| 授課題目 | 項目二 直流電動機的電力拖動 | ||||||
| 授課方式 | 多媒體教學 | 課型 | 新授 | 課時 | 9 | ||
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教 學 目 標 |
知識目標 |
1．了解電力拖動系統的組成部分 2．了解單軸拖動系統和多軸拖動系統的運動方程式 3．理解電樞反應的概念，掌握直流電機的電樞電動勢、電磁轉矩的基本公式 4．掌握直流電機的換向過程和改善換向的主要方法 5．掌握直流電動機的基本方程式和工作特性 6．了解直流發電機勵磁方式分類和運行特性 |
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| 技能目標 |
1．能夠分析拖動系統的運行狀態 2．能夠分析和計算直流電機的主要參數 3．能夠分析直流電機的運行問題 |
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| 教學重點 | 轉矩的折算、他勵直流電動機的固有機械特性 | ||||||
| 教學難點 | 電樞回路串電阻啟動、能耗制動電阻的計算 | ||||||
| 教學方法 | 行動導向教學法 | ||||||
| 教學內容 |
1．認識電力拖動系統 2．掌握生產機械的負載轉矩特性和他勵直流電動機的機械特性 3．掌握他勵直流電動機的啟動方法 4．掌握他勵直流電動機的調速方法 5．掌握他勵直流電動機的制動與反轉方法 6．了解串勵直流電動機的電力拖動 |
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| 教學過程 | 任務一 | ||||||
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1．相關知識 1）電力拖動系統概述 2）單軸電力拖動系統的運動方程式 3）運動方程式中正負號的規定 4）拖動系統的運動狀態分析 5）多軸電力拖動系統的運動方程式 （1）旋轉運動 ——轉矩的折算 圖2-4所示的多軸電力拖動系統的工作機構做旋轉運動，此時負載轉矩折算的原則是折算前后的功率不變。 若不考慮傳動機構的損耗，則工作機構折算到電動機軸上的功率應等于工作機構的功率，即：   （2-4）式中：TL——工作機構折算到電動機軸上的轉矩； Tg——工作機構的實際負載轉矩；  ——電動機轉軸的角速度； ——工作機構轉軸的角速度；nd——電動機轉軸的速度； ng——工作機構轉軸的轉速； j ——傳動機構的總轉速比，  ，其中j1，j2分別為第一、第二級轉速比。也就是說，總的轉速比應該是各級轉速比之積。通常傳動機構是減速的，即ng nd，故 ；若傳動機構是增速的，則ng nd， 。若考慮傳動機構的傳動效率，損耗應由電動機提供，即總的負載轉矩應大于輸出的負載轉矩，則：   （2-5）式中：  為傳動機構的傳動效率，它是各級傳動效率的乘積。此時 。（2）平移運動 （3）升降運動 |
帶領學生學習 新知識 |
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2．任務實施 老師組織學生完成以下任務。 1）將全班學生進行分組，并選出小組長。 2）每組學生根據拖動系統的運動方程式，討論并計算以下兩題。 （1）如圖2-4所示，在傳動機構為齒輪變速的電力拖動系統中，已知工作機構的轉矩   ，轉速 128 r/min；轉速比 ， ；傳動效率 ， ；飛輪矩 ， ， ， ， ， 。忽略電動機空載轉矩，求：① 折算到電動機軸上的負載轉矩TL； ② 折算到電動機軸上系統的總飛輪矩  。（2）起重機的傳動機構如圖2-6所示。已知重物  ，卷筒半徑 ，齒輪轉速比 ，升降重物時的效率 ，提升重物的速度 ，電動機轉子飛輪矩 ，齒輪飛輪矩 ， ，卷筒飛輪矩 。忽略電動機空載轉矩，求：① 折算到電動機軸上的負載轉矩TL； ② 折算到電動機軸上系統的總飛輪矩 。3）每組討論結束后，由小組長上交本組答案。 4）老師指導講述正確的解題過程。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，解決以下問題。 1）什么是電力拖動系統？它包括哪幾個部分？都起什么作用？ 2）寫出電力拖動系統的運動方程式，說明方程式中各物理量的意義及方程式中轉矩和轉速正負號的規定。 |
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| 任務二 | |||||||
