Villamos gépek 9789632750132 [PDF]

Zitiervorschau

Hámori Zoltán

Villamos gépek 3. kiadás

Nemzeti Tankönyvkiadó - Tankönyvmester Kiadó, Budapest

A Szakképzési Tankönyv és Taneszköz Tanács javaslatára a tankönyv használatát oktatási miniszter 1712/2002. szám alatt a 2001/2002. tanévtől engedélyezte Lektor: Kóhut András Sorozatszerkesztő: Szabó István © Hámori Zoltán, 2000,2001,2003 Felelős szerkesztő: Putankó Anna Borítóterv: Szlovencsák Ádám A könyv ábráit az Újpesti Kéttannyelvű Műszaki Szakközépiskola és Gimnázium tanulói készítették Horváthné Tőkei Zsuzsanna tanárnő vezetésével 3. kiadás A könyv fejlesztési munkálatait a Tankönyvmester Kiadó végezte Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. Felelős kiadó: a Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. vezérigazgatója ISBN 963 9460 08 7

A tankönyv megrendelhető: Tankönyvmester Kiadó 1141 Budapest, Fogarasiút 111. Tel.: 220-22-37 Fax:221-05-73

A könyv formátuma: B/5 Terjedelme: 15,9 (A/5) ív Azonossági szám: TM-21012 A kézirat lezárva: 2001. március Készült az MSZ 5601:1983 és 5602:1983 szerint Szedés, nyomdai előkészítés: EMU Bt. Nyomta és kötötte: MULTISZOLG BT., Vác Telefon: (27)502-765 Felelős vezető: Kajtor Istvánná

TARTALOMJEGYZÉK Előszó.................................................................................................................. 1. Villamos gépek általános jellemzői......... ......................... .......................... .

6 7

2. Transzform átorok...................................................................................... . 2.1. Egyfázisú transzformátorok................................................................ ....... 2.1.1. Az egyfázisú transzformátorok működése........................................ 2.1.2. Az egyfázisú transzformátorok szerkezete........................................ 2.1.3. A transzformátor helyettesítőkapcsolása........................................... 2.1.4. A transzformátor üzemállapotai....... ................................................. 2.2. Háromfázisú transzformátorok.................................................................. 2.2.1. A háromfázisú transzformátorok szerkezete..................................... 2.2.2. A háromfázisú transzformátorok működése..................................... 2.2.3. A háromfázisú transzformátorok kapcsolásai................................... 2.2.4. A háromfázisú transzformátor veszteségei és hatásfoka................... 2.2.5. A transzformátor adattáblája.................................................. ........... 2.3. Különleges transzformátorok..................................................................... 2.3.1. Takarékkapcsolású transzformátor.................................................... 2.3.2. ívhegesztő transzformátorok............................................................. 2.4. Példák, feladatok....................................................................................... .

8 8 8 10 13 17 23 23 27 27 31 32 33 33 34 36

3. Szinkrongépek........................................... ........................................................ 3.1. Szinkrongenerátorok.................................................................................. 3.1.1. A szinkrongenerátorok szerkezete..................................................... 3.1.2. A háromfázisú szinkrongenerátor működése........................... ......... 3.1.3. A háromfázisú szinkrongenerátor üzemállapotai........ ..................... 3.1.4. A háromfázisú szinkrongenerátorok párhuzamos kapcsolása.......... 3.1.5. A szinkrongenerátor adattáblája.................................. ...................... 3.1.6. A szinkrongenerátorok alkalmazása.................................................. 3.2. Szinkronmotorok........................................................................................ 3.2.1. A szinkronmotorok szerkezete.......................................................... 3.2.2. A szinkronmotorok működése........................................ .................. 3.2.3. A szinkronmotorok indítása............................................................... 3.2.4. A szinkronmotorok alkalmazása................. ...................................... 3.3! Példák, feladatok........................................................................................

39 39 39 43 45 47 48 49 50 50 50 53 54 55

4. Aszinkrongépek.......... ..... ..................... ...... ............ 58 .......:.... ................................. ..... 4.1. Háromfázisú aszinkronmotorok... 4.1.1. A háromfázisú aszinkronmotorok szerkezete....................,.............. 58 62 4.2. A háromfázisú aszinkronmotorok működése............ . 4.3. A háromfázisú aszinkronmotor működési jellemzői............. .................... 65 4.3. í. A motor jelleggörbéi........................................................................ 65 4.3.2. Az aszinkronmotor terhelése, veszteségei, hatásfoka-....................... 68 . 70 4.4. A háromfázisú aszinkronmotorok indítása.;..;............................ 4.4.1. Csúszógyűrűs motorok i n d í t á s á . . . . ............ ................................. 70 4.4.2. Kalickás motorok indítása.............;.................................................... 73 77 4.4.3. Kétkalickás és mélyhomyú motorok indítása.......... ......................... 4.5. A háromfázisú aszinkronmotorok fordulatszámának változtatása........... 79 4.6. A háromfázisú aszinkronmotorok fékezése................................. ............. 83 4.6.1. Ellenáramú fékezés.....................................................................................,.84 4.6.2. Generátoros fékezés......... .................... ............................................ 85 85 4.6.3. Dinamikus fékezés............................................................................ 4.7. Egyfázisú aszinkronmotor........... .............................................................. 86 4.7.1. Az egyfázisú aszinkronmotorod szerkezete...................................... 86 4.7.2. Az egyfázisú aszinkronmotorok működése....................................... 87 4.8. Az aszinkronmotor adattábláj a.................................................................. 91 4.9. Példák, feladatok........................................................................................ 92

5. Egyenáramú gépek........................................................................................... 98 5.1. Egyenáramú gépek működési elve.................................. .......................... 98 5.1.1. Egyenáramú generátorok működési elve........................................... 98 5.2. Az egyenáramú motor működési elve....................................................... 100 5.3. Az egyenáramú gépek szerkezete.............................................................. 101 5.4. Az egyenáramú generátorok működési j ellemzőj...................... ............... 104 5.4.1. Állandó mágnesű generátor........................................................ ....... 104 5.4.2. Külső geij esztésü generátorok.................................................................... .. .... 5.4.3. Párhuzamos geij esztésü generátor..................................................... 109 5.4.4. Soros geijesztésű generátor............................................................. . 112 .... 5.4.5. Vegyes gerjesztésű generátor......................................... ................... 113 5.5. Egyenáramú motorok........................................... ..................................... 114 5.5.1. Az egyenáramú motorok nyomatéka................................... ............. 114 5.5.2. Az egyenáramú motorok feszültség, áram és fordulatszám viszonyai 115 5.5.3. Az egyenáramú motorok fajtái.......................................................... 117 5.5.4. Az egyenáramú motorok indítása............................... ...................... 127 5.5.5. Az egyenáramú motorok fordulatszámának változtatása......... ........ 130 5.5.6. Az egyenáramú motorok fékezése.................................................... 132

5.6. Az egyenáramú gépek veszteségei, hatásfoka............................................ 136 5.7. Az egyenáramú gépek adattáblája...,.,...!.......................... ...... 137 5.8. Léptetőmotorok....... 138; 5.8.1. A léptetömotorok szerkezete... . . . ^ .... *.. ....>.,....138: 5.8.2. A léptetömotorok működési elve........... ........................................... 138 5.9. Példák, feladatók.,..,.,..,.....;..,...........,..............,...........,....,.... 141 6. A villamos motorok kiválasztása.. 6.1. A motorfajta kiválasztása............. ........... ............................................ 6.2. A motorok feszültség szerinti kiválasztása............................................ . 6.3. A motorok teljesítmény szerinti kiválasztása........................... ................. 6.3.1. Az üzemtípusok hatása a teljesítmény szerinti kiválasztásra........... 6.3.2. A teljesítmény szerinti kiválasztást befolyásoló egyéb tényezők..... 6.4. A motorok fordulatszám szerinti kiválasztása............................................ 6.5. A hajtott gép nyomatékigényének hatása a motor kiválasztására............. 6.6. A motorok védettség szerinti kiválasztása................................................. 6.6.1. A szilárd testek és víz behatolása elleni védelem............................ .. 6.6.2. Robbanásbiztos védettségi módok............................... ..................... 6.7. A motorok építési alak és beszerelési helyzet szerinti kiválasztása........... 6.8. A motorok hűtési rendszerei............ .......................................................... 6.9. A motorok megrendelése............................................................................

145 145 146 148 148 151 151 152 153 154 154 157 160 160

7. A villamos motorok üzemeltetése és karbantartása.... .................................. 162 7.1. A villamos motorok üzembe helyezése...................................................... 162 7.1.1. A szigetelés vizsgálata........... ...................................................... . 162 7.1.2. A motorok beállítása.......................................................................... 163 7.1.3. A motorok hálózati csatlakozása............ ........................................... 164 7.2. A villamos motorok melegedése................................................................ 171 .7.3. A villamos motorok karbantartása............................................................. 173 7.3.1. A kalickás forgórészű aszinkronmotorok karbantartása................... 173 7.3.2. A csúszógyürűs aszinkronmotorok karbantartása.......................................;.............. 7.3.3. Az egyenáramú gépek karbantartása..... ........................................... 175

6

Előszó Ez a Villamos gépek c. könyv, arait kézében tart a kedves Olvasó, a Tankönyvmester alapozó tankönyve. A könyv tömör, összefoglalójellegű tájékoztatást ad a transzformátorokról, a szinkron­ gépekről, az aszinkrongépekről és az egyenáramú gépekről, szem előtt tartva, hogy a könyvet használó tanulók később, munkájuk folyamán üzemeltetői, karbantartói lesznek ezeknek a berendezéseknek. A tankönyv nem az; elméleti, hanem a témával kapcsolatos gyakorlati szempontokat tálja fel, nem igényel magas szintű matematikai ismereteket. A tananyag elsajátítását gyakorlatias számpéldák és feladatok segítik. Ezt a cél erősíti a villamos motorok kiválasztásáról, üzemeltetéséről és karbantartásáról szóló fejezet is. A könyv az ÖKJ-ben előírt követelményeknek megfelelő tartalommal készült, és az egyes témákat az előírásoknak megfelelő mélységben dolgozza fel. Mindazoknak, akik további ismereteket szeretnének szerezni az egyes szorosan, ill. tágabban kapcsolódó témákban, ajánljuk a tankönyvcsalád TM-21010 Szabó István: A műszaki mechanika alapjai, TM-21011 Szabó István: Műszaki mechanika, TM-21006 Szabó István: A gépelemek alapjai, TM-21007 Szabó István: Gépelemek, TM-21005 Gürtler Csabáné-Hámori Zoltán: Alapmérések, TM-21002 Kovács János: Irányítástechnikai alapismeretek, TM-11001 Hámori Zoltán: Az elektrotechnika alapjai, TM-11010 Horváth József: M unka- és környezetvédelem, TM-11013 Szabó István: Gépészeti alapismeretek c. tankönyveit. ' A felsorolt könyvek az adott témákat más-más szempontok alapján dolgozzák fel, így forgatásuk a tanulás során célszerű, mert szélesítik a tudást és kiegészítő információhoz juttatják a tárgykörben az érdeklődőt. Eredményes tanulást és szakmai sikereket kíván minden kedves Qlvasójának a

Tankönyvmester Kiadó

7

1. A VILLAMOS GÉPEK ÁLTALÁNOS JE L L E ^Ő I Villamos gépeken olyari energiaátalakítókat értünk, amelyek • megváltoztatják a villámós energia valamilyen tulajdonságát (pl. a feszültség értékét), • mechanikai energiából villamos energiát állítanak elő, • villamos energiából mechanikai energiát állítanak elő. A villamos gépek működése az elektromágneses indukción, ill. a mágneses térben jelentkező erőhatáson alapul. A villamos gépeket többféle szempontból különböztethetjük meg. • Aramnem szerint: - egyenáramú gépek, amelyek lehetnek generátorok (más néven dinamók), motorok, - váltakozó áramú gépek, amelyek lehetnek transzformátorok, szinkron- és aszinkrongenerátorok, szinkron-, aszinkron- és kommutátoros motorok, • fázisszám szerint: - egyfázisúak, ~ háromfázisúak. A generátorokat és motorokat szokás villamos forgógépeknek is nevezni, mivel működésük során forgómozgást végeznek. Tankönyvünk a felsorolt gépek közül a leggyakrabban előforduló típusok szerke­ zetét, működési elvét és fő üzemi jellemzőit tárgyalja.

8

2. TRANSZFORMATOROK

A transzformátoroknak nagy feladatuk van a hálózati villamos energia eljuttatásá­ ban az erőművekből a fogyasztókhoz. A 2.1. ábrán látható, hogy az erőművi gene­ rátorok és a fogyasztók között legalább három transzformátoron keresztül halad az energia. ; v Transz fórmátor rt-100 kV

—

Transzfor­ mátor

n-10kV

. n-100V

0 0 — G O

Fogyasztók

Távvezeték

n-l-wlOV Fogyasztók

2.1. ábra. Transzformátorok az energiaelosztó-hálózatban

2.1. Egyfázisú transzformátorok 2.1.1. Az egyfázisú transzformátorok működése /

A transzformátor működése a kölcsönös indukción alapszik. A működést a 2.2. ábra alapján követhetjük, ami egyben a transzformátor elvi felépítését is szemlélteti. Az N ] menetszámú primer és N2 menetszámú szekunder tekercsek zárt vasmagon helyezkednek el. A primer tekercsre kapcsolt Uj váltakozó feszültség hatására /j erősségű áram folyik, amely a vasmagban váltakozó fluxust gerjeszt. Ez a fluxus keresztülhalad a szekunder tekercsen és benne b\2 feszültséget indukál. A fluxus ugyanakkor a primer tekercsen is átmegy és az önindukció elvén abban is feszült­ séget hoz létre. Az ábrában ezt a feszültséget Un jelöli.

E g y f á z isú

Primer tekercs

transzfo rm áto ro k

9

Szekunder tekercs

2.2. ábra. A transzformátor működési elve

A feszültségek viszonyát a Faraday-féle indukciótörvény szerint határozhatjuk meg. A primer tekercsre kapcsolt Ux feszültség - ideális tekercset feltételezve egyenlő a benne keletkező £/n önindukciós feszültséggel. Faraday indukciótörvé­ nye szerint: U N &L 1 1 At Nyitott szekunder kapcsoknál Ul2 = £/2-vel, ezért írható:

u

A

0 áramot hoz létre. Az I2 áram Lénz töi*vénye szerint csökkenteni igyekszik a fluxusváltozást. Erre a primer oldal az I { áramerősség növekedésével válaszol, fenntartva az eredeti fluxus változást, ami az U\~U^ fennmaradásához szükséges. így a transzformátor 7( áramfelvétele az I2 terhelőárammal arányosan változik. Az áramfelvétel változása az energiamegmaradás elvéből is következik. A szekun­ der oldal, mint energiaforrás teljesítményt szolgáltat a fogyasztónak. Ez csak úgy lehetséges, ha a primer oldal teljesítmény-felvétele is megnövekszik. Mivel az Ux állandó, a teljesítmény csak az áramerősség növekedése miatt nőhet. Á veszteségek viszonylagosan kis értéke miatt az energiamegmaradás elvéből kö­ vetkezően: •S, - S2 , a látszólagos teljesítmény értelmezése szerint: U > - L ~ U t I0 . Átrendezve a transzformátor fontos összefüggésére jutunk: U,

L

vTehát egy-meghatái‘ozott teljesítmény átvitelekor ;a ,transzformátor áramai fordítottan.arányosak a feszültségekkel.

