变频器技术课程教案

清华大学研究生院

《变频器技术》课程教案

一、课程代码：

二、适用专业：机电一体化技术、电气自动化技术专业

三、课程性质

《变频器技术》是我院机电一体化技术、电气自动化技术专业的专业核心课程。本

课程是电气自动化专业、机电一体化学生必修的一门专业课，属于基本职业素质模块类

课程。它是将《计算机技术》、《电气控制技术》有机结合的一门专业课程。

本专业的核心技术都涉及《工业计算机技术》的相关知识，有很强的理论性和实

践性，对后续专业课程的学习至关重要；同时与学生将来从事的专业工作有着密切的联

系。作为电气自动化专业、机电一体化专业高端技术应用型人才，相关的知识和技能是

必备的。

课程的前序课程有：《计算机应用基础》、《电工技术》、《电子技术》、《电机

与拖动》、《电气控制技术》等课程。

四、课程学分与时数分配

《变频器技术》课程共4学分、72学时，安排在第四学期授课，课程学分与时数分

配如表1所示。

表1课程学分与时数分配表

教学时数

序号教学项目（各章）名称理论实践学分

小计

教学教学

项目1变频器技术基础知识1284

项目2变频器的选择与安装301218

4

项目3变频器的工程应用1688

项目4变频器的维护及故障处理1486

合计|72|36|36|

五、课程设计思路

本课程设计的思路为：

1.精选变频器在工业生产和实际工作中的典型应用实例作为理论实践一体化

项目教学的主要内容。选用的项目由浅入深，循序渐进，内容详实。是一个理论

性较深实践性较强的专业学习领域，本领域的学习要求学生在熟练掌握电工电子等基本

知识与技能操作的前提下进行的。本领域教学的设计思路采用理论教学与实践教学交替

或融合在一起的一体化教学方法。课程在电拖实训室进行，通过项目分解、任务引领达

到理论与实操一体化的综合训练方式，使学生能够在较短的时间内达到该领域的目标。

项目贯穿于整个教学中，完成培养学生理论与实操的能力，进而完成对应的项目任务。

2.教学评价多元化，本课程为考试课程，考试可采用闭卷或闭卷与开卷相结合的形

式，以闭卷为主，成绩以平时成绩、段考成绩和期考成绩按比例评定，具体分配情况为:

