Разработка открытого урока по теме машины постоянного тока
Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
"Чебоксарский электромеханический колледж"
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
по дисциплине электрические машины
Сценарий открытого урока по теме
«Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока»
М.Т45.01-08
Автор Л.Г.Андреева
дата
2008
СОДЕРЖАНИЕ
стр
Введение 4
Основная часть
План открытого урока 5
Вопросы для повторения 7
Средства:
Презентация по повторению в программе Microsoft Office Power Point 8
Слайды в программе Macromedia Flash по повторению 12
Лекция с элементами беседы 15
Средства:
Презентация по изучению нового материала в программе Microsoft Office Power Point 20
Слайды в программе Macromedia Flash по изучению нового материала 26
Тестовые задания для закрепления 32
Средства:
Презентация в программе Microsoft Office Power Point по тестируемому материалу 35
слайд по домашнему заданию 36
Заключение 37
Список использованной литературы 38
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 – Ответы на контрольные вопросы 39
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 – Ответы на тесты 40
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 – раздаточный материал - тесты 41
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 – фотографии с урока 42
ВВЕДЕНИЕ
Современные информационные технологии раскрывают новые возможности для реализации эффективных методов обучения, делая информацию еще более наглядной и интересной для восприятия.
На мой взгляд, программа Macromedia Flash при изучении дисциплины» Электрические машины» позволяет не только донести наглядную информацию до студентов, но заставляет их представлять различные процессы на более высоком уровне, когда даже реальные установки иногда не дают полной информации об исследуемом объекте.
При контакте современного молодого человека с компьтерными технологиями он чувствует себя более уверенно, так как сталкивается с ними ежедневно. Это позволяет создать более комфортную средe обучения, что позволяет в полной мере развивать способности студентов, активизировать процесс обучения.
1 ПЛАН ОТКРЫТОГО УРОКА
ФГОУ СПО ЧЭМК
ОТКРЫТЫЙ УРОК
По дисциплине Электрические машины
Дата проведения 19.02.2008 , группа Т2-06
Преподаватель Андреева Л.Г.
Тема: Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
Цели урока:
Образовательные: повторить характерные особенности двигателей постоянного тока; изучить способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока
Воспитательные: воспитать наблюдательность
Развивающие: развивать умение творчески усваивать знания
Вид занятия: урок
Тип урока: комбинированный урок
Обеспечение урока: раздаточный материал, презентация, программа Macromedia Flash для пояснения новой темы.
Литература: Кацман М.М. Электрические машины, Электрические машины автоматических устройств.
Межпредметные связи:
Обеспечивающие: электротехника, электронная техника, электрическое и электромеханическое оборудование.
Обеспечиваемые: электрический привод; техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования.
Внутрипредметные связи: регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.
План урока
Организационный момент: а) отсутствующие; б) готовность к занятию.
Сообщение темы урока, постановка целей и задач.
Повторение.
1)Фронтальный опрос по двигателям постоянного тока
2)Индивидуальный опрос – по слайдам
Пуск двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
Рабочие характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
3) подведение итогов
План изложения нового материала:
1. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
1.1. Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи обмотки якоря
1.2. Регулирование частоты вращения изменением напряжения
1.3. Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока
Закрепление – тестовые вопросы по 2 вариантам и групповая самопроверка
Подведение итогов. Рефлексия для студентов.
Домашнее задание - составить сравнительную таблицу по способам регулирования частоты вращения.
Завершение урока.
2 ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
В чем заключается принцип обратимости МПТ?
Какие типы двигателей по способу возбуждения вам знакомы?
Для чего используется обмотка возбуждения?
За счет чего возникает электромагнитный момент ?
Как определить направление его действия?
Чем отличается электромагнитный момент, создаваемый в двигателе от момента генератора?
Почему ЭДС в двигателе называют противо - ЭДС?
Что такое М0?, М2 ?
Что дает нам сумма М0+М2 ?
В каком случае электромагнитный момент равен Мст?
Когда появляется Мдин?
В каких режимах возникает это?
Как изменится вращающий электромагнитный момент при увеличении нагрузки?
Как при этом изменится ток якоря Ia ?
Что показывает механическая характеристика двигателя?
Когда механическая характеристика называется жесткой?
Каким условиям соответствует естественная механическая характеристика?
Как получить искусственную характеристику?
В чем особенность пуска ДПТ параллельного возбуждения?
Что показывают рабочие характеристики?
