РПУД ЭМУСx - Высшая школа экономики

Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ
Департамент электронной инженерии
Рабочая программа дисциплины
«Электромеханические устройства и системы»
для образовательной программы «Управление в технических системах»
направления подготовки 27.03.04 Управление в технических системах
уровень Академический бакалавр
Разработчики программы:
Каперко Алексей Федорович, профессор, д.т.н., akaperko@hse.ru
Фалк Геннадий Борисович, профессор, к.т.н.,
genfalk@mail.ru
Одобрена на заседании департамента электронной инженерии « 31» августа 2015 г.
Руководитель департамента
_________________
Б.Г. Львов
Рекомендована Академическим советом образовательной программы
«___»____________ 2015 г., № протокола_________________
Утверждена «___»____________ 2015 г.
Академический руководитель образовательной программы ______________ В.П. Симонов
Москва, 2015
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения подразделения-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
1
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные
требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных
занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину,
учебных ассистентов и студентов направления подготовки 27.03.04 «Управление в
технических системах», изучающих дисциплину «Электромеханические устройства и
системы».
Программа разработана в соответствии с:
 ФГОС ВПО по направлению подготовки 220400.62 «Управление в технических
системах»;
 Образовательной программой 27.03.04 «Управление в технических системах».
 Рабочим учебным планом университета по направлению подготовки 27.03.04
«Управление в технических системах», утвержденным в 2015 г.
2
Цели освоения дисциплины
Цель преподавания дисциплины: студенты должны овладеть теоретическими и
практическими знаниями по электромеханическим устройствам, применяемым в системах
управления различных технических систем. Почти
две
трети
всей энергии,
генерируемой электрическими станциями, преобразуется в механическую энергию
посредством электромеханических систем. В связи с этим бакалавры в области
управления
должны
быть
хорошо
знакомы
с
принципами
построения
электромеханических систем, их статическими и динамическими характеристиками, а
также методами их расчета.
Одновременно с этим они должны быть хорошо знакомы с конструкцией,
принципом работы, основами теории, статическими и динамическими характеристиками
электромеханических устройств автоматики, в основном электромашинных и
электромагнитных.
3
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен знать:
 основные принципы разработки электромашинных устройств технических
систем, роль и место таких устройств в системах и средствах управления;
 основные принципы и методы формализации математических моделей
электромашинных элементов и устройств;
 основы
построения
и
функционирования
электромашинных
и
электромагнитных устройств;
 основные характеристики и особенности работы электромашинных устройств
технических систем.
Студент должен уметь:
применять электромашинные устройства для основных типовых технических
средств и для систем автоматизации и управления;
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
ставить и решать задачи, связанные с выбором электромашинных элементов и
устройств, а также оценивать эффективность применения альтернативных элементов и
устройств в конкретных ситуациях.
Студент должен приобрести опыт расчета, и экспериментального использования
электромеханических устройств, применяемых в различных системах и средствах
автоматизации и управления
В результате освоения дисциплины студент осваивает следующие компетенции:
Компетенция
Код по
ФГОС/
НИУ
Дескрипторы – основные
признаки освоения
(показатели достижения
результата)
Способность использовать основные ОК-10 Демонстрирует
законы естественнонаучных
способность применять
дисциплин в профессиональной
методы математического
деятельности, применять методы
анализа и моделирования
математического анализа и
в процессе решения
моделирования, теоретического и
поставленной
экспериментального исследования
преподавателем задачи
Способность владеть основными
ОК-12 Владеет основными
методами, способами и средствами
методами, способами и
получения, хранения, переработки
средствами получения,
информации
хранения, переработки
информации с
использованием
программно –
технических комплексов
Способность выявить
ПК-2 Владеть основными
естественнонаучную сущность
методами выявления
проблем, возникающих в ходе
естественнонаучной
профессиональной деятельности,
сущности проблем в
привлечь для их решения
профессиональной
соответствующий физико –
деятельности
математический аппарат
Способность владеть основными
ПК-5 Владеет основными
приемами обработки и
приемами обработки и
представления экспериментальных
представления
данных
экспериментальных
данных
Способность осуществлять сбор и
ПК-9 Владеет основными
анализ исходных данных для расчета
методами сбора и
и проектирования систем и средств
анализа исходных
автоматизации и управления
данных для расчета и
проектирования систем и
средств автоматизации и
управления
Способность производить расчеты и ПК-10 Владеет основными
проектирование отдельных блоков и
методами и способами
Формы и методы
обучения,
способствующие
формированию и
развитию компетенции
Практические
занятия и
самостоятельная
работа студентов
Лекционный курс,
практические
занятия и
самостоятельная
работа студентов
Лекционный курс,
практические
занятия и
самостоятельная
работа студентов
Практические
занятия и
самостоятельная
работа студентов
Практические
занятия и
самостоятельная
работа студентов
Практические
занятия и
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
Компетенция
устройств систем автоматизации и
управления и выбирать стандартные
средства автоматики, измерительной
и вычислительной техники для
проектирования систем
автоматизации и управления в
соответствии с техническим
заданием
4
Код по
ФГОС/
НИУ
Дескрипторы – основные
признаки освоения
(показатели достижения
результата)
расчета и
проектирования
отдельных блоков и
систем автоматизации и
управления
Формы и методы
обучения,
способствующие
формированию и
развитию компетенции
самостоятельная
работа студентов
Место дисциплины в структуре образовательной программы
Настоящая дисциплина относится к циклу профессиональных дисциплин
обязательной части, обеспечивающих подготовку бакалавра по направлению 27.03.04
«Управление в технических системах».
Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:
 «Физика»;
 «Электротехника и электроника»;
 «Математика. Математический анализ»;
 «Теория автоматического управления».
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими
знаниями и компетенциями:
 иметь навыки самостоятельной работы с литературой;
 владеть методами использования поисковых систем для поиска информации в
сети Интернет.
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при
изучении следующих дисциплин:
 «Датчики и устройства связи с объектом управления в технических системах»;
 «Моделирование систем управления».
5
№
1
Тематический план учебной дисциплины
Название раздела
Общие сведения об исполнительных
устройствах, электромеханических
системах, электроприводах, мехатронике и
интеллектуальных электромеханических
системах
Всего
часов
5
Аудиторные часы
СамостояПрактиче
тельная
Лекци Семин
ские
работа
и
ары
занятия
1
4
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
2
3
4
5
6
7
8
9
6
Трансформаторы
Асинхронные машины и микромашины
Синхронные машины и микромашины
Электромашинные преобразователи
угловых перемещений
Машины и микромашины постоянного
тока
Выбор мощности двигателя
Электромеханические системы
постоянного тока
Электромеханические системы
переменного тока
3
6
5
3
5
8
8
20
10
12
21
24
5
8
11
8
10
1
3
4
2
3
5
10
2
2
6
Формы контроля знаний студентов
Тип контроля
Текущий
(неделя)
Итоговый
6.1
28
24
17
32
Форма контроля
Контрольная работа
4 курс
1
2
мод мод
уль
уль
*
*
Экзамен
Параметры
2 письменные работы 80 минут
Устный ответ, подготовка 60
минут
Критерии оценки знаний, навыков
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
6.1.1. Текущий контроль
Формы контроля:
 Контрольная работа – письменная работа 80 минут.
Критерии оценки:
 «Отлично» (8-10 баллов) – вопрос полностью раскрыт;
 «Хорошо» (6-7 баллов) – вопрос раскрыт с несущественными ошибками;
 «Удовлетворительно» (4-5 баллов) – вопрос раскрыт с существенными
ошибками;
 «Неудовлетворительно» (0-3 балла) – вопрос не раскрыт.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
6.1.2. Итоговый контроль представляет собой устный ответ на 2 теоретических
вопроса.
Критерии оценки:
 «Отлично» (8-10 баллов) – вопрос полностью раскрыт;
 «Хорошо» (6-7 баллов) – вопрос раскрыт с несущественными ошибками;
 «Удовлетворительно» (4-5 баллов) – вопрос раскрыт с существенными
ошибками;
 «Неудовлетворительно» (0-3 балла) – вопрос не раскрыт.
7
Содержание дисциплины:
Раздел 1. Общие сведения об исполнительных устройствах, электромеханических
системах, электроприводах, мехатронике и интеллектуальных электромеханических
системах.
Тема 1. Общие сведения об исполнительных устройствах, интеллектуальных
электромеханических системах и электроприводах.
Содержание лекции (1 час):
Определение, классификация, элементная база.
Раздел 2. Трансформаторы.
Содержание лекции (3 часа):
Тема 2. Классификация, конструкция и принцип действия трансформатора.
Уравнения равновесия,
э.д.с.
и м.д.с. трансформатора. Э.д.с. взаимоиндукции,
коэффициент трансформации.
Тема 3. Приведенный трансформатор, схема замещения. Внешняя характеристика
и к.п.д. Особенности трехфазных и импульсных трансформаторов.
Семинары 5 часов.
Раздел 3. Асинхронные машины и микромашины.
Содержание лекции (6 часов):
Тема 4.
Трехфазные асинхронные машины. Конструкция, принцип работы и
принцип обратимости. Асинхронный двигатель как обобщенный трансформатор. Схема
замещения. Электромагнитный
момент. Механические характеристики. Пуск,
реверсирование, торможение и регулирование скорости.
