《机电设备电气控制技术--基础知识》教案

教 案课题项目一 直流电机的应用任务一 认识直流电机（一）课型新授课课时2教具学具电教设施教学目标知识教学点明确本课程的性质、内容、任务和要求、认识直流电机的外形与结构，熟悉直流电机各部件的作用。了解直流电机的特点用途和分类。能力培养点培养学生对直流电机结构拆装的兴趣；德育渗透点1、培养学生严谨的科学态度；2、培养学生积极向上的人生态度教学重点难点重点直流电机的外形、结构及各部件的作用。难点直流电机的结构及各部件的作用学法引导讲 授 法 组 织 学 生 讨 论教学内容更新、补充、删节无参考资料电机与拖动基础刘启新主编，中国电力出版社课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间引入新课 在日常生活中和生产活动中有很多场合都离不开电机，很多电器是用直流电机带动的，如家里的洗衣机、微波炉；工厂中的大型轧钢机、龙门刨床等；我们把能将直流电能与机械能之间相互转换的电力机械称为直流电机。按用途可分为直流电动机和直流发电机。（一）、自主、合作、探究（讲授新课）本课程的性质、内容、任务和要求本课程是高等职业院校机电一体化专业核心课程“机电设备电气控制技术”中重要的组成模块，是本专业学生必修的综合技术课程。通过本课程的学习和项目训练，使学生了解电动机、变压器、常用低压电器等电气设备的基本结构、工作原理、工作特性及铭牌数据，掌握电动机、变压器、常用低压电器等电气设备的使用，并培养学生具备电机维护维修、企业机电设备电气控制系统安装、调试与维护等的基本职业能力，并为学生后续专业课程的学习做前期准备。一、直流电机的特点和用途 1、直流电机的特点（1）优点与交流电动机相比，具有优良调速性能和起动性能。能提供无脉动的大功率直流电源，输出电压可以精确地调节和控制。（2）缺点制造工艺复杂，成本高；运行时电刷与换向器之间易产生火花，可靠性差；2、直流电机的用途在某些要求调速范围大、速度高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机现占有较大的比重。如：矿场卷扬机、厢轿式高速电梯、城市电车、地铁列车、电动自行车等等。直流发电机主要用作直流电源，如直流电动机的电源，直流电焊机电源等。二、直流电机的基本结构直流电动机与直流发电机的结构类似。直流电机是由定子（主磁极、换向磁极、机座、电刷装置、端盖等）、转子（电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等）及两者之间的气隙组成的。1、主磁极产生主磁通，由铁心和励磁绕组组成。绕组由绝缘铜线绕制而成，与铁心绝缘，主磁极上的线圈串联，主磁极成对出现，按N极和S极交替排列。2、换向磁极产生附加磁场，用以改善电机的换向性能。极性在作为发电机运行时，与电枢导体将进入的主磁极极性相同；在作为电动机运行时，与电枢导体刚离开的主磁极极性相同3、机座既可用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，又可作为磁路的一部分称为礠厄。4、电刷装置连接电枢绕组和外电路，起固定作用。由电刷、刷握和刷杆座组成。5、电枢铁心通过磁通和安放电枢绕组。电枢铁心具有轴向冷却通风孔，可迅速降低铁心的温度。6、电枢绕组产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。7、换向器每个换向片与绕组的每个元件的引出线焊接在一起，用于将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，产生恒定方向的电磁转矩，使电动机连续运转。（二）总结拓展1、直流电机的特点及应用2、直流电机的结构及各元件的作用（三）、布置作业1.复习直流电机的特点、应用及结构； 2.课后习题1，2 3.预习直流电机工作原理及励磁方式说明开设本课程的目的和意义，介绍本课程的学时安排，说明本课程的考核方法学生在老师讲解的基础上学生归纳（教师补充）教师讲解，学生思考、理解学生回顾归纳教师总结 10分 35分35分 10分教 案课题任务一 认识直流电机（二）课型新授课课时2教具学具电教设施教学目标知识教学点掌握直流发电机、直流电动机的工作原理及直流电机的可逆原理，了解直流电机的励磁方式。能力培养点让学生能正确的认识、并理解直流电机的基本工作原理德育渗透点学会感恩教学重点难点重点直流电机的基本工作原理难点直流电机的基本工作原理学法引导1、讲授法（重点讲解，加深理解）2、讨论法（积极参与，总结规律）教学内容更新、补充、删节无参考资料电机与拖动基础刘启新主编，中国电力出版社课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）、创设情境、激趣导入（导入新课）【知识回顾】1、说说直流电机的优缺点？ 2、举例说明直流电机用于那些场合？3、说说直流电机的结构？【教师点评】1、1）优点：与交流电动机相比，具有优良调速性能和起动性能。能提供无脉动的大功率直流电源，输出电压可以精确地调节和控制。（2）缺点：制造工艺复杂，成本高；运行时电刷与换向器之间易产生火花，可靠性差；2、直流电动机现用在如：矿场卷扬机、厢轿式高速电梯、城市电车、地铁列车、电动自行车等场合。