| 授课题目 | 项目二 直流电动机的电力拖动 | ||||||
| 授课方式 | 多媒体教学 | 课型 | 新授 | 课时 | 9 | ||
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教 学 目 标 |
知识目标 |
1．了解电力拖动系统的组成部分 2．了解单轴拖动系统和多轴拖动系统的运动方程式 3．理解电枢反应的概念，掌握直流电机的电枢电动势、电磁转矩的基本公式 4．掌握直流电机的换向过程和改善换向的主要方法 5．掌握直流电动机的基本方程式和工作特性 6．了解直流发电机励磁方式分类和运行特性 |
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| 技能目标 |
1．能够分析拖动系统的运行状态 2．能够分析和计算直流电机的主要参数 3．能够分析直流电机的运行问题 |
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| 教学重点 | 转矩的折算、他励直流电动机的固有机械特性 | ||||||
| 教学难点 | 电枢回路串电阻启动、能耗制动电阻的计算 | ||||||
| 教学方法 | 行动导向教学法 | ||||||
| 教学内容 |
1．认识电力拖动系统 2．掌握生产机械的负载转矩特性和他励直流电动机的机械特性 3．掌握他励直流电动机的启动方法 4．掌握他励直流电动机的调速方法 5．掌握他励直流电动机的制动与反转方法 6．了解串励直流电动机的电力拖动 |
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| 教学过程 | 任务一 | ||||||
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1．相关知识 1）电力拖动系统概述 2）单轴电力拖动系统的运动方程式 3）运动方程式中正负号的规定 4）拖动系统的运动状态分析 5）多轴电力拖动系统的运动方程式 （1）旋转运动 ——转矩的折算 图2-4所示的多轴电力拖动系统的工作机构做旋转运动，此时负载转矩折算的原则是折算前后的功率不变。 若不考虑传动机构的损耗，则工作机构折算到电动机轴上的功率应等于工作机构的功率，即：   （2-4）式中：TL——工作机构折算到电动机轴上的转矩； Tg——工作机构的实际负载转矩；  ——电动机转轴的角速度； ——工作机构转轴的角速度；nd——电动机转轴的速度； ng——工作机构转轴的转速； j ——传动机构的总转速比，  ，其中j1，j2分别为第一、第二级转速比。也就是说，总的转速比应该是各级转速比之积。通常传动机构是减速的，即ng nd，故 ；若传动机构是增速的，则ng nd， 。若考虑传动机构的传动效率，损耗应由电动机提供，即总的负载转矩应大于输出的负载转矩，则：   （2-5）式中：  为传动机构的传动效率，它是各级传动效率的乘积。此时 。（2）平移运动 （3）升降运动 |
带领学生学习 新知识 |
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2．任务实施 老师组织学生完成以下任务。 1）将全班学生进行分组，并选出小组长。 2）每组学生根据拖动系统的运动方程式，讨论并计算以下两题。 （1）如图2-4所示，在传动机构为齿轮变速的电力拖动系统中，已知工作机构的转矩   ，转速 128 r/min；转速比 ， ；传动效率 ， ；飞轮矩 ， ， ， ， ， 。忽略电动机空载转矩，求：① 折算到电动机轴上的负载转矩TL； ② 折算到电动机轴上系统的总飞轮矩  。（2）起重机的传动机构如图2-6所示。已知重物  ，卷筒半径 ，齿轮转速比 ，升降重物时的效率 ，提升重物的速度 ，电动机转子飞轮矩 ，齿轮飞轮矩 ， ，卷筒飞轮矩 。忽略电动机空载转矩，求：① 折算到电动机轴上的负载转矩TL； ② 折算到电动机轴上系统的总飞轮矩 。3）每组讨论结束后，由小组长上交本组答案。 4）老师指导讲述正确的解题过程。 |
巩固所学知识， | ||||||
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3．任务测试 学生利用所学知识，解决以下问题。 1）什么是电力拖动系统？它包括哪几个部分？都起什么作用？ 2）写出电力拖动系统的运动方程式，说明方程式中各物理量的意义及方程式中转矩和转速正负号的规定。 |
进一步 巩固所学知识 |
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| 任务二 | |||||||
