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

  • milyen jelleggörbében kifejezhető üzemtani sajátosságai vannak
    • a villamosmotoroknak,
    • a belsőégésű motoroknak,
    • az izomerőnek, mint motornak,
  • a városi vízellátó rendszer hogyan szemlélhető a jelleggörbékről elmondottak analógiájaként,
  • az erőgépből és hajtóműből ill. munkagépből álló gépcsoport jelleggörbéje milyen összefüggésben az erőgép jelleggörbéjével.
Tananyag

A gyakorlatban a különféle munkagépek hajtására legelterjedtebben alkalmazott erőgép a villamosmotor. Az elterjedtségnek több oka van, melyek közül a legfontosabbak:

  • magas hatásfok és kedvező hatásfokgörbe (lásd 3. lecke),
  • kedvező jelleggörbe.
  • egyszerű szerkezet, melynek karbantartási igénye csekély,
  • csendes, rázkódásmentes üzem,
  • a teljesítményhez mérten csekély méretek.

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.

21. ábra

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:

1.A jelleggörbe annyira meredek, hogy bármely terhelés stabil munkapontot eredményez, ami az esetek többségében nagyon kedvező.
2.A terhelés jelleggörbéjének változtatása a munkasebességre vagy egyáltalán nincs hatással vagy csak minimális változást eredményez, ugyanakkor óriási túlterhelés a következmény. A szabályozás tehát ilyen módon nem lehetséges és valójában ésszerűtlen is!

Az ideális sebességtartó jelleget az ún. mellékáramkörű (a forgórész és az állórész egymással párhuzamos kapcsolásban van) egyenáramú motor közelíti meg a legjobban (22. ábra).

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.

ε i = M i M o Θ      ( rad s 2 )

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).

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.

24. ábra

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

  • csúszógyűrűs,
  • rövidrezárt forgórészű.

A csúszógyűrűs motor jelleggörbéjét a 25. ábra mutatja.

25. ábra

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.

26. ábra

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.

27. ábra

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

  • a "gázadagolással" folyamatosan beavatkozunk, annak érdekében, hogy a mindenkori terhelést éppen kiegyenlítsük (a személygépkocsi vezetésekor lényegében ezt tesszük) vagy
  • az indítás után az alapjárati "gázadagolást" olyan értékre állítjuk be, hogy a hozzátartozó nyomaték az adott terheléssel éppen egyenlő legyen (csak állandó terhelés esetén alkalmazható).

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.

28. ábra

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.

29. ábra

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.

30. ábra

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).

31. ábra

Ezúttal a munkasebesség szerepét a csővezetéken keresztül időegység alatt vételezhető vízmennyiség, a térfogatáram ( V ˙ ) 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?