1、交流調速系統課程教學大綱課程名稱：交流調速系統課程代碼：ELEA1039英文名稱：Motion Control System課程性質：專業選修課程學分/學時：2學分/36學時(30+6)開課學期：第7學期適用專業：電氣工程及其自動化先修課程：電機原理與電機拖動、電力電子技術、自動控制原理后續課程：無開課單位：機電工程學院課程負責人：王富東大綱執筆人：季清大綱審核人：余雷一、課程性質和教學目標（在人才培養中的地位與性質及主要內容，指明學生需掌握知識與能力及其應達到的水平）課程性質：交流調速系統是電氣工程及其自動化專業的一門專業選修課程。本課程針對電氣工程及其自動化專業“以弱電控制強電”的特點，以

2、電機原理與電機拖動、電力電子技術和自動控原理的專業知識為基礎，同時結合現代交流調速技術的最新進展，重點介紹交流調速系統的原理和控制方法，并且以實際應用為導向，培養學生綜合運用電力電子技術和自動控制技術解決電氣領域實際工程問題的能力。教學目標：現代交流調速技術是綜合運用電力電子技術和自動控制技術，實現交流電機調速的一門技術。本課程的主要內容包括：交流調速系統的發展和基本類型，異步電機轉差功率消耗型和回饋型調速系統，異步電機變壓變頻調速，SPWM和SVPWM調速技術，異步電機矢量控制系統和直接轉矩控制系統，無速度傳感器的高性能異步電動機調速系統和同步電動機的調速系統。并且通過相關實驗，強化矢量控制

3、等異步電動機調速系統的原理，培養學生綜合運用專業知識解決電氣領域具體工程問題的能力。本課程的具體教學目標如下：1. 熟悉和掌握交流調速系統的核心技術基礎，包括與現代交流調速技術相關的電力電子器件、變頻器、PWM控制技術、三電平逆變器技術、矢量控制技術等專業知識；2. 培養學生綜合運用電機、電力電子和自動控制的相關原理，理解和分析異步電動機變壓變頻調速、矢量控制、無速度傳感器的高性能調速，同步電動機的調速系統等具體工程問題；3. 通過實驗訓練，培養學生綜合運用單片機、嵌入式系統、DSP技術等知識，完成交流調速系統的數字實現。教學目標與畢業要求的對應關系：畢業要求指標點課程目標對應關系說明畢業要求

4、2：問題分析2-3 能運用基本原理，分析一個復雜工程問題的影響因素、關鍵環節，并證實解決方案的合理性教學目標1掌握與交流調速系統相關的電力電子技術和自動控制技術的專業知識。教學目標2運用電機、電力電子和自動控制的基本原理，分析交流調速系統中復雜工程問題的影響因素和關鍵環節。畢業要求4：研究4-1 能夠基于電氣和自動化專業知識，選擇研究線路，設計實驗方案教學目標3通過實驗，基于單片機和嵌入式系統的相關知識，完成交流調速系統的數字實現。二、課程教學內容及學時分配（含課程教學、自學、作業、討論等內容和要求，指明重點內容和難點內容。重點內容：；難點內容：）1、 緒論（2學時）（支撐教學目標1）1.1

5、交流調速系統的發展和應用1.2 交流調速系統的基本類型1.3 現代交流調速的技術基礎 目標及要求：1) 了解交流調速系統和現代交流調速技術的發展歷史和應用前景；2) 熟悉異步電動機和同步電動機調速系統的基本類型；3) 了解和熟悉現代交流調速的技術基礎，即電力電子器件、電力電子技術、大規模集成電路、現代控制理論和計算機輔助技術等。2、 異步電動機轉差功率消耗型調速系統（3學時）（支撐教學目標1）2.1 異步電動機恒頻變壓調速系統2.2 異步電動機恒頻變壓調速時的轉差功率損耗分析2.3 變壓控制在軟起動器和輕載減壓節能運行中的應用 目標及要求：1) 熟悉掌握異步電動機恒頻變壓調速的基本電路；2)