20

T r an szfo r m á to r o k

Ez a törvényszerűség indokolja a transzformátor jelentőségét a nagy távolságú' energiaátvitelben..A távvezetékek 100 kV nagyságrendű feszültségen, viszonylag: kis áramerősséggel működnek, elfogadható vezetékkeresztmetszettel. A terhelt transzformátor fázisténybzőjé - teljesítmény-tényezője - a terhelés jelle-, gétől függ és általában igaz, hogy terheléskor nagyobb mint üresjárásban.. Ha pl. izzólámpákat vagy ellenállás-fűtésű hőfejlesztő készülékeket táplál a transzformá­ tor, akkor a cos*«l=/í> ■ . . \ V\ j ’: . ' tehát a hálózati frekvenciával egyező.

' '■

-v

.

Forgás közben a forgórész feszültségének frekvenciája az n\-n különbséggel ará­ ..,v nyos:. \ •; t

fi ~P' {nx-n).

A két egyenlet hányadosa:

fi _ nx-n =s. f\ «i Ebből a forgórész feszültségének frekvenciája:

f2=S'fiA forgórész frekvenciája is a szlippel arányos. Névleges fordulatszámon a szlip 0,04 körül van, így 50 Hz hálózati frekvencia mellett a forgórész frekvenciája kb. 2 Hz, tehát kis értékű. A működési elvből következően a motor forgásirányát az állórész mágneses teré­ nek forgásiránya határozza meg. Ebből következően a háromfázisú aszinkronmotorok forgásirányát az állórészhez csatlakozó, tetszőleges két fázisvezető felcserélésével lehet megváltoztatni.

W fm :SS*S8>, ..SM »« i® . m fe Í'íí'í ü

4.3. A háromfázisú aszinkronmotor működési jellemzői 4.3.1. A motor jelleggörbéi Közepes teljesítményű csúszógyűrűs és egykalickás forgórészű motor tipikus nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje a 4.8. ábrán látható. A jelleggörbe jellegzetes pontjai és a motorok tulajdonságai a jelleggörbe alapján:

66

A s z in k r o n g é p e k

4.8. ábra. Az aszinkronmotor nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje • Indítónyomaték (M): a névleges nyomaték körüli, vagy annál kisebb. Ennek oka, hogy álló helyzetben a forgórész erősen induktív jellegű, a forgórész fá­ zistényezője kicsi és emiatt a nyomaték is kicsi. A motor akkor tud forgásba jönni, ha az indítónyomaték nagyobb az Mt terhelőnyomatéknál, ahogy az áb­ ra mutatja. • Billenőnyomaték (Mb): a motor gyorsulása közben a nyomatéka a billenő­ nyomatékig nő. A nyomaték azért növekszik, mert a fordulatszám növekedé­ sével csökken a szlip, így csökken a forgórész f 2 frekvenciája. A csökkenő frekvencián kisebb lesz a forgórész induktív ellenállása, ezáltal növekszik a cos ^2 fázistényező (1. az elektrotechnikában tanultakat). A nagyobb fázisté­ nyező növekvő nyomatékot eredményez. A billenőnyomatékhoz tartozó szlip kb. 15-20%, tehát ekkor a nb fordulat­ szám a szinkronértéknek kb. 80-85%-a. • Névleges nyomaték (Mn)\ a bülenőnyomaték utáni gyorsulás folyamán a nyomaték meredeken csökken. A csökkenés oka: a fázistényező már csak ke­ veset növekszik, de a forgórész árama tovább csökken, mivel az indukált fe­ szültség a szlip csökkenése miatt egyre kisebb lesz, A névleges nyomaték en­ nek a meredek szakasznak kb. a közepén található. Tehát aszinkronmotorok esetén is érvényes a közelítő Összefüggés:

A névleges nyomatékot a leadott mechanikai teljesítményből és a fordulat­ számból határozhatjuk meg: P P M = ^ - = 60— con 2jt • n ha a fordulatszámot - az adattábláról leolvashatóan - l/min mértékegység­ ben helyettesítjük.

HÁROMFÁZISÚ ASZINKRONMOTOROK

67

A motor addig gyorsul, amíg a nyomatéka egyenlő nem lesz a terhelés nyomatékávai (a két jelleggörbe metszéspontja). Ha a gép üresjárásban van, akkor felgyorsul az n{ szinkronfordulatszám közvet. ' len közeiébe. A nyomatéki görbe a szinkronfordulátszámnál metszi a vízszintes' tengelyt.' (A működésielv szerint -motoros üzemállapotban - ez a metszéspont fiktíV.) . . " . ■! : ■ A nyomaték jelleggörbéjéből is kiolvashatóan üres járás és névleges terhelés kö­ zött a motor fordulatszám a néhány százalékot változik. Stabil motoros üzemet az üresjárási pont és a billenőnyomaték között lehet meg­ valósítani. Ha a terhelés meghaladja a billenőnyomatékot, akkor a motor hirtelen megáll, a névlegest többszörösen meghaladó hálózati áramfelvétel kíséretében. Ez a nagy áram, ha tartósan fennmarad, veszélyezteti a motor épségét. Ha a motor zárt forgórésszel, álló helyzetben csatlakozik a hálózatra, rövidzárási üzemállapotról beszélünk. (Ekkor a gép áramkörileg úgy viselkedik, mint egy rö­ vidre zárt transzformátor.) Ez jellemző pl. a kalickás forgórészű gépek bekapcso­ lásának pillanatában. Az áram -fordulatszám jelleggörbe a hálózati áramerősséget mutatja a bekapcso­ lás pillanatától az üresjárási fordulatszámig, és menete a 4.9. ábrán látható.

4.9. ábra. Az aszinkronmotor állórészének áramfelvétele a fordulatszám függvényében (viszonylagos egységekben) A rövidzárási áramfelvétel a névlegesnek mintegy 4-8-szorosa. A billenonyomatékig az áram majdnem állandó marad, ezt követően viszont hirtelen lecsökken. Az üresjárási / 10 áram a névlegesnek kb. 25-60%-a, Ezt a - transzformátorokhoz vi­ szonyítva - nagy értéket az álló- és forgórész vasmagja közötti légrés okozza. (A levegő mágnesezéséhez nagy gerjesztésre van szükség.)

A sz in k r o n g é p e k

68

4.3.2. Az aszinkronmotor terhelése, veszteségei, hatásfoka A tengelyre ható terhelőnyomaték következtében a motor fordulatszámá csökken az üresjáráshoz képest. Ezáltal az állórész forgó mágneses tere nagyobb sebesség­ gel változik a forgórész tekercseihez képest, így abban nagyobb feszültség induká­ lódik. A nagyobb feszültség megnöveli a forgórész I2 áramerősségét, ami megnö­ veli a motor nyomatékát. A változás .addig tart, amíg a gép nyomatéka egyensúly-5 ba kerül a terheléssel. A forgórész áramának változása - á transzformátorhoz h a -: sonlóan - az állórész áramfelvételének megváltozását okozza, Összhangban az energia-megmaradás elvével. Csökkenő terhelés esetén a folyamat ellentétesen változik. A terheléssel együtt változik a motor teljesítménytényezője is. A hálózatból felvett teljesítmény egy része a motorban veszteségként jelentkezik. A fellépő veszteségek és teljesítmény viszony ok: • az állórész vasvesztesége 0PjVas): jó közelítéssel, a terheléstől függetlenül ál­ landó, • az állórész tekercsvesztesége: a hálózatból felvett áramtól függ, kife­ jezhető az / lf fázisárammal és az /?lf fázistekercs ellenállásával ^ltek = ^ ■/ if • /?jf , a terheléssel együtt változik. Ha a felvett P } teljesítményből levonjuk az állórész veszteségeit, megkapjuk a for­ górészre a mágneses tér által átvitt teljesítményt, amit Iégrésteljesítménynek ne­ vezünk: Pj~P\-

C^ivas + ^ Itek ) I

• a forgórész vasvesztesége - ami az elektrotechnikában tanultak szerint frek­ venciafüggő - forgás közben elhanyagolható, mert a forgórész frekvenciája néhány hertz, • a mechanikai veszteség CPVmech): csapágy- és kefesúrlódásból, valamint a szellőzési veszteségből (a hűtőlevegő áramoltatásához szükséges teljesít. mény) áll; a mechanikai veszteségek a terheléstől függetlenül állandóak, mi­ vel a fordulatszám gyakorlatilag nem változik; a mechanikai veszteségek a névleges teljesítmény 1-2 százalékára tehetők. • a forgórész tekercs vesztesége: a háromfázisú tekercset, ill. a kalickát mele­ gíti, bizonyíthatóan a légrésteljesítmény és a szlip szorzataként számítható (a szlipet nem százalékos viszonyszámként értelmezve) ^ 2tek = s • P i, ebből következően szintén terhelésfüggő.

H á r o m f á z is ú

69

a s z in k r o n m o t o r o k

■fc:0-y

Az aszinkrongép összes vesztesége:

Í'

Py —Pivas + PItck+ P'> t*vv::+Pvinech 2tek A motor leadoti teljesítménye: P, = P i - P , Az aszinkronmotor telje.sílményYÍszonyáit a 4.10. ábrán láthatjuk. r}h% 100 4

1

80 60 ~ 40 20

0,4 -

°

4.10.

’

t 0,2

I 0,4

l I 0,6 0,8

I 1

I 1,2

Pi..

ábra. Az aszinkronmotor terhelési jelleggörbéi

A gép hatásfokát az értelmezés szerint számíthatjuk: i-

rj =™-100%. Pt Az adattábla névleges értékeiből meghatározhatjuk a névleges hatásfokot: 2n

100%.

V 3 • í/jn • h n ’ C0SR\l>Ril>R—0 4.12. ábra. Az indítóellenállás hatása a csúszógyűrűs aszinkronmotor nyomatékára :Az Rí2 ellenállásértéknél az Mh billenőnyomaték nulla fordulatszámnál van, ez egyben az indítónyomaték lehetséges legnagyobb értéke. Ha az ellenállás ennél nai gyobb, az indítónyomaték csökken, mert a fázistényező már alig nő, de a nagy el­ eiénállás miatt kisebb a forgórész árama, így a nyomatéka is. Az indítás folyamata a következő: • az R [ indítóellenállást a legnagyobb értékre kell állítani (ez gyakran a forgó­ rész áramkörének nyitott állapotát jelenti), • a motor állórészét a hálózatra kell kapcsolni, • az indítóellenállást a gyorsulás ütemében, fokozatosan ki kell iktatni, a forgó­ rész rövidre zárásáig. Az indítás nyomatéki viszonyai a 4.13. ábrán követhetők.

«* Ri^i5>R\£>R\y>Rn>Ri

n,

4.13. ábra. A csúszógyűrűs aszinkronmotor indítási folyamata

72

A s z in k r o n g é p e k

r; A bekapcsolás után az R i6 ellenállásnak megfelelő Mn1ax nyomatékkai indul a mo­ tor. Amikor eléri a jelleggörbén az Mmin nyomatékot, amelyhez fordulatszám. ; tartozik, csökkentik az ellenállást Ezáltal a motor az ellenállásnak megfelelő jelleggörbén gyorsul tovább. Az indítás így folytatódik az ellenállás teljes kiiktatá­ sáig, amikor is a motor nyomatéka egyensúlyba kerül a terhelőnyomatékkai; , Az indítás folyamatában a gép nyomatéka a 4.13. ábrában látható, fűrészfogszerű görbe mentén változik. A nyomaték ingadozása áz ellenállás^fóközatók 'számának növelésével csökkenthető, de ezzel az indítóberendezés költsége nagyobb lesz. Az indítás történhet kézzel, de önműködő berendezéssel is megvalósítható. A gyakorlatban alkalmazott indító-ellenállás fajták: • fémből készült ellenállás, fokozatkapcsolóval, • ún. folyadék-ellenállás; ekkor az ellenállás elektrolit, ami a gyakorlatban víz­ ben oldott szóda (nélküle a víz fajlagos ellenállása túl nagy lenne). A folyadék-ellenállás elvét a 4.14. ábra szemlélteti. A folyadékba merülő lemez felülete folyamatosan növekszik, ezáltal a lemezek kö­ zötti ellenállás csökken. A folyadék-ellenállás gyakorlatilag fokozatmentes indítást tesz lehetővé, de rend­ szeres karbantartást igényel. Az indítás során az indító-ellenálláson energiaveszteség (hő) keletkezik. Csatlakozás a csúszógyűrűkhöz L em ezek

/ ' Elektrolit

4.14. ábra. A folyadék-ellenállás működési elve A csúszógyűrűs aszinkronmotort akkor célszerű alkalmazni, ha viszonylag nagy indítónyomatékra van szükség és ezt viszonylag kis hálózati áramterhelés mellett kell megvalósítani. Az indítás folyamatában az áram és nyomatéki viszonyok jól befolyásolhatók.

HÁROMFÁZISÚ ASZINKRONMOTOROK

73

4.4.2. Kalickás motorok indítása Közvetlen (dírekt) indítás esetén á. gép .állórészét egyszerűen rákapcsolják a há­ lózatra. Ez akkor tehető meg, ha a motor nagy indítási áramlökése nem okoz za­ vart a hálózat működésében, ill. a motor nyomatéka megengedett a meghajtott be­ rendezés szempontjából. .... ' Gyakori indítás esetén a nagy áramlökés által a motorban okozott melegedés is problémát okozhat •. :-. A közvetlenül indítható motor nagyságát az áramlökés szempontjából a hálózat ter­ helhetősége határozza meg. Ipari üzemekben általában 10 kW teljesítményig a di­ rekt indítás nem terheli túl a hálózatot. Ha a közvetlen indítás nem valósítható meg, akkor valamilyen áram-, ill. nyoma­ tékcsökkentő módszert kell alkalmazni. Az áramcsökkentés lehetősége az

kifejezésből adódik. Eszerint az áramfelvétel és ezzel együtt a nyomaték is csök­ kenthető: • az állórészre kapcsolt feszültség csökkentésével, vagy • a motor áramköri impedanciájának növelésével. A csillag-delta indítás a motor tekercseire jutó feszültséget csökkenti. Lényege, hogy az üzemszerűen delta-kapcsolású motor állórészét az indítás idejére csillag­ ba kötik. Miután a motor felgyorsult az üzemi fordulatszámra, az áílórész tekercse­ it deltába kapcsolják, amivel létrejön az üzemi állapot. A csillag-delta indítás feszültség- és áramviszonyait a 4.15. ábrán követhetjük.

4.15. ábra. A csillag-delta indítás feszültség- és áramviszonyai

74

A s z in k r o n g é p e k

Delta-kapcsolásban az U vonali feszültség —.amely egyben, a fázisfeszültség.is: ■hatására 7d vonali áramerősség jön. létre, a fázisáram 7d//-3 lesz. . . Ha a tekercsekét ugyanerre a vonali feszültségre csillagba-kapcsoljuk, ákkóriáz egy;. tekercsre jutó feszültség U/J 3 értékre csökken és énnek következtében’á tekercs árama is ilyen arányban lesz kisebb, tehát 7(1/3 értékű. Mivél csillagkapcsolásban á vonali és a fázisáram egyenlő, így a csillagkapcsolás a hálózatot harmad akkora áramerősséggel terheli, mint a delta-kapcsolás. Az áramcsökkenés arányában a motor nyomatéka is kisebb-lesz:

A csillag-delta indítás nyomatéki viszonyait a 4.16. ábra szemlélteti.

