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元气件选型
一、熔断器(FU)
熔断器属于保护类电器元件,若电路中正确地安置了熔断器,那么,它们就会在电流异常升高到一定的程度的时候,通过自身熔断而切断电流,起到保护电路安全运行的作用。
熔断器是根据电流超过规定值一定时间后,以其自身产生的热量使熔体熔化,从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中,作为短路和过电流保护,是应用最普遍的保护器件之一,如上面一览表所示,从左数第一幅图是数控机床常用的熔芯,而第二幅图是放熔芯的熔断器座,而第三幅是比较旧式的,用在短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。
熔断器是一种过电流保护电器,熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。
使用时,将熔断器串联于被保护电路中,当被保护电路的电流超过规定值,并经过一定时间后,由熔体自身产生的热量熔断熔体,使电路断开,起到保护的作用。
熔断器是以金属导体作为熔体而分断电路的电器,串联于电路中,当过载或短路电流通过熔体时,熔体自身将发热而熔断,从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。
当过载电流小时,熔断时间长;过载电流大时,熔断时间短。
因此,在一定过载电流范围内至电流恢复正常,熔断器不会熔断,可以继续使用。
熔断器主要由熔体、外壳和支座3部分组成,其中熔体是控制熔断特性的关键元件。
熔断器使用注意事项:
(1)熔断器的保护特性应与被保护对象的过载特性相适应,考虑到可能出现的短路电流,选用相应分断能力的熔断器。
(2)熔断器的额定电压要适应线路电压等级,熔断器的额定电流要大于或等于熔体额定电流。
(3)线路中各级熔断器熔体额定电流要相应配合,保持前一级熔体额定电流必须大于下一级熔体额定电流。
(4)熔断器的熔体要按要求使用相配合的熔体,不允许随意加大熔体或用其他导体代替熔体。
二、断路器与接触器
断路器和接触器都是一种开关电器。
断路器表示电源开关,主要通过手动合闸或遥控合闸等动作,为设备提供电力电源,在设备使用过程中一直闭合。
接触器是设备控制中的一个电气元件,其分合控制主要是通过设备的逻辑关系进行控制,在设备使用过程中,要经常动作。
1、断路器(QF)
断路器按其使用范围分为高压断路器,和低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的成为高压电器。
低压断路器又称自动开关,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(这里不频繁地启动是指停机或者开机的时间间隔长,因为开机和关机的时间间隔太短会造成瞬间电流过大,容易造成元器件的损坏),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的组合。
而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件,获得了广泛的应用。
低压断路器的主要参数有:
额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其额定电流、整定范围、电磁脱扣器整定范围、主触点的分断能力等。
以下重点介绍数控机床常用的两种低压断路器。
(1)塑料外壳式断路器
塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成,均安装在塑料外壳内组成一体。
机床常用DZ10、 DZ15、DZ5-20、DZ5-50等系列塑料外壳式断路器(以下简称断路器),适用于交流电压500V,直流电压220V以下的电路,作不频繁地接通和断开电路用,塑料外壳式断路器外形图如前面一览表所示,断路器图形及文字符号前面一览表所示。
以DZ15系列为例,其适用于交流50Hz,额定电压为220V或380V,额定电流至100A的电路,作为配电、电动机的过载及短路保护用,亦可作为线路不频繁转换及电动机不频繁起动之用。
表1-2为DZ15系列规格及参数。
型号
壳架额定电流(A)
额定电压(V)
级数
脱扣器额定电流(A)
额定短路通断能力/kA
DZ15-40/1901
40
220
1
6,10,16,20,25,32,40
3
DZ15-40/2901
380
2
DZ15-40/3901
380
3
DZ15-40/3902
380
3
DZ15-40/4901
380
4
DZ15-63/1901
63
220
1
10,16,20,25,32,40,50,63
5
DZ15-63/2901
380