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1．相关知识 1）生产机械的负载转矩特性 （1）恒转矩负载的转矩特性 （2）恒功率负载 （3）通风机负载 2）他励直流电动机的机械特性 （1）机械特性的方程式 （2）固有机械特性 当电动机的电枢工作电压和励磁磁通均为额定值，电枢回路不串电阻（即  ， ， ）时的机械特性称为固有机械特性。其表达式为： （2-17）固有机械特性曲线如图2-12所示。  图2-12 他励直流电动机固有机械特性 从图2-12中可以看出，他励直流电动机固有机械特性是一条斜直线，跨3个象限，具有以下几个特点： ① 电磁转矩Tem越大，转速n越小，其特性是一条下斜直线。 这是由于当Tem增大时，电枢电流Ia与Tem成正比关系，Ia也增大；而电枢电动势  ，Ia增大，Ea则减小，转速n则减小。② 当  时， 为理想空载转速。当 时，由于 ， ，所以 。由于Ce是电动机结构常数，由式（2-15）可知，n0与U成正比，与 成反相关，当U和不变时，n0是一个定值。③ 斜率  ，其值很小，特性较平，习惯上称为硬特性，转矩变化时，转速变化较小。斜率 大时的特性则称为软特性。④ 当  时， ，转速降 为额定转速降。一般情况下，  ，而 ，这是硬特性的数量体现。（3）人为机械特性 （4）根据电动机的铭牌数据估算机械特性 |
带领学生学习 新知识 |
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2．任务实施 1）任务描述 某生产车间有一台他励直流电动机的铭牌数据为：额定容量  ，额定电压 ，额定电流 ，额定转速 。相关人员想要估算并绘制该电动机的固有机械特性。2）任务执行 请同学们帮助相关人员估算并绘制该电动机的固有机械特性。 思路：要想得到该电动机的机械特性，需要求取n0和TN；根据公式  和 可知，需要知道 的数值才可求得n0和TN；根据公式 可知，需要知道EaN的数值才可求得；根据已知可以求得EaN。 |
巩固所学知识，提升学生实践技能 | ||||||
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3．任务测试 学生利用所学知识，回答以下问题。 1）什么是生产机械的负载转矩特性？ 2）什么是电动机的机械特性？ 3）如何根据电动机的铭牌数据估算机械特性？ |
进一步 巩固所学知识 |
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| 任务三 | |||||||
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1．相关知识 1）直接启动 2）电枢回路串电阻启动 他励直流电动机串电阻启动的过程如下： ① 启动开始瞬间，电枢回路中接入全部启动电阻，启动电流  达到最大值，随着电动机转速的不断增大，电枢电流和电磁转矩将逐渐减小，电动机沿着曲线1的箭头所指的方向变化。② 当转速增大至n1，电流减小至Ist2（图2-18（b）中点b）时，将接触器KM1触头闭合，电阻R1短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线2上的点c（点c的位置可由所串电阻的大小控制），电动机又沿曲线2的箭头继续加速。 ③ 当转速增大至n2，电流又减小至Ist2（图2-18（b）中点d）时，将接触器KM2触头闭合，电阻R2短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线3上的点e，电动机又沿曲线3的箭头继续加速。 ④ 当转速增大至n3，电流又减小至Ist2（图2-18（b）中点f）时，将接触器KM3触头闭合，电阻R3短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到固有特性曲线4上的点g，电动机又沿曲线4的箭头继续加速，最后稳定运行在固有特性曲线上的点h，启动过程结束。 电枢回路串电阻启动设备简单，操作方便，但能耗较大，它不宜用于频繁启动的大、中型电动机，可用于小型电动机的启动。  （a）接线图 （b）机械特性图2-18 他励直流电动机的电枢回路串电阻启动 3）降压启动 |
带领学生学习 新知识 |
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2．任务实施 老师组织一场关于“怎样启动他励直流电动机？”的讨论，组织学生共同完成以下任务。 1）将学生分组，并选出小组长。 2）每组同学自由讨论。 3）讨论过程中，请小组长总结。 4）讨论结束后，由老师提问，小组长发言，每小组说出一种启动方法并简述启动过程。 |
巩固所学知识， | ||||||
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3．任务测试 学生利用所学知识，回答以下问题。 1）直流电动机一般为什么不允许直接启动？如直接启动有什么问题？ 2）直流电动机的启动方法有哪几种？它们的适用场合分别是什么？ |
进一步 巩固所学知识 |
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| 任务四 | |||||||
