任务一 CA6140车床电器元件认知与选用
一、任务内容
CA6140普通卧式车床主要由床身、主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、光杠、丝杠和尾座等部件组成。图1-1为CA6140普通车床外形图。主轴箱固定安装在床身的左端，其内装有主轴和变速传动机构；床身的右侧装有尾座，其上可装后顶尖以支承长工件的一端，也可安装钻头等孔加工刀具以进行钻、扩、铰孔等加工。
CA6140普通卧式车床主要有两种运动：一种是主轴卡盘带动工件的旋转运动，称为主运动（切削运动）；另一种是溜板刀架或尾架顶针带动刀具的直线运动，称为进给运动。两种运动由同一台电动机带动并通过各自的变速箱调节主轴转速或进给速度。此外，为提高效率、减轻劳动强度、便于对刀和减小辅助工时，CA6140普通车床的刀架还能快速移动（辅助运动）。
CA6140普通车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主电动机、刀架快速移动电动机和冷却泵电动机。主电动机实现机床主运动，刀架快速移动电动机带动刀架实现快速移动，冷却泵电动机实现加工过程中冷却液供给。CA6140普通车床为半自动化机械加工设备，其电气控制通过继电器接触器控制实现，图1-2为CA6140普通车床电气原理图，表1-1列出了CA6140普通车床电气控制所用到的电器元件。
图1-1 CA6140普通车床
图1-2 CA6140普通车床电气原理图
表1-1 CA6140车床电器元件符号及功能说明表
二、任务分析
要正确、合理选用电器元件，首先要明确电器元件的控制对象和工况，低压电器选型的一般原则是：
1）低压电器的额定电压应不小于回路的工作电压，即Un≥Ug。
2）低压电器的额定电流应不小于回路的计算工作电流，即In≥Ig。
3）设备的遮断电流应不小于短路电流，即Izh≥Ich。
4）热稳定保证值应不小于计算值。
5）按回路起动情况选择低压电器。
通过查询获知，CA6140车床主电动机、刀架快速移动电动机和冷却泵电动机的型号和相关参数如表1-2所示。要选用CA6140车床除电动机外的所有电器元件，就要根据低压电器选型的一般原则和具体电器元件的选型依据进行计算、选型，并在满足控制要求的前提下，选择性价比高、可靠性好的低压电器元件。
表1-2 CA6140车床电动机型号及主要参数
相关知识点——低压电器元件
电器是一种能根据外界信号（机械力、电动力和其他物理量）和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。
1.1 低压电器概念
低压电器元件通常是指工作在交流电压小于1200V、直流电压小于1500V的电路中起通、断、保护、控制或调节作用的各种电器元件。常用的低压电器元件主要有刀开关、熔断器、断路器、接触器、继电器、按钮、行程开关等。
1.低压断路器
（1）低压断路器的结构和用途 低压断路器又称空气开关，在电气电路中起接通、分断和承载额定工作电流的作用，并能在电路和电动机发生过载、短路、欠电压的情况下进行可靠的保护。它的功能相当于刀开关、过电流继电器、欠电压继电器、热继电器及剩余电流动作保护装置等电器部分或全部的功能总和，是低压配电网中一种重要的保护电器。常用的低压断路器有DZ系列、DW系列和DWX系列。图1-3所示为DZ15系列低压断路器外形图。
1.2 低压断路器
低压断路器的结构示意图如图1-4所示，低压断路器主要由触点、灭弧系统、脱扣器和操作机构等组成。脱扣器又分为电磁脱扣器、热脱扣器、复式脱扣器、欠电压脱扣器和分励脱扣器5种。
图1-3 DZ15系列低压断路器
图1-4 低压断路器结构示意图
1、9—弹簧 2—主触点 3—传动杆 4—锁扣 5—轴
6—电磁脱扣器 7—杠杆 8、10—衔铁 11—欠电压脱扣器
12—双金属片 13—发热元件
图1-4所示断路器处于闭合状态，3个主触点通过传动杆与锁扣保持闭合，锁扣可绕轴5转动。断路器的自动分断是通过电磁脱扣器6、欠电压脱扣器11和双金属片12使锁扣4被杠杆7顶开而完成的。正常工作中，各脱扣器均不动作，而当电路发生短路、欠电压或过载故障时，分别通过各自的脱扣器使锁扣被杠杆顶开，起到保护作用。
（2）低压断路器的表示方式
1）型号。低压断路器的标志组成及其含义如下：
2）电气符号。低压断路器的图形符号及文字符号如图1-5所示。
（3）低压断路器的主要技术参数 低压断路器的主要技术参数有额定电压、额定电流、通断能力和分断时间等。
