機正、反轉

許多生產機械的運動部件，根據工藝要求經常需要進行正、反方向兩種運動。例如，起重機吊鉤的上升和下降，運煤小車的來回運動，工作臺的前進和后退等，都可以通過電動機的正轉和反轉來實現。從電動機原理可知，改變電動機三相電源的相序即可改變電動機的旋轉方向。而改變三相電源的相序只需任意調換電源的兩根進線即可。

1.倒順開關控制的電動機正、反轉

如圖1-26所示，啟動電源后，把開關Q1合向“左合”位置，電動機正轉。當需要反轉時，把開關Q1旋至“斷開”位置后，再扳向“右合”位置，此時電動機反轉。

2.接觸器控制三相異步電動機正、反轉電路

設計時，在主電路中應該用兩個接觸器的主觸點來構成正反轉相序接線，電路圖如圖1-27所示。

圖中KM1為正轉接觸器，KM2為反轉接觸器，它們分別由SB2和SB3控制。從主電路中可以看出，這兩個接觸器的主觸點所接通電源的相序不同，KM1按U-V-W相序接線，KM2則按W-V-U相序接線。相應的控制線路有兩條，分別控制兩個接觸器的線圈。

電路工作過程如下（先合上電源開關QS）。

1）正轉啟動

按下啟動按鈕SB2，KM1線圈得電，KM1主觸點和自鎖觸點閉合，電動機正轉啟動運行。

2）反轉啟動

當電動機原來處于正轉運行時，必須先按下停止按鈕使KM1失電，然后按下反轉啟動按鈕SB3，則KM2線圈得電，KM2主觸點和自鎖觸點閉合，電動機反轉啟動運行。

此種電路的控制是很不安全的，必須保證在切換電動機運行方向之前要先按下停止按鈕，然后再按下相應的啟動按鈕，否則將會發生主電源側電源短路的故障。為克服這一不足，提高電路的安全性，需采用互鎖（聯鎖）控制的電路。

互鎖控制就是在同一時間里兩個接觸器只允許一個工作的控制方式。實現互鎖控制的常用方法有接觸器聯鎖、按鈕聯鎖和復合聯鎖控制等，如圖1-28所示。可見聯鎖控制的特點是將本身控制支路元件的常閉觸點串聯到對方控制電路支路中。

圖1-28所示電路的工作原理如下：首先合上開關QS，按下正轉啟動按鈕SB2，正轉接觸器KM1線圈通電吸合，一方面使主觸點KM1閉合和自鎖觸點閉合，使電動機M通電正轉；另一方面，KM1常閉輔助觸點斷開，切斷反轉接觸器KM2線圈支路，使得它無法通電，實現互鎖。此時，即使按下反轉啟動按鈕SB3，反轉接觸器KM2線圈因KM1互鎖觸點斷開也不能通電。

要實現反轉控制，必須先按下停止按鈕SB1切斷正轉控制電路，然后才能啟動反轉控制電路。

同理可知，反轉啟動按鈕SB3按下（正轉停止）時，反轉接觸器KM2線圈通電。一方面接通主電路反轉主觸點和控制電路反轉自鎖觸點，另一方面反轉互鎖觸點斷開，使正轉接觸器KM1線圈支路無法接通，進行互鎖。

3.三相異步電動機帶按鈕互鎖的正、反轉控制

圖1-28所示電路就實現正向和反向啟動、運轉這一功能來說沒有什么問題，但是當電動機正轉后，需要反轉時，必須按電動機停止按鈕SB1，不能直接按反向按鈕SB3實現反轉，故操作不太方便。原因是按SB3時，不能斷開KM1的電路，故KM1的常閉觸點會繼續互鎖。圖1-29所示是利用按鈕和接觸器互鎖實現的正、反轉電路。

電路的工作原理如下（首先合上開關QS）。

1）正轉控制

2）反轉控制

由此可見，通過SB2、SB3控制KM1、KM2動作，改變接入電動機的交流電三相的順序，就改變了電動機的旋轉方向。

電動機直接從正轉變為反轉的控制如下。

按下SB3→SB3常閉觸點先斷開→KM1線圈失電解除自鎖，互鎖觸點復位（閉合）。主觸點斷開，電動機斷開電源→SB3常開觸點后閉合→KM2線圈得電→KM2主觸點和自鎖觸點閉合，電動機反向啟動運行，常閉輔助觸點斷開，切斷KM1線圈支路，實現互鎖。

