模块一 数控机床电气控制基础
单元一 数控机床主电路常用电器元件
数控机床是在通用机床基础之上发展而来的，至今很多方面还保留着通用机床的痕迹，在电气系统主电路方面二者仍然是统一的。
本单元介绍数控机床主电路常用的电器元件，如低压断路器、开关、熔断器、接触器等，同时介绍其工作原理及选用原则，以便学会正确选择和合理使用，为分析和设计数控机床电气控制线路打下基础。
一、电器的作用与分类
根据外界特定的信号和要求自动或手动接通或断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的接通、切换、保护、检测、控制、调节作用的装置称为电器。
工作在交流 1200V、直流 1500V 额定电压以下的电路中，能根据外界信号(机械力、电动力和其他物理量)，自动或手动接通和断开电路的电器称为低压电器。其作用是实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节。
数控机床电气控制系统中采用了低压电器作为基本组成元件，而且控制系统的优劣与所用的低压电器直接相关，因此掌握低压电器的基本知识和常用低压电器的结构及工作原理，并能准确选用、检测和调整常用低压电器元件，才能够分析数控机床电气控制系统的工作原理，处理及维修一般故障。
低压电器种类繁多、功能各样、构造各异，工作原理各不相同，常用低压电器的分类方法有：
1．按操作方式分类
（1）自动电器 依靠自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，如接触器、继电器等。
（2）手动电器 用手动操作来进行切换的电器，如组合开关、转换开关、按钮等。
2．按用途分类
（1）配电电器 主要用于低压配电系统中。要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，在规定条件下具有相应的动稳定性与热稳定性，使电器不会被损坏。常用的配电电器有断路器、转换开关、熔断器、断路器等。
（2）控制电器 主要用于电气传动系统中。要求寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠。常用的控制电器有接触器、继电器、电磁铁等。
3．按工作原理分类
（1）电磁式电器 根据电磁感应原理动作的电器，如接触器、继电器、电磁铁等。
（2）电子式电器 利用电子元件的开关效应，即导通和截止来实现电路的通、断控制。如接近开关、霍尔开关、电子式时间继电器、固态继电器等。
（3）非电量控制电器 依靠外力或非电量信号（如速度、压力、温度等）的变化而动作的电器，如转换开关、行程开关、速度继电器、压力继电器、温度继电器等。
以上这些电器很多在机床电路中得到广泛应用，因此有时也称之为“机床电器”，或者说机床电器类属于低压电器。
二、低压断路器
低压断路器通常称自动开关或空气开关，具有控制电器和保护电器的复合功能，可用于数控机床主电路及分支电路的通断控制。当电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断。在正常情况下也可用做不频繁地直接接通和断开电动机控制电路。
低压断路器的种类繁多，按其用途和结构特点分为DW型框架式（或称万能式）断路器、DZ型塑料外壳式（或称装置式）断路器、DS型直流快速断路器和DWX型/DWZ型限流式断路器等。
框架式断路器规格、体积都比较大些，主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器相对要小，除用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制，因此数控机床主要使用塑料外壳式断路器。
下面以塑料外壳式断路器为例，简要介绍其结构、工作原理、使用与选用方法。
1．断路器的结构与工作原理
断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，脱扣器又包括过电流脱扣器、欠电压脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。图1-1是断路器工作原理示意图及图形符号。
断路器合闸或分断操作是靠操作机构手动或电动进行的，合闸后自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上，使触头闭合。当电路发生故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，以实现起保护作用的自动分断。
远控按钮
过电流脱扣器QFQF保护
保护
热脱扣器保护
失电压脱扣器断路器图形符号
1-分闸弹簧 2-主触头 3-传动杆 4-锁扣 5-轴 6-过电流脱扣器
7-热脱扣器 8-欠压失压脱扣器 9-分励脱扣器
图1-1 断路器工作原理示意图及图形符号
过流脱扣器、欠压脱扣器和热脱扣器实质都是电磁铁。在正常情况下，过流脱扣器的衔铁是释放着的，电路一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路相串联的线圈将产生较强的电磁吸力吸引衔铁，从而推动杠杆顶开锁钩，使主
触点断开。失压脱扣器的工作情况恰恰相反，在电压正常时，吸住衔铁才不影响主触点的闭合，一旦电压严重下降或断电时，电磁吸力不足或消失，衔铁被释放而推动杠杆，使主触点断开。热脱扣器是在电路发生轻微过载时，过载电流不立即使脱扣器动作，但能使热元件产生一定的热量，促使双金属片受热向上弯曲，当持续过载时双金属片推动杠杆使搭钩与锁钩脱开，将主触点分开。
注意，低压断路器由于过载而分断后，应等待 2min～3min 热脱扣器复位才能重新操作接通。
分励脱扣器可做为远距离控制断路器分断之用。
断路器因其脱扣器的组装不同，其保护方式、保护作用也不同。一般在图形符号中标注其保护方式，图1-1所示的断路器图形符号中标注了失压、过载、过电流3种保护方式。
2．低压断路器的型号含义和主要技术参数
（1）低压断路器的型号含义
（2）主要技术参数
1）额定电压
①额定工作电压 断路器的额定工作电压是指与能断能力及使用类别相关的电压值。对多相电路是指相间的电压值。
②额定绝缘电压 断路器的额定绝缘电压是指设计断路器的电压值，电气间隙和爬电距离应参照这些值而定。除非型号产品技术文件另有规定，额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压。在任何情况下，最大额定工作电压不超
过绝缘电压。
2）额定电流
①断路器壳架等级额定电流 用尺寸和结构相同的框架或塑料外壳中能装入的最大脱扣器额定电流表示。
②断路器额定电流 断路器额定电流就是额定持续电流。也就是脱扣器能长期通过的电流。对带可调式脱扣器的断路器指可长期通过的最大电流。
3．低压断路器的保护特性
断路器的保护特性主要是指断路器过载和过流保护特性，即断路器动作时间与过载和过流脱扣器的动作电流关系。
图中ab段为过载保护曲线，具有反时限。
df段为瞬时动作曲线，当故障电流超过d点对应电流时，过电流脱扣器便瞬时动作。
bce段为定时限延时动作曲线，当故障电流超过c点对应电流时，过电流脱扣器经短时延时后动作，延时长短由c点与d点对应的时间差决定。
根据需要，断路器的保护特性可以是两段式，如abdf曲线，既有过载延时，又有短路瞬时保护；而abce曲线保护则为过载长延时和短路短延时保护。
另外还可有三段式的保护特性，如abcghf曲线，既有过载长延时，短路短延时，又有特大短路的瞬时保护。
为达到良好的保护作用，断路器的保护特性应与被保护对象的允许发热特性有合理的配合，即断路器保护特性2位于被保护对象的允许发热特性1的下方，并以此来合理选择断路器的保护特性。
1-被保护对象的发热特性 2-低压断路器保护特性
图1-2 低压断路器的保护特性
4．低压断路器典型产品
（1）塑料外壳式断路器 塑料外壳式断路器外壳是绝缘的，内装触点系统、灭弧室及脱扣器等，可手动或电动(对大容量断路器而言)操作。有较高的分断能力和动稳定性，有较完善的选择性保护功能，用途广泛。
目前数控机床常用的有DZ5、DZ20、DZXl9、DZ108和C45N（目前已升级为C65N）等系列产品。其中C45N（C65N）断路器具有体积小，分断能力高、限流性能好、操作轻便，型号规格齐全、可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极、四极断路器的优点，广泛使用在60A及以下的支路中。以DZ5系列断路器为例其主要技术数据见表1-1。
表1-1 DZ5系列低压断路器主要技术数参数
（2）漏电保护型低压断路器 漏电保护型低压断路器又称为漏电保护自动开关。常用它作为低压交流电路中配电，电动机过载、短路、漏电保护使用。
漏电保护型低压断路器主要由三部分组成：自动开关、零序电流互感器和漏电脱扣器。实际上，漏电保护型低压断路器就是在一般的低压断路器的基础上增加了零序电流互感器和漏电脱扣器来检测漏电情况。当有人身触电或设备漏电时能够迅速切断故障电路，避免人身和设备受到危害。
常用的漏电保护型低压断路器有电磁式和电子式两大类。电磁式漏电保护型低压断路器又分为电压型和电流型。
电流型的漏电保护型低压断路器比电压型的性能较为优越，所以目前使用的大多数漏电保护型低压断路器为电流型。
以电磁式电流型漏电保护型低压断路器为例：
1）三相漏电保护型低压断路器 图1-3所示为电磁式电流型的三相漏电保护型低压断路器的原理图。电路中的三相电源线穿过零序电流互感器1的环形铁心，零序电流互感器的输出端与漏电脱扣器2相联结，漏电脱扣器的衔铁被永久磁铁吸住，拉紧了释放弹簧。当电路正常时，三相电流的向量和为零，零序电流互感器的输出端无输出，漏电保护自动开关处于闭合状态。
图1-3 电磁式电流动作型的三相漏电保护型低压断路器原理图
当有人触电或设备漏电时，触电电流或漏电电流从大地流回变压器的中性点，此时，三相电流的向量和不为零，零序电流互感器的输出端有感应电流Is输出，当Is足够大时，该感应电流使得漏电脱扣器产生的电磁吸力抵销掉永久磁场所产生的对衔铁的电磁吸力，漏电脱扣器释放弹簧的反力就会将衔铁释放，漏电闭合自动开关触点动作，切断电路使触电的人或漏电的设备与电源脱离，起到漏电保护的作用。
2）单相漏电保护型低压断路器 单相电路的漏电保护型低压断路器，其保护原理类似于三相漏电保护型低压断路器。不同的是，单相漏电保护自动开关穿过零序电流互感器的导线是相线和中线。当线路正常时，相线和中线电流的向量和为零，因此零序电流互感器的铁心中的磁通也为零，互感器的二次回路无输出，漏电保护自动开关的触电处于闭合状态；而当出现人身触电或设备漏电时，相线和中线的矢量和不为零，互感器的二次侧有输出，如该输出电流大于漏电脱扣器的动作电流，则漏电脱扣器动作，使漏电保护自动开关的触点断开，从而切断电路，保护人身和设备的安全。
单相漏电保护型低压断路器一般其额定电压为交流220V，额定电流为15～16A或32A左右，额定动作电流为30mA，漏电脱扣器动作时间小于0.1s。
（3）智能型低压断路器
智能型断路器的特征是采用了以微处理器或单
片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它不仅具备普通断路器的各种保护功能，同时还具备实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率、功率因数等），对电路进行在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断、通信等功能，能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中以便查询，国内DW45、DW40、DW914(AH)、DWl8(AE-S)、DW48、DWl9(3WE)、DWl7(ME)等智能化框架断路器和智能化塑壳断路器，都配有ST系列智能控制器及配套附件，它采用积木式配套方案，可直接安装于断路器本体中，无需重复二次接线，并可多种方案任意组合。
5．低压断路器的选用与维护
（1）断路器的选用
1）根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式。
2）断路器的额定电压UN应等于或大于被保护线路的额定电压。
3）断路器欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压。
4）断路器的额定电流及过流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流。
5）断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值。
6）线路中的上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交。
7）断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。
（2）断路器的维护
1）在安装低压断路器时应注意把来自电源的母线接到开关灭弧罩一侧（上口）的端子上，来自电气设备的母线接到另外一侧（下口）的端子上。
2）低压断路器投入使用时应按照要求先整定热脱扣器的动作电流，以后就不应随意旋动有关的螺钉和弹簧。
3）发生断路、短路事故的动作后，应立即对触点进行清理，检查有无熔坏，清除金属熔粒、粉尘等，特别要把散落在绝缘体上的金属粉尘清除干净。
4）在正常情况下，每六个月应对开关进行一次检修，清除灰尘。 （3）断路器常见故障及修理方法
低压断路器在使用时有可能出现一些故障，表1-2列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-2 低压断路器常见故障及修理方法
三、开关
1．组合开关
组合开关又称转换开关，控制容量比较小，结构紧凑，常用于交流380V
以下，直流220V以下的电气线路中，手动不频繁地接通或分断电路，也可控制小容量交、直流电动机的正反转、星—三角起动和变速换向等。常用的产品有HZ5、HZ10和HZ15系列。HZ5系列是类似万能转换开关的产品，其结构与一般转换开关有所不同；组合开关种类很多，有单极、双极和多极之分。
常用的是三极的组合开关，其外形、符号如图1-4所示。
a) 外形
b) 符号
图1-4 组合开关的外形和符号
（1）组合开关的结构
组合开关的结构由三个分别装在三层绝缘件内的双断点桥式动触片、与盒外接线柱相连的静触点、绝缘方轴、手柄等组成。动触片装在附有手柄的绝缘方轴上，方轴随手柄而转动，于是动触片随方轴转动并变更与静触片分、合的位置。
组合开关常用来作电源的引入开关，起到设备和电源间的隔离作用，在小型数控机床上应用普遍。
（2）组合开关的选用
1）用于机床电路时，组合开关的额定电流应等于或大于被控制电路中各负载电流的总和。
2）用于电动机控制时，组合开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。
3）组合开关的通断能力较低，当用于控制电动机作可逆运转时，必须在电动机完全停止转动后，才能反向接通。
4）当操作频率过高或负载的功率因数较低时，转换开关要降低容量使用，否则会影响开关寿命。
（3）组合开关的型号含义及技术参数 1）型号含义
2）技术参数
HZ型组合开关的主要技术参数见表1-3
表1-3 HZ型组合开关的主要技术参数
2．万能转换开关
万能转换开关是由多组相同结构的触头组件叠装而成的多档位多回路的手动控制电器。它具有多个操作位置和触点、能进行多个电路的换接的手动控制电器。它可用于机床电气控制线路的换接以及小容量电动机的起动、制动、调速和换向的控制，其触头档数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称。 如图1-5所示为万能转换开关单层的结构示意图。
图1-5 能转换开关单层的结构示意图
典型的万能转换开关由触点座、凸轮、转轴、定位机构、螺杆和手柄等组成，并由1～20层触点底座叠装而成，每层底座可装三对触点，由触点底座中且套在转轴上的凸轮来控制此三对触点的接通和断开。由于各层凸轮的形状可制成不同，因此用手柄将开关转到不同的位置，使各对触点按需要的变化规律接通或断开，达到满足不同线路的需要的目的。由于其触点的分合状态与操作手柄的位置有关，所以，除在电路图中画出触点图形符号外，还应画出操作手柄与触点分合状态的关系。
万能转换开关主要由接触系统、操作轴、手柄、定位机构等部件组成，并用螺为一个整体。万能转换开关的图形符号及如图1-6所示。
机构、转栓组装成文字符号
123456
SA
a) 图形符号
图1-6 万能转换开关的图形符号
b) 触头分合表
图中竖的虚线代表手柄的位置，垂直方向的数字1~6表示触点编号，水平方向的数字及文字“1”、“0”、“2”表示手柄的操作位置（档位）。在不同的操作位置，各对触点的通、断状态的表示方法为：在触点的下方与虚线相交位置有黑色圆点表示在对应操作位置时触点接通，没涂黑色圆点表示在该操作位置不通。触头的通断也可以用触头分合表来表示，表中“³”表示触头闭合，空白表示触头分断。
