摘要
本毕业论文所研究的是双闭环三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。对于绕线式异步电动机来说，由于改变其转子绕组控制变量以实现调速，转子侧的控制变量有电流、电动势、电阻等。通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势，这也是本文所要研究的重点之一。
利用串级调速系统，就是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。这是本文所必须研究的，也是本文的核心所在。并通过利用MATLAB软件对双闭环串级调速系统进行仿真，仿真结果表明通过双闭环串级调速系统能及时地对给定速度进行反馈，提高调速的准确性。
关键词：双闭环；串级；调速；MATLAB.
Abstract
The graduation thesis studies three-phase asynchronous motor is double loop bunch_rank speed-control of the basic principle and implement method. With wound rotor series, asynchronous motors can adjust speeds through control variables, which include electric current, electromotive force and resistance, etc. on the rotor side. Typically, the rotor current is determined by the load and cannot be adjusted freely. In contrast, adjusting rotor’s return circuit impedance tends to consume more power along with other disadvantages. Therefore, electromotive force should be the only control variable on the rotor side, which is also one of the major points research in this paper.
In summary, concatenation control system is one effective means to realize high control ability in series-wound asynchronous motors. Specifically, it is used to replace resistance with rotor’s electro motive force and absorb slip power; and to enhance the static and dynamic capabilities of the system using double closed loop. We refer to this method of utilizing additional electromotive force to recycle slip power as concatenation control with double close loop, which is also the focus of this paper.And through the use of MATLAB software on the double closed loop bunch_rank speed-control system, and simulation draw simulation diagram,the results show that by double closed loop bunch_rank speed-control system can timely given speed feedback, to improve the accuracy of speed
Keywords:double-loop；cascade；governor；MATLAB.
目录
摘要...................................................... I Abstract..................................................... II 1绪论. (1)
2串级调速的原理 (3)
2.1异步电动机转子附加电动势时的工作情况 (3)
2.2串级调速的功率传递关系 (4)
2.3串级调速系统及其附加电动势的获得 (5)
3 双闭环三相异步电机的静态特性和动态特性 (9)
3.1三相异步电动机串级调速开环工作机械特性 (9)
3.2三相异步电动机单闭环ASR系统静特性 (11)
3.3双闭环调速系统的静态和动态特性 (13)
4总体设计方案 (17)
4.1双闭环三相异步电机串级调速各个模块的功能 (17)
4.2串级调速系统设计 (23)
4.3双闭环系统设计 (24)
4.4 总电路图的设计 (25)
5系统仿真 (27)
5.1仿真软件的简介 (27)
5.2具体的软件仿真设计 (27)