通断能力是指断路器在规定的电压、频率以及规定的电路参数（交流电路为功率因数，直流电路为时间常数）下，能够分断的最大短路电流值。
图1-5 低压断路器图形、文字符号
分断时间是指断路器切断故障电流所需的时间。
DZ15系列低压断路器的主要技术参数如表1-3所示。
表1-3 DZ15系列低压断路器的主要技术参数
2.接触器
（1）接触器的结构和用途 接触器是用于远距离频繁地接通和切断交直流主电路及大容量控制电路的一种自动控制电器。其主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载、电热器、电照明、电焊机与电容器组等。接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维护方便等优点，同时还具有低压释放保护功能，因此，在电力拖动和自动控制系统中，接触器是运用最广泛的控制电器之一。
按控制电流性质不同，接触器分为交流接触器和直流接触器两大类。图1-6所示为几款接触器外形图。
图1-6 接触器
a）CZ0直流接触器 b）CJX1系列交流接触器 c）CJX2-N系列可逆交流接触器
1.3 接触器
交流接触器常用于远距离、频繁地接通和分断额定电压至1140V、电流至630A的交流电路。图1-7为交流接触器的结构示意图，它分别由电磁系统、触点系统、灭弧装置和其他部件组成。交流接触器工作时，当施加在线圈上的交流电压大于线圈额定电压值的85%时，铁心中产生的磁通对衔铁产生的电磁吸力克服复位弹簧拉力，使衔铁带动触点动作。触点动作时，常闭触点先断开，常开触点后闭合，主触点和辅助触点是同时动作的。当线圈中的电压值降到某一数值时，铁心中的磁通下降，吸力减小到不足以克服复位弹簧的拉力时，衔铁复位，使主触点和辅助触点复位。这个功能就是接触器的失电压保护功能。
图1-7 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
常用的交流接触器有CJ20系列，可取代CJ0、CJ8、CJ10等老产品，CJ12、CJ12B系列可取代CJ1、CJ2、CJ3等老产品，其中CJX是引进系列产品。
（2）接触器的表示方式
1）型号。接触器的标志组成及其含义如下：
2）电气符号。交、直流接触器的图形符号及文字符号如图1-8所示。
图1-8 接触器图形、文字符号
（3）接触器的主要技术参数 接触器的主要技术参数有额定电压、额定电流、吸引线圈的额定电压、电气寿命、机械寿命和额定操作频率，如表1-4所示。
接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压，交流有127V、220V、380V、500V等档次；直流有110V、220V、440V等档次。
接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流，有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A和600A等档次。
接触器吸引线圈的额定电压，交流有36V、110V、127V、220V、380V等档次；直流有24V、48V、220V、440V等档次。
接触器的电气寿命用其在不同使用条件下无须修理或更换零件的负载操作次数来表示。接触器的机械寿命用其在需要正常维修或更换机械零件（包括更换触点）前，所能承受的无载操作循环次数来表示。
额定操作频率是指接触器每小时的操作次数。
表1-4 CJX1系列交流接触器的技术参数
3.熔断器
（1）熔断器的结构和用途 熔断器是串联连接在被保护电路中的，当电路短路时，电流很大，熔体急剧升温，立即熔断，所以熔断器可用于短路保护。由于熔体在用电设备过载时所通过的过载电流能积累热量，当用电设备连续过载一定时间后熔体积累的热量也能使其熔断，所以熔断器也可做过载保护。熔断器一般分成熔体座和熔体等部分。图1-9所示为RT系列熔断器外形图。
1.4 熔断器
图1-9 RT系列熔断器
（2）熔断器的表示方式
1）型号。熔断器的型号标志组成及其含义如下：
2）电气符号。熔断器的图形符号和文字符号如图1-10所示。
图1-10 熔断器图形符号和文字符号
（3）熔断器的主要技术参数 熔断器的主要技术参数有额定电压、额定电流和极限分断能力。熔断器的主要技术参数如表1-5所示。
表1-5 熔断器的主要技术参数
4.热继电器