4.16. ábra. A csillag-delta indítás nyomatéki viszonyai Az indítás alatti nyomatékváltozás a vastag vonal tnentén megy végbe. A csillag­ ból deltába történő átkapcsolás a két görbe közötti függőleges egyenesnek megfe­ lelő fordulatszámmal történik. Az indítás során a motor nyomatékának mindig nagyobbnak kell lenni a terhelő-nyomatéknál. A motor lecsökkent indítónyomatéka miatt a csillag-delta indítás korlátozottan al­ kalmazható. A gyakorlatban pl. hegesztődinamók, szerszámgépek indításánál for­ dul elő. A csillag-delta indítás céljára készítenek kézi, ill. elektromágneses működtetésű kapcsolókat (ún. mágneskapcsolókat), amelyek egyben a gépet be- és kikapcsolják. Három darab háromfázisú mágneskapcsolóval is kivitelezhető az indítás, amely­ nek elvi kapcsolását a 4.17. ábra mutatja.

H

á r o m f á z is ú a s z in k r o n m o t o r o k

4.17. ábra. A háromfázisú kalickás motor csillag-delta indítása Az ábra alapján az indítás lépései: • KI és K2 kapcsoló bekapcsolásával a motor hálózatra való csatlakoztatása csillagkapcsolásban, • A gép felgyorsulása után K2 kikapcsolása, ezt követően a K3 bekapcsolása, amely deltakapcsolásba köti a tekercset. Ha a motor a hálózati vonali feszültségre vonatkozóan csillagkapcsolású, akkor a módszer nem alkalmazható, mert a motor bekapcsolásakor közvetlen indítást vé­ geznénk. A deltába való átkapcsolás után pedig rövid idő múlva leégne a motor, a tekercselésre jutó, a névlegesnél J 3 -szór nagyobb feszültség miatt. A traíiszformátoros indítás lényege, hogy az indítás időtartamára egy transzfor­ mátorral lecsökkentik a motor állórészére jutó feszültséget, majd miután a gép fel­ gyorsult, azt a teljes hálózati feszültségre kapcsolják. Az indítás céljára jól használható a takarék-kapcsolású transzformátor. Az indítási folyamat elvi kapcsolása a 4.18. ábrán látható. Az indítás menete: • KI és K2 kapcsoló zárásával a motor a TR takarékkapcsolású transzformáto­ ron keresztül kap - a hálózatinál kisebb - feszültséget, ®A motor felgyorsulása után, KI és K2 kikapcsolását követően, a K3 kapcso­ lóval a gépet közvetlenül a hálózatra kapcsolják.

76

A s z in k r o n g é p e k

4.18. ábra. A háromfázisú kalickás motor transzformátoros indítása A transzformátoros indítás előnye, hogy mind csillag-, mind delta-kapcsolású mo­ tor esetén alkalmazható, és az áram, valamint a nyomaték csökkentése nem kötött, a transzformátor áttételének alkalmas megválasztásával szabadon megválasztható. A módszer hátránya, hogy költséges. Indítás vezérelhető félvezető eszközzel: a módszer lényege, hogy a motorra jutó feszültséget ellenpárhuzamos tirisztorokkal csökkentik, majd az indítási folyamat­ ban, egy, ill. több fokozatban vagy folyamatosan, a teljes értékre növelik. Előtét-impedanciás indítás: a motor állórészének minden fázisával sorosan kap­ csolnak egyforma impedanciákat. Ezáltal a gép áramkörének növekszik az impe­ danciája, ami korlátozza a motor áramerősségét. A felgyorsulás végén az előtét-impedanciákat kiiktatják. Impedanciaként ellenállást vagy induktív reaktanciát (ún. fojtótekercset) szokás alkalmazni. A módszer elvi kapcsolása a 4.19. ábrán látható. Az indítás menete az ábra alapján: • KI kapcsoló zárásával (miközben a K2 nyitott), a Ze előtét-impedancián ke­ resztül a hálózatra kapcsolják a motort, • a gép felgyorsulását követően, a K2 bekapcsolásával, kiiktatják (rövidre zár­ ják) az indítóimpedanciát.

'I lS ilr

H á r o m f á z is ú

a s z in k r o n m o t o r o k

77

5^K 2

4.19. ábra. A háromfázisú kalickás motor indítása előtét-impedanciával

4.4.3. Kétkalickás és mélyhornyú motorok indítása A 4.20. ábra egy forgórész kétkalickás hornyát mutatja. Az ábrán látható a forgó­ részben folyó áram által létrehozott szórt mágneses tér néhány erővonala is.

#«K

4.20. ábra. A kétkalickás horony szórt mágneses tere

|M |:|A szórt mágneses tér az alsó horony körül nagyobb, mivel a geijesztés hatására a ; mágneses tér döntően a vasban haladhat. (A külső horony szórt mágneses tere az ál: és forgórész közötti légrésen keresztül záródik.) Ennek következtében az alsó ho;• V: ; Tony induktivitása nagyobb, mint a felsőé. A felső horony keresztmetszete kisebb, így • a horonyban lévő vezető rúd ellenállása nagyobb, mint a belső horony ellenállása. . .: Akorábbiakból következően indításkor a motor forgórészében folyó áram frekven:ciája 50 Hz, ami üzemi fordulatszámon 1-3 Hz-re csökken. Ennek hatására álló

78

A s z in k r o n g é p e k

helyzetben az alsó horony szórási reaktanciája kb. hússzor nagyobb, mint az üze­ mi fordulatszámon. A felső horony reaktanciája mindkét állapotban viszonylag kisebb, a kisebb induktivitás miatt. A vázolt viszonyok következtében a bekapcsolás pillanatában a nagyobb ieaktancia miatt az áram, döntő részben, a nagyobb ellenállású, de kisebb reaktartciájú kül­ ső kalickában folyik. Ezt úgy is mondják, hogy az áram kiszorul a külső kalickq-, ba. (Ezért szokták á kétkalickás és mélyhornyú forgórészeket áramkiszorításps fpr-,, gÖrészeknek nevezni.) Az üzemi fordulatszámon, a forgórészáram kis frekvenciája miatt, a szórási reaktanciák hatása jelentősen lecsökken, az áram a külső és belső horonyban a keresztmetszetek arányában oszlik meg, az áramkör ellenállása lecsökken. A bekapcsoláskor tehát a forgórész ellenállása nagyobb, mint üzem közben. Lénye­ gét tekintve ugyanaz a hatás érvényesül, mint a csúszógyűrűs forgórészű gépeknél a beiktatott indító-ellenállások esetén: az átmenetileg megnőtt ellenállás nagyobb indítónyomatékot eredményez. A mélyhornyú forgórész hasonló módon viselkedik. A 4.21. ábrán az egy- és kétkalickás, ill. mélyhornyú forgórészek jellegzetes nyomaték-fordulatszám jelleggörbéje látható.

4.21. ábra. Az egy- és kétkalickás, ill. mélyhornyű motorok nyomatéki jelleggörbéje / egykalickás motor; 2 mélyhornyú motor; 3 kétkalickás motor

A jelleggörbék összehasonlításából látható, hogy a lényegi különbség az indító- és a billenőnyomaték közötti szakaszon jelentkezik: mélyhornyú és kétkalickás for­ górészek esetén nagyobb az indítónyomaték. Az üzemi szakaszon az eltérés nem jelentős. A kedvezőbb nyomatéki tulajdonság miatt a közepes és nagyteljesítményű kalickás gépeket mélyhornyú, ill. kétkalickás forgórésszel gyártják.

H á r o m f á z is ú

a s z in k r o n m o t o r o k

79

4.5. A háromfázisú aszinkronmotorok fordulatszámának változtatása ?f f ;| P ■M

|

®

m

.1 ..,

i. -,i'

Ebből a fordulatszám:

?$í .víií ■1

A fójrdulatszám-váltbztatás lehetőségeit a szlip kifejezésének átrendezett alakjából állapíthatjuk még:

n=

jj

• (1 - í ) .

Figyelembe véve, hogy n ^ f j p , a következő kifejezésre jutunk:

1ÉI ÜÍK vzm;..

í

-s). • P ■■ Az összefüggésből megállapítható, hogy az aszinkronmotor fordulatszáma az állórészt tápláló feszültség frekvenciájával, a gép póluspárjainak számával és szlipjévei befolyásolható.

iy A frekvencia változtatása: jó közelítéssel az állórész frekvenciájával egyenesen iy arányos a fordulatszám. Mivel a hálózati frekvencia állandó, ezért külön frekvenciaváltoztató berendezés­ re van szükség, amelyet a hálózat és a motor állórésze közé kell kapcsolni. Ha a motor mágneses jellemzőit, és ebből következően az indító- és billenőnyomatékát, valamint indítási áramát változatlanul akarjuk hagyni, akkor a frekvenciával i3i£v:. közel arányosan az állórész feszültségét is változtatni kell. .1#; A korszerű frekvenciaváltoztató berendezések teljesítményelektronikai eszközökSft: kel készülnek, programozható, mikroszámítógépes vezérléssel. ;f#; A pólusszám változtatása: a póluspárok számával fordítottan arányos a fordui'Ki'h'.'*,

A póluspárok számát a gép tekercselési rendszere, kapcsolása határozza meg. Ezért a pólusszám megváltoztatását a tekercselés átkapcsolás ávallehet elérni, az erre a célra gyártott tekercselésű motorok esetén. ■ : Ezt a módszert csak kalickás gépeknél alkalmazzák, mert csúszógyűrűs motorok­ ig nál a forgórészt is átkapcsolható tekercseléssel kellene gyártani, ami bonyolulttá és i túl költségessé tenné a gépet, a kalickás forgórész pedig elvileg tetszőleges pólus . számú állórész esetén működőképes.

A s z in k r o n q é p e k

80

Égy gépen belül gazdaságosan legfeljebb négy különböző: pólusszám valósítható, meg, mert efölött a motor mérete a teljesítményéhez képest kedvezőtlenül alakul.. Leggyakrabban az ún. Dahlander-tekercselésű motort alkalmazzák. Ennek lénye­ ge, hogy az állórész-tekercselés minden fázisát két egyenlő részből készítik, ame­ lyekét sorba, ill. párhuzamosan kapcsolnak. így kétféle póluspárszám alakítható ki. Az átkapcsolás hat kivezetéssel megoldható. , A két póluspárszám mindig egy a kettőhöz arányú: p ] : p 2 = 1 : 2 (1 és 2, 2 és 4, ' 3 és 6, 4 és 8 stb.). D

É

D

É

D

L1

D 2

(p

L2 L3

c

c Ul c> U2

(> VI o V2

c> W1 o W2

U1

VI

Wl

U2

V2

W2

D

c'f

i!> L1 L2

í/?

;;

(7) Az állórész kapcsolásai névleges feszültségeken. ( 8 ) Az állórész névleges áramerősségei. (9) A fázistényező névleges értéke. (10) Az állórész áramának névleges frekvenciája. (11) Üzemtípus. (12) Névleges fordulatszám. (13) A forgórészen kialakuló névleges feszültség álló helyzetben, nyitott csúszógyűrűk kozott; a for­ górészben folyó névleges áram, rövidrezárt csúszógyűrűkkel, forgó állapotban. (14) A motor védettségének jele. (15) A tekercselés szigetelési osztálya (az alkalmazott szigetelőanyag hőállóságára utaló jelzés). (16) A motor tömege. (17) A motorra vonatkozó szabvány (általános előírások és vizsgálatok). A kalickás motorok adattáblája a forgórészen kialakuló feszültséget és áramot nem tünteti fel, egye­ bekben a csúszógyűrűs motoréval egyező adatokat tartalmaz.

4.9. Példák, feladatok Példák 1. Egy 50 Hz frekvenciájú hálózatról működő háromfázisú aszinkronmotor üzemi fordulatszáma 1440 l/min. Mekkora a motor szlipje és mekkora frekvenciájú áram folyik a forgórészében? A gép szinkron fordulatszáma 1500 l/min, mert az 50 Hz frekvencián lehetséges értékek közül (1. a 4.1. táblázatot!) ennél az értéknél kisebb néhány százalékkal az üzemi fordulatszám.

PÉLDÁK, FELADATOK

93

A szlip : s-

fii - n

1440

min

100 =

1500

mm

T

1 0 0 -4 % .

min

iigji;. A forgórész áramának frekvenciája: ■ -

f2 = s -j] = 0,04 • 50 = 2 Hz.

2. Az 1. példában szereplő motor felvett teljesítménye 17,5 kW. A gép vasvesztesége 0,6 kW, az állórész tekercsvesztesége 0,9 kW, a gép mechanikai vesztesége 0,36 kW. Mekkora a gép légrésteljesítménye, a forgórész tekercs vesztesége, a mo­ tor leadott teljesítménye, hatásfoka és nyomatéka? A légrésteljesítmény: p l = / V ( ^ lvas+Í>itek)=17>5 k W -(0,6 kW+0,9 kW)=16 kW. A forgórész tekercsvesztesége: /*2tek

= 0,04 • 16 kW = 0,64 kW.

fi A gép összes vesztesége: n®

^K=^ivaS+ /,itek+^2tek+/,vmech=0>6 kW+0,9 kW+0,36 kW+0,64 k W -2,5 kW A motor leadott teljesítménye:

«8§A gép hatásfoka: Ti

Pn = — -100 =

ífifívj ■ ifi

p 2= p ^ p w= 17,5 k W - 2,5 kW=15 kW .

15 kW ■100 = 85,7% . 17,5 kW

A motor nyomatéka: p, i 5.in4W M„= 60 • -—— ~ 60------------------- :— - 9,95-10' N-m « 100 N-m . 2fc-n 2tt •1,44-103 min

A s z in k r o n g é p e k

94

3. Az 1. és 2. példában szereplő, kalickás motor névleges feszültsége 400 V,'üzemikapcsolása.delta, az! indítónyomatéka a 2. példában szereplő érték másfélszerese. Alkalmazható-e csillag-delta indítás, ha a terhelő nyomaték értéke 60 N-m és a fördulatszám függvényében állandó? A motor névleges indítónyomatéka:

-

M id = 1,5 • Mm= 1,5 • 100 N-m = 150 N-m A gép indítónyomatéka csillagkapcsolásban:

^

Mid 150 N-m Mjcs = - f - = ----- ---= 50 N-ra. A motor tehát nem indítható csillag-delta átkapcsolással, mert így az indítónyo­ matéka kisebb lenne a terhelés 60 N-m értékű nyomatékánál.

4. A harmadik példa motorját mekkora vonali feszültségről kell indítani delta- kap­ csolásban, hogy az indítónyomatéka 70 N-rn legyen? A motor nyomatéka a feszültség négyzetével arányos. Ennek megfelelően a kérdé­ ses nyomatéki viszonyra felírható összefüggés: 'Mi Mid

U\ Ü\n

Ebből a szükséges feszültség: u, =

t/,„ =

150 N-m

• 400 V = 273 V.

5. Rajzoljuk meg egy 6/3 póluspárú Dahlander-tekercselés egyik fázisának vázlatát! A 4.5. alfejezetben megfogalmazottak szerint a fázistekercset hat egyenlő részre kell osztani. A 435.a) ábra mutatja a hat tekercselem vázlatát, a mágneses pólusok és a szükséges áramirányok feltüntetésével. Az 1., 3., 5. valamint a 2., 4., 6. tekercselemeket sorosan kapcsolva alakul ki az a két tekercsrész, amelyeket a 6 póluspárú mágneses tér kialakításához sorosan kap­ csolnak. Ez látható, az áramirányokkal együtt a 435.b) ábrán. A 4.36. ábrán a 3 póluspárú mágneses tér kapcsolása követhető. Most a két soros kapcsolású tekercselem-csoport párhuzamosan van kötve.

