项目1 工作台的自动往返控制
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1.1 项目描述
工农业生产中，有很多的机械设备都是需要往复运动的。例如，平面磨床矩形工作台的往返加工运动，铣床加工中工作台的左右运动、前后和上下运动，这都需要电气控制线路对电动机实现自动正反转换相控制来实现。
1.1.1 限位控制线路
限位控制线路如图1-1所示。图中SQ为行程开关，又称限位开关，它装在预定的位置上，在工作台的梯形槽中装有撞块，当撞块移动到此位置时，碰撞行程开关，使其触点动作，从而控制工作台停止和换向，这样工作台就能实现往返运动。其中撞块1 只能碰撞SQ2 和SQ4，撞块2只能碰撞SQ1和SQ3，工作台行程可通过移动撞块位置来调节，以适于加工不同的工件。
图1-1 限位控制示意图
图中SQ1、SQ2装在机床床身上，用来控制工作台的自动往返，SQ3和SQ4用来作终端保护，即限制工作台的极限位置。SQ3和SQ4分别安装在向左或向右的某个极限位置上，如果SQ1或SQ2失灵，工作台会继续向左或向右运动，当工作台运行到极限位置时，撞块就会碰撞SQ3或SQ4，从而切断控制线路，迫使电动机M停转，工作台就停止移动。SQ3和SQ4在这里实际上起终端保护作用，因此称为终端保护开关或简称为终端开关。
1.1.2 自动循环控制线路
工作台前进-后退自动循环控制要求如下。
按下启动按钮，工作台向前运动，当工作台前进到一定位置时，固定在工作台上的撞块1压动行程开关SQ2（固定在床身上），电动机反转使工作台向后运动；当工作台向后运动到一定位置时，撞块又使行程开关SQ1动作，电动机从反转变为正转。工作台就这样往复循环工作。按下停止按钮，电动机停止转动，工作台停止。SQ3和SQ4起极限保护作用。
某机床工作台需自动往返运行，由三相异步电动机拖动，其控制要求如下，完成其控制电路的设计与安装。
（1）按下启动按钮，工作台开始前进，到终端后自动后退，后退到原位后又自动前进，如此反复。
（2）要求能在前进或后退途中任意位置都能停止或启动。
（3）电路设有短路、失压欠压、过载和位置极限保护。
相关知识
1.2 电气控制器件
低压电器种类很多，分类方法也很多。按操作方式可分为手动操作方式和自动切换电器，前者主要用手直接操作来进行切换；后者依靠本身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作。按用途可分为低压配电电器和低压控制电器两大类，低压配电电器是指正常或事故状态下接通和断开用电设备和供电电网所用的电器；低压控制电器是指电动机完成生产机械要求的启动、调速、反转和停止所用的电器。
本任务涉及的低压电器有刀开关、熔断器、按钮开关、转换开关、交流接触器、热继电器等。
1.2.1 按钮开关、刀开关、行程开关、转换开关
1.按钮开关
按钮开关是一种用人力（一般为手指或手掌）操作，并具有储能（弹簧）复位的一种控制开关。按钮的触点允许通过的电流较小，一般不超过5A，因此一般情况下它不直接控制主电路，而是在控制电路中发出指令或信号去控制接触器、继电器等电器，再由它们去控制主电路的通断、功能转换或电气联锁。
1）结构
按钮开关一般由按钮帽、复位弹簧、桥式动触点、动合静触点、支柱连杆及外壳等部分组成，按钮的外形、结构与符号如图1-2所示。图中按钮是一个复合按钮，工作时常开和常闭触点是联动的，当按钮被按下时，常闭触点先断开，常开触点随后闭合；而松开按钮时，常开触点先断开，常闭触点后闭合，也就是说两种触点在改变工作状态时，有个先后时间差，尽管这个时间差很短，但在分析线路控制过程时应特别注意。
图1-2 按钮开关的外形、结构与符号
2）型号
其中结构形式代号的含义为：
K——开启式，适于嵌装在操作面板上；
H——保护式，带保护外壳，可防止内部零件受机械损伤或人偶然触及带电部分；
S——防水式，具有密封外壳，可防止雨水侵入；
F——防腐式，能防止腐蚀性气体进入；
J——紧急式，作紧急切断电源用；
X——旋钮式，用旋钮旋转进行操作，有通和断两个位置；
Y——钥匙操作式，用钥匙插入进行操作，可防止误操作或供专人操作；
D——光标按钮，按钮内装有信号灯，兼作信号指示。
按钮的颜色有红、绿、黑、黄、白、蓝等几种，供不同场合选用。一般以红色表示停止按钮，绿色表示启动按钮。几款常用按钮如图1-3所示。
图1-3 几款常用按钮
3）选用
按钮选择的基本原则为：
根据使用场合和具体用途选择按钮的种类，如嵌装在操作面板上的按钮可选用开启式。
根据工作状态指示和工作情况要求，选择按钮或指示灯的颜色，如启动按钮可选用绿色、白色或黑色。
根据控制回路的需要选择按钮的数量，如单联钮、双联钮和三联钮等。
2.刀开关
刀开关又称闸刀开关，是一种结构最简单，应用最广泛的手动电器。在低压电路中，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。
图1-4所示为刀开关的典型结构。它由操作手柄、触刀、静插座和绝缘底板组成。推动操作手柄来实现触刀插入插座与脱离插座的控制，以达到接通电路和分断电路的要求。
图1-4 刀开关的典型结构
刀开关的种类很多，按刀的极数可分为单极、双极和三极，其图形表示符号见图1-5。按刀的转换方向可分为单掷和双掷；按灭弧情况可分为带灭弧罩和不带灭弧罩；按接线方式可分为板前接线式和板后接线式。下面只介绍由刀开关和熔断器组合而成的负荷开关，负荷开关分为开启式负荷开关和封闭式负荷开关两种。
