钻探设备常用电气的种类

如题所述

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推荐答案 2020-01-17

在地勘钻探施工中,钻探设备常用电气的种类主要有电动机、发电机、低压电器及输电导线等。

(一)电动机

电动机是一种将电能转换为机械能,输出机械转矩的动力设备。

地勘钻探施工用电动机多为三相鼠笼式异步电动机。尽管它的型号很多,但其基本构造和工作原理都大致相同。

1.三相异步电动机的基本构造

三相异步电动机属于交流电动机。

三相鼠笼式异步电动机主要由定子和转子两个基本部分组成(图4-1)。定子是电动机的静止部件,作用是输入功率带动转子旋转;转子是电动机的旋转部件,作用是输出机械转矩。

图4-1 鼠笼式电动机的各个部件

1—端盖;2—定子;3—定子绕组;4—转子;5—风扇;6—风扇罩;7—接线盒

三相异步电动机的定子是由机座、定子铁心和三相绕组等组成。机座通常由铸铁或铸钢制成,机座内装有用0.5mm厚、表面绝缘的硅钢片叠制而成的筒形铁心,铁心内圆上冲有均匀分布的平行槽口(图4-2)。定子铁心是电动机的磁路部分。

图4-2 三相异步电动机的定子

三相异步电动机的定子绕组中由三相对称绕组组成,按一定空间角度依次嵌放在定子槽内,并与铁心绝缘,是电动机电路部分。三相定子绕组的3个始端U₁、V₁、W₁和3个末端U₂、V₂、W₂,都从机座上的接线盒内引出,并按电动机铭牌上的说明接成星形(Y形)或三角形(△形)(图4-3)。

图4-3 三相绕组的连接

三相异步电动机的转子分为鼠笼式扣绕线式两种,都由转轴、转子铁心和转子绕组组成其作用是输出机械转矩。转子铁心由相互绝缘的硅钢片叠压固定在转轴上,呈圆柱形。在转子铁心的外圆周上冲有均匀分布的沟槽,用来嵌放转子绕组。转子冲片如图4-4a所示。鼠笼式转子绕组是在沟槽内嵌放铜条或铝条,并在两端与金属短路环(称为端环)焊接而成,其形状与鼠笼相似,所以称为鼠笼式转子(图4-4b)。100kW以下鼠笼式电动机的特子通常用熔化的铝浇铸在沟槽内制成,称为铸铝转子。在浇铸的同时,把转子端环和冷却电动机用的扇叶也一起用铝铸成(图4-4c)。

图4-4 三相异步电动机的转子结构

图4-5 绕线式转子绕组

绕线式转子绕组与定子绕组形式相似(图4-5)。嵌放在转子铁心沟槽内的对称三相绕组通常末端接在一起,呈星形连接,三个始端分别与固定在转轴上的彼此绝缘的三个铜环连接。三相电源经外加变阻器通过电刷与滑环的接触,跟转子绕组接通,以便电动机启动(图4-6)。绕线式三相异步电动机具有良好的启动性能,适用于需重载下启动,且启动频繁的生产机械。

图4-6 绕线式电动机启动电路

1—绕组;2—滑环;3—轴;4—电刷;5—变阻器

2.三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的定子绕组中通入对称三相电流后,就会在电动机内部产生一个与三相电流的相序方向一致的旋转磁场。这时,静止的转子导体与旋转磁场之间存在相对运动,切割磁感线而产生感应电动势,转子绕组中就有感应电流通过。载流的转子导体受到旋转磁场的电磁力作用,相对转轴产电磁转矩.使转子按旋转磁场方向转动,其转速n略小于旋转磁场的转速n₀,所以称为“异步”电动机。

为了更好地理解三相异步电动机的工作原理和掌握旋转磁场转速n₀的计算,我们需要进一步分析旋转磁场的产生情况。

最简单的三相异步电动机的定子绕组(图4-7),每相绕组只有一个线圈,当三相绕组接成星形并与三相对称电源相接后,三相绕组中就有三相对称电流通过,即

地勘钻探工：基础知识

其波形图如图4-8所示。

图4-7 三相异步电动机最简单的定子绕组

图4-8 三相电流的波形图

正弦电流通过每相绕组,都要产生一个按正弦规律变化的磁场。为了确定某一时刻绕组中的电流方向及所产生的磁场方向,我们规定:三相交流电在正半周时(电流为正值),电流由绕组始端流入,末端流出。电流流入端用“