Példák,

.

I.

í-

1?

ft

É

n

3.

É

\i.

Í:í

:

.

2.

3Í-;

É

É

í.

fi

2.

n

—

_____ f>

feladatok

95 5. •

4vv-

•

ff

É

• ]'•: V v

>

H

É

6.

fi

É

6.

fi

5. • :

4. ■-

l°í

'

É

---- [>

----

«)

TT

U3 A b)

4.35. ábra. A 6/3 póluspárú Dahlander-tekercselés 6 póluspárú kapcsolása. a) a szükséges tekercselemek és áramirányok; a tekercselemek két csoportjának (1., 3., 5. és 2., 4.,

b)

6 .)

soros kapcsolása

5.

6.

a) '

É

É

D

1 1

í

í

É

D

1 1

1

í

í

D

1 1

í

-------
Fogyasztó

a)

b)

5.1. ábra. Az egyenáramú generátor működési elve a) az elvi szerkezet; b) a keletkezett egyen irányított feszültség A mágnes pólusai között forgó tekercs végei két, egymástól elszigetelt, réz félgyörííhöz csatlakoznak. Ezt az alkatrészt kom mutátornak vagy másképpen kollek­ tornak nevezzük. A kommutátor együtt forog a tekerccsel. A kommutátor felüle­ tére, mint forgó érintkezőhöz, a mágneses erővonalakra merőlegesen, az ún. sem-

E gyenáram ú

g é p e k m ű k ö d é s i elv e

99

.■leges vonalban, szénkefék csatlakoznak, amelyeken keresztül vezetik el a villa-.. : rnos energiát. : A. v v‘f ^ A kommutátor végzi az egyenirányítást is. A tekercs forgása közben; az ábra sze­ rinti bal oldali kefe a kommutátoron keresztül mindig a felső tekercsoldalhoz, a jobb oldali pedig az alsó tekercsoldalhoz csatlakozik. így annak ellenére, hogy a tekercsben váltakozó áram folyik, a keféken kívüli áramköri részen már egyirányú,. . azaz egyenáram.jön létre,, ill. a fogyasztó sarkain egyenfeszültség keletkezik.. ; A mozgási indukció; szabályai szerint keletkező áram iránya és a feszültség polari­ tása az ábra szerinti. Belátható, hogy a polaritás ellentétesre változik, ha a forgás­ irányt vagy a mágneses pólusokat felcserélik. (Ha mindkettő egyszerre változik, a feszültség polaritása marad az előző.) A tekercsben indukálódott és a kommutátorral egyenirányítóit feszültség, valamint áram időfüggvényét, feltételezve, hogy a tekercsben szinuszos feszültség jön létre, az 5.1 ,b) ábra mutatja. Az ábrából látható, hogy a feszültség és az áram erősen lüktető. Ezért a valóságos gépekben a forgórész kerülete mentén, egymáshoz képest elforgatva, sok tekercs­ elemet helyeznek el, amelyek sokszegmensu kommutátorhoz csatlakoznak. A ke­ fékről a tekercselemekben indukálódott, fázisban eltolt feszültségek összege vehe­ tő le. Ennek az elvi elrendezését az 5.2. ábra mutatja. A gyakorlatban működő gépek teljesen sima egyenfeszültséget állítanak elő.

a)

h)

5.2. ábra. Egyenáramú generátor, a forgórészén több tekercselemmel a) elvi szerkezeti vázlat; b) a feszültség időfüggvénye

100

E gyenáram ú

g épe k

5.2. Az egyenáramú motor működési elve Az egyenáramú motor működése a mágnes pólusai között elhelyezkedő,, csapágyazott tengelyre szerelt, árammal átjárt tekercsre ható erőn alapul. Az elrendezés váz­ lata az 5.3. ábrán látható. ■

a)

b)

c)

5.3. ábra. Az egyenáramú motor működési elve és a nyomatékok alakulása különböző áramirányok esetén Ha az 5.3.a) ábra szerinti irányú / áram folyik a tekercsben, a bejelölt irányú F erőkből álló erőpár keletkezik, aminek hatására a tekercs elfordul Ha változatlan maiad az áramirány, akkor az 5.3.b) ábra szerinti helyzetben az erőhatás ellentétes nányúvá válna. így folyamatos forgás nem jöhet létre. Ahhoz, hogy a forgató nyo­ maték iránya változatlan legyen, a tekercsben folyó áram irányának félfordulaton­ ként ellentétes irányúra kell a tekercsben változnia. Az 5.3.c) ábra alapján belátható, hogy ha a tekercsbe kommutátoron keresztül ve­ zetjük az áramot, amelyhez a semleges vonalban csatlakoznak a kefék, akkor az áram iránya fél fordulatonként megváltozik. Mivel a kommutátor együtt forog a tekerccsel, ezért a felül lévő tekercsoldal min­ dig az energiaforrás pozitív pólusához, az alsó tekercsoldal pedig mindig a negatív pólushoz csatlakozik. így a tekercsben váltakozó irányú áram folyik. A kommutá­ tor tehát motoraesetén egyenáramból váltakozó áramot állít elő, azaz váltóirányítóként működik. A valóságos motorok forgórészében - a generátorokkal egyezően - a kerület men­ tén sok tekercselemet helyeznek el, így a forgórésznek nem lesz holtpontja és a ke-

A Z EGYENÁRAMÚ GÉPEK SZERKEZETE

101

fék nem zárják rövidre az energiaforrást. (Az 5.3.c) ábra szerint akkor alakul ki holtpont, amikor a tekercs síkja merőleges az erővonalakra. Ekkor a kefék össze­ kötik a két félgyűrut, tehát zárlatot okoznak.) A motor forgásiránya ellentétesre változik, ha á mágnes pólusai felcserélődnék, vagy az Uk kapocsfeszültség polaritása ellentétes lesz. Ekkor ugyanis a tekercsol­ dalak áramiránya megfordul és így az erőhatás is. Ha a pólusok és a feszültség po­ laritása egyszerre változik, a forgásirány változatlan marad. . v ;'

5.3. Az egyenáramú gépek szerkezete Wmmm l l l l i É

l

íb is i

A működési elvekből látható, hogy a generátorok és a motorok elvi szerkezete azo­ nos (S.X.ű!) és 5.3.c) ábra). A valóságos szerkezetük is egyforma. Az egyenáramú gépek - mint minden forgó villamos gép - két fő szerkezeti része az állórész és a forgórész. Az állórész felépítése - vázlatosan - az 5.4. ábrán látható. 1 ,2

■íM

M-MM

5.4. ábra. Az egyenáramú gép állórésze gerjesztett pólusokkal / állórészház; 2 főpólus gerjesztőtekerccsel; 3 segédpólus gerjesztőtekerccsel; 4 pólussavu; 5 kapocsház

Az öntöttvasból vagy öntött acélból, esetleg acéllemezből készült ház belső palást­ jára csavarozzák a főpólusokat és a segédpólusokat. (Segédpólusokat általában néhány 100 W teljesítményig nem készítenek. A segédpólus feladata a kefeszikráz%s megszüntetése.) A főpólusok vasmagját technológiai okokból lemezekből szegecselik össze. (Az ábrán is látható főpólusprofilt sajtolással egyszerű elkészíteni.) A segédpólusok tö­ mör acélhasábok, rácsavarozott pólussarukkal.

102

E gyenáram ú

g épek

A póluspárok száma 1, 2, 3 vagy 4 és a teljesítménnyel növekszik. A főpólusok a kerület mentén' egyenletes szögosztással váltakozva északi ill. déli polaritással, he­ lyezkednek el. A segédpólusok a főpólusok közötti szögfelezőben helyezkednek el, A fő- és segédpólusokon szigetelt rézvezetőből készült gerjesztőtekercs van.

^

Nagyteljesítményű gépeknél a főpólusok saruiba hornyokat készítenek, amelyek­ ben az un. kompenzáló tekercselés helyezkedik el. A kompenzáló tekercselés sze­ repe a segédpóluséhoz hasonló. (Ákompenzáló tekerccsel e tankönyv a továbbiak­ ban nem foglalkozik.) Motorokat néhány kW teljesítményig állandó mágnesű főpólusokkal is készítenek. Erre mutat vázlatos példát az 5.5. ábra, segédpólus nélküli gép esetére.

5.5. ábra. Egyenáramú gép állandó mágnesből készített pólusokkal 1 állórészház;

2

pólusok

Generátort csak ritkán, speciális célra (pl. fordulatszámmérő generátorként) készí­ tenek állandó mágnesű pólusokkal. A forgórész (másképpen arm atúra) tengelyén hengeres, szigetelt dinamóleme­ zekből felépített vastest helyezkedik el. A vas test palástja mentén, egyenletes osz­ tással hornyokat sajtolnak. A hornyokban van a szigetelt rézvezetőből készült te­ kercselés. A tengelyre rögzítik a kommutátort, amely sok, egymástól és a tengelytől elszige­ telt szegmensből áll. A szegmensek száma kis gépeknél is tízes nagyságrendű, nagy gépek esetén néhány száz is lehet. A körgyűrűcikk alakú szegmensek rézből készül­ nek. A szegmensek közötti szigetelés 0,5-1,5 mm vastag csillámból ragasztott, ún. mikanitlemez. A szegmensek közötti szigetelést kb. 1-1,5 mm mélyen kikaparják. A tekercselemek végeit - párosával - a kommutátorszegmensek tekercsek felöli végeihez csatlakoztatják, rendszerint lágyforrasztással. A forgórészt az 5.6. ábra szemlélteti.

A Z EGYENÁRAMÚ GÉPEK SZERKEZETE

103

5.6. ábra. Az egyenáramú gép forgórésze 1 vasmag; 2 tekercselés; 3 kommutátor; 4 tekercselemek végei; 5 tengely

Egy összeszerelt gép vázlata látható az 5.7. ábrán. Nagyteljesítményű gépeket bak­ csapággyal is készítenek.

5.7. ábra. Az egyenáramú gép felépítése / forgórész; 2 állórész; 3 zárható kezelőnyílás; 4 kefeszerkezet; 5 csapágypajzs; 6 szellőzőnyílás ráccsá!; 7 ventilátorkerék

Az egyenáramú gépek általában léghűtésűek. A hűtőlevegőt rendszerint a gép ten­ gelyére szerelt ventilátor-lapátkerék áramoltatja. Az olyan motorokat, amelyek for­ dulatszáma üzemszerűen a névlegesnél jóval kisebb is lehet és így nem lenne elég intenzív a légáramlás, külön motorral hajtott ventilátorral hűtik. Ezt a külső szellő­ zőt ráépítik az egyenáramú gépre.

E gyenáram ú

104

g épe k

5.4. Az egyenáramú generátorok működési jellemzői

Az egyenáramú generátorokat aszerint osztályozhatjuk, hogy a főpólusok mágne­ ses fluxusa milyen módon keletkezik. ^ ; \ ..■V,v így léteznek: -V , • állandó mágnesű generátorok:, a főpólusok'állandó mágnesből készülnek, • gerjesztett főpólusú generátorok: - a külső gerjesztésű generátorok főpólusait a generátortól független ener­ giaforrásból gerjesztik (pl. félvezetős egyenirányítóról, akkumulátorról, másik generátorról); - az öngerjesztésű generátorok főpólusait a gép saját forgórészéről táplálják: - párhuzamos gerjesztésű: a főpólusok gerjesztőtekercse a forgórésszel párhuzamosan kapcsolódik, - soros gerjesztésű: a főpólusok tekercse a forgórésszel sorosan kapcso­ lódik, -vegyes gerjesztésű: minden főpóluson van egy párhuzamosan és egy sorosan kapcsolt tekercs. Az egyenáramú gépek kapcsainak szabványos jelölései: • forgórész:

A1 -A 2 ,

• segédpólusok:

B1-B2,

• kompenzáló tekercs:

C l - C2,

• soros gerjesztőtekercs:

D l - D2,

• párhuzamos gerjesztőtekercs: El - E2, • külső gerjesztésű tekercs:

FI - F2.

5.4.1. Állandó mágnesű generátor A gép rajzjele az 5.8. ábrán látható.

U,

5.8. ábra. Állandó mágnesű egyenáramú generátor

A z EGYENARAMU GENERÁTOROK MŰKÖDÉSI JELLEMZŐI

105

M&... A generátor forgórészében feszültség indukálódik a forgatás hatására? amely, a kezm:. féken gyakorlatilag teljesen sima egyenfeszultségként jelentkezik. A feszültség érvm- téke a mozgási indukció torvénye alapján: , ip -

"

■

■

'

,-Ui=B-hvk,

sísvv ahol B a mágneses indukció, 7 a tekercs hossza és vk a kerületi sebesség. A B in-! dükciót a főpólusfluxussal és a mágneses tér keresztmetszetével kifejezve: W m ¥.

b

^

5.16. ábra. A párhuzamos gerjesztésű generátor felgerjedése A mágnesezési görbe P pontjához hozzárendelhető egy a szögű, derékszögű há­ romszög, amelynek egyik befogója a P ponthoz tartozó U{ indukált feszültség, a másik befogó az adott ponthoz tartozó Ig áramerősség. Az a szög tangense: U:

tg a = — = Ri ,+ R s , s mivel az feszültség a gerjesztőkor ellenállásán hozza létre az 7g erősségű áramot. Az összefüggés azt mutatja, hogy a mágnesezési görbe minden lehetséges pontjá­ hoz egy-egy ellenállás-érték tartozik. Ha Rgl ellenállásérték beállítása után kezdő­ dik a generátor forgatása, a gép feszültsége a mágnesezési görbe mentén addig nö­ vekszik;, amíg el nem éri a beállított ellen állásértékhez tartozó P pontot.

A Z EGYENÁRAMÚ GENERÁTOROK MŰKÖDÉSI JELLEMZŐI

111

. A,generátor, lehetséges.legnagyobb feszültsége az /^ellenállás nulla értékéhez tar­ tozik., Ekkor, a tg a a legkisebb. ..., . Ha a gerjesztő-ellenállást Rg2'értékűre növelik, akkor a generátor feszültsége insta- ; bilíá válik és a gép legerjed. Ha a gerjesztő-ellenállás # g3 értékénél helyezik üzem­ be a generátort, akkor a gép fel sem gerjed. .> ;. A névleges terhelésig állandó gerjesztő-ellenállás és fordulatszá,m esetén - a gép úgy viselkedik, mint a külső gerjesztésű generátor,' azaz; az ;£/k kap.ocsfeszülts.ég kismértékben csökken a terheléssel. A terhelési jelleggörbe az,5.17; ábrán látható.