万能转换开关的常用产品有LW5和LW6系列。LW5系列可控制5.5kW及以下的小容量电动机；LW6系列只能控制2.2kW及以下的小容量电动机。用于可逆运行控制时，只有在电动机停车后才允许反向起动。LW5系列万能转换开关按手柄的操作方式可分为自复式和自定位式两种。所谓自复式是指用手拨动手柄于某一档位时，手松开后，手柄自动返回原位；定位式则是指手柄被置于某档位时，不能自动返回原位而停在该档位。
3.组合开关和万能转换开关的常见故障及修理方法
组合开关和万能转换开关在使用时有可能出现一些故障，表1-4列出了HZ型组合开关一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-4 HZ型组合开关常见故障及修理方法
四、熔断器
熔断器是一种结构简单、使用方便、应用广泛、价格低廉的保护电器。主要用作电路或用电设备的短路保护，有时对严重过载也可起到保护作用。它串联在电路中，当通过的电流大于规定值时，使熔体熔化而自动分断电路。
1．熔断器的结构及保护特性
（1）熔断器的结构 熔断器由熔体(俗称保险丝)和安装熔体的熔管(或熔座)两部分组成。其中熔体是关键部分，它既是感测元件又是执行元件，熔体是由低熔点的金属材料(如铅、锡、锌、铜、银及其合金等)制成，其形状有丝状、带状、片状等；熔管的作用是安装熔体及在熔体熔断时熄灭电弧，多由陶
瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维材料制成。
熔断器的熔体串联在被保护电路中，当电路正常工作时，熔体中通过的电流不会使其熔断；当电路发生短路或严重过载时，熔体中通过的电流很大，使其发热，当温度达到熔点时熔体瞬间熔断，切断电路，起到保护作用。
熔断器的图形及文字符号如图 1-7所示。
图 1-7 熔断器的图形及文字符号
（2）熔断器的保护特性
电流通过熔体时产生的热量与电流的平方及通过电流的时间成正比，即Q=IRt，由此可见，电流越大，熔体熔断的时间越短，这一特性称为熔断器的保护特性(或称安秒特性)，其特性曲线如图1-8所示，由图可见它是一反时限特性。
2
图 1-8 熔断器的安秒特性曲线
在安秒特性中有一熔断与不熔断电流的分界线，与此相应的电流就是最小熔断电流 Ir。当熔体通过电流小于 Ir时，熔体不应熔断。根据对熔断器的要求，熔体在额定电流 Ire时绝对不应熔断。最小熔断电流 Ir与熔体额定电流 Ire
之比称为熔断器的熔断系数，即 Kr=Ir/Ire。从过载保护来看，Ｋr值较小时对小倍数过载保护有利，但Ｋr也不宜接近于 1，当Ｋr为 1时，不仅熔体在 Ire下的工作温度会过高，而且还有可能因为安秒特性本身的误差而发生熔体在 Ire下也熔断的现象，影响熔断器工作的可靠性。熔断电流与熔断时间之间的关系如表1-5所示。
表1-5 熔断电流与熔断时间之间的关系
当熔体采用低熔点的金属材料（如铅、锡、铅锡合金及锌等）时，熔断时所需热量少，故熔断系数较小，有利于过载保护；但它们的电阻率较大，熔体截面积较大，熔断时产生的金属蒸气较多，不利于电弧熄灭，故分断能力较低。当熔体采用高熔点的金属材料(如铝、铜和银)时，熔断时所需热量大，故熔断率大，不利于过载保护，而且可能使熔断器过热；但它们的电阻率低，熔体截面积较小，有利于电弧熄灭，故分断能力较高。由此来看，不同熔体材料的熔断器在电路中起保护作用的侧重点是不同的。
2．熔断器的主要技术参数
（1）额定电压 是指熔断器长期工作和断开后能够承受的电压，其值应大于或等于电气设备的额定电压。
（2）额定电流 是指熔断器长期工作时，被保护设备温升不超过规定值时所能承受的电流。为了减少生产厂家熔断器额定电流的规格，熔断器的额定电流等级比较少，而熔体的额定电流等级比较多，即在一个额定电流等级的熔断器可安装多个额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断器的额定电流。
（3）极限分断能力 是指熔断器在规定的额定电压和功率因数(或时间常数)的条件下，能断开的最大电流，在电路中出现的最大电流一般是指短路电流。所以，极限分断能力反映了熔断器分断短路电流的能力。
3．常用熔断器
熔断器的种类很多，按用途分为一般工业用熔断器、半导体器件保护用快速熔断器和特殊熔断器(如具有两段保护特性的快慢动作熔断器、自复式熔断器)。按结构可分瓷插式、螺旋式、无填料密封管式和有填料密封管式等，数控机床常用的有螺旋式熔断器和有填料密封管式等。
（1）螺旋式熔断器 如图l-9所示。熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到。螺旋式熔断器分断电流较大，可用于电压等级500V及其以下、电流等级200A以下的电路中，作短路保护。
图 1-9 RL1 系列螺旋式熔断器
1—上接线柱 2—瓷底 3—下接线柱 4—瓷套 5—熔芯 6—瓷帽
（2）封闭式熔断器 封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，如图l-10和图l-11所示。有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等级500V以下、电流等级1KA以下的电路中。无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式圆筒中，分断能力稍小，用于500V以下，600A以下电力网或配电设备中。
a) 外形
b) 结构
图1-10 RM10 系列无填料密封管式熔断器
1、4、10—夹座 2—底座 3—熔断器 5—硬质绝缘管 6—黄铜套管 7—黄铜帽 8—插刀 9—熔体
a) 外形
b) 结构
图 1-11 RT0 有填料密封管式熔断器
ｌ—熔断指示器 2—硅砂(石英砂)填料 3—熔丝 4—插刀 5—底座 6—熔体 7—熔管
（3）快速熔断器 它主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有V形深槽的变截面熔体。
（4）自复熔断器 采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当电路发生短路故障时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而
限制了短路电流。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。
4．熔断器的选用与维护
（1）熔断器的选用
1）熔断器的选择
主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。对于容量小的电动机和照明支线，常采用熔断器作为过载及短路保护，因而希望熔体的熔化系数适当小些。通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器。对于较大容量的电动机和照明干线，则应着重考虑短路保护和分断能力。通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器。
熔体的额定电流可按以下方法选择：
① 保护无起动过程的平稳负载如照明线路、电阻、电炉等时，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。
② 保护单台长期工作的电机熔体电流可按最大起动电流选取，也可按下式选取：
IRN ≥ (1.5～2.5)IN
式中IRN—熔体额定电流；IN—电动机额定电流。如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至3～3.5，具体应根据实际情况而定。
③ 保护多台长期工作的电机（供电干线）
IRN ≥ (1.5～2.5)IN max+ΣIN
式中IN max—容量最大单台电机的额定电流。ΣIN其余电动机额定电流之和。
2）熔断器的使用
① 对不同性质的负载，如照明电路、电动机电路的主电路和控制电路等，应分别保护，并装设单独的熔断器。
② 安装螺旋式熔断器时，必须注意将电源线接到瓷底座的下接线端（即低进高出的原则），以保证安全。
③ 瓷插式熔断器安装熔丝时，熔丝应顺着螺钉旋紧方向绕过去，同时应注意不要划伤熔丝，也不要把熔丝绷紧，以免减小熔丝截面尺寸或插断熔丝。
④ 更换熔体时应切断电源，并应换上相同额定电流的熔体。
（2）熔断器的维护
熔断器在使用时有可能出现一些故障，表1-6列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-6 熔断器常见故障及修理方法
五、接触器
接触器是数控机床电气控制中重要的电器，它是利用电磁吸力和弹簧反力的配合作用，实现触头闭合与断开，是一种电磁式的自动切换电器。
接触器可以频繁地接通或分断交直流电路，并可实现远距离控制。其主要控制对象是电动机，也可用于其它负载。接触器不仅能实现远距离自动操作及欠压和失压保护功能，而且具有控制容量大、过载能力强、工作可靠、操作频率高、使用寿命长、设备简单经济等特点，所以它是机床电气控制线路中使用最广泛的电器元件。
接触器按其分断电流的种类可分为直流接触器和交流接触器；按其主触点
的极数可分单极、双极、三极、四极、五极几种，单极、双极多为直流接触器。数控机床主要使用交流接触器。
1．交流接触器的结构及工作原理
交流接触器主要由电磁机构、触点系统、灭弧装置和其他辅助部件四大部分组成。结构示意图如图1-12所示，外形如图1-13所示，接触器的图形、文字符号如图1-14 所示。
图1-12 CJ20系列交流接触器结构示意图
1—动触点2—静触点3—衔铁4—弹簧5—线圈6—铁心
7—垫毡8—触点弹簧9—灭弧罩10—触点压力弹簧
图1-13 交流接触器外形
（a）线圈 （b）主触点 (c) 常开辅助触点 (d) 常闭辅助触点
图1-14 接触器的图形、文字符号
1） 电磁系统 用来操作触头闭合与分断。它包括静铁心、吸引线圈、动铁心（衔铁）。铁心用硅钢片叠成，以减少铁心中的铁损耗，在铁心端部极面上装有短路环，其作用是消除交流电磁铁在吸合时产生的震动和噪音。
2） 触点系统 起着接通和分断电路的作用。它包括主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路或大电流电路，主触点容量较大，一般为三极。辅助触点用于通断小电流的控制电路，起控制其他元件接通或断开及电气联锁作用，辅助触点容量较小。辅助触点结构上通常常开和常闭是成对的。当线圈得电后，衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，同时带动动触点移动，使其与常闭触点的静触点分开，与常开触点的静触点接触，实现常闭触点断开，常开触点闭合。辅助触点不能用来断开主电路。主、辅触点一般采用桥式双断点结构。
3)灭弧装置 起着熄灭电弧的作用。对于大容量的接触器，常采用窄缝灭弧及栅片灭弧，对于小容量的接触器，采用电动力吹弧、灭弧罩等。
4）其他部件 主要包括恢复弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。
交流接触器的工作原理是：当吸引线圈通电后，线圈电流在铁心中产生磁通，该磁通对衔铁产生克服复位弹簧反力的电磁吸力，动铁心被吸合从而带动触点动作。触点动作时，常闭触点先断开，常开触点后闭合。当吸引线圈断电或线圈中的电压值降低到某一数值时(无论是正常控制还是欠电压、失电压故障，一般降至线圈额定电压的 85%)，铁心中的磁通下降，电磁吸力减小，当减小到不足以克服复位弹簧的反力时，衔铁在复位弹簧的反力作用下复位，
使
主、辅触点的常开触点断开，常闭触点恢复闭合。这就是接触器的欠压、失压保护功能。
2．接触器的主要技术参数及常用的接触器
（1）接触器的主要技术参数
1）额定电压 指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。一只接触器常规定几个额定电压，同时列出相应的额定电流或控制功率。通常，最大工作电压即为额定电压。常用的额定电压值为220V、380V、660V等。
2）额定电流 接触器触点在额定工作条件下的电流值。380V三相电动机控制电路中，额定工作电流可近似等于控制功率的两倍。常用额定电流等级为5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。
3）通断能力 可分为最大接通电流和最大分断电流。最大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值；最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。一般通断能力是额定电流的5～10倍。当然，这一数值与开断电路的电压等级有关，电压越高，通断能力越小。
4）动作值 可分为吸合电压和释放电压。吸合电压是指接触器吸合前，缓慢增加吸合线圈两端的电压，接触器可以吸合时的最小电压。释放电压是指接触器吸合后，缓慢降低吸合线圈的电压，接触器释放时的最大电压。一般规定，吸合电压不低于线圈额定电压的85％，释放电压不高于线圈额定电压的70%。
5）吸引线圈额定电压 接触器正常工作时，吸引线圈上所加的电压值。一般该电压数值以及线圈的匝数、线径等数据均标于线包上，而不是标于接触器外壳铭牌上，使用时应加以注意。
6）操作频率 接触器在吸合瞬间，吸引线圈需消耗比额定电流大5～7倍的电流，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，直接影响接触器的正常使用。为此，规定了接触器的允许操作频率，一般为每小时允许操作次数的最
大值。
7）寿命 包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%～20％。
另外，接触器还有个使用类别的问题。这是由于接触器用于不同负载时，对主触点的接通和分断能力的要求不一样，而不同类别接触器是根据其不同控制对象（负载）的控制方式所规定的。根据低压电器基本标准的规定，接触器的使用类别比较多，其中，在电力拖动控制系统中，接触器常见的使用类别及其典型用途见表1-7。
表1-7 接触器的使用类别及典型用途
接触器的使用类别代号通常标注在产品的铭牌或工作手册中。表1-7中要求接触器主触点达到的接通和分断能力为：AC-1 和 DC-1 类允许接通和分断额定电流；AC-2、DC-3 和 DC-5 类允许接通和分断4倍的额定电流；AC-3 类允许接通6倍的额定电流和分断额定电流；AC-4 类允许接通和分断6倍的额定电流。
（2）常用接触器
我国生产的交流接触器常用的有CJ10，CJ12，CJX1，CJ20等系列及其派生系列产品，CJ0系列及其改型产品已逐步被CJ20、CJX系列产品取代。上述系列产品一般具有三对常开主触点，常开、常闭辅助触点各两对。直流接触器常用的有CZ0系列，分单极和双极两大类，常开、常闭辅助触点各不超过两对。常用的直流接触器有 CZ18、CZ21、CZ22、CZ10 和 CZ2 等系列。
除以上常用系列外，我国近年来还引进了一些生产线，生产了一些满足IEC标准的交流接触器，如：
CJ12B-S系列锁扣接触器，用于交流50Hz、电压380V及以下、电流600A及以下的配电电路中，供远距离接通和分断电路用，并适宜于不频繁地起动和停止交流电动机。具有正常工作时吸引线圈不通电、无噪声等特点。其锁扣机构位于电磁系统的下方。锁扣机构靠吸引线圈通电，吸引线圈断电后靠锁扣机构保持在锁住位置。由于线圈不通电，不仅无电力损耗 ，而且消除了磁噪音。
由德国引进的西门子公司的3TB系列、BBC公司的B系列交流接触器等具有80年代初水平。它们主要供远距离接通和分断电路，并适用于频繁地起动及控制交流电动机。3TB系列产品具有结构紧凑、机械寿命和电气寿命长、安装方便、可靠性高等特点。额定电压为220～660V，额定电流为9～630A。
3．接触器的选用及接触器的使用和维护
（1）接触器的选用
接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。具体分为以下步骤：
1）选择接触器的类型
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1 、AC2 、AC3和AC4 。一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。
2）选择接触器的额定参数
根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。
① 接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可
以降低，使用时也较安全。机床电路一般用110V。