期评成绩=平时成绩X20%+段考成绩X30%+期考成绩X50%。

六、课程总体目标

（-）知识目标

1、能识读、绘制中等复杂的变频器电气控制系统图。

2、能正确选用电器元件并能根据现场要求进行调整。

3、能根据工艺要求正确选用变频器。

4、能够进行变频器各种常用参数的设定。

5、使用适当的工具，按照工艺要求，根据电气安装图进行安装。

6、会使用变频器开发设计中小型控制系统

7、具有程序分析能力，能够根据系统功能要求对变频器控制系统进行调试

（二）能力目标

1.知识与技能

（1）说出变频器的基本结构、工作原理、发展趋势和应用领域。

（2）说出变频器的主要性能指标、工作方式、安装布线的技术要求。

（3）熟练掌握典型控制电路设定和修改参数能力。

（4）初步具备分析实际变频器控制系统的能力，能合作完成简单控制系统的

设计、安装、编程和调试工作。

（5）能对变频器控制系统进行日常维护。

（6）养成良好的职业习惯和职业意识，具备专业岗位所要求的职业能力。

（三）素质目标

1.经历各种科学探究过程，进一步理解科学探究的意义，学习科学探究的

基本方法，提高科学探究能力。

2.在学习过程中，学会运用观察、实验、查阅资料等多种手段获取信息，

并运用比较、分类、归纳、概括等方法对信息进行加工。

3.能对自己的学习过程进行计划、反思、评价和调控，提高自主学习的能

力。

4.通过理论知识和实践活动相结合的一体化学习过程，深入了解实践和理

论之间的相互关系。

5.通过各种实践活动，尝试经过思考发表自己的见解，尝试运用技术知识

和研究方法解决一些工程实际问题。

6.具有一定的质疑能力，分析、解决问题能力，交流、合作能力

七、课程内容与教学要求

《变频器技术》课程内容与教学要求包括项目名称、子项目或学习任务、教学时

数、教学重点、教学目标等5项内容。

具体见下表2。

表2课程内容与教学要求一览表

项目名称子项目教学教学重点教学目标

或学习任务时数

项目11-1变频器的基本认2知识：知识目标：

变频器基础知识1.了解变频器的用L说出变频器的产生、现

识途，认识各种品牌变状、发展状态及应用领域

频器的外观及变频器2.了解变频器的外观及

分类型号意义

2.掌握变频器的硬件3.掌握变频器的硬件结

结构，掌握主电路及构，主电路及控制电路各

控制电路各部分的作部分的作用

用4.理解变频器组成及原

技能：理

1-2变频器的组成及识别变频器及其配技能目标：

6

原理件，辨认其基本结构；能够进行变频器拆装接

线，识别内部结构

素质目标：

1.培养学习的兴趣；

2.养成良好的思维、学

习、工作习惯，增加职业

1-3变频器的性能

4意识；

指标及分类3.形成科学的态度。

2-1变频器端子功能

及变频器的基本参数4

知识目标：

2-2.变频器面板控1.能绘制变频器控制电

制电路安装与调试

4路图；

知识：2.能按照控制要求编写

1.总结变频器控制特控制程序；

点；

2-3外端子控制电动3.能根据基本指令编写

2.能够归纳出变频器

机单向电路安装与调相应的梯形图程序；

控制系统的设计、构

试技能目标：

4建、修改参数和调试

的一般方法能完成变频器控制系统

项目2技能：的安装、调试、运行和分

变频器的选择与1.能完成变频器控制析。

安装2-4外接两地控制电电路的接线安装素质目标：

1.培养吃苦耐劳的精神；

动机单向电路安装与2.能绘制三相交流异

2.培养学习的能力；

调试4步电动机的变频器控

3.养成良好的思维、学

制电路图习、工作习惯，增加职业

3.正确设置功能参数意识；

2-5三相交流异步电

码4.形成科学的态度。

动机正反转的电路安

5.通过实训评价，增强学

装与调试6习成就感和自信心

6.树立就业和自主创业

的坚强信心。

2-6变频与工频控制

电路安装与调试

8

知识：知识目标：

1.说出变频器控制电1.学生能利用电路原理

路图原理图分析电路故障：能改造