5.17. ábra. A párhuzamos gerjesztésű generátor terhelési jelleggörbéje Az ábrából kiolvasható, hogy nagy terhelés hatására a generátor legerjed. A jelen­ ség oka, hogy a belső feszültségesés, valamint az armatúra-visszahatás miatti fluxuscsökkenés kisebb kapocsfeszültséget eredményez. Ennek hatására csökken a gerjesztőáram. Amikor a gép mágnesezési állapota a telítési szakasz alá csökken, a generátor legerjed. (A jelenség azzal egyenértékű, mintha a gerjesztő-ellenállást az 5.16. ábra szerinti értékre növelték volna.) Az Rt terhelő-ellenállás nulla értékénél a generátor Uk kapocsfeszültsége is nulla, ezért megszűnik a gép gerjesztése. Az Iz rövidzárási áramerősséget a kis értékű re­ manens feszültség tartja fenn. Emiatt a rövidzárási áramerősség a névlegesnél ki­ sebb értékű, így nem károsítja a gépet. A párhuzamos gerjesztésű generátor előnyei: * nem igényel külön gerjesztőáramforrást, • a tartós rövidzárlatot meghibásodás nélkül elviseli. A gép hátránya, hogy a legerjedési hajlam miatt nem állítható be stabil feszültség a teljes tartományban. Párhuzamos gerjesztésű generátort ott célszerű alkalmazni, ahol megközelítőleg állandó feszültségre van szükség. Felhasználási területei: szinkrongépek gerjeszté­ se, vasúti és hajózási segédüzem generátorai, gépjármű-dinamó stb.

112

E gyenáram ú

g ép e k

5.4.4. Soros gerjesztésű generátor A gép főpólusainak gerjesztőtekercse a forgórésszel sorosan kapcsolódik, A gép áramköri vázlata az 5.18. ábrán látható.

5.18. ábra. A soros gerjesztésű generátor áramköri vázlata A soros kapcsolásból következően a gép gerjesztőárama egyenlő a terhelés áramá­ val. Ebből következik, hogy üresjárásban (/=0) a gépnek nincs gerjesztése, ezért a soros generátor üresjárásban csak a remanens feszültséget szolgáltatja. Ha terhelés kapcsolódik a gépre, akkor a dinamóelv alapján a soros generátor is felgerjed. A gerjesztő-ellenállás szerepét az R t terhelő-ellenállás tölti be. A párhu­ zamos gerjesztésű generátornál megismertekből következik, hogy a soros gép in­ dukált- és kapocsfeszültsége nagymértékben függ a terhelő-ellenállás értékétől. A soros generátor terhelési jelleggörbéjét az 5.19. ábrán láthatjuk.

5.19. ábra. A soros gerjesztésű generátor terhelési jelleggörbéje A terhelőáram növekedésével a kapocsfeszültség a mágnesezési görbének megfe­ lelően növekszik. A gép mágneses telítődése után a belső feszültségesés következ­ tében a kapocsfeszültség mái' csökkenni kezd. A kapocsfeszültség jelentős terhelésfüggése miatt a soros generátort a gyakorlat­ ban csak kivételes esetben használják.

A Z EGYENÁRAMÚ GENERÁTOROK MŰKÖDÉSI JELLEMZŐI

113

5.4.5. Vegyes gerjesztésű generátor A vegyes gerjesztésű generátor minden főpólusán egy párhuzamos és egy soros kapcsolású gerjesztő-tekercs található, az 5.20. ábrának megfelelően.

5.20. ábra. A vegyes gerjesztésű gép főpólusa A főpólus gerjesztésének döntő részét a párhuzamos tekercs adja, így a soros te­ kercs viszonylag kis menetszámú és nagy keresztmetszetű vezetőből készül. Ha a két tekercs gerjesztése egyező irányú, akkor kom paund, ha ellentétes irányú akkor antikom paund generátorról beszélünk. A generátort a legtöbbször kompaund kapcsolásban alkalmazzak. A vegyes gerjesztésű generátor áramköri vázlata az 5.21 ábrán látható.

5.21. ábra. A vegyes gerjesztésű generátor áramköri vázlata Üresjárásban a gép párhuzamos gerjesztésű generátorként működik, a feszültségét a párhuzamos gerjesztőkörben lévő Rg ellenállással lehet beállítani. Kompaund kapcsolásban a terhelőáram növeli a főpólusok gerjesztését. Ezzel ki­ egyenlíthető a belső feszültségesésből és az armatúra-visszahatásból keletkező fe­ szültségcsökkenés. A soros tekercset úgy méretezik, hogy az üresjárási és a névle­ ges terhelés kapocsfeszültsége egyenlő legyen. A kapocsfeszültség a terhelés függ­ vényében változik. Antikompaund kapcsolásban a soros tekercs gerjesztése csökkenti a főpólusok flu­ xusát, ami jobban csökkenti a kapocsfeszültséget, mint a tisztán párhuzamos ger­ jesztésű gépeknél.

114

E gyenáram ú

g épe k

A vegyes gerjesztésű generátor terhelési jelleggörbéjét az 5.22. ábra mutatja.

5.22. ábra. A vegyes gerjesztésű generátor terhelési jelleggörbéje A jól beállított kompaund gép feszültsége az üresjárás és a névleges terhelés közöt­ ti szakaszon legfeljebb 1-2%-ot emelkedik, a névlegest meghaladó terhelés esetén pedig az üresjárási érték alá csökken A korszerű félvezetőeszközökkel felépített egyenirányítók megjelenésével az egyenáramú generátorok alkalmazása csökkent azokon a helyeken, ahol rendelke­ zésre áll a váltakozó áramú hálózat. Ilyen területek pl. a villamos mozdonyok, ak­ kumulátortöltők, galvanizáló berendezések, hegesztődinamók stb. A belsőégésű motorokkal működő járművek dinamóit is kiszorították a félvezető egyenirányítóval összeépített váltakozó áramú generátorok. Az egyenáramú generátorok néhány alkalmazási területe: dízelmozdonyok, hajók segédüzeme, régebbi, az előző felsorolásban szereplő berendezések stb.

5.5. Egyenáramú motorok A generátorokkal ellentétben az egyenáramú motorok jelentősége és alkalmazási területe az utóbbi évtizedekben megnőtt, különösen a korszerű félvezetőeszközök­ kel megvalósított, változtatható fordulatszámú hajtásokban.

5.5.1. Az egyenáramú motorok nyomatéka Az egyenáramú motor nyomatékát a mágneses térbe helyezett áramjárta vezetőke­ retre ható erőpár hozza létre.

E gyenáram ú

m otorok

115

A forgórész / erősségű árama a B indukciójú mágneses térben, / hatásos vezető­ hossz esetén ...... >: F-B-I l ■ erőt létesít. Az F erőpár a d átmérőjű forgórészen nyomatékot eredményez.

M^F-d

Figyelembe véve áz erő összefüggését, valamint a B mágneses indukciót a .-■ ’■ A további, azonos elfordulási irányú, léptetéshez a 5.43.ej, ill. d) ábra szerint kell •■>,■■' a gerjesztést a pólusokra kapcsolni. \

Könnyű belátni, hogy a léptetés az 5.43.aJ ábrából kiindulva ellentétes irányú, ha a 2-2’ pontokra fordított polaritással, az SA3.d) ábrának megfelelően kapcsolják a gerjesztést.

Egyenáram ú

140

g épe k

Nagyobb állórész-fázisszám és forgórész-pólusszám esetén a lépésszög is kisebb. A lépésszög “ bizonyíthatóan ~ a következő Összefüggésből számítható: 'V -

-

;' r

. 180° > a = ------- , :■■■■"■ M 'P '■

:^

- -

ahol m az állórész fázisszáma (póluspárok száma), 7? a forgórész-póluspárok száma. Speciális szerkezeti kialakítással a lépésszög 10körüli értékre csökkenthető. ■,■ A gerjesztőáram csatlakoztatása, ill. átkapcsolása nem mechanikus működésű kap­ csolókkal, hanem tranzisztorokkal történik. A léptetőmotorok vezérlésének vázlata az 5.44. ábrán, látható.

5.44. ábra. A léptetőmotor vezérlési vázlata A tápegység a léptetőmotor gerjesztőegyenáramát szolgáltatja. A gerjesztőfeszült­ ség 10 V, a gerjesztőáram 1 A nagyságrendű szokott lenni, amelyet a megfelelő pontokra megfelelő polaritással a tranzisztorok kapcsolnak. A digitális léptető logikai áramkör vezérli a tranzisztorokat. Itt állítható be a lépésirány is. Az impulzusgenerátor által kibocsátott minden impulzusra a motor egyet lép. A motor megtett lépéseit az impulzusok száma, a léptetés sebességét a vezérlő im­ pulzusok frekvenciája határozza meg.

PÉLDÁK, FELADATOK

141

Egy adott gépet nem lehet tetszőleges gyorsasággal működtetni, mert egy mégha-' tározott léptetési frekvencia fölött a motor már nem képes mozgásával követni -a tömeg-tehetetlenség következtében - a gyors változást. Ilyenkor lépéskihagyás ke­ letkezik, ill. a motor leáll. A hiba nélküli működés legnagyobb frekvenciáját a ha­ tárfrekvencia jellemzi, ami néhány kHz lehet. A léptetőmotorok vezérléséhez gyakran alkalmaznak számítógépet, ami lehetővé : teszi a motor tárolt programú irányítását. ^ :a A léptetőmotoros hajtás előnye, hogy visszacsatolás nélküli, pontos helyzetbeállí­ tást tesz lehetővé. Alkalmazási területei: kis teljesítményű szerszámgépek, robotok, plotterek, nyom­ tatók stb.

5.9. Példák, feladatok Példák 1. Egy egyenáramú generátor fluxusa 1,15 • 10'2V*s, fordulatszáma 2000 l/min, a gépállandó c = 640. Mekkora a gép indukált feszültsége? A indukált feszültség: U, = c-0-n = 6,4-102-l,15‘10'2V-s ’~ r - ~ = 245,3 V 1 60 s

2. Az 1. példa generátorának belső ellenállása 0,2 £2, a terhelőáram 115 A. Mekko­ ra a gép kapocsfeszültsége, a leadott teljesítménye, a forgórész tekercsvesztesége és kefevesztesége? A kapocsfeszültség: Uk = í/j - / ■/?b = 245,3 V - 115 A ■0,2 Q - 222,3 V. ■Ha figyelembe vesszük a kefék kb. 2 V feszültségesését, a kapocsfeszültség: Uk = 222,3 V - 2 V « 220 V . A generátor leadott teljesítménye: p = u k • / = 220 V ■115 A = 25 300 W = 25,3 kW .

Egyenáram ú

142

A forgórész tekeresvesztesége: • •

g é pe k

-

í- ^'

^ Ptck = I ' - R b - Í15? A2 • 0,2 & = 2645 W ~ 2,65 kW . A kefeveszteség:

\

í :

^kefe ~ 2 V '* 115 A = 230 W .

' " ' - ^

;

3. A 2. példában említett generátort 220 V feszültségről motorként működtetjük. A . forgórész áramerőssége 100 A. A kefék feszültségesését hanyagoljuk el! Mekkora fordulatszámmal forog a gép? A fordulatszám: Uk- I ' R h n = — c— -0

220V - 100A-0,2Q 1 1 6,4-10 • v-Tc-.n-zw 1,15-10 Vs = 27,17 s 1630 mm .

4. Egy 220 V névleges feszültségű, külső gerjesztésű motor névleges áramerőssé­ ge 55 A, belső ellenállása 0,3 £X A névlegesnek hányszorosa lenne a direkt indítá­ si áramerősség? Mekkora feszültségről kell indítani a gépet, ha az indítási áram á névleges másfélszerese? Névleges feszültségről indítva mekkora ellenállást kell a forgórésszel sorosan kapcsolni az előzővel azonos indítási áram esetén? Mekkora5 veszteségi teljesítmény keletkezik az indító-ellenálláson a bekapcsolás pillanatá­ ban? A kefék feszültségesése elhanyagolható. A direkt indítási áram: Uk 220V / i d _ l ^ = "ö3 ö " ~ 733 A ‘ Ezt a névleges áramhoz viszonyítva: /id L

733 A ---------—13 3 55 A ^ ‘

A megengedett indítási áramerősség: / im= 1,5 • / „= 1,5 • 55 A= 82,5 A . Az indításhoz szükséges csökkentett kapocsfeszültség: í/kcs =

b = 82,5 A ■0,3 Ü = 24,75 V.

m

8

PÉLDÁK, FELADATOK

143

; A szükséges indító-ellenállás értéke az indítási áramból számítható Uk -

^

:

Ebből az indító-ellenállás értéke:* o Uk - I]m;Rb220V •- 82,5A-0,3Ö R; = — / - b :=• — . 82,5 A *im

; v = 2,37 fi .

Az indító-ellenállás veszteségi teljesítménye: PRi = I!m ' R b - 82,52A 2■2,37 Q = 16 130 W.= 16,13 kW

Feladatok 1. Egy külső gerjesztésű generátor feszültsége üresjárásban 235 V, belső ellenállá­ sa 0,25 £2, fordulatszáma 1490 l/min. Ha a forgórészt 20 A erősségű áram terheli, a hajtómotor fordulatszáma 1440 l/min értékre csökken. Mekkora lesz a generátor indukált feszültsége terhelt állapotban, ha a fluxusa állandó? Mekkora lesz a gép kapocsfeszültsége terheléskor, a kefék feszültségesésének figyelembe vételével? (£/; = 227,1 V; Uk ~ 220 V) 2. Hány százalékkal kell növelni az 1.feladat generátorának fluxusát, hogy az in­ dukált feszültsége a terhelés hatására ne csökkenjen? Mekkora lesz így a terhelő­ áram és a kapocsfeszültség, ha a terhelőellenállás változatlan marad? Mekkora a hajtómotor leadott teljesítménye, ha a generátor hatásfoka 85%? lg

(3,47 %; 20,69 A; 227,8 V; 5546 W)

3. Egy párhuzamos gerjesztésű motor üresjárási fordulatszáma 1500 l/min, a ka­ | | | pocsfeszültsége 220 V, a gerjesztőárama 0,5 A, belső ellenállása 0,1 Q, hatásfoka 88%. Mekkorára csökken a motor fordulatszáma és mekkora a gép nyomatéka, ha terheléskor a forgórészben 100 A erősségű áram folyik? M&r (1432 l/min; 129,7 Nm) i=ímv y;:V« 4. Mekkora az 5.42. ábra adataival jellemzett motor gerjesztési és összes vesztesé­ - vfi . ge, valamint hatásfoka, névleges terheléskor? ¥ 1 - (176 W; 6776 W; 89%)

144

Egyenáram ú

Ellenőrző kérdések

g épek

í

v

1. Mi a feladata a kommutátornak az egyenáramú generátorok és motorok mű­ ködésében? 2. Milyen a szerkezeti felépítése az egyenáramú gépeknek? 3. Mitől függ a generátorok indukált feszültsége, hogyan változtatható állandó fordulatszám esetén? T ^ 4. Mi a dinamóélv és hogyan érvényesül a különböző Öngerjesztésű generátorok; esetén? 5. Milyen előnyei vannak a párhuzamos gerjesztésű generátornak? 6. Mi a jentősége az indukált feszültségnek a motorok működésében?

7. Mikor lép fel a motoroknál a megszaladási veszély? 8. Milyen közös tulajdonságai vannak az állandó mágnesű, a külső és párhuza­

mos gerjesztésű motoroknak? 9. Milyen fontos tulajdonságokkal rendelkezik a soros gerjesztésű motor, hol al­ kalmazzák? 10. Hol találkozhatunk univerzális motorokkal, miért alkalmazzák azokat? 11. Milyen problémákat kell megoldani az egyenáramú motorok indításakor, mi­ lyen módszereket alkalmazhatnak erre? 12. Hogyan lehet az egyenáramú motorok fordulatszámát változtatni? 13. Hogyan lehet az egyenáramú motorok forgásirányát megváltoztatni? 14. Milyen módszerekkel lehet fékezni az egyenáramú motorokkal? 15. Milyen veszteségek keletkeznek az egyenáramú gépekben? 16. Milyen a szerkezete és mi a működési elve a léptetőmotoroknak?

