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2025-04-24 07:02

電機及電力拖動教案之直流電動機的電力拖動

 
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
教
學
目
標		 知識目標 1．了解電力拖動系統(tǒng)的組成部分
2．了解單軸拖動系統(tǒng)和多軸拖動系統(tǒng)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(fā)電機勵磁方式分類和運行特性
技能目標 1．能夠分析拖動系統(tǒng)的運行狀態(tài)
2．能夠分析和計算直流電機的主要參數(shù)
3．能夠分析直流電機的運行問題
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(tǒng)
2．掌握生產(chǎn)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
教學過程 任務一
1．相關知識
  1）電力拖動系統(tǒng)概述
  2）單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式
  3）運動方程式中正負號的規(guī)定
  4）拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)分析
  5）多軸電力拖動系統(tǒng)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(tǒng)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ngnd，故；若傳動機構是增速的，則ngnd，。
      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
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(jù)拖動系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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，
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(tǒng)？它包括哪幾個部分？都起什么作用？
  2）寫出電力拖動系統(tǒng)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(guī)定。		 進一步
鞏固所學知識
任務二
1．相關知識
  1）生產(chǎn)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(shù)，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(shù)量體現(xiàn)。
    （3）人為機械特性
    （4）根據(jù)電動機的銘牌數(shù)據(jù)估算機械特性		 帶領學生學習
新知識
2．任務實施
  1）任務描述
  某生產(chǎn)車間有一臺他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)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(zhí)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(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。		 鞏固所學知識，提升學生實踐技能
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(chǎn)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(jù)電動機的銘牌數(shù)據(jù)估算機械特性？		 進一步
鞏固所學知識
任務三
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(xù)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(xù)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(xù)加速，最后穩(wěn)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。
2-18          （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		 帶領學生學習
新知識
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(fā)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，
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？		 進一步
鞏固所學知識
任務四
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(jīng)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(jié)的直流電源向電樞供電，在其他參數(shù)不變的條件下，通過調節(jié)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(wěn)定性好。
      ② 電壓可做連續(xù)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(fā)展，改變電樞電壓調速在電力拖動系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。
  3）電樞回路串電阻調速
  4）弱磁調速		 帶領學生學習
新知識
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(fā)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，
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(lián)系？
  3）直流電動機的調速方法有哪幾種？它們的優(yōu)缺點分別是什么？		 進一步
鞏固所學知識
任務五
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(shù)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(wěn)態(tài)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		 帶領學生學習
新知識
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(fā)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，
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？		 進一步
鞏固所學知識
任務六
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		 帶領學生學習
新知識
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(qū)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(fā)言。		 鞏固所學知識，
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？		 進一步
鞏固所學知識
課堂總結  
 
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