② 电动机的操作频率不高，如水泵、风机等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。接触器类型可选用CJ10、CJ20等。
③ 对重任务型电机，如机床主电机等，其平均操作频率超过100次／min，运行于起动、点动、正反向制动、反接制动等状态，可选用CJl0Z、CJl2型的接触器。为了保证电寿命，可使接触器降容使用。选用时，接触器额定电流大于电机额定电流。
④ 对特重任务电机，如大型机床的主电机等，操作频率很高，可达600～12000次/小时，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJ10Z、CJ12等。
⑤用接触器对变压器进行控制时，应考虑浪涌电流的大小。例如交流主轴电机的变压器等，一般可按变压器额定电流的2倍选取接触器，型号选CJ10、CJ20等。
⑦ 接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间≤8h，且安装于敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电流按负荷额定电流的110%～120%选取。对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触电阻增大，导致触点发热超过允许温升。实际选用时，可将接触器的额定电流减小30%使用。
2．接触器的使用和维护
（1）接触器的使用
1）接触器安装前应先检查线圈的额定电压是否与实际需要相符。
2）接触器的安装多为垂直安装，其倾斜角不得超过5°，否则会影响接触器的动作特性；安装有散热孔的接触器时，应将散热孔放在上下位置，以降低线圈的温升。
3）接触器安装与接线时应将螺钉拧紧，以防振动松脱。
4）接线器的触头应定期清理，若触头表面有电弧灼伤时，应及时修复。
（2）常见故障及处理方法
接触器在使用时可能出现的故障很多，表1-8列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-8 接触器常见故障及修理方法
六、热继电器
数控机床的电动机在实际运行中常会遇到过载情况，但只要过载不严重、时间短，绕组不超过允许的温升，这种过载是允许的。但如果过载情况严重、时间长，则会加速电动机绝缘的老化，缩短电动机的使用年限，甚至烧毁电动机，因此必须对电动机进行过载保护。因此，在电动机回路中需要设置电动机过载保护装置，热继电器就是用于电动机的长期过载保护的。
热继电器是一种利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的保护电器，它主要用作电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行及其他电气设备发热状态的控制。使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。目前，双金属片式热继电器均为三相式，有带断相保护和不带断相保护两种。由于热惯性，热继电器不会瞬间动作，因此它不能用作短路保护。但也正是这个热惯性，使电动机起动或短时过载时，热继电器不会误动作。
1．热继电器的结构及动作原理
图1-15所示为双金属片热继电器原理结构图及符号。
FRFR
热元件常闭触点
图1-15 双金属片式热继电器结构原理图及符号
1-主双金属片 2-电阻丝 3-导板 4--补偿双金属片 5-螺钉 6-推杆
7-静触头 8-动触头 9-复位按钮 10-调节凸轮 11-弹簧
由图可见，热继电器主要由双金属片、热元件、复位按钮、传动杆、调节凸轮、触头系统和温度补偿元件等组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝2，串接在被保护电动机的主电路中，常闭触点串接于电动机的控制电路中。双金属片1是一种将两种线膨胀系数不同的金属用机械辗压方法使之形成一体的金属片。由于两种线膨胀系数不同的金属紧密地贴合在一起，当产生热效应时，使得双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，由弯曲产生的位移带动触头动作。
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，但还不足以使热继电器的触点动作。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流， 双金属片受热向上弯曲脱离导板3，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开， 电动机的主电路断电， 实现了过载保护。 故障排除后，按下复位按钮，使热继电器触点复位。热继电器动作电流的调节是通过旋转调节凸轮10来实现的。
2．带断相保护的热继电器
当电动机定子绕组为Y接时，在发生一相断线时，通过另两相的电流会增大，因流过热继电器的电流即为流过电动机绕组的电流，所以普通结构的热继电器可以如实反映电动机过载情况，它们均可实现电动机断相保护。
当电动机定子绕组接成Δ接时，在运行中发生一相断线时流过热继电器的电流与流过电动机非故障绕组的电流的增加比例不同。电动机非故障相流过的电流可能超过其额定电流，而流过热继电器的电流却未超过热继电器的整定电流值，故不能使热继电器动作，也就不能实现电动机的断相保护。为此，Δ形接线的三相电动机应选择三相带断相保护的热继电器，并可将其串接于电动机线电路中，由于有差动结构的作用可以实现断相保护。其结构如图1-16所
示。
图1-16 差动式断相保护机构及工作原理
a) 通电前 b) 三相正常电流 c) 三相均匀过载 d) W相断路 1-上导板 2-下导板 3-杠杆 4-顶头 5-补偿双金属片 6-主双金属片
带断相保护的热继电器是三相热继电器，有三个热元件分别接于三相段路中，导板采用差动结构。图1-16 a)为没有通电时的情况；图1-16 b)为三电流均小于整定电流是的情况，此时三相主双金属片均匀受热，同时向左弯曲，上下导板一起平行左移未超过临界位置，触头不动作；图1-16 c)为三相均匀过载的情况，三相主金属片均匀受热向左弯曲，推动下导板并带动上导板右移，超过临界位置，通过动作结构使常闭触头断开，切断电路，达到保护的目的；图1-16 d)为一相发生断路的情况（W相），此时只有W
相主金属片逐渐冷却，
带动上导板右移，而另外两相双金属片仍旧受热带动下导板左移，上下导板分别左右移动产生了差动放大作用，通过杠杆放大使常闭触头断开，切断控制电路，实现断相保护。
3．常用热继电器
目前国内生产的热继电器主要有JR0、JR1、JR2、JR9、R10、JRl5、JRl6等系列。JR0 、 JRl 、 JR2 和 JRl5 系列的热继电器均为两相结构，是双热元件的热继电器，可以用作三相异步电动机的均衡过载保护和定子绕组为 Y 联结的三相异步电动机的断相保护，但不能用作定子绕组为 △ 联结的三相异步电动机的断相保护。
JRl6 和 JR20 系列热继电器均为带断相保护的热继电器，具有差动式断相保护机构。选择时主要根据电动机定子绕组的联结方式来确定热继电器的型号，在三相异步电动机电路中，对 Y 联结的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，一般采用两相结构，即在两相主电路中串接热元件。但对于定子绕组为△联结的电动机必须采用带断相保护的热继电器。表1-9为JR20系列热继电器技术数据。
表1-9 JR20系列热继电器技术数据
4．热继电器的选用与维护 （1）热继电器的选用
热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素，具体应按以下几个方面来选择：
1）热继电器结构型式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。
2）热元件的整定电流选择：一般将整定电流调整到等于电动机的额定电流；对过载能力差的电动机，可将热元件整定值调整到电动机额定电流的0.6～0.8倍；对起动时间较长，拖动冲击性负载或不允许停车的电动机，热元件的整定电流应调节到电动机额定电流的1.1～1.15倍。
3）当电动机起动时间过长或操作次数过于频繁时，会使热继电器误动作或烧坏电器，故这种情况一般不用热继电器作过载保护。
4）对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复
升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。
（2）热继电器的常见故障及维护方法（见表1-10）
表1-10 热继电器的常见故障及维护方法
七、变压器
变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器，数控机床电气控制中必须使用变压器。 1．机床控制变压器。
机床控制变压器适用于频率50～60Hz，输入电压不超过交流660 V的电路。常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。图1-17为机床控制变压器外形图，图1-18为变压器电气图形及文字符号。
BK系列控制变压器适用于50～60Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控制电源、局部照明及指示灯电源。 2．三相变压器。
在三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器来实现。从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。图1-19为三相变压器外形图，图1-20为变压器电气图形及文字符号(星形-三角形连接)。 3．变压器的选择。
变压器的选择主要是依据变压器的额定值。根据设备的需要，变压器有标准和非标准两类。以下是这两类变压器的选择方法。
（1）根据实际情况选择初级(原边)额定电压U1(380V，220 V)，再选择次级额定电压U2，Us，„„(次级额定值是指初级加额定电压时，次级的空载输出，次级带有额定负载时输出电压下降5％，因此选择输出额定电压时应略高于负载额定电压)。
（2）根据实际负载情况，确定各次级绕组额定电流／2，／，，„„一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。
（3）次级额定容量由总容量确定，总容量算法如下： P2＝U2I2+U3 I3 +U4 I 4+²²²²²²
根据次级电压、电流(或总容量)来选择变压器，三相变压器也是按以上方法进行选择的。
单元三 控制电路常用机床电器元件
一、电磁式继电器
继电器是一种控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电信号去控制较大电压（电流）的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、信号放大、安全保护、转换电路等作用。继电器的种类较多，如电磁式继电器、舌簧式继电器、启动继电器、限时继电器、直流继电器、交流继电器等。但应用于数控机床电路的主要是电磁式继电器。
1．电磁式继电器的结构
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。
继电器“常开、常闭”触点的区分方式为：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”。
电磁式继电器有直流和交流之分，其结构和工作原理与接触器基本相同，但触头的通断电流值比接触器小，没有灭弧装置。
图 1-21 电磁式继电器的典型结构
1-底座 2-铁心 3-释放弹簧 4-调节螺母 5-调节螺母
6-衔铁 7-非磁性垫片 8-极靴 9-触头系统 10-线圈
2．电磁式继电器的工作原理 （1）中间继电器
中间继电器是最常用的继电器之一，中间继电器实质上是一种电压继电器，它的结构和接触器基本相同。中间继电器的特点是触头数量较多，在电路中起增加触头数量和中间放大作用。中间继电器体积小，动作灵敏度高，一般不用于直接控制电路的负荷。另外，在控制电路中还有调节各继电器、开关之间的动作时间，防止电路误动作的作用。中间继电器的文字符号、图形符号如图1-22所示。
KAKA
线圈常开触点常闭触点
图1-22 中间继电器的符号
（2）常用的电磁式继电器
①直流电磁式通用继电器 常用的有JT3、JT9、JT10、JT18等系列。 ②电磁式中间继电器 常用的有JZ7、 JZ11 、JZ14 、JZ15、 JDZ2等系列。
③电磁式交、直流电流继电器 常用的有JL3、JL14、JL15等系列。
表1-11 常用电磁式继电器
3．电磁式继电器的特性、主要参数和整定方法 （1）电磁式继电器的特性
继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图1-23所示。当继电器输入量X由零增至X0以前，继电器输出量Y为零。当输入量X增加到X0时，继电器吸合，输出量为1；若X
继续增大，Y保持不变。当X减小到X1时，继电器释放，输出量由1变为零，若X继续减小，Y值均为零。
Y10
图1-23 继电特性曲线
图1-24中，X 0称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X 0；X 1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于X 1。 K＝X1/X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。K值是可以调节的，不同场合对k值的要求不同。例如一般控制继电器要求k值低些，在0.1～0.4之间，这样继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作。保护继电器要求k值高些，一般在0.85～0.9之间。k值是反映吸力特性与反力特性配合紧密程度的一个参数，一般k值越大，继电器灵敏度越高，k值越小，灵敏度越低。
（2）电磁式继电器的主要参数
①额定参数 是指继电器的线圈和触头在正常工作时允许的电压或电流值。 ②动作参数 即继电器的吸合值和释放值。对电压继电器为吸和电压U0和释放电压Ur；对电流继电器为吸合电流和释放电流。
③整定值 根据要求，对继电器的动作参数进行人工调整的值。
④返回参数：是指继电器的释放值与吸合值的比值，用K表示。不同的应用场合要求继电器的返回参数不同。
⑤动作时间 有吸合时间和释放时间两种。吸合时间是指线圈接受电信号起，
到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈断电到衔铁完全释放所需的时间。
（3）电磁式继电器的整定方法
继电器的动作参数可以根据保护要求在一定范围内调整，现以图1-22所示的电磁式继电器为例说明。
①转动调节螺母4，调整释放弹簧的松紧程度可以调整动作参数。弹簧反力越大动作值就越大，反之就越小。
②改变非磁性垫片7的厚度。非磁性垫片越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻就越大，释放值也就越大，反之越小，而吸引值不变。
③转动调节螺母5，可以改变初始气隙的大小。在反作用弹簧力和非磁性垫片厚度一定时，初始气隙越大，吸引电值就越大，反之就越小，而释放值不变。 二、时间继电器
在数控机床电气控制中，有时需要按一定的时间间隔来进行某种控制。例如，某润滑泵需要定时起动、定时运行，以控制润滑油量，这类自动控制称为时间控制。简单的方法可利用时间继电器来实现控制。
时间继电器种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等。它按工作方式分为通电延时时间继电器和断电延时时间继电器，一般具有瞬时触点和延时触点这两种触点。时间继电器的符号如图1-24所示。
KT
线圈一般符号常开触点常闭触点
（a）瞬时动作
KT
或
或
线圈
延时闭合瞬时断开
常开触点
（b）通电延时
延时断开瞬时闭合
常闭触点
KT
或或
线圈瞬时闭合延时断开
常开触点
（c）断电延时瞬时断开延时闭合
常闭触点
图1-24 时间继电器的符号
1．空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的。它由电磁机构、延时机构、触头系统三部分组成，延时机构采用气囊式阻尼器，电磁机构可以是直流的，也可以是交流的。延时方式有通电延时和断电延时两种。
2．电子式时间继电器
电子式时间继电器在时间继电器中已成为主流产品，电子式时间继电器是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成．目前已有采用单片机控制的时间继电器。
（1）晶体管式时间继电器
