聊一聊電機直接進入主動短路時動態(tài)電流的變化情況

前言

隨著新能源汽車的大力推廣，現(xiàn)在對功能安全的需求越來越強烈：對于電控系統(tǒng)，當發(fā)生了違背轉矩安全的失效時，控制器需要進入安全狀態(tài)。以永磁同步電機驅動系統(tǒng)而言，其安全狀態(tài)一般是關管或者主動短路（ASC）兩種。

因為永磁同步電機存在反電勢，如果在高速關管，可能會產生較大的發(fā)電扭矩，導致違背安全目標，所以高速會設計主動短路作為安全狀態(tài)。所謂的主動短路就是主動將電機的三相線短接的方法，主動短路進入穩(wěn)態(tài)后，永磁同步電機在中高速區(qū)域的輸出轉矩約為0轉矩，滿足轉矩安全的要求。

今天電控小白就來和大家聊一聊電機直接進入主動短路時動態(tài)電流的變化情況。

高速ASC的穩(wěn)態(tài)電流簡析

我們先來簡單分析一下永磁同步電機高速進入ASC后的問題電流情況，為了分析這個問題，電控小白又要利用永遠也離不開的永磁同步電機的DQ軸電壓方程啦：

為了分析穩(wěn)態(tài)電流，簡化為穩(wěn)態(tài)方程：

主動短路是使電機三相線短接，所以ud和uq均為0，可以推出穩(wěn)態(tài)電流：

從表達式可以看出來，D軸穩(wěn)態(tài)電流小于0，Q軸穩(wěn)態(tài)電流與轉速符號相反；當電機運行在中高速區(qū)域時，DQ軸感抗會遠大于Rs，Q軸電流將約為0，所以電機工作在小功率（高速小轉矩）發(fā)電狀態(tài)。

對于電機為什么一定處于小轉矩發(fā)電狀態(tài)，其實很好理解：電機三相線短接，電機無法與直流端進行能量交互，但是只要電機三相存在電流，就必然存在能量消耗（銅損和鐵損），這部分能量只能從外界動能轉化而來，因此電機必然處于發(fā)電狀態(tài)，而且發(fā)電功率不會太大（發(fā)電功率必須等于電機的損耗功率）。

忽略Rs相關項，得到近似的電流表達式：

因此對于高速ASC，永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電流其實約等于電機特征電流i0。

電動狀態(tài)進入ASC的動態(tài)電流分析

接下來我們繼續(xù)分析電機進入ASC后的動態(tài)過程：

為了方便分析，先規(guī)定一下工作狀態(tài)吧：正轉、電動工況、id>i0

當電機從正常工作狀態(tài)進入ASC時，電機端電壓變?yōu)?：

從上面的表達式可以看出，當iq>0時，id增大；iq<0時，id減小。當id>i0時，iq減小；當id

為了驗證前面那麻煩的動態(tài)分析是不是正確，電控小白利用Matlab仿真模型進行仿真（請原諒電控小白資源有限，沒辦法用真實臺架測試數(shù)據(jù)了），這里給出仿真波形：

從上面波形可以看出，DQ軸電流的動態(tài)變化過程與電控小白前面的分析基本吻合，這說明前面的分析方法是正確的（還好，能吻合，不然就啪啪打臉了）。

從波形我們還能得到以下幾點結論：

1、電機從正常運行直接進入ASC后，可能會產生一個很大的電流沖擊，沖擊電流主要由D軸電流引發(fā)，同時電流沖擊發(fā)生在電機從發(fā)電狀態(tài)轉換為電動狀態(tài)前面一點點；

2、D軸電流的沖擊幅值可能遠大于穩(wěn)態(tài)電流（仿真波形中D軸電流沖擊達到了1450A）；

3、切入ASC會導致DQ軸電流形成振蕩；

4、切入ASC引發(fā)的電流振蕩幅值會逐漸衰減，最終電流收斂到穩(wěn)點電流值，DQ軸電流的波形是在穩(wěn)態(tài)值的基礎上疊加幅值逐漸衰減的振蕩電流；

5、Q軸電流中的振蕩分量相位上超前D軸電流振蕩分量約為90°（小于90°）。

Tips：

1、仿真工況：電機運行電頻率200Hz，進入ASC前電機Id=-200A，Iq=400A，高速主動短路穩(wěn)態(tài)電Id約為-600A；

2、DQ軸電流的振蕩頻率與電機的電頻率相同，同為200Hz；

3、沖擊電流為什么主要由D軸電流形成：因為DQ軸電流是正交的電流，電流矢量的幅值是DQ軸電流的平方和，同時當D軸電流達到峰值時，Q軸電流約為0，所以可以忽略此時的Q軸電流對電流幅值的影響；

