鉆探設備常用電氣的種類
在地勘鉆探施工中,鉆探設備常用電氣的種類主要有電動機、發電機、低壓電器及輸電導線等。
(壹)電動機
電動機是壹種將電能轉換為機械能,輸出機械轉矩的動力設備。
地勘鉆探施工用電動機多為三相鼠籠式異步電動機。盡管它的型號很多,但其基本構造和工作原理都大致相同。
1.三相異步電動機的基本構造
三相異步電動機屬於交流電動機。
三相鼠籠式異步電動機主要由定子和轉子兩個基本部分組成(圖4-1)。定子是電動機的靜止部件,作用是輸入功率帶動轉子旋轉;轉子是電動機的旋轉部件,作用是輸出機械轉矩。
圖4-1 鼠籠式電動機的各個部件
1—端蓋;2—定子;3—定子繞組;4—轉子;5—風扇;6—風扇罩;7—接線盒
三相異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和三相繞組等組成。機座通常由鑄鐵或鑄鋼制成,機座內裝有用0.5mm厚、表面絕緣的矽鋼片疊制而成的筒形鐵心,鐵心內圓上沖有均勻分布的平行槽口(圖4-2)。定子鐵心是電動機的磁路部分。
圖4-2 三相異步電動機的定子
三相異步電動機的定子繞組中由三相對稱繞組組成,按壹定空間角度依次嵌放在定子槽內,並與鐵心絕緣,是電動機電路部分。三相定子繞組的3個始端U1、V1、W1和3個末端U2、V2、W2,都從機座上的接線盒內引出,並按電動機銘牌上的說明接成星形(Y形)或三角形(△形)(圖4-3)。
圖4-3 三相繞組的連接
三相異步電動機的轉子分為鼠籠式扣繞線式兩種,都由轉軸、轉子鐵心和轉子繞組組成其作用是輸出機械轉矩。轉子鐵心由相互絕緣的矽鋼片疊壓固定在轉軸上,呈圓柱形。在轉子鐵心的外圓周上沖有均勻分布的溝槽,用來嵌放轉子繞組。轉子沖片如圖4-4a所示。鼠籠式轉子繞組是在溝槽內嵌放銅條或鋁條,並在兩端與金屬短路環(稱為端環)焊接而成,其形狀與鼠籠相似,所以稱為鼠籠式轉子(圖4-4b)。100kW以下鼠籠式電動機的特子通常用熔化的鋁澆鑄在溝槽內制成,稱為鑄鋁轉子。在澆鑄的同時,把轉子端環和冷卻電動機用的扇葉也壹起用鋁鑄成(圖4-4c)。
圖4-4 三相異步電動機的轉子結構
圖4-5 繞線式轉子繞組
繞線式轉子繞組與定子繞組形式相似(圖4-5)。嵌放在轉子鐵心溝槽內的對稱三相繞組通常末端接在壹起,呈星形連接,三個始端分別與固定在轉軸上的彼此絕緣的三個銅環連接。三相電源經外加變阻器通過電刷與滑環的接觸,跟轉子繞組接通,以便電動機啟動(圖4-6)。繞線式三相異步電動機具有良好的啟動性能,適用於需重載下啟動,且啟動頻繁的生產機械。
圖4-6 繞線式電動機啟動電路
1—繞組;2—滑環;3—軸;4—電刷;5—變阻器
2.三相異步電動機的工作原理
三相異步電動機的定子繞組中通入對稱三相電流後,就會在電動機內部產生壹個與三相電流的相序方向壹致的旋轉磁場。這時,靜止的轉子導體與旋轉磁場之間存在相對運動,切割磁感線而產生感應電動勢,轉子繞組中就有感應電流通過。載流的轉子導體受到旋轉磁場的電磁力作用,相對轉軸產電磁轉矩.使轉子按旋轉磁場方向轉動,其轉速n略小於旋轉磁場的轉速n0,所以稱為“異步”電動機。
為了更好地理解三相異步電動機的工作原理和掌握旋轉磁場轉速n0的計算,我們需要進壹步分析旋轉磁場的產生情況。
最簡單的三相異步電動機的定子繞組(圖4-7),每相繞組只有壹個線圈,當三相繞組接成星形並與三相對稱電源相接後,三相繞組中就有三相對稱電流通過,即
地勘鉆探工：基礎知識
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其波形圖如圖4-8所示。
圖4-7 三相異步電動機最簡單的定子繞組
圖4-8 三相電流的波形圖
正弦電流通過每相繞組,都要產生壹個按正弦規律變化的磁場。為了確定某壹時刻繞組中的電流方向及所產生的磁場方向,我們規定:三相交流電在正半周時(電流為正值),電流由繞組始端流入,末端流出。電流流入端用“ ”表示,流出端用“ ”表示。電流為負值時則相反。下面分別取t=0、T/6、T/3、T/2四個時刻所產生的合成磁場作定性分析。
