3.3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析

1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2-34，可以很容易地畫出穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3-6所示。

2.穩(wěn)態(tài)特性方程

分析穩(wěn)態(tài)特性的關(guān)鍵是掌握該P(yáng)I調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和（輸出達(dá)到限幅值）、不飽和（輸出未達(dá)到限幅值）。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，這相當(dāng)于飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了系統(tǒng)輸入和輸出間的聯(lián)系，使該系統(tǒng)處開環(huán)狀態(tài)，失去調(diào)節(jié)作用（或稱為飽和非線性控制作用）。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI的作用使輸入偏差電壓ΔU在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。

實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。然而，對(duì)于穩(wěn)態(tài)特性來說，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有不飽和與飽和兩種情況。

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和

此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零，因此

由式（3-21）可得

從而得到圖3-7所示的穩(wěn)態(tài)特性的n₀A段。由于ASR不飽和，，I_d＜I_dm，因而可知，n₀A段特性從理想空載狀態(tài)的I_d=0一直延續(xù)到I_d=I_dm，通常，I_dm都是大于額定電流I_dN的，這就是穩(wěn)態(tài)特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性曲線。

（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和

這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的電流單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)有

式中，最大電流I_dm是選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式（3-23）所描述的穩(wěn)態(tài)特性對(duì)應(yīng)于圖3-7中的AB段，它是一條垂直的特性曲線。這樣的下垂特性只適合于n＜n₀的情況，因?yàn)槿绻?i>n＞n₀，則U_n＞，ASR將退出飽和狀態(tài)。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性在負(fù)載電流小于I_dm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到I_dm時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，并獲得過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果，其穩(wěn)態(tài)特性（見圖3-7）顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性好。

【例3-4】在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，已知電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為U_N、I_N、n_N、R_a，功率放大器放大系數(shù)K_s和內(nèi)阻R_rec，電動(dòng)機(jī)的允許過載系數(shù)λ=1.5。

1）若ASR、ACR的限幅輸出分別為和U_ctm，如何確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α和電流反饋系數(shù)β。

2）設(shè)系統(tǒng)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在額定情況下正常運(yùn)行，若因?yàn)槟撤N原因勵(lì)磁電流減小使磁通Φ下降一半，系統(tǒng)工作情況如何變化？寫出、U_ct、U_d、I_d及n在穩(wěn)定后的表達(dá)式。

解：1）按最大給定電壓對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n_N來確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，ASR采用PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)=U_n=αn，因此有=αn_N，所以α=。

按電動(dòng)機(jī)最大允許過載電流I_dm對(duì)應(yīng)于ASR輸出限幅值來確定電流反饋系數(shù)β，而ACR又采用PI調(diào)節(jié)器，則有=U_im=βI_dm=β×1. 5I_N，所以有β=/（1. 5I_N）。

2）系統(tǒng)在額定情況下正常運(yùn)行，n=n_N，I_d=I_N。若磁通Φ下降一半，則E=K_eΦn下降，I_d和U_i將隨之增加，但因未變，在電流環(huán)調(diào)節(jié)作用下使U_d、U_ct下降以維持I_d=I_N暫時(shí)不變，從而使T_ed=K_mΦI_N下降為原來的一半。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，T_L不變；所以T_ed＜T_L，電動(dòng)機(jī)減速，n下降，U_n隨之下降，因未變，而使ASR飽和，輸出為，在電流環(huán)調(diào)節(jié)作用下，電流上升達(dá)到I_dm=1. 5I_N并維持不變，T_ed因電流變大而回升，但也只能為原來轉(zhuǎn)矩的75%（0. 5×1. 5=0. 75），仍然小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將繼續(xù)下降，直至n=0。這時(shí)，，I_d=I_dm=1. 5I_N，U_d=I_dmR=1. 5I_NR，U_ct=U_d/K_s=1. 5I_NR/K_s。

以上分析了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，可知這種系統(tǒng)具有優(yōu)良靜特性，從而得到了最廣泛的應(yīng)用。下一章將重點(diǎn)研究這種系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。