Какова зависимость между токами в ДПТПВ?
Какова зависимость между вращающим ЭМ моментом и Ia в двигателе последовательного возбуждения?
Что такое разнос?
Когда возникает разнос ДПТПВ?
Как этого избежать? какое ПУ использовать для связи РМ с Д?
Что произойдет при использовании ременной передачи?
Каким испытаниям подвергают ДПТПВ?
Где применяют ДПТПВ?
Какой двигатель имеет две обмотки возбуждения?
Какие способы соединения этих обмоток существуют?
При каком соединении обмоток частота вращения уменьшается . а при каком может поддерживаться постоянной?
В чем недостаток ДПТСВ?
Где применяют ДПТСВ?
3 ЛЕКЦИЯ С ЭЛЕМЕНТАМИ БЕСЕДЫ
РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь шей частоты вращения к наименьшей D = nмах/nмин; экономичностью регулиро вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.
Регулировать частоту вращения двига теля параллельного возбуждения можно изменением сопротив ления в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.
Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. До полнительное сопротивление (реостат rд) включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока.
При включении сопротивления Rд в цепь якоря:
13 EMBED Equation.3 1415 где 13 EMBED Equation.3 1415частота вращения в режиме х. х.;
13 EMBED Equation.3 1415 изменение частоты вращения, вызванное падением напряжения в цепи якоря.
С увеличением Rд возрастает 13 EMBED Equation.3 1415, что ведет к уменьшению частоты вращения. По механическими характеристика двигателя параллельного возбуждения видно, что с повышением Rд увеличивается на клон механических характеристик, а частота вращения при за данной нагрузке на валу М=Мном уменьшается. Этот способ обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широ ком диапазоне (только в сторону уменьшения частоты от номи нальной), однако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате Iа2Rд, которые ин тенсивно растут с увеличением мощности двигателя.
Изменение напряжения в цепи якоря. Регулирование частоты вращения двигателя изменением питающего напряжения приме няется лишь при Iв = const, т. е. при раздельном питании цепей об мотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбужде нии.
Частота вращения в режиме х. х. по пропорциональна напря жению, a 13 EMBED Equation.3 1415от напряжения не зависит [см. (29.11)], поэтому механические характеристики двигателя при изменении напряж напряже ния не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в). Для осу ществления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым напря жением. Для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (AT), включенным на вхо де выпрямителя (рис. 29.6, а).
Для управления двигателями большой мощности целесообраз но применять генератор постоянного тока независимого возбужде ния; привод осуществляется посредством приводного двигателя (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двига тель переменного тока. Для питания постоянным током цепей воз буждения генератора Г и двигателя Д используется возбуди тель В генератор постоянного тока, напряжение на выходе ко торого поддерживается неизменным. Описанная схема управления двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б) известна под назва нием системы «генератор двигатель» (Г Д).
Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно восполь зоваться изменением тока возбуждения двигателя.
Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо тающего по системе Г Д осуществляется изменением направле ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем Я, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если дви гатель постоянного тока работает в условиях резко переменной
нагрузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который запасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.
Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне 13 EMBED Equation.3 1415. Наибольшая частота вращения
здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая условиями охлаждения двигателя (см. § 31.3).
Еще одним достоинством рассматриваемого способа регулиро вания является то, что он допускает безреостатный пуск двига теля при пониженном напряжении.
Изменение основного магнитного потока. Этот способ регули рования в двигателе параллельного возбуждения реализует ся посредством реостата rрг в цепи обмотки возбуждения (см. рис. 29.3, а). Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается понижением частоты вращения [см. (29.5)], При увели чении rрг частота вращения растет. Зависимость частоты враще ния от тока возбуждения выражается регулировочной характе ристикой двигателя n=f(Iв) при I = const и U = const.
Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения п увеличивается по гиперболическо му закону (рис 29.5, а). Но одновременно уменьшение Ф ведет
Рис 29.5
к росту тока якоря Ia=M/CмФ. При потоке Ф = Ф' ток якоря достигает значения Ia1=U/2
·R, т. е. падение напряжения в цепи якоря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю Ia1
·R= U/2. В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума nмах. При дальнейшем уменьшении потокачастота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока Iа второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.
При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак симальная частота вращения nмах во много раз превосходит но минальную частоту вращения двигателя nном и является недо пустимой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата Rрг необходимо следить за тем, чтобы при полностью вве денном его сопротивлении частота вращения двигателя не пре высил допустимого значения.