2
DZ15-63/3901
380
3
DZ15-63/3902
380
3
DZ15-63/4901
380
4
DZ15系列型号意义为:
DZ15-/90
保护种类(见表1-1)
液压式电磁脱扣器
极数(1:
单极;2:
二极;3:
三极)
壳架等级额定电流
设计代号
塑料外壳式断路器
表1-1保护种类含义及其对应的代号
保护种类
代号
配电保护用过电流脱扣器
1
电动机保护用过电流脱扣器
2
表1-2DZ15系列规格及参数
(2)小型断路器
小型断路器主要用于照明配电系统和控制回路.外形、图形及文字符号如前面一览表所示。
机床常用MB1-63、 DZ30-32、DZ47-60等系列小型断路器。
以DZ47-60高分断小型断路器为例,适用于照明配电系统(C型)或电动机的配电系统(D型)。
其主要用于交流50Hz/60Hz,单极230V,二、三、四极400V线路的过载、短路保护,同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。
DZ47-60系列型号意义为:
DZ47-60
壳架等级额定电流
设计序号
塑料外壳式断路器
DZ47-60系列分类:
按额定电流In分有1A、2A、3A、4A、5(6)A、10A、15(16)A、20A、25A、32A、40A、50A、60A;按级数分有单极、二极、三极、四极;按断路器瞬时脱扣器的型式分有C型(5In~10In)、D型(10In~14In)。
DZ47-60系列技术参数如表1-3、1-4所示:
表1-3过电流保护特性
序号
脱扣器额定电流In(A)
起始状态
试验电流
规定时间
预期时间
备注
1
1~60
冷态
1.13In
t≥1h
不脱扣
2
1~60
紧接着A项试验后进行
1.45In
t<1h
脱扣
电流在5秒内稳定地上升至规定值
3
In≤32
冷态
2.55In
1s<t<60s
脱扣
In>32
冷态
2.55In
1s<t<120s
脱扣
4
1~60
冷态
5In
t≥0.1s
不脱扣
C型
5
1~60
冷态
10In
t<0.1s
脱扣
C型
6
1~60
冷态
10In
t≥0.1s
不脱扣
D型
7
1~60
冷态
14In
t<0.1s
脱扣
D型
表1-4额定短路通断能力
型号
额定电流In(A)
极数
电压(V)
通断能力(A)
DZ47-60(C)型
1~40
1P
230
6000
1~40
2,3,4P
400
6000
50~60
1P
230
4000
50~60
2,3,4P
400
4000
DZ47-60(D)型
1~60
1P
230
4000
1~60
2,3,4P
400
4000
(3)断路器的选择
一般的选择原则:
①低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。
②低压断路器的极限通断能力应大于或等于电路的最大短路电流。
③欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。
④过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。
低压断路器用途广泛,它用于主干线、支路、电路末端等作线路(电缆、电线)及电气设备不频繁合、分和过载、短路、欠电压等故障保护,还应用于各种负载,如照明回路、电热回路、电动机回路、可控硅整流回路、电容器回路等单独使用和保护。
负载性质不同,选用断路器额定电流和保护特性也有差异。
下面主要是介绍数控机床上的用途。
●电灯(白炽灯)、电热器回路
这些回路基本上是电阻负载,选用是小型断路器(MCB)。
断路器额定电流理论上是In≥IL(In为断路器额定电流,IL为线路或电气设备额定电流)。
若In取≤IL,MCB可能发生误动作,国际上很多国家将用于白炽灯、电热回路断路器In选为(1.1~1.15)IL。
白炽灯和电热回路通电瞬间都可能产生闪流(由冷态电阻逐渐形成热态电阻过程),最大闪流可达10IL,故选用小型断路器时应选用C型(瞬动电流整定值5~10倍In)。
例:
试选用一断路器控制一盏100W220V的白炽灯。
解:
IL=100/220≈0.5A
因为In=(1.1~1.15)IL=(1.1~1.15)*0.5=0.55~0.575A
所以根据上述型号介绍,我们可以选择规格为DZ47-60(C)1P1A的小型断路器。
●电动机回路
作为电动机回路直接保护断路器可采用电动机保护型断路器,它过载保护有1.2In、1.5In、7.2In(可返回特性),短路瞬动为12In。
这种断路器额定电流In=IM(IM为电动机额定电流)。
无法找到电动机保护型断路器,也可使用一般配电保护型断路器,但这种配电型断路器仅能作电动机短路保护(线路过载保护采用热继电器)。
