KURZUS: Gépek üzemtana
MODUL: II. modul: A gépek üzemállapotai
6. lecke: Erőgépek és gépcsoportok jelleggörbéi
Tanulási cél | |||||
A lecke áttanulmányozása után Ön képes lesz önállóan elmagyarázni, hogy | |||||
| |||||
Tananyag | |||||
A gyakorlatban a különféle munkagépek hajtására legelterjedtebben alkalmazott erőgép a villamosmotor. Az elterjedtségnek több oka van, melyek közül a legfontosabbak: | |||||
| |||||
A hátrányos tulajdonságként, leszámítva a minden fajta gép üzemével kapcsolatosan eredendően fennálló baleseti veszélyt, jószerével csak azt lehet megemlíteni, hogy alkalmazása csak ott lehetséges, ahol kiépített villamos hálózat van. | |||||
Tantárgyunk keretei közé nem tartozik a különféle (egyenáramú, váltóáramú) villamosmotorok szerkezeti felépítésének és működésének ismertetése. Jelen fejezetben csak a villamosmotorok jelleggörbéit és az azokból levezethető legfontosabb üzemtani tulajdonságokat tárgyaljuk. | |||||
A villamosmotorok döntő többsége alapvetően az ún. sebességtartó jelleggörbéjű gépek közé tartoznak. Sebességtartó jelleggörbéjű gép alatt olyan gépet értünk, mely ideális esetben a terhelés nagyságától függetlenül képes arra, hogy azonos fordulatszámmal üzemeljen. A 21. ábra az ideális és a valóságos sebességtartó gép jelleggörbéit mutatja. | |||||
| |||||
A valóságban a terhelés növekedése szükségszerűen maga után vonja a munkasebesség csökkenését, hacsak külső beavatkozás nem történik. A valóságban tehát sebességtartónak tekintjük az olyan gépet, mely jelleggörbéjének értelmezési tartományán belül közel állandó fordulatszámmal képes működni. | |||||
A 21. ábra alapján két dolgot állapíthatunk meg: | |||||
| |||||
Az ideális sebességtartó jelleget az ún. mellékáramkörű (a forgórész és az állórész egymással párhuzamos kapcsolásban van) egyenáramú motor közelíti meg a legjobban (22. ábra). | |||||
| |||||
A mellékáramkörű villamosmotor üzemi jelleggörbéje csaknem függőleges, az üzemi fordulatszám (nm) az üresjárattól a teljes terhelésig mindössze néhány százalék eltérést mutat. | |||||
Az ilyen villamosmotor indítása a forgórész áramkörébe kötött kiiktatható ún. indító ellenállás(ok) segítségével történik. Az indító ellenállásnak köszönhetően az üzemi jelleggörbe meredeksége csökken és a módosított jelleggörbe a zérus munkasebességnél kimetszi az ún. indítónyomaték értékét (Mi). Az indítónyomaték és a zérus munkasebességnél található ellenállási nyomaték (Mo) különbsége eredményezi az indítási gyorsulást. | |||||
A fenti összefüggésben a nevezőben a motor forgó részének tehetetlenségi nyomatéka szerepel. A mennyiben a motor egy munkagépet hajt, akkor ide a motor-munkagép együttes motor tengelyre és annak névleges fordulatszámára redukált tehetetlenségi nyomatékát kell helyettesíteni. | |||||
Egyetlen indító ellenállás alkalmazása az állandó gyorsulással történő gyorsításnak, míg több különböző (fokozatonként egyre csökkenő nagyságú) indító ellenállást alkalmazva megvalósítható a több fokozatú indítás. | |||||
Egészen más jelleggörbéje van az ún. főáramkörű (a forgórész és az állórész egymással soros kapcsolásban van) egyenáramú motornak (23. ábra). | |||||
| |||||
A főáramkörű egyenáramú motor a jelleggörbe szerint nem tekinthető sebességtartónak! Ebből következően lehetséges a terhelés jelleggörbéjének változtatásával történő szabályozás is, bár az gazdaságtalan. | |||||
A főáramkörű egyenáramú motor szintén stabil munkapontot ad a terhelések legtöbbje esetén, azonban kedvezőtlen tulajdonsága, hogy alacsony terhelés mellett a fordulatszám szélsőségesen megnőhet, a motor "megfuthat", ami károsodáshoz vezethet. | |||||
A főáramkörű egyenáramú motort is egy vagy több indító ellenállással szerelik fel, melyek kiiktatásával történik a motor indítása, hasonlóan a mellékáramkörű motorhoz. | |||||