6、掌握異步電動機改變電壓時的機械特性；3) 掌握閉環控制的恒頻變壓調速系統及其靜特性；4) 掌握異步電動機恒頻變壓調速時的轉差功率損耗分析方法；5) 了解變壓控制在軟啟動器和輕載減壓節能運行中的應用。3、 異步電動機變壓變頻調速原理（3學時）（支撐教學目標1、2）3.1 異步電動機變壓變頻調速的基本控制方式3.2 異步電動機電壓-頻率協調控制時的穩態特性3.3 籠型異步電動機恒壓頻比控制的調速系統3.4 轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統 目標及要求：1) 了解異步電動機變壓變頻調速時，基頻以上/下時的工作狀態；2) 熟悉異步電動機電壓-頻率協調控制時的穩態特性；3) 熟悉和掌握穩態等效電路

7、和感應電動勢、恒壓恒頻正弦波供電時的機械特性、基頻以上/下電壓-頻率協調控制時的機械特性；4) 熟悉和掌握籠型異步電動機恒壓頻比控制調速系統的構成及控制作用；5) 了解轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統的基本概念，掌握基于異步電動機穩態模型的轉差頻率控制規律。4、 靜止式變壓變頻器和PWM控制技術（4學時）（支撐教學目標1、2）4.1 靜止式變壓變頻器的主要類型4.2 六拍交直交變頻器輸出電壓的諧波分析4.3 正弦波脈寬調制（SPWM）控制技術4.4 消除指定次數諧波的PWM（SHEPWM）控制技術4.5 電流滯環跟蹤PWM（CHBPWM）控制技術4.6 電壓空間矢量PWM（SVPWM）控

8、制技術4.7 橋臂器件開關死區對PWM變壓變頻器工作的影響 目標及要求：1) 了解交直交和交交變壓變頻器、電壓源型和電流源型逆變器、180導通型和120導通型逆變器的基本結構和工作原理；2) 熟悉和正弦波脈寬調制（SPWM）控制技術的基本原理、基波電壓、脈寬調制的制約條件、同步調制與異步調制等相關知識，掌握SPWM波的實現方法和SPWM變壓變頻器的輸出諧波分析方法；3) 了解消除指定次數諧波的PWM（SHEPWM）控制技術和電流滯環跟蹤PWM（CHBPWM）控制技術；4) 熟悉和掌握電壓空間矢量PWM（SVPWM）的基本概念，以及SVPWM控制技術的原理和實現方法；5) 了解橋臂器件開關死區對

9、變壓變頻器輸出波形和變壓變頻器輸出電壓的影響。5、 中壓大功率變頻技術（4學時）（支撐教學目標1、2）5.1 中壓大功率變頻技術的各種方案5.2 三電平逆變器5.3 單元串聯式多電平PWM變頻器 目標及要求：1) 了解中壓大功率變頻技術的各種方案；2) 熟悉三電平逆變器的工作原理和控制策略，掌握中性點箝位型逆變器工作狀態的切換和輸出電壓波形；3) 了解單元串聯式多電平PWM變頻器的工作原理和多電平移相式PWM控制技術。6、 異步電動機的動態數學模型和坐標變換（4學時）（支撐教學目標1、2）6.1 異步電動機動態數學模型的性質6.2 三相異步電動機的多變量非線性動態數學模型6.3 坐標變換和變換

10、矩陣6.4 三相異步電動機在兩相正交坐標系上的動態數學模型6.5 三相異步電動機在兩相坐標系上的狀態方程式 目標及要求：1) 理解和掌握三相異步電動機的多變量非線性動態數學模型，及其電壓方程式、磁鏈方程式、轉矩方程式；2) 理解和掌握坐標變換的原則和基本思路，熟悉三相兩相變換、兩相兩相旋轉變換和直角坐標極坐標變換的相關知識；3) 了解和熟悉三相異步電動機在靜止兩相正交坐標系和兩相同步旋轉坐標系上的動態數學模型。7、 異步電動機動態模型和高性能調速系統（4學時）（支撐教學目標1、2）7.1 矢量控制系統的發展歷史和基本思路7.2 按轉子磁鏈定向的矢量控制方程式及其解耦控制7.3 轉子磁鏈模型7.

