《电力拖动自动控制系统》教学大纲

《电力拖动自动限制系统》教学大纲一、课程基本信息1、课程英文名称：AutomationControlSystembyPowerDriving2、课程类别：专业方向课程3、课程学时：总学时64，试验学时84、学分：45、先修课程：《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《限制电机》、《自动限制原理》、《电力拖动基础》等专业基础课程6、适用专业：电气工程及其自动化二、课程的目的与任务课程的教学目的：本课程是电气工程及其自动化专业的专业特色课程。通过本课程的学习，了解和驾驭电力拖动自动限制系统的设计、校正和综合方法，为今后的工作打下专业基础。课程教学的任务：了解直流电力拖动自动限制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。驾驭直流转速单闭自动限制系统和转速、电流双闭环自动限制系统的静、动态设计方法，深刻领悟和驾驭限制系统的工程设计方法，能够娴熟应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。了解沟通电力拖动自动限制系统的特点，调速方法，特殊是重点了解和驾驭笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量限制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。三、课程的基本要求本课程是全部专业基础课程的综合应用，特殊是对《电力电子技术》、《电机学》、《限制电机》、《自动限制原理》、《电力拖动基础》以及《模拟电子技术》、《数字电子技术》的基础学问应用较多，学生必需在这些专业基础课程学习过后，才能开设本课程。老师在授课中必需引导学生对专业基础课程的综合应用，依据系统的限制规律为主线，由简入繁、由低及高的循序深化，思路必需清晰，引导学生学习和驾驭系统设计与分析的方法，培育学生对工程问题的处理方法，同时要仔细进行和完成课程试验，并且通过课程设计，要求学生能够对简洁的电力拖动自动限制系统进行性能分析和设计。四、教学内容、要求及学时安排(一)理论教学：56学时第一章闭环限制的直流调速系统10学时主要内容：本章内容是直流调速自动限制系统的基础，必需仔细驾驭以下内容。1、直流调速系统用的可控直流电源，旋转变流机组，静止可控整流器，直流载波器或脉宽调制变换器；2、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题，触发脉冲相位限制，电流脉动及其波形的连续与断续，抑制电流脉动的措施，晶闸管-电动机系统的机械特性，晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数；3、直流脉宽调速系统的主要问题，PWM变换器的工作状态和电压、电流波形，直流脉宽调速系统的机械特性，PWM限制与变换器的数学模型，电能回馈与泵升电压的限制；4、反馈限制闭环直流调速系统的稳态分析和设计，转速限制的要求和调速指标，开环调速系统及其存在的问题，闭环调速系统的组成及其静特性，开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系，反馈限制规律，闭环直流调速系统稳态参数的计算，限流爱护-电流截止负反馈；5、反馈限制闭环直流调速系统的动态分析和设计，反馈限制闭环直流调速系统的动态数学模型，反馈限制闭环直流调速系统的稳定条件，动态校正-PI调整器的设计；6、比例积分限制规律和无静差调速系统，积分调整器和积分限制规律，比例积分限制规律，无静差直流调速系统及其稳态参数计算；7、电压反馈电流补偿限制的直流调速系统，电压负反馈直流调速系统，电流正反馈和补偿限制规律，电流补偿限制直流调速系统的数学模型和稳定条件。重点：直流调速系统用的可控直流电源，晶闸管-电动机系统的机械特性，晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数，直流脉宽调速系统的机械特性，PWM限制与变换器的数学模型，反馈限制闭环直流调速系统的稳态分析和设计，反馈限制闭环直流调速系统的动态分析和设计，比例积分限制规律和无静差调速系统。难点：直流载波器或脉宽调制变换器，抑制电流脉动的措施，电能回馈与泵升电压的限制，反馈限制规律，限流爱护-电流截止负反馈，反馈限制闭环直流调速系统的动态数学模型，电流正反馈和补偿限制规律，电流补偿限制直流调速系统的数学模型和稳定条件。其次章转速、电流双闭环直流调速系统和调整器的工程设计方法10学时主要内容：本章是直流调速自动限制系统的重点内容，必需深刻领悟和驾驭。1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性，转速、电流双闭环直流调速系统的组成，稳态结构框图和静特性，各变量的稳态工作点和稳态参数计算；2、双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析，双闭环直流调速系统的动态数学模型，起动过程分析，动态抗扰性能分析，转速和电流两个调整器的作用；3、调整器的工程设计方法，工程设计方法的基本思路，典型系统，限制系统的动态性能指标，典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系，典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系，调整器结构的选择和传递函数的近似处理—非典型系统的典型化；4、按工程设计方法设计双闭环系统的调整器，电流调整器的设计，转速调整器的设计，转速调整器退饱和时转速超调量的计算；5、转速超调的抑制－转速微分负反馈，带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理，退饱和时间和退饱和转速，转速微分负反馈参数的工程设计方法，带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能；6、弱磁限制的直流调速系统，变压与弱磁的协作限制，非独立限制励磁的调速系统，弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁限制系统转速调整器的设计。