當t=0時,由三相電流波形圖可知,IU=0,表示U相繞組無電流,不產生磁場;IV＜0,表示V相繞組電流由末端V2流向始端V1;IW＞0,表示W 相繞組電流由始端W1。流向末端W2。由安培定則可以判定,這壹時刻由三個線圈電流所產生的合成磁場(圖4-9a),它在空間形成二極磁場(磁場數P=1),上為S極,下為N極。
當t=T/6時,IU＞0,表示U相繞組電流由U1端流向U2;IV＜0,表示V相繞組電流由V2端流向V1端;IW=0,表示W相繞組無電流。由安培定則確定的合成磁場方向與t=0時相比較,在空間順時針方向轉了60°(圖4-9b)。
用同樣的分析方法可得當t=T/3時,合成磁場又比t=T/6時刻向前轉過了(圖4-9c)。當t=T/2時,合成磁場比t=T/3時刻又轉過了空間角。同樣可以分析出三相交流電後半個周期在定子中產生合成磁場的情況。
通過上述分析我們可以得出結論:對稱三相交流電IU、IV、IW分別通入定子三相繞組時,會產生壹個隨時間變化的旋轉磁場。定子每相繞組只有壹個線圈時,產生二極旋轉磁場,當正弦交流電的電角度變化360°時,二極旋轉磁場在空間也正好旋轉360°,即磁極對數P=1時,旋轉磁場與正弦電流同步變化。對工頻交流電來說,旋轉磁場每秒鐘在空間旋轉50周。以r/min為單位,旋轉磁場的轉速n0=50×60=3000r/min。若交流電的頻率為f,則旋轉磁場的轉速n0=60f。
圖4-9 三相異步電動機的旋轉磁場
如果定子的每相繞組由兩個線圈串聯而成,則各繞組的始端之間相差60°,通入對稱三相交流電後產生4個磁極(磁極對數P=2),稱為四極電動機。同理可知,若定子每相繞組由3個線圈串聯而成,則各繞組始端之間相差40°,能產生3對磁極(P=3),稱為六極電動機。
用分析二極旋轉磁場的同樣方法可以得出結論:當磁極對數P=2時,交流電變化壹周,旋轉磁場只轉動二分之壹周;當磁極對數P=3時,交流電變化壹周,旋轉磁場只轉動三分之壹周。由此類推,磁極對數為P的電動機(2P極電動機),交流電每變化壹周,旋轉磁場只轉動P分之壹周。當交流電頻率為f、磁極對數為P時,旋轉磁場的轉速n0=60f/P,單位是r/min。
如改變通入定子繞組中任意兩相交流電的相序後,旋轉磁場就反向,三相異步電動機就隨之反轉。
旋轉磁場的轉速n0與轉子轉速n的差稱為轉差,轉差與同步轉速的比值稱為異步電動機的轉差率,用字母S表示:
地勘鉆探工：基礎知識
轉差率是異步電動機的重要參數,可以表明異步電動機的轉速。電動機啟動瞬間,轉速n=0,此時轉差率最大,S=1。當異步電動機空載時.轉子轉速n接近於同步轉速n0,此時轉差率最小,S→0。所以轉差率的變化範圍為
0＜S≤1
三相異步電動機在額定負載下運轉時,轉差率壹般為3%～6%左右。
由公式 可推導出異步電動機的轉速公式為:
由上述公式可知,三相異步電動機調速的方法有3種:
(1)變頻調速
連續改變電源頻率f,可實現異步電動機的無極平滑調速。以前由於變頻設備復雜、昂貴,極少采用變頻調速。近年來,隨著晶閘管變流技術的發展,使異步電動機的變頻調速方法逐漸被應用。
(2)變極調速
制造多速電動機時,設計了不同的磁極對數,通過改變定子繞組的接法來改變磁極對數,使電動機得到不同的轉速,以滿足工作需求。變極調速壹般適用於鼠籠式異步電動機。
(3)變轉差率調速
通常適用於繞線式電動機。在繞線式電動機的轉子電路中,接入壹個調速變阻器,通過改變電阻的大小,就可以實現平滑調速。
(二)發電機
發電機是壹種將機械能轉換為電能的旋轉機械。
地勘鉆探施工用發電機有直流照明發電機、單相交流照明發電機和三相交流發電機組等種類。直流照明發電機、單相交流照明發電機主要用於鉆探施工現場工作照明;三相交流發電機組主要用作鉆探施工設備的驅動動力源。