直流发电机主要用作直流电源，如直流电动机的电源，直流电焊机电源等。3、直流电机是由定子（主磁极、换向磁极、机座、电刷装置、端盖等）、转子（电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等）及两者之间的气隙组成的。（二）、自主、合作、探究（讲授新课）一、直流电机的工作原理1.直流发电机的工作原理下图由直流发电机的主磁极、电刷、电枢绕组和换向器等主要部件构成的工作原理图。电刷上加负载灯泡，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。由于电枢连续地旋转，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷A始终有正极性。同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明了直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。2.直流电动机的工作原理直流电动机与发电机的结构相同。当给电刷AB旋加一直流电压，导体ab,cd中就有电流流过，由电磁力定律可知导体会受到电磁力作用。可通过左手定则判断，导体处于N极下与电刷A接触电流向外流，产生电磁力矩为逆时针；导体处于S极上与电刷B接触电流向里流，产生电磁力矩仍为逆时针。转子在该电磁力矩作用下开始旋转向外输出机械功率。工作原理：当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，使直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流，从而电枢产生恒定方向的电磁转矩，保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转。3.直流电机的可逆原理从原理上讲,一台直流电机既可作为电动机,把电能转换为机械能,也可作为发电机,把机械能转换为电能，称为电机的可逆原理。二、直流电机的励磁方式直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有3种：直流他励电动机、直流自励电动机（并励、串励和复励）、直流永磁电动机。掌握4种方式各自的特点： 1.他励方式: 励磁绕组与电枢绕组电路相互独立没，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。 2.并励方式: 并励绕组与电枢绕组是并联关系，由同一电源供电，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。 3.串励方式：励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。 4.复励方式：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。（三）、总结拓展学生总结重点、难点教师点评：重点：直流电机的工作原理难点：直流电机的工作原理【教师寄语】万事开头难，走好学习电机的第一步非常关键，学会培养自己的学习兴趣，这样才能更有趣地去走下一步。（五）、布置作业、完成课后习题4、5、预习下一小节内容学生回答举出实例，同学讨论学生在教师讲解的基础上归纳，总结让学生根据教师讲解总结出直流电动机的工作原理学生总结教师补充 10分 35分 35分 10分教 案课题任务一 认识直流电机（三）课型新授课课时2教具学具电教设施教学目标知识教学点了解直流电机铭牌中型号和额定值的含义，掌握额定值的简单计算，理解直流电机的基本方程。能力培养点能正确识别、选用直流电机，能进行直流电动机的检测、接线和简单操作德育渗透点好好学习，为社会服务教学重点难点重点掌握直流电机额定值的简单计算难点理解直流电机的基本方程学法引导1、讲授法（重点讲解，加深理解）2、讨论法（积极参与，总结规律）教学内容更新、补充、删节无参考资料电机与拖动基础刘启新主编，中国电力出版社课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）、创设情境、激趣导入（导入新课）【知识回顾】介绍一下直流电机的工作原理？（二）、自主、合作、探究（讲授新课）一、直流电机的铭牌数据与系列1、直流电机铭牌数据电机制造厂按照国家标准，规定了电机的正常运行状态和条件，称之为额定运行。表征电机额定运行情况的各种数据均称为额定值。表1-1直流电动机的铭牌型号Z2-72励磁方式并励额定功率22kW励磁电压220V额定电压220V励磁电流2.06A额定电流110A定额连续额定转速1500r/min温升80OC出厂编号出厂日期年电机厂（1）、型号: （2）、额定功率：是电机在额定情况下允许输出的功率，发电机是指向负载输出的功率；电动机是指轴上输出的机械功率。（3）、额定电压：在额定情况下，电动机的额定电压是输入电压，发电机是指额定功率时的输出电压。（4）、额定电流:是电机在额定负载时允许电机长期流出或流入的电流。（5）、额定转速:电机运行在额定电压、额定电流、额定功率时所对应的转速。2、直流电机系列（1）Z2系列：一般用途的小型直流电机系列。“Z”表示直流，“2”表示第二次改进设计。