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1．相關知識 1）生產機械的負載轉矩特性 （1）恒轉矩負載的轉矩特性 （2）恒功率負載 （3）通風機負載 2）他勵直流電動機的機械特性 （1）機械特性的方程式 （2）固有機械特性 當電動機的電樞工作電壓和勵磁磁通均為額定值，電樞回路不串電阻（即  ， ， ）時的機械特性稱為固有機械特性。其表達式為： （2-17）固有機械特性曲線如圖2-12所示。  圖2-12 他勵直流電動機固有機械特性 從圖2-12中可以看出，他勵直流電動機固有機械特性是一條斜直線，跨3個象限，具有以下幾個特點： ① 電磁轉矩Tem越大，轉速n越小，其特性是一條下斜直線。 這是由于當Tem增大時，電樞電流Ia與Tem成正比關系，Ia也增大；而電樞電動勢  ，Ia增大，Ea則減小，轉速n則減小。② 當  時， 為理想空載轉速。當 時，由于 ， ，所以 。由于Ce是電動機結構常數，由式（2-15）可知，n0與U成正比，與 成反相關，當U和不變時，n0是一個定值。③ 斜率  ，其值很小，特性較平，習慣上稱為硬特性，轉矩變化時，轉速變化較小。斜率 大時的特性則稱為軟特性。④ 當  時， ，轉速降 為額定轉速降。一般情況下，  ，而 ，這是硬特性的數量體現。（3）人為機械特性 （4）根據電動機的銘牌數據估算機械特性 |
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2．任務實施 1）任務描述 某生產車間有一臺他勵直流電動機的銘牌數據為：額定容量  ，額定電壓 ，額定電流 ，額定轉速 。相關人員想要估算并繪制該電動機的固有機械特性。2）任務執行 請同學們幫助相關人員估算并繪制該電動機的固有機械特性。 思路：要想得到該電動機的機械特性，需要求取n0和TN；根據公式  和 可知，需要知道 的數值才可求得n0和TN；根據公式 可知，需要知道EaN的數值才可求得；根據已知可以求得EaN。 |
鞏固所學知識，提升學生實踐技能 | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）什么是生產機械的負載轉矩特性？ 2）什么是電動機的機械特性？ 3）如何根據電動機的銘牌數據估算機械特性？ |
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| 任務三 | |||||||
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1．相關知識 1）直接啟動 2）電樞回路串電阻啟動 他勵直流電動機串電阻啟動的過程如下： ① 啟動開始瞬間，電樞回路中接入全部啟動電阻，啟動電流  達到最大值，隨著電動機轉速的不斷增大，電樞電流和電磁轉矩將逐漸減小，電動機沿著曲線1的箭頭所指的方向變化。② 當轉速增大至n1，電流減小至Ist2（圖2-18（b）中點b）時，將接觸器KM1觸頭閉合，電阻R1短接，由于機械慣性轉速不能突變，電動機將瞬間過渡到特性曲線2上的點c（點c的位置可由所串電阻的大小控制），電動機又沿曲線2的箭頭繼續加速。 ③ 當轉速增大至n2，電流又減小至Ist2（圖2-18（b）中點d）時，將接觸器KM2觸頭閉合，電阻R2短接，由于機械慣性轉速不能突變，電動機將瞬間過渡到特性曲線3上的點e，電動機又沿曲線3的箭頭繼續加速。 ④ 當轉速增大至n3，電流又減小至Ist2（圖2-18（b）中點f）時，將接觸器KM3觸頭閉合，電阻R3短接，由于機械慣性轉速不能突變，電動機將瞬間過渡到固有特性曲線4上的點g，電動機又沿曲線4的箭頭繼續加速，最后穩定運行在固有特性曲線上的點h，啟動過程結束。 電樞回路串電阻啟動設備簡單，操作方便，但能耗較大，它不宜用于頻繁啟動的大、中型電動機，可用于小型電動機的啟動。  （a）接線圖 （b）機械特性圖2-18 他勵直流電動機的電樞回路串電阻啟動 3）降壓啟動 |
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2．任務實施 老師組織一場關于“怎樣啟動他勵直流電動機？”的討論，組織學生共同完成以下任務。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組長發言，每小組說出一種啟動方法并簡述啟動過程。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）直流電動機一般為什么不允許直接啟動？如直接啟動有什么問題？ 2）直流電動機的啟動方法有哪幾種？它們的適用場合分別是什么？ |
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| 任務四 | |||||||