5.3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (36)
总结 (37)
参考文献 (38)
致谢 (39)
1 绪论
电力传动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置。它广泛应用在精密设备和精密机构、加工和再加工机器以及运输工具中，也广泛应用在原材料工业以及其他工业部门的传送、预选、一般生产装置和辅助装置等凡是需要动力的场合中。目前，单个设备的功率可从几毫瓦到几百兆瓦，转速从每小时几转到每分钟几十万转，调速范围在无变速机构情况下可达1：10000。在生产的总电能中，大约有2/3用在电力传动上[1]。
电力自动控制系统的特征是，它可以完成能量变换和控制所需要的信息处理。因此，采用自动传动方法，一方面可以把人们从繁重的体力劳动中解放出来，另一方面也可以把人们从信息处理的工作中解脱出来。这样，总的来看，其结果就是改善人们在生产过程中的工作条件，并且大幅度提高全社会生产和再生产的效率，电力传动自动控制系统是提高劳动生产率的合理手段和促使国民经济不断增长的重要因素。因而，正确采用电力传动控制系统并使之进一步向前发展，对我国的国民经济的发展具有十分重要和特别现实的意义。
电力传动技术主要有直流和交流两种，由于直流电机存在机械换向问题，其最大供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构的影响使其不适用于腐蚀性、易暴性和含尘气体的特殊场合。交流电动机一直受到人们的重视。它体积小、重量轻、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、便于维修。只是长期以来由于它的控制比较复杂和调速性能差、装置价格高、效率低，使交流调速未能推广。自从微处理器出现后，国外在绕线异步电动机串级调速、无换向电机调速、鼠笼型异步电动机的矢量控制以及PWM技术方面，都已经获得重大突破与发展，进入工业应用阶段。可以说，交流传动逐步取代直流传动已经成为明显的发展趋势。特别是“节能型”交流传动技术，已经得到很快发展。在过去大量的应用的所谓不变速拖动系统中，有相当一部分是风机、水泵等拖动系统，这类负载约占工业电力拖动的一半。其中有些并不是真的不需要变速，只是由于过去的交流电机都不能调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗了大量的电能。
如果能够转换成双闭环串级调速系统，则消耗在挡板阀门上的功率就可以节省下来，每台约可节能20%以上。总起来的节能效果是很可观的。我国在这方面也有了长足的发展。例如淮北矿业集团临涣煤矿是一所现代化矿井，由于生产相对集中，所需排风量一直不高，实际在70M3/s左右，采用风闸门调节方式。由于风闸门开启程
度减小，通风网路阻力增大，克服附加阻力消耗了许多电能，调节方式极不经济，为解决这一问题，该矿也应用串级调速技术对抽风机进行了技术改造，从而大幅度提升了生产效率，也产生了一定的经济效益和社会效应[2]。还有在水厂当中，为了节约能源，降低成本，解决现有水泵扬程过高，加上供水管道口径扩大调整，原水水质恶化，原有的净水设备达不到要求和城市用水大大超过水厂设备的能力，造成出厂水压力大幅度降低，使水泵长期处于低效率的运行状态下，在这种情况下应该对原有的设备进行改进，从而获得更出色的性能以满足需求。调速方法有很多种，惟独串级调速系统机构复杂程度中等，长期低速运行时电效率高，成本中等，对维修技术要求不高，特别是对于需要调节转速的风机、水泵上的应用。节电率可以达到20%到40%，便于对旧设备进行改造，因此，就我国现在的经济实力，管理水平和工业状况来看可控硅有源逆变串级调速是一种非常合适的方案。如果再加入双闭环技术的话那么性能将会进一步获得提升。因此研究串级调速系统是一个很有意义的课题。
串级调速理论早在20世纪30年代就已提出，到了60～70年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用。20世纪60年代以来，由于高压大电流晶闸管的出现，串级调速系统获得了空前的发展。60年代中期，W.Shepherd和J.Stanw 就提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流，然后经过晶闸管逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机的定子辅助绕组中的晶闸管串级方案，称为“定子反馈”方案，而把通过变压器（逆变变压器）将转差功率反馈到电网（常规的晶闸管串级）称为“电网反馈”方案[3]。在“定子反馈”方案中，辅助绕组与定子绕组电气上绝缘，通过磁耦合，即电磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈到电网，这就是我们所说的“内馈”串调。
20世纪60年代末期，我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验，70年代后期，西安整流器厂首先推出了系列产品，以后其他厂家也相继推出。国内最先是由屈维谦在80年代后期提出内馈串级调速方案的[4]。90年代中期以后，有一家公司又推出斩波式内馈串调。随着电力电子技术和控制策略的发展，新的拓扑结构和控制策略被不断提出。到目前为止全国已有四到五家知名的内馈串级调速装置的生产厂家。
