本文是根据课程课件与课堂记录整理的复习笔记；原始 PDF 已在“运动控制系统：原始课件”页面提供。页码以本地 PDF 页码为准。

第5章：交流拖动控制系统#

5.0 课件页码与考试重点#

5.1 本章主线#

第5章是从直流调速过渡到交流调速的桥梁，核心不是复杂控制算法，而是理解交流调速的分类、效率本质和变压调速的局限。

复习顺序：

1. 交流电机为什么值得调速。
2. 异步电机转速公式说明有哪些调速路径。
3. 按转差功率把交流调速分成三类。
4. 变压调速改变定子电压，最大转矩按电压平方下降。
5. 闭环可以改善静特性，但不能改变转差功率消耗型本质。
6. 软起动、轻载降压节能是变压控制的工程应用。

5.2 交流调速背景#

直流电机调速性能好，但有电刷和换向器，维护量大，容量、电压和转速上限受限制。交流电机结构简单、成本低、可靠性高、维护方便，更适合大容量和恶劣环境。

交流调速发展依赖：

1. 电力电子器件。
2. 微机数字控制。
3. PWM变频器。
4. 矢量控制和直接转矩控制。

5.3 异步电机调速基本关系#

同步转速：

$$n_0=\frac{60f_1}{n_p}$$

实际转速：

$$n=(1-s)n_0$$

即：

$$n=(1-s)\frac{60f_1}{n_p}$$

由此看出异步电机调速方法：

1. 改变 $f_1$：变频调速。
2. 改变 $n_p$：变极调速。
3. 改变 $s$：降压、转子串电阻、串级调速等。

5.4 按转差功率分类#

气隙功率为 $P_{\mathrm{em}}$，转子铜耗为：

$$P_{\mathrm{Cu2}}=sP_{\mathrm{em}}$$

机械功率为：

$$P_m=(1-s)P_{\mathrm{em}}$$

转差功率：

$$P_s=sP_{\mathrm{em}}$$

分类表：

考试常问：降压调速为什么低效？因为它靠增大转差来降速，$P_s=sP_{\mathrm{em}}$ 增大，并且主要消耗为热。

5.5 异步电机变压调速#

变压调速保持电源频率不变，改变定子电压 $U_s$，从而改变机械特性。

异步电机稳态等效电路是机械特性公式的来源。

电磁转矩可写成：

$$T_e= \frac{3n_p}{\omega_1} \cdot \frac{U_s^2(R_r'/s)} {\left(R_s+R_r'/s\right)^2+\left(X_s+X_r'\right)^2}$$

频率不变、参数近似不变时：

$$T_e\propto U_s^2$$

最大转矩也近似满足：

$$T_{\max}\propto U_s^2$$

因此降压会显著降低转矩能力。

结论：

1. 普通笼型异步电机变压调速范围窄。
2. 恒转矩负载下，降压后很容易带不动。
3. 风机泵类负载低速转矩要求下降，更适合变压或变频节能。
4. 高转子电阻交流力矩电机可扩大变压调速范围，但效率低。

5.6 闭环变压调速#

加转速负反馈可以改善变压调速系统的静特性。

闭环系统能做到：

1. 在一定范围内使静特性变硬。
2. 减小负载扰动造成的转速变化。
3. 扩大可用调速范围。

但要注意：

1. 异步电机机械特性非线性明显。
2. 闭环静特性受额定电压和最小输出电压边界限制。
3. 闭环不能改变降压调速属于转差功率消耗型的本质。

5.7 近似动态结构与线性化#

变压调速系统是非线性的，因为 $T_e$ 同时与电压、转速、转差率相关。工程上常在某个稳态工作点附近线性化：

$$\Delta T_e \approx \left.\frac{\partial T_e}{\partial U_s}\right|_0\Delta U_s + \left.\frac{\partial T_e}{\partial n}\right|_0\Delta n$$

线性化的意义：在小扰动范围内，把非线性机械特性近似成线性环节，便于画动态结构图和分析闭环性能。

5.8 转差功率损耗分析#

不同负载的机械特性会影响低速时的转差功率损耗。

转差功率与最大输出功率之比可用于衡量低速损耗。课件给出的不同负载转差功率损耗曲线说明：转差功率消耗型调速低速效率明显变差。

复习结论：

1. 降压调速低速效率低。
2. 风机泵类负载低速所需功率下降，节能价值更明显。
3. 宽范围高效调速应优先考虑变压变频调速。

5.9 软起动与轻载降压节能#

5.9.1 软起动#

异步电机直接起动电流大，降压起动能减小冲击电流。但起动转矩也随电压平方下降：

$$T_{\mathrm{st}}\propto U_s^2$$

所以软起动适合降低冲击，但电压不能降得过低，否则起动转矩不足。

5.9.2 轻载降压节能#

轻载时负载转矩小，可适当降低定子电压以减少励磁相关损耗。但电压过低又会导致电流增大、铜耗上升，因此存在最佳电压。

5.10 本章复习抓手#

• 会写 $n=(1-s)60f_1/n_p$ 并推出三类调速路径。
• 会按转差功率分为消耗型、馈送型、不变型。
• 会解释降压调速为什么是转差功率消耗型。
• 会写 $T_e\propto U_s^2$，并解释降压后转矩能力下降。
• 会说明闭环变压调速能改善静特性，但不能解决低速效率问题。
• 会结合图5-11解释低速转差功率损耗。
• 了解软起动和轻载降压节能的适用边界。