电机调速技术课标教案

《电机调速技术》课程标准【课程名称】电机调速技术【课程编码】【课程类别】专业必修课 【适用专业】机电一体化技术专业【授课单位】 【总学时】32【编写执笔人】 【编写日期】一、课程性质和课程设计1.1课程制定依据电机调速技术课程制定的依据是行业的需求和标准。电机调速技术在现代工业中占据重要地位，广泛应用于各种自动化设备和系统中。因此，课程的制定需要紧密结合行业发展的需求，参考相关行业标准和规范，确保学生所学内容与实际应用紧密对接。1.2课程性质与作用电机调速技术课程是高等职业教育机电一体化技术专业重要课程。电机调速技术课程通常作为高等职业教育或高等技术学校机电类专业的核心课程。它旨在使学生掌握机电设备常用电机控制与调速的基本原理及方法，为后续课程的学习以及学生的专业发展打下良好基础。此外，该课程也注重培养学生的实践能力和创新精神，使他们能够具备解决实际问题的能力。1.3课程设计思路电机调速技术课程设计思路注重理论与实践的结合，优化内容安排，强化实践环节，完善评价与反馈机制。通过科学、合理的课程设计，使学生能够全面掌握电机调速技术的基本原理和应用方法，为未来的职业发展奠定坚实的基础。二、课程目标2.1知识目标（1）了解相位控制直流调速系统的分类。（2）掌握各类相位控制直流调速系统的组成、工作原理及特性。（3）掌握脉宽调制直流调速系统的主电路、控制电路及机械特性。（4）掌握调压调速系统的工作原理，以及带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的静、动态特性。（5）掌握串级调速系统的工作原理及特性。（6）了解双闭环串级调速系统的组成及数学模型。（7）了解双馈串级调速系统的工作原理及特点。（8）掌握变频调速系统的控制方式和机械特性。（9）了解变频器的种类、特点及选择。（10）掌握正弦脉宽调制变压变频器的工作原理。（11）了解正弦脉宽调制的限制条件和调制方式。（12）掌握电压空间矢量脉宽调制变频调速的工作原理和控制方法。（13）熟悉小学科学教学设计的过程，并掌握相应的设计方法。（14）了解矢量控制的基本思想和典型电路。（15）掌握矢量控制的工作原理。（16）了解异步电动机的空间矢量坐标变换。（17）掌握矢量控制调速系统的组成和实现方法。（18）了解矢量控制的基本思想和典型电路。（19）掌握矢量控制的工作原理。（20）了解异步电动机的空间矢量坐标变换。（21）掌握矢量控制调速系统的组成和实现方法。（22）熟悉直接转矩控制的基本思想和工作原理。（23）熟悉直接转矩控制的基本方法。（24）了解异步电动机的直接转矩控制电路。（25）掌握直接转矩控制调速系统的组成和实现方法。（26）了解直接转矩控制调速系统与矢量控制调速系统的异同。（27）熟悉电机调速技术的应用效果。（28）掌握电机调速技术在起升机构、中央空调和水泵供水系统中的应用。2.2技能目标（1）能够正确选择直流电动机调速电路的主要单元部件，并能正确连接电路。（2）能够调试直流电动机的调速电路。（3）能够连接三相异步电动机的调速电路。（4）能够正确调试调压调速系统的电路。（5）熟悉变频器的参数设置方法。（6）能够正确调试变频器，实现电动机的多段速运行。（7）能够正确使用Matlab/Simulink仿真平台构建矢量控制调速系统仿真模型。（8）能够了解静、动态特性及有关控制参数的变化对矢量控制调速系统的影响。（9）能够正确使用Matlab/Simulink仿真平台构建直接转矩控制调速系统仿真模型。（10）能够验证直接转矩控制调速系统的静、动态性能。（11）掌握恒压供水变频调速系统的调节原理。（12）熟悉恒压供水变频调速系统的调速方法。2.3素养目标（1）树立勤奋踏实、拼搏进取、勇于担当的奋斗精神。（2）培育崇实尚业、刻苦钻研、精益求精的工匠精神。（3）培养勇于探索、敢为人先、知难而进、乐于奉献的创新精神。（4）树立追求卓越、勇于拼搏的奋斗精神。（5）养成恪尽职守、事必躬亲、开拓进取的工作作风。（6）树立客观、严谨、细致的工作作风。（7）培育执着专注、踏实认真的职业素质。（8）弘扬精益求精、科学严谨、追求卓越的工匠精神。（9）树立技能成才、技能报国的人生理想。（10）养成恪尽职守、事必躬亲、开拓进取的工作作风。（11）激发心系国家建设、勇担时代使命的爱国情怀。（12）树立追求卓越、勇于拼搏的奋斗精神。（13树立客观、严谨、细致的工作作风。（14）培养执着专注、精益求精、追求卓越的工匠精神。（15）养成专注技艺、追求卓越的职业作风。（16）树立爱岗敬业、忠于职守的事业精神。（17）培养勇于探索、敢为人先、知难而进的创新精神。三、课程内容与教学要求本课程包含绪论、认识直流调速系统、认识调压调速系统和串级调速系统、认识变频调速系统、认识调压调速系统、认识直接转矩控制调速系统、了解电机调速技术的应用七个部分，其教学内容及课时分配如表1所示。表1《电机调速技术》教学内容及课时分配表序号课程名称教学内容课时分配1绪论0.1电机调速技术概述0.2电机调速系统2322认识直流调速系统1.1相位控制直流调速系统1.2脉宽调制直流调速系统63认识调压调速系统和串级调速系统2.1调压调速系统2.2串级调速系统44认识变频调速系统3.1变频调速系统3.2正弦脉宽调制（SPWM）变频调速3.3空间矢量脉宽调制（SVPWM）变频调速85认识矢量控制调速系统4.1矢量控制概述4.2矢量控制调速系统的组成和实现方法46认识直接转矩控制调速系统5.1直接转矩控制概述5.2直接转矩控制调速系统47了解电机调速技术的应用6.1电机调速技术的应用效果6.2电机调速技术在起升机构中的应用6.3电机调速技术在中央空调中的应用6.4电机调速技术在水泵供水系统中的应用8四、课程实施4.1教学条件我校十分注重建设和完善专业教学设施，如多媒体教室、活动室、网络教学平台、网络数据库等。同时，我校有一支强大的师资队伍，可以为专业教学出谋划策。4.2教学方法建议本课程遵循“教师引导，学生为主”的原则，采用讲解、多媒体演示、场景模拟法、讨论、翻转课堂等多种方法，努力为学生创设更多知识应用的机会。讲解法：主要用于讲授电机调速技术基础知识、行业岗位知识等理论性较强的知识。多媒体演示法：在讲解过程中，借助音频、视频、图片等直观手段来呈现教学内容，在激发其学习兴趣和积极性的同时，不断提高其知识储备能力和综合文化素质。场景模拟法：针对所教内容布置任务，引导学生通过情景化的模拟训练来提升知识的实际应用能力和职业素养。讨论法：根据知识点，鼓励学生运用所学知识进行主题讨论，使其在讨论中逐步提升交际能力、思辨能力、解决实际问题的能力等。翻转课堂法：坚持学生的主体地位，鼓励学生在课上对自己学到的知识点进行分享和讲解，并对其讲解进行补充和评价，不断完善学生的知识结构，加深其对所学知识的理解。教师在教学过程中，可根据学生的实际情况灵活选用教学方法，因材施教，尽量照顾到每一个学生的学习需求。4.3教学评价与考核要求课程的教学评价由形成性测评（40%）和终结性测评（60%）组成，其考核要求如下：4.3.1形成性测评形成性测评考核学生在学习本课程过程中的学习情况和实际应用能力的发展情况，包括出勤考核（10%）、课堂参与程度考核（10%）、作业完成质量考核（20%）等。（1）出勤考核本项考核通过课前点名考核学生的课堂出勤率。迟到15分钟以内每次扣1分，迟到15分钟以上或无故缺勤一节课每次扣2分，该项考核累计最多扣10分。（2）课堂参与程度考核本项考核主要通过课堂提问和课堂积极发言来评判学生的学习态度、学习主动性、课堂参与程度，以及学生的思辨能力、问题解决能力及其对课堂教学知识的掌握情况等。只要学生能按时上课听讲，即可获得5分的基本分。学生上课发言一次，即可另外获得0.5分，课堂发言最多可得5分。学生的最后成绩为“5+课堂发言得分”。（3）作业完成质量考核本项考核主要通过学生作业来检测其对教学主体内容的掌握与理解程度、实际应用知识的能力、自主学习能力、信息收集与处理能力等。每次作业成绩按照相应标准而定，学生作业质量划分为优秀（10分）、良好（8分）、中等（7分）、及格（6分）和不及格（0分）五个档次。最后的作业成绩为学生作业完成质量成绩的平均数。4.3.2终结性测评终结性测评主要考核学生在学完本课程后所达到的水平，通过期末考试进行考核。期末考试由闭卷笔试（60%）组成，主要评估学生对本门课程基本知识的掌握情况与综合运用能力。五、课程资源开发与利用5.1推荐使用教材5.2网络资源《电机调速技术》教案课时分配表章序课程内容课时备注1绪论22认识直流调速系统63认识调压调速系统和串级调速系统44认识变频调速系统85矢量控制概述46认识直接转矩控制调速系统47了解电机调速技术的应用8合计32

