Урок по дисциплине "Электрические машины"

Министерство образования Пензенской области

ГБОУ СПО ПО «Кузнецкий колледж электронных технологий»

                                                                       

              МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

                              комбинированного учебного занятия

Междисциплинарный курс МДК01.01 «Электрические машины и аппараты»

(Профессиональный модуль ПМ01)

       Тема: «Устройство и принцип действия синхронного генератора»

Для студентов специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и  обслуживание электрического и электромеханического оборудования»

  Рассмотрено на заседании цикловой методической комиссии       специальности 13.02.11

     Протокол №_2___от «__02__»__10_ 2016 г.

     Председатель ЦМК _________________ /О.А. Фарафонова/

 

     Разработчик:

Краюшкин Владимир Александрович– преподаватель ГБОУ СПО                      ПО «Кузнецкий колледж электронных технологий» _____________

                                                           2016

Содержание

1.    Пояснительная записка……………………………………………3

2.    Характеристика занятия…………………………………………..7

3.    Структурный план занятия……………………………………….9

4.    Ход занятия………………………………………………………..10

5.    Оснащение занятия……………………………………………….11

6.    Методические рекомендации…………………………………….5

7.    Список используемой литературы……………………………….19

8.    Приложения:

1)   лекция;

2)   контрольные вопросы;

3)   тесты.

                                          Пояснительная записка

       Урок является самой распространенной и наиболее удачной формой учебной и воспитательной работы, хотя это не единственная форма проведения занятий. На уроке преподаватель проводит разнообразную работу по доведению новых знаний, развитию познавательных способностей, умений и навыков студентов, а также по их воспитанию.

       Электротехнические дисциплины, в том числе и «Электрические машины» содержат большое количество учебного материала с высоким научно-техническим уровнем. Чтобы эффективно провести урок по изучению                                                                        технически сложных тем, преподавателю недостаточно глубокое знание предмета, но в соответствии с требования педагогики, методики, сочетать фронтальную работу со всей группой с индивидуальной работой с отдельными студентами, а доходчивое изложение нового материала дополнять самостоятельной познавательной и поисковой деятельностью студентов.

       Значительно повышает заинтересованность в изучении нового материала, прочность знаний и навыков правильное определение целей урока, разъяснение студентам практической значимости учебной работы при изучении теории электрических машин. Очень важную роль играет применение современных информационных технологий

        При изложении нового материала необходимо, опираясь на ранее изученные материалу по этому предмету и знания, полученные на других дисциплинах, осуществляя определенную преемственность, выделить новую проблему, и, активизируя познавательные способности слушателей, мобилизуя студентов на поиск новых решений, знакомить их с новой темой. Для успешного изучения нового материала преподавателю необходимо умело сочетать решение двух основополагающих: обобщить богатство научных знаний и умело организовать активную познавательную деятельность студентов. Полученная на уроке информация должна быть в завершении обобщена и проанализирована, подкреплена практическими примерами. Поэтому в конце урока необходимо сделать вывод, чтобы у студента сложилась целостная картина.

       Важным звеном в закреплении знаний являются повторение и опрос в виде тестов, решении задач, устных ответах и др. Проверке знаний присуща контрольная, воспитательная, обучающая и развивающая функции. Опрос важен для развития речи учащегося, умению кратко донести свои мысли до окружающих.

                                      Методические рекомендации

       Изучение устройства и принципа действия синхронных генераторов – этого     технически сложного учебного материала, сопряжено с определенными трудностями: понимания принципа их действия, особенностей функционирования, необходимостью усвоения электромагнитных процессов при работе генератора.

       С целью достижения получения студентами прочных знаний предлагается один из вариантов комбинированного занятия с поэтапным изучением новой темы.

       На первом этапе осуществляется повторение ранее изученного материала, на базе которого строится изучение новой темы. Для этого используются:

- анализ самостоятельной работы студентов по исследованию работы генераторов с помощью компьютерных программ,

- решение тестовых задач о роли и влиянии различных электрических параметров на функционирование генератора в целом,

- устные ответы на контрольные вопросы по особенностям работы электрических машин, изученных ранее.

       На втором этапе озвучивается проблема необходимости применения и конструирования синхронных генераторов, которые изучаются в новой теме, излагается тема и цель нового занятия.