”表示,流出端用“

”表示。电流为负值时则相反。下面分别取t=0、T/6、T/3、T/2四个时刻所产生的合成磁场作定性分析。

当t=0时,由三相电流波形图可知,I_U=0,表示U相绕组无电流,不产生磁场;I_V＜0,表示V相绕组电流由末端V₂流向始端V₁;I_W＞0,表示W 相绕组电流由始端W₁。流向末端W₂。由安培定则可以判定,这一时刻由三个线圈电流所产生的合成磁场(图4-9a),它在空间形成二极磁场(磁场数P=1),上为S极,下为N极。

当t=T/6时,I_U＞0,表示U相绕组电流由U₁端流向U₂;I_V＜0,表示V相绕组电流由V₂端流向V₁端;I_W=0,表示W相绕组无电流。由安培定则确定的合成磁场方向与t=0时相比较,在空间顺时针方向转了60°(图4-9b)。

用同样的分析方法可得当t=T/3时,合成磁场又比t=T/6时刻向前转过了(图4-9c)。当t=T/2时,合成磁场比t=T/3时刻又转过了空间角。同样可以分析出三相交流电后半个周期在定子中产生合成磁场的情况。

通过上述分析我们可以得出结论:对称三相交流电I_U、I_V、I_W分别通入定子三相绕组时,会产生一个随时间变化的旋转磁场。定子每相绕组只有一个线圈时,产生二极旋转磁场,当正弦交流电的电角度变化360°时,二极旋转磁场在空间也正好旋转360°,即磁极对数P=1时,旋转磁场与正弦电流同步变化。对工频交流电来说,旋转磁场每秒钟在空间旋转50周。以r/min为单位,旋转磁场的转速n₀=50×60=3000r/min。若交流电的频率为f,则旋转磁场的转速n₀=60f。

图4-9 三相异步电动机的旋转磁场

如果定子的每相绕组由两个线圈串联而成,则各绕组的始端之间相差60°,通入对称三相交流电后产生4个磁极(磁极对数P=2),称为四极电动机。同理可知,若定子每相绕组由3个线圈串联而成,则各绕组始端之间相差40°,能产生3对磁极(P=3),称为六极电动机。

用分析二极旋转磁场的同样方法可以得出结论:当磁极对数P=2时,交流电变化一周,旋转磁场只转动二分之一周;当磁极对数P=3时,交流电变化一周,旋转磁场只转动三分之一周。由此类推,磁极对数为P的电动机(2P极电动机),交流电每变化一周,旋转磁场只转动P分之一周。当交流电频率为f、磁极对数为P时,旋转磁场的转速n₀=60f/P,单位是r/min。

如改变通入定子绕组中任意两相交流电的相序后,旋转磁场就反向,三相异步电动机就随之反转。

旋转磁场的转速n₀与转子转速n的差称为转差,转差与同步转速的比值称为异步电动机的转差率,用字母S表示:

地勘钻探工：基础知识

转差率是异步电动机的重要参数,可以表明异步电动机的转速。电动机启动瞬间,转速n=0,此时转差率最大,S=1。当异步电动机空载时.转子转速n接近于同步转速n₀,此时转差率最小,S→0。所以转差率的变化范围为

0＜S≤1

三相异步电动机在额定负载下运转时,转差率一般为3%～6%左右。

由公式

可推导出异步电动机的转速公式为:

由上述公式可知,三相异步电动机调速的方法有3种:

(1)变频调速

连续改变电源频率f,可实现异步电动机的无极平滑调速。以前由于变频设备复杂、昂贵,极少采用变频调速。近年来,随着晶闸管变流技术的发展,使异步电动机的变频调速方法逐渐被应用。

(2)变极调速

制造多速电动机时,设计了不同的磁极对数,通过改变定子绕组的接法来改变磁极对数,使电动机得到不同的转速,以满足工作需求。变极调速一般适用于鼠笼式异步电动机。

(3)变转差率调速

通常适用于绕线式电动机。在绕线式电动机的转子电路中,接入一个调速变阻器,通过改变电阻的大小,就可以实现平滑调速。

(二)发电机

发电机是一种将机械能转换为电能的旋转机械。

地勘钻探施工用发电机有直流照明发电机、单相交流照明发电机和三相交流发电机组等种类。直流照明发电机、单相交流照明发电机主要用于钻探施工现场工作照明;三相交流发电机组主要用作钻探施工设备的驱动动力源。

