无锡职业技术学院《交流调速系统及应用》精品课程建设

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	自建交流调速实验室调研报告交流调速技术是自动控制中的运动控制技术的一个分支，自上世纪八十年代技术成熟以来，技术的发展非常迅猛，到现在已发展到第三代技术。变频调速技术的使用也越来越广泛，特别是长三角等经济发达地区，已在机械、机床、冶金、钢铁、纺织、造纸、供水等行业得到了推广。据统计，2005年各种变频器在我国大陆地区的销售额已超过了100亿元人民币，其中60%以上是中小容量的通用变频器，且近几年销售额每年均以20%左右的速度增长。因此，在高职院校内开设以通用变频器应用为主的《交流调速系统及应用》课程十分必要。连续几年，自动控制与电子工程系召开的专家咨询委员会的专家也多次提到应开设该课程。为此，我院从2005~2006学年开始，在电气自动化专业开设《交流调速系统及应用》课程，并与之配套建设相应的实训室。下面结合我们的调研情况就实训室的建设提出以下建设方案。一、教学仪器厂现有的交流调速实验装置情况现有教学仪器设备厂家生产的交流调速实验台，大多以日本三菱公司的FR-A540系列变频器为主要设备，围绕整流单元、逆变单元、SPWM等变频器的工作原理为主展开实验，比较适合本科院校以讲授变频器原理的教学。以下为国内某科教仪器厂变频调速实验装置开设的实验项目（网上下载）： 1．三相正弦波脉宽调制（SPWM）变频原理实验　　2．三相马鞍波（三次谐波注入）脉宽调制变频原理实验　　3．三相空间电压矢量SVPWM变频原理实验　　4．SPWM调制方式下V/F曲线测定　　5．马鞍波调制方式下V/F曲线测定　　6．空间电压矢量调制方式下V/F曲线测定　　7．不同的变频模式下磁通轨迹观测实验　　8．三相正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速系统实验　　9．三相马鞍波脉宽调制变频调速系统实验　　10．三相空间电压矢量SVPWM变频调速系统实验以上实验项目显然不符合我院的以能力培养为目的的实际教学情况。另外，采用日本三菱公司的FR-A540系列变频器的实验装置，我们认为还有几点问题：① FR-A540变频器进入中国市场较早（早期具日元政府贷款的优势），但在深入研究特别是高性能应用方面，发现其在中国市场销售的产品EMC滤波未过关，对电网有干扰且不适合同步电动机等特殊负载，其通讯接口采用485 ASCⅡ协议或CC—LINK，通用性较差。因此，近几年市场占有率一直呈下降趋势。②以一台FR-A540带一台异步电动机为例，科教设备厂的报价较高，若配备两套不同型号的变频器、三种不同的电动机负载，价格将翻番，按照整个实验室16套计，将是一笔不小的费用。另外，标准实验设备一般采用实验板插线的联接方式，从我们在学生中调研的情况分析，这种方式具有一定的安全性，但实验的直观性不强，很多学生反映实验结束后，以后遇到在工厂实际使用的设备，还是无法与已做过的实验进行联系，实验实训效果不尽如人意。综合以上情况，我们认为选择教学仪器厂现成的交流调速实验装置不合适。宜自行采购相应的成熟先进产品，采用自行集成的办法建设交流调速实训室，这样既能根据我院学生的特点，按照培养目标的要求开设相关的实训项目，又能为学院节省建设经费，通过建设过程还能锻炼年轻教师，形成具有我院特色的实训室装置，并为以后开发新的实训装置、建设相关的实训室积累经验。在此之前，我院教师已在科技产业处申请了有关科研课题，其中就有关于现代通用变频器的应用，已经积累了一定的经验，在此基础上进行适当的提炼，就能确定出交流调速实训室的设计方案。二、实训室建设方案的选择交流调速这门课程是电气自动化专业的专业主干课程。一般实训室中的实训装置采用的是与工厂实际使用情况完全不同的实验环境。经我们调研，这种方式具有较高的安全性，但学生反映实验的强化效果不强，特别是专科类学生，其理论联系实际的能力还不是很强，将来看到工厂实际使用的产品时不能及时联想到实验中已经开设过的实验内容，使用人单位感觉学生掌握的知识面不宽。因此在本实训室的建设过程中，我们尝试完全按企业的实际使用情况布置实训环境，让学生在实训过程中感受到一种环境与感觉冲击，觉得这就是企业的实际工作环境。采用这种方式，对实训指导教师的安全意识、指导实训过程的规范意识、工厂实际使用经验及行业操作规范、实训室建设本身的规范等均具有较高要求。鉴于本课程一般在自动化专业第五学期开设，在此之前，学生已经过了几轮实训课程的教学，因此采用工厂实际使用环境的实验室建设方案值得一试。