属于防护式。（2）ZF和ZD系列：一般用途的小型直流电机系列。“F”表示发电机，“D”表示电动机。（3）ZZJ系列：起重、冶金用直流电机系列。工作方式有连续、短时和断续三种。ZQ：直流牵引电动机系列； ZA防爆安全型直流电机系列详见书上表1-2二、直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的电枢绕组同时存在感应电动势和电磁转矩。1、电枢绕组的感应电动势 为每极磁通，为电动势常数发电机中与电枢电流方向相同，是电源电动势；反之，为反电动势。2、直流电机的电磁转矩T为转矩常数三、直流电动机的基本方程式基本方程是直流电动机运行时，电磁关系和能量传递关系的数学表达式。以直流并励电动机为例介绍。1、电动势平衡方程式 2、转矩平衡方程式电磁转矩是一个驱动转矩，当电动机运行时，它必须与轴上的负载制动转矩T2和空载制动转矩T0平衡：T= T0 + T2空载转矩T0的数值为额定转矩的2%5%，因此在重载和额定负载下3、功率平衡方程式电动机将电能转变成机械能输出，总有一部分能量消耗在电机内部，称为电机损耗，包括机械损耗、铁心损耗、铜损耗、附加损耗。 或：电源输入功率；：电动机电磁功率；：电枢绕组上的铜损。并励电动机中还有励磁回路消耗的功率也来自电源，：励磁回路消耗的功率。若以表示空载损耗，表示电动机轴的输出功率，则：电动机的总损耗。电动机功率流程图练习：写出发电机的电动势平衡方程式和转矩平衡方程式 ：电磁转矩；：发电机转轴上的转矩（三）、总结拓展学生总结重点、难点教师点评：重点：掌握直流电机额定值的简单计算难点：理解直流电机的基本方程（四）、布置作业1、完成课后习题2、预习下一小节内容学生回答学生在教师讲解的基础上思考总结教师讲解，学生思考、理解学生总结教师补充 10分 35分 35分10分教 案课题任务二 直流电动机的调速（一）课型新授课课时2教具学具电教设施教学目标知识教学点 了解电气传动系统的基础知识，了解生产机械的负载特性，熟悉直流电机的机械特性能力培养点能正确理解生产机械的负载特，熟知直流电机的机械特性，为分析和掌握直流电动机的调速方法打下基础。德育渗透点好好学习，服务社会教学重点难点重点掌握直流电机的机械特性难点掌握直流电机的机械特性学法引导1、讲授法（重点讲解，加深理解）2、讨论法（积极参与，总结规律）教学内容更新、补充、删节无参考资料电机与拖动基础刘启新主编，中国电力出版社课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）、创设情境、激趣导入（导入新课）【知识回顾】举几个直流电机的型号、系列，说说它们的含义？（二）、自主、合作、探究（讲授新课）一、电气传动系统原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生产任务的过程称之为驱动。用电动机作为原动机的驱动称为电气传动。1、电气传动系统的组成由电动机、传动机构、生产机械的工作机构、控制设备及电源组成。 电源控制设备电动机传动机构工作机构2、电气传动系统的运动方程电动机负载运行时，一般情况下,可忽略，当电磁转矩T的方向与转速n方向一致时取正号，负载转矩的方向与转速n方向相反时取正号。：反映电气传动系统机械惯性的一个常数。二、生产机械的负载特性1、恒转矩负载：任何转速下，负载转矩恒定或大致恒定；（1）阻力性恒转矩负载特性（例如摩擦力）（2）位能性恒转矩负载特性（例如起重机）2、恒功率负载：例如机床切削、粗加工时，切削量大，负载转矩大，低速加工，而精加工时，切削量小，负载转矩小，可高速加工，负载转矩和转速呈反比；3、风机、水泵负载：速度低，负载转矩小，负载转矩大致与转速的平方成正比。一定的电动机械特性和不同的生产机械负载特性的配合，可以得到不同的工作状态，即得到不同的转矩和不同的转速。三、他励直流电动机的机械特性机械特性：n=f(T)是指在一定的条件下，电磁转矩和转速两个机械量之间的函数关系。1、固有机械特性三个量U,Rp可以改变机械特性 U=UN,=N,Rp=0时的机械特性称为固有机械特性。其方程为 n=U/(CeN)-RaT/(CeCTN2) 由于Ra很小，转矩T增大时，n下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。（硬特性）2、人为（人工）机械特性 改变三个量U,Rp之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。 （1）电枢回路串电阻时的人为机械特性 n=U/(CeN)-（Ra+Rp)T/(CeCTN2)对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同射线。 （2）改变电枢电压的人为机械特性 n=U/(CeN)-RaT/(CeCTN2)斜率不变，理想空载转速n0不同的一簇平行线。(UU,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源。 在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea增大，超过U以后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态。 (2)反向回馈制动他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。 反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。在D点，电动机的转速高于理想空载转速，EaU，电流流向电源，属于反向回馈制动。 反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。（三）、总结拓展学生总结重点、难点教师点评：重点：掌握直流电动机常用的起动、反转、制动方法难点：掌握直流电动机常用的起动、制动方法（四）、布置作业1、本节练习册2、预习下一小节内容学生回答 让学生看实图说明其起动过程现场讲授，让学生明白其原理让学生思考总结，教师补充10分 35分 35分10分教 案课题任务四 直流电动机的使用、维护和维修课型新授课课时2教具学具电教设施教学目标知识教学点熟悉直流电动机的定期检修内容和注意事项，了解直流电动机起动前的准备工作和起动、运行时的注意事项及直流电动机日常保养的相关知识。能力培养点能正确对待直流电动机的常见故障，学会直流电动机故障的处理方法。德育渗透点好好学习，服务社会教学重点难点重点掌握直流电动机的定期检修内容和注意事项难点直流电动机的日常保养及常见故障的处理学法引导1、讲授法（重点讲解，加深理解）2、讨论法（积极参与，总结规律）3、扩展、训练法（课堂热身，落实目标）教学内容更新、补充、删节无参考资料电机与拖动基础刘启新主编，中国电力出版社课后体会教 与 学 互 动 设 计教 师 活 动 内 容学生活动内容时间（一）、创设情境、激趣导入（导入新课）【知识回顾】简述直流电动机的起动与制动方法。【教师点评】直流电动机从接入电源开始，电动机的转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。电动机起动时要对Ist加以限制。电动机起动时，（1）要有足够大的起动转矩Tst；（2）要起动电流Ist不能太大。常用的起动方法有两种：（1）电枢回路串电阻起动（2）降压起动。直流电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。电气制动的条件：电磁转矩T的方向和转速的方向和转速n的方向是否相反。若相反则为制动状态。（二）、自主、合作、探究（讲授新课）直流电动机经常性的维护和监视工作，是保证电动机正常运行的重要条件。一、直流电动机的使用1.直流电动机的起动准备电机在安装后投入运行前或长期搁置而重新投入运行前，需做下列起动准备工作：（1）用压缩空气吹净附着于电机内部的灰尘，对于新电机应去掉风窗处的包装纸。检查轴承润滑油脂是否洁净、适量，润滑脂占轴承室的三分之二为宜。（2）用柔软、干燥而无绒毛的布块擦拭换向器表面，并检视其是否光洁，如有油污，则可蘸汽油少许拭净之。（3）检查电刷电压是否正常均匀，刷握的固定是否可靠，电刷在刷握内是否太紧或太松，电刷与换向器的接触是否良好。（4）检查在刷杆座上是否标有电刷位置的记号。（5）用手转动电枢，检查是否阻塞或在转动时是否有撞击或摩擦之声。（6）接地装置是否良好。（7）用500V兆欧表测量绕组对机壳的绝缘电阻，如小于1M则必须进行干燥处理。（8）电机出线与磁场变阻器、起动器等连接是否正确，接触是否良好。2.直流电动机的起动（1）检查线路情况（包括电源、控制器、接线及测量仪表的连接等），检查起动器的弹簧是否灵活，接触是否良好。（2）在恒压电源供电时，需用起动器起动。闭合电源开关，在电动机负载下，转动起动器，在每个触点上停留约2S，直至最后一点，转动臂被电磁铁吸住为止。（3）电动机在单独的可调电源供电时，先将励磁绕组通电，并将电源电压降至最小，然后闭合电枢回路接触器，逐渐升高电压，达额定值或所需转速。（4）电机与生产机械的连轴器先别连接，输入小于10%的额定电枢电压，确定电机与生产机械转速方向是否一致，一致时表示接线正确。（5）电动机换向器端带测速发电机时，电机起动后，应检查测速发电机输出特性，该极性与控制屏极性应一致。（6）电机起动完毕后，应观察换向器上有无火花，火花等级是否超标。3.直流电动机的调速恒功率弱磁向上调速，可调节磁场调速器，直至转速达所需之值，但不得超过技术条件所允许的最高转速。恒转矩负载可以采用降压或电枢串电阻向下调速。4.直流电动机的停机（1）如为变速电动机，先将转速降到最低值。（2）去掉电动机负载（除串励电动机外）后切断电源开关。（3）切断励磁回路，励磁绕组不允许在停车后长期通额定电流。二、直流电动机的维护电动机在使用过程中定期进行检查时应特别注意以下事项：1.电动机的保养电动机周围应保持干燥，其内外部均不应放置其他物件。电动机的清洁工作每月不得少于一次，清洁时应以压缩空气吹净内部的灰尘，特别是换向器、线圈连接线和引线部分。2.换向器的保养（1）换向器应是呈正圆柱形的表面，不应有机械损伤和烧焦的痕迹。（2）换向器在负载下长期无火花运转后，在表面产生一层褐色有光泽的坚硬薄膜，这是正常现象，它能保护换向器的磨损，这层薄膜必须加以保护，不能用砂布摩擦。（3）若换向器表面出现粗糙、烧焦等现象时可用“0”号砂布在旋转着的换向器表面进行细致研磨。若换向器表面出现过于粗糙不平、不圆或有部分凹进现象时应将换向器进行车削，车