晶体管式时间继电器也称为半导体式时间继电器，是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成。它主要利用RC电路电容充电原理作为延时环节而构成。 其特点是延时范围广，精度高，体积小，便调节，寿命长，是目前发展最快、最有前途的电子器件。 它的输出形式有两种：即有触点式和无触点式，前者是用晶体管驱动小型磁式继电器，后者是采用晶体管或晶闸管输出。图1-25为一种有触头式晶体管时间继电器的原理图，以此为例说明工作原理。
18 V
2
1K
图1-25晶体管时间继电器的原理图
整个线路可分为主电源、 辅助电源、 RC充放电电路和输出电路等几部分。 主电源是有电容C1滤波的桥式整流电路，它是触发器和输出继电器的工作电源。 辅助电源是也带电容C2滤波的半波整流电路， 它与主电源叠加起来作为RC环节的充电电源。
当电源通电时，晶体管V1立即导通，V2截止，继电器K不动作。同时，电源通过电位器RP和R对电容充电，a点电位逐渐上升，当a点电位高于b点电位时，二极管VD1导通，使V2截止，而V2变为导通，继电器K的线圈有电流通过，使触头动作。K的常闭触点断开，切断充电电路，K的常开触头闭合，接通电容C放电电路，为下一次工作做准备。延时时间是从电源接通到继电器触头动作这段时间，调节RP值可调节延时时间。
（2）数字式时间继电器
随着半导体技术、集成电路技术的进一步发展，采用新延时原理的时间继电器—数字式时间继电器诞生了。它的各种性能指标得到很大程度上的提高。目前先进的数字式时间及电器内部装有微处理器。
国内外数字式时间继电器按其时基发生器构成原理不同，可分为电源分频式、R-C振荡式和石英分频式三种类型的数字式时间继电器。它们的延时精度高、延时范围广、延时过程可数字显示和延时方法灵活，但电路复杂，价格较高。
四、固态继电器
固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。
由于固体继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，广泛应用在电动机调速、正反转控制等方面。
1．固态继电器的分类
固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。
2．固态继电器的工作原理
固体继电器（Solid State Relay SSR）是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控
制信导(几毫安到几十毫安)控制0.1A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR 实际是一个受控的电力电子开关。
固体继电器由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成。
这里仅以应用较多的交流过零型固体继电器为例，介绍其工作原理。该电路采用了过零触发技术，具有电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，因此电路的射频干扰很小。
该电路由信号输人电路、零电压检测控制电路、工作指示电路、双向晶闸管控制电路和吸收电路几部分组成。采用了光电耦合器GD作为输入电路和输出电路之间的隔离元件，VD是防止Vin正负接反烧坏GD。
电路工作过程：当无输入信号时，GD中的光敏三极管裁止，VT1是交流电压零点检测器，通过R3获得基极电流而饱和导通，将VTH的门极箝在低电位而处于关断状态。当有输人信号时，光敏三极管导通，此时VTH的状态由VT1决定，如此电源电压大于过零电压时，分压器R3、R2的分压点P电压大于VBE1，VT1饱和导通，SCR门极因箝位在低电位而截止，TR的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源电压小于过零电压，P点电压小于VBE1时G1截止，SCR门极获得触发信号而导通。在TR的门极获得触发脉冲，TR就导通．从而接通负载电源。
当输入信号关断后GD中的光敏三极管截止，G1饱和导通使SCR门极箝位在低电位而关断，但是此时TR仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载电流随VAC减小到小于双向晶闸管TR的维持电流后才会自行关断，切断负载电源。
由于触发信号方式不同，AC—SSR还分为过零型触发(Z 型)和非过零型或随机型(P型)触发两种。过零型和非过零型之间的区别主要在于负载交流电流导通的条件。过零型在输入信号Vin 施加的t1时刻，由于此时电源电压处在非过零区，其输出端不导通，只有当电源电压到达过零区t2时，输出端负载中才有电流流过。而非过零型在输入信号 Vin施加的t1时刻，不管电源电压处在什么状态，负载立刻导通。这两种类型的固体继电器关断条件相同。
3．固态继电器选用及使用注意事项
（1）固态继电器的选用
1）选用固态继电器的类型：应根据受控电路电源类型来正确选择固态继电器的电源类型，以保证应用电路及固态继电器的正常工作。
若受控电路的电源为交流电压，则应选用交流固态继电器（AG-SSR）。若受控电路的电源为直流电压，则应选用直流固态继电器（DC-SSR）。若选用了交流固态继电器，还应根据应用电路的结构选择有源式交流固态继电器或无源式交流固态继电器。
2）选择固态继电器的带负载能力：根据受控电路的电源电压和电流来选择固态继电器的输出电压和输出电流。
一般交流固态继电器的输出电压为AC20～380V，电流为1～10A；直流固态继电器的输出电压为4～55V，电流为0.5～10A。若受控电路的电流较小，则可选用小功率固态继电器。反之，则应选用大功率固态继电器。
（2）固态继电器使用的注意事项
当温度超过35℃后，固态继电器的负载能力（最大负载电流）随温度升高而降低，因此使用时必须注意散热或降低电流使用。
对于容性或电阻类负载，应限制其开通瞬间的浪涌电流值（一般为负载电流的7倍），对于电感性负载，应限制其瞬时峰值电压，以防止损坏固态继电器。 固态继电器SSR的内部电子元件均具有一定的漏电流，因此，它的输出回路不能实现电气隔离，这一点在使用中应特别注意。
四、控制按钮
控制按钮是一种简单的手动开关，通常用于发出操作信号，接通或断开电流较小的控制电路，以控制电流较大的电动机或其他电气设备的运行。
1．工作原理
控制按钮的结构和图形符号如图1-27所示，它由按钮帽、 动触点、 静触点和复位弹簧等构成。按钮中的触头可根据实际需要配成一常开一常闭至六常开六等不同的形式。常闭将按钮帽按下时，下面一对原来断开的静触点被桥式动触点接通，以接通某一控制电路；而上面一对原来接通的静触点则被断开，以断开另一控制回路。按钮帽释放后，在复位弹簧的作用下，按钮触点自动复位的先后顺序相反。通常，在无特殊说明的情况下，有触点电器的触点动作顺序均为“先断
后合”。
5
常闭（停止）常开（启动）按钮按钮复合按钮
图 1-27 控制按钮结构示意图及符号
1-按钮帽 2-复位弹簧 3-常闭静触头 4-动触头 5-常开静触头
在电器控制线路中，常开按钮常用来起动电动机，也称起动按钮，常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停车按钮，复合按钮用于联锁控制电路中。
2．种类形式
控制铵钮的种类很多，在结构上有嵌压式、紧急式、钥匙式、旋钮式、带灯式等。为了标明各个按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别。按钮帽的颜色有红、绿、黑、黄、蓝等， 一般用红色表示停止按钮， 绿色表示起动按钮。
3．选择原则
1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、防水式、防腐式等。
2）根据用途，选用合适的型式，如钥匙式、紧急式、带灯式等。
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。
五、行程开关
在实际生产中，有时需要控制生产机械的运动方向、行程大小或位置保护等。在这种情况下可以用一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制指令的自动电器，即行程开关。
行程开关，又称限位开关或位置开关，它可以完成行程控制或限位保护。它的作用原理与按钮类似，区别在于它不是靠手的按压，而是利用机械运动的部件碰压而使触点动作来发出控制指令的电器。
在机床控制系统中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，被用来控制机械运动
的位置或行程，使运动机械按一定的位置或行程实现自动停止、方向运动、变速运动或自动往返运动等。在数控机床控制系统中，行程开关常用于检测工作台、机械手运动的极限位置等。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
1．工作原理
行程开关的结构分为 3 个部分：操作机构、触头系统和外壳，行程开关的结构及符号如图1-28所示。
SQ
SQSQ
常开触头常闭触头复合触头 （a）直动式行程开关 （b）滚轮式行程开关
图1-28 行程开关的结构及符号如
（a）1-顶杆 2-复位弹簧 3-静触头 4-动触头 5-触头弹簧
（b）1-滚轮 2-上转臂 3-盘形弹簧 4-推杆 5、11-弹簧 6-小滚轮 7-压板 8、9-静触头 10-横板
（1）直动式行程开关 其结构原理如图1-28（a）所示，其动作原理与控制按钮相同，但其触点的动作是依靠生产机械的上的撞块压下的。生产机械的运行速度，不宜低于0.4m/min，否则触头分断过慢易被电弧烧坏。此时可以采用滚轮式行程开关。
（2）滚轮式行程开关 其结构原理如图1-28（b）所示，当被控机械上的撞块撞击带有滚轮1时，上转臂2转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆4向右转动，并压缩弹簧5，滑轮6也沿着横板10向右滚动，同时滑轮也压缩弹簧11，当滑轮移动到横板中间是，盘形弹簧3和弹簧11一起是横板10迅速移动，从而使微动开关中的动触点迅速与右边静触点触点分开，与左边的静触点闭合。当运动机械返回时，在复位弹簧的作用下，各部分动作部件复位。
（3）微动开关、脚踏开关
微动开关是具有瞬时动作和微小行程，可直接由一定的力经过一定的行程使触头速动，从而实现电路的转换的灵敏开关：
脚踏开关是一种特定形式的微动开关，它是将脚踏板和微动开关组合在一起的控制电器。图1-29为微动开关外形图，图1-30为脚踏开关外形图，图1-31为脚踏开关电气图形及文字符号。
2．行程开关主要类型
行程开关的主要参数有型式、动作行程、工作电压及触头的电流容量。目前国内生产的行程开关有LXK3、3SE3、LXl9、LXW和LX等系列。常用的行程开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32和LX33等系列。
3．选用原则
1）根据安装环境选择防护形式，是开启式还是防护式。
2）根据控制回路的电压和电流选择行程开关的型号。
3）根据机械与行程开关的传力与位移关系选择合适的头部结构形式。
六、接近开关
在数控机床上，有时需要无接触的行程控制和限位保护，上述有触点的行程开关可能无法实现。由于半导体元件的出现，产生了一种非接触式的行程开关，这就是接近开关，当生产机械接近它到一定距离范围之内时，它就能发出信号，以控制生产机械的位置或进行计数。它可以代替有触头行程开关来完成行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、位置控制、零件尺寸检测、机械手动作的自动衔接等非接触式检测。接近开关原理方框图如图1-32所示。
铁磁体
图1-32 接近开关原理方框图
接近开关按检测元件工作原理可分为高频振荡型、超声波型、电容型、感应电桥型、电磁感应型、永磁型、霍尔元件型与磁敏元件型等。不同型式的接近开
关所检测的被检测体不同。其中以高额振荡型为最常用，用于检测各种金属，占全部接近开关产量的80％以上。它包括感应头、振荡器、开关器、输出器和稳压器等几部分。当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。 其基本工作原理是振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当有金属物体接近振荡器的线圈时，该金属物体内部产生的涡流将吸取振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的产生振荡和停振这两个信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。
由于它具有非接触式触发、动作速度快、可在不同的检测距离内动作、发出的信号稳定无脉动、工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境等特点，所以很适合在数控机床电气系统中应用。
七、光电开关
光电开关是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，光电开关的检测距离可达几米至几十米。光电开关的用途已远超出一般行程控制和限位保护，可在自控系统、数控系统中用作测速、位置控制、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。
光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。但反射镜型安装时应根据被测物体的距离调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距一般为几米。漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，只要不是全黑的物体均能产生漫反射,散射型的检测距离更小，只有几百毫米。发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。
图1-33 光电开关示意图
（a）遮断型（b）反射镜反射型（c）漫反射型
八、信号灯
信号灯也称指示灯，主要用于在各种电气设备及线路中作电源指示、显示设备的工作状态以及操作警示等。
信号灯发光体有白炽灯、氖灯和发光二极管等。信号灯有持续发光（平光）和断续发光（闪光）两种发光形式，一般信号灯用平光灯，信号灯的图形符号如图1-34所示。断续发光的亮与灭的时间比一般在1:1～1:4之间，较优先的信息使用较高的闪烁频率。
平光灯
闪光灯
图1-34 信号灯的图形符号
如果要在图形符号上标注信号灯的颜色，可在靠近图形处标出对应颜色的字母：红色（RD）、黄色（YE）、绿色（GN）、蓝色（BU）、白色（WH）。如果要在图形符号上标注灯（信号灯或照明灯）的类型，可在靠近图形处标出对应类型的字母，如：白炽（IN）、电发光（EL）、荧光（FL）、发光二极管（LED）等。 指示灯的颜色及其含义如表1-12所示。
表1-12 指示灯的颜色及其含义
九、直流稳压电源
直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。包括降压、整流、滤波、稳压环节。
在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器、信号指示灯等提供直流电源。
现在常用的主要是开关电源和一体化电源。
1．开关电源
开关电源被称作高效节能电源，因为其内部电路工作在高频开关状态，所以自身消耗的能量很低，电源效率可达80%左右，比普通线性稳压电源提高近一倍。目前生产的无工频变压器的中、小功率开关电源，仍普遍采用脉冲宽度调制器（简称脉宽调制器PWM）或脉冲频率调制器（简称脉频调制器PFM）专用集成电路。它们是利用体积很小的高频变压器来实现电压变化及电网灼隔离，因此能省掉体积笨重且损耗较大的工频变压器。以GZM-U40型开关电源为例，其外观如图1-35所示，图1-36为直流稳压电源的电气图形及文字符号。
其外观如图1-35所示，图1-36为直流稳压电源的电气图形及文字符号。
GZM-U40的主要性能指标有：
输入AC电压：85～264 V；
输入频率：47～63Hz；
冷态冲击电流：20A／115V AC；30A／220V AC；
保护方式：过流保护(105％～150％的电流额定值开始保护)、过压保护、过
功率保护、短路保护、自动恢复；
启动、上升、保持时间：500ms、50ms、大于20ms；
抗电强度：输入与输出之间，输入与大地之间可承受AC l.5kV／min； 绝缘电阻：输入与大地、输入与输出之间加DC500V，绝缘电阻大于50MΩ； 工作环境温度：-10℃～45℃，60℃时可用满功率的60％。70℃时可用满功率的35％；
效率：65％～87％；
纹波噪声：小于输出电压的1％；
存储温度：-20℃～+85℃；