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1．相關知識 1）調速指標 （1）調速范圍 （2）靜差率 （3）調速的平滑性 （4）調速的經濟性 2）改變電樞電壓調速 改變電樞電壓調速是指在他勵直流電動機中，由一可調節的直流電源向電樞供電，在其他參數不變的條件下，通過調節直流電源來改變電樞電壓U，使空載轉速n0改變，從而使電動機拖動負載運行于不同的轉速，如圖2-20所示。  圖2-20 他勵直流電動機改變電樞電壓調速的機械特性 從圖2-20中可以看出，在負載相同的情況下，不同的電樞電壓所對應的轉速是不同的。改變電樞電壓調速的特點如下： ① 改變電樞電壓調速時，機械特性曲線的斜率不變，所以，調速的穩定性好。 ② 電壓可做連續變化，調速的平滑性好，調速范圍廣。 ③ 屬于恒轉矩調速，電動機不允許電壓超過額定值，只能由額定值向下降低電壓調速，即只能減速。 ④ 電源設備的投資費用較大，但電能損耗小，效率高。 隨著晶閘管變流技術的飛速發展，改變電樞電壓調速在電力拖動系統中的應用越來越廣泛。 3）電樞回路串電阻調速 4）弱磁調速 |
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2．任務實施 老師組織開展一場關于“怎樣對他勵直流電動機進行調速？”的討論，帶領學生共同完成以下任務。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組長發言，每小組說出一種調速方法并簡述調速過程。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）直流電動機的調速指標有哪些？ 2）調速范圍和靜差率的概念是什么？兩者有何聯系？ 3）直流電動機的調速方法有哪幾種？它們的優缺點分別是什么？ |
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| 任務五 | |||||||
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1．相關知識 1）能耗制動 （1）能耗制動的方法及原理 （2）能耗制動電阻的計算 由于  ，Rz越小，則Ia越大，制動轉矩越大，制動越快。但若Rz太小，Ia的數值可能超過電動機的最大允許電流Iamax。因此，需要選擇合適的擇Rz。選擇Rz的原則是： 則  式中：Ea在制動開始瞬間等于原來的穩態值，即：  于是可得：  （2-27）（3）能耗制動的機械特性 2）反接制動 （1）電壓反接制動 （2）倒拉反轉反接制動 3）回饋制動 （1）位能性負載拖動時的回饋制動 （2）改變電樞電壓過程中的回饋制動 4）他勵直流電動機的反轉 |
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2．任務實施 老師組織開展一場關于“怎樣對他勵直流電動機進行制動？”的討論，帶領學生共同完成以下任務。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組長發言，每小組說出一種制動方法并簡述制動過程。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）什么是制動？控制直流電動機制動的方法包括哪幾種？ 2）控制直流電動機反轉的方法有哪些？ |
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| 任務六 | |||||||
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1．相關知識 1）機械特性 （1）固有機械特性 （2）人為機械特性 2）串勵直流電動機的啟動與調速 3）串勵直流電動機的制動 （1）能耗制動 （2）反接制動 |
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2．任務實施 老師組織開展一場關于“串勵直流電動機在啟動、調速、制動時與他勵直流電動機有什么區別？”的討論，帶領學生共同完成以下任務。 1）將學生分組，并選出小組長。 2）每組同學自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結。 4）討論結束后，由老師提問，小組長發言。 |
鞏固所學知識， | ||||||
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3．任務測試 學生利用所學知識，回答以下問題。 1）串勵直流電動機的有哪兩種制動方式？ 2）串勵直流電動機能直接啟動嗎？為什么？ |
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| 課堂總結 | |||||||
| 電機類實驗室實訓設備 |