图1-5 刀开关的符号
1）开启式负荷开关
开启式负荷开关又称为瓷底胶盖刀开关，简称闸刀开关。生产中常用的是HK系列开启式负荷开关，适用于照明和小容量电动机控制线路中，供手动不频繁地接通和分断电路，并起短路保护作用。
开启式负荷开关的结构及符号如图1-6所示。
图1-6 开启式负荷开关的结构及符号
其型号含义说明如下。
2）封闭式负荷开关
封闭式负荷开关是在开启式负荷开关的基础上改进设计的一种开关，可用于手动不频繁地接通和断开带负载的电路，以及作为线路末端的短路保护，也可用于控制15kW以下的交流电动机不频繁地直接启动和停止。
常用的封闭式负荷开关有HH3、HH4系列，其中HH4系列为全国统一设计产品，它的结构如图1-7所示。它主要由触点及灭弧系统、熔断器及操作机构三部分组成。三把闸刀固定在一根绝缘方轴上，由手柄完成分、合闸的操作。在操作机构中，手柄转轴与底座之间装有速动弹簧，使刀开关的接通与断开速度与手柄操作速度无关。封闭式负荷开关的操作机构有两个特点：一是采用了储能合闸方式，利用一根弹簧使开关的分合速度与手柄操作速度无关，这既改善了开关的灭弧性能，又能防止触点停滞在中间位置，从而提高开关的通断能力，延长其使用寿命；二是操作机构上装有机械联锁，它可以保证开关合闸时不能打开防护铁盖，而当打开防护铁盖时，不能将开关合闸。
图1-7 HH系列封闭式负荷开关
封闭式负荷开关在电路图中的符号与开启式负荷开关相同。
其型号含义说明如下。
3）刀开关的选用及安装注意事项
（1）选用刀开关时首先根据刀开关的用途和安装位置选择合适的型号和操作方式，然后根据控制对象的类型和大小，计算出相应负载电流大小，选择相应级额定电流的刀开关。
（2）刀开关在安装时必须垂直安装，闭合操作时手柄操作方向应从下向上合，不允许平装或倒装，以防误合闸；电源进线应接在静触点一边的进线座，负载接在动触点一边的出线座；在分闸和合闸操作时，应动作迅速，使电弧尽快熄灭。
3.行程开关
行程开关是用以反映工作机械的行程，发出命令以控制其运动方向和行程大小的开关，主要用于机床、自动生产线和其他机械的限位及程序控制。
1）结构及工作原理
各系列行程开关的基本结构大体相同，都由触点系统、操作机构和外壳组成。常见的有直动式和滚轮式。JLXK1系列行程开关的外形如图1-8所示。
图1-8 JLXK1系列行程开关的外形
JLXK1-111型行程开关的结构和动作原理如图1-9所示。当运动部件的挡铁碰压行程开关的滚轮时，杠杆连同转轴一起转动，使凸轮推动撞块，当撞块被压到一定位置时，推动微动开关快速动作，使其动断触点断开，动合触点闭合。
图1-9 JLXK1-111型行程开关的结构和动作原理
行程开关的触点动作方式有蠕动型和瞬动型两种。蠕动型的触点结构与按钮相似，其特点是结构简单，价格便宜，触点的分合速度取决于生产机械挡铁的移动速度。当挡铁的移动速度小于0.47m/min时，触点分合太慢，易产生电弧灼烧触点，从而缩短触点的使用寿命，也影响动作的可靠性及行程控制的位置精度。为克服这些缺点，行程开关一般都采用具有快速换接动作机构的瞬动型触点。瞬动型行程开关的触点动作速度与挡铁的移动速度无关，性能显然优于蠕动型。
LX19K型行程开关即是瞬动型，其工作原理如图1-10所示。当运动部件的挡铁碰压顶杆时，顶杆向下移动，压缩触点弹簧使之储存一定的能量。当顶杆移动到一定位置时，触点弹簧的弹力方向发生改变，同时储存的能量得以释放，完成跳跃式快速换接动作。当挡铁离开顶杆时，顶杆在复位弹簧的作用下上移，上移到一定位置，接触板瞬时进行快速换接，触点迅速恢复到原状态。
图1-10 LX19K型行程开关的工作原理
行程开关动作后，复位方式有自动复位和非自动复位两种，如图1-8（a），（b）所示的直动式和单轮旋转式均为自动复位式。但有的行程开关动作后不能自动复位，如图1-8（c）所示的双轮旋转式行程开关。只有运动机械反向移动，挡铁从相反方向碰压另一滚轮时，触点才能复位。
2）型号
常用的行程开关有JLXK1、LX19和JLXL1等系列。其中JLXK1系列和LX19系列的型号及含义如下：
行程开关在电路中的符号如图1-9（c）所示。
4.转换开关
组合开关又称转换开关，常用于交流50Hz、380V以下及直流220V以下的电气线路中，供手动不频繁地接通和分断电路、电源或控制5kW以下小容量异步电动机的启动、停止和正、反转，各种用途的转换开关如图1-11所示。
图1-11 各种用途转换开关
组合开关的常用产品有：HZ6、HZ10、HZ15系列。一般在电气控制线路中普遍采用的是HZ10系列的组合开关。
组合开关有单极、双极和多极之分。普通类型的转换开关各极是同时通断的；特殊类型的转换开关是各极交替通断的，以满足不同的控制要求。其表示方法类似于万能转换开关。其型号含义如下。
1）无限位型转换开关
无限位型转换开关手柄可以在360°范围内旋转，无固定方向。常用的是全国统一设计产品HZ10系列，其外形与结构如图1-12所示。它实际上就是由多节触点组合而成的刀开关，与普通闸刀开关的区别是转换开关用动触片代替闸刀，操作手柄在平行于安装面的平面内可左右转动。开关的三对静触点分别装在三层绝缘垫板上，并附有接线柱，用于与电源及用电设备相接。动触点用磷铜片（或硬紫铜片）和具有良好灭弧性能的绝缘钢纸板铆合而成，并和绝缘垫板一起套在附有手柄的方形绝缘转轴上。手柄和转轴能在平行于安装面的平面内沿顺时针或逆时针方向每次转动90°，带动三个动触点分别与三对静触点接触或分离，实现接通或分断电路的目的。开关的顶盖部分是由滑板、凸轮、弹簧和手柄等构成的操作机构。由于采用了弹簧储能，可使触点快速闭合或分断，从而提高了开关的通断能力。
