交直流调速控制系统教学大纲

《交直流调速控制系统》课程教学大纲课程代码：060431009

课程英文名称：Ac/Dc speed control system

课程总学时：40 讲课：40 实验：00 上机：00

适用专业：电气工程及其自动化、自动化

大纲编写时间：2017.11

课程性质：专业基础必修课

学分：5

一、大纲使用说明

(一)课程的地位及教学目标

《交直流调速控制系统》是电气工程及其自动化专业学生必修的一门专业基础课。是从专业基础课走向专业课学习和工程应用研究的纽带，具有承上启下的作用。本课程根据工业生产中电力拖动的特点，结合生产工艺要求，以自动控制理论和电力电子技术为基础，以交直流电动机为对象，系统地介绍典型电力拖动自动控制系统的分析、设计和参数整定方法，以及在工业应用中必须注意的有关问题。通过《交直流调速控制系统》的教学，应使学生全面系统地掌握运动控制技术领域的基本概念、基本规律和基本分析与设计方法，树立理论联系实际的观点，培养学生分析和解决有关电机调速控制问题的能力，为以后从事电气传动控制系统领域的调速、新能源风力发电工作奠定必要的基础。

(二) 知识、能力及技能方面的基本要求

1．基本知识：掌握《交直流调速控制系统》的基础理论。

2．基本理论和方法：掌握各种常见典型电力拖动自动控制系统的组成、原理、特性、分析、设计。

3．基本技能：掌握各种常见典型电力拖动自动控制系统的应用。同时具有一定的分析和解决有关自动控制实际问题的能力。

(三) 实施说明

1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用新技术及查找资料的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

3．讲授内容：明确各部分内容在课程整体中所处的地位，应对课程各环节实施统一调配，从而增强教学的效果。

(四) 对先修课的要求

本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程有高等数学、线性代数、电路、模拟电子技术和数字电子技术、自动控制原理、电机学、电力电子技术等。

(五) 对习题课、实践环节的要求

本大纲立足于应用能力的培养，习题从教材中选取，布置作业并要求学生按时交作业。

(六) 课程考核方式

1．考核方式：考试

2．考核目标：在考核学生对交直流调速控制系统基本知识、基本原理与方法理解的基础上，重点考核学生对单闭环直流调压调速系统、双闭环直流调压调速系统的动态、静态特性的分析能力和设计能力。

3．成绩构成：本课程的总成绩主要由二部分组成：平时成绩（包括出勤情况、课堂表现、作业情况等）占20%，期末考试成绩占80%。

平时成绩由任课教师视具体情况按百分制给出；期末考试成绩由试卷按百分制给出。

(七)使用教材及参考书目

本课程的使用教材：

《交直流调速控制系统》，张红莲、刘崇伦等编（十二五规划教材），中国电力出版社，2011。

参考书目：

[1] 《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》，陈伯时编著，机械工业出版社，2006。

[2] 《电机控制》，许大中、贺益康编著，浙江大学出版社，2002。

[3] 《电机控制系统》，王鉴光编著，机械工业出版社，1994。

[4] 《现代交流调速系统》，张勇军等，机械工业出版社.2014.

二、中文摘要

《交直流调速控制系统》是一门工程技术类课程，是一门综合性较强、实用性强的课程，本课程着重分析了电机控制的基本理论和方法。学生通过本大纲所规定的全部教学内容的学习，可以掌握电机控制的工作原理、系统结构及设计方法，并具有分析电机控制系统特性，初步设计电机控制系统的能力，为今后从事电气传动控制系统领域的调速、新能源风力发电工作奠定必要的基础。