(三)低壓電器
低壓電器通常是指工作在交流電壓小於1200V、直流電壓小於1500V的電路中起控制、保護和調節作用的電器設備。
地勘鉆探施工機械所用電器多為低壓電器。按照電器在控制系統中的作用可分為控制電器和保護電器兩類。
1.低壓控制電器
低壓控制電器是用來控制電動機啟動和停止的電器。它包括開關、接觸器和按鈕等電器,如閘刀、鐵殼開關、磁力啟動器、自耦減壓啟動器、接觸器等都屬於控制電器。
(1)開關
開關通常是用手動來操縱,對電路進行接通或斷開的壹種控制電器。
1)閘刀開關。閘刀開關是壹種手動的配電電器,主要用於低壓電源(電壓在500V以下)的隔離開關。其外形結構及符號如圖4-10所示。閘刀開關的結構簡單,通常由瓷底座、靜插座、熔絲接頭、閘刀、出線端等構成。其極數有雙極和三極兩種,每種又有單擲與雙擲之分。閘刀開關通常是用來作為電源的引入開關,與熔斷器(熔絲)組合的閘刀開關稱為負荷開關,可用來啟動5.5kW以下的三相異步電動機。常用膠蓋瓷底刀開關的額定電壓為380V,額定電流有15A、30A和60A等。應當註意,在安裝閘刀開關時電源進線應接在靜插座(刀座)上,負載則接在可動刀片下熔絲的另壹端。這樣,斷開電源的時候裸露在外的閘刀就不會帶電。
圖4-10 閘刀開關的結構及符號
1—帶瓷手柄的閘刀;2—靜插座;3—瓷底座;4—出線端;5—熔絲;6—膠蓋
2)組合開關。組合開關又名轉換開關,也是壹種手動的配電電器。除用作電源的引入開關外,還被用來直接控制小容量電動機及控制局部照明電路等,其外形結構及符號如圖4-11所示。組合開關的結構比較緊湊,其實質是壹種具有多觸點、多位置的刀開關,有單極、雙極、三極和四極等幾種。
3)鐵殼開關。鐵殼開關主要由刀開關、瓷插式熔斷器、操作機構和鐵殼構成。在手柄轉軸與底座之間裝有速斷彈簧並用鉤子扣在轉軸上。當扳動手柄分閘或合閘時,開始U形閘刀並不移動,只拉伸彈簧儲備能量。當轉軸轉到壹定角度後,彈簧力使U形閘刀片快速從夾座拉開或將刀片迅速嵌入夾座,電弧被很快熄滅,以保證用電安全。鐵殼上裝有鏈鎖裝置,確保箱蓋打開時不能合閘(圖4-12)。常用的型號為HH系列,額定電壓440V,額定電流有15A、30A、60A、100A及200A等。
圖4-11 組合開關的結構圖及符號
圖4-12 鐵殼開關
l—閘刀;2—夾座;3—熔斷器;4—速斷彈簧;5—轉軸;6—手柄
4)自動空氣開關。又稱自動空氣斷路器,當電路發生短路、過載等故障時,能夠自動切斷電路,有效的保護電氣設備。常用的DZ520型自動空氣開關如圖4-13所示。
圖4-13 DZ5-20型自動空氣開關
1—按鈕;2—電磁脫扣器;3—自由脫扣器;4—動觸頭;5—靜觸頭;6—接線柱;7—熱脫扣器
(2)按鈕
按鈕又稱按鈕開關,簡稱按鈕,是壹種手動控制電器。通常用於控制電路中,與接觸器等其他電器相配合來控制電路的通、斷。
按鈕壹般由按鈕帽、復位彈簧、橋式動觸點、靜觸點和外殼組成。其外形結構及符號如圖4-14所示。
圖4-14 按鈕結構圖及符號
按鈕的種類很多,根據其觸點結構的不同可分為常閉按鈕(常用作停車)、常開按鈕(常用作啟動)和復合按鈕(常開、常閉組合的按鈕)等。
復合按鈕的動作原理是:按下按鈕,常閉觸點先斷開,常開觸點後閉合;松開按鈕,常開觸點先恢復斷開,常閉觸點後恢復閉合,這就是按鈕的自動復位功能。
(3)交流接觸器
交流接觸器是利用電磁力與彈簧彈力相配合而動作的壹種自動開關。它不僅可用來頻繁地通、斷主電路,而且還有低壓釋放保護功能。故交流接觸器是電力拖動自動控制系統中最重要的控制電器之壹,其外形結構及符號如圖4-15所示。
交流接觸器主要由電磁系統和觸點系統兩大部分組成。電磁系統由吸引線圈、靜鐵心(下)和動鐵心(也叫作銜鐵)(上)組成,為了減少鐵損,鐵心用矽鋼片疊成。觸點系統由靜觸點和動觸點組成,觸點必須接觸良好,工作可靠,常用銀或銀合金制成。觸點分為主觸點和輔助觸點兩類,主觸點接觸面積較大,並有滅弧裝置,故能通過大電流,常用以通、斷主電路。輔助觸點額定電流較小(壹般不超過5A),常用來通、斷電流較小的控制回路。