如今节约能源、更加合理地、有效地利用能源是一项艰巨、利国利民造福子孙的长期工作，也是我国的一项基本国策。随着我国改革开放不断深入和国民经济、科学技术的飞速发展，国家大量拨款加速建设，现在已经取得了很大的进步，有部分项目已经达到了实用化阶段，相信在不久的将来我国在双闭环串级调速系统方面一定会赶
上或进一步缩小与发达国家之间的差距。
2 串级调速的原理
2.1 异步电动机转子附加电动势时的工作情况
首先作这样一个设想：若在绕线式异步电动机转子回路中串入与转子电动势同频率的附加电动势，通过改变附加电动势的幅值大小和相位，从而实现调速。这样，电动机在低速运行时，转子中的转差率只是小部分在转子绕组上消耗掉，而转差功率的大部分被串入的附加电动势所吸收[5]。再利用产生附加电动势的装置，设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网，就能使电动机在低速运转时仍具有较高的效率如图
2.1。这种在绕线式异步电动机转子回路中串入附加电动势的高效率调速方法，就是
串级调速。
三相交流电源
三相交流电源
交
流异步电机
图2.1 转子附加电势的装置
下面分析异步电动机转子附加电动势时的工作情况。 异步电动机运行时其转子相电动势为：
220E SE （2.1） 式中 S --异步电动机的转差率；
E 20---绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称开路电动势，转子额
定电压值。
转子电动机 E 2值与其转差率S 成正比，同时它的频率f 2也与S 正比，f 2=Sf 1按常规接线时，转子相电流的方程式为：
2I SE = （2.2）
R 2为转子绕组每相电阻；X 20为S=1时转子绕组每相漏抗。
现在在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势E add ，并与转子电动势E 2串联。E add 应与E 2有同频率，但与E 2同相或反相。
220I (SE ()E add =+- （2.3）
当电力传动的负载转矩M 1为恒定时，可认为转子电流I 2也为恒定。设在未串
入附加电动势前，电动机原在S=S 1的转差率下稳定运行。当加入反相的附加电动势后，由于负载转矩恒定，因此电动机的转差率必须加大。这个过程也可描述为，由于反相附加电动势的引入瞬间，转子回路总的电动势减少，转子电流也随之减小，使电动机电磁转拒也减少；由于负载转拒没有变，所以电动机就减速，直至S=S 2时，转子电流有恢复到原来的数值，电动机进入新的稳态工作。此时关系式为：
220
20I (S E E X )(S X )]
add
=-= （2.4） 同理，加入同相附加电动势E add 可使电动机转速增加。所以，当绕线转子异步电动机转子侧引入一可控的附加电动势时，即可对电动机实现转速的调节。
2.2 串级调速的功率传递关系
在一般电动机转子中串入附加电动势而形成的串级调速，从功率关系来看，实质上就是利用附加电动势E add 来控制异步电动机转子中的转差功率而实现调速[5]。串级调速可以实现5种基本运转状态，不同运转状态下的功率传递因素关系如图2.2所示。五种状态如下：
第一种是低于同步转速电动机的运转状态。 第二种是高于同步转速电动机运行状态。 第三种是高于同步速的发电制动运转状态，。 第四种是低于同步速的发电制动运转状态。 第五种是倒拉反接制动状态。
a)次同步速电动状态b)反转倒拉制动状态c)超同步速回馈制动状态
d)超同步速电动状态e)次同步速回馈制动状态
图2.2 异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程本毕业设计主要研究的属第一种，低于同步转速电动机的运转状态。这种状态下转子电流I2与转子绕组感应电动E2相位趋于一致，而I2与串入附加电动势E add相位相反，故转子绕组E2输出转差功率P S=S*P被E add装置所吸收，再借助于E add 装置将吸收的转差功率回馈入电网。
2.3 串级调速系统及其附加电动势的获得
在电动机转子中引入附加电动势固然可以改变电动机的转速，但由于电动机转子回路感应电动势E2的频率随着转差率而变化，所以附加电动势的频率亦必须能随电动机转速而变化[6]。这种调速方法就相当于一个在转子侧加入可变频、可变幅电压的调速方法。当然以上只是从原理上来分析，在工程上可有不同的实现方法。
实际系统中是把转子交流电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，控制直流附加电动势的幅值，就可以调节电机的转速。这样就把交流可变频率的问题转化为与频率无关的直流问题，使得分析与控制都方便多了。显然可以利用
一整流装置把转子交流电动势整流成直流电动势，再利用晶闸管组成的可控整流装置来获得一个可调的直流电压作为转子回路的附加电动势。那么，对这一直流附加电动势有什么技术要求呢？
首先，它应该是平滑可调的，以满足对电机转速的平滑调节。另外从功率传递的角度来看，希望能吸收从电动机转子侧传递过来的转差功率并加以利用，譬如把能量回馈电网，而不让它无谓的浪费掉，那就可以大大提高调速的效率。根据上面的叙述，如果选用工作在逆变状态的晶闸管可控整流器作为产生附加直流电动势的电源，是完全能满足上述要求的。
异步电动机M以转差率S在运行，其转子电动势SE20经三相可控整流装置UR 整流，输出直流电压U d。工作在逆变状态的三相可控整流装置UI，除提供一可调的直流输出电压Ui作为调速所需的附加电动势外，还可将经UR整流后的输出的电动机转差功率逆变器回馈到交流电网。电动势平衡方程式：