三、课程学时分配表

四、教学内容及基本要求

第0部分绪论

总学时（单位：学时）：1 讲课：1实验：0 上机：0

具体内容：

1）交直流调速控制系统组成及其相关学科

2）交直流调速技术概况

3）课程的目的。

重点：交直流控制系统的基本组成。

第1部分电力拖动系统的动力学基础

总学时（单位：学时）：2 讲课：2实验：0 上机：0

具体内容：

1）电力拖动系统的组成、电力拖动的运动方程式。

2）生产机械的负载转矩特性。

3）电力拖动系统稳定运行条件

重点：电力拖动的运动方程式。

难点：电力拖动系统稳定运行条件

作业：生产机械的负载转矩特性。

第2部分直流电动机的电力拖动基础

总学时（单位：学时）：6 讲课：6 实验：0 上机：0

第2.1部分他励直流电动机的机械特性（讲课1学时）

具体内容：

1)他励直流电动机的机械特性方程。

2)他励直流电动机的机械特性曲线。

重点：他励直流电动机的机械特性曲线。

难点：人为机械特性。

第2.2部分他励直流电动机的起动及制动（讲课1学时）具体内容：

1）对起动的要求。

2）电枢回路串电阻起动。

3）降压起动。

重点：电枢回路串电阻起动。

第2.3部分他励直流电动机的制动（讲课1学时）

具体内容：

1）能耗制动。

2）反接制动。

3）回馈制动（再生制动）。

重点：能耗制动。

难点：回馈制动（再生制动）。

第2.4部分他励直流电动机的调速（讲课2学时）

具体内容：

1）调速指标。

2）电枢串电阻调速。

3）弱磁调速。

4）改变电枢电压调速。

重点：电枢串电阻调速。

难点：改变电枢电压调速。

第2.5部分直流调速方式与负载的配合（讲课1学时）具体内容：

1）电动机的容许输出。

2）他励直流电动机调速方式的分类。

3）负载类型与电动机调速方式的匹配。

重点：负载类型与电动机调速方式的匹配。

难点：恒转矩负载配恒功率调速方式。

作业：直流电机的机械特性、起动及制动计算。

第3部分直流可控电源-电动机调速系统

总学时（单位：学时）：6 讲课：6实验：0 上机：0

第3.12部分可控直流电源（讲课2学时）

具体内容：

1）可控整流电源。

2）脉宽调制（PWM）变换电源。

重点：脉宽调制（PWM）变换电源。

难点：脉宽调制（PWM）变换电源。

第3.2部分相控整流-电动机系统（讲课2学时）

（也称晶闸管-电动机调速系统，简称V-M系统）

具体内容：

1）可控直流电源的数学模型。

2）电流脉动及其波形的连续与断续。

3）抑制电流脉动的措施。

4）相控整流-电动机系统的机械特性。

5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传输函数。

重点：抑制电流脉动的措施。

难点：晶闸管触发和整流装置的放大系数和传输函数。第3.3部分直流PWM变换器-电动机系统（讲课2学时）具体内容：

1）直流脉宽调速系统。

2）直流脉宽调速系统的机械特性。

3）PWM控制与变换器的数学模型。

4）电能回馈与泵升电压的限制。

重点：直流脉宽调速系统。

难点：双极式控制的桥式可逆PWM变换器。

作业：调速范围及静差率计算。

第4部分直流电动机闭环调速控制系统

总学时（单位：学时）：10讲课：10实验：0 上机：0

第4.1部分转速负反馈单闭环直流调速系统（讲课2学时）

具体内容：

1)单闭环直流调速系统的组成及静态特性。

2)直流闭环调速控制系统稳态参数的计算。

3)单闭环调速系统的动态分析。

4)反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件。

重点：闭环静特性与开环机械特性的比较；闭环系统的静特性。

难点：单闭环调速系统的动态分析；反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件。第4.2部分无静差调速系统和积分控制规律（讲课2学时）