       На основном этапе для наиболее эффективного изучения принципа действия электрических машин материал излагается с максимальными возможностями современных информационных технологий:

- традиционные схемы, диаграммы, графики,

- мультимедийные демонстрации на экране электромагнитных процессов, протекающих при работе электрических машин,

- показ разновидностей данных машин и области их применения в виде презентаций и демонстрация других ЦОР.

       В ходе изучения, с целью активизации познавательных, творческих способностей студентов, предлагается выполнить самостоятельную работу по анализу и синтезу изучаемых электрических машин.

       На заключительном этапе с целью закрепления полученных знаний проводится устный фронтальный экспресс-опрос и решаются индивидуальные тестовые задачи. В завершении, с помощью демонстрации на экране контрольных вопросов проводится самопроверка правильности ответов.

       В самостоятельной домашней работе студентам предлагается найти и подготовить информацию о современных разработках по данной теме.

      Характеристика занятия

Цели:

·         Образовательная: Сформировать у студентов понятие о назначении синхронного генератора, его устройстве и принципе действия.

·         Воспитательная: Привить студентам интерес к дисциплине и навыки работы в коллективе.

·         Развивающая: Способствовать развитию самостоятельности мышления. Развивать творческую деятельность, абстрактно-теоретическое мышление.

·         Дидактическая: Научить использовать различные дидактические материалы. Показать формы и методы управления познавательной деятельностью обучающихся на уроке.

Тип занятия: комбинированное

Форма организации занятия:  фронтальная с элементами индивидуальной работы

Метод обучения:

- лекция с элементами проблемного обучения;

- устный опрос;

- решение тестовых задач.

Продолжительность занятия: 90 мин.

Количество студентов: 24

Внутрипредметные связи:

1.     Закон электромагнитной индукции.

2.     Виды возбуждения генераторов.

3.     Электромагнитное возбуждение генераторов.

4.     Генераторы с самовозбуждением.

Межпредметные связи:

1.     Электротехника.

2.     Электрическое и электромеханическое оборудование.

Оснащение урока:

·         1. Плакат «Синхронный генератор».

·         2. Настенный стенд «Машины переменного тока».

·         3. Макет синхронного генератора.

·         4. Конспект лекции. 

·         5. Карточки-задания (Приложение 1)

·         6. Тесты для закрепления материала (Приложение 2)

                                         Структурный план занятия:

1.     Организационный момент                                                              2мин.

2.     Повторение: устный опрос и решение тестовых задач

2.1 – понятие генератора                                                                 7мин.

2.2 – магнитное поле                                                                   13мин.

              2.3- рецензия и выставление оценок                                         3мин.

               3. Объявление новой темы и целей занятия                                  2мин.

          4. Новый материал:                                                                        45мин.

               - постановка проблемы

               - демонстрация презентаций

  - мобилизация поисковых и логико-технических способностей           студентов по анализу работы генераторов.

               5. Проверка усвоения нового   материала с помощью тестов   15мин

          6. Заключительная часть:

               - анализ самостоятельной работы студентов,

               - подведение результатов активности и итогов изучения темы,

               - выставление оценок                                                               3мин.

                                                  Ход занятия

1. Организационный момент:

1.1. Приветствие

1.2. Определение отсутствующих

1.3. Проверка готовности обучающихся к уроку

1.4. Организация внимания.

2. Целеполагание и мотивация:

2.1. Постановка цели перед студентами

2.2. Ознакомление студентов с планом урока

2.3. Формирование установок на восприятие и осмысление учебной информации.

3. Актуализация ранее усвоенных знаний

Вопросы:

3.1. Какая электрическая машина называется генератором?

Ответ: Генератором называется электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую.

3.2. На каком законе электромагнетизма основан принцип действия генераторов?

Ответ: Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции: ЭДС индуктируется в двух случаях: при движении проводника в магнитном поле и при изменении магнитного потока вокруг проводника.

3.3. Что представляет собой магнитное поле?

Ответ: Магнитным полем называется материальная среда, обнаружить которую возможно только опытным путём – внеся в это поле другое намагниченное тело или проводник с током, так как вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

3.4. Какое электротехническое устройство называется электромагнитом и для чего оно предназначено?