课题绪论课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）了解电机调速技术和电动机的分类、结构和作用（2）掌握各类电机调速系统素质目标：（1）培育崇实尚业、刻苦钻研、精益求精的工匠精神（2）树立客观、严谨、细致的工作作风教学重难点教学重点：电机调速技术的概述和作用、电动机的分类、结构，直流电动机和交流电动机的调速方法教学难点：电机调速系统的分类和计算教学方法问答法、讨论法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到新课预热【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程定位、内容安排、考核要求等【学生】聆听、互动【学生】讲述电机调速技术的现状和发展趋势，强调学习本课程的意义【学生】聆听、思考、理解问题导入【教师】提出问题：在日常生活中，电动机有哪些分类方法？【学生】思考、讨论【教师】组织发言请小组组长总结全组结论，派代表进行发言。【学生】发言传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解电机调速技术的概述、电动机的分类、结构和作用，电机调速系统0.1电机调速技术概述电机调速技术是指通过改变电机的输入电压、频率或极对数，实现对电机转速的控制，而用于完成这一技术的自动控制系统称为电机调速系统。……（详见教材）【教师】组织学生以小组为单位，围绕以下话题开展讨论在日常生活或者工业生产中，电机调速技术有哪些具体应用呢【学生】聆听、思考、讨论、小组代表回答【教师】总结学生的回答电机是将机械能转换为电能或者将电能转换为机械能的装置。将机械能转换为电能的电机称为发电机；将电能转换为机械能的电机称为电动机。其中，电动机是电气传动的关键部件，其特点是易控制、高效、环保。只要有合适的电源，基本上都可以用电动机来取代其他形式的动力机械，它是当今世界上应用最广泛的动力执行单元。本书主要以电动机为代表，对电机调速技术的相关知识进行介绍。0.1.1电动机的分类和结构1．电动机的分类【教师】利用多媒体展示“电动机的分类”表格，并进行讲解根据工作电源、整体结构及工作原理、转子结构、用途的不同，电动机可划分为不同的类型，具体如表所示。电动机的分类分类方式类型按工作电源分直流电动机有刷直流电动机永磁直流电动机电磁直流电动机无刷直流电动机稀土永磁直流电动机铝镍钴永磁直流电动机铁氧体永磁直流电动机交流电动机单相电动机单相罩极式异步电动机单相电阻启动异步电动机单相电容启动异步电动机单相电阻运转异步电动机三相电动机三相笼型异步电动机三相绕线型异步电动机按整体结构

及工作原理分同步电动机永磁同步电动机磁滞同步电动机磁阻同步电动机异步电动机感应电动机单相异步电动机罩极异步电动机三相异步电动机交流换向器电动机交直流两用电动机单相串励电动机推斥电动机按转子结构分绕线转子感应电动机笼型感应电动机按用途分控制用电动机步进电动机伺服电动机驱动用电动机电动工具用电动机家电用电动机其他通用小型机械设备用电动机2．电动机的结构【教师】利用多媒体展示“电动机的结构”图片（详见教材），并进行讲解电动机主要由定子、转子及其他附件组成，具体如图所示。定子主要由机座、定子铁心和定子绕组组成，其主要作用是产生主磁场并做电动机的机械支撑。转子是电动机的重要部件，主要由转子铁心和转子绕组组成，其作用是保证产生连续的电磁力矩，通过轴输出机械能。定子和转子之间的间隙称为气隙，磁场能量主要集中在气隙内。气隙对电动机性能影响较大，气隙小可减少电动机励磁安匝及损耗。但气隙过小会增大气隙谐波磁场，使电动机杂散损耗及电磁噪声增加，影响运行可靠性。【教师】随机邀请学生回答以下问题：电动机的其他附件主要包括哪些？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答电动机的其他附件主要包括轴承、接线盒、风扇和风罩等。轴承用来连接固定部分和转动部分，轴承内一般装有润滑油。接线盒对引出线端子和定子绕组起保护与固定的作用。风扇安装在转轴上，有足够的冷却气流通过电动机，可使电动机的发热和散热协调平衡；风罩安装在风扇的外侧，用来保护风扇。0.1.2电机调速技术的作用电机调速技术的主要作用是根据不同的工作要求，调整电动机的转速或转矩，以实现对电动机驱动系统的精准控制，从而达到以下目的。1．节能降耗和降低成本2．提高系统控制性能3．实现多功能操作0.2电机调速系统目前，电机调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统两大类，由于直流调速系统调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大，以及具有良好的动态性能，因此在电气传动中获得了广泛应用。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能交流调速系统的应用范围逐渐扩大，并有取代直流调速系统的发展趋势。0.2.1直流调速系统1．直流电动机的机械特性【教师】利用多媒体展示“直流电动机的电路原理”图片（详见教材），并进行讲解直流电动机的机械特性是指当电动机的电枢电压、电枢回路电阻、磁通量为恒值时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系。如图所示为直流电动机的电路原理图，按照基尔霍夫第二定律，可以得出直流电动机电枢回路的电压平衡方程为 （0-1）式中： ——电枢电压； ——感应电动势； ——电枢电流； ——电枢回路电阻。由转子的感应电动势可知，转子的转速为式中：