Тема 5. Исполнительные асинхронные микродвигатели. Особенности
конструкции и принципа работы. Способы управления. Статические и динамические
характеристики.
Тема 6. Асинхронные тахогенераторы. Принцип
работы. Выходные
характеристики и погрешности.
Семинары 8 часов.
Раздел 4. Синхронные машины и микромашины.
Содержание лекции (5 часов):
Тема 7.
Трехфазные синхронные машины. Конструкция, принцип действия в
режиме двигателя и генератора. Электромагнитный момент, U-образная характеристика.
Способы пуска.
Синхронные микродвигатели: с постоянными магнитами на роторе, реактивные,
гистерезисные. Конструкция, принцип действия, характеристики.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
Тема 8. Синхронные микродвигатели с редуцированием скорости: редукторные,
волновые. Конструкция, принцип действия, характеристики.
Синхронные шаговые двигатели: активные, реактивные, индукторные, линейные.
Конструкция, принцип действия, характеристики.
Раздел 5. Электромашинные преобразователи угловых перемещений.
Содержание лекции (3 часа):
Тема 9.
Вращающиеся трансформаторы. Конструкция, режимы работы.
Симметрирование ВТ.
Тема 10. Характеристики, погрешности и классы точности. Многополюсные ВТ.
Семинары 8 часов.
Раздел 6. Машины и микромашины постоянного тока.
Содержание лекции (5 часов):
Тема 11. Коллекторные машины постоянного тока. Конструкция, принцип
действия и принцип обратимости. Э.д.с., электромагнитный момент и реакция якоря.
Основные характеристики двигателей и генераторов независимого и параллельного
возбуждения.
Исполнительные микродвигатели
постоянного
тока. Якорный и полюсный,
непрерывный и импульсный способы управления. Механические, регулировочные и
динамические характеристики. Бесконтактные микродвигатели.
Тема 12. Тахогенераторы постоянного
тока. Основные
характеристики,
погрешности, классы точности.
Семинары 8 часов.
Раздел 7. Выбор мощности двигателя.
Содержание лекции (1 час):
Тема 13. Режимы работы
электроприводов. Тепловое состояние двигателя.
Выбор мощности двигателя при длительной нагрузке. Выбор мощности двигателя при
повторно-кратковременном режиме. Метод эквивалентных величин. Выбор мощности
двигателя для следящего привода.
Семинары 4 часа.
Раздел 8. Электромеханические системы постоянного тока.
Содержание лекции (3 часа):
Тема 14.
Электромеханическая система в виде двигателя постоянного тока
независимого возбуждения и одномассовой механической системы.
Электромеханическая система в режиме управления
скоростью и моментом.
Ограничение тока (момента) в динамических режимах. Система управляемый
выпрямитель-двигатель. Схемы, механические и динамические
характеристики
тиристорных систем УВ-Д. Система широтно-импульсный преобразователь-двигатель.
Схемы
транзисторных
и тиристорных ШИП. Механические и динамические
характеристики системы ШИП-Д.
Управление координатами при питании от источника нерегулируемой Э.Д.С.:
реостатное регулирование, регулирование шунтированием обмотки возбуждения и
якоря двигателя.
Семинары 2 часа.
Раздел 9. Электромеханические системы переменного тока.
Содержание лекции (2 часа):
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
Тема 15. Электромеханическая система в виде асинхронного двигателя и
одномассовой механической системы.
Управление координатами электромеханической системы с асинхронным двигателем
при питании от источника напряжения постоянной частоты. Управление напряжением на
статоре, реостатное регулирование.
Частотное управление скоростью электромеханической системы с асинхронным
двигателем. Структура системы преобразователь-двигатель при питании от автономного
инвертора напряжения и тока. Требуемая зависимость напряжения или тока источника от
частоты.
Электромеханическая система с синхронным двигателем. Вентильный двигатель.
Основные соотношения. Система с шаговым двигателем. Разомкнутый дискретный
привод с ШД. Функциональная схема, блоки системы
управления. Специальные
режимы работы: старт-стопный, программный разгон, дробление шага.
Семинары 2 часа.
8
Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
Тематика заданий текущего контроля
Контрольная работа № 1: Трансформаторы.
Выполнить расчет коэффициента трансформации, к.п.д. и мощности расходуемой в
трансформаторе.
Контрольная работа № 2: Асинхронные машины и микромашины.
Определить режим работы исполнительного асинхронного микродвигателя,
представить схему замещения, механическую характеристику, статические и
динамические характеристики микродвигателя.
8.1
Домашнее задание подготавливается на основе самостоятельной работы студентов
по электромагнитным и пьезоэлектрическим элементам и электротехническим
материалам, применяемым для их изготовления.