重点：转速、电流双闭环直流调速系统的稳态工作点和稳态参数计算，双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析，调整器的工程设计方法，按工程设计方法设计双闭环系统的调整器，转速超调的抑制－转速微分负反馈。难点：双闭环直流调速系统的动态数学模型，动态抗扰性能分析，调整器结构的选择和传递函数的近似处理—非典型系统的典型化，转速调整器退饱和时转速超调量的计算，转速微分负反馈参数的工程设计方法，弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁限制系统转速调整器的设计。第三章直流调速系统的数字限制6学时主要内容：本章内容随着数字技术的广泛应用，特殊是DSP技术的快速发展和大量应用，显示出越来越重要，所以依据目前的技术状况，实际在对本章内容进行讲授时，不能只局限于教材中的内容，老师还应当依据当前数字技术实际的发展应用状况，进行必要的补充。教材中应当讲授的内容如下。1、微型计算机数字限制的主要特点，数字量化，采样频率的选择，微机数字限制系统的输入与输出变量；2、微机数字限制双闭环直流调速系统的硬件和软件，微机数字限制双闭环直流调速系统的硬件结构，微机数字限制双闭环直流调速系统的软件框图；3、数字测速与滤波，旋转编码器，M法测速，T法测速，M/T法测速，各种数字测速方法的精度指标，M/T法数字测速软件框图，数字滤波；4、数字PI调整器，模拟PI调整器的数字化，改进的数字PI算法，智能型PI调整器；5、按离散限制系统设计数字限制器，具有零阶保持器的数字限制直流调速系统，限制对象传递函数的离散化，数字转速调整器的设计；6、数字限制系统的故障检测、爱护与自诊断，故障检测，故障爱护，故障自诊断。重点：微型计算机数字限制的主要特点，采样频率的选择，微机数字限制系统的输入与输出变量，微机数字限制双闭环直流调速系统的硬件结构和软件框图，数字测速与滤波，数字PI调整器及数字转速调整器的设计，数字限制系统的故障检测、爱护与自诊断。难点：微机数字限制系统的输入与输出变量，各种数字测速方法的精度指标，数字滤波，智能型PI调整器，限制对象传递函数的离散化，故障自诊断。第四章可逆直流调速系统和位置随动系统4学时主要内容：本章内容作为一般了解。主要介绍如下内容。1、可逆直流调速系统，单片微机限制的PWM可逆直流调速系统，有环流限制的可逆晶闸管-电动机系统，无环流限制的可逆晶闸管-电动机系统；2、位置随动系统，位置随动系统的组成，位置随动系统的特征及其与调速系统的比较，位置传感器，位置随动系统的稳态误差分析和参数计算，位置随动系统的动态校正与限制。重点：有环流限制的可逆晶闸管-电动机系统和无环流限制的可逆晶闸管-电动机系统，位置随动系统的组成、特征及其与调速系统的比较，位置传感器。难点：单片微机限制的PWM可逆直流调速系统，位置随动系统的稳态误差分析和参数计算，位置随动系统的动态校正与限制。第五章闭环限制的异步电动机变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统4学时主要内容：本章内容作为一般了解。主要介绍如下内容。1、异步电动机变压调速电路；2、异步电动机变更电压时的机械特性；3、闭环限制的变压调速系统及其静特性；4、闭环变压调速系统的近似动态结构框图；5、转差功率损耗分析；6、变压限制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用。重点：异步电动机变更电压时的机械特性，闭环限制的变压调速系统及其静特性，闭环变压调速系统的近似动态结构框图，变压限制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用。难点：转差功率损耗分析。第六章笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统12学时主要内容：本章是三相异步电动机沟通调速系统的主要和重点内容，必需深刻领悟和重点驾驭，是本课程的教学重点，应当驾驭如下内容。1、变压变频调速的基本限制方式，基频以下调速，基频以上调速；2、异步电动机电压-频率协调限制时的机械特性，恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性，基频以下电压-频率协调限制时的机械特性，基频以上恒压变频时的机械特性，恒流正弦波供电时的机械特性；3、电力电子变压变频器的主要类型，交-直-交和交-交变压变频器，电压源型和电流源型逆变器，180o导通型和120o导通型逆变器；4、变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术，正弦波脉宽调制（SPWM）技术，消退指定次数谐波的PWM（SHEPWM）限制技术，电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）限制技术，电压空间矢量PWM（SVPWM）限制技术（或称磁链跟踪限制技术），桥臂器件开关死区对PWM限制变压变频器工作的影响；5、基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统，转速开环恒压频比限制调速系统——通用变频器-异步电动机调速系统，转速闭环转差频率限制的变压变频调速系统；6、异步电动机的动态数学模型和坐标变换，异步电动机的动态数学模型的性质，三相异步电动机的多变量非线性数学模型，坐标变换和变换矩阵，三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型，三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程；7、基于动态模型按转子磁链定向的矢量限制系统，矢量限制系统的基本思路，按转子磁链定向的矢量限制方程及其解耦作用，转子磁链模型，转速、磁链闭环限制的矢量限制系统——干脆矢量限制系统，磁链开环转差型矢量限制系统——间接矢量限制系统；8、基于动态模型按定子磁链限制的干脆转矩限制系统，干脆转矩限制系统的原理和特点，干脆转矩限制系统的限制规律和反馈模型，干脆转矩限制系统与矢量限制系统的比较。