6, A VILLAMOS MOTOROK KIVÁLASZTÁSA $U''0'í' Wfbevenni:

v

• hajtástechnikai követelményeket, mint pl. a teljesítményt, a nyomatékot, a for­ dulatszámot, a szabályozhatóságot stb., gazdaságosságot, konstrukciós követelményeket, környezeti feltételeket, biztonsági előírásokat, • szabványi előírásokat, • gyámhatóságot stb.

6.1. A motorfajta kiválasztása ■

|p ; Elsőként azt kell eldönteni, hogy az adott feladathoz szinkron, aszinkron vagy H&. egyenáramú motort célszerű-e alkalmazni. |§ t A választásban a hajtástechnikai és a gazdaságossági szempontok a legfontosabbak. fi: A költség szempontjából a kalickás forgórészű aszinkronmotor a legkedvezőbb, ha nem kell fordulatszám-változtató berendezést alkalmazni. Emellett a karbantartási ||C igénye a legkisebb. Amennyiben a közel állandó fordulatszám, valamint az indítá|>Í:; si áramlökés és nyomatéki viszonyok nem jelentenek problémát, ezt a motorfajtát V ’ célszerű választani. Ha 10 kW körüli vagy annál nagyobb teljesítményű gépre van szükség és vir;":‘ szonylag kis indítási áramerősség mellett kell a névlegesnél nagyobb indítónyomatékot megvalósítani, valamint a fordulatszámot is változtatni kell, akkor a csú•. y szógyűrűs aszinkronmotor a megfelelő, mert az egyenáramú gépnél olcsóbb és üzembiztosabb.

146

A

VILLAMOS MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

Szinkrorimotoít akkor célszerű alkalmazni, ha szigorúan állandó fordulatszámra: van szükség. Ezzel á géptípussal megtakarítható a költséges fordulatszám-szabá; lyozó berendezés. Az alkalmazhatóság feltétele a viszonylag kis indítónyomaték­ szükséglet és a nem túl gyakori indítási igény, tehát a hosszú idejű üzemelés. Ilyen , esetben, nagyobb teljesítményeknél (100 kW körül vagy fölötte) kedvezően kihasz­ nálható a géptípus fázisjávííási lehetősége. Ha tág határok között kell fordulatszámot változtatni, esetleg forgásirány váltás sál. és fékezéssel, kedvező nyomaték! viszonyok között, akkor egyenáramú hajtást kell választani. Kis teljesítmények esetén (1 kW körüli határig) szóba jöhet az állandó mágnesű egyenáramú motor. A kötöttpályás villamos hajtású járművekben is egyenáramú motorokat használnak. A személy- és tehergépkocsik, autóbuszok, elektromos targoncák villamos motor­ jai is egyenáramúak, az akkumulátor, mint energiaforrás miatt. Kéziszerszámok számára az univerzális motor a megfelelő, a kedvező nyomatéki jellemzők, ill. esetenként az elérhető nagy fordulatszám miatt.

6.2. A motorok feszültség szerinti kiválasztása A villamos forgógépek általános előírásait és vizsgálatait meghatározó MSZ 152 számú szabvány előírja, hogy a villamos motorok névleges feszültsége az MSZ 1 számú szabványnak feleljen meg. Az MSZ 1 szabvány a villamos motorokra a 6.1. táblázat szerinti feszültségeket ad­ ja meg. Az egyenfeszültségű villamos vontatás névleges feszültségei az MSZ 4 szabvány szerint: 600 V, 750 V, 1500 V és 3000 V. A villamos motoroknak vannak olyan felhasználási területei, amikor a gépek csak . ún. törpefeszültségűek lehetnek. (Az MSZ 172 érintésvédelmi szabvány szerint a' váltakozó törpefeszültség effektív értéke nem nagyobb, sem a földhöz képest, sem bármely két vezető között 50 V-nál, az egyenfeszültség nem nagyobb 120 V-nál.) ' Ilyenek pl. a nem kettős szigetelésű kéziszerszámok, gépkocsik villamos motorjai, ^ a gyermekjátékok. Gyermekjátékok esetén a megengedett feszültség legfeljebb a törpefeszültség fel­ ső határának fele lehet. J

A

MOTOROK FESZÜLTSÉG SZERINTI KIVÁLASZTÁSA

Villamos motorok szabványos feszültségei. 6.1. táblázat

Feszültségtartomány

100 V ; alatti

100 és 1000 V közötti

Egyenfeszültség, v

.

Váltakozó feszültség effektív érték,. V ■ ■ V '-A-

-

egyfázisú

6 12

6 12

24 48 60

24 42 _ *230 _ -

110 220

440

1000 V feletti

-

háromfázisú; , . : . vonali ; ': ■ r ; ' _ 42 _ **400 ***690 1000

3000 6000 10000

1994. január 1-jétől: *220 V ,** 380 V, *** 660 V helyett. Törpefeszültségre csak kis teljesítményű (kb. 1 kW-ig) motorok készíthetők, mert nagyobb teljesítmények esetén a kis feszültség miatt olyan nagy árama lenne a mo­ tornak, amelyre már nem lehet a tekercselést legyártani. A motorok döntő többségének feszültségét, 100-200 kW teljesítményig a 1001000 V terjedő tartományból választják. Ezen belül is főleg 230 V-os egyfázisú, ill, a 400 V vonali feszültségű, háromfázisú feszültségre készült motorokat használják, mivel a fogyasztói hálózat általánosan ilyen feszültségű. Az egyenáramú motorok 220 vagy 440 V feszültségűek. A 100-200 kW teljesítmény feletti gépek esetén ismét problémát jelent a nagy áramerősség, ezért a több száz kW-os motorokat 1000 V-nál nagyobb feszültség­ re gyártják. Szokás ezeket a gépeket nagyfeszültségű motoroknak is nevezni. A nagyfeszültségű motorokat, a feszültségtől függően, a következő teljesítmények felett készítik: 3 kV-ra

100 kW felett, 200 kW felett, 10 kV-ra 1 MW körül. 6 kV-ra

148

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

6.3.A motorok teljesítmény szerinti kiválasztása

Az MSZ 515 szabvány az egy- és háromfázisú, 50 Hz frekvenciájú, állandó üzemű motorokra szabványos teljesítmény sört ad meg. (Egyéb villamos motorokra ez : = irányelvként megfelel.) k motorok névleges teljesítményét - kW-ban - a következő sorozatból kell választani: ^ 0,09; 0,12; 0,18; 0,25; 0,37; 0,55; 0,75; 1,1; 1,5; 2,2; 3,0; 4,0; 5,5; 7,5; 11; 15; 18,5; 22; 30; 37; 55; 75; 90; 110; 132; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000.

6.3.1. Az üzemtípusok hatást a teljesítmény szerinti kiválasztásra A villamos forgógépek általános előírásait és vizsgálatát tartalmazó MSZ 152 szab­ vány, meghatározza az üzemtípusokat.

Ü;

Állandó üzem (jele: SÍ): a gép állandó terheléssel legalább addig működik, amíg a motor melegedése eléri a hőegyensúlyt. Névleges teljesítményű terhelés esetén a gép melegedése nem haladja meg a szigetelési osztályára megengedett értéket (1. 1 7.2. alfejezetet és a 7.1. táblázatot!). A 6.1. ábra az állandó iizem terhelési és melegedési időfliggvényeit mutatja. Az ábrán P^névi. a névleges leadott teljesítmény, 0max a megengedett hőmérséklet, 6k a környezeti hőmérséklet és íb a bekapcsolás időpontja. A hőegyensúly több órás üzemidő alatt jön létre.

-: f

A MOTOROK TELJESÍTMÉNY SZERINTI KIVÁLASZTÁSA

149

Röyid ideig tartó üzem {jele S2): a -motor állandó terheléssel működik, de az üzemidő olyan rövid, hogy a motor nem éri el a hőegyensúlyt. Kzt követően a gép kikapcsolt állapotban van legalább annyi ideig, hogy lehűlhessen a környe­ zeti hőmérsékletre. (Az ábra jelölései megegyeznek a 6.1. ábráéval, tk a kikap­ csolás időpontja.) ; S .

Arövid ideig tártó üzem jelleggörbéi a 6.2. ábrán láthatók. . i\

p

6.2. ábra. Rövid ideig tartó üzem A szabvány által előnyben részesített rövid üzemidők: 10, 30, 60 és 90 perc. Könnyű belátni, hogy ha egy állandó üzemre méretezett gépet a névleges teljesít­ ményen rövid ideig üzemeltetnek, a melegedése alatta marad a megengedett hőmér­ sékletnek. Ebből következik, hogy a melegedés megengedett értékét a névlegesnél nagyobb terhelésen éri el. így lehetővé válik, hogy a rövid ideig tartó üzem nagyobb teljesítményigényét egy kisebb teljesítményű, állandó üzemű gép szolgáltassa. A motor megrendelésekor meg kell adni a rövid idejű üzem jellemzőit: a teljesít­ ményigényt, az üzemidőt és az üzemszünet idejét. Ennek alapján a gyártó megha­ tározza az állandó üzemre vonatkozó névleges teljesítményt. Ez a megoldás gazdaságos, mert kisebb méretű és tömegű, ebből következően ol­ csóbb motorral oldható meg a feladat, a motor tulmelegedése nélkül ( 6.2. ábra). A rövid idejű üzemre készült motor adattábláján feltüntetik az erre vonatkozó jel­ zést. Pl. egy 60 perc üzemidejű motor jelzése: S2 60 min. Szakaszos üzem (jele: S3): azonos teljesítményű, azonos időtartamú, ismétlődő terhelési szakaszokból áll, a ciklusok között kikapcsolt időszakokkal. Az üzemszü­ netek alatt a motor hőmérséklete nem csökken le az előző ciklus végének hőfok­ ára. A szakaszos üzem időfüggvényeit a 6.3. ábra mutatja. (Az ábra jelölései meg­ egyeznek a 6.1 . ábráéval, ill. a tc a ciklusidő, tt a terhelés időtartama és tsz az üzem­ szünet ideje.)

150

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

6.3. ábra. Szakaszos üzem A szakaszos üzemet az ún. bekapcsolási idővel jellemzik (jele rbi):

rbi = — - 100%. /c Az MSZ 152 szabvány szerinti bekapcsolási idők: 15%, 25%, 40% és 60%. Pl. a 40% bekapcsolási idő azt jelenti, hogy 10 perces ciklusidőből 4 percig üze­ mel teljes terheléssel, majd 6 percig áll a motor. Könnyű belátni, hogy ha állandó üzemre tervezett motort szakaszos üzemben mű­ ködtetnek névleges terheléssel, akkor a gép a megengedettnél kevésbé melegszik, mert az üzemszünetekben lehűl. így - a rövid ideig tartó üzemhez hasonlóan - egy kisebb teljesítményű, állandó üzemű gép is megfelelő. Szakaszos üzemű gép rendelésénél meg kell adni a teljesítményigényt és a terhe­ lés időbeni lefolyását. A motorok adattábláján a szakaszos üzem jelzését is feltüntetik. Pl. egy 40% be­ kapcsolási idejű motor jelzése: S3 40%. A villamosgépgyártók meghatározott célokra (pl. daruk, felvonók, mozdonyok) szakaszos üzemű motorokat is terveznek, amelyek katalógusaikban megtalálhatók. Az MSZ 152 szabvány további üzemtípusokat (S4, S5, S 6, S7 és S 8) is értelmez. Ezek tárgyalása meghaladja e tankönyv kereteit.

A

MOTOROK FORDULATSZÁM SZERINTI KIVÁLASZTÁSA

151

6.3.2. A teljesítmény-szerinti kiválasztást befolyásoló egyéb tényezők Óránkénti indítások száma. Ha a motor gyakori indítással üzemel, akkor az indí ­ táskor fellépő tűláram jelentősen megnövelheti a gép melegedését. Ezért a moto­ rok rendelésénél meg kell adni az óránkénti indítások számát. Ez különösen-a dirékt indítású kalickás motoroknál lényeges. A gyakori indítás nagyobb teljesítményű motort igényel a többletmeíegedés kom­ penzálására. Magas környezeti hőmérséklet. A motorokat max. 40 °C környezeti hőmérséklet­ re tervezik. Amennyiben ennél tartósan magasabb hőmérsékleten üzemel a gép, ak­ kor a hűtése romlik, ezért csak kisebb teljesítménnyel vehető igénybe. Ebből kö­ vetkezik, hogy egy adott teljesítményt magasabb környezeti hőmérsékleten csak egy nagyobb névleges teljesítményű motor képes túlmelegedés nélkül leadni. A motor rendelésekor meg kell adni a normálistól eltérő nagyobb hőmérsékletet. Tengerszint feletti magasság- Ha az üzemelés helye az 1000 m tengerszint felet­ ti magasságot meghaladja, a motor hűtése a levegő ritkulása következtében romlik, így a motor a névlegesnél csak kisebb teljesítménnyel terhelhető. Ilyen esetben a gép rendelésekor meg kell adni az üzemelés tengerszint feletti ma­ gasságát.

6.4. A motorok fordulatszám szerinti kiválasztása Szinkron- és aszinkronmotorokra az MSZ 515 szabvány névleges szinkronfordulatszám-sorozatot ír elő, amelyekre gépek készíthetők. A szabványos fordulatszám-sor l/min mértékegységben: 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500, 375, 300 és 250. Kisteljesítményű motorokat (kb. 1 kW-ig) 750-től 3000 1/min-ig készítenek. Egyenáramú m otorokra a szabvány nem ír elő fordulatszámokat, hanem azt a gyártó és a megrendelő megállapodására bízza.

152

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

A gyártók sorozatban,, meghatározott névleges fordulatszámra készítenek .egyén--, áramú gépeket; Jellegzetes fordulatszámok l/min mértékegységben: 2000, 1500. 1000, 750. Kis teljesítményű, soros gerjesztésű motorokat (kb. 1 kW-ig) nagyobb fordulatszámra is készítenek (3000, 4000, 5000, 6000, 8000, 10 000 l/min). Univerzális motorokat 20 000 l/min fordulatszámig gyártanak. Jellemző, hogy egy adott teljesítményen a nagyóbb fordulatszámú motorok kisebb méretűek, olcsóbbak. Rendszerint gazdaságosabb nagyobb fordulatszámú motort alkalmazni, valamilyen fordulatszám-csökkentő áttétellel, mint egy alacsonyabb fordulatszámú gépet. Általában célszerű a gyártó cégek sorozatban készülő gépeiből választani, mert így jutunk a leggazdaságosabb motorokhoz. A gyártó cégek esetleg egyedi kívánságokat is teljesítenek, csak lényegesen drá­ gábban és hosszabb szállítási határidővel.

6.5. A hajtott gép nyomatékigényének hatása a motor kiválasztására A motorok nyomatékának, az indítástól kezdve az üzemi fordulatszámig, nagyobb­ nak kell lenni a meghajtott berendezés nyomatékigény énéi. Ellenkező esetben a motor nem tudja felgyorsítani a munkagépet. Ilyen esetben előfordulhat, hogy a villamos motor a névleges fordulatszáma alatt üzemel, a névlegesnél tartósan na­ gyobb áramfelvétellel. Ez az üzem a motor túlmelegedése miatt, nem tartható fenn. Ennek elkerülésére ismerni kell a meghajtott berendezés nyomaték-fordulatszám jelleggörbéjét. Ehhez olyan nyomaték-jelleggörbéjű motort kell választani, ami a névleges fordulatszámig tartó felgyorsulást nyújt. A 6.4. ábra néhány munkagép jellegzetes nyomaték-jelleggörbéjét szemlélteti, viszonylagos egységekben (Mna névleges nyomaték és nn a névleges fordulat­ szám). Az 1 jelleggörbe vonatkozik pl. a terhelés nélkül induló szerszámgépekre, hegesz­ tődinamókra stb. Jellemzőjük a viszonylag kis indítónyomaték-igény. Ilyen célok­ ra megfelelő a kalickás forgórészű aszinkronmotor.