(三)低压电器

低压电器通常是指工作在交流电压小于1200V、直流电压小于1500V的电路中起控制、保护和调节作用的电器设备。

地勘钻探施工机械所用电器多为低压电器。按照电器在控制系统中的作用可分为控制电器和保护电器两类。

1.低压控制电器

低压控制电器是用来控制电动机启动和停止的电器。它包括开关、接触器和按钮等电器,如闸刀、铁壳开关、磁力启动器、自耦减压启动器、接触器等都属于控制电器。

(1)开关

开关通常是用手动来操纵,对电路进行接通或断开的一种控制电器。

1)闸刀开关。闸刀开关是一种手动的配电电器,主要用于低压电源(电压在500V以下)的隔离开关。其外形结构及符号如图4-10所示。闸刀开关的结构简单,通常由瓷底座、静插座、熔丝接头、闸刀、出线端等构成。其极数有双极和三极两种,每种又有单掷与双掷之分。闸刀开关通常是用来作为电源的引入开关,与熔断器(熔丝)组合的闸刀开关称为负荷开关,可用来启动5.5kW以下的三相异步电动机。常用胶盖瓷底刀开关的额定电压为380V,额定电流有15A、30A和60A等。应当注意,在安装闸刀开关时电源进线应接在静插座(刀座)上,负载则接在可动刀片下熔丝的另一端。这样,断开电源的时候裸露在外的闸刀就不会带电。

图4-10 闸刀开关的结构及符号

1—带瓷手柄的闸刀;2—静插座;3—瓷底座;4—出线端;5—熔丝;6—胶盖

2)组合开关。组合开关又名转换开关,也是一种手动的配电电器。除用作电源的引入开关外,还被用来直接控制小容量电动机及控制局部照明电路等,其外形结构及符号如图4-11所示。组合开关的结构比较紧凑,其实质是一种具有多触点、多位置的刀开关,有单极、双极、三极和四极等几种。

3)铁壳开关。铁壳开关主要由刀开关、瓷插式熔断器、操作机构和铁壳构成。在手柄转轴与底座之间装有速断弹簧并用钩子扣在转轴上。当扳动手柄分闸或合闸时,开始U形闸刀并不移动,只拉伸弹簧储备能量。当转轴转到一定角度后,弹簧力使U形闸刀片快速从夹座拉开或将刀片迅速嵌入夹座,电弧被很快熄灭,以保证用电安全。铁壳上装有链锁装置,确保箱盖打开时不能合闸(图4-12)。常用的型号为HH系列,额定电压440V,额定电流有15A、30A、60A、100A及200A等。

图4-11 组合开关的结构图及符号

图4-12 铁壳开关

l—闸刀;2—夹座;3—熔断器;4—速断弹簧;5—转轴;6—手柄

4)自动空气开关。又称自动空气断路器,当电路发生短路、过载等故障时,能够自动切断电路,有效的保护电气设备。常用的DZ520型自动空气开关如图4-13所示。

图4-13 DZ5-20型自动空气开关

1—按钮;2—电磁脱扣器;3—自由脱扣器;4—动触头;5—静触头;6—接线柱;7—热脱扣器

(2)按钮

按钮又称按钮开关,简称按钮,是一种手动控制电器。通常用于控制电路中,与接触器等其他电器相配合来控制电路的通、断。

按钮一般由按钮帽、复位弹簧、桥式动触点、静触点和外壳组成。其外形结构及符号如图4-14所示。

图4-14 按钮结构图及符号

按钮的种类很多,根据其触点结构的不同可分为常闭按钮(常用作停车)、常开按钮(常用作启动)和复合按钮(常开、常闭组合的按钮)等。

复合按钮的动作原理是:按下按钮,常闭触点先断开,常开触点后闭合;松开按钮,常开触点先恢复断开,常闭触点后恢复闭合,这就是按钮的自动复位功能。

(3)交流接触器

交流接触器是利用电磁力与弹簧弹力相配合而动作的一种自动开关。它不仅可用来频繁地通、断主电路,而且还有低压释放保护功能。故交流接触器是电力拖动自动控制系统中最重要的控制电器之一,其外形结构及符号如图4-15所示。