输出电压调整：±10％范围内，总调整率(线形及负载)小于±2％；
安全标准：参考UL1950。
2．一体化电源
一体化电源是采用外壳传导冷却方式的AC／DC开关电源，作为直流供电电源常应用于数字电路、工业仪表、交通运输、通信设备、工控机等大型设备及科研与实验设备之中。
以下是4NIC系列电源的主要参数（所有电参数测试均在环境温度为25℃下进行）。
输入参数：AC220V±10％ 50(47～63)Hz单相
AC380V±10％ 50Hz三相；
输出参数：DC5V～300V；
电流：0.5 A～20A；
功率：2W～2000W；
电压调整率：不大于0.5％ （5V时不大于1％）
电流调整率：不大于1.0％ （5 V时不大于2％）
纹波系数：不大于1.0％
工作频率：50Hz～100kHz
具有过热、过流、短路保护；可另加过压、欠压保护；负载率0～100％使用率80％效率80％
一般隔离电压：输入对外壳AC l500V/min 漏电流不大于10mA 51
模块一 数控机床电气控制基础
单元一 数控机床主电路常用电器元件
数控机床是在通用机床基础之上发展而来的，至今很多方面还保留着通用机床的痕迹，在电气系统主电路方面二者仍然是统一的。
本单元介绍数控机床主电路常用的电器元件，如低压断路器、开关、熔断器、接触器等，同时介绍其工作原理及选用原则，以便学会正确选择和合理使用，为分析和设计数控机床电气控制线路打下基础。
一、电器的作用与分类
根据外界特定的信号和要求自动或手动接通或断开电路，断续或连续改变电路参数，实现对电路或非电对象的接通、切换、保护、检测、控制、调节作用的装置称为电器。
工作在交流 1200V、直流 1500V 额定电压以下的电路中，能根据外界信号(机械力、电动力和其他物理量)，自动或手动接通和断开电路的电器称为低压电器。其作用是实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节。
数控机床电气控制系统中采用了低压电器作为基本组成元件，而且控制系统的优劣与所用的低压电器直接相关，因此掌握低压电器的基本知识和常用低压电器的结构及工作原理，并能准确选用、检测和调整常用低压电器元件，才能够分析数控机床电气控制系统的工作原理，处理及维修一般故障。
低压电器种类繁多、功能各样、构造各异，工作原理各不相同，常用低压电器的分类方法有：
1．按操作方式分类
（1）自动电器 依靠自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，如接触器、继电器等。
（2）手动电器 用手动操作来进行切换的电器，如组合开关、转换开关、按钮等。
2．按用途分类
（1）配电电器 主要用于低压配电系统中。要求系统发生故障时准确动作、可靠工作，在规定条件下具有相应的动稳定性与热稳定性，使电器不会被损坏。常用的配电电器有断路器、转换开关、熔断器、断路器等。
（2）控制电器 主要用于电气传动系统中。要求寿命长、体积小、重量轻且动作迅速、准确、可靠。常用的控制电器有接触器、继电器、电磁铁等。
3．按工作原理分类
（1）电磁式电器 根据电磁感应原理动作的电器，如接触器、继电器、电磁铁等。
（2）电子式电器 利用电子元件的开关效应，即导通和截止来实现电路的通、断控制。如接近开关、霍尔开关、电子式时间继电器、固态继电器等。
（3）非电量控制电器 依靠外力或非电量信号（如速度、压力、温度等）的变化而动作的电器，如转换开关、行程开关、速度继电器、压力继电器、温度继电器等。
以上这些电器很多在机床电路中得到广泛应用，因此有时也称之为“机床电器”，或者说机床电器类属于低压电器。
二、低压断路器
低压断路器通常称自动开关或空气开关，具有控制电器和保护电器的复合功能，可用于数控机床主电路及分支电路的通断控制。当电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断。在正常情况下也可用做不频繁地直接接通和断开电动机控制电路。
低压断路器的种类繁多，按其用途和结构特点分为DW型框架式（或称万能式）断路器、DZ型塑料外壳式（或称装置式）断路器、DS型直流快速断路器和DWX型/DWZ型限流式断路器等。
框架式断路器规格、体积都比较大些，主要用作配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器相对要小，除用作配电线路的保护开关外，还可用作电动机、照明电路及电热电路的控制，因此数控机床主要使用塑料外壳式断路器。
下面以塑料外壳式断路器为例，简要介绍其结构、工作原理、使用与选用方法。
1．断路器的结构与工作原理
断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器，脱扣器又包括过电流脱扣器、欠电压脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器。图1-1是断路器工作原理示意图及图形符号。
断路器合闸或分断操作是靠操作机构手动或电动进行的，合闸后自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上，使触头闭合。当电路发生故障时，通过各自的脱扣器使自由脱扣机构动作，以实现起保护作用的自动分断。
远控按钮
过电流脱扣器QFQF保护
保护
热脱扣器保护
失电压脱扣器断路器图形符号
1-分闸弹簧 2-主触头 3-传动杆 4-锁扣 5-轴 6-过电流脱扣器
7-热脱扣器 8-欠压失压脱扣器 9-分励脱扣器
图1-1 断路器工作原理示意图及图形符号
过流脱扣器、欠压脱扣器和热脱扣器实质都是电磁铁。在正常情况下，过流脱扣器的衔铁是释放着的，电路一旦发生严重过载或短路故障时，与主电路相串联的线圈将产生较强的电磁吸力吸引衔铁，从而推动杠杆顶开锁钩，使主
触点断开。失压脱扣器的工作情况恰恰相反，在电压正常时，吸住衔铁才不影响主触点的闭合，一旦电压严重下降或断电时，电磁吸力不足或消失，衔铁被释放而推动杠杆，使主触点断开。热脱扣器是在电路发生轻微过载时，过载电流不立即使脱扣器动作，但能使热元件产生一定的热量，促使双金属片受热向上弯曲，当持续过载时双金属片推动杠杆使搭钩与锁钩脱开，将主触点分开。
注意，低压断路器由于过载而分断后，应等待 2min～3min 热脱扣器复位才能重新操作接通。
分励脱扣器可做为远距离控制断路器分断之用。
断路器因其脱扣器的组装不同，其保护方式、保护作用也不同。一般在图形符号中标注其保护方式，图1-1所示的断路器图形符号中标注了失压、过载、过电流3种保护方式。
2．低压断路器的型号含义和主要技术参数
（1）低压断路器的型号含义
（2）主要技术参数
1）额定电压
①额定工作电压 断路器的额定工作电压是指与能断能力及使用类别相关的电压值。对多相电路是指相间的电压值。
②额定绝缘电压 断路器的额定绝缘电压是指设计断路器的电压值，电气间隙和爬电距离应参照这些值而定。除非型号产品技术文件另有规定，额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压。在任何情况下，最大额定工作电压不超
过绝缘电压。
2）额定电流
①断路器壳架等级额定电流 用尺寸和结构相同的框架或塑料外壳中能装入的最大脱扣器额定电流表示。
②断路器额定电流 断路器额定电流就是额定持续电流。也就是脱扣器能长期通过的电流。对带可调式脱扣器的断路器指可长期通过的最大电流。
3．低压断路器的保护特性
断路器的保护特性主要是指断路器过载和过流保护特性，即断路器动作时间与过载和过流脱扣器的动作电流关系。
图中ab段为过载保护曲线，具有反时限。
df段为瞬时动作曲线，当故障电流超过d点对应电流时，过电流脱扣器便瞬时动作。
bce段为定时限延时动作曲线，当故障电流超过c点对应电流时，过电流脱扣器经短时延时后动作，延时长短由c点与d点对应的时间差决定。
根据需要，断路器的保护特性可以是两段式，如abdf曲线，既有过载延时，又有短路瞬时保护；而abce曲线保护则为过载长延时和短路短延时保护。
另外还可有三段式的保护特性，如abcghf曲线，既有过载长延时，短路短延时，又有特大短路的瞬时保护。
为达到良好的保护作用，断路器的保护特性应与被保护对象的允许发热特性有合理的配合，即断路器保护特性2位于被保护对象的允许发热特性1的下方，并以此来合理选择断路器的保护特性。
1-被保护对象的发热特性 2-低压断路器保护特性
图1-2 低压断路器的保护特性
4．低压断路器典型产品
（1）塑料外壳式断路器 塑料外壳式断路器外壳是绝缘的，内装触点系统、灭弧室及脱扣器等，可手动或电动(对大容量断路器而言)操作。有较高的分断能力和动稳定性，有较完善的选择性保护功能，用途广泛。
目前数控机床常用的有DZ5、DZ20、DZXl9、DZ108和C45N（目前已升级为C65N）等系列产品。其中C45N（C65N）断路器具有体积小，分断能力高、限流性能好、操作轻便，型号规格齐全、可以方便地在单极结构基础上组合成二极、三极、四极断路器的优点，广泛使用在60A及以下的支路中。以DZ5系列断路器为例其主要技术数据见表1-1。
表1-1 DZ5系列低压断路器主要技术数参数
（2）漏电保护型低压断路器 漏电保护型低压断路器又称为漏电保护自动开关。常用它作为低压交流电路中配电，电动机过载、短路、漏电保护使用。
漏电保护型低压断路器主要由三部分组成：自动开关、零序电流互感器和漏电脱扣器。实际上，漏电保护型低压断路器就是在一般的低压断路器的基础上增加了零序电流互感器和漏电脱扣器来检测漏电情况。当有人身触电或设备漏电时能够迅速切断故障电路，避免人身和设备受到危害。
常用的漏电保护型低压断路器有电磁式和电子式两大类。电磁式漏电保护型低压断路器又分为电压型和电流型。
电流型的漏电保护型低压断路器比电压型的性能较为优越，所以目前使用的大多数漏电保护型低压断路器为电流型。
以电磁式电流型漏电保护型低压断路器为例：
1）三相漏电保护型低压断路器 图1-3所示为电磁式电流型的三相漏电保护型低压断路器的原理图。电路中的三相电源线穿过零序电流互感器1的环形铁心，零序电流互感器的输出端与漏电脱扣器2相联结，漏电脱扣器的衔铁被永久磁铁吸住，拉紧了释放弹簧。当电路正常时，三相电流的向量和为零，零序电流互感器的输出端无输出，漏电保护自动开关处于闭合状态。
图1-3 电磁式电流动作型的三相漏电保护型低压断路器原理图
当有人触电或设备漏电时，触电电流或漏电电流从大地流回变压器的中性点，此时，三相电流的向量和不为零，零序电流互感器的输出端有感应电流Is输出，当Is足够大时，该感应电流使得漏电脱扣器产生的电磁吸力抵销掉永久磁场所产生的对衔铁的电磁吸力，漏电脱扣器释放弹簧的反力就会将衔铁释放，漏电闭合自动开关触点动作，切断电路使触电的人或漏电的设备与电源脱离，起到漏电保护的作用。
2）单相漏电保护型低压断路器 单相电路的漏电保护型低压断路器，其保护原理类似于三相漏电保护型低压断路器。不同的是，单相漏电保护自动开关穿过零序电流互感器的导线是相线和中线。当线路正常时，相线和中线电流的向量和为零，因此零序电流互感器的铁心中的磁通也为零，互感器的二次回路无输出，漏电保护自动开关的触电处于闭合状态；而当出现人身触电或设备漏电时，相线和中线的矢量和不为零，互感器的二次侧有输出，如该输出电流大于漏电脱扣器的动作电流，则漏电脱扣器动作，使漏电保护自动开关的触点断开，从而切断电路，保护人身和设备的安全。
单相漏电保护型低压断路器一般其额定电压为交流220V，额定电流为15～16A或32A左右，额定动作电流为30mA，漏电脱扣器动作时间小于0.1s。
（3）智能型低压断路器
智能型断路器的特征是采用了以微处理器或单
片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），它不仅具备普通断路器的各种保护功能，同时还具备实时显示电路中的各种电气参数（电流、电压、功率、功率因数等），对电路进行在线监视、自行调节、测量、试验、自诊断、通信等功能，能够对各种保护功能的动作参数进行显示、设定和修改，保护电路动作时的故障参数能够存储在非易失存储器中以便查询，国内DW45、DW40、DW914(AH)、DWl8(AE-S)、DW48、DWl9(3WE)、DWl7(ME)等智能化框架断路器和智能化塑壳断路器，都配有ST系列智能控制器及配套附件，它采用积木式配套方案，可直接安装于断路器本体中，无需重复二次接线，并可多种方案任意组合。
5．低压断路器的选用与维护
（1）断路器的选用
1）根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式。
2）断路器的额定电压UN应等于或大于被保护线路的额定电压。
3）断路器欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压。
4）断路器的额定电流及过流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流。
5）断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值。
6）线路中的上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交。
7）断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。
（2）断路器的维护
1）在安装低压断路器时应注意把来自电源的母线接到开关灭弧罩一侧（上口）的端子上，来自电气设备的母线接到另外一侧（下口）的端子上。
2）低压断路器投入使用时应按照要求先整定热脱扣器的动作电流，以后就不应随意旋动有关的螺钉和弹簧。
3）发生断路、短路事故的动作后，应立即对触点进行清理，检查有无熔坏，清除金属熔粒、粉尘等，特别要把散落在绝缘体上的金属粉尘清除干净。
4）在正常情况下，每六个月应对开关进行一次检修，清除灰尘。 （3）断路器常见故障及修理方法
低压断路器在使用时有可能出现一些故障，表1-2列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-2 低压断路器常见故障及修理方法
三、开关
1．组合开关
组合开关又称转换开关，控制容量比较小，结构紧凑，常用于交流380V
以下，直流220V以下的电气线路中，手动不频繁地接通或分断电路，也可控制小容量交、直流电动机的正反转、星—三角起动和变速换向等。常用的产品有HZ5、HZ10和HZ15系列。HZ5系列是类似万能转换开关的产品，其结构与一般转换开关有所不同；组合开关种类很多，有单极、双极和多极之分。
常用的是三极的组合开关，其外形、符号如图1-4所示。
a) 外形
b) 符号
图1-4 组合开关的外形和符号
（1）组合开关的结构
组合开关的结构由三个分别装在三层绝缘件内的双断点桥式动触片、与盒外接线柱相连的静触点、绝缘方轴、手柄等组成。动触片装在附有手柄的绝缘方轴上，方轴随手柄而转动，于是动触片随方轴转动并变更与静触片分、合的位置。
组合开关常用来作电源的引入开关，起到设备和电源间的隔离作用，在小型数控机床上应用普遍。
（2）组合开关的选用
1）用于机床电路时，组合开关的额定电流应等于或大于被控制电路中各负载电流的总和。
2）用于电动机控制时，组合开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5～2.5倍。
3）组合开关的通断能力较低，当用于控制电动机作可逆运转时，必须在电动机完全停止转动后，才能反向接通。
4）当操作频率过高或负载的功率因数较低时，转换开关要降低容量使用，否则会影响开关寿命。
（3）组合开关的型号含义及技术参数 1）型号含义
2）技术参数
HZ型组合开关的主要技术参数见表1-3
表1-3 HZ型组合开关的主要技术参数
2．万能转换开关
万能转换开关是由多组相同结构的触头组件叠装而成的多档位多回路的手动控制电器。它具有多个操作位置和触点、能进行多个电路的换接的手动控制电器。它可用于机床电气控制线路的换接以及小容量电动机的起动、制动、调速和换向的控制，其触头档数多、换接线路多、用途广泛，故有“万能”之称。 如图1-5所示为万能转换开关单层的结构示意图。
图1-5 能转换开关单层的结构示意图
典型的万能转换开关由触点座、凸轮、转轴、定位机构、螺杆和手柄等组成，并由1～20层触点底座叠装而成，每层底座可装三对触点，由触点底座中且套在转轴上的凸轮来控制此三对触点的接通和断开。由于各层凸轮的形状可制成不同，因此用手柄将开关转到不同的位置，使各对触点按需要的变化规律接通或断开，达到满足不同线路的需要的目的。由于其触点的分合状态与操作手柄的位置有关，所以，除在电路图中画出触点图形符号外，还应画出操作手柄与触点分合状态的关系。
万能转换开关主要由接触系统、操作轴、手柄、定位机构等部件组成，并用螺为一个整体。万能转换开关的图形符号及如图1-6所示。
机构、转栓组装成文字符号
123456
SA
a) 图形符号
图1-6 万能转换开关的图形符号
b) 触头分合表