Az egyenáramú motorok kedvező tulajdonságait egyesíti és a hátrányos tulajdonságokat kiküszöböli az ún. vegyes kapcsolású egyenáramú motor. A párhuzamos és a soros kapcsolásban lévő tekercselési menetek számának variálásával a motor tulajdonságai, a jelleggörbe a mellékáramkörű vagy a főáramkörű jelleghez közelíthető. | |||||
A 24. ábra egy vegyes kapcsolású egyenáram motor jelleggörbéjét mutatja. | |||||
| |||||
A 24. ábra szerint a "megfutás" veszélye kizárt, mivel az üzemi jelleggörbe elmetszi a fordulatszám tengelyt. A munkasebesség változási tartománya kisebb, jobban érvényesül a sebességtartó jelleg. A munkapont stabilitása megmarad és a terhelés jelleggörbéjén keresztül történő szabályozás lehetősége is megmarad, bár az gazdaságtalan. | |||||
A gyakorlatban az egyenáramnál sokkal elterjedtebb a váltóáram alkalmazása. A villamos energiahálózat a világon általánosan váltóáramú. A váltóáramra készített motorokat aszinkron motoroknak is nevezik. Ez az elnevezés onnan származik, hogy a motor fordulatszáma kis mértékben elmarad a váltóáramú hálózat frekvenciájából (50 Hertz) adódó fordulatszámtól, nincs szinkronban azzal, mivel az állórész és a fogórész között mechanikus kapcsolat nincs. Ez a jelenség megfelel a korábban már tárgyalt slipnek, de itt a fordulatszámok különbségét vonatkoztatják a szinkron fordulatszámra. | |||||
A váltóáramú motoroknak két fő fajtája van | |||||
| |||||
A csúszógyűrűs motor jelleggörbéjét a 25. ábra mutatja. | |||||
| |||||
Fontos megjegyezni, hogy az ilyen csúszógyűrűs motort még átmenetileg sem szabad nagyobb nyomatékkal terhelni, mint az ún. billenőnyomaték, mert ilyen esetben a motor jelleggörbéjének labilis ágára kerül a munkapont, ami leálláshoz vezet. A 25. ábrán az egyre növekvő terhelés következtében a munkapont a stabil "A" pontból eljut a billenőnyomaték értékének megfelelő "B" pontba, majd a terhelés további növekedése esetén már a labilis ágon alakul ki a munkapont (C), ami már a leállás egyik megelőző állapota. | |||||
A billenőnyomaték alatti terhelések esetén a csúszógyűrűs aszinkronmotor stabil munkapontot biztosít. A sebességtartó jelleg miatt a terhelés jelleggörbéjének változtatásával történő szabályozás nem lehetséges. | |||||
A rövidrezárt forgórészű aszinkronmotor valamennyi villamosmotor közül a legegyszerűbb felépítésű és meg van az a nagy előnye, hogy indító ellenállás nélkül csatlakoztatható a hálózatra. | |||||
| |||||
A jelleggörbe alapján a munkapont a jelleggörbe teljes értelmezési tartományában stabil, ha a terhelés alapértéke kisebb, mint az indítónyomaték értéke. Ellenkező esetben a motor nem indul el. A terhelés jelleggörbéjének módosításával történő szabályozás elvileg lehetséges, de természetesen gazdaságtalan és ésszerűtlen. | |||||
Az erőgépek másik nagy csoportját alkotják a kalorikus gépek, melyek közül itt csak a dugattyús rendszer belső égésű motorról ejtünk szót. | |||||
A dugattyús belső égésű motor, hasonlóan a többi kalorikus géphez önerőből nem képes elindulni, ehhez külső energia-bevezetés (indítómotor) szükséges. | |||||
A dugattyús belsőégésű motor jelleggörbéjét a 27. ábra mutatja. | |||||
| |||||
A jelleggörbéből látszik, hogy az önerőből történő elindulás nem lehetséges, mivel zérus munkasebességnél a motor nyomatéka is zérus. Ebből következik az is, hogy a lehetséges munkapontok mindegyike labilis munkapont. A motor egyenletes üzeme csak úgy lehetséges, ha | |||||
| |||||