这种配电型断路器无躲过电动机起动电流可返回特性,避免电动机起动时断路器动作(包括电动机采用Y-Δ起动器等,起动、运转瞬间过渡性冲击电流),它额定电流取较高。
日本有关标准(包括一些公司产品样本介绍)规定:
当电动机额定电流IM≤50A时,断路器额定电流In≤3IM,当IM>50A时,In≤2.5IM,而瞬动电流仍取10In(倘额定电流不放大,则瞬动电流必须大于14IM),断路器额定短路分断能力≥电动机短路电流。
例:
试选用一断路器来控制380V、6A的电动机。
解:
因为IM=6A,而In≤3IM=3*6=18A,瞬动电流10In=10*18=180A,
所以根据上述型号介绍,我们可以选择规格为DZ47-603P16A的小型断路器。
●变压器一次回路
这里说是低压变压器,即高压(原边即一次侧)电压不高于400V。
断路器额定电流In≥(1.2~3)Ir(Ir为变压器一次侧额定电流)。
此种回路特点是变压器励磁冲击电流为额定电流10~20倍。
所选是专门针对变压器保护要求特殊塑壳式断路器。
例:
试选用一断路器来控制380V1200W的隔离变压器。
解:
Ir=1200/380≈3.16A
因为In≥(1.2~3)Ir=(1.2~3)*3.16=3.792~9.48A
所以根据上述型号介绍,我们可以选择规格为DZ15-40/390210A的塑壳式断路器。
2、接触器(KM)
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,如前面一览表所示。
容量在10A以上的接触器都有灭弧装置,如前面一览表所示。
接触器由电磁系统(铁心,静铁心,电磁线圈)触头系统(常开触头和常闭触头)和灭弧装置组成。
其原理是当接触器的电磁线圈通电后,会产生很强的磁场,使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁,并带动触头动作:
常闭触头断开;常开触头闭合,两者是联动的。
当线圈断电时,电磁吸力消失,衔铁在释放弹簧的作用下释放,使触头复原:
常闭触头闭合;常开触头断开。
在工业电气中,接触器的型号很多,电流在5A-1000A的不等,其用处相当广泛。
因为可快速切断交流与直流主回路和可频繁地接通与大电流控制(某些型别可达800安培)电路的装置,所以经常运用于电动机做为控制对象﹐也可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载,并作为远距离控制装置。
根据控制线圈的电压不同,可分为:
直流接触器、交流接触器。
交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。
交流接触器利用主接点来开闭电路,用辅助接点来执行控制指令。
主接点一般只有常开接点,而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点,小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。
从而起到远程控制或弱电控制强电的功能。
直流接触器和交流接触器的线圈都有不同电压级。
线圈电压不是同主触点有关联。
这些在接触器上有明显的标牌标示,包含线圈电压,主触头220V,380V/400V,600V等不同电压时的负载能力。
另外国外直流接触器产品一般做成单级,少有双极(结构与一般所见不太一样,很耐用)。
国内一般是三极(其实常用不到三极)严格说它只是线圈是直流控制的。
直流线圈和交流线圈的用途区别,除了控制电源的考虑(包括安全),更重要的是直流线圈能实现更频繁的控制。
接触器的选择原则:
接触器的选用应按满足被控制设备的要求进行,除额定工作电压应与被控设备的额定电压相同外,被控设备的负载功率、使用类别、操作频率、工作寿命、安装方式及尺寸以及经济性等是选择的依据。
下面是常用的几种负载的选择原则
(1)电热设备类用交流接触器的选用
这类设备有电阻炉、调温加热器等,此类负载的电流波动范围很小,按使用类别分属于AC-1,接触器控制此类负载是很轻松的,而且操作也不频繁。
因此,选用接触器时,只要按接触器的约定发热电流Ith等于或大于电热设备的工作电流的1.2倍。
例:
试选用一接触器来控制380V、15KW三相Y形接法的电阻炉。
解:
先算出各相额定工作电流Ie。
Ith=1.2Ie=1.2×22.7=27.2A
因而可选用约定发热电流Ith≥27.2A的任何型号接触器。
如:
CJ20-25、CJX2-18、CJX1-22、CJX5-22等型号。
(2)照明设备类接触器的选用
照明设备的类型很多,不同类型的照明设备,起动电流和起动时间也不一样。
此类负载为使用类别AC-5a或AC-5b。
如起动时间很短,可选择其约定发热电流Ith等于照明设备工作电流Ie的1.1倍即可,起动时间稍长以及功率因数较低的,可选择其约定发热电流比照明设备的工作电流更大一些,见表1-5照明设备的接触器选用原则。