11、4 轉速、磁鏈閉環控制的矢量控制系統直接矢量控制系統7.5 磁鏈開環轉差型矢量控制系統間接矢量控制系統7.6 異步電動機按定子磁鏈砰-砰控制的直接轉矩控制系統 目標及要求：1) 了解矢量控制系統的發展歷史和基本思路；2) 理解和掌握按轉子磁鏈定向的矢量控制方程式及其解耦控制方法；3) 熟悉和掌握計算轉子磁鏈的電流模型、電壓模型、電壓模型與電流模型的選擇和切換；4) 了解和掌握帶磁鏈除法環節和電流內環、帶轉矩內環的直接矢量控制系統，熟悉磁鏈開環轉差型間接矢量控制系統；5) 理解和掌握異步電動機按定子磁鏈砰-砰控制的直接轉矩控制系統的定子磁鏈和轉矩反饋模型、定子電壓矢量開關狀態的選擇等相關知識。8

12、、 無速度傳感器的高性能異步電動機調速系統（3學時）（支撐教學目標1、2）8.1 開環計算角速度基于電動機數學模型計算轉子角速度或角轉差8.2 閉環構造角速度基于閉環控制作用構造角速度信號8.3 特征信號處理利用電動機結構上的特征產生角速度信號 目標及要求：1) 了解利用轉子電動勢計算同步角速度后求得轉子角速、利用轉矩計算轉差角速度后求得轉子角速度的開環計算角速度的方法；2) 熟悉比較定子電流轉矩分量用PI閉環控制構造角速度、比較電磁轉矩用PI閉環控制構造角速度、比較轉子磁鏈的電壓、電流模型用PI閉環控制構造角速度等閉環構造角速度的方法；3) 熟悉檢測轉子齒諧波磁場的感應電動勢產生角速度信號、

13、注入高頻信號獲取角速度信號等利用電動機結構上的特征產生角速度信號的方法。9、 同步電動機調速系統（3學時）（支撐教學目標1、2）9.1 同步電動機的特點和類型9.2 轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統9.3 直流勵磁同步電動機調速系統9.4 永磁同步電動機調速系統 目標及要求：1) 熟悉和掌握同步電動機的特點和類型；2) 了解轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統；3) 理解和掌握采用直流勵磁時，負載換相交直交電流型變頻調速、變頻器供電的大功率低速、按氣隙磁場定向的矢量控制等調速系統相關知識；4) 理解和掌握梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）調速系統和正弦波永磁同步電動機調速系

14、統的相關知識。10、 實驗：異步電動機矢量控制（6學時）（支撐教學目標1、2、3）10.1 變頻與變壓調速、SPWM和SVPWM技術的數字實現10.2 異步電動機按動態模型控制的高性能調速系統實現10.3 ATV12變頻器基本操作 目標及要求：1) 通過實驗，了解變頻與變壓調速、SPWM和SVPWM技術的數字實現方法；2) 通過實驗強化掌握異步電動機的動態模型和矢量控制等相關知識。3) 通過實驗要求學生掌握變頻器的基本原理和操作。通過面板控制、模擬量端子控制、數字量端口控制和通信方式控制對三相異步電機進行調速。并且通過參數設置加深對變頻器工作原理和性能的認識。三、教學方法在教學方式上，根據具體

15、教學內容，綜合運用課堂講授和演示、課堂討論、課堂練習、發現學習法和自學指導法，通過引入問題和啟發式教學，使學生更加明確教學內容的知識體系，引導學生主動學習，激發內在學習動機，提高課堂的積極性。在目前的實驗教學條件基礎上，及時采用實驗練習法，強化所學知識的理解和運用，培養學生解決實際問題的能力。在實驗教學過程中，引導學生發現問題，思考解決方案，為后續教學內容作鋪墊。在教學方法的實際執行過程中，每個教學環節都應具有明確的目的性。同時，以上教學方法需要根據教學過程中的實際效果、學生對知識點的掌握和應用情況不斷改進。教學效果不好、學生對知識點理解程度不高時，應適當調整教學方法，適當增加演示法或實驗訓練法，或在講授后續教學內容時，引導學生前后聯系，結合前置難點內容進行討論，強化知識掌握。在學生對知識掌握情況較好，系統性較好、實驗訓練效