圖4-15 交流接觸器結構圖及符號
交流接觸器的工作原理是:當線圈通電時(俗稱線圈得電),鐵心產生電磁力,銜鐵被吸合,與銜鐵連接在壹起的觸點系統動作,常閉觸點斷開,常開觸點閉合;當線圈斷電時(俗稱線圈失電),電磁力消失,銜鐵在支撐彈簧的作用下彈起,帶動各觸點恢復常態。
2.低壓保護電器
低壓保護電器是用來保護電源、異步電動機和其他用電器的電器。包括:熔斷器、熱繼電器等。
(1)熔斷器
熔斷器是用來保護電源的電器。它的類型有插入式、螺旋式和管式幾種,其結構及符號如圖4-16所示。
圖4-16 常用熔斷器的結構及符號
熔斷器俗稱保險絲,是壹種簡單而有效的保護電器。其主要部件是用高電阻率低熔點的鉛錫合金或低電阻率高熔點的銀銅合金做成的熔體,使用時將其串接在被保護的電路中。在正常工作情況下,相當於壹根導線,熔斷器不會熔斷;壹旦電路發生短路故障或嚴重過載而使電路電流增大時,熔體(熔絲或熔片)就會因為過熱而熔斷,自動切斷電路,起到保護線路及線路上設備的作用。
熔斷器的主要元件是保險線,壹般是由低熔點的鉛錫合金(鉛95%,錫5%)制作的不同直徑的熔絲。在大電流電路中采用銅、銀等做成的薄片,為了安全,熔體多數裝在各種式樣的絕緣殼內,從而組成熔斷器。常用的熔斷器有插入式和螺旋式兩種,即RCIA系列(額定電壓380V)和RLI系列(額定電壓500V)。熔斷電流與線徑的關系如表4-1所示。
表4-1 部分鉛銻熔絲額定電流和熔斷電流表
(2)熱繼電器
熱繼電器是利用電流的熱效應而使觸頭動作的壹種自動保護電器。常用來做電動機的過載保護和缺相保護。其結構及符號如圖4-17所示。
圖4-17 熱繼電器的結構及符號
熱繼電器主要由發熱元件、雙金屬片、動作機構、觸點、復位按鈕和電流整定裝置等幾部分組成。發熱元件是壹段電阻不太大的電阻片(或電阻絲),串接在電動機的主電路中;其常閉觸點串接在控制電路中,當電動機正常工作時,熱繼電器不動作。如果電動機過載或缺相,流過發熱元件的電流超過允許值壹定時間後,發熱元件的溫度升高,雙金屬片(由兩層熱膨脹系數不同的金屬片經熱軋黏合而成)因受熱向上彎曲過多而脫扣,杠桿在彈簧的作用下逆時針旋轉,推動絕緣拉桿右移使常閉觸點斷開,控制電路失電,接觸器線圈斷電,斷開電動機的主電路而起到保護作用。
由於熱繼電器中雙金屬片的熱慣性大,不可能瞬間動作,因此熱繼電器只能作過載保護而不能用作短路保護。當然也正是因為這個熱慣性,電動機在啟動或短時過載時熱繼電器不會動作,避免了電動機的誤動作。
綜上所述,雖然熔斷器和熱繼電器都是保護電器,但是它們的保護作用是各不相同的。熔斷器用作短路保護,只有在嚴重過載時才能作過載保護;而熱繼電器由於它的熱慣性,只能作電動機或線路的過載保護,絕對不能用來作為短路保護。
(四)輸電導線
1.常用的電導線規格
常用的電導線為鋁線和銅線兩種。硬圓銅制單線的規格如表4-2所示。鋁絞線和鋼芯鋁絞線的規格如表4-3所示,硬銅絞線的規格如表4-4所示。
表4-2 TY型硬圓銅單線的規格
表4-3 鋁絞線和鋼芯鋁絞線的規格
續表
表4-4 TJ型硬銅絞線的規格
2.電導線規格的選擇
選擇導線時,可先按導線的允許電流,機械強度進行預選,再驗算末端電壓損失是否超過允許值,若超過應加大導線截面再行驗算。導線截面也可以先根據允許的電壓損失決定,然後再根據導線的允許電流和機械強度驗算。幾種常用鋁線的每千米千瓦的電壓損失百分率如表4-5所示。
表4-5 380V三相架空線路單位電壓損失
各種導線在380V電壓下各容量電機在不同的送電距離下,壹般可選用的導線規格如表4-6所示和表4-7所示。
從表4-7所示中還可以直接查出應選用的LJ-25型鋁線。
表4-6 銅導線的選擇
表4-7 鋁導線的選擇