U d=U i+I d R （2.5）
K1SE20=K2U2T COSβ+I d R （2.6）式中，K1和K2是UR和UI两个整流装置的电压整流系数，如果它们都采用三相桥式连接，则，K1= K2=2.34
U i—逆变器输出电压
U2T—逆变器的次级相电压
β—晶闸管逆变角
R—转子直流回路的电阻
下面就分析一下它的工作原理。当电动机拖动恒转矩负载在稳态运行时，可以近似认为I d为恒值。控制β使它增大，则逆变电压U i立即减小；但电动机转速因存在着机械惯性尚未变化，所以U d仍然维持原来的数值，根据公式可以得知转子直流回路电流I d增大，相应转子电流I2也增大，电机就加速；在加速过程中转子的转差率变小，因此整流电压随之减少，故又使电流I d减少，直至U d与U i根据公式取得新的平衡，电机进入新的稳定状态以较高的转速运行。同理，减小β可以使电机在较低的转速下运行。以上就是电力电子器件组成的绕线式转子异步电动机电气串级调速系统的工作原理。在电路图中，除拖动电机外，其余的元件都是静止的元、器件，所以也称为静止型电气串级调速系统。从这些装置的联接可以看出，他们构成了一个交-直-交变频器，但由于逆变器通过变压器与交流电网相联，它输出的频率是固定的，所以实际上是一个有源逆变器。从这一点来说，这种调速系统可以看作是电动机定子
在恒压恒频供电下的转子变频调速系统。这种串级调速系统由于β值可平滑连续调节，使得电机转速也能被平滑地调节。另外，由于电动机的转差功率能通过转子整流变换为直流功率，再通过逆变器变换为交流功率回馈到交流电网，所以就解决了一开始所提出的一般转差能耗调速方法存在的两个问题。因此串级调速方法也称为转差功率回馈型的调速方法[7]。
2.4 串级调速系统的工作原理
下面按起动、调速与停车三种情况来分析串级调速系统的工作。对电气传动装置而言，实质上是否获得加减速时所必需的电磁转矩[8]。讨论中认为电动机轴上带有反抗性的恒转矩负载。
电动机能从静止状态起动的必要条件是能产生大于轴上负载转矩的电磁转矩。对电气串级调速系统而言，就是应有足够大的转子电流I r或足够大的整流后的直流电流I d，为此，转子整流电压U d与逆变电压U i间应有较大的差值。异步电动机在静止不动时，其转子电动势为Er0;控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，U d与U i的差值能产生足够大的I d,以满足所需的电磁转矩，但有不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩状态下加速起动。随着异步电机转速的提高，其转子电动势减少，为了维持加速过程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大β角以减少U i值，维持（U d- U i）基本恒定。当电动机加速到所需转速时，不再调整β角，电动机即在此转速下稳定运行。设此时的S=S1, β=β1,则有
K1S1E r0=K2U2T COSβ1+I dL R （2.7）其中I dL为对应于负载转矩的转子直流回路电流。
改变β角的大小就可以调节电动机的转速。当增大β角使β=β2>β1时，逆变电压就会减少，但电动机的转速不能立即改变，所以I d将增大，电磁转矩也增大，因此产生的动态转矩使电动机加速。随着电动机转速的增高，K1S1E r0减少，I d回降，直到产生下式所示的平衡状态，电动机乃在增高了的转速下稳定下运行。
K1S2E r0=K2U2T COSβ2+I dL R (2.8)其中，β2>β1，S2 电动机的停车有制动停车和自由停车两种[9]。对于处于次同步转速下运行的双馈调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。在串级调速系统中与转子连接的是不可控整流装置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可能向转子输入电功率。因此串级调速系统没有停车制动功能。只能靠减小β角逐渐减速， 并依靠负载阻转矩的作用自由停车。 根据以上对串级调速系统工作原理的讨论得出下列结论： (1)串级调速系统能够靠调节逆变角β实现平滑无级调速； (2)系统能把异步电动机的转差功率馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效的利用，大大提高了调速系统的效率[10]。 3 双闭环三相异步电机的静态特性和动态特性 3.1 三相异步电动机串级调速开环工作机械特性 三相异步电动机串级调速开环工作机械特性是指三相异步电动机串级调速系统中无闭环负反馈作用时电动机的转速n 与转矩T em 之间的关系： n =f （T em ） （3.1） 三相异步电动机的转速n 与转差率s 之间存在一定关系： 1 1n n n s -= （3.2） 所以三相异步电动机的机械特性也往往用Tem =f （s ）的形式表示： S S S S T T m m m em += 2 （3.3） N N N n P T 9550 = （3.4） N T m T T λ= （3.5） )1(2 -+=T T N m s s λλN m m N m N S S S S T T += 2 （3.6） 将式（3.5）和式（3.6）代入式（3.7）即可得到机械特性方程式。 