Например, для двигателей серии 2П (см. § 29.9) допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 23 раза. Необходимо также следить за надежностью электри ческих соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма Фост, при котором часто та вращения может достигнуть опасного значения Вид регулировочных характеристик n=f(Ф) зависит от значения нагрузочного момента М2 на валу двигателя: с рос том М2 максимальная частота вращения птах уменьшается (рис. 29.5,6).
Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.
Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях параллельного возбуж дения ток Iв=(0,01ч0,07)Iа, а поэтому потери в регулировоч ном реостате Iв2Rрг невелики.
Однако диапазон регулирования обычно составляет nmax/nmin =2 - 3. Объясняется это тем, что нижний предел частоты враще ния обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска жающее действие которого при ослаблении основного магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня (см. § 27.5).
Импульсное регулирование частоты вращения. Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображенной на рис. 29.7, а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (неза висимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время t к обмотке якоря подво дится напряжение U =Uимп и ток в ней достигает значения Ia max. Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, дости гая к моменту следующего замыкания цепи значения Ia min (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает значения Ia max и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится некоторое среднее напряжение13 EMBED Equation.3 1415
(29.13 где Т отрезок времени между двумя следующими друг за другом импульсами напряжения (рис. 29.7,6); коэффициент управления. 13 EMBED Equation.3 1415
При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение ко торого13 EMBED Equation.3 1415
При импульсном регулировании частота вращения двига теля13 EMBED Equation.3 1415 (29.14)
Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) L, а частота подачи импульсов равна 200400 Гц.
На рис. 29.7, в представлена одна из возможных схем импульс ного регулирования, где в качестве ключа применен управляемый диод тиристор VS. Открывается тиристор подачей кратковре менног импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляю щий электрод (УЭ) тиристора. Цепь L1C, шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управ ляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через кон тур L1C и создает на силовых электродах тиристора напряжение, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи L1C определяется время (с) открытого состояния тиристора: t=
·*
·L1C. Здесь L, выражается
в генри (Гн); С в фарадах (Ф).
Значение среднего напряжения Uср регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им пульсов на тиристор VS.
Жесткие механические характеристики и возможность плавно го регулирования частоты вращения в широком диапазоне опреде лили области применения двигателей параллельного возбуждения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется устойчивая работа при колебаниях нагрузки
Частоту вращения двигателей последовательного возбужде ния можно регулировать изменением либо напряжения U, либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат RРГ (рис. 29.10, а). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вра щения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощ ности двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в RРГ .Кроме того, реостат RР, рассчитываемый на рабо чий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.
При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 29.10,6). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух дви гателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей воз можно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.
Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно также при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а). При уменьшении подводимого к двигателю напря жения его механические характеристики смещаются вниз, прак тически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).
Регулирование частоты вращения ДПТПВ
Регулировать частоту вращения двигателя изменением маг нитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом RРГ, секционированием обмотки возбужде ния и шунтированием обмотки якоря реостатом RШ. Включение
реостата RРГ, шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к сни жению тока возбуждения IВ=IA-IРГ, а следовательно, к рос ту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а), применяется чаще и оценивается коэффициен том регулирования kРГ=(IРГ/Ia)*100%
Обычно сопротивление реостата грг принимается таким, чтобы kРГ>50%
При секционировании об мотки возбуждения (рис. 29.10, г) отключение части витков об мотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунти ровании обмотки якоря реоста том Rш (см. рис. 29.10, в) увели чивается ток возбуждения IВ=IA-IРГ ,что вызывает умень шение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регули ровку, неэкономичен и применяется очень редко.
4 ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
Вариант 1
Чем отличается регулировочный реостат от пускового?
номинальным сопротивлением
номинальным напряжением
номинальной мощностью
Как изменится частота вращения двигателя постоянного тока при увеличении сопротивления RРГ в цепи обмотки возбуждения?
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Как изменится жесткость механических характеристик при увеличении сопротивления RД в цепи ротора?