图1-12 HZ10系列组合开关
2）有限位型转换开关
有限位型转换开关也叫做可逆转换开关或倒顺开关，它只能在90°范围内旋转，有定位限制，类似双掷开关那样，即所谓两位置转换类型。常用的为HZ3系列，其外形、结构触点及符号如图1-13所示。
图1-13 HZ3-132型倒顺开关外形结构、触点及符号
HZ3-132型转换开关的手柄有倒、停、顺三个位置，手柄只能从“停”位置左转45°和右转45°。移去上盖可见两边各装有三个静触点，转轴上固定着六个不同形状的动触点，六个动触点分成两组，每组三个。两组动触点不同时与静触点接触。手柄从“停”位置左转45°和一组静触点接触，控制电动机正转；手柄从“停”位置右转45°和另一组静触点接触，控制电动机反转。
HZ3系列转换开关多用于控制小容量异步电动机的正、反转及双速异步电动机△/YY、Y/YY的变速切换。
转换开关根据电源种类、电压等级、所需触点数、接线方式进行选用。应用转换开关控制异步电动机的启动、停止时，每小时的接通次数不超过15～20 次，开关的额定电流也应该选得略大一些，一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。用于电动机的正、反转控制时，应当在电动机完全停止转动后，方可允许反向启动，否则会烧坏开关触点或造成弧光短路事故。
HZ5、HZ10系列转换开关主要技术数据如表1-1所示，HZ10系列组合开关在电路图中的符号如图1-12所示。
表1-1 常见转换开关主要技术数据
注：HZ10-10为单极时，其额定电流为6A，HZ10系列具有二极和三极。
HZ3系列转换开关在电气原理图中的符号如图1-13所示。
HZ3系列转换开关的形式和用途如表1-2所示。
表1-2 HZ3系列转换开关的形式和用途
1.2.2 接触器
接触器是一种能频繁地接通和断开远距离用电设备主回路及其他大容量用电回路的自动控制电路，它分交流和直流两类，它的控制对象主要是电动机、电热设备、电焊机及电容器组等。
1.交流接触器的结构、原理
交流接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧装置及辅助部件等组成，常见交流接触器的外形如图1-14所示。CJ10-20型交流接触器的结构和工作原理如图1-15所示。
图1-14 交流接触器外形
图1-15 交流接触器的结构和工作原理
1）电磁系统
交流接触器的电磁系统主要由线圈、铁芯（静铁芯）和衔铁（动铁芯）三部分组成。其作用是利用电磁线圈的通电或断电，使衔铁和铁芯吸合或释放，从而带动动触点与静触点闭合或分断，实现接通或断开电路的目的。
交流接触器在运行过程中，线圈中通入的交流电在铁芯中产生交变的磁通，因此铁芯与衔铁间的吸力也是变化的。这会使衔铁产生振动，发出噪声。为消除这一现象，在交流接触器铁芯和衔铁的两个不同端部各开一个槽，槽内嵌装一个用铜、康铜或镍铬合金材料制成的短路环，又称减振环或分磁环，如图1-16（a）所示。铁芯装短路环后，当线圈通以交流电时，线圈电流产生磁通Φ1，Φ1一部分穿过短路环，在环中产生感生电流，进而会产生一个磁通Φ2，由电磁感应定律知，Φ1和Φ2的相位不同，即Φ1和Φ2不同时为零，则由Φ1和Φ2产生的电磁吸力Fl和F2不同时为零，如图1-16（b）所示。这就保证了铁芯与衔铁在任何时刻都有吸力，衔铁将始终被吸住，振动和噪声会显著减小。
图1-16 加短路环后的磁通和电磁吸力图
2）触点系统
触点系统包括主触点和辅助触点，主触点用以控制电流较大的主电路，一般由三对接触面较大的常开触点组成；辅助触点用于控制电流较小的控制电路，一般由两对常开和两对常闭触点组成。触点的常开和常闭，是指电磁系统没有通电动作时触点的状态。因此常闭触点和常开触点有时又分别被称为动断触点和动合触点。工作时常开和常闭触点是联动的，当线圈通电时，常闭触点先断开，常开触点随后闭合；而线圈断电时，常开触点先恢复断开，随后常闭触点恢复闭合。也就是说，两种触点在改变工作状态时，先后有个时间差，尽管这个时间差很短，但在分析线路控制过程时应特别注意。
触点按接触情况可分为点接触式、线接触式和面接触式三种，分别如图1-17（a）、（b）、（c）所示。按触点的结构形式划分，有双断点桥式触点和指形触点两种，如图1-17（d）、（e）所示。
图1-17 触点的接触形式与结构形式
CJ10系列交流接触器的触点一般采用双断点桥式触点。
3）灭弧装置
交流接触器在断开大电流或高电压电路时，在动、静触点之间会产生很强的电弧。电弧的产生，一方面会灼伤触点，缩短触点的使用寿命；另一方面会使电路切断时间延长，甚至造成弧光短路或引起火灾事故。容量在10A以上的接触器中都装有灭弧装置。在交流接触器中常用的灭弧方法有双断口电动力灭弧、纵缝灭弧、栅片灭弧等；直流接触器因直流电弧不存在自然过零点熄灭特性，因此只能靠拉长电弧和冷却电弧来灭弧，一般采取磁吹式灭弧装置来灭弧。
4）辅助部件
交流接触器的辅助部件有反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及底座、接线柱等。反作用弹簧的作用是线圈断电后，推动衔铁释放，使各触点恢复原状态。缓冲弹簧的作用是缓冲衔铁在吸合时对铁芯和外壳的冲击力。触点压力弹簧作用是增加动、静触点间的压力，从而增大接触面积，以减小接触电阻。传动机构的作用是在衔铁或反作用弹簧的作用下，带动动触点实现与静触点的接通或分断。