图中竖的虚线代表手柄的位置，垂直方向的数字1~6表示触点编号，水平方向的数字及文字“1”、“0”、“2”表示手柄的操作位置（档位）。在不同的操作位置，各对触点的通、断状态的表示方法为：在触点的下方与虚线相交位置有黑色圆点表示在对应操作位置时触点接通，没涂黑色圆点表示在该操作位置不通。触头的通断也可以用触头分合表来表示，表中“³”表示触头闭合，空白表示触头分断。
万能转换开关的常用产品有LW5和LW6系列。LW5系列可控制5.5kW及以下的小容量电动机；LW6系列只能控制2.2kW及以下的小容量电动机。用于可逆运行控制时，只有在电动机停车后才允许反向起动。LW5系列万能转换开关按手柄的操作方式可分为自复式和自定位式两种。所谓自复式是指用手拨动手柄于某一档位时，手松开后，手柄自动返回原位；定位式则是指手柄被置于某档位时，不能自动返回原位而停在该档位。
3.组合开关和万能转换开关的常见故障及修理方法
组合开关和万能转换开关在使用时有可能出现一些故障，表1-4列出了HZ型组合开关一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-4 HZ型组合开关常见故障及修理方法
四、熔断器
熔断器是一种结构简单、使用方便、应用广泛、价格低廉的保护电器。主要用作电路或用电设备的短路保护，有时对严重过载也可起到保护作用。它串联在电路中，当通过的电流大于规定值时，使熔体熔化而自动分断电路。
1．熔断器的结构及保护特性
（1）熔断器的结构 熔断器由熔体(俗称保险丝)和安装熔体的熔管(或熔座)两部分组成。其中熔体是关键部分，它既是感测元件又是执行元件，熔体是由低熔点的金属材料(如铅、锡、锌、铜、银及其合金等)制成，其形状有丝状、带状、片状等；熔管的作用是安装熔体及在熔体熔断时熄灭电弧，多由陶
瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维材料制成。
熔断器的熔体串联在被保护电路中，当电路正常工作时，熔体中通过的电流不会使其熔断；当电路发生短路或严重过载时，熔体中通过的电流很大，使其发热，当温度达到熔点时熔体瞬间熔断，切断电路，起到保护作用。
熔断器的图形及文字符号如图 1-7所示。
图 1-7 熔断器的图形及文字符号
（2）熔断器的保护特性
电流通过熔体时产生的热量与电流的平方及通过电流的时间成正比，即Q=IRt，由此可见，电流越大，熔体熔断的时间越短，这一特性称为熔断器的保护特性(或称安秒特性)，其特性曲线如图1-8所示，由图可见它是一反时限特性。
2
图 1-8 熔断器的安秒特性曲线
在安秒特性中有一熔断与不熔断电流的分界线，与此相应的电流就是最小熔断电流 Ir。当熔体通过电流小于 Ir时，熔体不应熔断。根据对熔断器的要求，熔体在额定电流 Ire时绝对不应熔断。最小熔断电流 Ir与熔体额定电流 Ire
之比称为熔断器的熔断系数，即 Kr=Ir/Ire。从过载保护来看，Ｋr值较小时对小倍数过载保护有利，但Ｋr也不宜接近于 1，当Ｋr为 1时，不仅熔体在 Ire下的工作温度会过高，而且还有可能因为安秒特性本身的误差而发生熔体在 Ire下也熔断的现象，影响熔断器工作的可靠性。熔断电流与熔断时间之间的关系如表1-5所示。
表1-5 熔断电流与熔断时间之间的关系
当熔体采用低熔点的金属材料（如铅、锡、铅锡合金及锌等）时，熔断时所需热量少，故熔断系数较小，有利于过载保护；但它们的电阻率较大，熔体截面积较大，熔断时产生的金属蒸气较多，不利于电弧熄灭，故分断能力较低。当熔体采用高熔点的金属材料(如铝、铜和银)时，熔断时所需热量大，故熔断率大，不利于过载保护，而且可能使熔断器过热；但它们的电阻率低，熔体截面积较小，有利于电弧熄灭，故分断能力较高。由此来看，不同熔体材料的熔断器在电路中起保护作用的侧重点是不同的。
2．熔断器的主要技术参数
（1）额定电压 是指熔断器长期工作和断开后能够承受的电压，其值应大于或等于电气设备的额定电压。
（2）额定电流 是指熔断器长期工作时，被保护设备温升不超过规定值时所能承受的电流。为了减少生产厂家熔断器额定电流的规格，熔断器的额定电流等级比较少，而熔体的额定电流等级比较多，即在一个额定电流等级的熔断器可安装多个额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断器的额定电流。
（3）极限分断能力 是指熔断器在规定的额定电压和功率因数(或时间常数)的条件下，能断开的最大电流，在电路中出现的最大电流一般是指短路电流。所以，极限分断能力反映了熔断器分断短路电流的能力。
3．常用熔断器
熔断器的种类很多，按用途分为一般工业用熔断器、半导体器件保护用快速熔断器和特殊熔断器(如具有两段保护特性的快慢动作熔断器、自复式熔断器)。按结构可分瓷插式、螺旋式、无填料密封管式和有填料密封管式等，数控机床常用的有螺旋式熔断器和有填料密封管式等。
（1）螺旋式熔断器 如图l-9所示。熔体上的上端盖有一熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷帽上的玻璃孔观察到。螺旋式熔断器分断电流较大，可用于电压等级500V及其以下、电流等级200A以下的电路中，作短路保护。
图 1-9 RL1 系列螺旋式熔断器
1—上接线柱 2—瓷底 3—下接线柱 4—瓷套 5—熔芯 6—瓷帽
（2）封闭式熔断器 封闭式熔断器分有填料熔断器和无填料熔断器两种，如图l-10和图l-11所示。有填料熔断器一般用方形瓷管，内装石英砂及熔体，分断能力强，用于电压等级500V以下、电流等级1KA以下的电路中。无填料密闭式熔断器将熔体装入密闭式圆筒中，分断能力稍小，用于500V以下，600A以下电力网或配电设备中。
a) 外形
b) 结构
图1-10 RM10 系列无填料密封管式熔断器
1、4、10—夹座 2—底座 3—熔断器 5—硬质绝缘管 6—黄铜套管 7—黄铜帽 8—插刀 9—熔体
a) 外形
b) 结构
图 1-11 RT0 有填料密封管式熔断器
ｌ—熔断指示器 2—硅砂(石英砂)填料 3—熔丝 4—插刀 5—底座 6—熔体 7—熔管
（3）快速熔断器 它主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有V形深槽的变截面熔体。
（4）自复熔断器 采用金属钠作熔体，在常温下具有高电导率。当电路发生短路故障时，短路电流产生高温使钠迅速汽化，汽态钠呈现高阻态，从而
限制了短路电流。当短路电流消失后，温度下降，金属钠恢复原来的良好导电性能。自复熔断器只能限制短路电流，不能真正分断电路。其优点是不必更换熔体，能重复使用。
4．熔断器的选用与维护
（1）熔断器的选用
1）熔断器的选择
主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。对于容量小的电动机和照明支线，常采用熔断器作为过载及短路保护，因而希望熔体的熔化系数适当小些。通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器。对于较大容量的电动机和照明干线，则应着重考虑短路保护和分断能力。通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器。
熔体的额定电流可按以下方法选择：
① 保护无起动过程的平稳负载如照明线路、电阻、电炉等时，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。
② 保护单台长期工作的电机熔体电流可按最大起动电流选取，也可按下式选取：
IRN ≥ (1.5～2.5)IN
式中IRN—熔体额定电流；IN—电动机额定电流。如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至3～3.5，具体应根据实际情况而定。
③ 保护多台长期工作的电机（供电干线）
IRN ≥ (1.5～2.5)IN max+ΣIN
式中IN max—容量最大单台电机的额定电流。ΣIN其余电动机额定电流之和。
2）熔断器的使用
① 对不同性质的负载，如照明电路、电动机电路的主电路和控制电路等，应分别保护，并装设单独的熔断器。
② 安装螺旋式熔断器时，必须注意将电源线接到瓷底座的下接线端（即低进高出的原则），以保证安全。
③ 瓷插式熔断器安装熔丝时，熔丝应顺着螺钉旋紧方向绕过去，同时应注意不要划伤熔丝，也不要把熔丝绷紧，以免减小熔丝截面尺寸或插断熔丝。
④ 更换熔体时应切断电源，并应换上相同额定电流的熔体。
（2）熔断器的维护
熔断器在使用时有可能出现一些故障，表1-6列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-6 熔断器常见故障及修理方法
五、接触器
接触器是数控机床电气控制中重要的电器，它是利用电磁吸力和弹簧反力的配合作用，实现触头闭合与断开，是一种电磁式的自动切换电器。
接触器可以频繁地接通或分断交直流电路，并可实现远距离控制。其主要控制对象是电动机，也可用于其它负载。接触器不仅能实现远距离自动操作及欠压和失压保护功能，而且具有控制容量大、过载能力强、工作可靠、操作频率高、使用寿命长、设备简单经济等特点，所以它是机床电气控制线路中使用最广泛的电器元件。
接触器按其分断电流的种类可分为直流接触器和交流接触器；按其主触点
的极数可分单极、双极、三极、四极、五极几种，单极、双极多为直流接触器。数控机床主要使用交流接触器。
1．交流接触器的结构及工作原理
交流接触器主要由电磁机构、触点系统、灭弧装置和其他辅助部件四大部分组成。结构示意图如图1-12所示，外形如图1-13所示，接触器的图形、文字符号如图1-14 所示。
图1-12 CJ20系列交流接触器结构示意图
1—动触点2—静触点3—衔铁4—弹簧5—线圈6—铁心
7—垫毡8—触点弹簧9—灭弧罩10—触点压力弹簧
图1-13 交流接触器外形
（a）线圈 （b）主触点 (c) 常开辅助触点 (d) 常闭辅助触点
图1-14 接触器的图形、文字符号
1） 电磁系统 用来操作触头闭合与分断。它包括静铁心、吸引线圈、动铁心（衔铁）。铁心用硅钢片叠成，以减少铁心中的铁损耗，在铁心端部极面上装有短路环，其作用是消除交流电磁铁在吸合时产生的震动和噪音。
2） 触点系统 起着接通和分断电路的作用。它包括主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路或大电流电路，主触点容量较大，一般为三极。辅助触点用于通断小电流的控制电路，起控制其他元件接通或断开及电气联锁作用，辅助触点容量较小。辅助触点结构上通常常开和常闭是成对的。当线圈得电后，衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，同时带动动触点移动，使其与常闭触点的静触点分开，与常开触点的静触点接触，实现常闭触点断开，常开触点闭合。辅助触点不能用来断开主电路。主、辅触点一般采用桥式双断点结构。
3)灭弧装置 起着熄灭电弧的作用。对于大容量的接触器，常采用窄缝灭弧及栅片灭弧，对于小容量的接触器，采用电动力吹弧、灭弧罩等。
4）其他部件 主要包括恢复弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。
交流接触器的工作原理是：当吸引线圈通电后，线圈电流在铁心中产生磁通，该磁通对衔铁产生克服复位弹簧反力的电磁吸力，动铁心被吸合从而带动触点动作。触点动作时，常闭触点先断开，常开触点后闭合。当吸引线圈断电或线圈中的电压值降低到某一数值时(无论是正常控制还是欠电压、失电压故障，一般降至线圈额定电压的 85%)，铁心中的磁通下降，电磁吸力减小，当减小到不足以克服复位弹簧的反力时，衔铁在复位弹簧的反力作用下复位，
使
主、辅触点的常开触点断开，常闭触点恢复闭合。这就是接触器的欠压、失压保护功能。
2．接触器的主要技术参数及常用的接触器
（1）接触器的主要技术参数
1）额定电压 指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。一只接触器常规定几个额定电压，同时列出相应的额定电流或控制功率。通常，最大工作电压即为额定电压。常用的额定电压值为220V、380V、660V等。
2）额定电流 接触器触点在额定工作条件下的电流值。380V三相电动机控制电路中，额定工作电流可近似等于控制功率的两倍。常用额定电流等级为5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。
3）通断能力 可分为最大接通电流和最大分断电流。最大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值；最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。一般通断能力是额定电流的5～10倍。当然，这一数值与开断电路的电压等级有关，电压越高，通断能力越小。
4）动作值 可分为吸合电压和释放电压。吸合电压是指接触器吸合前，缓慢增加吸合线圈两端的电压，接触器可以吸合时的最小电压。释放电压是指接触器吸合后，缓慢降低吸合线圈的电压，接触器释放时的最大电压。一般规定，吸合电压不低于线圈额定电压的85％，释放电压不高于线圈额定电压的70%。
5）吸引线圈额定电压 接触器正常工作时，吸引线圈上所加的电压值。一般该电压数值以及线圈的匝数、线径等数据均标于线包上，而不是标于接触器外壳铭牌上，使用时应加以注意。
6）操作频率 接触器在吸合瞬间，吸引线圈需消耗比额定电流大5～7倍的电流，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，直接影响接触器的正常使用。为此，规定了接触器的允许操作频率，一般为每小时允许操作次数的最
大值。
7）寿命 包括电寿命和机械寿命。目前接触器的机械寿命已达一千万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%～20％。
另外，接触器还有个使用类别的问题。这是由于接触器用于不同负载时，对主触点的接通和分断能力的要求不一样，而不同类别接触器是根据其不同控制对象（负载）的控制方式所规定的。根据低压电器基本标准的规定，接触器的使用类别比较多，其中，在电力拖动控制系统中，接触器常见的使用类别及其典型用途见表1-7。
表1-7 接触器的使用类别及典型用途
接触器的使用类别代号通常标注在产品的铭牌或工作手册中。表1-7中要求接触器主触点达到的接通和分断能力为：AC-1 和 DC-1 类允许接通和分断额定电流；AC-2、DC-3 和 DC-5 类允许接通和分断4倍的额定电流；AC-3 类允许接通6倍的额定电流和分断额定电流；AC-4 类允许接通和分断6倍的额定电流。
（2）常用接触器
我国生产的交流接触器常用的有CJ10，CJ12，CJX1，CJ20等系列及其派生系列产品，CJ0系列及其改型产品已逐步被CJ20、CJX系列产品取代。上述系列产品一般具有三对常开主触点，常开、常闭辅助触点各两对。直流接触器常用的有CZ0系列，分单极和双极两大类，常开、常闭辅助触点各不超过两对。常用的直流接触器有 CZ18、CZ21、CZ22、CZ10 和 CZ2 等系列。
除以上常用系列外，我国近年来还引进了一些生产线，生产了一些满足IEC标准的交流接触器，如：
CJ12B-S系列锁扣接触器，用于交流50Hz、电压380V及以下、电流600A及以下的配电电路中，供远距离接通和分断电路用，并适宜于不频繁地起动和停止交流电动机。具有正常工作时吸引线圈不通电、无噪声等特点。其锁扣机构位于电磁系统的下方。锁扣机构靠吸引线圈通电，吸引线圈断电后靠锁扣机构保持在锁住位置。由于线圈不通电，不仅无电力损耗 ，而且消除了磁噪音。
由德国引进的西门子公司的3TB系列、BBC公司的B系列交流接触器等具有80年代初水平。它们主要供远距离接通和分断电路，并适用于频繁地起动及控制交流电动机。3TB系列产品具有结构紧凑、机械寿命和电气寿命长、安装方便、可靠性高等特点。额定电压为220～660V，额定电流为9～630A。
3．接触器的选用及接触器的使用和维护
（1）接触器的选用
接触器的选用，应根据负荷的类型和工作参数合理选用。具体分为以下步骤：
1）选择接触器的类型
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1 、AC2 、AC3和AC4 。一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。
2）选择接触器的额定参数
根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。
① 接触器的线圈电压，一般应低一些为好，这样对接触器的绝缘要求可
以降低，使用时也较安全。机床电路一般用110V。
② 电动机的操作频率不高，如水泵、风机等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。接触器类型可选用CJ10、CJ20等。
