电力拖动自动控制系统
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spContent=教学内容循序渐进,从直流到交流、静态到动态、开环到闭环、单环到多环、不可逆到可逆、原理设计到工程设计、模拟到数字的教学过程,便于学习者掌握与实际应用。课程既注重基础理论的阐述,又注重工程实践的介绍,通过设计实例、仿真检验和实验实现了理论与实践的有效融合,使学习者能够学以致用。
—— 课程团队
课程概述

    “电力拖动自动控制系统”课程旨在介绍电力拖动控制系统的原理、分析方法和设计方法等内容,是一门理论性和实践性均很强的课程。课程内容主要涵盖:电力电子技术的可控电源和可控电源-电动机系统的特殊问题及机械特性;电力拖动自动控制系统的调速性能指标和设计过程中存在的各种问题;典型交、直流电力拖动自动系统的工作原理、结构和数学模型;结合电力拖动自动控制系统的分析给出反馈控制的基本特点;介绍了反馈控制系统的静态和动态性能指标及分析方法;重点讲解了调节器参数的工程设计方法及在电力拖动自动控制系统中的实现;结合相关理论穿插介绍了计算机仿真验证和实验检验的内容。

授课目标

目标1:掌握典型交、直流电力拖动自动控制系统的系统构成、存在问题和解决方法与分析方法,能够对电力拖动自动控制系统相关的复杂工程问题作出分析,并获得有效地结论。

目标2:掌握交、直流电力拖动自动控制系统静态和动态设计方法,能够结合静、动态指标实现交、直流电力拖动自动控制系统的设计与分析。掌握系统近似处理方法和调节器的工程设计方法,具备基于工程设计法进行典型调速系统的设计能力,并获得有效结论。

目标3:掌握交、直流电力拖动自动控制系统的数学模型和动态结构图,掌握系统控制规律,具备动态工程分析能力。

目标4:掌握典型调速系统的系统构建、参数设计与调试、实验分析能力,能够运用所学专业知识解决调速系统相关的复杂工程问题。

目标5:了解电力拖动自动控制系统发展现状和典型产品应用情况。

课程大纲

通过本课程的学习,使学习者能够综合运用电机拖动、电力电子技术和自动控制原理等专业基础知识进行交、直流电力拖动自动控制系统(主要是调速系统)设计与分析的能力;使学习者掌握交、直流电力拖动自动控制系统的组成、控制规律和静动态特性;培养学习者具备工程设计的能力,具备解决电力拖动自动控制系统设计过程中复杂工程问题的能力;为今后从事电气工程、自动化及相关专业的工作打下坚实的基础。

第一章 绪论

    对电力拖动自动控制系统(主要是调速系统)的历史与发展及相关学科作了简单的介绍,结合转矩平衡与运动方程式指出转矩控制是电力拖动自动控制系统的根本。介绍了典型电动机的机械特性和典型机械负载的负载特性,并结合特性明确了电力拖动系统的稳态平衡点。另外,对于一个特殊的电力拖动自动控制系统——船舶电力推进系统进行了简单的介绍。

第二章 转速反馈控制的直流调速系统

    考虑到基于电力电子的可控电源在电力拖动自动控制系统中的广泛应用,分别针对基于相控整流器和直流脉宽变换器的直流调速系统进行了介绍。描述了两类可控直流电源的特性和数学模型。结合直流调速系统的静态调速指标引出了具有转速反馈控制的直流调速系统,并论述了控制规律,分析了系统的静差率问题。由于只带转速反馈的控制系统的控制对象是转速而没有控制电流,所以给出了带电流截止负反馈环节的直流调速系统来限制电流。

第三章 转速、电流反馈控制的直流调速系统

    转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。本章着重阐述其控制规律、性能特点和设计方法。主要包括了转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性;系统的动态数学模型,并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的控制作用;结合典型系统的特点,介绍了调节器的工程设计方法,并应用工程设计方法很好的解决了转速、电流反馈控制直流调速系统两个调节器的设计问题。

 第四章 可逆控制的直流调速系统

    在转速、电流反馈控制的直流调速系统基础上,探讨了直流调速系统的可逆控制问题。介绍了直流调速系统典型的可逆线路、可逆运行的四象限分析;结合V-M可逆系统介绍了环流问题,并分别给出了基于配合控制和逻辑控制两种可逆调速系统的原理、结构与控制问题;结合可逆系统的停车和转速反向过程进行了过渡过程分析;结合相对较为简单的PWM调速系统,对双极式控制的可逆PWM系统的原理和基于单片微机控制的PWM可逆直流调速系统的硬件结构进行了介绍,并对直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程和能量回馈问题进行了分析。

第五章 数字控制系统

    高性能的调速系统均采用数字控制,通过比较对模拟控制和数字控制,确定出数字控制数字化和离散化的特点,并且讨论了采样频率的选择问题。介绍了光电式旋转编码器及其分类,重点介绍了基于增量式旋转编码器的3种测速方法,并通过3种测速方法的测速分辨率和测速误差率的计算确定了3种测速方法的应用情况。介绍了2种数字调节器的计算方法和区别,并且给出了2种数字调节器限幅设置的不同。

第六章 基于稳态模型的异步电动机调速系统

    随着电力电子技术的发展,静止式变频器的诞生,异步电动机在可调拖动中得到广泛的应用。本章介绍了基于异步电动机稳态模型的调压调速和变压变频调速系统;介绍了交流PWM变频器的主电路,讨论了正弦PWM(SPWM)和电压空间矢量PWM( SVPWM)控制方式;讨论了转速开环电压频率协调控制的变压变频调速系统及其实现;讨论了转速闭环转差频率控制系统的工作原理、控制规律和性能分析;介绍了绕线转子异步电动机双馈调速的基本原理,及其运行的五种工况、功率流程;讨论了电气串级调速系统的工作原理,分析了串级调速系统的机械特性。

第七章 基于动态模型的异步电动机调速系统

异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质,要获得高动态调速性能,必须从动态模型出发,分析异步电动机的转矩和磁链控制规律,研究高性能异步电动机的调速方案。本章论述了异步电动机数学模型的非线性、强耦合、多变量性质,介绍了异步电动机三相原始动态数学模型,介绍了两种坐标变换及其物理意义,讨论了异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型,推导了用状态方程描述的异步电动机动态数学模型,分析了按转子磁链定向矢量控制的基本原理,讨论了矢量控制系统的多种实现方案。

预备知识

主要预备知识包括:

交直流电动机的基本原理(来自《电机学、《电机拖动基础》等课程

电力变换装置(整流、逆变)的基本原理(来自《电力电子技术》课程)

控制理论(来自《自动控制理论》课程

证书要求

完成课程学习并考核合格(取得60分以上成绩)可获得合格证书,成绩优秀(取得85分以上成绩)可获得优秀证书。

参考资料

[1] 阮毅,杨影, 陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第5版). 机械工业出版社,2016.

[2] 张敬南,彭辉. 电力拖动控制系统与实践. 清华大学出版社,2015.

[3]  SIMOREG全数字直流调速装置. 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团,2008.