2.接触器的主要技术参数
1）额定电压
接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级为：
直流接触器：110V、220V、440V、660V等。
交流接触器：127V、220V、380V、500V等。
如某负载是380V的三相感应电动机，则应选380V的交流接触器。
2）额定电流
接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通常用的电流等级为：
直流接触器：25A、40A、60A、100A、250A、400A、600A。
交流接触器：5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。
3）线圈的额定电压
通常用的电压等级为：
直流线圈：24V、48V、220V、440V。
交流线圈：36V、127V、220V、380V。
4）动作值
动作值指接触器的吸合电压与释放电压。原部颁标准规定接触器在额定电压85%以上时，应可靠吸合，释放电压不高于额定电压的70%。
5）接通与分断能力
接通与分断能力指接触器的主触点在规定的条件下能可靠地接通和分断的电流值，而不应该发生熔焊、飞弧和过分磨损等。
6）额定操作频率
额定操作频率指每小时接通次数。交流接触器最高为600次/小时，直流接触器可高达1200次/小时。
3.接触器的型号及电路图中的符号
（1）接触器的型号及含义表示如下。
例如，CJ12T-250，该型号的意义为CJ12T系列接触器，额定电流为250A，主触点为三极。CZ0-100/20表示CZ0系列直流接触器，额定电流为100A，双极常开主触点。
（2）交流接触器在电路图中的符号如图1-18所示。
图1-18 交流接触器在电路图中的符号
4.接触器的选用
（1）根据控制对象所用电源类型选择接触器类型，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器。当直流负载容量较小时，也可选用交流接触器，但交流接触器的额定电流应适当选大一些。
（2）所选接触器主触点的额定电压应大于或等于控制线路的额定电压。
（3）应根据控制对象类型和使用场合，合理选择接触器主触点的额定电流。
控制电阻性负载时，主触点的额定电流应等于负载的额定电流。控制电动机时，主触点的额定电流应大于或稍大于电动机的额定电流。当接触器使用在频繁启动、制动及正、反转的场合时，应将主触点的额定电流降低一个等级使用。
（4）选择接触器线圈的电压。当控制线路简单，使用电器较少时，应根据电源等级选用380V或220V的电压。当线路复杂，从人身和设备安全角度考虑，可选择36V或110V电压的线圈，此时增加相应变压器设备。
（5）根据控制线路的要求，合理选择接触器的触点数量及类型。
1.2.3 中间继电器
中间继电器实质上是一个电压线圈继电器，是用来增加控制电路中的信号数量或将信号放大的继电器。其输入信号是线圈的通电和断电，输出信号是触点的动作。它具有触点多，触点容量大，动作灵敏等特点。由于触点的数量较多，所以用来控制多个元件或回路。
1.结构及工作原理
中间继电器的结构及工作原理与接触器基本相同，但中间继电器的触点对数多，且没有主辅之分，各对触点允许通过的电流大小相同，多数为5A。因此，对于工作电流小于5A的电气控制线路，可用中间继电器代替接触器实施控制。JZ7系列为交流中间继电器，其结构如图1-19（a）所示。
图1-19 JZ7系列交流中间继电器
JZ7系列中间继电器采用立体布置，由铁芯、衔铁、线圈、触点系统、反作用弹簧和缓冲弹簧等组成。触点采用双断点桥式结构，上下两层各有四对触点，下层触点只能是动合触点，故触点系统可按8动合触点或6动合触点、2动断触点及4动合触点、4动断触点组合。继电器吸引线圈额定电压有12V、36V、110V、220V、380V等。
JZ14系列中间继电器有交流操作和直流操作两种，该系列继电器带有透明外罩，可防止尘埃进入内部而影响工作的可靠性。
中间继电器的选用主要依据是被控制电路的电压等级、所需触点的数量、种类和容量等要求。
2.型号
中间继电器的型号及含义表示如下。
中间继电器在电路图中的符号如图1-19（b）所示。
1.2.4 热继电器
热继电器是利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的继电器。所谓反时限动作，是指热继电器动作时间随电流的增大而减小的性能。热继电器主要用于电动机的过载、断相、三相电流不平衡运行的保护及其他电气设备发热状态的控制。
1. 分类和型号
热继电器的形式有多种，其中双金属片式热继电器应用最多。按极数划分，热继电器可分为单极、两极和三极三种，其中三极热继电器又包括带断相保护装置的和不带断相保护装置的；按复位方式分，有自动复位式（触点动作后能自动返回原来位置）和手动复位式。目前常用的有国产的JR16、JR20等系列，以及国外的T系列和3UA等系列产品。
常用的JRS1系列和JR20系列热继电器的型号及含义说明如下。
2.工作原理
热继电器主要由加热元件、动作机构和复位机构三大部分组成。动作系统常设有温度补偿装置，保证在一定的温度范围内，热继电器的动作特性基本不变。典型的热继电器外形、内部结构及符号如图1-20所示。
图1-20 JR20 系列热继电器外形、内部结构及符号