③ 对重任务型电机，如机床主电机等，其平均操作频率超过100次／min，运行于起动、点动、正反向制动、反接制动等状态，可选用CJl0Z、CJl2型的接触器。为了保证电寿命，可使接触器降容使用。选用时，接触器额定电流大于电机额定电流。
④ 对特重任务电机，如大型机床的主电机等，操作频率很高，可达600～12000次/小时，经常运行于起动、反接制动、反向等状态，接触器大致可按电寿命及起动电流选用，接触器型号选CJ10Z、CJ12等。
⑤用接触器对变压器进行控制时，应考虑浪涌电流的大小。例如交流主轴电机的变压器等，一般可按变压器额定电流的2倍选取接触器，型号选CJ10、CJ20等。
⑦ 接触器额定电流是指接触器在长期工作下的最大允许电流，持续时间≤8h，且安装于敞开的控制板上，如果冷却条件较差，选用接触器时，接触器的额定电流按负荷额定电流的110%～120%选取。对于长时间工作的电机，由于其氧化膜没有机会得到清除，使接触电阻增大，导致触点发热超过允许温升。实际选用时，可将接触器的额定电流减小30%使用。
2．接触器的使用和维护
（1）接触器的使用
1）接触器安装前应先检查线圈的额定电压是否与实际需要相符。
2）接触器的安装多为垂直安装，其倾斜角不得超过5°，否则会影响接触器的动作特性；安装有散热孔的接触器时，应将散热孔放在上下位置，以降低线圈的温升。
3）接触器安装与接线时应将螺钉拧紧，以防振动松脱。
4）接线器的触头应定期清理，若触头表面有电弧灼伤时，应及时修复。
（2）常见故障及处理方法
接触器在使用时可能出现的故障很多，表1-8列出了一些常见故障、故障原因和修理方法。
表1-8 接触器常见故障及修理方法
六、热继电器
数控机床的电动机在实际运行中常会遇到过载情况，但只要过载不严重、时间短，绕组不超过允许的温升，这种过载是允许的。但如果过载情况严重、时间长，则会加速电动机绝缘的老化，缩短电动机的使用年限，甚至烧毁电动机，因此必须对电动机进行过载保护。因此，在电动机回路中需要设置电动机过载保护装置，热继电器就是用于电动机的长期过载保护的。
热继电器是一种利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的保护电器，它主要用作电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行及其他电气设备发热状态的控制。使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。目前，双金属片式热继电器均为三相式，有带断相保护和不带断相保护两种。由于热惯性，热继电器不会瞬间动作，因此它不能用作短路保护。但也正是这个热惯性，使电动机起动或短时过载时，热继电器不会误动作。
1．热继电器的结构及动作原理
图1-15所示为双金属片热继电器原理结构图及符号。
FRFR
热元件常闭触点
图1-15 双金属片式热继电器结构原理图及符号
1-主双金属片 2-电阻丝 3-导板 4--补偿双金属片 5-螺钉 6-推杆
7-静触头 8-动触头 9-复位按钮 10-调节凸轮 11-弹簧
由图可见，热继电器主要由双金属片、热元件、复位按钮、传动杆、调节凸轮、触头系统和温度补偿元件等组成。发热元件是一段阻值不大的电阻丝2，串接在被保护电动机的主电路中，常闭触点串接于电动机的控制电路中。双金属片1是一种将两种线膨胀系数不同的金属用机械辗压方法使之形成一体的金属片。由于两种线膨胀系数不同的金属紧密地贴合在一起，当产生热效应时，使得双金属片向膨胀系数小的一侧弯曲，由弯曲产生的位移带动触头动作。
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，但还不足以使热继电器的触点动作。当电动机过载时，通过发热元件的电流超过整定电流， 双金属片受热向上弯曲脱离导板3，使常闭触点断开。由于常闭触点是接在电动机的控制电路中的，它的断开会使得与其相接的接触器线圈断电，从而接触器主触点断开， 电动机的主电路断电， 实现了过载保护。 故障排除后，按下复位按钮，使热继电器触点复位。热继电器动作电流的调节是通过旋转调节凸轮10来实现的。
2．带断相保护的热继电器
当电动机定子绕组为Y接时，在发生一相断线时，通过另两相的电流会增大，因流过热继电器的电流即为流过电动机绕组的电流，所以普通结构的热继电器可以如实反映电动机过载情况，它们均可实现电动机断相保护。
当电动机定子绕组接成Δ接时，在运行中发生一相断线时流过热继电器的电流与流过电动机非故障绕组的电流的增加比例不同。电动机非故障相流过的电流可能超过其额定电流，而流过热继电器的电流却未超过热继电器的整定电流值，故不能使热继电器动作，也就不能实现电动机的断相保护。为此，Δ形接线的三相电动机应选择三相带断相保护的热继电器，并可将其串接于电动机线电路中，由于有差动结构的作用可以实现断相保护。其结构如图1-16所
示。
图1-16 差动式断相保护机构及工作原理
a) 通电前 b) 三相正常电流 c) 三相均匀过载 d) W相断路 1-上导板 2-下导板 3-杠杆 4-顶头 5-补偿双金属片 6-主双金属片
带断相保护的热继电器是三相热继电器，有三个热元件分别接于三相段路中，导板采用差动结构。图1-16 a)为没有通电时的情况；图1-16 b)为三电流均小于整定电流是的情况，此时三相主双金属片均匀受热，同时向左弯曲，上下导板一起平行左移未超过临界位置，触头不动作；图1-16 c)为三相均匀过载的情况，三相主金属片均匀受热向左弯曲，推动下导板并带动上导板右移，超过临界位置，通过动作结构使常闭触头断开，切断电路，达到保护的目的；图1-16 d)为一相发生断路的情况（W相），此时只有W
相主金属片逐渐冷却，
带动上导板右移，而另外两相双金属片仍旧受热带动下导板左移，上下导板分别左右移动产生了差动放大作用，通过杠杆放大使常闭触头断开，切断控制电路，实现断相保护。
3．常用热继电器
目前国内生产的热继电器主要有JR0、JR1、JR2、JR9、R10、JRl5、JRl6等系列。JR0 、 JRl 、 JR2 和 JRl5 系列的热继电器均为两相结构，是双热元件的热继电器，可以用作三相异步电动机的均衡过载保护和定子绕组为 Y 联结的三相异步电动机的断相保护，但不能用作定子绕组为 △ 联结的三相异步电动机的断相保护。
JRl6 和 JR20 系列热继电器均为带断相保护的热继电器，具有差动式断相保护机构。选择时主要根据电动机定子绕组的联结方式来确定热继电器的型号，在三相异步电动机电路中，对 Y 联结的电动机可选用两相或三相结构的热继电器，一般采用两相结构，即在两相主电路中串接热元件。但对于定子绕组为△联结的电动机必须采用带断相保护的热继电器。表1-9为JR20系列热继电器技术数据。
表1-9 JR20系列热继电器技术数据
4．热继电器的选用与维护 （1）热继电器的选用
热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素，具体应按以下几个方面来选择：
1）热继电器结构型式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。
2）热元件的整定电流选择：一般将整定电流调整到等于电动机的额定电流；对过载能力差的电动机，可将热元件整定值调整到电动机额定电流的0.6～0.8倍；对起动时间较长，拖动冲击性负载或不允许停车的电动机，热元件的整定电流应调节到电动机额定电流的1.1～1.15倍。
3）当电动机起动时间过长或操作次数过于频繁时，会使热继电器误动作或烧坏电器，故这种情况一般不用热继电器作过载保护。
4）对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复
升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到可靠的过载保护。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行保护。
（2）热继电器的常见故障及维护方法（见表1-10）
表1-10 热继电器的常见故障及维护方法
七、变压器
变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器，数控机床电气控制中必须使用变压器。 1．机床控制变压器。
机床控制变压器适用于频率50～60Hz，输入电压不超过交流660 V的电路。常作为各类机床、机械设备中一般电器的控制电源和步进电动机驱动器、局部照明及指示灯的电源。图1-17为机床控制变压器外形图，图1-18为变压器电气图形及文字符号。
BK系列控制变压器适用于50～60Hz的交流电路中，作为机床和机械设备中一般电器的控制电源、局部照明及指示灯电源。 2．三相变压器。
在三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器来实现。从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。数控机床中三相变压器主要是给伺服驱动系统供电。图1-19为三相变压器外形图，图1-20为变压器电气图形及文字符号(星形-三角形连接)。 3．变压器的选择。
变压器的选择主要是依据变压器的额定值。根据设备的需要，变压器有标准和非标准两类。以下是这两类变压器的选择方法。
（1）根据实际情况选择初级(原边)额定电压U1(380V，220 V)，再选择次级额定电压U2，Us，„„(次级额定值是指初级加额定电压时，次级的空载输出，次级带有额定负载时输出电压下降5％，因此选择输出额定电压时应略高于负载额定电压)。
（2）根据实际负载情况，确定各次级绕组额定电流／2，／，，„„一般绕组的额定输出电流应大于或等于额定负载电流。
（3）次级额定容量由总容量确定，总容量算法如下： P2＝U2I2+U3 I3 +U4 I 4+²²²²²²
根据次级电压、电流(或总容量)来选择变压器，三相变压器也是按以上方法进行选择的。
单元三 控制电路常用机床电器元件
一、电磁式继电器
继电器是一种控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电信号去控制较大电压（电流）的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、信号放大、安全保护、转换电路等作用。继电器的种类较多，如电磁式继电器、舌簧式继电器、启动继电器、限时继电器、直流继电器、交流继电器等。但应用于数控机床电路的主要是电磁式继电器。
1．电磁式继电器的结构
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。
继电器“常开、常闭”触点的区分方式为：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”。
电磁式继电器有直流和交流之分，其结构和工作原理与接触器基本相同，但触头的通断电流值比接触器小，没有灭弧装置。
图 1-21 电磁式继电器的典型结构
1-底座 2-铁心 3-释放弹簧 4-调节螺母 5-调节螺母
6-衔铁 7-非磁性垫片 8-极靴 9-触头系统 10-线圈
2．电磁式继电器的工作原理 （1）中间继电器
中间继电器是最常用的继电器之一，中间继电器实质上是一种电压继电器，它的结构和接触器基本相同。中间继电器的特点是触头数量较多，在电路中起增加触头数量和中间放大作用。中间继电器体积小，动作灵敏度高，一般不用于直接控制电路的负荷。另外，在控制电路中还有调节各继电器、开关之间的动作时间，防止电路误动作的作用。中间继电器的文字符号、图形符号如图1-22所示。
KAKA
线圈常开触点常闭触点
图1-22 中间继电器的符号
（2）常用的电磁式继电器
①直流电磁式通用继电器 常用的有JT3、JT9、JT10、JT18等系列。 ②电磁式中间继电器 常用的有JZ7、 JZ11 、JZ14 、JZ15、 JDZ2等系列。
③电磁式交、直流电流继电器 常用的有JL3、JL14、JL15等系列。
表1-11 常用电磁式继电器
3．电磁式继电器的特性、主要参数和整定方法 （1）电磁式继电器的特性
继电器的主要特性是输入-输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图1-23所示。当继电器输入量X由零增至X0以前，继电器输出量Y为零。当输入量X增加到X0时，继电器吸合，输出量为1；若X
继续增大，Y保持不变。当X减小到X1时，继电器释放，输出量由1变为零，若X继续减小，Y值均为零。
Y10
图1-23 继电特性曲线
图1-24中，X 0称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于X 0；X 1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于X 1。 K＝X1/X2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。K值是可以调节的，不同场合对k值的要求不同。例如一般控制继电器要求k值低些，在0.1～0.4之间，这样继电器吸合后，输入量波动较大时不致引起误动作。保护继电器要求k值高些，一般在0.85～0.9之间。k值是反映吸力特性与反力特性配合紧密程度的一个参数，一般k值越大，继电器灵敏度越高，k值越小，灵敏度越低。
（2）电磁式继电器的主要参数
①额定参数 是指继电器的线圈和触头在正常工作时允许的电压或电流值。 ②动作参数 即继电器的吸合值和释放值。对电压继电器为吸和电压U0和释放电压Ur；对电流继电器为吸合电流和释放电流。
③整定值 根据要求，对继电器的动作参数进行人工调整的值。
④返回参数：是指继电器的释放值与吸合值的比值，用K表示。不同的应用场合要求继电器的返回参数不同。
⑤动作时间 有吸合时间和释放时间两种。吸合时间是指线圈接受电信号起，
到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈断电到衔铁完全释放所需的时间。
（3）电磁式继电器的整定方法
继电器的动作参数可以根据保护要求在一定范围内调整，现以图1-22所示的电磁式继电器为例说明。
①转动调节螺母4，调整释放弹簧的松紧程度可以调整动作参数。弹簧反力越大动作值就越大，反之就越小。
②改变非磁性垫片7的厚度。非磁性垫片越厚，衔铁吸合后磁路的气隙和磁阻就越大，释放值也就越大，反之越小，而吸引值不变。
③转动调节螺母5，可以改变初始气隙的大小。在反作用弹簧力和非磁性垫片厚度一定时，初始气隙越大，吸引电值就越大，反之就越小，而释放值不变。 二、时间继电器
在数控机床电气控制中，有时需要按一定的时间间隔来进行某种控制。例如，某润滑泵需要定时起动、定时运行，以控制润滑油量，这类自动控制称为时间控制。简单的方法可利用时间继电器来实现控制。
时间继电器种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等。它按工作方式分为通电延时时间继电器和断电延时时间继电器，一般具有瞬时触点和延时触点这两种触点。时间继电器的符号如图1-24所示。
KT
线圈一般符号常开触点常闭触点
（a）瞬时动作
KT
或
或
线圈
延时闭合瞬时断开
常开触点
（b）通电延时
延时断开瞬时闭合
常闭触点
KT
或或
线圈瞬时闭合延时断开
常开触点
（c）断电延时瞬时断开延时闭合
常闭触点
图1-24 时间继电器的符号
1．空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的。它由电磁机构、延时机构、触头系统三部分组成，延时机构采用气囊式阻尼器，电磁机构可以是直流的，也可以是交流的。延时方式有通电延时和断电延时两种。
2．电子式时间继电器
电子式时间继电器在时间继电器中已成为主流产品，电子式时间继电器是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成．目前已有采用单片机控制的时间继电器。
（1）晶体管式时间继电器
晶体管式时间继电器也称为半导体式时间继电器，是采用晶体管或集成电路和电子元件等构成。它主要利用RC电路电容充电原理作为延时环节而构成。 其特点是延时范围广，精度高，体积小，便调节，寿命长，是目前发展最快、最有前途的电子器件。 它的输出形式有两种：即有触点式和无触点式，前者是用晶体管驱动小型磁式继电器，后者是采用晶体管或晶闸管输出。图1-25为一种有触头式晶体管时间继电器的原理图，以此为例说明工作原理。
18 V
2
1K
图1-25晶体管时间继电器的原理图
整个线路可分为主电源、 辅助电源、 RC充放电电路和输出电路等几部分。 主电源是有电容C1滤波的桥式整流电路，它是触发器和输出继电器的工作电源。 辅助电源是也带电容C2滤波的半波整流电路， 它与主电源叠加起来作为RC环节的充电电源。
