| 授課題目 | 項(xiàng)目二 直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng) | ||||||
| 授課方式 | 多媒體教學(xué) | 課型 | 新授 | 課時(shí) | 9 | ||
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教 學(xué) 目 標(biāo) |
知識(shí)目標(biāo) |
1．了解電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成部分 2．了解單軸拖動(dòng)系統(tǒng)和多軸拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 3．理解電樞反應(yīng)的概念，掌握直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢、電磁轉(zhuǎn)矩的基本公式 4．掌握直流電機(jī)的換向過程和改善換向的主要方法 5．掌握直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式和工作特性 6．了解直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式分類和運(yùn)行特性 |
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| 技能目標(biāo) |
1．能夠分析拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài) 2．能夠分析和計(jì)算直流電機(jī)的主要參數(shù) 3．能夠分析直流電機(jī)的運(yùn)行問題 |
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| 教學(xué)重點(diǎn) | 轉(zhuǎn)矩的折算、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性 | ||||||
| 教學(xué)難點(diǎn) | 電樞回路串電阻啟動(dòng)、能耗制動(dòng)電阻的計(jì)算 | ||||||
| 教學(xué)方法 | 行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法 | ||||||
| 教學(xué)內(nèi)容 |
1．認(rèn)識(shí)電力拖動(dòng)系統(tǒng) 2．掌握生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 3．掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法 4．掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 5．掌握他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)與反轉(zhuǎn)方法 6．了解串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng) |
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| 教學(xué)過程 | 任務(wù)一 | ||||||
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1．相關(guān)知識(shí) 1）電力拖動(dòng)系統(tǒng)概述 2）單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 3）運(yùn)動(dòng)方程式中正負(fù)號的規(guī)定 4）拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析 5）多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 （1）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ——轉(zhuǎn)矩的折算 圖2-4所示的多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的工作機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算的原則是折算前后的功率不變。 若不考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗，則工作機(jī)構(gòu)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的功率應(yīng)等于工作機(jī)構(gòu)的功率，即：   （2-4）式中：TL——工作機(jī)構(gòu)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩； Tg——工作機(jī)構(gòu)的實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩；  ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度； ——工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的角速度；nd——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的速度； ng——工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速； j ——傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總轉(zhuǎn)速比，  ，其中j1，j2分別為第一、第二級轉(zhuǎn)速比。也就是說，總的轉(zhuǎn)速比應(yīng)該是各級轉(zhuǎn)速比之積。通常傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是減速的，即ng nd，故 ；若傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是增速的，則ng nd， 。若考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，損耗應(yīng)由電動(dòng)機(jī)提供，即總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于輸出的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則：   （2-5）式中：  為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，它是各級傳動(dòng)效率的乘積。此時(shí) 。（2）平移運(yùn)動(dòng) （3）升降運(yùn)動(dòng) |
帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí) 新知識(shí) |
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2．任務(wù)實(shí)施 老師組織學(xué)生完成以下任務(wù)。 1）將全班學(xué)生進(jìn)行分組，并選出小組長。 2）每組學(xué)生根據(jù)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，討論并計(jì)算以下兩題。 （1）如圖2-4所示，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪變速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，已知工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩   ，轉(zhuǎn)速 128 r/min；轉(zhuǎn)速比 ， ；傳動(dòng)效率 ， ；飛輪矩 ， ， ， ， ， 。忽略電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩，求：① 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL； ② 折算到電動(dòng)機(jī)軸上系統(tǒng)的總飛輪矩  。（2）起重機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2-6所示。已知重物  ，卷筒半徑 ，齒輪轉(zhuǎn)速比 ，升降重物時(shí)的效率 ，提升重物的速度 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪矩 ，齒輪飛輪矩 ， ，卷筒飛輪矩 。忽略電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩，求：① 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL； ② 折算到電動(dòng)機(jī)軸上系統(tǒng)的總飛輪矩 。3）每組討論結(jié)束后，由小組長上交本組答案。 4）老師指導(dǎo)講述正確的解題過程。 |
鞏固所學(xué)知識(shí)， | ||||||
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3．任務(wù)測試 學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，解決以下問題。 1）什么是電力拖動(dòng)系統(tǒng)？它包括哪幾個(gè)部分？都起什么作用？ 2）寫出電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，說明方程式中各物理量的意義及方程式中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速正負(fù)號的規(guī)定。 |