Ответ: Электромагнит – это электротехническое устройство, состоящее из катушки и ферримагнитного сердечника, предназначенное для создания магнитного потока.

3.5. Особые требования, предъявляемые к электрическим машинам ПС

Ответ: К основным требованиям, предъявляемым к электрическим машинам ПС относятся:

·         частота вращения находится в пределах 50–12000 об/мин;

·         широкий диапазон мощностей (от десятков Вт до десятков МВт);

·         минимальные габариты, масса, нагрузка на ось, габариты, совпадающие с габаритами подвижного состава;

·         высокую надёжность работы.

3.6. Специфические условия эксплуатации электрических машин ПС.

Ответ: К специфическим особенностям работы электрических машин ПС относятся:

·         колебание температуры окружающей среды (от -50°С до + 50°С);

·         колебание влажности (95*3%);

·         запыление машин, установленных на открытом воздухе, встречным потоком воздуха;

·         конструкция машин и условия размещения её на подвижном  составе должны обеспечивать удобный доступ к обслуживаемым частям.

4. Формирование новых понятий

Конспект урока

4.1. Синхронный генератор – это машина переменного тока, преобразовывающая какой-либо вид энергии в электрическую энергию.

Генератором называется электрическая машина, преобразовывающая механическую энергию в электрическую.

4.2. Почему машина называется синхронной?

Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, скорость вращения которой постоянна и определяется (при заданной частоте) числом пар полюсов: n = 60*f/p; (f = 50 Гц), где р – количество пар полюсов.

Например: двадцатиполюсный генератор должен иметь скорость п = 60*50/10 = 300 об/мин.

4.3. Применение синхронных генераторов на железнодорожном транспорте

На железнодорожном транспорте синхронные машины чаще всего применяются в качестве генераторов переменного тока на тепловозах и в рефрижераторных секциях.

4.4. Индуктирование ЭДС в синхронных генераторах

Индуктирование ЭДС в синхронных генераторах осуществляется по закону электромагнитной индукции: E = B*L*U*sin L.

           

                             Рис.1. Принцип действия синхронного генератора.

Так как принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать магнитное поле, или, наоборот подвижное магнитное поле будет пересекать неподвижный проводник, то конструктивно синхронные генераторы могут быть изготовлены двух видов. В первом из них (рис.1.а.) магнитные полюсы можно поместить на статоре, а проводник на роторе и снимать с них при помощи колец и щёток переменный ток.

Ту часть, которая создаёт магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуктируется ЭДС, называют якорем.

Следовательно:  в первом типе генератора индуктор неподвижен, а якорь вращается. В таких генераторах скользящий контакт в цепи большой мощности создаёт значительные потери энергии, а при высоких напряжениях наличие такого контакта становится нецелесообразным. Поэтому генераторы с вращающимся якорем и неподвижными кольцами выполняют только при невысоких напряжениях (до 380/220 В) и небольших мощностях (до 15 кВт).

Наиболее широкое применение получили синхронные генераторы, в которых полюсы помещены на роторе, а якорь – на статоре (рис.1.б.).

4.5. Однофазные и трёхфазные синхронные генераторы

                                   

                                                           Рис.2.

Из курса электротехники известно, что если вращать ротор-индуктор, то в обмотке статора будет индуктироваться переменная ЭДС (рис.2.а.), Это явление лежит в основе устройства однофазного генератора переменного тока. Обмотку статора можно также сделать много фазной, но на практике наибольшее распространение получила трёхфазная система переменного тока (рис.2.б.).

4.6. Устройство синхронного генератора

На тепловозах с передачей мощности переменно-постоянного и переменного тока в качестве тяговых используют синхронные генераторы, первичными двигателями которых служат двигатели внутреннего сгорания (дизели). Их также используют в качестве вспомогательных машин на тепловозах, электровозах и в пассажирских вагонах.

                  

Рис.3. Устройство синхронного генератора.

Статор является неподвижной частью синхронной машины (рис.3.а.) и состоит из корпуса и сердечника, в пазах которого располагается статорная обмотка, предназначенная для индуктирования в ней ЭДС. Сердечник статора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, в которых вырубают пазы для укладки проводников обмотки статора.