表3.1 加负载转矩的开环机械特性测定实验表 图3.1 加负载转矩开环机械特性测定实验图 通过上述实验数据如表3.1所示，画出机械特性测定实验图如图3.1所示，可以看出当触发电路导通后，电源电压不变，只改变系统负载的情况下晶闸管电流也随着变化，负载转矩增大，晶闸管电流也随之略有增大[11]。 表3.2 改变给定电压时的开环机械特性表 图3.2 改变给定电压时的开环机械特性图 由实验数据表3.2可知，随着给定电压的变化，触发电路导通，晶闸管和转速也发生变化。给定电压由0V到3V的过程中，转速随之逐渐变大，当给定电压从3V 到5V，转速开始降低，同时晶闸管电流下降。如图3.2所示。 3.2 三相异步电动机单闭环ASR系统静特性 闭环反馈控制系统是按被调量偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会通过负反馈作用来自动地纠正偏差，以抑制扰动对输出量的影响[12]。 3.2.1 三相异步电动机单闭环ASR系统有静差 引入转速负反馈只能减少静态转速降落，使转速尽可能维持接近恒定，而不可能完全回复到原来数值(即有误差)。这种维持被调节量(转速)近于恒值但又有静差的调节系统，通常称为有差恒值调节系统，简称有静差系统。 表3.3 单闭环静差系统数据表 图3.3 单闭环静差系统实验图 通过上述实验数据如表3.3所示，利用数据得出图3.3可以看出当触发电路导通后，当电动机轴上的负载转矩加大时，负载电流增加，电枢主回路的总电阻电压降落便增加，因为此时晶闸管整流装置输出的整流电压还没有变化，于是电动机的反电动势E a＝K en便减小，电动机转速随之下降。电动机转速下降后，负反馈电压U n也 U n*并没有改变，而U＝U n*–U nl，偏差电压便有 下降到U 所增加，它使晶闸管整流装置的控制角减小，整流电压上升，电动机转速就回升了。 但是，电动机的转速不能回升到原来的数值。因为假如电动机的转速已经回升到了原 ＝U n*–U n， 值，那么测速发电机的电压也要回升到原来的数值，由于偏差电压U 偏差电压又将下降到原来的数值，也就是说偏差电压U没有增加，U 不增加， 晶闸管整流装置的输出整流电压U do COSα也不能作相应的增加，以补偿电枢主电路电阻所引起的电压降。这样，电动机的转速又将重新下降到原来的数值，不能因引入转速负反馈而得到相应的提高了。 3.2.2 三相异步电动机单闭环ASR系统无静差 有静差调速系统，进行给定信号和反馈信号综合的运算器是比例放大器（称为P 调节器），其输出电压就是可控整流电源的控制电压[13]。如果系统没有静差，给定电压和反馈电压相等，放大器就没有输出电压，可控整流电源也就没有输出电压，系统就不能工作，因此可以说系统是依靠误差而运行的。从静特性方程进行的推理可知，由于放大器的放大倍数不可能为无穷大，所以闭环转速降也不可能为0，在静态时其放大倍数接近无穷大，或静态时其输入电压为0，但仍保持有输出电压。 积分运算器的应用，实现了转速控制的无静差要求，但是，由于积分时间的影响，大大减慢了系统自动调节的速度，使系统的动态响应变慢。为此无静差转速控制系统常采用比例-积分运算器也称为PI调节器。 表3.4 单闭环无静差系统实验数据表 图3.4 单闭环无静差系统实验图 从上述表3.4的数据可以看出，在单闭环无静差转速控制系统中当负载转矩增大时，晶闸管电流有小幅波动但基本维持恒定不变，晶闸管电压不发生变化，而转速有所下降，如图3.4所示。通过图形可以看出单闭环无静差转速控制系统要比开环机械特性要硬。 3.3 双闭环调速系统的静态和动态特性 3.3.1 双闭环调速系统的静态特性分析 表3.5 双闭环静差特性数据表 图3.5 双闭环静差系统实验图 从实验数据来看如表3.5所示，双闭环静差系统电流负反馈有使静特性变软的趋势,但有转速反馈环包在外面，电流负反馈对于速度环来说相当于一个扰动作用，只要速度环的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就能受到抑制。何况速度环用的是PI调节器，整个系统是无静差的调速系统. 也就是说，当速度环不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降被转速调节器的积分作用消除。一旦 转速调节器饱和，速度环即失去作用，只剩下电流环起作用。这时，系统表现为恒流调节系统，静特性呈现下降趋势。如图3.5所示。 3.3.2 双闭环调速系统的动态特性分析 从动态响应过程来看,突加给定信号U gn的瞬时，转速负反馈很小，近似为零，速度调节器很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压U gim,经过电流调节器，使电动机很快地起动，起动后，虽然转速反馈电压U fn增长了，但是由于速度环的积分作用，只要还是U fnU gn输入偏差电压ΔU变成负值,速度环退出饱和。因此，在整个升速过程中,速度环一直处于饱和,这相当于使速度环处于开环状态，系统只在电流环的恒值作用下以最大电流起动。直至超调后,速度环才真正发挥作用，使转速渐趋稳定。这样，就巧妙地利用了速度调节器的饱和非线性，在一段时间内使它的作用隔断，使系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。 双闭环调速系统突加给定电压后，由静止状态启动时转速和电流的过渡过程波形如以下的图中所示。由于在启动过程中转速调节器经历了不饱和、饱和、退出饱和三个阶段，因此，整个过度过程也分为三个阶段[3]。 第一阶段是电流的上升阶段，突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，是U k、U do、I d都上升。