重点：变压变频调速的基本限制方式，异步电动机电压-频率协调限制时的机械特性，电力电子变压变频器的主要类型，交-直-交和交-交变压变频器，变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术，基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统，异步电动机的动态数学模型和坐标变换，基于动态模型按转子磁链定向的矢量限制系统，基于动态模型按定子磁链限制的干脆转矩限制系统。难点：180o导通型和120o导通型逆变器，正弦波脉宽调制（SPWM）技术，消退指定次数谐波的PWM（SHEPWM）限制技术，电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）限制技术，电压空间矢量PWM（SVPWM）限制技术（或称磁链跟踪限制技术），桥臂器件开关死区对PWM限制变压变频器工作的影响，三相异步电动机的多变量非线性数学模型，坐标变换和变换矩阵，三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型，三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程。第七章绕线转子异步电动机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统6学时主要内容：本章内容作为一般性了解，主要了解以下内容。1、异步电机双馈调速工作原理，异步电机转子附加电动势的作用，异步电机双馈调速的五种工况；2、异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统，串级调速系统的工作原理，串级调速系统的其他类型；3、异步电动机串级调速时的机械特性，异步电动机串级调速机械特性的特征，异步电动机串级调速时的转子整流电路，异步电动机串级调速机械特性方程式；4、串级调速系统的技术经济指标及其提高方案，串级调速系统的效率，串级调速系统的功率因数及其改善途径，斩波限制的串级调速系统，串级调速装置的电压和容量；5、双闭环限制的串级调速系统，双闭环限制串级调速系统的组成，串级调速系统的动态数学模型，调整器参数的设计，串级调速系统的起动方式；6、异步电机双馈调速系统，双馈调速系统的构成，双馈调速系统的矢量限制。重点：异步电机双馈调速工作原理，异步电机双馈调速的五种工况，串级调速系统，串级调速系统的工作原理，异步电动机串级调速时的机械特性，串级调速系统的技术经济指标及其提高方案，双闭环限制的串级调速系统，双馈调速系统的矢量限制。难点：异步电机转子附加电动势的作用，异步电动机串级调速时的转子整流电路，异步电动机串级调速机械特性方程式，斩波限制的串级调速系统，串级调速装置的电压和容量，串级调速系统的动态数学模型，双馈调速系统的矢量限制。第八章同步电动机变压变频调速系统4学时主要内容：本章内容随电力电子技术的发展，其重要性不断加强，应当作为重点内容讲授，主要要求学生驾驭以下内容。1、同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型；2、他控变频同步电动机调速系统，转速开环恒压频比限制的同步电动机群调速系统，由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统，由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统，按气隙磁场定向的同步电动机矢量限制系统，同步电动机的多变量动态数学模型；3、自控变频同步电动机调速系统，梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统，正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统。重点：转速开环恒压频比限制的同步电动机群调速系统，由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统，由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统，按气隙磁场定向的同步电动机矢量限制系统，梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统，正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统。难点：同步电动机的多变量动态数学模型，梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统，按气隙磁场定向的同步电动机矢量限制系统。(二)试验教学：8学时（一）、试验课的目的与要求1、电力拖动自动限制系统是电气工程及其自动化专业的特色专业课程，课程试验是教学的重要环节，必需通过试验，使学生增加对交直流调速系统的理解，培育学生的实际动手实力、分析问题和解决实际问题的实力。2、学生在进行试验前必需仔细阅读试验指导书，了解试验设备的性能及其运用方法，熟识试验内容，明确试验目的、步骤、原理，驾驭试验方法，仔细完成预习要求。3、在试验进行中，学生必需独立完成试验，最好每个学生一人一组，运用一台设备，因为试验设备台数少的确做到一人一组有困难的，但至少应保证每组不多于三人。