4.7. Явновыраженные и неявновыраженные полюса электромагнитов

Ротор синхронного генератора представляет собой вал, на котором укреплены сердечники полюсов в явновыраженных синхронных машинах (рис.3.б.) или набирают из листов электротехнической стали в неявновыраженных синхронных машинах (3.в.).

В высокоскоростных синхронных генераторах выполняются неявновыраженные полюса для обеспечения нужной механической прочности.

             

Рис.4. Явновыраженные и неявновыраженные полюса электромагнитов.

Обмотка возбуждения выполняется из медного провода прямоугольного сечения, концы которой выводятся на контактные кольца, установленные на роторе. Токосъём с контактных колец (плакат «Синхронный генератор») осуществляется с помощью щёток, установленных в щёткодержателях и прижимаемых к контактной поверхности пружинами.

В синхронных генераторах применяют два основных способа возбуждения: независимое (рис.5.а.) и самовозбуждение (рис.5.б.)

     

Рис.5. Независимое возбуждение и самовозбуждение машины.

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от генератора постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, расположенного на валу ротора синхронного генератора и вращающегося вместе с ним (большой мощности).

При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется самим синхронным генератором через выпрямитель (малой и средней мощности).

4.8. Принцип действия синхронного генератора

При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда названиесинхронная машина.

                        

                Рис.6. Генераторный режим работы синхронной машины.

При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4,44*f*w*k_w*Ф, где:

f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; k_w – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток.

Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора: f = p*n/60, где:

р – число пар полюсов; п – скорость вращения ротора, об/мин.

Заменив: E = 4,44*(п*р/60)*w*k_w*Ф и, определив: 4,44*(р/60)*w*k_w – относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4.44*(р/60)*w*k_w.

Тогда: Е = С_Е*п*Ф.

Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.

4.9. Обратимость синхронного генератора

Синхронные машины применяются также в качестве электрического двигателя, особенно в установках большой мощности (свыше 50 кВт)

Рис.7. Двигательный режим работы синхронной машины.

Для работы синхронной машины в режиме двигателя обмотку статора подключают к трёхфазной сети, а обмотку ротора к источнику постоянного тока. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля машины с постоянным током обмотки возбуждения, возникает вращающий момент М, который увлекает его со скоростью магнитного поля.

4.10. Условия включения синхронного генератора в сеть

Для включения генератора в сеть необходимо:

·         одинаковое чередование фаз в сети и генераторе;

·         равенство напряжения сети и ЭДС генератора;

·         равенство частот ЭДС генератора и напряжения сети;

·         включать генератор в тот момент, когда ЭДС генератора в каждой фазе направлена встречно напряжению сети.

Невыполнение этих условий ведёт к тому, что в момент включения генератора в сеть возникают токи, которые могут оказаться большими и вывести генератор из строя.

5. Закрепление полученных знаний

5.1. Контрольные вопросы:

– Какая электрическая машина называется генератором?

Ответ: Генератором называется машина, преобразовывающая механическую энергию в электрическую.

– Почему машина называется синхронной?

Ответ: Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения магнитного поля равна скорости вращения ротора – из-за этого и название синхронная.

– По какому закону осуществляется индуктирование ЭДС в якоре машины?

Ответ: По закону электромагнитной индукции – ЭДС индуктируется в двух случаях: при движении проводника в магнитном поле или при изменении магнитного поля вокруг проводника.

– Какие два основных способов возбуждения Вы знаете?

Ответ: независимое возбуждение и самовозбуждение.

– Какая зависимость между р и п в синхронных генераторах при заявленной частоте переменного тока?

Ответ: Обратно пропорциональная зависимость: чем больше, тем меньше.

5.2. Работа с карточками-заданиями: (Приложение 1)

№1: Число пар полюсов синхронного генератора 4. Определить частоту вращения магнитного поля статора, если частота генерируемого тока 50 Гц.

Дано:                                               Решение:

Р = 4           

f = 50 Гц;                                         n = f*60/p = 50*60/4 = 750 об/мин.

Определить: n = ?

№2: Какое количество полюсов должно быть у синхронного генератора с частотой ЭДС 50 Гц, если ротор его вращается с частотой 500 об/мин.

Дано:                                              Решение:

f = 50 Гц;

n = 500 об/мин;                               р = f*60/n = 50*60/500 = 6 пар.

Определить: р = ?