8.2





Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Примерный перечень вопросов к экзамену:
Классификация, конструкция и принцип действия трансформатора.
Приведенный трансформатор, схема замещения. Внешняя характеристика и к.п.д.
Особенности трехфазных и импульсных трансформаторов.
Трехфазные асинхронные машины. Конструкция, принцип работы и принцип
обратимости. Асинхронный двигатель как обобщенный трансформатор.
Трехфазные асинхронные машины. Схема замещения. Электромагнитный момент.
Механические характеристики. Пуск, реверсирование, торможение и регулирование
скорости.
Исполнительные асинхронные микродвигатели. Особенности
конструкции и
принципа работы. Способы управления. Статические и динамические
характеристики.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра












9
Асинхронные тахогенераторы. Принцип работы. Выходные характеристики и
погрешности.
Трехфазные синхронные машины. Конструкция, принцип действия в режиме
двигателя и генератора. Электромагнитный момент, U-образная характеристика.
Способы пуска.
Синхронные микродвигатели: с постоянными магнитами на роторе, реактивные,
гистерезисные. Конструкция, принцип действия, характеристики.
Синхронные шаговые двигатели: активные, реактивные, индукторные, линейные.
Конструкция, принцип действия, характеристики.
Режимы работы электроприводов. Тепловое состояние двигателя. Выбор мощности
двигателя при длительной нагрузке.
Вращающиеся трансформаторы. Конструкция, режимы работы. Симметрирование
ВТ. Характеристики, погрешности и классы точности. Многополюсные ВТ.
Исполнительные микродвигатели
постоянного
тока. Якорный и полюсный,
непрерывный и импульсный способы управления. Механические, регулировочные и
динамические характеристики. Бесконтактные микродвигатели.
Тахогенераторы постоянного тока. Основные характеристики, погрешности, классы
точности.
Выбор мощности двигателя при
повторно-кратковременном режиме. Метод
эквивалентных величин.
Выбор мощности двигателя для следящего привода.
Электромеханическая система в виде двигателя постоянного тока независимого
возбуждения и одномассовой механической системы.
Частотное управление скоростью электромеханической системы с асинхронным
двигателем.
Структура системы преобразователь-двигатель при питании от
автономного инвертора напряжения и тока. Требуемая зависимость напряжения или
тока источника от частоты.
Порядок формирования оценок по дисциплине
Преподаватель оценивает самостоятельную работу и работу студентов на
практических занятиях по результатам решения задач. Оценки за самостоятельную работу
и работу на практических занятиях преподаватель выставляет в рабочую ведомость.
Текущая оценка рассчитывается по формуле:
Отекущий = 0,4·Ок/р + 0,3Олабр. раб.+ 0,3·Одз .
Накопленная оценка равна оценке за текущий контроль:
Онакопленная= Отекущий .
Промежуточная оценка по результатам первого этапа (по окончании модуля 3)
рассчитывается следующим образом:
Опромежуточная 1 = 0,5Онакопленная 1 + 0,5Оитоговая 1.
Результирующая оценка за дисциплину рассчитывается следующим образом:
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины «Электромеханические устройства и системы» для направления
27.03.04 «Управление в технических системах» подготовки бакалавра
Орезульт = 0,3Онакопленная 2 + 0,3Оитоговая 2 + 0,4Опромежуточная 1.
Для округления всех типов оценок используется арифметический способ (до
ближайшего целого числа).
В диплом выставляется результирующая оценка за дисциплину.
10 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
10.1 Базовый учебник
1. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электромеханические устройства автоматики.
Учебное пособие. -М.: МИЭМ, 2008.
10.2 Основная литература
2. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электромеханические устройства автоматики.
Учебное пособие. -М.: МИЭМ, 2002.
3. Фалк Г.Б. Технические средства автоматизации и управления: исполнительные
устройства .Учебное пособие.- М.:МИЭМ, 2004.
4. Москаленко В.В. Электрический привод. Учебное пособие.- М.:ИЦ «Академия»,
2005.
10.3 Дополнительная литература
1. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине
«Электромеханические устройства и системы», М., МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013 – 26
с.
11 Материально-техническое обеспечение дисциплины
Практические занятия выполняются в форме ознакомительных лабораторных работ
и проводятся в лаборатории «Интеллектуальные системы управления» Департамента
компьютерной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ, в которой имеется комплексный стенд
ЭМП1-К, на котором с использованием ПЭВМ исследуются двигатели и тахогенераторы
постоянного тока, трехфазные асинхронные двигатели, тиристорные приводы
постоянного тока и асинхронные приводы с частотным управлением.