A MOTOROK VÉDETTSÉG

SZERINTI KIVÁLASZTÁSA

153

6.4. ábra. Néhány munkagép jelleggörbéje J üresjárásban induló gép; 2 centrifugai-szivattyú, ventilátor; 3 terhelve induló emelőgép

A 2 jelleggorbéjű gépek is viszonylag kis indítónyomatékot igényelnek. A fordu­ latszámmal közel négyzetesen növekvő nyomatéki jelleggörbéhez szintén jól il­ leszthető a kalickás forgórészű aszinkronmotor. Az emelőgépek (3 jelleggörbe) viszonylag nagy indítónyomatékot igényelnek. Er­ re a célra pl. csúszógyűrűs vagy kétkalickás aszinkronmotor alkalmas. Kéziszerszámok hajtására - különösen az egyfázisú - aszinkron motorok kevésbé alkalmasak: egyrészt a teljesítményükhöz képest nagy a tömegük (mert viszonylag kicsi a fordulatszámuk), másrészt a billenőnyomaték miatt a túlterhelés könnyen lefékezheti a gépet. Kéziszerszámok hajtására az univerzális motorok a legalkal­ masabbak, mert nagy fordulatszámúak, és nyomatéki jelleggörbéjük a soros egyen­ áramú motorokénak megfelelő, tehát nincs billenonyomatékuk.

6.6. A motorok védettség szerinti kiválasztása A motorok védettsége alatt azokat a szerkezeti kialakításból eredő tulajdonságokat értjük, amelyek • megvédik a motor belső részeit a szilárd testek, valamint a víz behatolása el­ len, beleértve a forgó, ill. feszültség alatti részeknek kézzel, segédeszközzel való megérinthetőségét,

154

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

• alkalmassá teszik a gépet tűz- és robbanásveszélyes környezetben (pl. gáz- és olajipari létesítményekben, szénbányákban,'vegyi üzemekben stb.) való muködtetésre.

6.6.1. A szilárd testek és víz behatolása elleni védelem r A motorokat a környezeti feltételek szerint kell védettség szempontjából kiválasz­ tani. Más kivitelű gép szükséges pl. egy száraz, épületen belüli helyiségben, vagy pedig a szabadban, az időjárás körülményeinek kitett helyen. Az MSZ 806 szabvány többféle védettségi fokozatot különböztet meg. A védettsé­ gi fokozat jelzését a motorok adattábláján is fel kell tüntetni. A védettség nemzetközi jele az IP (International Protection), ezt két számjegy kö­ veti: IPXX alakban. Az első, 0 és 6 közötti számjegy a szilárd testek behatolás elleni védettséget jel­ lemzi. A számjegyek értelmezését a 6.2. táblázat tartalmazza. A második, 0 és 8 közötti számjegy, a víz behatolása elleni védettség jelzőszáma. A második számjegy értelmezése a 6.3. táblázatban található. Az IPOO jelzésű, tehát védettség nélküli motorokat, olyan száraz és gyakorlatilag pormentes helyiségben szabad üzemeltetni, ahol csak szakképzett, a motorok ke­ zeléséhez értő személyek tartózkodnak, vagy olyan szerkezetbe beépítve, amelyik a motornak védettséget biztosít (pl. ilyen a porszívók motorja).

6.6.2. Robbanásbiztos védettségi módok A robbanásbiztos motorok előírásait az MSZ 4814 szabvány tartalmazza. A szabvány megkülönböztet • robbanásbiztos motorokat (jelük Rb) és • sújtólégbiztos motorokat (jelük Sb). A sújtólégbiztos gépeket bányákban alkalmazzák. Szerkezeti kialakításuk a me­ tángáz tulajdonságaihoz, valamint a bányákban lévő mostoha környezeti feltéte­ lekhez igazodik. A robbanásbiztos motorok olyan szerkezeti kialakításúak, hogy alkatrészeik környezettel érintkező felülete nem melegedhet az MSZ 4814 szabványban megenge-

A MOTOROK VÉDETTSÉG SZERINTI KIVÁLASZTÁSA

155

A szilárd testek behatolása elleni védettség jelzőszámainak értelmezése. 6.2. táblázat

; első . szám; jegye

A védettségi fokozat

rövid elnevezése

Nincs védettség.

1

3

;

: ; :

A gép nyitott szerkezetű. Pl. a csápágypajzsokon olyan fedetlen nyílások vannak, amelyeken a gépbe kézzel be lehet nyúlni

50 mm-nél nagyobb mére­ A kéznek és három egymásra merőleges tű szilárd testek elleni vé­ irányban 50 mm-nél nagyobb méretű szi­ dettség lárd testnek a behatolása elleni védettség 12 mm-nél nagyobb mére­

2

részletes leírása

tű szilárd test elleni vé­ dettség.

2,5 mm-nél nagyobb mé­ retű szilárd testek elleni védettség

1 mm-nél nagyobb méretű

Ujjak és három merőleges irányban 12 mm-nél nagyobb szilárd testek behatolá­ sa elleni védettség. 2,5 mm-nél nagyobb átmérőjű vagy vas­ tagságú szerszámnak, huzalnak stb., há­ rom egymásra merőleges irányban 2,5 mm-nél nagyobb méretű szilárd test be­ hatolása elleni védettség 1 mm-nél nagyobb átmérőjű, ill. három egy­ másra merőleges irányban 1 mm-nél na­

szilárd testek elleni vé­ dettség

gyobb szilárd test behatolása elleni védettség

5

Por nagymértékű behato­ lása elleni védettség

A gép működésére káros mennyiségű por behatolása elleni védettség

6

Por elleni teljes védettség

A por behatolása elleni teljes védettség

4

156

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

A víz behatolása elleni védettség jelzőszámainak értelmezése. 6.3. táblázat

A védettségi fokozat második szám­ jegye

rövid elnevezése;

részletes leírása

;

0

Nincs védettség.

A gép nyitott szerkezetű. Pl. a csapágy­ pajzsokon olyan fedetlen nyílások van­ nak, amelyeken a gépbe víz akadálytala­ nul bejuthat

1

Csepegő víz elleni védettség

A burkolatra merőlegesen leeső vízcseppek elleni védettség

2

Csepegő víz elleni védettség, 15°-os dőléssel

A függőlegestől bármely irányban legfel­ jebb 15°-kal megdöntött burkolatra, füg­ gőlegesen leeső vízcseppek elleni védelem

3

Eső elleni védettség

A függőlegeshez viszonyított 60°-os szögtartományban lehulló esőszerű víz elleni védettség

4

Fröccsenő víz elleni védettség

A burkolatra bármely irányból fröccsenő víz elleni védettség.

5.

Vízsugár elleni védettség

A burkolatra irányított, bármilyen irányú vízsugár elleni védettség

6

Vízhullám elleni védettség

A gépre káros mennyiségű víz (viharos tenger) behatolása elleni védettség

7

Védettség vízbe merítés esetén

A burkolat feletti, legfeljebb 150 mm víz­ oszlop hatására, 30 percig vízbe merített gép, káros mennyiségű víz behatolása el­ leni védelem

8

Védettség hosszúidejű vízbe merítés esetén

A gép meghatározott feltételek mellett hosszú időre vízbe meríthető (pl. búvárszivattyú)

A MOTOROK KIVÁLASZTÁSA ALAK ÉS

HELYZET SZERINT

157

dett érték fölé, nehogy a környezetében lévő anyagot felrobbantsa. A megengedett-, melegedés a gép által veszélyeztetett, robbanásveszélyes anyagtól függ. A gépeknek nem.szabad szikrázni. A motorok olyan kialakításúak, hogy a bel­ sejükben keletkező szikra - ami lehet meghibásodás eredménye is - ne rob- . banthassa fel a motort körülvevő anyagokat. Ez a feltétel a kapocsházukra is vonatkozik.:.;;. -y í; y ■■ ■ r:K, ■ > A robbanás- és sújtó légbiztos motorok szerkezeti csavarjai háromlapfejűek. A c s a - * varok; feje süllyesztett fészekben helyezkedik el, így csak speciális szerszámmal ; szerelhetők. A robbanásbiztos motorokhoz robbanásbiztos kapcsolókat, egyéb kiegészítő sze­ relvényeket kell alkalmazni.

6.7. A motorok építési alak és beszerelési helyzet szerinti kiválasztása Az építési alak a villamos motoroknak a külső megjelenési formáját, a meghajtott berendezéshez való csatlakozás módját, a csatlakozás szempontjából lényeges mé­ reteit jelenti. Az építési alaknak két alapváltozata van: a talpas és a peremes kivitel. A beépítés szempontjából fontos méreteket - a tengelymagasság, ill. peremes gé­ peknél a perem lyukkörátmérője függvényében - az IEC szabvány tartalmazza. (International Electrotechnical Commission: nemzetközi szabvány-ajánlásokat ki­ dolgozó szervezet, a.m. nemzetközi elektrotechnikai bizottság). A csatlakozási méretek szabványos volta megkönnyíti a különböző cégek által gyártott gépek cserélhetőségét. A 6.5. ábra mutatja a talpas, a 6.6. ábra pedig a peremes motor körvonalrajzát, fel­ tüntetve a szabványosított csatlakozási méreteket. Az építési alakkal szorosan összefügg a motorok beépítési helyzete. A tengelyhely­ zet befolyásolja a forgórész csapágyazását. A vízszintes tengely radiális, a függő­ leges tengely axiális csapágyakat igényel. A 6.4. táblázat foglalja össze a talpas és peremes gépek leggyakoribb beépítési módjait.

158

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

6.5. ábra. Talpas motor szabványos méretei

6.6. ábra. Peremes motor szabványos méretei

A MOTOROK

KIVÁLASZTÁSA ALAK ÉS HELYZET SZERINT

A talpas és peremes motorok beépítési módjai. 6.4. táblázat Építési alak, ; beépítési m ód

Szabványos jel MSZ; IEC;

É rtelm ezés

B 3 IM 1001

Talpas kivitel^ vízszintes ten gellyel ' ■■

-r= f

B 3 /B 5. IM 2001

.'Talpas-peremes kivitel, vízszintes tengellyel

F=í

B 5 IM 3001

Perem es kivitel, vízszintes tengellyel

B 6 IM 1051

Talpas kivitel, fü ggőleges síkra szerelve, v ízszin tes ten gellyel

B 8 IM 1071

Talpas kivitel, a m otor fölötti vízszin tes síkra szerelve, v ízszin tes ten g elly el

v 1

P erem es kivitel, fü ggőleges ten gellyel. A ten gelyvég alul

'

IM 3011

¥ V3 IM 3031

V 5 IM 1011

P erem es k ivitel, fü ggőleges ten gellyel. A te n gelyvég feliil

Talpas k ivitel, fü g g ő leg es tengellyel. A ten gelyvég alul

LÜ V 6 IM 1031

Talpas k ivitel, fü g g ő leg es tengellyel. A ten gelyvég felü l

159

160

A VILLAMOS

MOTOROK KIVÁLASZTÁSA

6.8. A motorok hűtési rendszerei A villamos motorok - kivételes esetektől eltekintve - léghűtésűek. Az alkalmazható hűtési rendszerek a következők: • Átszellőző hűtés esetén a hűtőlevegő a motor belsején keresztül áramlik. A hűtolevégő származhat a motor környezetéből vágy érkezhet csővezetéken, a mo­ tor terén kívülről. Ez utóbbi módszer akkor használatos, ha a gép környezeté­ ben lévő levegő túl meleg, szennyezett, vagy a motor kis légtérben üzemel. Átszellőző hűtésre látható példa a 3.5. és az 5.7. ábrán. Az átszellőző hűtés speciális módja az ún. körléghűtés. Lényege, hogy a hű­ tő levegő egy zárt térben cirkulál és a motoron kívüli térrészben gondoskod­ nak a felmelegedett levegő lehűtéséről. Általában csak egészen nagy teljesít­ mények esetén alkalmazzák. • Felületi hűtést zárt gépek esetén alkalmaznak. A hűtő levegő a zárt motor állórészének bordázott felületén áramlik. Felületi hűtésű gép látható a 4.5. ábrán. Felületi hűtés esetén a levegőt a motor tengelyén lévő ventilátor la­ pátkereke áramoltatja.

6.9. A motorok megrendelése A motorok megrendelésekor a következő adatokat célszerű megadni: • a motor fajtáját (szinkron-, aszinkron-, egyenáramú stb.), • a motor névleges teljesítményét a névleges fordulatszámon, • változó terhelés esetén a teljesítmény, ill. nyomaték időbeni változását, • a gép névleges feszültségét, • váltakozó áramú gép esetén a névleges frekvenciát és fázisszámot, • a névleges fordulatszámot, • az esetleges fordulatszám-változtatás módját és mértékét, • egyenáramú gépeknél a gerjesztés módját, • az óránkénti kapcsolások számát, • a motort terhelő berendezés lendítőnyomatékát, • az indítási áramlökés megengedett mértékét, • a környezeti feltételeket (hőmérséklet, nedvesség, por stb.), • a védettségi követelményeket, • az építési alakot, beépítési módot, tengelyhelyzetet, • az esetleges egyéb, speciális követelményeket.

A MOTOROK

MEGRENDELÉSE

161

Ellenőrző kérdések 1.

Mi határozza meg, hogy szinkron-, aszinkron- vagy egyenáramú motort kelle választani egy adott hajtási feladat megoldására?

.2. : Milyen szempontok érvényesülnek a motorok névleges feszültségének meg­ választásakor? • v’./’;:'.' 3. Milyen üzem típusokat ismerünk? Mik a jellemzőik?

"

4. Hogyan befolyásolják az üzemtípusok a motorok teljesítmény szerinti meg­ választását? 5. Hogyan célszerű a fordulatszám szerint kiválasztani a motorokat? 6. Ismertessük néhány munkagép jellegzetes nyomatéki jelleggörbéjét! Hogyan

befolyásolják ezek a motorok kiválasztását? 7. Milyen jelzések vonatkoznak a motorok védettségi módjára? Mit jelentenek a védettségi jelzések elemei? 8. Milyen környezeti tényezők befolyásolják a gépek védettség szerinti kivá­

lasztását? 9. Milyen építési alakokat ismerünk? 10. Milyen fő méreteket határoz meg az IEC ajánlás talpas és peremes motorok esetén? 11. Milyen beépítési módokat és üzemi tengelyhelyzeteket ismerünk? 12. Mit jelent az átszellőzött hűtés és milyen változatai vannak? 13. Mit jelent a felületi hűtés és milyen felépítésű gépeknél alkalmazzák? 14. Soroljuk fel a gépek megrendelésekor közlendő adatokat!

162

7. A VILLAMOS MOTOROK ÜZEMELTETÉSE ÉS KARBANTARTÁSA

7.1. A villamos motorok üzembe helyezése A motorok beépítése előtt célszerű ellenőrizni, hogy a gép jellemző adatai (névle­ ges feszültség, kapcsolás, teljesítmény, foídulatszám, védettsége) a követelmé­ nyeknek megfelelőek-e.