交流接触器主要由电磁系统和触点系统两大部分组成。电磁系统由吸引线圈、静铁心(下)和动铁心(也叫作衔铁)(上)组成,为了减少铁损,铁心用硅钢片叠成。触点系统由静触点和动触点组成,触点必须接触良好,工作可靠,常用银或银合金制成。触点分为主触点和辅助触点两类,主触点接触面积较大,并有灭弧装置,故能通过大电流,常用以通、断主电路。辅助触点额定电流较小(一般不超过5A),常用来通、断电流较小的控制回路。

图4-15 交流接触器结构图及符号

交流接触器的工作原理是:当线圈通电时(俗称线圈得电),铁心产生电磁力,衔铁被吸合,与衔铁连接在一起的触点系统动作,常闭触点断开,常开触点闭合;当线圈断电时(俗称线圈失电),电磁力消失,衔铁在支撑弹簧的作用下弹起,带动各触点恢复常态。

2.低压保护电器

低压保护电器是用来保护电源、异步电动机和其他用电器的电器。包括:熔断器、热继电器等。

(1)熔断器

熔断器是用来保护电源的电器。它的类型有插入式、螺旋式和管式几种,其结构及符号如图4-16所示。

图4-16 常用熔断器的结构及符号

熔断器俗称保险丝,是一种简单而有效的保护电器。其主要部件是用高电阻率低熔点的铅锡合金或低电阻率高熔点的银铜合金做成的熔体,使用时将其串接在被保护的电路中。在正常工作情况下,相当于一根导线,熔断器不会熔断;一旦电路发生短路故障或严重过载而使电路电流增大时,熔体(熔丝或熔片)就会因为过热而熔断,自动切断电路,起到保护线路及线路上设备的作用。

熔断器的主要元件是保险线,一般是由低熔点的铅锡合金(铅95%,锡5%)制作的不同直径的熔丝。在大电流电路中采用铜、银等做成的薄片,为了安全,熔体多数装在各种式样的绝缘壳内,从而组成熔断器。常用的熔断器有插入式和螺旋式两种,即RCIA系列(额定电压380V)和RLI系列(额定电压500V)。熔断电流与线径的关系如表4-1所示。

表4-1 部分铅锑熔丝额定电流和熔断电流表

(2)热继电器

热继电器是利用电流的热效应而使触头动作的一种自动保护电器。常用来做电动机的过载保护和缺相保护。其结构及符号如图4-17所示。

图4-17 热继电器的结构及符号

热继电器主要由发热元件、双金属片、动作机构、触点、复位按钮和电流整定装置等几部分组成。发热元件是一段电阻不太大的电阻片(或电阻丝),串接在电动机的主电路中;其常闭触点串接在控制电路中,当电动机正常工作时,热继电器不动作。如果电动机过载或缺相,流过发热元件的电流超过允许值一定时间后,发热元件的温度升高,双金属片(由两层热膨胀系数不同的金属片经热轧黏合而成)因受热向上弯曲过多而脱扣,杠杆在弹簧的作用下逆时针旋转,推动绝缘拉杆右移使常闭触点断开,控制电路失电,接触器线圈断电,断开电动机的主电路而起到保护作用。

由于热继电器中双金属片的热惯性大,不可能瞬间动作,因此热继电器只能作过载保护而不能用作短路保护。当然也正是因为这个热惯性,电动机在启动或短时过载时热继电器不会动作,避免了电动机的误动作。

综上所述,虽然熔断器和热继电器都是保护电器,但是它们的保护作用是各不相同的。熔断器用作短路保护,只有在严重过载时才能作过载保护;而热继电器由于它的热惯性,只能作电动机或线路的过载保护,绝对不能用来作为短路保护。

(四)输电导线

1.常用的电导线规格

常用的电导线为铝线和铜线两种。硬圆铜制单线的规格如表4-2所示。铝绞线和钢芯铝绞线的规格如表4-3所示,硬铜绞线的规格如表4-4所示。

表4-2 TY型硬圆铜单线的规格

表4-3 铝绞线和钢芯铝绞线的规格

续表

表4-4 TJ型硬铜绞线的规格

2.电导线规格的选择

选择导线时,可先按导线的允许电流,机械强度进行预选,再验算末端电压损失是否超过允许值,若超过应加大导线截面再行验算。导线截面也可以先根据允许的电压损失决定,然后再根据导线的允许电流和机械强度验算。几种常用铝线的每千米千瓦的电压损失百分率如表4-5所示。

表4-5 380V三相架空线路单位电压损失