——电动势常数；

——磁通量。根据式（0-1）可知，，则再由转矩公式可知，，为转矩常数，代入上式得 （0-2）式中： ——理想空载转速，为电磁转矩时的转速； ——机械特性曲线的斜率，； ——转速降，。式（0-2）称为直流电动机的机械特性方程，它反映了直流电动机的转速与电磁转矩之间的变化关系。2．直流电动机的调速方法从式（0-2）可以看出，直流电动机的调速方法主要有电枢回路串电阻调速、弱磁调速和调节电枢电压调速三种。电枢回路串电阻调速【教师】利用多媒体展示“电枢回路串电阻调速的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解在保持电枢电压、磁通量不变的情况下，在电枢回路中串联一个附加电阻，使电枢回路的总电阻变成，机械特性曲线的斜率增大，而理想空载转速不变，如图所示。附加电阻越大，机械特性越软，这样可以将额定转速调小。这种调速方法较为简单，但调速范围小，电枢回路串入电阻后机械特性变软，在电阻上的能量消耗大，目前仅用于较小功率的电动机。2）弱磁调速【教师】利用多媒体展示“弱磁调速的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解在保持电枢电压和电枢回路电阻不变的情况下，调节励磁电流以改变磁通量。由式（0-2）可知，磁通量的减小将使理想空载转速增大，机械特性曲线的斜率显著增大，相应的机械特性曲线上移，如图所示。若负载转矩不变，则转速将随磁通量的减小而增大。这种调速方法适用于恒功率负载的场景，但当励磁过弱时，转速稳定性差，且其调速范围不大，应用较少。3）调节电枢电压调速【教师】利用多媒体展示“调节电枢电压调速的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解若磁通量为恒定值，电枢回路电阻不变，将电枢电压往小调节，可使机械特性曲线向下均匀平移，如图所示。若负载转矩不变，则转速将随电枢电压的减小而减小，从而起到调速的作用。这种方法调速范围大、调速平滑性好、转速稳定性高，是恒转矩负载主要的调速方式。它的缺点是需要一套电压可连续调节的直流电源。PWM）直流调速系统。本书项目1主要介绍这两种直流调速系统的相关知识。0.2.2交流调速系统【教师】扫码播放“异步电动机”视频（详见教材），并提出以下问题：想一想，异步电动机在日常生活中有哪些应用？【学生】观看、思考、举手回答【教师】总结学生回答目前，交流调速系统逐步具备了大调速范围、高稳态精度和良好的动态响应等技术性能，在调速性能方面可以与直流调速技术媲美。同时，交流异步电动机的用电量在各国的总用电量中都占有很大的比重，交流调速系统本身存在着很大的节能潜力。因此，交流调速系统正逐步取代直流调速系统，以达到节能、缩小体积、降低成本的目的。随着交流调速技术的发展，对于异步电动机，出现了两类调速方法：一类是基于静态模型的交流调速方法，其动态性能不高，出现于发展初期；另一类是基于动态模型的交流调速方法，其能够实现高动态性能，是随着客观需要和研究成果陆续开发出来的。1．基于静态模型的交流调速方法常用的基于静态模型的交流调速方法有变极对数调速、调压调速、串级调速和变频调速四种，它们都是来源于异步电动机的转速公式，即 （0-3）式中：

——异步电动机的转子转速；

——异步电动机的同步转速；

——定子电压供电频率；

——极对数；

——转差率。1）变极对数调速变极对数调速是通过改变定子绕组的接线方式来实现的。由于异步电动机的极对数只能成倍改变，因此变极对数调速是有级调速而不是无级调速。变极对数调速没有滑差损耗，效率高，结构简单。2）调压调速调压调速是通过改变异步电动机定子端电压来实现调速的方法。调压时，异步电动机的临界转差率不变，导致调速范围较小，而临界转矩会大大减小，因此调压调速仅适用于10kW以下的小功率异步电动机。3）串级调速串级调速是在异步电动机的转子回路中串入同频电动势来实现调速的。这种调速方法将调速引起的转差功率损耗回馈给电网或电动机本身，既可提高效率、又能实现变转差率调速。串级调速常应用在数百至数千千瓦的大功率异步电动机上。4）变频调速变频调速是通过调节定子电压供电频率来实现调速的方法。它可以同时改变电源电压和供电频率，所以其效率高、调速范围大，是一种较好的调速方法。变频调速的方法也有多种，按照变频器类型的不同，变频调速可分为采用交-交变频器调速和采用交-直-交变频器调速两类；按照控制方法的不同，变频调速可分为标量控制调速、矢量控制调速和直接转矩控制调速三类。从性能上来讲，变频调速是异步电动机最理想的调速方法。2．基于动态模型的交流调速方法异步电动机的动态模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，研究高性能异步电动机的调速方法。而矢量控制调速和直接转矩控制调速是已经获得成熟应用的两种基于动态模型的高性能交流调速方法。1）矢量控制调速矢量控制调速是通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后模仿直流电动机控制电磁转矩和转子磁链，将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。矢量控制调速系统在静、动态性能上可以与直流调速系统媲美，但是矢量控制的转子磁链难以观测，系统性能易受到异步电动机参数影响，且矢量变换复杂，使它的实际控制效果难于达到理论分析的结果。2）直接转矩控制调速直接转矩控制调速以异步电动机输出的电磁转矩为控制量，根据工作需要调节该电磁转矩的大小，从而使电动机的转速得到调节。直接转矩控制调速系统弥补了矢量控制调速系统的不足，它避免了复杂的坐标变换，减少了对异步电动机参数的依赖性，以其新颖的控制思想和简洁明了的系统结果备受人们的青睐，得到了迅速的发展。本书的项目2～5主要介绍异步电动机的调压、串级、变频、矢量控制和直接转矩控制调速系统的相关知识。【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论【教师】对学生进行分组，每组4～6人，并选出一名组长，然后组织学生以小组为单位，思考下列问题：（1）列举2-3个日常生活工业中电动机应用的案例。（2）简单猜想，电动机在上述应用案例中可能遇到哪些问题？【学生】分组、思考、讨论【教师】随机邀请学生，让其展示小组答案【学生】阐述、聆听【教师】总结学生的回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了电机调速技术概述、电动机的分类和结构、电机调速技术的作用、直流电动机和交流电动机的调速方法等知识。希望大家能够在课下多加复习，能够掌握基础知识，为后续知识的学习奠定必要的基础，从而树立客观、严谨、细致的工作作风。【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业本课作业布置二维码老师扫描此码，即可进行线上作业布置【学生】完成课后任务教学反思

课题第二课认识直流调速系统（1）课时4课时（180min）教学目标知识目标：（1）了解相位控制直流调速系统的分类（2）掌握各类相位控制直流调速系统的组成、工作原理及特性技能目标：（1）能够正确选择直流电动机调速电路的主要单元部件，并能正确连接电路（2）能够调试直流电动机的调速电路素质目标：（1）树立勤奋踏实、拼搏进取、勇于担当的奋斗精神（2）培育崇实尚业、刻苦钻研、精益求精的工匠精神（3）培养勇于探索、敢为人先、知难而进、乐于奉献的创新精神教学重难点教学重点：单闭环有静差直流调速系统、单闭环无静差直流调速系统、双闭环直流调速系统、可逆直流调速系统等知识教学难点：各直流调速系统的计算教学方法情景模拟法、问答法、讨论法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到案例导入【教师】扫码播放“直流调速电动机的应用”视频（详见教材），讲述“直流调速系统”案例（详见教材），并提出问题当这些需要直流调速系统的设备都退出我们生活的舞台时，你是否会感到惊慌？【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解有静差直流调速系统、单闭环无静差直流调速系统、双闭环直流调速系统、可逆直流调速系统等知识1.1相位控制直流调速系统相位控制直流调速系统一般是采用普通晶闸管相控整流装置供电的直流调速系统（即晶闸管-电动机调速系统，简称V-M系统）。相位控制直流调速系统主要有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统和可逆直流调速系统三大类。其中，单闭环直流调速系统又可分为单闭环有静差直流调速系统和单闭环无静差直流调速系统。1.1.1单闭环有静差直流调速系统单闭环有静差直流调速系统是在负反馈基础上组成的系统，其输出量负反馈的传递路径构成一个闭合的回路，因此其是闭环调速系统。在单闭环有静差直流调速系统中，若被调节量是转速，则构成转速负反馈控制的直流调速系统，即转速负反馈调速系统，下面将以转速负反馈调速系统为例进行介绍。转速负反馈调速系统的组成和工作原理【教师】扫码播放“转速负反馈调速系统的组成”视频（详见教材），并提出以下问题：想一想，转速负反馈调速系统的各个组成部分分别可以起到怎样的作用？【学生】观看、思考、举手回答【教师】总结学生回答【教师】利用多媒体展示“转速负反馈调速系统”图片（详见教材），并进行讲解如图所示为转速负反馈调速系统，因为只有一个转速负反馈环，所以其是单闭环调速系统。该系统由电压比较环节、晶闸管整流器、触发器、电动机、给定电源、测速发电机和放大器等部分组成。为取得转速负反馈信号，在电动机上安装有一台测速发电机TG，从而得出与转速成正比的负反馈电压。将与给定电压比较后得到偏差电压，经放大器放大后产生触发器的控制电压，用以控制电动机的转速，这就组成了转速负反馈控制的闭环调速系统。转速负反馈调速系统的静态特性【教师】利用多媒体展示“转速负反馈调速系统的静态结构图”图片（详见教材），并进行讲解分析转速负反馈调速系统静态特性的目的，就是要找出静态速降，扩大调速范围，从而改善系统的调速性能。当直流电源和电位器的等效电阻，以及各环节的非线性因素均忽略时，图中所示的转速负反馈调速系统中各环节的静态关系如下。电压比较环节放大器晶闸管整流器和触发器