（1）热继电器的结构和用途 电动机在运行过程中若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组绝缘老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。因此，电动机在长期运行中，需要对其过载提供保护装置。热继电器是利用电流的热效应原理实现电动机的过载保护，图1-11为JR16系列热继电器外形图。
图1-11 JR16系列热继电器
1.5 热继电器
热继电器具有反时限保护特性，即过载电流大，动作时间短；过载电流小，动作时间长。当电动机的工作电流为额定电流时，热继电器应长期不动作，其保护特性如表1-6所示。
表1-6 热继电器的保护特性
热继电器主要由热元件、双金属片和触点等组成。双金属片是热继电器的感测元件，由两种线膨胀系数不同的金属片用机器碾压而成。线膨胀系数大的称为主动层，小的称为被动层。图1-12a是热继电器的结构示意图。热元件串联在电动机定子绕组中，当电动机过载时，流过热元件的电流增大，经过一定时间后，双金属片受热向左弯曲推动导板使常闭触点断开。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。热继电器动作后，双金属片经过一段时间冷却，按下复位按钮即可复位。
图1-12 JR16系列热继电器结构示意图
a）结构示意图 b）差动式断相保护示意图
1—电流调节凸轮 2—簧片 3—手动复位按钮 4—弓簧 5—双金属片 6—外导板 7—内导板
8—常闭静触点 9—动触点 10—杠杆 11—调节螺钉 12—补偿双金属片 13—推杆 14—连杆 15—压簧
电动机断相运行是电动机烧毁的主要原因之一，因此要求热继电器还应具备断相保护功能，如图1-12b所示，热继电器的导板采用差动机构，在断相工作时，其中两相电流增大，一相电流逐渐减小，这样可使热继电器的动作时间缩短，从而更有效地保护电动机。
（2）热继电器的表示方式
1）型号。热继电器的型号标志组成及其含义如下：
2）电气符号。热继电器的图形符号和文字符号如图1-13所示。
（3）热继电器的主要技术参数 热继电器的主要技术参数包括额定电压、额定电流、相数、热元件编号及整定电流调节范围等。
图1-13 热继电器图形符号和文字符号
a）热继电器的驱动器件
b）热继电器的常闭触点
热继电器的整定电流是指热继电器的热元件允许长期通过又不致引起继电器动作的最大电流值。对于某一热元件，可通过调节其电流调节旋钮，在一定范围内调节其整定电流。
常用的热继电器有JRS1、JR20、JR16、JR15、JR14等系列，引进产品有T、3UP、LR1-D等系列。JR20、JRS1系列具有断相保护、温度补偿、整定电流值可调、手动脱扣、手动复位、动作后的信号指示灯功能。安装方式上除采用分立结构外，还增设了组合式结构，可通过导电杆与挂钩直接插接，可直接电气连接在CJ20接触器上。
表1-7所示是JR16系列热继电器的主要技术参数。
表1-7 JR16系列热继电器的主要技术参数
5.按钮
按钮是一种手动且可以自动复位的主令电器，其结构简单，控制方便，在低压控制电路中得到广泛应用。图1-14所示为LAY3系列按钮外形。
图1-14 LAY3系列按钮
（1）按钮的结构和用途 按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，其结构如图1-15所示。触点采用桥式触点，触点额定电流在5A以下，分常开触点和常闭触点两种。在外力作用下，常闭触点先断开，然后常开触点再闭合；复位时，常开触点先断开，然后常闭触点再闭合。
图1-15 按钮结构示意图
1、2—常闭触点
3、4—常开触点
5—桥式触点 6—复位弹簧
7—按钮帽
按用途和结构的不同，按钮分为启动按钮、停止按钮和复合按钮等。
按使用场合、作用不同，通常将按钮帽做成红、绿、黑、黄、蓝、白、灰等颜色。国家标准GB 5226.1—2019对按钮帽颜色做了如下规定：
1）“停止”和“急停”按钮应使用红色的。
2）“启动”按钮的颜色应为白、灰、黑或绿色，优选白色。
3）“启动”与“停止”交替动作的按钮优选颜色为白、灰或黑色。
4）“点动”按钮优选颜色为白、灰或黑色。
5）“复位”按钮应为蓝、白、灰或黑色（如保护继电器的复位按钮）。
在机床电气设备中，常用的按钮有LA18、LA19、LA20、LA25和LAY3等系列。其中LA25系列按钮为通用型按钮的更新换代产品，采用组合式结构，可根据需要任意组合其触点数目，最多可组成6个单元。
（2）按钮的表示方式
1）型号。按钮型号标志组成及其含义如下：