当电源通电时，晶体管V1立即导通，V2截止，继电器K不动作。同时，电源通过电位器RP和R对电容充电，a点电位逐渐上升，当a点电位高于b点电位时，二极管VD1导通，使V2截止，而V2变为导通，继电器K的线圈有电流通过，使触头动作。K的常闭触点断开，切断充电电路，K的常开触头闭合，接通电容C放电电路，为下一次工作做准备。延时时间是从电源接通到继电器触头动作这段时间，调节RP值可调节延时时间。
（2）数字式时间继电器
随着半导体技术、集成电路技术的进一步发展，采用新延时原理的时间继电器—数字式时间继电器诞生了。它的各种性能指标得到很大程度上的提高。目前先进的数字式时间及电器内部装有微处理器。
国内外数字式时间继电器按其时基发生器构成原理不同，可分为电源分频式、R-C振荡式和石英分频式三种类型的数字式时间继电器。它们的延时精度高、延时范围广、延时过程可数字显示和延时方法灵活，但电路复杂，价格较高。
四、固态继电器
固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。
由于固体继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，广泛应用在电动机调速、正反转控制等方面。
1．固态继电器的分类
固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。
2．固态继电器的工作原理
固体继电器（Solid State Relay SSR）是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控
制信导(几毫安到几十毫安)控制0.1A直至几百A电流负载，进行无触点接通或分断。固体继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR 实际是一个受控的电力电子开关。
固体继电器由输入电路、驱动电路和输出电路三部分组成。
这里仅以应用较多的交流过零型固体继电器为例，介绍其工作原理。该电路采用了过零触发技术，具有电压过零时开启，负载电流过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形，因此电路的射频干扰很小。
该电路由信号输人电路、零电压检测控制电路、工作指示电路、双向晶闸管控制电路和吸收电路几部分组成。采用了光电耦合器GD作为输入电路和输出电路之间的隔离元件，VD是防止Vin正负接反烧坏GD。
电路工作过程：当无输入信号时，GD中的光敏三极管裁止，VT1是交流电压零点检测器，通过R3获得基极电流而饱和导通，将VTH的门极箝在低电位而处于关断状态。当有输人信号时，光敏三极管导通，此时VTH的状态由VT1决定，如此电源电压大于过零电压时，分压器R3、R2的分压点P电压大于VBE1，VT1饱和导通，SCR门极因箝位在低电位而截止，TR的门极因没有触发脉冲而处于关断状态。只有当电源电压小于过零电压，P点电压小于VBE1时G1截止，SCR门极获得触发信号而导通。在TR的门极获得触发脉冲，TR就导通．从而接通负载电源。
当输入信号关断后GD中的光敏三极管截止，G1饱和导通使SCR门极箝位在低电位而关断，但是此时TR仍保持导通状态，负载上仍有电流流过，直到负载电流随VAC减小到小于双向晶闸管TR的维持电流后才会自行关断，切断负载电源。
由于触发信号方式不同，AC—SSR还分为过零型触发(Z 型)和非过零型或随机型(P型)触发两种。过零型和非过零型之间的区别主要在于负载交流电流导通的条件。过零型在输入信号Vin 施加的t1时刻，由于此时电源电压处在非过零区，其输出端不导通，只有当电源电压到达过零区t2时，输出端负载中才有电流流过。而非过零型在输入信号 Vin施加的t1时刻，不管电源电压处在什么状态，负载立刻导通。这两种类型的固体继电器关断条件相同。
3．固态继电器选用及使用注意事项
（1）固态继电器的选用
1）选用固态继电器的类型：应根据受控电路电源类型来正确选择固态继电器的电源类型，以保证应用电路及固态继电器的正常工作。
若受控电路的电源为交流电压，则应选用交流固态继电器（AG-SSR）。若受控电路的电源为直流电压，则应选用直流固态继电器（DC-SSR）。若选用了交流固态继电器，还应根据应用电路的结构选择有源式交流固态继电器或无源式交流固态继电器。
2）选择固态继电器的带负载能力：根据受控电路的电源电压和电流来选择固态继电器的输出电压和输出电流。
一般交流固态继电器的输出电压为AC20～380V，电流为1～10A；直流固态继电器的输出电压为4～55V，电流为0.5～10A。若受控电路的电流较小，则可选用小功率固态继电器。反之，则应选用大功率固态继电器。
（2）固态继电器使用的注意事项
当温度超过35℃后，固态继电器的负载能力（最大负载电流）随温度升高而降低，因此使用时必须注意散热或降低电流使用。
对于容性或电阻类负载，应限制其开通瞬间的浪涌电流值（一般为负载电流的7倍），对于电感性负载，应限制其瞬时峰值电压，以防止损坏固态继电器。 固态继电器SSR的内部电子元件均具有一定的漏电流，因此，它的输出回路不能实现电气隔离，这一点在使用中应特别注意。
四、控制按钮
控制按钮是一种简单的手动开关，通常用于发出操作信号，接通或断开电流较小的控制电路，以控制电流较大的电动机或其他电气设备的运行。
1．工作原理
控制按钮的结构和图形符号如图1-27所示，它由按钮帽、 动触点、 静触点和复位弹簧等构成。按钮中的触头可根据实际需要配成一常开一常闭至六常开六等不同的形式。常闭将按钮帽按下时，下面一对原来断开的静触点被桥式动触点接通，以接通某一控制电路；而上面一对原来接通的静触点则被断开，以断开另一控制回路。按钮帽释放后，在复位弹簧的作用下，按钮触点自动复位的先后顺序相反。通常，在无特殊说明的情况下，有触点电器的触点动作顺序均为“先断
后合”。
5
常闭（停止）常开（启动）按钮按钮复合按钮
图 1-27 控制按钮结构示意图及符号
1-按钮帽 2-复位弹簧 3-常闭静触头 4-动触头 5-常开静触头
在电器控制线路中，常开按钮常用来起动电动机，也称起动按钮，常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停车按钮，复合按钮用于联锁控制电路中。
2．种类形式
控制铵钮的种类很多，在结构上有嵌压式、紧急式、钥匙式、旋钮式、带灯式等。为了标明各个按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别。按钮帽的颜色有红、绿、黑、黄、蓝等， 一般用红色表示停止按钮， 绿色表示起动按钮。
3．选择原则
1）根据使用场合，选择控制按钮的种类，如开启式、防水式、防腐式等。
2）根据用途，选用合适的型式，如钥匙式、紧急式、带灯式等。
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。
五、行程开关
在实际生产中，有时需要控制生产机械的运动方向、行程大小或位置保护等。在这种情况下可以用一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制指令的自动电器，即行程开关。
行程开关，又称限位开关或位置开关，它可以完成行程控制或限位保护。它的作用原理与按钮类似，区别在于它不是靠手的按压，而是利用机械运动的部件碰压而使触点动作来发出控制指令的电器。
在机床控制系统中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，被用来控制机械运动
的位置或行程，使运动机械按一定的位置或行程实现自动停止、方向运动、变速运动或自动往返运动等。在数控机床控制系统中，行程开关常用于检测工作台、机械手运动的极限位置等。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
1．工作原理
行程开关的结构分为 3 个部分：操作机构、触头系统和外壳，行程开关的结构及符号如图1-28所示。
SQ
SQSQ
常开触头常闭触头复合触头 （a）直动式行程开关 （b）滚轮式行程开关
图1-28 行程开关的结构及符号如
（a）1-顶杆 2-复位弹簧 3-静触头 4-动触头 5-触头弹簧
（b）1-滚轮 2-上转臂 3-盘形弹簧 4-推杆 5、11-弹簧 6-小滚轮 7-压板 8、9-静触头 10-横板
（1）直动式行程开关 其结构原理如图1-28（a）所示，其动作原理与控制按钮相同，但其触点的动作是依靠生产机械的上的撞块压下的。生产机械的运行速度，不宜低于0.4m/min，否则触头分断过慢易被电弧烧坏。此时可以采用滚轮式行程开关。
（2）滚轮式行程开关 其结构原理如图1-28（b）所示，当被控机械上的撞块撞击带有滚轮1时，上转臂2转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆4向右转动，并压缩弹簧5，滑轮6也沿着横板10向右滚动，同时滑轮也压缩弹簧11，当滑轮移动到横板中间是，盘形弹簧3和弹簧11一起是横板10迅速移动，从而使微动开关中的动触点迅速与右边静触点触点分开，与左边的静触点闭合。当运动机械返回时，在复位弹簧的作用下，各部分动作部件复位。
（3）微动开关、脚踏开关
微动开关是具有瞬时动作和微小行程，可直接由一定的力经过一定的行程使触头速动，从而实现电路的转换的灵敏开关：
脚踏开关是一种特定形式的微动开关，它是将脚踏板和微动开关组合在一起的控制电器。图1-29为微动开关外形图，图1-30为脚踏开关外形图，图1-31为脚踏开关电气图形及文字符号。
2．行程开关主要类型
行程开关的主要参数有型式、动作行程、工作电压及触头的电流容量。目前国内生产的行程开关有LXK3、3SE3、LXl9、LXW和LX等系列。常用的行程开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32和LX33等系列。
3．选用原则
1）根据安装环境选择防护形式，是开启式还是防护式。
2）根据控制回路的电压和电流选择行程开关的型号。
3）根据机械与行程开关的传力与位移关系选择合适的头部结构形式。
六、接近开关
在数控机床上，有时需要无接触的行程控制和限位保护，上述有触点的行程开关可能无法实现。由于半导体元件的出现，产生了一种非接触式的行程开关，这就是接近开关，当生产机械接近它到一定距离范围之内时，它就能发出信号，以控制生产机械的位置或进行计数。它可以代替有触头行程开关来完成行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、位置控制、零件尺寸检测、机械手动作的自动衔接等非接触式检测。接近开关原理方框图如图1-32所示。
铁磁体
图1-32 接近开关原理方框图
接近开关按检测元件工作原理可分为高频振荡型、超声波型、电容型、感应电桥型、电磁感应型、永磁型、霍尔元件型与磁敏元件型等。不同型式的接近开
关所检测的被检测体不同。其中以高额振荡型为最常用，用于检测各种金属，占全部接近开关产量的80％以上。它包括感应头、振荡器、开关器、输出器和稳压器等几部分。当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。 其基本工作原理是振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当有金属物体接近振荡器的线圈时，该金属物体内部产生的涡流将吸取振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的产生振荡和停振这两个信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。
由于它具有非接触式触发、动作速度快、可在不同的检测距离内动作、发出的信号稳定无脉动、工作稳定可靠、寿命长、重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境等特点，所以很适合在数控机床电气系统中应用。
七、光电开关
光电开关是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，光电开关的检测距离可达几米至几十米。光电开关的用途已远超出一般行程控制和限位保护，可在自控系统、数控系统中用作测速、位置控制、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。
光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。但反射镜型安装时应根据被测物体的距离调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果，它的检测距一般为几米。漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，只要不是全黑的物体均能产生漫反射,散射型的检测距离更小，只有几百毫米。发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。
图1-33 光电开关示意图
（a）遮断型（b）反射镜反射型（c）漫反射型
八、信号灯
信号灯也称指示灯，主要用于在各种电气设备及线路中作电源指示、显示设备的工作状态以及操作警示等。
信号灯发光体有白炽灯、氖灯和发光二极管等。信号灯有持续发光（平光）和断续发光（闪光）两种发光形式，一般信号灯用平光灯，信号灯的图形符号如图1-34所示。断续发光的亮与灭的时间比一般在1:1～1:4之间，较优先的信息使用较高的闪烁频率。
平光灯
闪光灯
图1-34 信号灯的图形符号
如果要在图形符号上标注信号灯的颜色，可在靠近图形处标出对应颜色的字母：红色（RD）、黄色（YE）、绿色（GN）、蓝色（BU）、白色（WH）。如果要在图形符号上标注灯（信号灯或照明灯）的类型，可在靠近图形处标出对应类型的字母，如：白炽（IN）、电发光（EL）、荧光（FL）、发光二极管（LED）等。 指示灯的颜色及其含义如表1-12所示。
表1-12 指示灯的颜色及其含义
九、直流稳压电源
直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。包括降压、整流、滤波、稳压环节。
在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器、信号指示灯等提供直流电源。
现在常用的主要是开关电源和一体化电源。
1．开关电源
开关电源被称作高效节能电源，因为其内部电路工作在高频开关状态，所以自身消耗的能量很低，电源效率可达80%左右，比普通线性稳压电源提高近一倍。目前生产的无工频变压器的中、小功率开关电源，仍普遍采用脉冲宽度调制器（简称脉宽调制器PWM）或脉冲频率调制器（简称脉频调制器PFM）专用集成电路。它们是利用体积很小的高频变压器来实现电压变化及电网灼隔离，因此能省掉体积笨重且损耗较大的工频变压器。以GZM-U40型开关电源为例，其外观如图1-35所示，图1-36为直流稳压电源的电气图形及文字符号。
其外观如图1-35所示，图1-36为直流稳压电源的电气图形及文字符号。
GZM-U40的主要性能指标有：
输入AC电压：85～264 V；
输入频率：47～63Hz；
冷态冲击电流：20A／115V AC；30A／220V AC；
保护方式：过流保护(105％～150％的电流额定值开始保护)、过压保护、过
功率保护、短路保护、自动恢复；
启动、上升、保持时间：500ms、50ms、大于20ms；
抗电强度：输入与输出之间，输入与大地之间可承受AC l.5kV／min； 绝缘电阻：输入与大地、输入与输出之间加DC500V，绝缘电阻大于50MΩ； 工作环境温度：-10℃～45℃，60℃时可用满功率的60％。70℃时可用满功率的35％；
效率：65％～87％；
纹波噪声：小于输出电压的1％；
存储温度：-20℃～+85℃；
输出电压调整：±10％范围内，总调整率(线形及负载)小于±2％；
安全标准：参考UL1950。
2．一体化电源
一体化电源是采用外壳传导冷却方式的AC／DC开关电源，作为直流供电电源常应用于数字电路、工业仪表、交通运输、通信设备、工控机等大型设备及科研与实验设备之中。
以下是4NIC系列电源的主要参数（所有电参数测试均在环境温度为25℃下进行）。
输入参数：AC220V±10％ 50(47～63)Hz单相
AC380V±10％ 50Hz三相；
输出参数：DC5V～300V；
电流：0.5 A～20A；
功率：2W～2000W；
电压调整率：不大于0.5％ （5V时不大于1％）
电流调整率：不大于1.0％ （5 V时不大于2％）
纹波系数：不大于1.0％
工作频率：50Hz～100kHz
具有过热、过流、短路保护；可另加过压、欠压保护；负载率0～100％使用率80％效率80％
一般隔离电压：输入对外壳AC l500V/min 漏电流不大于10mA 51