V-M系统的开环机械特性

测速发电机

……（详见教材）根据上述静态关系，可画出转速负反馈调速系统的静态结构图，如图所示。图中各方块的符号代表该环节的放大系数。由系统静态结构图可以导出系统的静态特性方程，即 （1-1）……（详见教材）3．开环系统机械特性与闭环系统静态特性的比较闭环系统的静态特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的静态关系，它在形式上与开环系统的机械特性类似，但本质上却大不相同，因此称为“静态特性”以示区别。如果将图所示的转速负反馈调速系统的反馈回路断开就变成了开环系统，其机械特性方程为 （1-2）……（详见教材）比较式（1-1）和式（1-2），可以得到以下结论。（1）闭环系统静态特性比开环系统机械特性的硬度高。……（详见教材）（2）当理想空载转速相同，即时，闭环系统的静差率比开环系统小得多。……（详见教材）（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。……（详见教材）（4）当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速大大降低。……（详见教材）【教师】组织学生以小组为单位，围绕以下话题开展讨论直流调速系统的静态速降是由电枢回路电阻压降引起的，系统闭环后这个电阻并没有减小，那么闭环系统静态特性变硬的实质是什么呢？【学生】聆听、思考、讨论、小组代表回答【教师】总结学生的回答【教师】利用多媒体展示“闭环系统静态特性曲线和开环系统机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解如图所示为闭环系统静态特性曲线和开环系统机械特性曲线。在开环系统中，当负载电流为时，电动机运行在机械特性曲线的点上。当负载电流增加到时，若是开环系统，由于给定电压不变，则转速必然沿着机械特性曲线由点降落到点，系统不能自动进行调节使转速回升。而在闭环系统中，除了放大器，还设有负反馈检测装置，因此转速一旦稍有降落，负反馈电压立即有所感应。尽管给定电压未发生变化，但是偏差电压增大了。……（详见教材）由此看来，闭环系统能够减小静态速降的实质在于闭环系统的自动调节作用，即它能随着负载电流的变化相应地改变晶闸管整流器输出电压。4.直流调速系统的限流保护——电流截止负反馈直流电动机在全电压启动时会产生很大的冲击电流，如果没有专门的限流措施，将会烧坏晶闸管。要限制电流不超过其允许值，保持电流基本不变，应引入电流负反馈，【教师】利用多媒体展示“电流截止负反馈中（a）采用二极管”图片（详见教材），并进行讲解电流负反馈信号来自串入电动机电枢回路的电阻上的压降，该压降经二极管VD与比较阈值电压反极性串联后再加到放大器的输入端，如图（a）所示。于是电流负反馈信号电压可用公式表示为【教师】利用多媒体展示“电流截止负反馈中（b）采用稳压管”图片（详见教材），并进行讲解在正常工作时，主电路负载电流较小，这时，则二极管VD截止，，电流负反馈不起作用，此时的直流调速系统只有转速负反馈起作用。当主电路负载电流过大，增加到一定值使时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，电流负反馈信号电压将加到放大器的输入端。如图（b）所示，若用稳压管VS的击穿电压作为，则临界截止电流。【教师】利用多媒体展示“带电流截止负反馈的直流调速系统的静态特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解如图所示为带电流截止负反馈的直流调速系统的静态特性曲线。……（详见教材）以上便是设计电流截止负反馈参数的依据。1.1.2单闭环无静差直流调速系统单闭环有静差直流调速系统采用的是比例调节器，其控制作用需要偏差来维持，静差只能设法减小，无法从根本上消除。要实现无静差调速，放大器则应采用积分调节器或比例积分调节器。在实际应用中，为使系统的响应加快，一般会采用比例积分调节器。【教师】随机邀请学生回答以下问题：当输入出现偏差时，有怎样的解决方法？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答当输入出现偏差时，积分控制的输出只能逐渐增加，因此系统的动态响应较慢。从控制的快速性上看，积分控制弱于比例控制。若既要静态精度高，又要动态响应快，则可以将以上两种控制规律结合起来，取长补短，于是就组成了比例积分调节器，即PI调节器。比例积分调节器的电路结构及控制规律【教师】利用多媒体展示“比例积分调节器的电路结构”图片（详见教材），并进行讲解比例积分调节器的电路结构如图所示，其主体电路为一个运算放大器反馈回路。比例积分调节器的输入和输出电压关系可用公式表示为因为，整理后得……（详见教材）比例积分调节器的输出电压由比例和积分两个部分相加而成。……（详见教材）因此，比例积分调节器满足了系统在动态和静态时对放大系数不同大小的要求。单闭环无静差直流调速系统的工作原理【教师】利用多媒体展示“采用比例积分调节器的单闭环无静差直流调速系统”图片（详见教材），并进行讲解如图所示为采用比例积分调节器的单闭环无静差直流调速系统，该系统由转速负反馈和电流截止负反馈组成。设系统的给定电压为，当负载转矩为时，系统以转速稳定运行，对应的晶闸管整流器输出电压为，负反馈电压为，比例积分调节器输入的偏差电压，而比例积分调节器的输出电压由于积分控制的作用保持为。只要，系统就会起调节作用，使转速继续上升，直到，即时，动态调节作用才停止，使电动机在给定速度下稳定运行。【教师】利用多媒体展示“比例积分调节器的抗扰调节过程”图片（详见教材），并进行讲解如图所示为比例积分调节器的抗扰调节过程，当电动机负载在时刻，负载转矩由突增至时，因负载转矩大于电动机转矩而造成电动机转速下降，偏离而产生转速偏差。通过测速发电机反馈到输入端产生偏差电压，这个偏差电压加在比例积分调节器的输入端，于是开始了消除偏差的比例-积分调节过程。此时，比例积分调节器的比例控制作用立即使整流电压产生一个增量，及时阻止转速下降，随着转速接近静态值，比例控制作用变小。而这时积分部分经过一段时间的积累，积分调节作用逐渐增大，使转速进一步较快地回升。比例积分调节器的输出电压增量是比例部分电压增量和积分部分电压增量之和。这时，电枢电压增加了，正好补偿由于负载增加引起的主电路电阻上的压降。可以看出，不管负载如何变化，积分调节作用总能够将负载变化的影响完全补偿掉，使转速回升到原来的大小，这就是无静差调节过程。在整个调节过程中，比例部分在开始和中间阶段起主要作用，而积分部分在调节过程的后期起主要作用，且依靠它最后消除转速偏差。在动态过程中最大的速降称为动态速降，这是一个重要的动态性能指标，它表明了系统抗扰的动态性能。【教师】组织学生以小组为单位，围绕以下话题开展讨论有静差和无静差的本质区别是什么？【学生】聆听、思考、讨论、小组代表回答【教师】总结学生的回答1.1.3双闭环直流调速系统【教师】利用多媒体展示“启动过程的转速和电流波形中（a）理想启动过程”图片（详见教材），并进行讲解所示，该过程充分发挥电动机的过载能力，在过渡过程中电枢电流始终保持最大值。此时，电动机输出最大转矩，转速迅速上升，以缩短过渡过程时间。【教师】利用多媒体展示“启动过程的转速和电流波形中（b）带电流截止负反馈的启动过程”图片（详见教材），并进行讲解实现在允许条件下最快启动的关键是要获得一段使电枢电流保持最大值的恒流过程。根据反馈控制规律可知，采用电流负反馈能得到近似的恒流过程。前面讨论的电流截止负反馈调速系统，能够限制启动和堵转时的冲击电流，但是系统的动态性能还不能令人满意。其原因是，在启动过程中，转速负反馈信号和电流负反馈信号同时加到一个调节器的输入端。这两种负反馈信号在正常负载时进行速度调节，电流超过临界值时进行电流调示。为避免在一个调节器的输入端综合几个信号造成各个参数间互相影响，出现了转速、电流双闭环直流调速系统，它能够做到既有转速和电流两种负反馈作用，又限制其只能分别在不同的阶段起主要作用。双闭环直流调速系统的组成和工作原理【教师】利用多媒体展示“ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；UPE—电力电子变换器；TA—电流互感器。转速、电流双闭环直流调速系统”图片（详见教材），并进行讲解本节以转速、电流双闭环直流调速系统为例，介绍双闭环直流调速系统，如图所示。该系统中设置有两个相串联的调节器，分别用于调节转速和电流。其中，电流负反馈环节组成的闭环为电流环，电流环是内环，负责控制电动机的电枢电流；转速负反馈环节组成的闭环为速度环，速度环是外环，负责控制电动机的转速。为获得良好的静、动态性能，双闭环直流调速系统的两个调节器一般都采用比例积分调节器。转速调节器的输出限幅电压为，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压为，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。双闭环直流调速系统的静态特性【教师】利用多媒体展示“双闭环直流调速系统的静态结构图”图片（详见教材），并进行讲解双闭环直流调速系统的静态结构图如图所示。其中，比例积分调节器在工作中一般存在不饱和与饱和两种情况。当比例积分调节器不饱和时，比例积分调节器的积分作用使输入的偏差电压在静态时总是等于零；当比例积分调节器饱和时，输出电压为恒值，输入量不再影响输出值，除非输入信号反向使比例积分调节器所在的闭环成为开环。在双闭环直流调速系统正常运行时，电流调节器一般不会进入饱和状态。因此，对于静态特性来说，只有转速调节器存在不饱和与饱和两种情况。转速调节器不饱和【教师】利用多媒体展示“双闭环直流调速系统的静态特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解静态时，转速调节器和电流调节器都不饱和，其输入的偏差电压都是零，即