2）电气符号。按钮的图形符号及文字符号如图1-16所示。
（3）按钮的主要技术参数 按钮的主要技术参数有额定绝缘电压Ui、额定工作电压Un、额定工作电流In，LAY3按钮开关额定电压与额定电流如表1-8所示，其主要技术参数如下。
1）额定绝缘电压：AC 660V（50Hz或60Hz）。
图1-16 按钮图形、文字符号
2）额定发热电流：5A。
3）使用类别：AC-15、DC-13。
4）额定工作电压与对应的额定工作电流见表1-8。
5）机械寿命：一般钮、蘑菇头按钮300万次；带灯钮100万次；旋钮、钥匙钮、自锁钮10万次。
6）电气寿命：交流60万次，直流30万次；旋钮、锁匙钮、自锁钮10万次。
7）防护等级：IP55。
表1-8 LAY3按钮开关额定工作电压与额定工作电流对应表
1.6 按钮与行程开关
6.行程开关
（1）行程开关的结构和用途 行程开关是一种利用生产机械的某些运动部件的碰撞来发出控制指令的主令电器，用于控制生产机械的运动方向、行程大小和位置保护等。当行程开关用于位置保护时，又称限位开关。
行程开关的种类很多，常用的行程开关有按钮式、单轮旋转式、双轮旋转式，它们的外形如图1-17所示。
各种系列的行程开关基本结构大体相同，都是由操作头、触点系统和外壳组成，其结构如图1-18所示。操作头接收机械设备发出的动作指令或信号，并将其传递到触点系统，触点系统再将操作头传递来的动作指令或信号通过本身的结构功能转换成电信号，输出到有关控制回路。
图1-17 行程开关
a）按钮式 b）单轮旋转式 c）双轮旋转式
图1-18 行程开关结构示意图
1—顶杆 2—弹簧 3—常闭触点
4—触点弹簧 5—常开触点
（2）行程开关的表达方式
1）型号。行程开关的型号标志组成及其含义如下：
2）电气符号。行程开关的图形符号及文字符号如图1-19所示。
（3）行程开关的主要技术参数 行程开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、触点数量、动作行程、触点转换时间和动作力等，LX19系列行程开关的技术参数如表1-9所示。
图1-19 行程开关图形、文字符号
表1-9 LX19系列行程开关的技术参数
1.7 6140车床电器元件选型
三、任务实施
1.低压断路器的选择
低压断路器的选择应注意以下几点：
1）低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于电路、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最大短路电流。
3）欠电压脱扣器的额定电压等于电路的额定电压。
4）过电流脱扣器的额定电流大于或等于电路的最大负载电流。
使用低压断路器来实现短路保护比熔断器优越，因为当三相电路短路时，很可能只有一相的熔断器熔断，造成断相运行。对于低压断路器来说，只要造成短路都会使开关跳闸，将三相同时切断。但其结构较复杂、操作频率低、价格较高，因此适用于要求较高的场合，如电源总配电盘。
本任务中，低压断路器作为机床电源总开关使用，实现机床主电路三台电动机和控制电路的电源通断，三台电动机的额定电流分别为15.4A、1.55A和0.28A，控制电路一般称为小电流电路，工作电流在5A以下。根据低压断路器选择注意点1），通过查表1-3，CA6140普通车床电源总开关可选DZ15-40/3901型低压断路器，壳架等级额定电流40A，额定电流25A。
2.交流接触器的选择
接触器的选择主要考虑以下几个方面。
1）接触器的类型。根据接触器所控制的负载性质，选择直流接触器或交流接触器。
2）额定电压。接触器的额定电压应大于或等于所控制电路的电压。
3）额定电流。接触器的额定电流应大于或等于所控制电路的额定电流。对于电动机负载可按下列经验公式计算
式中 Ic——接触器主触点电流，单位为A；
Pn——电动机额定功率，单位为kW；
Un——电动机额定电压，单位为V；
K——经验系数，一般取1～1.4。
本任务中，接触器KM1、KM2和KM3分别控制主电动机、快速移动电动机和冷却泵电动机，三台电动机的额定电流分别为15.4A、1.55A、0.28A。按式（1-1）计算，结合表1-4，KM1可选CJX1-16/22型接触器，KM2、KM3可选CJX1-9/00型接触器。
3.熔断器的选择
熔断器的选择主要包括熔断器类型、额定电压、额定电流和熔体额定电流等的确定。
