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2025-04-24 07:02

電機(jī)及電力拖動(dòng)教案之直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

 
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
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(shì)、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
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
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)
教學(xué)過程 任務(wù)一
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(hào)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(jí)轉(zhuǎn)速比。也就是說，總的轉(zhuǎn)速比應(yīng)該是各級(jí)轉(zhuǎn)速比之積。通常傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是減速的，即ngnd，故；若傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是增速的，則ngnd，。
      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(jí)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)
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)，
3．任務(wù)測(cè)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(hào)的規(guī)定。		 進(jìn)一步
鞏固所學(xué)知識(shí)
任務(wù)二
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(shì)，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)
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(qǐng)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
3．任務(wù)測(cè)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)
任務(wù)三
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(jiǎn)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)。
2-18          （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?jiǎn)?dòng)		 帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)
新知識(shí)
2．任務(wù)實(shí)施
  老師組織一場(chǎng)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(qǐng)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(jiǎn)述啟動(dòng)過程。		 鞏固所學(xué)知識(shí)，
3．任務(wù)測(cè)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(chǎng)合分別是什么？		 進(jìn)一步
鞏固所學(xué)知識(shí)
任務(wù)四
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(duì)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)
2．任務(wù)實(shí)施
  老師組織開展一場(chǎng)關(guān)于“怎樣對(duì)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(qǐng)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(jiǎn)述調(diào)速過程。		 鞏固所學(xué)知識(shí)，
3．任務(wù)測(cè)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？		 進(jìn)一步
鞏固所學(xué)知識(shí)
任務(wù)五
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)
2．任務(wù)實(shí)施
  老師組織開展一場(chǎng)關(guān)于“怎樣對(duì)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(qǐng)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(jiǎn)述制動(dòng)過程。		 鞏固所學(xué)知識(shí)，
3．任務(wù)測(cè)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？		 進(jìn)一步
鞏固所學(xué)知識(shí)
任務(wù)六
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)
2．任務(wù)實(shí)施
  老師組織開展一場(chǎng)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(qǐng)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)，
3．任務(wù)測(cè)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？		 進(jìn)一步
鞏固所學(xué)知識(shí)
課堂總結(jié)  
 
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