Az indítással kapcsolatosan nehézség jelentkezik, mivel bizonyos körülmények között a fordulatszámot igen magas értékre fel kell futatni terhelés nélkül, mielőtt fokozatosan, egy súrlódó kapcsolat révén a terhelést a motor fel tudná venni. A nagy sebességkülönbség a motor fordulatszáma és az induláskor még zérus sebességű hajtó tengely (munkagép) között a kapcsolódó súrlódó elemek gyors kopását okozza és emellett hátrányos a vezetési komfort szempontjából. | |||||
| |||||
Az indítás és a változó terhelésekhez történő alkalmazkodás megkönnyítése érdekében nyomatékváltót, közkeletű nevén sebességváltót alkalmaznak, mely a motor üzemi paramétereit illeszti a terhelés jelleggörbéjéhez. A nyomatékváltó ugyanazt a szerepet tölti be itt, mint a villamosmotoroknál az indító ellenállás. A sebesség ill. nyomatékváltó jelentőségé a 28. ábrán lehet tanulmányozni. | |||||
A nyomatékváltó a hajtó tengellyel kapcsolódó súrlódó gépelem forgási sebességét lelassítja, ami együtt jár a nyomaték emelkedésével, hiszen a teljesítmény azonos kell legyen. Így jóval kisebb sebességkülönbség mellett biztosítani lehet a szükséges nyomatékot az elindításhoz. A 28. ábra nyomatékváltót a motor részeként tekintve ábrázolja az egyes fokozatokban érvényes módosított jelleggörbéket. Az ni-0 fordulatszám azt az értéket jelöli, amelyre akkor kellene felfuttatni a terhelés nélküli motort, ha nyomatékváltó nélkül szeretnénk indítani a munkagépet, az ni-1, ni-2 és ni-3 fordulatszámok az egy, kettő ill. három fokozat beiktatásával történő indítás esetén mutatja azt a fordulatszámot, mely az indítási nyomaték elérése miatt szükséges. Az is nyilvánvaló, hogy az indítás folyamán fokozatosan "magasabb" fokozatba kell kapcsolni, ki kell iktatni a nyomatékváltó fokozatait, mert különben a motor munkasebessége kifutna az értelmezési tartományból. Nem szabad elfelejteni ugyanis, hogy az egyes fokozatokban érvényes módosított jelleggörbe értelmezési tartományán végigfutva a motor fordulatszáma a teljes értelmezési tartományán végigmegy és eléri a maximális megengedett értéket (nmax). | |||||
Ipari méretekben ma már szinte egyáltalán nem jön szóba, de kisebb teljesítményszükséglet esetén mégis gyakran játszik szerepet erőgépként az emberi, ritkábban az állati izomerő. Ennek az erőgépnek a jellegzetessége a 29. ábrán látható jelleggörbe kapcsán figyelhető meg. | |||||
| |||||
Értelemszerűen, mind a maximális nyomaték mind pedig a maximális munkasebesség széles határok között változik egyénenként. | |||||
A 29. ábráról látszik hogy az izomerő nagy indítási nyomatékot biztosít, de a munkasebesség növekedésével a hasznosítható nyomaték többé-kevésbé gyorsan csökken és egy bizonyos értéknél szükségképpen zérus lesz. Éppen ezért itt is szerepet játszik a belsőégésű motor kapcsán említett nyomatékváltó (30. ábra), mint például a kerékpárok váltószerkezete. | |||||
| |||||
Egy érdekes példaként arra, hogy nem csak a klasszikus értelemben vett gépek esetében lehet jelleggörbéről beszélni, vegyük szemügyre a városi vízellátást biztosító víztorony működését (31. ábra). | |||||
| |||||
Ezúttal a munkasebesség szerepét a csővezetéken keresztül időegység alatt vételezhető vízmennyiség, a térfogatáram veszi át. A függőleges tengelyen a víztoronyban lévő vízmennyiség helyzeti energiájának képében megjelenő hajtóerő van ábrázolva. Ez utóbbi mennyiség a víz tömegegységére vetítve nem más, mint a víztoronyban lévő vízszintmagasság (Ht). Megjegyezzük, hogy fogalmilag ugyanezt a szerepet tölti be a hálózati víznyomás is, ami ebből a vízszintmagasságból adódik. | |||||
Könnyen belátható, hogy abban az esetben, ha a víztoronyból a vizet levezető csőnek nincs hidraulikai ellenállása, akkor a víztorony "lábánál" a teljes "hajtóerő rendelkezésre áll, mégpedig attól függetlenül, hogy ezen a csövön keresztül mennyi víz áramlik. Ezt a jelleggörbét mutatja a 31. ábrán a piros színű vonal. A víztorony tehát egy ún. erőtartó jellegű "gépként" működik. | |||||