熔断器的类型主要由电控系统整体设计确定；熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压；熔断器额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流。
确定熔体电流是选择熔断器的关键，具体来说可以参考以下几种情况。
1）对于照明电路或电阻炉等电阻性负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流，即
式中 IfN——熔体的额定电流；
I——电路的工作电流。
2）保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流可按下式计算
式中 In——电动机的额定电流。
3）保护多台异步电动机时，若各台电动机不同时起动，则应按下式计算
式中 Inmax——容量最大的一台电动机的额定电流；
ΣIn——其余电动机额定电流的总和。
4）为防止发生越级熔断，上、下级（即供电干、支线）熔断器间应有良好的协调配合，为此，应使上一级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（供电支线）大1～2个级差。
本任务中，共涉及5组熔断器，分别是冷却泵电动机熔断器FU1、快速移动电动机熔断器FU2、信号电路熔断器FU4、照明电路熔断器FU5和控制电路熔断器FU6。根据熔断器选择依据，快速移动电动机和冷却泵电动机需考虑冲击电流影响，FU1、FU4、FU6可选RT14-20型熔断器，熔体1A；FU2可选RT14-20型熔断器，熔体4A。FU5可选RT14-20型熔断器，熔体2A。
4.热继电器的选择
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，可根据以下几个方面来选择。
1）热继电器结构形式的选择：Υ联结的电动机可选用两相或三相结构热继电器；△联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。
2）根据被保护电动机的实际起动时间，选取6倍额定电流下具有相应可返回时间的热继电器。一般热继电器的可返回时间大约为6倍额定电流下动作时间的50%～70%。
3）热元件额定电流一般可按下式确定
式中 In——热元件额定电流；
Imn——电动机的额定电流。
对于工作环境恶劣、起动频繁的电动机，则按下式确定
热元件选好后，还需用电动机的额定电流来调整它的整定值。
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。
本任务中，主轴电动机和冷却泵电动机长时间工作，起动不频繁，需过载保护；快移电动机点动短时工作，不需要过载保护。根据式（1-1）计算并结合表1-7，主轴电动机热继电器可选JR16-20/3型，整定电流15.4A，冷却泵电动机热继电器可选JR16-20/3型，整定电流0.32A。
5.控制按钮的选择
按钮主要根据使用场合、用途、控制需要及工作状况等进行选择。
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，选用合适的形式，如钥匙式、紧急式、带灯式等。
3）根据控制回路的需要，确定不同的按钮数，如单钮、双钮、三钮、多钮等。
4）根据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。
本任务中，SB1为主电动机起动按钮，可选LAY3-10型按钮，绿色；SB2为机床停止按钮，可选LAY3-01ZS/1型按钮，红色；SB3为快速移动电动机点动按钮，可选LA9型按钮，黑色；SB4、SA1分别为照明灯接通按钮和冷却泵电动机起动按钮，可选KCD1-5-101型按钮和LAY3-10X/2开关。
6.行程开关的选择
目前，国内生产的行程开关品种规格很多，较为常用的有LXW5、LX19、LXK3、LX32、LX33等系列。新型3SEs3系列行程开关的额定工作电压为500V，额定电流为10A，其机械、电气寿命比常见行程开关更长。LXW5系列为微动开关。
在选用行程开关时，应根据不同的使用场合，满足额定电压、额定电流、复位方式和触点数量等方面的要求。
本任务中，SQ1为带轮罩开关，作为机床保护开关使用。根据CA6140普通卧式车床行程开关安装位置、动作要求，可选YB LX3/11K型行程开关。SQ2为机床或电气控制柜安全工作的电气联锁开关，可选JWM6-11型门限位开关。
CA6140车床电器元件明细如表1-10所示。
表1-10 CA6140车床电器元件明细