№3: Генератор переменного тока имеет 10 пар полюсов и его ротор вращается с частотой 1200 об/мин. Сколько раз в секунду ток меняет своё направление?

Дано:                                             Решение:

р = 10;

n = 1200 об/мин;                           f/2 = p*n/60*2 = 10*1200/60*2 = 100 раз;

Определить: f/2 = ?

№4: Найти ЭДС, индуктируемую в одной фазе статора генератора переменного тока, если количество витков 24; обмоточный коэффициент 0,9; частота ЭДС 50 Гц, а магнитный поток 0,05 Вб.

Дано:                                            Решение:

w = 24;           f = 50 Гц;

k_w = 0,9;        Ф = 0,05 Вб;           Е = 4,44*f*k_w*w*Ф = 4.44*50*0,9*0,05 = 10 В.

Определить: Е = ?

№5: Выбрать необходимое число витков обмотки шестиполюсного синхронного генератора, ротор которого вращается с частотой 1000 об/мин, чтобы ЭДС на его выводах была 220 В, если магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения ротора, равен 0,05 Вб, а обмоточный коэффициент статорной обмотки 0,92.

Дано:                                                     Решение:

N = 6 полюсов;           Ф = 0,05 Вб;         Е = 4,44*f*w*k_w*Ф;

n = 1000 об/мин;          k_w = 0,92;             f = p*n/60 = (6/2)*1000/60 = 50Гц;

E = 220 В;

Определить: w = ?                                 w = E/4,44*f*k_w*Ф = 220/4,44*50*0,92*0,05 = 22 в.

5.3. Работа с тестами: (Приложение 2)

Вопрос	Ответ
1.Почему синхронный генератор называется синхронным?	1.     Скорость вращения ротора больше скорости вращения магнитного поля; 2.     Скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля; 3.     Скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля.
2.Определить                 скорость двенадцатиполюсного синхронного генератора при частоте 50 Гц.	1.     50 об/мин; 2.     100 об/мин; 3.     500 об/мин.
3. В каком генераторе, при заданной частоте, наибольшая скорость вращения?	1.     с явновыраженными полюсами; 2.     с неявновыраженными полюсами; 3.     в бесполюсном.
4. Можно ли трёхфазную обмотку синхронного генератора большой мощности расположить на роторе?	1.     можно; 2.     нельзя; 3.     можно, но нецелесообразно.
5. Четырёхполюсный ротор синхронного генератора вращается со скоростью 3000 об/мин. Определить частоту переменной ЭДС.	1.     50 Гц; 2.     100 Гц; 3.     150 Гц.

Ответы:

Вопрос	1	2	3	4	5
Ответ	2	3	2	3	2

6. Рефлексия, задание на дом:

6.1. Подведение итогов урока, определение меры участия всех студентов и каждого в отдельности, оценка их работы.

6.2. Мотивирование домашнего задания.

6.3. Краткий инструктаж по выполнению домашнего задания.

6.4. Вопросы к студентам по восприятию урока.

Список используемой литературы:

1.     В.А. Поляков «Электротехника»; Учебное пособие; М. «Просвещение»; 1982, 239 с.

2.     А.Е. Зорохович, В.К. Калинин «Электротехника с основами промышленной электроники»; Учебное пособие для СПО, училищ; М. «Высшая школа»; 1975, 432 с. с ил.

3.     А.С. Касаткин «Основы электротехники»; Учебное пособие для СПО, училищ; М. «Высшая школа»; 1986, 287 с.; ил.

4.     В.Е. Китаев «Электротехника с основами промышленной электроники»; Учебное пособие для СПО, училищ; М. «Высшая школа»; 1980, 254 с.; ил.

5.     И.А. Данилов «Общая электротехника»; Программированное учебное пособие для неэлектротехнических специальностей техникумов. М., «Высшая школа»; 1977, 416 с., с ил.

6.     А.В. Грищенко, В.В.Стрекопытов «Электрические машины и преобразователи подвижного состава»; Учебное пособие для студентов СПО. М., Издательский центр «Академия», 2005. – 320 с.

7.     П.Н. Новиков, В.Я. Кауфман «Задачник по электротехнике с основами промышленной электроники»; Учебное пособие для СПО. М., «Высшая школа»; 1985. – 232 с., с ил.