Amennyiben a víztoronyból levezető csőben van hidraulikai veszteség, akkor - lévén ez a veszteség az átfolyó mennyiség négyzetével arányos - a növekvő térfogatáramok felé a rendelkezésre álló "hajtóerő" csökken. Ha ez a csökkenés nagyobb térfogatáramok esetén sem túl jelentős, akkor a valóságos víztorony is erőtartónak tekinthető. | |||||
A rendszer munkapontja, azaz valamely fogyasztói vezetéken vételezhető vízmennyiség a víztorony "lábához" kapcsolódó, "Hm" magasságban lévő kifolyó keresztmetszettel bíró, fogyasztói vezetéknek, mint terhelési jelleggörbének a víztorony jelleggörbéjével alkotott metszéspontja. Itt csak megemlítjük, hogy több fogyasztói vezeték esetén (ezek egymással párhuzamosan üzemelnek) a probléma rendkívül bonyolulttá válik. | |||||
Végezetül meg kell jegyezni, hogy az erőgépből és mechanikus hajtóműből felépülő gépcsoport jelleggörbéje az erőgép jelleggörbéjével gyakorlatilag megegyezik a fontosabb tulajdonságok szempontjából, ahogy arra példát láttunk a nyomatékváltóval felszerelt dugattyús belsőégésű motor és a nyomatékváltó közvetítésével izomerővel végzett munka esetében. Mindössze az értelmezési tartomány és az értékkészlet változhat. Egésze más a helyzet akkor, ha az erőgép egy áramlástani elven működő gépet hajt meg. Ekkor a nem mechanikus kapcsolat sajátosságai miatt (áramlástani jelenségek) a gépcsoport jelleggörbéje általában jelentősen eltér az erőgép jelleggörbéjétől. |
Önellenőrző kérdések | ||
1. Milyen legfontosabb előnyei vannak a villamosmotoroknak? ![]() | ||
2. Mit kell érteni sebességtartó jelleggörbéjű gép alatt? ![]() | ||
3. Milyen módon tér el valóságos sebességtartó gép jelleggörbéje az ideálistól? ![]() | ||
4. Milyen jellegzetességei vannak általánosságban a sebességtartó jelleggörbéjű gépeknek? ![]() | ||
5. Milyen a mellékáramkörű egyenáramú motor jelleggörbéje? ![]() | ||
6. Mi az indító ellenállás és milyen ódon tölti be szerepét? ![]() | ||
7. Milyen a főáramkörű egyenáramú motor jelleggörbéje? ![]() | ||
8. Milyen probléma léphet fel a főáramkörű motor üzeme közben, ha a terhelés nagyon lecsökken? ![]() | ||
9. Milyen villamosmotor esetében nem szükséges indító ellenállás alkalmazása? ![]() | ||
10. Milyen a vegyes kapcsolású egyenáramú motor jelleggörbéje? ![]() | ||
11. Miért hívják aszinkron motornak a váltóáramú motorokat? ![]() | ||
12. Mit értelmeznek slipnek a váltóáramú motorok esetében? ![]() | ||
13. Milyen csúszógyűrűs váltóáramú motor jelleggörbéje? ![]() | ||
14. Miért előnyösebb a rövidrezárt forgórészű váltóáramú motor a csúszógyűrűsnél? ![]() | ||
15. Miért nem szabad a billenőnyomatéknál nagyobb nyomatékkal terhelni egy váltóáramú motort? ![]() | ||
16. Miért előnyösebb a rövidrezárt forgórészű váltóáramú motor a csúszógyűrűsnél? ![]() | ||
17. Milyen a dugattyús belsőégésű motor jelleggörbéje? ![]() | ||
18. Mi a feltétele egy dugattyús belsőégésű motor egyenletes üzemének? ![]() | ||
19. Miért nehézkes a dugattyús belsőégésű motor indítása nyomatékváltó nélkül? ![]() | ||
20. Mi a nyomatékváltó szerepe a dugattyús belsőégésű motor esetében? ![]() | ||
21. Milyen az izomerő jelleggörbéje? ![]() | ||
22. Milyen az erőtartó jelleggörbe ideális esetben egy víztoronyra vonatkoztatva? ![]() | ||
23. Milyen módon tér el a valóságos erőtartó jelleggörbe az ideálistól egy víztorony esetében? ![]() | ||
24. Mi határozza meg egy fogyasztói vezetéken át időegység alatt vételezhető víz mennyiségét? ![]() | ||
25. Mit lehet elmondani egy villamosmotorból és egy mechanikus hajtóműből álló gépcsoport jelleggörbéjéről? ![]() | ||
26. Mit lehet elmondani egy villamosmotorból és áramlástani elven működő munkagépből álló gépcsoport jelleggörbéjéről? ![]() |