电机及电力拖动教案，直流电动机的电力拖动-上海顶邦公司

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
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
	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
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
教学过程		任务一
		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：T_L——工作机构折算到电动机轴上的转矩； T_g——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； n_d——电动机转轴的速度； n_g——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n_gn_d，故；若传动机构是增速的，则n_gn_d，。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
		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T_L； 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T_L； 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，
		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
		任务二
		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T_em越大，转速n越小，其特性是一条下斜直线。这是由于当T_em增大时，电枢电流I_a与T_em成正比关系，I_a也增大；而电枢电动势，I_a增大，E_a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C_e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
		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
		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
		任务三
		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I_st2（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I_st2（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I_st2（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
		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，
		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
		任务四
		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
		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，
		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
		任务五
		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，R_z越小，则I_a越大，制动转矩越大，制动越快。但若R_z太小，I_a的数值可能超过电动机的最大允许电流I_amax。因此，需要选择合适的择R_z。选择R_z的原则是：则式中：E_a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
		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，
		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
		任务六
		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
		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，
		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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