進(jìn)一步 鞏固所學(xué)知識(shí) |
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| 任務(wù)二 | |||||||
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1．相關(guān)知識(shí) 1）生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 （1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性 （2）恒功率負(fù)載 （3）通風(fēng)機(jī)負(fù)載 2）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 （1）機(jī)械特性的方程式 （2）固有機(jī)械特性 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電樞工作電壓和勵(lì)磁磁通均為額定值，電樞回路不串電阻（即  ， ， ）時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。其表達(dá)式為： （2-17）固有機(jī)械特性曲線如圖2-12所示。  圖2-12 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性 從圖2-12中可以看出，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性是一條斜直線，跨3個(gè)象限，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ① 電磁轉(zhuǎn)矩Tem越大，轉(zhuǎn)速n越小，其特性是一條下斜直線。 這是由于當(dāng)Tem增大時(shí)，電樞電流Ia與Tem成正比關(guān)系，Ia也增大；而電樞電動(dòng)勢  ，Ia增大，Ea則減小，轉(zhuǎn)速n則減小。② 當(dāng)  時(shí)， 為理想空載轉(zhuǎn)速。當(dāng) 時(shí)，由于 ， ，所以 。由于Ce是電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)，由式（2-15）可知，n0與U成正比，與 成反相關(guān)，當(dāng)U和不變時(shí)，n0是一個(gè)定值。③ 斜率  ，其值很小，特性較平，習(xí)慣上稱為硬特性，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化較小。斜率 大時(shí)的特性則稱為軟特性。④ 當(dāng)  時(shí)， ，轉(zhuǎn)速降 為額定轉(zhuǎn)速降。一般情況下，  ，而 ，這是硬特性的數(shù)量體現(xiàn)。（3）人為機(jī)械特性 （4）根據(jù)電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)估算機(jī)械特性 |
帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí) 新知識(shí) |
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2．任務(wù)實(shí)施 1）任務(wù)描述 某生產(chǎn)車間有一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：額定容量  ，額定電壓 ，額定電流 ，額定轉(zhuǎn)速 。相關(guān)人員想要估算并繪制該電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。2）任務(wù)執(zhí)行 請同學(xué)們幫助相關(guān)人員估算并繪制該電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。 思路：要想得到該電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，需要求取n0和TN；根據(jù)公式  和 可知，需要知道 的數(shù)值才可求得n0和TN；根據(jù)公式 可知，需要知道EaN的數(shù)值才可求得；根據(jù)已知可以求得EaN。 |
鞏固所學(xué)知識(shí)，提升學(xué)生實(shí)踐技能 | ||||||
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3．任務(wù)測試 學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，回答以下問題。 1）什么是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性？ 2）什么是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性？ 3）如何根據(jù)電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)估算機(jī)械特性？ |
進(jìn)一步 鞏固所學(xué)知識(shí) |
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| 任務(wù)三 | |||||||
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1．相關(guān)知識(shí) 1）直接啟動(dòng) 2）電樞回路串電阻啟動(dòng) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的過程如下： ① 啟動(dòng)開始瞬間，電樞回路中接入全部啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)電流  達(dá)到最大值，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增大，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩將逐漸減小，電動(dòng)機(jī)沿著曲線1的箭頭所指的方向變化。② 當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至n1，電流減小至Ist2（圖2-18（b）中點(diǎn)b）時(shí)，將接觸器KM1觸頭閉合，電阻R1短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)將瞬間過渡到特性曲線2上的點(diǎn)c（點(diǎn)c的位置可由所串電阻的大小控制），電動(dòng)機(jī)又沿曲線2的箭頭繼續(xù)加速。 ③ 當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至n2，電流又減小至Ist2（圖2-18（b）中點(diǎn)d）時(shí)，將接觸器KM2觸頭閉合，電阻R2短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)將瞬間過渡到特性曲線3上的點(diǎn)e，電動(dòng)機(jī)又沿曲線3的箭頭繼續(xù)加速。 ④ 當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至n3，電流又減小至Ist2（圖2-18（b）中點(diǎn)f）時(shí)，將接觸器KM3觸頭閉合，電阻R3短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)將瞬間過渡到固有特性曲線4上的點(diǎn)g，電動(dòng)機(jī)又沿曲線4的箭頭繼續(xù)加速，最后穩(wěn)定運(yùn)行在固有特性曲線上的點(diǎn)h，啟動(dòng)過程結(jié)束。 電樞回路串電阻啟動(dòng)設(shè)備簡單，操作方便，但能耗較大，它不宜用于頻繁啟動(dòng)的大、中型電動(dòng)機(jī)，可用于小型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。  （a）接線圖 （b）機(jī)械特性圖2-18 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路串電阻啟動(dòng) 3）降壓啟動(dòng) |
帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí) 新知識(shí) |
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2．任務(wù)實(shí)施 老師組織一場關(guān)于“怎樣啟動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)？”的討論，組織學(xué)生共同完成以下任務(wù)。 1）將學(xué)生分組，并選出小組長。 2）每組同學(xué)自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結(jié)。 4）討論結(jié)束后，由老師提問，小組長發(fā)言，每小組說出一種啟動(dòng)方法并簡述啟動(dòng)過程。 |
鞏固所學(xué)知識(shí)， | ||||||