由于電動機直接從正轉變為反轉時，將產生比較大的制動電流，因此這種直接正、反轉控制電路只適用于小容量電動機，且正、反向轉換不頻繁，拖動的機械裝置慣量較小的場合。

1.4 項目實施：工作臺自動往返控制設計與實施

1.工作任務

工作臺自動往返控制要求見1.1.2節內容。

2.電路圖

設計的工作臺自動往返控制電路圖如圖1-30所示。

3.工作準備

1）工具、儀表及器材

（1）工具：測電筆、螺釘旋具、尖嘴鉗、斜口鉗、剝線鉗、電工刀等。

（2）儀表：5050型兆歐表、T301-A型鉗形電流表、MF47型萬用表。

（3）器材：各種規格的緊固體、針形及叉形端頭、金屬軟管、編碼套管等。

2）元器件明細表

元器件明細表見表1-3。

3）場地要求

電拖實訓室，電拖工作臺。

4.讀圖

1）本任務涉及的低壓電器及其作用

本任務涉及的低壓電器有組合開關、熔斷器、按鈕開關、交流接觸器、中間繼電器、熱繼電器、三相異步電動機。它們的作用如下。

（1）組合開關QS作為電源隔離開關；

（2）熔斷器FU1、FU2分別作主電路、控制電路的短路保護；

（3）停止按鈕SB1控制接觸器KM1、KM2的線圈失電，啟動按鈕SB2控制接觸器KM1的線圈得電，按鈕SB3控制接觸器KM2的線圈得電；

（4）接觸器KM1、KM2的主觸點控制電動機M正、反向運行；

（5）接觸器KM1、KM2的常開輔助觸點自鎖，接觸器KM1、KM2的常閉輔助觸點聯鎖；

（6）熱繼電器對電動機進行過載保護；

（7）SQ1～SQ4位置開關控制工作臺自動往返運行和極限位置保護；

（8）中間繼電器KA起失壓保護作用。

2）識別元器件

對照工作原理圖、元件安裝布置圖、接線圖識別相對應的元器件。

3）控制電路工作過程

為了使電動機的正、反轉控制與工作臺的左右運動相配合，在控制線路中設置了四個位置開關SQ1、SQ2、SQ3和SQ4，并把它們安裝在工作臺需限位的地方。其中SQ1、SQ2被用來自動換接電動機正、反轉控制電路，實現工作臺的自動往返行程控制；SQ3、SQ4被用來作終端保護，以防止SQ1、SQ2失靈，工作臺越過限定位置而造成事故。在工作臺邊的T形槽中裝有兩塊擋鐵，擋鐵1只能和SQ2、SQ4相碰撞，擋鐵2只能和SQ1、SQ3相碰撞。當工作臺運動到所限位置時，擋鐵碰撞位置開關，使其觸點動作，自動換接電動機正、反轉控制電路，通過機械傳動機構使工作臺自動往返運動。工作臺行程可通過移動擋鐵位置來調節。

線路的工作原理如下（先合上QS）。

停止時，按下SB1→整個控制電路失電→KM1（或KM2）主觸點分斷→電動機M失電停轉→工作臺停止運動。

這里SB2、SB3分別作為正轉啟動按鈕和反轉啟動按鈕，若啟動時工作臺在右端，則應按下SB3進行啟動。

5.工作步驟

（1）根據電路圖畫出接線圖。

（2）按表配齊所用電氣元件，并檢驗元件質量。

（3）在控制板上按如圖1-30所示安裝走線槽和所有電氣元件，并貼上醒目的文字符號。

安裝走線槽時，應做到橫平豎直，排列整齊勻稱，安裝牢固和便于走線等。

（4）按圖1-30所示的電路圖進行板前線槽配線，并在導線端部套編碼套管和冷壓接線頭。

板前線槽配線的具體工藝要求如下。

① 布線時，嚴禁損傷線芯和導線絕緣。

② 各電氣元件接線端子引出導線，以元件的水平中心線為界線，在水平中心線以上接線端子引出的導線，必須進入元件上面的走線槽；在水平中心線以下接線端子引出的導線，必須進入元件下面的走線槽。任何導線都不允許從水平方向進入走線槽內。

③ 各電氣元件接線端子上引出或引入的導線，除間距很小和元件機械強度很差允許直接架空敷設外，其他導線必須經過走線槽進行連接。

④ 進入走線槽內的導線要完全置于走線槽內，并應盡可能避免交叉，裝線不要超過其容量的70%，以便于能蓋上線槽蓋和以后的裝配及維修。

⑤ 各電氣元件與走線槽之間的外露導線，應走線合理，并盡可能做到橫平豎直，變換走向要垂直。同一個元件上位置一致的端子和同型號電氣元件中位置一致的端子上引出或引入的導線，要敷設在同一平面上，并應做到高低一致或前后一致，不得交叉。