在图1-20中，加热元件串接在接触器负载（电动机电源端）的主回路中，当电动机过载时，主双金属片受热弯曲推动导板，并通过补偿双金属片与推杆使常闭触点（串接在接触器线圈回路的热继电器常闭触点）分开，以切断电路保护电动机。电流调节凸轮是一个偏心轮。改变它的半径即可改变补偿双金属片与导板的接触距离，因而达到调节整定动作电流值的目的。此外，靠调节复位螺钉来改变常开静触点的位置使热继电器能动作在自动复位或手动复位两种状态。调成手动复位时，在排除故障后要按下手动复位按钮才能使动触点恢复初始位置。
热继电器的常闭触点常串入控制回路，常开触点可接入信号回路。
三相异步电动机的电源或绕组断相是导致电动机过热烧毁的主要原因之一，尤其是定子绕组采用△形接法的电动机，必须采用三相结构带断相保护装置的热继电器实行断相保护。
3.选用
选择热继电器主要根据所保护电动机的额定电流来确定热继电器的规格和热元件的电流等级。
根据电动机的额定电流选择热继电器的规格，一般情况下，应使热继电器的额定电流稍大于电动机的额定电流。
根据需要的整定电流值选择热元件的编号和电流等级。一般情况下，热继电器的整定值为电动机额定电流的0.95～1.05倍。但如果电动机拖动的负载是冲击性负载或启动时间较长及在拖动的设备不允许停电的场合，热继电器的整定值可取电动机额定电流的1.1～1.5倍。如果电动机的过载能力较差，热继电器的整定值可取电动机额定电流的0.6～0.8倍。同时整定电流应留有一定的上下限调整范围。
根据电动机定子绕组的连接方式选择热继电器的结构形式，即Y形连接的电动机可选用普通三相结构的热继电器，△形接法的电动机应选用三相带断相保护装置的热继电器。
对于频繁正、反转和频繁启动、制动工作的电动机，不宜采用热继电器来保护。
1.2.5 熔断器
熔断器在电气线路中主要用做短路保护的电器，使用时串联在被保护的电路中，当电路发生短路故障，通过熔断器的电流达到或超过某一规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动分断电路，起到保护作用。
1.结构
熔断器主要由熔体（俗称熔丝）和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。熔体由铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，常做成丝状、片状或栅状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。熔断器的外形、结构及符号如图1-21所示。
图1-21 熔断器的外形、结构及符号
2.种类与型号
熔断器按结构形式分为半封闭插入式、无填料封闭管式、有填料封闭管式、螺旋式、自复式熔断器等。其中有填料封闭管式熔断器又分为：刀形触点熔断器、螺栓连接熔断器和圆筒形帽熔断器。
熔断器型号说明如下。
常用熔断器型号有：RL1、RT0、RT15、RT16（NT）、RT18等，如图1-22所示。可根据使用场合选用。
图1-22 常用熔断器
3.主要技术参数
额定电压：能保证熔断器长期正常工作的电压。若熔断器的实际工作电压大于其额定电压，熔体熔断时可能发生电弧不能熄灭的危险。
额定电流：保证熔断器在长期工作下，各部件温升不超过极限允许温升所能承载的电流值。它与熔体的额定电流是两个不同的概念。熔体的额定电流是指在规定工作条件下，长时间通过熔体而熔体不熔断的最大电流值。通常一个额定电流等级的熔断器可以配用若干个额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流不能大于熔断器的额定电流值。
分断能力：熔断器在规定的使用条件下，能可靠分断的最大短路电流值。通常用极限分断电流值来表示。
时间-电流特性：又称保护特性，表示熔断器的熔断时间与流过熔体电流的关系。一般熔断器的时间-电流特性如图1-23所示，熔断器的熔断时间随着电流的增大而减少，即反时限保护特性。
图1-23 熔断器的时间-电流特性
4.选用
熔断器和熔体只有经过正确的选择，才能起到应有的保护作用，选择基本原则如下。
（1）根据使用场合确定熔断器的类型。例如，对于容量较小的照明线路或电动机的保护，宜采用RC1A系列插入式熔断器或RM10系列无填料密闭管式熔断器；对于短路电流较大的电路或有易燃气体的场合，宜采用具有高分断能力RL系列螺旋式熔断器或RT（包括NT）系列有填料封闭管式熔断器；对于保护硅整流器件及晶闸管的场合，应采用快速熔断器（RLS或RS系列）。
（2）熔断器的额定电压必须等于或高于线路的额定电压。额定电流必须等于或大于所装熔体的额定电流。
（3）熔体额定电流的选择应根据实际使用情况按以下原则进行计算。
对于照明、电热等电流较平稳，无冲击电流的负载短路保护，熔体的额定电流应等于或稍大于负载的额定电流。
对一台不经常启动且启动时间不长的电动机的短路保护，熔体的额定电流 IRN应大于或等于1.5～2.5倍电动机额定电流IN，即IRN≥（1.5～2.5）IN。
对于频繁启动或启动时间较长的电动机，其系数应增加到3～3.5。
对多台电动机的短路保护，熔体的额定电流应等于或大于其中最大容量电动机的额定电流INmax1.5～2.5倍，再加上其余电动机额定电流的总和ΣIN，即
IRN≥INmax（1.5～2.5）+ΣIN
（4）熔断器的分断能力应大于电路中可能出现的最大短路电流。
5.安装与使用
（1）安装熔断器除保证足够的电气距离外，还应保证足够的间距，以保证拆卸、更换熔体方便。