（1-7）由式（1-7）可得

（1-8）式（1-8）为双闭环直流调速系统的静态特性方程，式中，转速等于理想空载转速。可见，该系统具有绝对硬的静态特性，如图中曲线的段。因为转速调节器不饱和，电流调节器只起辅助作用，，所以。这表明，段静态特性从理想空载状态一直延续到电流最大值，而一般大于电动机的额定电流。2）转速调节器饱和【教师】利用多媒体展示“双闭环直流调速系统的静态特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解当电动机的负载电流上升至时，转速调节器的输出电压达到限幅值，速度环成开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。此时只剩下电流环起作用，使直流调速系统变成一个电流无静差的单闭环恒流调速系统。静态时，是所对应的电流最大值，是根据电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度选定的。这时的静态特性为图中曲线的段，出现了很陡的下垂特性。通过以上分析可知，双闭环直流调速系统的静态特性在负载电流时表现为转速无静差，这时转速调节器起主要调节作用；在负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，静态特性表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这体现了采用两个比例积分调节器分别形成内、外两个闭环的效果，这样的静态特性显然比带电流截止负反馈系统的静态特性好很多。3）双闭环直流调速系统静态参数的计算从图可以看出，在双闭环直流调速系统静态工作中，当两个调节器都不饱和时，系统变量之间的关系可用公式表示为 （1-9） （1-10） （1-11）上述关系表明，在静态工作点上，转速是由给定电压和转速反馈系数决定的，转速调节器的输出电压是由负载电流和电流反馈系数决定的，而控制电压的大小则同时取决于和，或者说同时取决于和。这些关系反映了比例积分调节器的特点：静态输出量由其后面环节的需要决定，即后面的环节需要比例积分调节器提供多大的输出量，它就能提供多大，直到饱和为止。双闭环直流调速系统的动态特性【教师】利用多媒体展示“双闭环直流调速系统的动态结构图”图片（详见教材），并进行讲解考虑双闭环控制的结构，可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图所示。其中，和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。对双闭环直流调速系统动态性能的分析，主要是对系统的启动过程和动态抗干扰性能进行分析。启动过程分析【教师】利用多媒体展示“双闭环直流调速系统突加给定电压启动时转速和电流的动态过程”图片（详见教材），并进行讲解当双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如图所示。整个动态过程可分为图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。（1）第Ⅰ阶段是电流上升阶段。……（详见教材）（2）第Ⅱ阶段是恒流升速阶段。……（详见教材）（3）第Ⅲ阶段是转速调节阶段。……（详见教材）综上所述，双闭环直流调速系统能够获得较理想的启动电流动态过程，但在初期和后期，电流仍不是最佳过渡过程。2）动态抗干扰性能分析一般来说，双闭环直流调速系统具有较好的动态性能。双闭环直流调速系统最重要的动态抗干扰性能主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由于处在电流环之外，只能依靠转速调节器来产生抗负载扰动的作用，实现转速无静差，其抗干扰性能与单闭环直流调速系统基本相同。对于电网电压扰动，由于双闭环直流调速系统中增设了电流内环，电压波动可以通过电流负反馈进行调节，不用等它影响到转速以后再反馈。因此，在双闭环直流调速系统中，由电网电压扰动引起的动态速降比单闭环直流调速系统小得多。1.1.4可逆直流调速系统前面介绍的V-M系统受晶闸管单向导电性的限制，电枢电压的极性和电磁转矩的方向都不能改变，所以电动机的旋转只有一个方向。但许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，还需要快速地启动和制动。可逆直流调速系统不仅能够实现电动机的正反向运行，还能够缩短制动时间并将系统的机械能转换成电能回馈电网，节约能量。1．实现可逆运行的电路根据电动机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电动机的旋转方向。因此，实现直流电动机可逆运行的电路有两种：一种是电枢反接可逆电路；另一种是励磁反接可逆电路。电枢反接可逆电路【教师】利用多媒体展示“采用正反两组晶闸管装置组成的可逆电路”图片（详见教材），并进行讲解……（详见教材）在电枢反接可逆电路中，由于电枢回路容量大，所用晶闸管功率大、数量多、投资较大，但电枢回路电感小，切换速度快，因此适用于要求过渡过程时间短且启、制动频繁的生产机械。2）励磁反接可逆电路……（详见教材）在励磁反接可逆电路中，由于励磁功率仅占电动机额定功率的1%～5%，因此所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。但由于励磁绕组的电感较大，励磁反向的过程较慢且电动机不允许在失磁的情况下运行，因此控制系统相对复杂一些，只适用于正、反转不太频繁的大容量生产机械。2．晶闸管装置的整流和逆变状态在两组晶闸管装置反并联电路的V-M系统中，晶闸管装置可以工作在整流或逆变状态。逆变就是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程。在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为 （1-12）当控制角时，为正值，晶闸管装置处于整流状态；当控制角时，为负值，晶闸管装置处于逆变状态。采用两组晶闸管装置供电的可逆系统，当正组晶闸管装置VF处在整流状态时，电动机工作在正转状态。当电动机正向制动时，可让反组晶闸管装置VR处于逆变状态。当逆变电压小于电动机感应电动势时，则可通过反组晶闸管装置VR将电动机旋转的机械能回馈电网，这种制动方式称为回馈制动。回馈制动可以节约大量的能量，对于大功率的拖动系统，即使其是不可逆运行，为实现回馈制动，也需要采用可逆电路。3.可逆直流调速系统的工作状态【教师】利用多媒体展示“可逆直流调速系统的四种工作状态（a）正向运行（b）正向制动（c）反向运行（d）反向制动”图片（详见教材），并进行讲解如图所示，可逆直流调速系统有正向运行、正向制动、反向运行和反向制动四种工作状态。正向运行【教师】利用多媒体展示“（a）正向运行”图片（详见教材），并进行讲解如图（a）所示，当正组晶闸管装置VF处在整流状态时，反组晶闸管装置VR处于阻断状态，整流电压大于电动机的感应电动势，电流按的方向流动，电能转换为机械能，电动机工作在正转状态。正向制动【教师】利用多媒体展示“（b）正向制动”图片（详见教材），并进行讲解如果电动机由正转状态进入制动状态，则可使正组晶闸管装置VF处于阻断状态，反组晶闸管装置VR处于逆变状态，逆变电压小于电动机的感应电动势，电流按感应电动势的方向流动，制动过程的机械能将回馈电网，如图（b）所示。反向运行【教师】利用多媒体展示“（c）反向运行”图片（详见教材），并进行讲解电动机的反向运行与正向运行类似，只是两组晶闸管装置的工作状态互相交换，正组晶闸管装置VF处于阻断状态，反组晶闸管装置VR处于整流状态，电动机工作在反转状态，如图（c）所示。反向制动【教师】利用多媒体展示“（d）反向制动”图片（详见教材），并进行讲解如图（d）所示，如果电动机由反转状态进入制动状态，则可使反组晶闸管装置VR处于阻断状态，正组晶闸管装置VF处于逆变状态，制动过程的机械能通过正组晶闸管装置VF回馈给电网。【学生】聆听、思考、理解、记录课堂讨论【教师】对学生进行分组，每组4～6人，并选出一名组长，然后组织学生以小组为单位，思考下列问题：（1）列举2-3个日常生活工业中直流调速系统应用案例，分别属于哪种类型？（2）简单猜想，直流调速系统在上述应用案例中可能遇到哪些问题？【学生】分组、思考、讨论【教师】随机邀请学生，让其展示小组答案【学生】阐述、聆听【教师】总结学生的回答课堂小结【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了有静差直流调速系统、单闭环无静差直流调速系统、双闭环直流调速系统、可逆直流调速系统等知识。希望大家能够在课下多加复习，能够掌握基础知识，为后续知识的学习奠定必要的基础，能够正确选择直流电动机调速电路的主要单元部件，并能正确连接电路。【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业本课作业布置二维码老师扫描此码，即可进行线上作业布置【学生】完成课后任务教学反思