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Для регулирования частотны вращения изменением напряжения
U увеличивают выше номинального
U уменьшают вниз от номинального
U изменяют в любых пределах
Какой из способов регулирования частоты вращения наиболее неэкономичен
изменением напряжения
изменением сопротивления RД в цепи ротора
Изменением магнитного потока
Чем обусловлен нижний предел частоты вращения изменением магнитного потока
Опасностью «разноса»
Насыщением машины
Усилением реакции якоря
Вариант 2
Какой показатель не характеризует способ регулирования частоты вращения
плавность
устойчивость
жесткость
Как изменится частота вращения двигателя постоянного тока при уменьшении подводимого напряжения
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Как изменится жесткость механических характеристик при увеличении сопротивления RРГ в цепи обмотки возбуждения?
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Для изменения частоты вращения двигателей какой мощности применяют автотрансформатор
Средней
Большой и средней
малой
Малой и средней
Что не относится к достоинствам регулирования частоты изменением напряжения
Широкий диапазон
экономичность
«Разнос» двигателя
На участке с какой зависимостью регулируется частота изменением магнитного потока
прямопропорциональной
обратнопропорциональной
Не имеет значения
Вариант 3
Какой показатель не характеризует способ регулирования частоты вращения?
диапазон
быстродействие
экономичность
Как изменится частота вращения двигателя постоянного тока при увеличении сопротивления RД в цепи ротора?
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Как изменится жесткость механических характеристик при уменьшении подводимого напряжения
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Какое из средств регулирование частоты наиболее удовлетворяет современным требованиям?
Система «генератор-двигатель»
автотрансформатор
Система « тиристорный преобразователь-двигатель»
Регулировочный реостат
Во сколько раз допускается превышение частоты от номинальной для двигателей серии 2П
В 5-6 раз
В 2-3 раза
В 1,5-2 раза
Чем обусловлен верхний предел частоты вращения изменением магнитного потока
Опасностью «разноса»
Насыщением машины
Усилением реакции якоря, опасностью разноса
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Даная разработка используется для проведения занятий по дисциплине «Электрические машины».
Опыт проведения занятий по данной методике показывает, что студенты получают на занятиях максимальную наглядность и информативность Применение Flash технологии позволяет создать условия для активной познавательной деятельности студентов.
Уроки с применением Flash технологии становятся для студентов более интересными
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Кацман М.М. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1991.
Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств. – М .: Высшая школа, 2002.
Кацман М.М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электроприводу. - М.: Высшая школа, 2000.
Копылов И.П. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 2004.
Электронные ресурсы
Программа Macromedia Flash
программа Microsoft Office Power Point
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 – Ответы на контрольные вопросы
Одна и та же ЭМ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Параллельного возбуждения (шунтовые), последовательного возбуждения (сериесные), смешанного возбуждения (компаудные).
Обмотка возбуждения используется для создания магнитного поля.
За счёт действия всех электромагнитных сил Fэм на якоре на плечо.
По правилу левой руки.
В двигателе электромагнитный момент является вращающим, а в генераторе – тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.
Потому что в двигателе ЭДС направлена против тока якоря Ia ,
М0 – момент холостого хода, М2 – полезный момент на валу двигателя.
Эта сумма нам дает электромагнитный момент.
В случае, если n = const.
Если частота вращения не постоянна.
В режимах торможения, реверса и пуска.
Мэм уменьшается
Ток якоря увеличивается.
Механическая характеристика показывает зависимость частоты вращения от момента.
Механическая характеристика называется жёсткой, если частота вращения двигателя изменяется незначительно при резком изменении нагрузки.
Соответствует паспортным данным.
Изменением напряжения или сопротивления.
Необходимость использования пускового реостата.
Зависимость n, ЭМ момента, полезного момента от нагрузки на валу двигателя.
Iв = Iа = Iн.
Вращающий момент пропорционален квадрату тока якоря.
Это механическое разрушение двигателя.
При уменьшении нагрузки меньше 25 % от номинальной.
Не допускать уменьшения нагрузки. Для связи РМ с Д надо использовать муфту и зубчатую передачу. Ременная передача недопустима.
Т.к. при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя.
Подвергают испытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20 % сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50 % сверх номинальной.
Для привода тяговых двигателей.
Двигатель смешанного возбуждения.
Существует согласованный и встречный способы соединения этих обмоток.
При согласованном – уменьшается, при встречном – практически неизменна.
Недостаток ДПТСВ а его дороговизне.
Применяют там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовые подъемники, насосы, компрессоры).
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 – Ответы на тесты
1
3
2
2
3
1
4
2
5
2
6
2
1
2
2
1
3
1
4
2
5
1
6
2
1
2
2
1
3
3
4
3
5
2
5
3
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
Root Entry