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1．相关知识 1）调速指标 （1）调速范围 （2）静差率 （3）调速的平滑性 （4）调速的经济性 2）改变电枢电压调速 改变电枢电压调速是指在他励直流电动机中，由一可调节的直流电源向电枢供电，在其他参数不变的条件下，通过调节直流电源来改变电枢电压U，使空载转速n0改变，从而使电动机拖动负载运行于不同的转速，如图2-20所示。  图2-20 他励直流电动机改变电枢电压调速的机械特性 从图2-20中可以看出，在负载相同的情况下，不同的电枢电压所对应的转速是不同的。改变电枢电压调速的特点如下： ① 改变电枢电压调速时，机械特性曲线的斜率不变，所以，调速的稳定性好。 ② 电压可做连续变化，调速的平滑性好，调速范围广。 ③ 属于恒转矩调速，电动机不允许电压超过额定值，只能由额定值向下降低电压调速，即只能减速。 ④ 电源设备的投资费用较大，但电能损耗小，效率高。 随着晶闸管变流技术的飞速发展，改变电枢电压调速在电力拖动系统中的应用越来越广泛。 3）电枢回路串电阻调速 4）弱磁调速 |
带领学生学习 新知识 |
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2．任务实施 老师组织开展一场关于“怎样对他励直流电动机进行调速？”的讨论，带领学生共同完成以下任务。 1）将学生分组，并选出小组长。 2）每组同学自由讨论。 3）讨论过程中，请小组长总结。 4）讨论结束后，由老师提问，小组长发言，每小组说出一种调速方法并简述调速过程。 |
巩固所学知识， | ||||||
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3．任务测试 学生利用所学知识，回答以下问题。 1）直流电动机的调速指标有哪些？ 2）调速范围和静差率的概念是什么？两者有何联系？ 3）直流电动机的调速方法有哪几种？它们的优缺点分别是什么？ |
进一步 巩固所学知识 |
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| 任务五 | |||||||
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1．相关知识 1）能耗制动 （1）能耗制动的方法及原理 （2）能耗制动电阻的计算 由于  ，Rz越小，则Ia越大，制动转矩越大，制动越快。但若Rz太小，Ia的数值可能超过电动机的最大允许电流Iamax。因此，需要选择合适的择Rz。选择Rz的原则是： 则  式中：Ea在制动开始瞬间等于原来的稳态值，即：  于是可得：  （2-27）（3）能耗制动的机械特性 2）反接制动 （1）电压反接制动 （2）倒拉反转反接制动 3）回馈制动 （1）位能性负载拖动时的回馈制动 （2）改变电枢电压过程中的回馈制动 4）他励直流电动机的反转 |
带领学生学习 新知识 |
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2．任务实施 老师组织开展一场关于“怎样对他励直流电动机进行制动？”的讨论，带领学生共同完成以下任务。 1）将学生分组，并选出小组长。 2）每组同学自由讨论。 3）讨论过程中，请小组长总结。 4）讨论结束后，由老师提问，小组长发言，每小组说出一种制动方法并简述制动过程。 |
巩固所学知识， | ||||||
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3．任务测试 学生利用所学知识，回答以下问题。 1）什么是制动？控制直流电动机制动的方法包括哪几种？ 2）控制直流电动机反转的方法有哪些？ |
进一步 巩固所学知识 |
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| 任务六 | |||||||
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1．相关知识 1）机械特性 （1）固有机械特性 （2）人为机械特性 2）串励直流电动机的启动与调速 3）串励直流电动机的制动 （1）能耗制动 （2）反接制动 |
带领学生学习 新知识 |
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2．任务实施 老师组织开展一场关于“串励直流电动机在启动、调速、制动时与他励直流电动机有什么区别？”的讨论，带领学生共同完成以下任务。 1）将学生分组，并选出小组长。 2）每组同学自由讨论。 3）讨论过程中，请小组长总结。 4）讨论结束后，由老师提问，小组长发言。 |
巩固所学知识， | ||||||
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3．任务测试 学生利用所学知识，回答以下问题。 1）串励直流电动机的有哪两种制动方式？ 2）串励直流电动机能直接启动吗？为什么？ |
进一步 巩固所学知识 |
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| 课堂总结 | |||||||
| 电机类实验室实训设备 |