当I d>I fz后，转速N开始增长。由于电动机机电惯性较大，转速和转速反馈增长较慢，因而转速调节器ASR的输入偏差电压△U n=U gn-U fz数值较大其输出电压很快达到了限幅值，并输送给电流调节器ACR，使其输出U k迅速增大，从而使触发脉冲从90度初始位置快速前移，迅速地使整流电压U do增大，进而使电流I d迅速增大。当I d=I dm时，U fi=U gim,电流调节器的作用使I d不再增长，而保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ST由不饱和很快达到饱和，而电流调节器LT一般是不饱和的，以保证电流环的调节作用。这些都是设计时予以保证的。 第二阶段是恒流升速阶段，即以最大电流给定升速。这一段是电流上升到最大值I dm开始，到转速上升到给定值N ed即静特性上的N0为止，是启动过程的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定U gim作用下的电流调节系统，基本上保持电流I d恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数）。与此同时，在电流环实现恒流调节的过程中，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，反电势E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动。U k和U do也必须基本上按线 性增长，才能保证I d恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压△U i=U gim-U fi必须维持一定的恒值，也就是说I d应略低于I dm。上述情况表明，电流恒值调节过程同时伴随着对反电动势扰动的调节过程，反电动势扰动对电流的影响被电流调节器的积分作用所补偿。因此，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中，电流调节器是不饱和的，而且要求电流调节器的积分常数和调节对象的时间常数要互相配合，这正是电流调节器在设计的时候需要解决的问题。同时，还要求整流装置的最大电压U dm必须留有余地，即晶闸管装置也不应该出现饱和，以保证提供足够大的整流电压满足调节能力的需要。 第三阶段是转速调节阶段。在这个阶段开始时，转速已经达到了给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零即U gn=U fn,△U n=0。但其输出却由于转速调节器ASR的积分作用还维持在限幅值上，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，转速调节器ST的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压也就是电流ACR的给定电压U gi立即从限幅值降下来，主电路电流I d也随之迅速减小。但是，由于I d仍大于负载电流I fz，在一段时间内，转速仍继续上升，直到I d=I fz时，转矩M=M fz，则转速N达到峰值。以后，电动机才开始在负载转矩Mfz的作用下减速。与此相应，电流I d也出现一段小于I fz的过度过程，直到进入稳态。综合上述可知，在这一段内，转速调节器ASR和电流调节器ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速环在外环，转速调节器处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使得系统稳定；电流调节器的作用则是力图使I d尽快地跟随转速调节器ASR的输出U gi的变化，也就是说，电流内环的调节过程是速度外环支配的，故而形成了一个电流随动系统。 综合上述，双闭环调速系统的启动过程具有三个特点： （1）饱和非线性控制； （2）转速超调； （3）准时间最优控制。 随着转速调节器ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当不饱和时，转速形成闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的系统，这就是饱和非线性控制特征。 转速环开环后，转速的动态响应一定有超调。只是在转速超调后，转速调节器ASR退出饱和，才真正发挥线性调节作用。从另一个角度看，在ASR饱和期间， 它也并不是没有作用的，而是起着饱和的非线性控制作用。 启动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定。一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使启动过程尽可能最快，这个阶段电流受到限制条件下的最短时间控制，或者称“时间最优控制”，但整个启动过程与理想快速启动过程还是有差别的，主要表现为第二，第三阶段的电流不是突变。不过这两段的时间只占全部启动时间的很小的一部分，已经无关大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为“准时间最优控制”过程[14]。
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