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3．任務(wù)測試 學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，回答以下問題。 1）直流電動(dòng)機(jī)一般為什么不允許直接啟動(dòng)？如直接啟動(dòng)有什么問題？ 2）直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法有哪幾種？它們的適用場合分別是什么？ |
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| 任務(wù)四 | |||||||
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1．相關(guān)知識(shí) 1）調(diào)速指標(biāo) （1）調(diào)速范圍 （2）靜差率 （3）調(diào)速的平滑性 （4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性 2）改變電樞電壓調(diào)速 改變電樞電壓調(diào)速是指在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，由一可調(diào)節(jié)的直流電源向電樞供電，在其他參數(shù)不變的條件下，通過調(diào)節(jié)直流電源來改變電樞電壓U，使空載轉(zhuǎn)速n0改變，從而使電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，如圖2-20所示。  圖2-20 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓調(diào)速的機(jī)械特性 從圖2-20中可以看出，在負(fù)載相同的情況下，不同的電樞電壓所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速是不同的。改變電樞電壓調(diào)速的特點(diǎn)如下： ① 改變電樞電壓調(diào)速時(shí)，機(jī)械特性曲線的斜率不變，所以，調(diào)速的穩(wěn)定性好。 ② 電壓可做連續(xù)變化，調(diào)速的平滑性好，調(diào)速范圍廣。 ③ 屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電動(dòng)機(jī)不允許電壓超過額定值，只能由額定值向下降低電壓調(diào)速，即只能減速。 ④ 電源設(shè)備的投資費(fèi)用較大，但電能損耗小，效率高。 隨著晶閘管變流技術(shù)的飛速發(fā)展，改變電樞電壓調(diào)速在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。 3）電樞回路串電阻調(diào)速 4）弱磁調(diào)速 |
帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí) 新知識(shí) |
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2．任務(wù)實(shí)施 老師組織開展一場關(guān)于“怎樣對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速？”的討論，帶領(lǐng)學(xué)生共同完成以下任務(wù)。 1）將學(xué)生分組，并選出小組長。 2）每組同學(xué)自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結(jié)。 4）討論結(jié)束后，由老師提問，小組長發(fā)言，每小組說出一種調(diào)速方法并簡述調(diào)速過程。 |
鞏固所學(xué)知識(shí)， | ||||||
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3．任務(wù)測試 學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，回答以下問題。 1）直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速指標(biāo)有哪些？ 2）調(diào)速范圍和靜差率的概念是什么？兩者有何聯(lián)系？ 3）直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有哪幾種？它們的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？ |
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| 任務(wù)五 | |||||||
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1．相關(guān)知識(shí) 1）能耗制動(dòng) （1）能耗制動(dòng)的方法及原理 （2）能耗制動(dòng)電阻的計(jì)算 由于  ，Rz越小，則Ia越大，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，制動(dòng)越快。但若Rz太小，Ia的數(shù)值可能超過電動(dòng)機(jī)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(dòng)開始瞬間等于原來的穩(wěn)態(tài)值，即：  于是可得：  （2-27）（3）能耗制動(dòng)的機(jī)械特性 2）反接制動(dòng) （1）電壓反接制動(dòng) （2）倒拉反轉(zhuǎn)反接制動(dòng) 3）回饋制動(dòng) （1）位能性負(fù)載拖動(dòng)時(shí)的回饋制動(dòng) （2）改變電樞電壓過程中的回饋制動(dòng) 4）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn) |
帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí) 新知識(shí) |
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2．任務(wù)實(shí)施 老師組織開展一場關(guān)于“怎樣對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)？”的討論，帶領(lǐng)學(xué)生共同完成以下任務(wù)。 1）將學(xué)生分組，并選出小組長。 2）每組同學(xué)自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結(jié)。 4）討論結(jié)束后，由老師提問，小組長發(fā)言，每小組說出一種制動(dòng)方法并簡述制動(dòng)過程。 |
鞏固所學(xué)知識(shí)， | ||||||
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3．任務(wù)測試 學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，回答以下問題。 1）什么是制動(dòng)？控制直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的方法包括哪幾種？ 2）控制直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的方法有哪些？ |
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| 任務(wù)六 | |||||||
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1．相關(guān)知識(shí) 1）機(jī)械特性 （1）固有機(jī)械特性 （2）人為機(jī)械特性 2）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速 3）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) （1）能耗制動(dòng) （2）反接制動(dòng) |
帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí) 新知識(shí) |
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2．任務(wù)實(shí)施 老師組織開展一場關(guān)于“串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)時(shí)與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有什么區(qū)別？”的討論，帶領(lǐng)學(xué)生共同完成以下任務(wù)。 1）將學(xué)生分組，并選出小組長。 2）每組同學(xué)自由討論。 3）討論過程中，請小組長總結(jié)。 4）討論結(jié)束后，由老師提問，小組長發(fā)言。 |
鞏固所學(xué)知識(shí)， | ||||||
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3．任務(wù)測試 學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，回答以下問題。 1）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的有哪兩種制動(dòng)方式？ 2）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能直接啟動(dòng)嗎？為什么？ |
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| 課堂總結(jié) | |||||||
| 電機(jī)類實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)設(shè)備 |