Листы рабочей тетради по теме «Регулирование скорости асинхронных машин» при изучении дисциплины «Электромеханика»

Логика представления  учебной информации такая же, как  в опорном конспекте. Работа учащихся над определениями формируемых  понятий, рассмотрение конструкции  изучаемого устройства задают ориентировочную основу деятельности; построение графиков, диаграмм, проведение операций над формулами формируют исполнительские действия. И, наконец, решение задач, формулировка «выводного знания» определяют уровень сформированных знаний и умений учащихся. Здесь следует отметить, что единая логика представления учебной информации, единый алгоритм операционной деятельности учащихся во всей рабочей тетради на протяжении всего изучения учебного предмета переходят в метод учебной работы. Вследствие этого мы называем рабочую тетрадь разновидностью учебных техник.

 

 

 

 

 

Рис. 1 – Структура рабочей тетради

2. Разработка листов  рабочей тетради

2.1 Теоретический материал для разработки листов рабочей тетради

Регулирование скорости асинхронного двигателя

Наиболее распространены следующие способы регулирования скорости асинхронного двигателя: изменение дополнительного сопротивления цепи ротора, изменение напряжения, подводимого к обмотке статора, двигателя изменение частоты питающего напряжения, а также переключение числа пар полюсов.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя  путем введения резисторов в цепь ротора

Введение резисторов в цепь ротора приводит к увеличению потерь мощности и снижению частоты вращения ротора двигателя за счет увеличения скольжения, поскольку n = nо (1 - s).

Из рис. 2 следует, что при увеличении сопротивления в цепи ротора при том же моменте частота вращения вала двигателя уменьшается.

Жесткость механических характеристик значительно снижается с уменьшением частоты вращения, что ограничивает диапазон регулирования до (2 - 3) : 1. Недостатком этого способа являются значительные потери энергии, которые пропорциональны скольжению. Такое регулирование возможно только для двигателя с фазным ротором.

Регулирование частоты  вращения асинхронного двигателя изменением напряжения на статоре. Изменение напряжения, подводимого к обмотке статора асинхронного двигателя, позволяет регулировать скорость с помощью относительно простых технических средств и схем управления. Для этого между сетью переменного тока со стандартным напряжением U1ном и статором электродвигателя включается регулятор напряжения.

При регулировании частоты  вращения асинхронного двигателя изменением напряжения, подводимого к обмотке статора, критический момент Мкр асинхронного двигателя изменяется пропорционально квадрату подводимого к двигателю напряжения Uрет (рис. 4), а скольжение от Uрег не зависит.

Рис. 2 – Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором при различных сопротивлениях резисторов, включенных в цепь ротора

Рис. 3 – Схема регулирования скорости асинхронного двигателя путем изменения напряжения на статоре

 

Рис. 4 – Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения подводимого к обмоткам статора

Если момент сопротивления  рабочей машины больше пускового  момента электродвигателя (Мс > Мпуск), то двигатель не будет вращаться, поэтому необходимо запустить его при номинальном напряжении Uном или на холостом ходу.

Регулировать частоту вращения короткозамкнутых асинхронных двигателей таким способом можно только при  вентиляторном характере нагрузки. Кроме того, должны использоваться специальные электродвигатели с повышенным скольжением. Диапазон регулирования небольшой, до nкр.

Для изменения напряжения применяют  трехфазные автотрансформаторы и тиристорные регуляторы напряжения.

Рис. 5 – Схема замкнутой системы регулирования скорости тиристорный регулятор напряжения - асинхронный двигатель (ТРН - АД)

Замкнутая схема управления асинхронным двигателем, выполненным  по схеме тиристорный регулятор  напряжения - электродвигатель позволяет  регулировать скорость асинхронного двигателя с повышенным скольжением (такие двигатели применяются в вентиляционных установках).

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя  изменением частоты питающего напряжения

Так как частота вращения магнитного поля статора nо = 60f/р, то регулирование частоты вращения асинхронного двигателя можно производить изменением частоты питающего напряжения.

Принцип частотного метода регулирования скорости асинхронного двигателя заключается в том, что, изменяя частоту питающего напряжения, можно в соответствии с выражением при неизменном числе пар полюсов р изменять угловую скорость nо магнитного поля статора.

Этот способ обеспечивает плавное  регулирование скорости в широком  диапазоне, а механические характеристики обладают высокой жесткостью.

Для получения высоких энергетических показателей асинхронных двигателей (коэффициентов мощности, полезного  действия, перегрузочной способности) необходимо одновременно с частотой изменять и подводимое напряжение. Закон изменения напряжения зависит  от характера момента нагрузки Мс. При постоянном моменте нагрузки напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально частоте.

Схема частотного электропривода приведена  на рис. 6, а механические характеристики АД при частотном регулировании — на рис. 7.

Рис. 6 – Схема частотного электропривода

Рис. 7 – Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании

С уменьшением частоты f критический момент несколько уменьшается  в области малых частот вращения. Это объясняется возрастанием влияния активного сопротивления обмотки статора при одновременном снижении частоты и напряжения.

Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя позволяет  изменять частоту вращения в диапазоне (20 - 30) : 1. Частотный способ является наиболее перспективным для регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Потери мощности при таком регулировании невелики, поскольку минимальны потери скольжения.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя  переключение числа пар полюсов

Ступенчатое регулирование  скорости можно осуществить, используя  специальные многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Из выражения nо = 60f/р следует, что при изменении числа пар полюсов р получаются механические характеристики с разной частотой вращения nо магнитного поля статора. Так как значение р определяется целыми числами, то переход от одной характеристики к другой в процессе регулирования носит ступенчатый характер.

Существует два способа  изменения числа пар полюсов. В первом случае в пазы статора  укладывают две обмотки с разным числом полюсов. При изменении скорости к сети подключается одна из обмоток. Во втором случае обмотку каждой фазы составляют из двух частей, которые соединяют параллельно или последовательно. При этом число пар полюсов изменяется в два раза.

 

Рис. 8 – Схемы переключения обмоток асинхронного двигателя: а - с одинарной звезды на двойную; б - с треугольника на двойную звезду

Регулирование скорости путем изменения числа пар  полюсов экономично, а механические характеристики сохраняют жесткость. Недостатком этого способа является ступенчатый характер изменения  частоты вращения асинхронного двигателя  с короткозамкнутым ротором. Выпускаются двухскоростные двигатели с числом полюсов 4/2, 8/4, 12/6. Четырехскоростной электродвигатель с полюсами 12/8/6/4 имеет две переключаемые обмотки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Структурно-логический  анализ учебного материала

№	Название учебного элемента	Опорное	Новое	Уровень усвоения
1	Асинхронный двигатель	+		I
2	Короткозамкнутый ротор	+		I
3	Фазный ротор	+		I
4	Обмотка статора	+		II
5	Обмотка ротора	+		II
6	Резистор	+		II
7	Скольжение	+		I
8	Механическая характеристика	+		I
9	Диапазон регулирования		+	I
10	Плавность регулирования		+	I
11	Ступенчатость регулирования		+	I
12	Регулятор напряжения		+	I
13	Пусковой момент	+		I
14	Статический момент	+		I
15	Критический момент	+		I
16	Тиристорный регулятор		+	I
17	Частота сети	+		II
18	Частота вращения	+		II
19	Число пар полюсов	+		II
20	Магнитное поле	+		II
21	Жесткость характеристики		+	I
22	Преобразователь частоты		+	I
23	Регулирование скорости		+	I

 

2.3 Модель листа рабочей тетради

Первый блок («Актуализация опорных знаний»)

Представляет собой  так называемое мобилизирующее начало.  
Он содержит вопросы и задания, позволяющие восстановить в памяти, ранее усвоенные знания, требующиеся для понимания, осмысления и лучшего запоминания нового материала. Данный блок заданий позволяет сконцентрировать внимание учащихся на изучаемом вопросе и повысить интерес к изучаемой теме. Воспроизведение опорных знаний предлагается излагать вербальным способом.

Второй блок 

Представляет собой  сконструированный конспект, отражающий содержание изучаемого материала. Сконструированный конспект - своеобразный трафарет лекции, содержащий немые рисунки, схемы, таблицы, пустые кадры, заполнение которых происходит во время лекции. Все рисованные объекты либо конкретизируют, либо дополняют текстовую часть, то есть помогают раскрыть смысл написанного. Он позволяет сосредоточить внимание на основных вопросах темы, прививает навыки конспектирования, развивает образное мышление, повышает эффективность его восприятия учащимися. Развивает зрительную память, учит мыслить образами. Если ученик научился выделять и удерживать в памяти смысловые пункты и располагать их в определенной последовательности, это значит, что он уже чётко представляет себе логическую схему, отражающую структуру материала и можно с уверенностью сказать, что ответ его будет последовательно логичен. Использование такой модели (структурированный конспект) не только экономит учебное время, но непроизвольно прививает навыки конспектирования (еще отсутствующие у большинства первокурсников), позволяет сосредоточить внимание на основные вопросы темы, воспитывает аккуратность и эстетические качества.

 

 

Третий блок («Самоконтроль») 

Предусматривает систему дидактических заданий, активизирующих и организующих самоподготовку учащихся, требует умений сравнивать, проводить классификацию, анализировать и делать обобщения.

Выполнение тренировочных  упражнений способствует:

• совершенствованию умений самостоятельно работать над содержанием изучаемой темы;
• развитию мыслительной деятельности и аналитических способностей студентов;
• воспитанию интереса и ответственного отношения к выполнению домашней работы.

Продуманное и целесообразное использование системы заданий  для организации самостоятельной  работы учащихся не создает перегрузки, а наоборот, вызывает у учащихся повышенный интерес к изучаемому предмету, помогает его усвоению и закреплению. При подборе вопросов и заданий реализуется дифференцированный подход: степень сложности заданий возрастает от контрольных вопросов, требующих простого воспроизведения определенной известной информации, до заданий, требующих установить межпредметные связи, или заданий, требующих умений сравнивать, проводить классификацию, анализировать и делать обобщения. Следует отметить, что все задания начинаются побудительными словами.