序号
照明设备名称
起动电源
COSΦ
起动时间min
接触器选用原则
1
白炽灯
15Ie
1
Ith≥1.1Ie
2
混合照明灯
1.3Ie
≈1
3
Ith≥1.1×1.3Ie
3
荧光灯
≈2.1Ie
0.4~0.6
Ith≥1.1Ie
4
高压水银灯
≈1.4Ie
0.4~0.6
3~5
Ith≥1.1×1.4Ie
5
高压碘灯
1.4Ie
0.4~0.5
5~10
Ith≥1.1×1.4Ie
6
金属卤素灯
(1.4~2)Ie
0.5~0.6
5~10
Ith≥1.1×2Ie
表1-5照明设备的接触器选用原则
(3)笼型感应电动机AC-3使用类别用接触器的选用
电动机有笼型和绕线型电动机,其使用类别分别为AC-2,AC-3和AC-4,因此,对不同型式和使用类别的电动机用选用不同结构的接触器。
笼型电动机的起动电流约为6倍电动机额定电流Ie,接触器分断电流为电动机额定电流Ie。
其使用类别分别为AC-3,如:
水泵、风机、拉丝机、镗床、印刷机以及钢厂中的热剪机等,这里可选用直动式交流接触器。
选用的方法有查表法和查选用曲线法,在产品样本中直接列出在不同额定工作电压下的额定工作电流和可控制电动机的功率,以免除用户的换算,这时可以按电动机功率或额定工作电流,用查表法选用接触器。
(4)绕线式感应电动机AC-2使用类别用接触器的选用
此类负载下接触器的接通电流与分断电流均为2.5倍电动机的额定电流Ie。
即AC-2使用类别,一般选用转动式交流接触器较合适。
因为其电寿命比直动式的高,而且便于维修。
选用时可按电动机额定电流查表即可。
(注意:
每小时操作循环次数较高的场合,不宜选用CJ12B)。
也可选用直动式交流接触器,但其电寿命不如转动式。
AC-3电寿命为120万的直动式接触器,在AC-2使用,其电寿命约为十万次左右。
(5)笼型感应电动机AC-4使用类别用接触器的选用
当电动机处于点动或需反向运转、反接制动时,负载与AC-3不同,其接通电流为6Ie。
为AC-4使用类别。
给出了额定电压380V、AC-4条件下接触器的额定工作电流值,据此,可计算出AC-4使用类别下可控电动机功率Pm。
例如,CJX1-9型交流接触器在380V、AC-4条件下其额定工作电流为3.3A。
我们知道电动机的额定输出功率=3UeIeCOSΦη
其中:
Ue-电动机的额定电压;
Ie-电动机的额定电流;
COSΦ-电动机的功率因数;
η-电动机的效率。
将上述接触器AC-4条件下的额定电流值3.3A代入上式,假定电机的COS=0.85,η=0.9,则
=3×380×3.3×0.85×0.9=1.66KW
即CJX1-9交流接触器在380V、AC-4使用类别下可控制的三相笼型电动机约在1.66KW以下。
如果触头寿命允许适当缩短,则AC-4的额定工作电流可适当增大。
在很低的通断频率时,AC-4使用类别的接触器可按照AC-3使用类别选择。
(6)合负荷电动机负载用接触器的选用
在许多情况下,接触器是在AC-3和AC-4或AC-2和AC-4条件下混合使用,即在正常通断与点动操作方式下混合使用。
混合使用的触头寿命X可用下述公式计算:
X=A/1+0.01*C*(A/B-1)
式中:
A-正常负荷下的触头寿命;
B-点动操作下的触头寿命;
C-点动操作占通断次数的百分比。
例如:
一台37KW的三相鼠笼电动机,COSΦ=0.85,380V,Ie=72A,使用3TB48型接触器在混合工作方式下进行切换操作,其点动(AC-4)占开关操作总次数的30%,试求接触器触头寿命X。
查3TB48型接触器的寿命曲线,得到:
AC-3时的电寿命 A=1.2×次
AC-4时的电寿命 B=5×次
C=30%,则混合工作方式中接触器的寿命为:
X=15.2*104
三、继电器
继电器是一种电子控制器件,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),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“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。
继电器按工作原理可分为:
电磁继电器、固体继电器、温度继电器、舌簧继电器、时间继电器等。
常见的电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
1、热继电器(FR)
热继电器有各种各样的结构形式,最常用的是双金属片式结构,如前面一览表所示。
双金属片是用两种不同线膨胀系数的金属片,通过机械辗压在一起制成的,一端固定,另一端为自由端。
当双金属片的温度升高时,由于两种金属的线膨胀系数不同,所以它将弯曲。
热元件串接在电动机定子绕组中,电动机绕组电流即为流过热元件的电流。