7.1.1. A szigetelés vizsgálata Ha a motort hosszabb idejű raktározás után helyezik üzembe célszerű a gép teker­ cseinek szigetelési ellenállását megmérni. Ha a szigetelési ellenállás 25 °C hőmér­ sékleten kisebb, mint 10 MÍ2, akkor célszerű a gép tekercselését kiszárítani. A szi­ getelési ellenállás csökkenését ugyanis elsősorban a levegőből lecsapódó nedves­ ség okozza. (A szigetelési ellenállás vizsgálatával a Tankönyvmester Kiadó Alap­ mérések c. tankönyve foglalkozik.) A tekercsek száríthatok: • max. 100-120 °C-os meleg, száraz levegővel, • a tekercsekre kapcsolt egyen- vagy váltakozó árammal (a fűtőáram a motor névleges áramértékének 60-100%-a lehet). Példaképpen egy háromfázisú motor állórészének fűtésére kialakított kapcsolást szemléltet a 7.1. ábra. A három fázistekercset sorosan kapcsolják. A változtatható ellenállás a fűtőáram beállítására való. Egyenáramú energiaforrásként pl. hegesztődinamó vagy félveze­ tős hegesztő transzformátor használható. A fűtés során kb. félóránként - feszültségmentes állapotban - mérni kell a szigete­ lési ellenállást.

A VILLAMOS

MOTOROK ÜZEMBE HELYEZÉSE

163

Ügyeljünk rá, hogy fűtés közben a motor tekercselésének hőmérséklete ne haladja ; rrieg a 100—120 °C-t. Á motor felületén mért hőmérséklet (a belső hőlépcsők miatt) • k b ,50-60 °C lehet. ; ::

7.1. ábra. Háromfázisú motor állórésztekercseinek fűtése egyenárammal

7.1.2. A motorok beállítása Hosszabb raktározást követő üzembe helyezés előtt célszerű a gördülőcsapágyak­ kal készült gépeknél a csapágyfedeleket leszerelni és a kenőzsír mennyiségét, ill. állapotát ellenőrizni. A gyártó cégek a motorok tengely végét és peremes gépek esetén az illesztőpere­ met, korrózió elleni festéssel látják el. Ezt a festést oldószerrel gondosan el kell tá­ volítani. (A mechanikus eltávolítás - csiszolás, kaparás - nem megfelelő.) Ezt követi a tengelyvég bezsírozása, majd a tengelykapcsoló, szíjtárcsa, ékszíjtár­ csa stb. felszerelése. Az ún. talpas motorokat a gépalapra helyezés után a működésnek megfelelő hely­ zetbe kell állítani, az erőátviteli rendszer által meghatározott módon. A tengely magasságok kiegyenlítésére megfelelő vastagságú acéllemezeket hasz­ nálnak. Az alátétlemezek cél szem alakját a 7.2. ábra mutatja. Beállítás és a rögzítőcsavarok meghúzása után rögzíteni kell az elmozdulás ellen, a meghajtott berendezéshez tengelykapcsolóval, fogaskerékkel vagy csigahajtással csatlakozó gépeket. Ez a motor talpába és a gépalapba átlósan készített furatban lé­ vő illesztő csapokkal történik. Az illesztő csapok működés közben is pontosan megtartják a gép beállított helyzetét.

164

A VILLAMOS MOTOROK ÜZEMELTETÉS

ÉS KARBANTARTÁSA

Szíj- vagy ékszíjhajtás esetén szíjfeszítő berendezésre van szükség. Az ún. peremes motorokat a peremben lévő furatokba helyezett csavarokkal rögzí­ tik. A gép pontos helyzetét a megfelelő tűréssel készített illesztőperem biztosítja, tehát külön illesztőcsápra nincs szükség.

7.1.3. A motorok hálózati csatlakozása A motorokat megfelelő kapcsoló és védelmi berendezéseken keresztül kell a háló­ zatra csatlakoztatni. A hálózati csatlakozás lehet állandó bekötésű, vagy dugaszoló aljzatba villás dugó­ val kapcsolódó. Az előbbi megoldás a helyhez kötötten működő berendezéseknél, az utóbbi a mobil, viszonylag kis teljesítményű gépeknél (pl. hegesztődinamók, ké­ ziszerszámok, háztartási gépek stb.) szokásos. A kisfeszültségű hálózatról működő háromfázisú és egyenáramú motorok kb. 100-200 kW teljesítményig - a gépek zöme ebbe a kategóriába tartozik - a követ­ kező védelmi és kapcsoló készüléken keresztül csatlakoznak a hálózatra. i

• Olvadóbiztosító: a hálózatot védi a motor körében keletkező zárlati áramok ellen. Motorok védelmére ún. lomha (késleltetett kiolvadású) olvadóbetétet kell alkalmazni, hogy az a motorok névlegest meghaladó indítási áramának hatásá­ ra ne olvadjon ki. A biztosítóbetétek névleges áramát a motorok névleges ára­ mához kell illeszteni, a túlbiztosítás tilos! Egy motor áramkörében csak azonos névleges áramú betéteket szabad alkalmazni. A betétet huzallal átkötni - „pat­ kóim” - nem szabad! • Kapcsoló: feladata a motorok üzemszerű be- és kikapcsolása. Kisteljesítményű gépek esetén (kb. 10 kW-ig) kézi működtetésű kapcsolót alkalmaznak. A lég-

A VILLAMOS

MOTOROK ÜZEMBE HELYEZÉSE

165

gyakrabban elektromágnessel működtetett kapcsolókat; ún. mágneskapcsoló­ kat építenek be. Mágneskapcsolókat egyenáramra és háromfázisú váltakozó áramra, tokozatlan és tokozott kivitelben gyártanak. Speciális célra is készíte­ nek kapcsolókat, pl. forgásirányváltáshoz, csillag-delta indításhoz. A kapcsolók névleges feszültségét és áramát a motorok megfelelő adataihoz illeszkedőén kell megválasztani. • Túlterhelés elleni védelem: a motorok túlterhelésekor fellépő áramok h'at'ására (amelyek a névleges értéket csak néhányszor 10%-kal haladják meg) az olvadóbiztosítók nem lépnek működésbe, mert névleges áramuk nem illeszt­ hető pontosan a motorokhoz. Az ilyen, viszonylag kis túláramok ellen általában ún. ikerfém (más néven bimetall) védelmet alkalmaznak. Ennek elvi felépítését a 7.3. ábra mutatja.

o

/ r'/V

7.3. ábra. Az ikerfémes túláramvédő elvi felépítése és rajzi jele / ikerfém; 2 fűtőszál; 3 érintkező

A két, különböző hőtágulású anyagból összehengerelt lemezen lévő fűtőszálat sor­ ba kapcsolják a motorral. A motor árama melegíti a bimetallt, amely az érintkező felé elhajlik. Túláram hatására az elhajlás olyan mértékű lehet, hogy az alaphelyzetben zárt érintkező nyitott állapotba kerül, ezáltal megszakítja a mágneskapcsoló gerjesztését. Ha az érintkezőt távolítjuk az ikerfém lemeztől, akkor nagyobb elhaj­ lás és így nagyobb áram szükséges a kikapcsoláshoz. Ezen az elven változtatható a kikapcsoláshoz tartozó áram. Egyes kézi működtetésű kapcsolókba is beépítenek ikerfémet, amelyekben a bimetall elhajlása a kikapcsolómechanikát működteti. Az ikerfémes szerkezeteket különböző áramtartományokra készítik. A védendő motorhoz olyat kell választani, amelynek beállítási tartományában benne van a gép névleges áiama. A szerkezeten a motor névleges áram át kell beállítani. A motort hálózatra csatlakoztató készülékeket, a vezeték szerelési módját, típu­ sát, keresztmetszetét a gép üzemi körülményeinek, névleges feszültségének és

■J00

_______ A VILLAMOS MOTOROK ÜZEMELTETÉS ÉS KARBANTARTÁSA

áramerősségének figyelembe vételével kell megválasztani, a vonatkozó szab­ vány ók'szerint. ;; , ^ r; ; ■ \ Üzembe helyezés előtt csatlakoztatni kell a gépekhez a szükséges segédberendezé­ seket (indító- és gerjesztő-ellenállásokat stb.). Nem szabad megfeledkezni az érintésvédelem szabványos kialakításáról. Az un. védővezetőt (szabványos jele: PE, szigetelésének színe a szabvány szerint zöldsárga) a motorokban erre a célra kialakított rendszerint a kapocsházban található - csavarhoz kell csatlakoztatni. A védővezetőt egyéb rendeltetésű szerkezeti csa­ varhoz kötni tilos! Az érintés védelemre vonatkozó előírásokat az MSZ 172 szab­ vány tartalmazza. Az üzembe helyezéssel Összefüggő fontos szabványok a következők: • MSZ 172: Érintésvédelmi szabályzat. • MSZ 1585: Üzemi szabályzat erősáramú villamos berendezések számára. • MSZ 1600: Létesítési biztonsági szabályzat 1000 V-nál nem nagyobb feszült­ ségű erősáramú villamos berendezések számára. • MSZ 1610: Létesítési biztonsági szabályzat 1000 V-nál nagyobb feszültségű erősáramú villamos berendezések számára. • MSZ 2100: Gépek villamos berendezése. • MSZ 14550: Erősáramú vezetékek megengedett terhelése.

A 7.4. ábrán egy háromfázisú, kalickás aszinkronmotor közvetlen indítását mág­ neskapcsolóval megvalósító kapcsolás vázlata látható. A kapcsolás működése: az NB nyomógombot működtetve záródik a K mágneste­ kercs áramköre és ennek hatására záródnak a K jelű érintkezők, a motor a hálózat­ ra kapcsolódik. A K-4 érintkező áthidalja az NB nyomógombot, így annak elenge­ dése után nem szakad meg a K tekercs gerjesztése - a gerjesztőkor „öntartó” lesz. (Az^NB működése olyan, mint egy csengő nyomógombjáé.) Akikapcsoláshoz az NK nyomógombot kell működtetni, ezáltal megszakad a K te­ kercs gerjesztése, a K jelű érintkezők nyitott állapotba kerülnek. (Az NK nyomó­ gomb alaphelyzetben zárt, a megnyomás hatására kinyílik, elengedés után ismét zárt állapotú lesz.) Ha tartós túlterhelés jön létre, az RT ikerfém hőrelé megszakítja a K tekercs ger­ jesztését, ezért a motor kikapcsolt állapotba kerül.

A VILLAMOS MOTOROK ÜZEMBE HELYEZÉSE

167

7.4. ábra. Háromfázisú motor hálózati csatlakozása IB, 2B, 3B olvadóbiztosítók; K-l, K-2, K-3, K-4 a mágneskapcsoló érintkezői; K a kapcsoló elektromágnese; NB bekapcsoló nyomógomb; NK kikapcsoló nyomógomb; RT ikerfém és érintkezője

A túlterhelés megszüntetése után az ikerfémes érintkezőjét zárni kell. Ez gyárilag tokozott kapcsolóknál általában az NK kikapcsoló nyomógomb ütközésig való le­ nyomásával végezhető el. Más esetben az ikerfémes védelmi egységen lévő nyo­ mógombbal zárható az érintkező. Amíg ezt nem végezték el, addig a motor nem in­ dítható el. Mindkét kikapcsolás után csak az NB működtetése következtében jöhet létre újbó­ li bekapcsolás. A mágneskapcsoló alkalmazásának előnyei a következők: • kis erő szükséges a működtetéshez, • távvezérelhető (a nyomógombok elvileg tetszőleges távolságban felszerelhetők), • megoldható a több helyről való működtetés (a bekapcsológombokat párhuza­ mosan, a kikapcsológombokat sorosan kell egymáshoz képest kötni), • a hálózati feszültség kimaradásakor automatikusan kikapcsolódik a motor és a feszültség visszatérése után magától nem indul újra, tehát üzemzavart vagy balesetet nem okozhat. Kefés motorok (szinkron, csúszógyűrűs aszinkron, egyenáramú gépek stb.) első bekapcsolása előtt - és később is rendszeresen - ellenőrizni kell a kefék állapo-

168

A VILLAMOS

MOTOROK ÜZEMELTETÉS ÉS KARBANTARTÁSA

tát (a teljes felületű érintkezést; a megfelelő rugóerő meglétét, ami a kefét a csú­ szógyűrűhöz, ill. kommutátorhoz szorítja; hogy a kefe ne szoruljon meg a kefetartóban). 1/ V"/; ;V ^ : A kefékhez való hozzáférést a könnyen eltávolítható burkolatok, fedelek, eset­ leg kézzel nyitható ajtók teszik lehetővé. Á kefék ellenőrizhetősége érdekében a gépek elhelyezését, a gépalapokat a hozzáférhetőség figyelembevételével cél­ szerű kialakítani. . ,. A motorok üzemelése közben figyelemmel kell kísérni a csapágyakat is. A legnagyobb figyelmet a csúszócsapágyak igénylik. A gépek indítása után általá­ ban mindig ellenőrizni kell a kenést, a kenőgyűrűk mozgását, a kényszeráramlású olajozás működését. A gördülőcsapágyakat is célszem időközönként ellenőrizni. A csapágyak rendelle­ nes melegedését, ha hozzáférhetők, kézzel lehet érzékelni. A csapágyak állapotát jól jellemzi a hangjuk, amit egy kellő hosszúságú csavarhúzóval vagy fémrúddal lehet érzékelni. A vizsgálóeszköz egyik végét a csapágyfedélre vagy a pajzsra kell he­ lyezni, a másik végét a vizsgáló személy a füléhez illeszti. A jó csapágy egyenletes, halk sustorgó hangot ad. A kattogás, a zörgő, csörgő hang a csapágy hibáját jelzi. A zárt zsírterű, jól működő csapágyak több ezer üzemórát járhatnak pótlólagos ke­ nés nélkül. A zsírzószelencével vagy más adagolási lehetőséggel felszerelt csap­ ágyak pótlólagos kenését - a gyártó által ajánlott minőségű zsírral - forgás közben kell elvégezni. A túladagolt kenőanyag, különösen a nagy fordulatszámú gépeknél, a csapágyak káros melegedéséhez vezethet. Szinkronmotorok bekapcsolása előtt a forgórész gerjesztőtekercsét, annak ellen­ állásánál kb. tízszer nagyobb értékű ellenálláson keresztül, rövidre kell zárni. Az indítás időtartamára, csökkenteni kell a motor terhelését. Ezután kapcsolható a motor állórésze a hálózatra. Ha a gép indításakor áramkorlátozásra van szükség, akkor a 4.4.2. pontban a kalickás aszinkronmotorok indításánál, ismertetett módszerek közül keli kiválasztani a legalkalmasabbat. Az aszinkronmotorként való felgyorsulást követően, a rövidre záró ellenállás lekapcsolása után kell a gép forgórészét egyenárammal gerjeszteni. A gerjesztőáramot úgy kell beállítani, hogy a motor teljesítménytényezője egységnyi legyen (cos(p = 1). Ezt a motor állórész-áramerősségének figyelésével le­ het beállítani. Állandó terhelés esetén a cos(p= 1 értékhez az áramfelvétel mini­ muma tartozik.

A VILLAMOS

MOTOROK ÜZEMBE HELYEZÉSE

__ 169

Ha a szinkronmotorral fázistényezőt akarnak javítani, célszerű a gép állórész' áramkörébe egy cos(p mérő műszert beiktatni. Ennek segilségével beáilítfialó a gerjesztőáram úgy, hogy a cos