课题第三课认识直流调速系统（2）课时2课时（90min）教学目标知识目标：掌握脉宽调制直流调速系统的主电路、控制电路及机械特性技能目标：（1）能够正确选择直流电动机调速电路的主要单元部件，并能正确连接电路（2）能够调试直流电动机的调速电路素质目标：（1）树立勤奋踏实、拼搏进取、勇于担当的奋斗精神（2）培育崇实尚业、刻苦钻研、精益求精的工匠精神（3）培养勇于探索、敢为人先、知难而进、乐于奉献的创新精神教学重难点教学重点：脉宽调制直流调速系统的主线路、控制电路、机械特性等知识教学难点：脉宽调制直流调速系统的计算教学方法情景模拟法、问答法、讨论法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到问题导入【教师】提出问题：在日常生活中，脉宽调制直流调速系统经常应用于哪些场合中？【学生】思考、讨论【教师】组织发言请小组组长总结全组结论，派代表进行发言。【学生】发言传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解脉宽调制直流调速系统的主线路、控制电路、机械特性等知识1.2脉宽调制直流调速系统脉宽调制直流调速系统是通过脉宽调制变换器对直流电动机电枢电压进行调节的自动调速系统。与相位控制直流调速系统相比，脉宽调制直流调速系统有以下几个优点。（1）系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。（2）低速性能好，稳速精度高，调速范围大。（3）主电路线路简单，所需功率元件少。（4）直流电源采用不可控整流，对电网影响小，电流易连续、谐波少，电动机损耗和发热都较少。脉宽调制直流调速系统和相位控制直流调速系统的主要区别在主电路和脉宽调制控制电路。它们的闭环控制方式，以及静、动态特性分析基本相同。因此，下面仅对脉宽调制直流调速系统的控制电路和机械特性进行介绍。1.2.1脉宽调制直流调速系统主电路【教师】扫码播放“PWM变换器”视频（详见教材），并提出以下问题：想一想，PWM变换器可以用在那些机器中？【学生】观看、思考、举手回答【教师】总结学生回答脉宽调制直流调速系统主电路一般采用脉宽调制变换器，简称PWM变换器，下面主要介绍PWM变换器。PWM变换器分为不可逆PWM变换器和可逆PWM变换器两类。不可逆PWM变换器【教师】利用多媒体展示“有制动作用的不可逆PWM变换器的电路原理图”图片（详见教材），并进行讲解不可逆PWM变换器可分为无制动作用和有制动作用两种类型，这里仅分析常用的有制动作用的不可逆PWM变换器。有制动作用的不可逆PWM变换器的电路原理图如图所示。电容C的作用是滤波，二极管VD在晶体管VT截止时为电动机电枢回路提供释放电能的续流回路。晶体管VT的基极由频率为、脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。该PWM变换器设置了两个晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路。VT1和VT2的基极驱动电压大小相等、极性相反，即。【教师】利用多媒体展示“有制动作用的不可逆PWM变换器的电压和电流波形（a）电动机正常运行时（b）电动机制动时（c）电动机轻载运行时”图片（详见教材），并进行讲解使用有制动作用的不可逆PWM变换器时，电动机在正常运行、制动和轻载运行时的工作原理如下，电压和电流波形如图所示。电动机正常运行时【教师】利用多媒体展示“有制动作用的不可逆PWM变换器的电压和电流波形（a）电动机正常运行时”图片（详见教材），并进行讲解电动机正常运行时的平均电流为正值，在一个周期内电流分两段变化。在期间，为正，VT1导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流的方向为图1-17中的回路1。在期间，和改变极性，VT1截止，但VT2却不能导通，原因是电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反向电压，使VT2不能导通。因此，电动机在正常运行时，VT1和VD2交替导通，VT2始终不导通，其电压和电流波形如图（a）所示。电动机制动时【教师】利用多媒体展示“有制动作用的不可逆PWM变换器的电压和电流波形（b）电动机制动时”图片（详见教材），并进行讲解当电动机制动时，在期间，变正，VT2导通，由感应电动势产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，4通过VD1续流，对电源回馈制动，同时VD1上的压降使VT1不能导通。在整个制动过程中，VD1、VT2轮流导通，VT1始终截止，反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的静态，相应的电压和电流波形如图（b）所示。电动机轻载运行时【教师】利用多媒体展示“有制动作用的不可逆PWM变换器的电压和电流波形（c）电动机轻载运行时”图片（详见教材），并进行讲解当电动机在轻载运行时，由于负载电流较小，当VT1截止后，电流很快就减小到零，这时二极管VD2两端的压降也降为零，为正，没有了反向电压的VT2得以导通，感应电动势产生的反向电流沿回路3流通，产生局部时间内的能耗制动。在时，VT2截止，又沿回路4通过VD1续流，直到时，衰减到零，VT1在作用下开始（c）所示。综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器中的电流始终是连续的。由于电流可以反向，因此系统有较好的静、动态性能。2．可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有H型、T型两种结构形式，以下主要介绍应用较为广泛的H型可逆PWM变换器。H型可逆PWM变换器是由4个晶体管（VT1～VT4）和4个续流二极管（VD1～VD4）组成的桥式电路。H型可逆PWM变换器的控制方式有双极式、单极式和受限单极式三种。以下主要介绍双极式可逆PWM变换器和单极式可逆PWM变换器的相关知识。双极式可逆PWM变换器【教师】利用多媒体展示“双极式可逆PWM变换器的主电路”图片（详见教材），并进行讲解双极式可逆PWM变换器的主电路如图所示。VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组。同一组中的两个晶体管的基极驱动电压波形相同，即，，且、和、相位相反。在一个开关周期内，VT1、VT4和VT2、VT3两组晶体管交替地导通和截止，变换器输出电压在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这就是双极式名称的由来。由于电压极性的变化，使电枢回路电流的变化存在以下两种情况。【教师】利用多媒体展示“双极式可逆PWM变换器电压和电流波形（a）正向运行（b）反向运行”图片（详见教材），并进行讲解（1）电动机正向运行时，其电压、电流波形如图（a）所示。当时，和为正，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，此时，电流沿回路1流通。当时，和为负，VT1、VT4截止，在电抗器电感释放能量的作用下，电流沿回路2经二极管VD2和VD3续流，。（2）电动机反向运行时，其电压、电流波形如图（b）所示。当时，和为负，VT2、VT3截止，，电流沿回路4流通。当时，和为正，VT2、VT3导通，和为负，VT1、VT4截止，电流沿回路3流通。双极式可逆PWM变换器的输出平均电压为 （1-13）若为PWM电压的占空比、为PWM电压系数，则在双极式可逆PWM变换器中，有 （1-14）当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，为零，电动机停止。电动机停止时，电枢两端的瞬时电压和电流并不等于零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，增加了电动机的损耗，这是双极式可逆PWM变换器的缺点。但是交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反转时的静摩擦死区，起到“动力润滑”的作用。单极式可逆PWM变换器【教师】利用多媒体展示“双极式可逆PWM变换器的主电路”图片（详见教材），并进行讲解单极式可逆PWM变换器的主电路与双极式变换器相同，如图所示。不同之处仅在于驱动信号。在单极式可逆PWM变换器中，左边两个晶体管VT1、VT2的驱动信号，使VT1和VT2交替导通。而右边两个晶体管VT3和VT4，其驱动信号按照电动机的转向施加不同的控制信号。当电动机正转时，恒为负，恒为正，VT3截止而VT4导通；当电动机反转时，则恒为正，恒为负，VT3导通而VT4截止。这种驱动信号的变化显然不同于双极式可逆PWM变换器，主要表现在各阶段晶体管的开关情况和电流流通的回路。当电动机负载较重时，电流方向连续不变；负载较轻时，电流方向在一个开关周期内也会发生改变。1.2.2脉宽调制直流调速系统控制电路脉宽调制直流调速系统控制电路主要由脉冲宽度调制器、调制波发生器、逻辑延时环节和驱动保护电路组成。脉宽调制直流调速系统控制电路的功能是产生和分配PWM波形的电压信号。脉冲宽度调制器【教师】利用多媒体展示“锯齿波脉冲宽度调制器”图片（详见教材），并进行讲解脉冲宽度调制器是一个电压-脉冲变换装置，为控制电路中最关键的部分，它主要为PWM变换器提供所需的脉冲信号。脉冲宽度调制器的脉冲宽度与控制电压成正比，常用的脉冲宽度调制器有用锯齿波作为调制信号的锯齿波脉冲宽度调制器、用三角波作为调制信号的三角波脉冲宽度调制器、用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉冲宽度调制器，以及数字脉冲宽度调制器等。如图所示为锯齿波脉冲宽度调制器。2．调制波发生器调制波发生器的调制信号通常采用锯齿波或三角波，是脉冲宽度调制器中信号的发源地，其频率是主电路所需要的开关频率。目前的脉冲宽度调制器多为数字式，可以由微处理器直接产生脉宽调制电压信号。3.逻辑延时环节【教师】利用多媒体展示“逻辑延时环节的驱动电压信号”图片（详见教材），并进行讲解在H型可逆PWM变换器中，跨越在电源两端的上、下两个晶体管是频繁交替工作的。但是晶体管需要一个截止时间，在这段时间内晶体管是未完全截止的。如果在此期间与之相串联的另一个晶体管导通，则会造成上、下两个晶体管直通，从而使直流电源短路。为避免上述情况发生，可以设置逻辑延时环节的驱动电压信号，保证在对一个晶体管发出关闭脉冲（负脉冲）并延时后，再对另一个晶体管发出导通脉冲，即正脉冲，如图所示。4．驱动保护电路驱动保护电路的作用是将脉冲宽度调制器输出的脉冲信号经过逻辑延时后进行功率放大。目前已有各种电力电子器件专用的驱动保护电路，如用来驱动电力晶体管的UAA4002、用来驱动绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的EXB系列专用驱动保护电路EXB840、EXB841、EXB850等。1.2.3脉宽调制直流调速系统的机械特性脉宽调制直流调速系统的静态是指电动机的平均电磁转矩和负载转矩相平衡的状态。脉宽调制直流调速系统的机械特性是平均转速与平均电流的关系。采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不同。对于有制动作用的不可逆PWM变换器和双极式可逆PWM变换器，电流的方向是可逆的且电流波形是连续的，因此机械特性关系式比较简单。对于有制动作用的不可逆PWM变换器，电压平衡方程可分为两个阶段，即 () （1-15） () （1-16）式中： ——电枢回路的电阻； ——电枢回路的电感。对于双极式可逆PWM变换器，只需要在第二个方程中将电源电压由0变为，其他均保持不变，电压方程为 () （1-17） () （1-18）在一个周期内，电枢两端的平均电压，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在静态时为零。按电压平衡方程求一个周期内的平均值，可以导出机械特性方程。因此，无论是上述哪组电压方程，其平均值方程都可写为 用转矩表示为 （1-19）式中： ——理想空载转速，； ——电动机在额定磁通下的转矩系数，。【教师】利用多媒体展示“脉宽调制直流调速系统的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解脉宽调制直流调速系统的机械特性曲线如图所示，它适用于有制动作用的不可逆PWM变换器。双极式可逆PWM变换器的机械特性与之类似，只是扩展到第三和第四象限了。对于电动机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时电流会出现断流现象，平均电压变大，在理想空载时，，理想空载转速则变为。【教师】随机邀请学生回答以下问题：在中、小容量的脉宽调制直流调速系统中，其开关频率一般为多少？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答目前，在中、小容量的脉宽调制直流调速系统中，由于IGBT的广泛应用，其开关频率一般在10kHz左右，这时的最大电流脉冲量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。【教师】讲述“定子吊装，助力发电”案例（详见教材），并提出以下问题：发电电动机定子吊架是怎样助力发电的？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答【学生】聆听、思考、理解、记录课堂实践【教师】组织学生调试直流电动机的调速电路，具体步骤如下：（1）连接好直流电动机的调速电路。（2）接通电枢电源和励磁电源，启动电动机。（3）当电动机平稳运行后，调节，使电动机的转速等于额定转速，即。（4）逐渐增加，测量不同下电动机的转速、电枢电压和电枢电流，将测量结果记录在表中。不同下电动机的转速、电枢电压和电枢电流（5）将置于最小位置，调节，使电动机的转速等于额定转速。（6）逐渐增加，测量不同下电动机的转速、励磁电流和电枢电流，将测量结果填入表中。不同下电动机的转速、励磁电流和电枢电流（7）分析直流电动机的调速原理，总结直流电动机的调速特点。（8）老师对学生所填内容进行点评。【学生】聆听、记录、思考、操作、填表课堂小结【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了脉宽调制直流调速系统的主线路、控制电路、机械特性等知识。希望大家能够在课下多加复习，能够掌握基础知识，为后续知识的学习奠定必要的基础，能够调试直流电动机的调速电路。【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业本课作业布置二维码老师扫描此码，即可进行线上作业布置【学生】完成课后任务教学反思