具体内容：

1）比例调节器特性。

2）比例积分调节器。

3）无静差直流调速系统及其稳态参数计算。

重点：比例积分调节器。

难点：比例积分控制规律。

第4.3部分单闭环调速系统的限流保护（讲课1学时）

具体内容：

1）电流负反馈作用机理。

2）电流截止负反馈。

3）带电流截止负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性。

重点：静特性方程和特性曲线。

难点：电流截止负反馈。

第4.4部分转速电流双闭环直流调速系统（讲课2学时）

具体内容：

1）双闭环调速系统的组成及静特性。

2）双闭环调速系统的数学模型。

3）双闭环调速系统的起动过程。

4）双闭环调速系统的动态抗扰性能。

重点：转速、电流双闭环直流调速系统的组成；稳态结构图和静特性。

难点：稳态工作点和稳态参数计算。

第4.5部分调速器的工程设计方法（讲课2学时）

具体内容：

1）工程设计方法的基本思路。

2）典型系统及其参数与性能指标的关系。

3）非典型系统的典型化。

重点：典型系统及其参数与性能指标的关系。

难点：非典型系统的典型化。

第4.7部分弱磁控制的直流调速系统（讲课1学时）

具体内容：

1）变压与弱磁的配合控制。

2）非独立控制励磁的调速系统。

重点：变压与弱磁的配合控制。

难点：非独立控制励磁的调速系统。

作业：直流调速系统设计及参数计算等。

第5部分异步电动机的电力拖动基础

总学时（单位：学时）：5讲课：5实验：0 上机：0

第5.1部分三相异步电动机的机械特性（讲课1学时）

具体内容：

1）异步电动机的机械特性表达式。

2）三相异步电动机的机械特性。

重点：实用表达式。

难点：三相异步电动机的机械特性。

第5.2部分三相异步电动机起动（讲课1学时）

具体内容：

1）三相异步电动机的起动性能分析。

2）三相异步电动机的起动方法。

3）重点：三相异步电动机的起动方法。

第5.3部分异步电动机的调速（讲课2学时）

具体内容：

1）转差功率消耗型异步电动机调速方法。

2）转差功率回馈型异步电动机调速方法-串级调速。

3）转差功率不变型异步电动机调速方法。

重点：转差功率消耗型异步电动机调速方法；转差功率回馈型异步电动机调速方法-串级调速；转差功率不变型异步电动机调速方法。

难点：串级调速；变频调速。

第5.4部分三相异步电动机的制动（讲课1学时）

具体内容：

1）三相异步电动机的能耗制动。

2）反接制动。

3）异步电动机的回馈制动。

4、异步电动机运行状态小结。

重点：三相异步电动机的能耗制动。

难点：异步电动机的回馈制动。

作业：异步电机起动、制动、调速方法及相关计算。

第6部分基于稳态模型的异步电动机调速系统

总学时（单位：学时）：8讲课：8实验：0 上机：0

第6.1部分变压变频调速的基本控制方式（讲课1学时）

具体内容：

1）基频以下调速。

2）基频以上调速。

重点：基频以下调速。

第6.2部分电压频率协调控制时的机械特性（讲课1学时）

具体内容：

1）恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性。

2）基频以下电压-频率协调控制时的机械特性。

3）基频以上恒压变频时的机械特性。

重点：恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性。

难点：基频以下电压-频率协调控制时的机械特性。

第6.3部分变压变频器的主要类型（讲课1学时）

具体内容：

1）交-直-交和交-交变压变频器。

2）电压源型和电流源型逆变器。

3）180℃导通型和120℃导通型逆变器。

重点：电压源型和电流源型逆变器。

难点：180℃导通型和120℃导通型逆变器。

第6.4部分变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术（讲课3学时）具体内容：

1）正弦波脉宽调制（SPWM）技术。

2）电流跟踪PWM。

3）消除高次谐波的PWM控制技术。

4）电压空间矢量PWM控制技术。

重点：正弦波脉宽调制（SPWM）技术。

难点：电压空间矢量PWM控制技术。

第6.5部分异步电机稳态模型的变压变频调速（讲课2学时）

具体内容：

1）转速开环恒压频比控制调速系统-通用变频器-电动机调速系统。

2）转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统。

重点：转速开环恒压频比控制调速系统-通用变频器-电动机调速系统。难点：转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统。

作业：异步电机变压变频调速控制方式方法及相关计算。

第7部分基于动态模型的异步电动机调速系统

总学时（单位：学时）：2讲课：2实验：0 上机：0

第7.1部分异步电动机的动态数学模型（讲课2学时）

具体内容：

1）异步电动机的动态数学模型的性质。

2）三相异步电动机的多变量非线性数学模型。

重点：三相异步电动机的多变量非线性数学模型。

难点：三相异步电动机的多变量非线性数学模型。