4、试验后必需仔细处理试验数据，分析试验结果，写出符合要求的试验报告。（二）、试验项目（在以下试验项目中选做8学时试验）试验—、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定试验试验类型：综合型试验学时：2学时试验目的：了解DDSZ-1型电机及电气技术试验装置、DJDK-1型电机限制系统试验装置的结构、组件及布线状况2、熟识晶闸管直流调速系统的组成及基本结构3、驾驭晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法试验内容：1、测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R2、测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L3、测定直流电动机始终流发电机一测速发电机组的飞轮惯量GD4、测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td5、测定直流电动机电势常数Ce和较矩常数Cm6、测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm7、测定晶闸管触发及整流装置特性Ud＝f（Uct）8、测定测速发电机特性Utg=f（n）试验设备：DDSZ-1型电机及电气技术试验装置或DJDK-1型试验装置主限制屏DJK01一台直流电动机始终流发电机一测速发电机组一套DJK02组件挂箱，DJK04组件挂箱各一台直流电压表、直流电流表各一只双臂滑线电阻器一只试验仪器仪表及耗材：光线示波器或记忆示波器一台，万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干。试验二、单闭环晶闸管直流调速系统试验试验类型：综合型试验学时：2学时试验目的：熟识DDSZ-1型电机及电气技术试验装置或DJDK-l型电机限制系统试验装置主限制屏DJK01的结构及调试方法2、了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理3、驾驭晶闸管直流调速系统的一般调试过程4、相识闭环反馈限制系统的基本特性试验内容：1、主限制屏DJK01的调试2、基本限制单元调试3、Uct不变时的直流电动机开环特性的测定4、Ud不变时的直流电动机开环特性的测定5、转速反馈的单闭环直流调速系统6、电流反馈的单闭环直流调速系统试验设备：主限制屏DJK01一套直流电动机始终流发电机一测速发电机组一套双臂滑线电阻器一只试验仪器仪表及耗材：双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干。试验三、双闭环晶闸管不行逆直流调速系统试验试验类型：综合型试验学时：2学时试验目的：1、了解双闭环不行逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理2、驾驭双闭环不行逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定3、探讨调整器参数对系统动态特性的影响试验内容：1、各限制单元调试2、测定电流反馈系数、转速反馈系数3、测定开环机械特性及高、低速时完整的系统闭环静态特性n=f（Id）4、闭环限制特性n=f（Ug）的测定5、视察、记录系统动态波形试验设备：主限制屏DJK01一套直流电动机始终流发电机一测速发电机组一套DJK02、DJK04、DJK07组件挂箱各一套双臂滑线电阻器一只试验仪器仪表及耗材：双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干试验四、逻辑无环流可逆直流调速系统试验试验类型：综合型试验学时：2学时试验目的：1、了解、熟识逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成2、驾驭各限制单元的原理、作用及调试方法3、驾驭逻辑无环流可逆直流调速系统的步骤和方法4、了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性试验内容：1、限制单元调试2、系统调试3、正反转机械特性n=f（Id）的测定4、正反转闭环限制特性n=f（Ug）的测定5、系统的动态特性的视察试验设备：主限制屏DJK01一套直流电动机始终流发电机一测速发电机组一套DJK02、DJK04、DJK08组件挂箱各一套双臂滑线电阻器一只试验仪器仪表及耗材：双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干试验五、双闭环可逆直流PWM（H桥）速系统试验试验类型：综合型试验学时：2学时试验目的：1、熟识双闭环可逆直流PWM调速系统原理、组成及各主要单元部件的原理2、熟识双闭环可逆直流PWM调速系统的调试步骤、方法及参数的整定试验内容：1、各限制单元调试2、测定开环机械特性及凹凸速时完整的系统闭环静态特性n=f（Id）3、闭环限制特性n=f（Ug）测定试验设备：主限制屏DJK01一套直流电动机始终流发电机一测速发电机组一套DJK02、DJK03、DJK11组件挂箱各一套双臂滑线电阻器一只试验仪器仪表及耗材：双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干试验六、双闭环三相异步电动机调压调速系统试验试验类型：综合型试验学时：2学时试验目的：了解并熟识双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成了解转子串电阻的绕线式异步电机在调整定子电压调速时的机械特性通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解沟通调压系统中电流环和转速环的作用。试验内容：1、测定三相绕线式异步电动机转