课题第四课认识调压调速系统和串级调速系统课时2课时（90min）教学目标知识目标：（1）掌握调压调速系统的工作原理，以及带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的静、动态特性（2）掌握串级调速系统的工作原理及特性（3）了解双闭环串级调速系统的组成及数学模型（4）了解双馈串级调速系统的工作原理及特点技能目标：（1）能够连接三相异步电动机的调速电路（2）能够正确调试调压调速系统的电路素质目标：（1）培育崇尚技艺、求实创新的职业品质（2）树立追求卓越、勇于拼搏的奋斗精神（3）养成恪尽职守、事必躬亲、开拓进取的工作作风教学重难点教学重点：调压调速系统概述、带转速负反馈闭环控制的调压调速系统、变极调压调速系统等知识教学难点：调压调速系统的工作原理与计算教学方法情景模拟法、问答法、讨论法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到案例导入【教师】讲述“调压调速系统”案例（详见教材），并提出问题什么是调压调速系统？【学生】聆听、思考、回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解调压调速系统概述、带转速负反馈闭环控制的调压调速系统、变极调压调速系统等知识2.1调压调速系统调压调速是通过改变定子端电压使电动机在某一转速范围内实现调速的调速方法，其适用于三相异步电动机。调压调速系统通过增加转差功率的消耗来换取转速的降低，属于转差功率消耗型调速系统。调压调速系统一般由交流调压器、异步电动机及控制单元三部分组成。其中，交流调压器一般是从额定电压向下调节，即降压调节。因为当电压超过额定电压后，会导致电动机磁通量过饱和，使电流剧增，甚至烧毁电动机。2.1.1调压调速系统概述1．调压调速系统的工作原理【教师】扫码播放“调压调速系统的工作原理”视频（详见教材），并提出以下问题：想一想，调压调速系统的工作原理有哪些？【学生】观看、思考、举手回答【教师】总结学生回答异步电动机电磁转矩的一般公式为 （2-1）异步电动机的机械特性方程为 （2-2）其中 （2-3）式中：……（详见教材）。【教师】利用多媒体展示“调压调速系统的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解由式（2-2）可知，当转差率一定时，电磁转矩与定子端电压的二次方成正比。改变定子端电压可以改变转差率，从而达到调节异步电动机转速的目的。调压调速系统的机械特性曲线如图所示，其中为额定定子电压。由图可以得到以下结论。（1）电动机的理想空载转速与定子端电压无关。（2）临界转差率保持不变，它与定子端电压无关，只与电动机的参数有关。临界转差率可用公式表示为 （3）在负载电流相同的条件下，临界转矩随定子端电压的减小而下降。临界转矩可用公式表示为 （4）降低定子端电压后，机械特性曲线的斜率加大了，但速度只在转差率为的范围内变化，因此调速范围不大。2．不同负载转矩特性下调压调速系统的效果【教师】利用多媒体展示“调压调速系统的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解（1）对于恒转矩负载，普通笼型异步电动机的稳定工作点为图中的A、B、C，转差率在范围内变化，调速范围较小。若增加转子电阻值，增大临界转差率，则可以扩大恒转矩负载下的调速范围，这种高转子电阻电动机称为力矩电动机。【教师】随机邀请学生回答以下问题：力矩电动机的机械特性有哪些？【学生】聆听、思考、回答【教师】利用多媒体展示“力矩电动机的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解，总结学生的回答力矩电动机的临界转差率，它可在一段时间内允许堵转，堵转电流等于额定电流，具有软机械特性。从图中可以看出，力矩电动机在恒转矩负载下的调压调速范围更大，使其在堵转转矩下不易烧毁。【教师】利用多媒体展示“调压调速系统的机械特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解（2）对于风机和泵类负载，负载转矩和转速的平方成正比，工作点为图中的D、E、F，调速范围较大。因此，调压调速系统较适用于风机和泵类负载。（3）对于恒功率负载，调压调速系统则不适用。目前，有专门为调压调速系统设计的高转差率三相异步电动机，如深槽式异步电动机、双笼型异步电动机等，其转子由高电阻率的黄铜条制成，具有启动转矩大、电流小等特性。【教师】组织学生以小组为单位，围绕以下话题开展讨论当异步电动机采用调压调速系统时，风机和泵类负载的调速范围大于恒转矩负载的原因是什么呢？【学生】聆听、思考、讨论、小组代表回答【教师】总结学生的回答2.1.2带转速负反馈闭环控制的调压调速系统【教师】利用多媒体展示“带转速负反馈闭环控制的调压调速系统（a）原理图（b）静态特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解当异步电动机采用调压调速系统时，普通笼型异步电动机的调速范围很小，而力矩电动机虽然调速范围有所增大，但其机械特性会变软。因此，对于恒转矩负载，当要求调速范围时，一般采用带转速负反馈闭环控制的调压调速系统，如图所示。负反馈控制作用会自动调整定子端电压，使闭环系统工作在新的稳定工作点上。【教师】利用多媒体展示“带转速负反馈闭环控制的调压调速系统（b）静态特性曲线”图片（详见教材），并进行讲解根据反馈控制规律，将稳定工作点连接起来就是闭环系统的静态特性曲线，带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的静态特性曲线如图（b）所示。当系统工作在A点时，负载增大会导致转速下降，负反馈控制环节此时控制定子端电压升高，从而形成点；负载减小会导致转速升高，负反馈控制环节此时控制定子端电压降低，从而形成点，保持转速的恒定。该系统的静态特性曲线左右两侧都有极限值，左侧曲线为在最小输出电压下的机械特性曲线，右侧曲线为在额定电压下的机械特性曲线。如果电压调整到极限值，则闭环系统失去调节能力，使系统的工作点只能沿着开环极限值变化。异步电动机的开环机械特性和直流电动机的开环机械特性差别很大，但是在不同电压下的开环机械特性曲线上各取一个相应的工作点，连接起来便可以得到闭环系统的静态特性曲线，这种分析方法对于异步电动机和直流电动机是相同的。带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的静态结构图【教师】利用多媒体展示“带转速负反馈闭环控制的调压调速系统（a）原理图”和“带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的静态结构图”图片（详见教材），并进行讲解根据图（a）所示的带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的原理图，可以画出其静态结构图，如图所示。在图中，是式（2-2）所表达的异步电动机机械特性函数，它是一个非线性函数。各控制环节的输入输出关系如下。放大器 晶闸管交流调压器和触发器 测速发电机 式中： ——放大器的电压放大系数； ——晶闸管交流调压器和触发器的放大系数；稳态时，，，根据负载需要的和，由式（2-2）和输入输出关系可以计算出所需的和相应的。带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的近似动态结构图在对系统进行动态分析和设计时，由静态结构图可以得到动态结构图。该动态结构图是在稳态工作点A处求得的，只适用于工作点附近的稳定性和动态性能分析，且该数学模型忽略了电动机的电磁惯性，因此是一个近似模型。【教师】利用多媒体展示“GT-V—晶闸管交流调压器和触发器；MA—异步电动机；FBS—测速反馈环节。带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的近似动态结构图”图片（详见教材），并进行讲解如图所示为带转速负反馈闭环控制的调压调速系统的近似动态结构图。（1）转速调节器采用比例积分调节器，可以消除静差并改善动态性能，其传递函数为 式中：