（2）安装前应检查熔断器的型号、额定电压、额定电流和额定分断能力等参数是否符合规定要求。
（3）安装熔体必须保证接触良好，不能有机械损伤。
（4）安装引线要有足够的截面积，而且必须拧紧接线螺钉，避免接触不良。
（5）插入式熔断器应垂直安装，螺旋式熔断器的电源线应接在瓷底座的下接线座上，负载线接在螺纹壳的上接线座上，这样在更换熔管时，旋出螺帽后螺纹壳上不带电，保证了操作者的安全。
（6）更换熔体或熔管时，必须切断电源，尤其不允许带负荷操作，以免发生电弧灼伤。
1.3 电气控制线路
1.3.1 三相异步电动机启停控制
1.电动机点动控制
点动控制是指按下按钮，电动机就得电运转；松开按钮，电动机就失电停转的控制方式。电气设备工作时常常需要进行点动调整，如车刀与工件位置的调整，因此需要用点动控制电路来完成。图1-24所示的线路是由按钮、接触器来控制电动机运转的最简单的正转控制线路。
图1-24 点动控制线路
图1-24所示点动控制线路中，组合开关QS做电源隔离开关；熔断器FU1、FU2分别做主电路、控制电路的短路保护；由于电动机只有点动控制，运行时间较短，主电路不需要接热继电器，启动按钮SB控制接触器KM的线圈得电、失电；接触器KM的主触点控制电动机M的启动与停止。
其工作原理如下。
启动：合上开关QS，按下启动按钮SB使接触器KM线圈得电，其中KM主触点闭合时电动机M启动运行；
停止：松开按钮SB，接触器KM线圈失电，KM主触点断开，这时电动机M失电停转。
值得注意的是，停止使用时，应断开电源开关QS。
2.电动机单向连续运行直接启动控制电路
在要求电动机启动后能连续运转时，采用点动正转控制线路显然是不行的。为实现连续运转，可采用如图1-25所示的接触器自锁控制线路。它与点动控制线路相比较，主电路由于电动机连续运行，所以要添加热继电器进行过载保护，而在控制电路中又多串接了一个停止按钮SB1，并在启动按钮SB2的两端并接了接触器KM的一对常开辅助触点。
图1-25 接触器自锁控制线路
电路工作原理如下。
启动：先合上电源开关QS，按下启动按钮SB2，KM线圈得电，KM主触点闭合，使电动机通电启动运行；KM常开辅助触点也闭合。
当松开SB2时，由于KM的常开辅助触点闭合，控制电路仍然保持接通，所以KM线圈继续得电，电动机M实现连续运转。这种利用接触器KM本身常开辅助触点而使线圈保持得电的控制方式叫做自锁。与启动按钮SB2并联起自锁作用的常开辅助触点叫做自锁触点。
停止：按下SB1，SB1常闭触点断开，KM线圈断电，KM主触点和自锁触点都断开，电动机M失电自由停车。当松开SB1时，其常闭触点恢复闭合，但由于此时KM的自锁触点已经断开，故KM线圈保持失电，电动机不会得电。
电路所具有的保护环节如下。
（1）短路保护。主电路和控制电路分别由熔断器FU1和FU2实现短路保护。当控制回路和主回路出现短路故障时，能迅速有效地断开电源，实现对电器和电动机的保护。
（2）过载保护。由热继电器FR实现对电动机的过载保护。当电动机出现过载且超过规定时间时，热继电器双金属片发热变形，推动导板，经过传动机构，使动断辅助触点断开，从而使接触器线圈失电，电动机停转，实现过载保护。
（3）欠压保护。当电源电压由于某种原因而下降时，电动机的转矩将显著下降，将使电动机无法正常运转，甚至引起电动机堵转而烧毁。采用带自锁的控制线路可避免出现这种事故。因为当电源电压低于接触器线圈额定电压的75%左右时，接触器就会释放，自锁触点断开，同时动合主触点也断开，使电动机断电，起到保护作用。
（4）失压保护。电动机正常运转时，电源可能停电，当恢复供电时，如果电动机自行启动，很容易造成设备和人身事故。采用带自锁的控制线路后，断电时由于自锁触点已经打开，当恢复供电时，电动机不能自行启动，从而避免了事故的发生。
欠压和失压保护作用是按钮、接触器控制连续运行的控制线路的一个重要特点。
1.3.2 接触器控制三相异步电动机正、反转
许多生产机械的运动部件，根据工艺要求经常需要进行正、反方向两种运动。例如，起重机吊钩的上升和下降，运煤小车的来回运动，工作台的前进和后退等，都可以通过电动机的正转和反转来实现。从电动机原理可知，改变电动机三相电源的相序即可改变电动机的旋转方向。而改变三相电源的相序只需任意调换电源的两根进线即可。
1.倒顺开关控制的电动机正、反转
如图1-26所示，启动电源后，把开关Q1合向“左合”位置，电动机正转。当需要反转时，把开关Q1旋至“断开”位置后，再扳向“右合”位置，此时电动机反转。
图1-26 倒顺开关控制的电动机正、反转电路
2.接触器控制三相异步电动机正、反转电路
设计时，在主电路中应该用两个接触器的主触点来构成正反转相序接线，电路图如图1-27所示。
图1-27 接触器控制电动机正、反转控制电路图
图中KM1为正转接触器，KM2为反转接触器，它们分别由SB2和SB3控制。从主电路中可以看出，这两个接触器的主触点所接通电源的相序不同，KM1按U-V-W相序接线，KM2则按W-V-U相序接线。相应的控制线路有两条，分别控制两个接触器的线圈。
电路工作过程如下（先合上电源开关QS）。
1）正转启动
按下启动按钮SB2，KM1线圈得电，KM1主触点和自锁触点闭合，电动机正转启动运行。
2）反转启动
当电动机原来处于正转运行时，必须先按下停止按钮使KM1失电，然后按下反转启动按钮SB3，则KM2线圈得电，KM2主触点和自锁触点闭合，电动机反转启动运行。