为此，包括实验室动力电缆的敷设、元气件的选择、到实验设备的系统集成、元件接线的号码管号码打印、接线形式、电动机负载的选择、实验时学生接线的方式等均应符合工厂的使用规范，尽量符合国际电工委员会IEC有关标准，元气件应选择具有欧共体CE、和美国UL认证的产品。在具体实验时，最好应有两个以上教师同时指导实训。三、实验内容的开设及变频器、负载选择 2006年2月，我们调研了无锡开源机床厂、无锡宏源集团、无锡兰华纺织机械有限公司、江阴兴澄特钢有限公司、苏州钢铁有限公司、苏拉纺机（瑞士—中国合资）集团等企业的变频器使用情况，发现通用变频器在这些企业的使用十分普遍，不仅有单机控制还有联合机控制。其应用的水平也较高，如采用通讯控制的多台变频器同步控制、现场总线在变频器中的应用等，钢铁行业在球磨机等场合还使用了高压变频器。尽管如此，应用最为广泛的还是通用变频器。从应用负载的角度分析，通用变频器的负载有普通异步电动机、三相交流同步电动机、高性能变频调速电动机、外转子同步电动机等；从变频器本身功能应用方面来说，有通用变频器改变设定方式、改变启动命令方式、多段速度运行、跳频运行、快速制动等常规应用，还有闭环控制、转矩矢量控制、直接转矩控制等；从变频器应用行业来说，有风机、水泵负载的节能运用（通风机、供水），冶金、钢铁、造纸、纺织等行业恒转矩负载的高性能调速控制等应用场合。除模仿应用行业、直接转矩控制的实训成本比较高以外，其他的应用均可以在实训室内方便地实现。为此，可采用不同小功率异步电动机、永磁同步电动机、变频专用调速电机（带光电编码器）三种负载组合组成负载板；变频器可选用两台组合，一台可以是简易型变频器，实现常规控制，另一台可选用当今先进技术的变频器（带转矩矢量控制），实现光电编码器闭环控制及转矩矢量控制、同步电动机控制等高性能控制方式。通过这样的组合，现在通用变频器的一般典型应用的实训均可以在实训室内开设。四、技术的先进性及实训设备的可扩充性变频器技术的得益于电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术，发展异常迅猛，按照前几年的情况，每4~5年，技术将具有一个飞跃。因此，变频器的型号宜选用国际大公司近两年的产品，最好已自带现场总线协议以便将来在必要的时候进行有关功能的扩充如通讯控制变频器的运行、高性能运动控制系统的实现，这一点在实训室建设时应有所考虑。可以采用德国双元制职业技能培养采用的标准网孔板作为载体，具有比较灵活的安装方式。若两套变频器各采用一块网孔板，将来内容扩充时可更换一块安装其他设备如PLC的网孔板，就能比较方便地实现功能替换及升级，从而在该实训室内完成部分综合实训项目如过渡过程控制等实训项目。当然，目前考虑到成本及制作工作量，可考虑本身交流调速课程的需要。五、实验指导书的编写由于本实训室设备为均为自制，因此实训指导书的编写工作量是比较大的。应尽量取得变频器制造商的支持，实训内容应围绕通用变频器的常规应用及典型应用。变频器的应用本身非常灵活，可在每个实训内容的结束后给学生一些具有发散性的思考题，以扩展学生的视野。六、实训台定制实训台应采用定制的方式进行。一般实验台由操作台、电源箱、实验板等部分组成。为了适应本实训室的实训目的，操作台面、实验板可选用标准的产品。电源箱的形式及电源箱内元气件组成及引出实验端子应采用定制的方法完成。由本院老师出具图纸，找到合适的设备制造厂家进行特别定制。七、价格及建设时间按照以上的大概配置，加上实训室内电力电缆的敷设，添置一定的实训工具及实训仪器，按照目前的市场价，每套实验设备应不超过2万元人民币。这种实训项目不宜单人操作，若以三人为一个小组，整个实训室可配备16套实训设备。这样，加上不可预见费用，整个实训室总建设费用预计不超过35万元人民币。在2006年5月以前，应将整个实训室的设备清单报批。2006年5月开始进行建设（含实验网孔板制作、负载板制作、实验台定制、实验导线、实验室环境等）。2006~2007学年开学后进行设备调试，该学年第一学期将能如期使用该实训室。八、结论根据以上的调研情况，我们认为交流调速实训室的建设采用自建的方案是可行的，特别是营造工厂实际使用环境的提出，具有一定的独到性和创意，且相关专业骨干教师在我院有关科研课题中已经积累了一定的经验，实训室建设方案、实训内容设计等均可以参考有关科研课题的内容，不存在建设方面的风险。另一方面，采用这种方案进行建设，不仅可节省建设的经费，而且通过建设流程（实验指导书的编著、实验室建设的施工）还可以锻炼年轻教师，并可为我院建设其他实训室或开发实训设备创出一条行之有效的方法。建议学院采纳本建设方案。自动化教研室自制交流调速实验室项目组全体成员 2006年3月

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