技能：或完善较简单的有缺陷

1.正确设置功能参的控制电路；

数技能目标：

2.掌握变频器的安1.掌握变频器的安装控

3-1风机的变频调速8装、控制电路的设计制电路的设计安装、

安装2.不同用途下变频器需

3.能完成变频器控制设定的参数、系统调试等

电路的接线安装；知识和技能；

4.能按照控制要求编3.能完成PLC控制电路的

写控制程序；接线安装；

5.能完成变频器控制4.能完成变频器控制系

系统的调试、运行和统的调试、运行和分析。

项目3分析。素质目标：

变频器的工程应1.培养规范意识和质量

用意识

2.培养社会责任心、合作

意识

3.培养严谨的科学态度

和精进的意识。

3-2恒压供水8

知识目标：

能够理论为指导，分

知识：

析故障原因，诊断核心的

4-1变频器的日常维1.了解变频器日常

6故障部位的方法

护维护的必要性和基本技能目标

维护事项。

1.会根据常见故障现象

2.实例故障现象与理处理解决过程

论分析结合使学生了2.会使用仪表检查开关

解各类故障的基本诊器件好坏

断顺序和方法：采用素质目标：

大量的实例教学，积1.培养吃苦耐劳的精神；

项目4累维修变频器的间接2.培养学习的能力；

变频器的维护及经验。3.养成良好的思维、学

习、工作习惯，增加职业

故障处理技能：

意识；

1.会根据常见故障现

4.形成科学的态度。

象处理解决

5.通过实训评价，增强学

.会使用仪表检查开

2习成就感和自信心

4-2变频器的常见故关器件

86.树立就业和自主创业

障及处理方法

的坚强信心。

《变频器技术》课程内容与教学要求包括章节名称、学习任务、教学时数、教学内

容、教学要求等4项内容。具体见下表2。

八、教学实施建议

(-)教学实施方案

教学实施方案如表3所示。

表3教学实施方案表

教学模式与学

序号项目名称教学实训条件考核与评价方法

教学方法时

1.电拖实训设备教室

参观法、多媒

变频器基础2.电子阅览室考核与评价多元化，终

项目1体演示讲授12

知识3.多媒体教室

法结性评价与过程性评价

4.校外实习基地(安母

公司）相结合，老师评价与学

任务驱动教

1.电拖实训设备教室生评价相结合，并以过

变频器的选学法；四阶段

项目22.多媒体设备30

择与安装教学法；问题程性评价为主。

引导法即教学效果分别从职业

多媒体演示

1.电拖实训设备教室素养养成（30〜40%）、

法、讲授法、

变频器的工2.电子阅览室

项目3问题引导法、项目计划（10%）、项目16

程应用3.多媒体教室

提问法、现场

实施（20〜30%）、项目

教学法

多媒体演示评审（20〜30%）等多

1.电拖实训设备教室

变频器的维法、讲授法、方面进行综合评价。

2.电子阅览室

项目4护及故障处问题引导法、14

3.多媒体教室

理提问法、现场

4.学校金工实训车间

教学法

一、（-）教材及参考书选用（或教材编写）PLC发展历史

1.PLC发展的几个阶段：初创阶段、扩展阶段、实现通信功能、开放阶段

2.我国PLC的发展

3.PLC发展的特征：功能的发展、适应控制要求、适应适应工业环境的要求

二、PLC的定义、分类、特点

1.定义：专门在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置

2.分类：按硬件结构分

按应用规模分

3.特点：编程简单、性价比高、抗干扰能力强

三、PLC的功能和应用

开关逻辑和顺序控制、模拟控制、定时控制、数据处理、通信联网

四、PLC与其它工业控制系统的比较

1.PLC与继电器控制系统的比较

2.PLC与DCS的比较

五、PLC的基本结构工作原理

1.基本结构：主机系统、输入/输出扩展环节、外部设备

2.工作原理：输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

六、PLC的发展趋势

•教学小结与拓展:

1、PLC的基本结构工作原理

2、PLC的功能和应用

3、PLC与其它工业控制系统的比较

•布置作业或思考题：

简述PLC的基本结构工作原理

教案首页

一学年第一学期顺序号：（2）

主讲教师职称系、部

本教案

课程名称PLC原理与应用

授课学时

本次课标题PLC技术概述

年月日

授课班级

年月日

及时间

年月日

以西门子公司生产的S7-200系列小型可编程序控制器为例，了解可编程序控制

教学目标器的系统组成，了解PLC扫描周期及工作方式，了解I/O扩展。

一、S7-200PLC系统基本构成

二.主机结构

教学

主要内容三.扫描周期及工作方式

四.输入输出扩展

1、S7-200PLC系统组成

教学重点、

难点

2、工作方式

教学手段、

讲授、多媒体

方法

・新课导入：

复习上次内容，导入本次课内容

•教学过程和教学内容设计：

一.S7-200PLC系统基本构成

S1MATICS7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图3.1所示。

图3.1S7-200PLC系统组成

系统基本构成：

1.硬件

(1)基本单元

(2)扩展单元

(3)特殊功能模块

(4)相关设备

2.工业软件

工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主

要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。

二.主机结构

1.各CPU介绍及I/O系统

(1)主机外形

SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机(CPU模块)的外形如图3.2所示：

住孤明干菽

电源及"小嫡干

,一命酸力真开关、

电位需'#港"晦畏

底部喇干酸

翰人明干、於感霖电源

图3.2S7-200主机外形

(2)基本结构特点

1、输出信号类型

2、电源输出

3、基本I/O

4、存储安全

5、高速反应

6、模拟电位器

7、实时时钟

8、输入输出可扩展性

4种CPU各有晶体管输出和8继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号

如表3.1所示。

CPU类理电源电压输入电压检出电压输出电流

DC输出

24V24V0.75A,晶体管

DC输入DC24VDUDC

CPU221

继电器输出24V时

85-264V24V2A.继电器

输入ACDC

DC24^230VAC

CPU222DC输出24Vg24Vg24VDU0.75A，晶体管

CPU224

CPU226继电器输出24V此继电器

85-264VAC24VDC2A,

24^230VAC

表3.1CPU型号

SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机及I/O特性如表3.2所示。

里号主机输出类里主机输入点数主机输出点数可扩展模块数

CPU221DC潍电器64无

CPU222DC解电器862

CPU224DC滩电器14107

CPU226DC雒电器24167

表3.2主机及I/O特性

2.存储系统

（1）存储系统

图3.3存储系统

表3.3存储容量

主机CPU类型CPU221CPU221CPU221CPU221

用户程序区存储容量2048字2048字4096字4096字

用户鼓据区存储客量1024字1024字2560字2560字

用户存储器类型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM

(2)存储器及使用

上装和下装用户程序

定义存储器保持范围

用程序永久保存数据

存储器卡的使用

(3)存储安全

1)主机CPU模块内部配备的EEPROM,上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU

的组态数据。

2)用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器。

3)主机CPU提供一个超级电容器，可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久。

4)CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储

器供电，以延长数据所存的时间。

5)可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。

三.扫描周期及工作方式

1.扫描周期

(1)输入处理

(2)执行程序

(3)处理通信请求

(4)执行CPU自诊断测试

(5)写数字输出

一个扫描周期

写输出读输入

执行程序

执行CPU自诊断

处理通信请求

图3.4CPU的扫描周期

2.工作方式

(1)STOP方式

(2)RUN方式

3.改变CPU工作方式的方法

1)用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位o

2)用STEP7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件

平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。

3)在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。

四.输入输出扩展

1.设备连接

(a)面板安装(b)标准导轨安装

图3.5I/O扩展示意图

2.最大I/O配置的预算

(1)映像寄存器数量

(2)电流提供

各CPU所能提供的最大5VDC电流如表3.4所示。

表3.4CPU提供的电流

CPU型号221222224226

最大扩展电流(mA)03406601000

(3)模块电流

•教学小结与拓展：

1、S7-200PLC系统基本构成

2、主机结构

3、扫描周期及工作方式

4、输入输出扩展

•布置作业或思考题：

简述PLC的基本结构工作原理

教案首页

一学年第一学期顺序号：（3）

主讲教师职称系、部

本教案

课程名称PLC原理与应用2

授课学时

本次课标题STEP7编程软件介绍

年月日

授课班级

年月日

及时间

年月日

1、编程软件的安装及窗口组件、STEP7编程软件的主要编程功能、程序的调试与监

教学目标控；

2、项目管理，要求熟悉编程软件的使用

—.STEP7概述

二.STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

五.项目管理

教学

主要内容

四.程序的调试与监控

三.通信

1、STEP7编程软件的主要编程功能、程序的调试与监控

教学重点、

难点

2、编程软件的使用

教学手段、

讲授、多媒体

方法

・新课导入:

复习上次内容，导入本次课内容

•教学过程和教学内容设计：

—.STEP7概述

S7-200可编程控制器使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。

STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于

开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。加上汉化后的程序，可在

全汉化的界面下进行操作。

二.STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

三,通信

四.程序的调试与监控

五.项目管理

•教学小结与拓展：

STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

•布置作业或思考题：

简述PLC的基本结构工作原理

教案首页

一学年第一学期顺序号：（4）

主讲教师职称系、部

本教案

课程名称PLC原理与应用2

授课学时

本次课标题S7-200系列可编程序控制器基本知识

年月日

授课班级

年月日

及时间

年月日

练习使用STEP7-Micro/WIN32编程软件

教学目标

—.STEP7概述

二.STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

三.通信

教学

主要内容

四.程序的调试与监控

五.项目管理

1、程序的输入和编辑方法

教学重点、

2、程序的编辑

难点

教学手段、

讲授、多媒体

方法

・新课导入：

复习上次内容，导入本次课内容

•教学过程和教学内容设计：

一.实训目的

(1)认识S7-200系列可编程控制器及其与PC机的通信。

(2)练习使用STEP7-Micro/WIN32编程软件。

(3)学会程序的输入和编辑方法。

(4)初步了解程序调试的方法。

二.内容及指导

(1)PLC认识

(2)开机(打开PC和PLC)并新建一个项目。

(3)检查PLC和运行STEP7-Micro/WIN

(4)选择指令集和编辑器。

(5)输入、编辑如图3-29所示梯形图，并转换成语句表指令。

(6)给梯形图加POU注释、网络标题、网络注释。

(7)编写符号表.

