电气控制电路设计中的元器件选择

4.3.1 电动机的选择

正确地选择电动机具有重要意义，合理地选择电动机是从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是从机床的使用条件出发，结合经济、合理、安全等多方面考虑，使电动机能够安全可靠地运行。电动机的选择包括电动机结构形式、额定电压、额定转速、额定功率和电动机的容量等技术指标的选择。

1.电动机选择的基本原则

电动机选择的基本原则如下。

(1)电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载的负载特性相适应。保证运行稳定且具有良好的启动、制动性能。

(2)工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。

(3)电动机结构形式满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条件。

(4)在满足设计要求前提下，应优先采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相鼠笼式异步电动机。

2.电动机结构的选择

电动机结构的选择如下。

(1)从工作方式上，不同工作制相应选择连续、短时及断续周期性工作的电动机。

(2)从安装方式上分卧式和立式两种。

(3)按不同工作环境选择电动机的防护形式，开启式适用于干燥、清洁的环境;防护式适用于干燥和灰尘不多，没有腐蚀性和爆炸性气体的环境;封闭式分自扇冷式、他扇冷式和密封式3种，前两种用于潮湿、多腐蚀性灰尘、多侵蚀的环境，后一种用于浸入水中的机械;防爆式用于有爆炸危险的环境中。

3.电动机额定电压的选择

电动机额定电压的选择如下。

(1)交流电动机额定电压与供电电网电压一致，低压电网电压为380V，因此，中小型异步电动机额定电压为220/380V。当电动机功率较大，可选用3000V、6000V及10000V的高压电动机。

(2)直流电动机的额定电压也要与电源电压一致，当直流电动机由单独的直流发电机供电时，额定电压常用220V及110V。大功率电动机可提高600～800V。

4.电动机额定转速的选择

对于额定功率相同的电动机，额定转速越高，电动机尺寸、重量和成本越小，因此选用高速电动机较为经济。但由于生产机械所需转速一定，电动机转速愈高，传动机构转速比愈大，传动机构愈复杂。因此应综合考虑电动机与机械两方面的多种因素来确定电动机的额定转速。

5.电动机容量的选择

电动机容量的选择有以下两种方法。

(1)分析计算法，是根据生产机械负载图，在产品目录上预选一台功率相当的电动机，再用此电动机的技术数据和生产机械负载图求出电动机的负载图，最后，按电动机的负载图从发热方面进行校验，并检查电动机的过载能力是否满足要求，如若不行，重新计算直至合格为止。此法计算工作量大，负载图绘制较难，实际使用不多。

(2)调查统计类比法，是在不断总结经验的基础上，选择电动机容量的一种实用方法，此法比较简单，对同类型设备的拖动电动机容量进行统计和分析，从中找出电动机容量与设备参数的关系，得出相应的计算公式。以下为典型机床的统计分析法公式。

①车床:

P=36.5D1.54k W (4-1)

式中，D——工件最大直径(m)。

②立式车床:

P=20D0.88k W (4-2)

式中，D——工件最大直径(m)。

③摇臂钻床:

P=0.0646D1.19k W (4-3)

式中，D——最大钻孔直径(mm)。

④卧式镗床:

P=0.004D1.7k W (4-4)

式中，D——镗杆直径(mm)。

4.3.2 机床常用电器的选择

完成电气控制电路的设计之后，再选择所需要的控制电器，正确合理地选用，是控制电路安全、可靠工作的重要条件。机床电器的选择，主要是根据电器产品目录上的各项技术指标(数据)来进行的。

1.低压配电电器的选择

1)熔断器的选择

熔断器选择内容主要是熔断器种类、额定电压、额定电流等级和熔体的额定电流。熔体额定电流INF的选择是主要参数。

①对于单台电动机:

INF=(1.5～2.5)INM(4-5)

式中，INF——熔体额定电流(A);

INM——电动机额定电流(A)。

轻载启动或启动时间较短，上式的系数取1.5;重载启动或启动次数较多、启动时间较长时，系数取2.5。

②对于多台电动机:

INF=(1.5～2.5)INMmax+∑IM(4-6)

式中，INMmax——容量最大一台电动机的额定电流(A);

∑IM——其余各台电动机额定电流之和，若有照明电路也计入(A)。

③对照明电路等没有冲击电流的负载，熔体的额定电流应大于或等于实际负载电流。

④对输配电电路，熔体的额定电流应小于电路的安全电流。

熔体额定电流确定以后，就可确定熔管额定电流，应使熔管额定电流大于或等于熔体额定电流。

2)刀开关的选择

刀开关主要作用是接通和切断长期工作设备的电源，也用于不经常启、制动的容量小于7.5k W的异步电动机。当用于启动异步电动机时，其额定电流不要小于电动机额定电流的3倍。

一般刀开关的额定电压不超过500V，额定电流有10A到上千安培的多种等级。有些刀开关附有熔断器。不带熔断器式刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器式刀开关有HR3系列。