——超前时间常数。（2）晶闸管交流调压器和触发器的输入输出关系原则上是非线性的，但在一定范围内可假定为线性函数，它的传递函数可近似写为 式中：

——整流装置滞后时间常数。（3）异步电动机的动态过程是由一组非线性微分方程描述的，因此不能用一个传递函数来准确地表示它的输入输出关系。但在机械特性曲线近似线性段上的稳态工作点

A附近，可以证明 （2-4）带恒转矩负载时的电力拖动系统的运动方程为 式中：

——转动惯量。则在稳态工作点A附近的微偏量运动方程为 （2-5）【教师】利用多媒体展示“异步电动机在忽略电磁惯性时的近似微偏等效框图”图片（详见教材），并进行讲解由式（2-4）和式（2-5）可以画出异步电动机在忽略电磁惯性时的近似微偏等效框图，如图所示。如果忽略的影响，则异步电动机的近似线性传递函数为 式中： ——异步电动机的传递系数，； ——异步电动机的机电时间常数，。【教师】随机邀请学生回答以下问题：异步电动机的调压调速系统的缺点？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答异步电动机的调压调速系统结构简单、控制方便、成本低廉，但有以下几个缺点：①系统为微偏线性模型，只能用于机械特性曲线上工作点附近的稳定性判别和动态校正，工作点范围受限；②随着电压的降低，电动机的输出转矩成二次平方比减小，使系统的调速范围变小；③由于完全忽略电磁惯性，因此分析与计算有很大的近似性。2.1.3变极调压调速系统【教师】利用多媒体展示“变极调压调速系统框图”图片（详见教材），并进行讲解普通笼型异步电动机调压调速系统在低速时功率损耗较大，为提高低速运转时的电磁转矩和效率，扩大调速范围并实现平滑调速，可以将调压调速系统与变极调速系统相结合，发挥它们各自的特长，使调压调速系统具有更大的适用性，该系统称为变极调压调速系统，其框图如图所示。变极调压调速系统改变了同步转速，因此可以提高电动机的效率。假设某一转速固定不变，若电动机的转差率变小，则变