当电动机正常运行时,热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲,但不足以使继电器动作;当电动机过载时,热元件产生的热量增大,使双金属片弯曲位移量增大,经过一段时间后,双金属片弯曲推动导板,并通过补偿双金属片与推杆'将触点(和)分开,触点(和)为热继电器串于接触器线圈回路的动断触点,断开后使接触器失电,接触器的动合触点断开电动机等负载回路,保护了电动机等负载。
热继电器作为电动机的过载保护元件,以其体积小,结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。
但也可以用三极热断路器来代替热继电器,因为它同样有过载保护等热继电器的作用,如前面一览表所示。
可从以下几方面考虑热继电器整定电流的调整来选型:
(1)长期稳定工作的电动机
可按电动机的额定电流选用热继电器。
取热继电器整定电流的0.95~1.05倍或中间值等于电动机额定电流。
使用时要将热继电器的整定电流调至电动机的额定电流值。
(2)电动机的绝缘等级及结构
由于电动机绝缘等级不同,其的容许温升和承受过载的能力也不同。
同样条件下,绝缘等级越高,过载能力就越强。
即使所用绝缘材料相同,但电动机结构不同,在选用热继电器时也应有所差异。
例如,封闭式电动机散热比开启式电动机差,其过载能力比开启式电动机低,热继电器的整定电流应选为电动机额定电流的60~80%。
(3)电动机的启动电流和启动时间
电动机的启动电流一般为额定电流的5~7倍。
对于不频繁启动、连续运行的电动机,在启动时间不超过6s的情况下,可按电动机的额定电流选用热继电器。
(4)具体工作情况
若要求电动机不允许随便停机,以免遭受经济损失,只有发生过载事故时,方可考虑让热继电器脱扣。
此时,选取热继电器的整定电流应比电动机额定电流偏大一些。
具个简单的例子,例如一台电动机的额定电流是6A,应选用过载电流多大的热继电器?
解:
根据上述条件当电动机是长期稳定运行的,
过载电流I=电动机额定电流Ie*(0.95~1.05)=6*(0.95~1.05)=5.7~6..3A,
所以我们可以选用过载电流为6~10A的热继电器,如规格型号为JR36-20(6~10A/6A)的热继电器。
2、时间继电器(KT)
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器,如前面一览表所示。
它的种类很多,有空气阻尼型、电动型和电子型等。
在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。
它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。
时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。
空气阻尼型时间继电器的延时范围大(有0.4~60s和0.4~180s两种),它结构简单,但准确度较低。
当线圈通电时,衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移,使瞬时动作触点接通或断开。
但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落,因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜,当活塞杆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活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。
经过一定时间,活塞杆下降到一定位置,便通过杠杆推动延时触点动作,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螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。
吸引线圈断电后,继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。
空气经出气孔被迅速排出。
时间继电器的选择原则:
(1)其线圈(或电源)的电流种类和电压等级应符合使用的工作环境;
(2)按控制要求选择延时方式和触点型式
3、中间继电器(KA)
在电气控制中,往往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。
中间继电器实质是一种小容量的直流接触器,它的结构和交流接触器相似,工作原理完全相同。
但它的触点没有主辅之分。
每对触点允许通过的电流是相同的,其额定电
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