⑥ 所有接線端子、導線線頭上都應套有與電路圖上相應接點線號一致的編碼套管，并按線號進行連接，連接必須牢靠，不得松動。

⑦ 在任何情況下，接線端子必須與導線截面積和材料性質相適應。當接線端子不適合連接軟線或較小截面積的軟線時，可以在導線端頭穿上針形或叉形端頭并壓緊。

⑧ 一般一個接線端子只能連接一根導線，如果采用專門設計的端子，可以連接兩根或多根導線，但導線的連接方式必須是公認的，在工藝上成熟的各種方式，如夾緊、壓接、焊接、繞接等，并應嚴格按照連接工藝的工序要求進行。

（5）根據電路圖檢驗控制板內部布線的正確性。

（6）安裝電動機。

（7）可靠連接電動機和各電氣元件金屬外殼的保護接地線。

（8）連接電源、電動機等控制板外部的導線。

（9）自檢。

① 主電路接線檢查。按電路圖或接線圖從電源端開始，逐段核對接線有無漏接、錯接之處，檢查導線接點是否符合要求，壓接是否牢固，以免帶負載運行時產生閃弧現象。

② 控制電路接線檢查。用萬用表電阻擋檢查控制電路接線情況。

（10）檢查無誤后通電試車。

為保證人身安全，在通電試車時，要認真執行安全操作規程的有關規定，并有專人監護。

接通三相電源L1、L2、L3，合上電源開關QS，用電筆檢查熔斷器出線端，氖管亮說明電源接通。分別按下SB2→SB1和SB3→SB1，觀察是否符合線路功能要求，觀察電氣元件動作是否靈活，有無卡阻及噪聲過大現象，觀察電動機運行是否正常。若有異常，立即停車檢查。

6.工作質量檢測

工作任務訓練記錄與成績評定見表1-4。

1.5 知識拓展：電動機的兩地控制

對于多數機床而言，因加工需要，為方便加工人員在機床正面和側面均能進行操作，需具有多地控制功能。如圖1-31所示，SB1、SB2為機床上正、側面兩地總停開關；SB3、SB4為電動機兩地正轉啟動控制開關，SB5、SB6為電動機兩地反轉啟動控制開關。

由圖可見，多地控制的原則是：啟動按鈕并聯，停車按鈕串聯。

圖1-32和圖1-33所示是能在A、B兩地分別控制同一臺電動機單方向連續運行與點動控制的電氣原理圖。

在兩圖中，SB1、SB2為電動機的停車控制按鈕，SB3、SB4為電動機的點動控制按鈕，SB5、SB6為電動機的長車控制按鈕。圖1-32中使用了中間繼電器，而圖1-33中通過將點動按鈕的常閉觸點串聯在接觸器自鎖支路中，使電動機在點動控制時自鎖支路不起作用。

知識梳理與總結

本項目通過工作臺自動往返的控制引出了常用的低壓電器控制器件：按鈕、開關、接觸器和中間繼電器、熱繼電器、熔斷器等，介紹了這些低壓電器的結構、工作原理、常用型號及符號、低壓電器的選擇；并根據項目設計需求，介紹了電動機的點動控制、電動機長車控制、電動機正/反轉控制、電動機行程控制的自動往返等最基本的控制環節。這些都是在實際當中經過驗證的電路。熟練掌握這些電路，是閱讀、分析、設計較復雜生產機械控制線路的基礎。同時，在繪制電路圖時，必須嚴格按照國家標準規定使用各種符號、單位、名詞術語和繪制原則。

生產機械要正常、安全、可靠地工作，必須要有必要的保護環節。控制線路的常用保護有：短路保護、過載保護、過電流保護、失壓保護、欠壓保護，它們分別用不同的電器來實現。

本項目中，我們還學習了多地控制的電路。多地控制的原則是啟動按鈕并聯，停止按鈕串聯。

練習與思考題1

1-1電路中FU、KM、KA、FR和SB分別是什么電氣元件的文字符號?

1-2籠型異步電動機是如何改變旋轉方向的?

1-3什么是互鎖（聯鎖）？什么是自鎖?試舉例說明各自的作用。

1-4低壓電器的電磁機構由哪幾部分組成?

1-5熔斷器有哪幾種類型？試寫出各種熔斷器的型號。它在電路中的作用是什么？

1-6熔斷器有哪些主要參數？熔斷器的額定電流與熔體的額定電流是不是一回事？

1-7熔斷器與熱繼電器用于保護交流三相異步電動機時，能不能互相取代？為什么？

1-8交流接觸器主要由哪幾部分組成？并簡述其工作原理。

1-9試說明熱繼電器的工作原理和優缺點。

1-10試設計一個控制一臺電動機的電路，要求：①可正反轉；②正反向點動，兩處啟停控制；③具有短路和過載保護。