(8)编译程序。并观察编译结果。

三.结果记录

(1)认真观察PLC基本单元上的输入/输出指示灯的变化，并记录。

(2)总结梯形图输入及修改的操作过程。

(3)写出梯形图添加注释的过程。

四.思考题

•教学小结与拓展：

STEP7-Mirco/WIN主要编程功能

•布置作业或思考题：

1.如何建立项目？

2.如何在LAD中输入程序注解？

3.如何下载程序？

4.如何在程序编辑器中显示程序状态？

5.如何建立状态图表？

6.如何执行有限次数扫描？

教案首页

一学年第一学期顺序号：(5)

主讲教师职称系、部

本教案

课程名称PLC原理与应用2

授课学时

本次课标题基本位逻辑指令与应用

年月日

授课班级

年月日

及时间

年月日

1、使学生掌握LD、LDN指令的使用。2、使学生掌握A、AN指令的使用.3、

教学目标

使学生掌握0、0N指令的使用。

一、逻辑取(装载)及线圈驱动指令

二、3.触点并联指令：。(OR),ON(ORNOT)

教学

主要内容

三、触点串联指令A(And),AN(Andnot)

1、梯形图和指令表之间的互换

教学重点、

难点2、指令的灵活使用

教学手段、

讲授、多媒体

方法

・新课导入：

复习上次内容，导入本次课内容

•教学过程和教学内容设计：

一、逻辑取(装载)及线圈驱动指令

(先介绍基本指令在企业现场中的用途，引起学生的兴趣后引入新课)

利用多媒体教学网络系统教师机对学生的每一台计算机实行广播控制，播放教学软件课件中第四

章的第二节内容。边播放边讲解以下内容：

1、讲解逻辑取(装载)及线圈驱动指令定义

2、通过实例讲解逻辑取(装载)及线圈驱动指令格式。

3、逻辑取(装载)及线圈驱动指令使用说明

二、触点串联指令A(And),AN(Andnot)

1、讲解触点串联指令定义

2、通过实例讲解触点串联指令格式。

3、触点串联指令使用说明

三、3.触点并联指令：0(OR),ON(ORNOT)

1、讲解触点并联指令定义

2、通过实例讲解触点并联指令格式。

3、触点并联指令使用说明

课堂练习

主要是通过实验来完成

1、把教学软件的“实验实训指导”部分导出来，进入到“实验一逻辑指令”

2、按“实验实训指导”输入教师给定的程序，验证逻辑关系

3、根据“实验实训指导”的要求，编制并运行程序。

•教学小结与拓展：

一、逻辑取(装载)及线圈驱动指令

二、3.触点并联指令：0(OR),ON(ORNOT)

三、触点串联指令A(And),AN(Andnot)

•布置作业或思考题：

1、布置作业：

P100第1、2题

2、提出“如果不是触点与触点的串联(或并联)应该怎么用程序来实现”这么一个新问题，使

学生为下一节课作好准备。

教案首页

一学年第一学期顺序号：(6)

主讲教师职称系、部

本教案

课程名称PLC原理与应用2

授课学时

本次课标题逻辑块指令

12机电一班年9月日

授课班级

年月日

及时间

年月日

1、使学生掌握OLD、ALD指令的使用。

教学目标

2、使学生掌握OLD、ALD指令的使用。

一、ALD指令

教学

主要内容二、OLD指令

2、梯形图和指令表之间的互换

教学重点、

难点2、块指令的灵活使用

教学手段、

讲授、多媒体

方法

・新课导入:

复习上次内容，导入本次课内容

•教学过程和教学内容设计：

一、ALD指令

功能：实现多个指令块的“与”运算。

例：如图3.6所示表示了ALD指令的使用。

梯形图指令表

LD10.0

010.1

LD10.2

010.3

ALD

=Q0.0

图3.6ALD指令的使用

表示Q().0=(I0.0+I0.1)(I0.2+I0.3)每个指令块以初始加载(LD)指令开始。

ALD指令使用说明：

①分支电路(并联电路块)与前面电路串联连接时，使用ALD指令。分支的起始点用LD、

LDN指令，并联电路块结束后，使用ALD指令与前面电路串联。

②如果有多个并联电路块串联，顺次以ALD指令与前面支路连接，支路数量没有限制。

③ALD指令无操作数。