此种电路的控制是很不安全的，必须保证在切换电动机运行方向之前要先按下停止按钮，然后再按下相应的启动按钮，否则将会发生主电源侧电源短路的故障。为克服这一不足，提高电路的安全性，需采用互锁（联锁）控制的电路。
互锁控制就是在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制方式。实现互锁控制的常用方法有接触器联锁、按钮联锁和复合联锁控制等，如图1-28所示。可见联锁控制的特点是将本身控制支路元件的常闭触点串联到对方控制电路支路中。
图1-28 具有联锁的正、反转电气原理图
图1-28所示电路的工作原理如下：首先合上开关QS，按下正转启动按钮SB2，正转接触器KM1线圈通电吸合，一方面使主触点KM1闭合和自锁触点闭合，使电动机M通电正转；另一方面，KM1常闭辅助触点断开，切断反转接触器KM2线圈支路，使得它无法通电，实现互锁。此时，即使按下反转启动按钮SB3，反转接触器KM2线圈因KM1互锁触点断开也不能通电。
要实现反转控制，必须先按下停止按钮SB1切断正转控制电路，然后才能启动反转控制电路。
同理可知，反转启动按钮SB3按下（正转停止）时，反转接触器KM2线圈通电。一方面接通主电路反转主触点和控制电路反转自锁触点，另一方面反转互锁触点断开，使正转接触器KM1线圈支路无法接通，进行互锁。
3.三相异步电动机带按钮互锁的正、反转控制
图1-28所示电路就实现正向和反向启动、运转这一功能来说没有什么问题，但是当电动机正转后，需要反转时，必须按电动机停止按钮SB1，不能直接按反向按钮SB3实现反转，故操作不太方便。原因是按SB3时，不能断开KM1的电路，故KM1的常闭触点会继续互锁。图1-29所示是利用按钮和接触器互锁实现的正、反转电路。
图1-29 三相异步电动机带按钮互锁的正、反转控制线路
电路的工作原理如下（首先合上开关QS）。
1）正转控制
2）反转控制
由此可见，通过SB2、SB3控制KM1、KM2动作，改变接入电动机的交流电三相的顺序，就改变了电动机的旋转方向。
电动机直接从正转变为反转的控制如下。
按下SB3→SB3常闭触点先断开→KM1线圈失电解除自锁，互锁触点复位（闭合）。主触点断开，电动机断开电源→SB3常开触点后闭合→KM2线圈得电→KM2主触点和自锁触点闭合，电动机反向启动运行，常闭辅助触点断开，切断KM1线圈支路，实现互锁。
由于电动机直接从正转变为反转时，将产生比较大的制动电流，因此这种直接正、反转控制电路只适用于小容量电动机，且正、反向转换不频繁，拖动的机械装置惯量较小的场合。
1.4 项目实施：工作台自动往返控制设计与实施
1.工作任务
工作台自动往返控制要求见1.1.2节内容。
2.电路图
设计的工作台自动往返控制电路图如图1-30所示。
图1-30 工作台自动往返电气控制电路图
3.工作准备
1）工具、仪表及器材
（1）工具：测电笔、螺钉旋具、尖嘴钳、斜口钳、剥线钳、电工刀等。
（2）仪表：5050型兆欧表、T301-A型钳形电流表、MF47型万用表。
（3）器材：各种规格的紧固体、针形及叉形端头、金属软管、编码套管等。
2）元器件明细表
元器件明细表见表1-3。
表1-3 元器件明细表
3）场地要求
电拖实训室，电拖工作台。
4.读图
1）本任务涉及的低压电器及其作用
本任务涉及的低压电器有组合开关、熔断器、按钮开关、交流接触器、中间继电器、热继电器、三相异步电动机。它们的作用如下。
（1）组合开关QS作为电源隔离开关；
（2）熔断器FU1、FU2分别作主电路、控制电路的短路保护；
（3）停止按钮SB1控制接触器KM1、KM2的线圈失电，启动按钮SB2控制接触器KM1的线圈得电，按钮SB3控制接触器KM2的线圈得电；
（4）接触器KM1、KM2的主触点控制电动机M正、反向运行；
（5）接触器KM1、KM2的常开辅助触点自锁，接触器KM1、KM2的常闭辅助触点联锁；
（6）热继电器对电动机进行过载保护；
（7）SQ1～SQ4位置开关控制工作台自动往返运行和极限位置保护；
（8）中间继电器KA起失压保护作用。
2）识别元器件
对照工作原理图、元件安装布置图、接线图识别相对应的元器件。
3）控制电路工作过程
为了使电动机的正、反转控制与工作台的左右运动相配合，在控制线路中设置了四个位置开关SQ1、SQ2、SQ3和SQ4，并把它们安装在工作台需限位的地方。其中SQ1、SQ2被用来自动换接电动机正、反转控制电路，实现工作台的自动往返行程控制；SQ3、SQ4被用来作终端保护，以防止SQ1、SQ2失灵，工作台越过限定位置而造成事故。在工作台边的T形槽中装有两块挡铁，挡铁1只能和SQ2、SQ4相碰撞，挡铁2只能和SQ1、SQ3相碰撞。当工作台运动到所限位置时，挡铁碰撞位置开关，使其触点动作，自动换接电动机正、反转控制电路，通过机械传动机构使工作台自动往返运动。工作台行程可通过移动挡铁位置来调节。
线路的工作原理如下（先合上QS）。
停止时，按下SB1→整个控制电路失电→KM1（或KM2）主触点分断→电动机M失电停转→工作台停止运动。
这里SB2、SB3分别作为正转启动按钮和反转启动按钮，若启动时工作台在右端，则应按下SB3进行启动。
5.工作步骤
（1）根据电路图画出接线图。
（2）按表配齐所用电气元件，并检验元件质量。
（3）在控制板上按如图1-30所示安装走线槽和所有电气元件，并贴上醒目的文字符号。
安装走线槽时，应做到横平竖直，排列整齐匀称，安装牢固和便于走线等。
（4）按图1-30所示的电路图进行板前线槽配线，并在导线端部套编码套管和冷压接线头。