刀开关主要根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。

3)组合开关的选择

组合开关主要根据电源种类、电压等级、所需触点数及电动机容量进行选用。常用的组合开关为HZ－10系列，额定电流为10A、25A、60A、和100A4种，适用于交流380V以下，直流220V以下的电气设备中。当采用组合开关来控制5k W以下的小容量异步电动机时，其额定电流一般取设备的1.5～3倍。

4)自动空气开关的选择

自动空气开关可按下列条件选择。

(1)根据电路的计算电流和工作电压，确定自动空气开关的额定电流和额定电压。显然，自动空气开关的额定电流应不小于电路的计算电流。

(2)确定热脱扣器的整定电流。其数值应与被控制的电动机的额定电流或负载的额定电流一致。

(3)确定过电流脱扣器瞬时动作的整定电流:

IZ≥KIPK(4-7)

式中，IZ——瞬时动作的整定电流;

IPK——电路中的尖峰电流;

K——考虑整定误差和启动电流允许变化的安全系数。

对于动作时间在0.02s以上的自动空气开关，取K=1.35;对于动作时间在0.02s以下的自动空气开关，取K=1.7。

5)控制变压器容量的选择

控制变压器一般用于降低控制电路或辅助电路电压，以保证控制电路安全可靠。选择控制变压器有以下原则。

(1)控制变压器初、次级电压应与交流电源电压、控制电路电压及辅助电路电压要求相符。

(2)应保证变压器次级的交流电磁器件在启动时能可靠地吸合。

(3)电路正常运行时，变压器温升不应超过允许温升。

(4)控制变压器可按长期运行的温升来考虑，这时变压器容量应大于或等于最大工作负荷的功率。控制变压器容量的近似计算公式为

S≥KL∑Si(4-8)

式中，∑Si——电磁器件吸持总功率(VA);

KL——变压器容量的储备系数，一般KL取1.1～1.25。

2.自动控制电器的选择

1) 接触器的选择

选择接触器主要依据以下数据:电源种类(交流或直流)，主触点额定电压、额定电流，辅助触点种类、数量及触点额定电流，电磁线圈的电源种类、频率和额定电压，额定操作频率等。机床应用最多的是交流接触器。

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。

(1)主触点额定电流IN可根据下面经验公式进行选择:

式中，IN——接触器主触点额定电流(A);

K——比例系数，一般取1～1.4;

PN——被控电动机额定功率(k W);

UN——被控电动机额定线电压(V)。

(2)交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。

(3)根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。但如果在控制电路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。值得注意的是，接触器产品系列是按使用类别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。

(4)接触器辅助触点的数量、种类应满足电路的需要。

2)时间继电器的选择

时间继电器形式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。

(1)根据控制电路的要求选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。

(2)根据延时准确度要求和延时长、短要求来选择。

(3)根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。

3)热继电器的选用

热继电器的选择应按电动机的工作环境、启动情况、负载性质等因素来考虑。

(1)热继电器结构形式的选择。星形连接的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形连接的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。

(2)热元件额定电流的选择。一般可按下式选取:

IR=(0.95～1.05)IN(4-10)

式中，IR——热元件的额定电流;

IN——电动机的额定电流。

对于工作环境恶劣、启动频繁的电动机，则按下式选取:

IR=(1.15～1.5)IN(4-11)

热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。

4)中间继电器的选用

选用中间继电器，主要依据控制电路的电压等级，同时还要考虑触点的数量、种类及容量满足控制电路的要求。在机床上常用的中间继电器型号有JZ7系列、JZ8系列两种。JZ8系列为交直流两用的中间继电器。

3.低压主令电器的选择

1)控制按钮的选择

控制按钮按下列要求进行选择。

(1)根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、保护式、防水式、防腐式等。

(2)根据用途，选用合适的形式，如手把旋钮式、钥匙式、紧急式等。

(3)按控制回路的需要，确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮、多钮等。

(4)按工作状态指示和工作情况的要求，选择按钮及指示灯的颜色。

2)行程开关的选择

行程开关可按下列要求进行选择。

(1)根据应用场合及控制对象选择，有一般用途行程开关和起重设备用行程开关。

(2)根据安装环境选择防护形式，如开启式或保护式。

(3)根据控制回路的电压和电流选择行程开关系列。

(4)根据机械与行程开关的传动与位移关系选择合适的头部形式。

3)万能转换开关的选择

万能转换开关可按下列要求进行选择。

(1)按额定电压和工作电流选择合适的万能转换开关系列。

(2)按操作需要选定手柄形式和定位特征。

(3)按控制要求参照转换开关样本确定触点数量和接线图编号。

(4)选择面板形式及标志。

4)接近开关的选择

接近开关可按下列要求进行选择。

(1)接近开关价格较高，用于工作频率高、可靠性及精度要求均较高的场合。

(2)按应答距离要求选择型号、规格。

(3)按输出要求是有触点还是无触点以及触点数量，选择合适的输出形式。