板前线槽配线的具体工艺要求如下。
① 布线时，严禁损伤线芯和导线绝缘。
② 各电气元件接线端子引出导线，以元件的水平中心线为界线，在水平中心线以上接线端子引出的导线，必须进入元件上面的走线槽；在水平中心线以下接线端子引出的导线，必须进入元件下面的走线槽。任何导线都不允许从水平方向进入走线槽内。
③ 各电气元件接线端子上引出或引入的导线，除间距很小和元件机械强度很差允许直接架空敷设外，其他导线必须经过走线槽进行连接。
④ 进入走线槽内的导线要完全置于走线槽内，并应尽可能避免交叉，装线不要超过其容量的70%，以便于能盖上线槽盖和以后的装配及维修。
⑤ 各电气元件与走线槽之间的外露导线，应走线合理，并尽可能做到横平竖直，变换走向要垂直。同一个元件上位置一致的端子和同型号电气元件中位置一致的端子上引出或引入的导线，要敷设在同一平面上，并应做到高低一致或前后一致，不得交叉。
⑥ 所有接线端子、导线线头上都应套有与电路图上相应接点线号一致的编码套管，并按线号进行连接，连接必须牢靠，不得松动。
⑦ 在任何情况下，接线端子必须与导线截面积和材料性质相适应。当接线端子不适合连接软线或较小截面积的软线时，可以在导线端头穿上针形或叉形端头并压紧。
⑧ 一般一个接线端子只能连接一根导线，如果采用专门设计的端子，可以连接两根或多根导线，但导线的连接方式必须是公认的，在工艺上成熟的各种方式，如夹紧、压接、焊接、绕接等，并应严格按照连接工艺的工序要求进行。
（5）根据电路图检验控制板内部布线的正确性。
（6）安装电动机。
（7）可靠连接电动机和各电气元件金属外壳的保护接地线。
（8）连接电源、电动机等控制板外部的导线。
（9）自检。
① 主电路接线检查。按电路图或接线图从电源端开始，逐段核对接线有无漏接、错接之处，检查导线接点是否符合要求，压接是否牢固，以免带负载运行时产生闪弧现象。
② 控制电路接线检查。用万用表电阻挡检查控制电路接线情况。
（10）检查无误后通电试车。
为保证人身安全，在通电试车时，要认真执行安全操作规程的有关规定，并有专人监护。
接通三相电源L1、L2、L3，合上电源开关QS，用电笔检查熔断器出线端，氖管亮说明电源接通。分别按下SB2→SB1和SB3→SB1，观察是否符合线路功能要求，观察电气元件动作是否灵活，有无卡阻及噪声过大现象，观察电动机运行是否正常。若有异常，立即停车检查。
特别提示：
① 位置开关可以先安装好，不占定额时间。位置开关必须牢固安装在合适的位置上。安装后，必须对手动工作台或受控机械进行试验，合格后才能使用。
② 通电校验时，必须先手动操作位置开关，试验各行程控制和终端保护动作是否正常可靠。
③ 安装训练应在规定定额时间内完成，同时要做到安全操作和文明生产。
6.工作质量检测
工作任务训练记录与成绩评定见表1-4。
表1-4 工作任务训练记录与成绩评定
1.5 知识拓展：电动机的两地控制
对于多数机床而言，因加工需要，为方便加工人员在机床正面和侧面均能进行操作，需具有多地控制功能。如图1-31所示，SB1、SB2为机床上正、侧面两地总停开关；SB3、SB4为电动机两地正转启动控制开关，SB5、SB6为电动机两地反转启动控制开关。
图1-31 两地控制电动机正、反转原理图
由图可见，多地控制的原则是：启动按钮并联，停车按钮串联。
图1-32和图1-33所示是能在A、B两地分别控制同一台电动机单方向连续运行与点动控制的电气原理图。
图1-32 一台电动机两地控制原理图（1）
图1-33 一台电动机两地控制原理图（2）
在两图中，SB1、SB2为电动机的停车控制按钮，SB3、SB4为电动机的点动控制按钮，SB5、SB6为电动机的长车控制按钮。图1-32中使用了中间继电器，而图1-33中通过将点动按钮的常闭触点串联在接触器自锁支路中，使电动机在点动控制时自锁支路不起作用。
知识梳理与总结
本项目通过工作台自动往返的控制引出了常用的低压电器控制器件：按钮、开关、接触器和中间继电器、热继电器、熔断器等，介绍了这些低压电器的结构、工作原理、常用型号及符号、低压电器的选择；并根据项目设计需求，介绍了电动机的点动控制、电动机长车控制、电动机正/反转控制、电动机行程控制的自动往返等最基本的控制环节。这些都是在实际当中经过验证的电路。熟练掌握这些电路，是阅读、分析、设计较复杂生产机械控制线路的基础。同时，在绘制电路图时，必须严格按照国家标准规定使用各种符号、单位、名词术语和绘制原则。
生产机械要正常、安全、可靠地工作，必须要有必要的保护环节。控制线路的常用保护有：短路保护、过载保护、过电流保护、失压保护、欠压保护，它们分别用不同的电器来实现。
本项目中，我们还学习了多地控制的电路。多地控制的原则是启动按钮并联，停止按钮串联。
练习与思考题1
1-1电路中FU、KM、KA、FR和SB分别是什么电气元件的文字符号?
1-2笼型异步电动机是如何改变旋转方向的?
1-3什么是互锁（联锁）？什么是自锁?试举例说明各自的作用。
1-4低压电器的电磁机构由哪几部分组成?
1-5熔断器有哪几种类型？试写出各种熔断器的型号。它在电路中的作用是什么？
1-6熔断器有哪些主要参数？熔断器的额定电流与熔体的额定电流是不是一回事？
1-7熔断器与热继电器用于保护交流三相异步电动机时，能不能互相取代？为什么？
1-8交流接触器主要由哪几部分组成？并简述其工作原理。
1-9试说明热继电器的工作原理和优缺点。
1-10试设计一个控制一台电动机的电路，要求：①可正反转；②正反向点动，两处启停控制；③具有短路和过载保护。