4、為什么D軸電流最大值對應的不是前面分析的Q軸電流為0時刻：因為前面分析中是忽略了定子電阻Rs的影響，如果引入Rs的影響，那分析結果就與波形能對應，這里電控小白就不在班門弄斧了，感興趣的讀者可以自行分析；

5、為什么電流中的振蕩分量會逐漸衰減到0：因為有定子電阻的存在，定子電阻會消耗振蕩的能量，使電流逐漸收斂；也可以從另外一個角度來理解這個問題，電阻和電感構成了一階低通濾波器，它對交流量存在衰減的作用，所以最終交流成分會被衰減到0；

6、為什么沖擊電流最大幅值一定是出現(xiàn)在電機從發(fā)電過渡到電動前一點點：這個問題可以從能量的角度來理解，DQ軸電流越大，對應的電機電感儲存的能量就越多，電機進入ASC狀態(tài)后，能量只能與機械能交互；電動狀態(tài)是將電感磁場能轉換為機械能，電感電流減?。话l(fā)電則是將機械能轉換為電感磁場能，電感電流增大；所以發(fā)電狀態(tài)下的電流幅值一定大于電動狀態(tài)；同時電機自身存在損耗（銅損和鐵損），因此當發(fā)電功率等于電機自身損耗時，電感的能量達到最大，對應電流達到最大。

發(fā)電狀態(tài)進入ASC的動態(tài)電流分析

前面分析了電動狀態(tài)進入ASC的動態(tài)電流變化過程，我們繼續(xù)來分析一下從發(fā)電狀態(tài)切換ASC的電流的動態(tài)變化過程，同樣還是借用前面的公式：

電控小白同樣利用仿真來驗證分析是否正確：

從上面波形可以看出，DQ軸電流的動態(tài)變化過程與電控小白前面的分析基本吻合，這說明前面的分析方法是正確的。

從波形我們同樣能得到與電動工況相同的結論，電控小白就不在這里羅里吧嗦，耽誤各位看官大人的寶貴時間了。

對比電動與發(fā)電的波形，其實不難發(fā)現(xiàn)：電動狀態(tài)最終會進入和發(fā)電相同的電流變化過程，電動狀態(tài)相比發(fā)電狀態(tài)只是增加了前面一段過渡到發(fā)電的變化過程，但是對最大沖擊電流出現(xiàn)的工況點沒有任何影響。

DQ軸動態(tài)電流振蕩分量幅值關系

我們首先來分析一下DQ軸振蕩分量的幅值關系，先定義一下分析的時候需要使用的變量，防止大家后面不知道我在說啥。

i0—電機特征電流

idm—D軸電流振蕩分量幅值

iqm—Q軸電流振蕩分量幅值

基于前面分析不論是電動還是發(fā)電最終都會進入發(fā)電工況，所以這里直接以發(fā)電工況來分析，同時為了簡化分析，我們先不考慮電阻對振蕩的衰減作用，即認為振蕩幅值恒定不變：

利用前面分析電流動態(tài)變化時使用的公式進行適當?shù)淖冃危?/p>

上面波形中T1到T2之間的波形正好對應DQ軸振蕩分量的四分之一周期；因此從T1時刻到T2時刻，D軸電流的變化量正好是諧振分量的幅值Idm；同時iq在T1到T2的定積分值為圖中綠色陰影面積，這里可以用定積分公式計算出iq的積分值：

從DQ軸振蕩電流幅值的對應關系，能看出來，對于內置式凸極電機而言（Ld

D軸電流振蕩分量幅值計算

相信只是分析到DQ軸振蕩電流幅值的對應關系大家肯定不會滿意，電控小白接下來就分析一下D軸電流的最大幅值是多少，我們同樣還是直接分析發(fā)電工況。

還是利用前面的定積分公式，不過這次我們是對T0到T1這段時間進行定積分，假定T0到T1的時間為t：

D軸電流的變化量為（i0-id0）；iq的定積分為圖中紅色陰影區(qū)域面積的相反數(shù)，為了計算方便，我們以梯形ACFG的面積來近似等效紅色陰影面積。

Q軸電流的變化量為（-iqm-iq0）；（i0-id）的定積分為圖中綠色陰影區(qū)域面積的相反數(shù)，同樣為了方便計算，我們以三角形BDE的面積來近似等效綠色陰影面積。

從D軸沖擊電流幅值公式可以看出來，電流沖擊的大小不僅與電機本體參數(shù)相關，還與進入ASC時刻的電流初始值相關。

Tips：

1、以上分析是在忽略定子電阻Rs影響下進行的，因此這里分析的是振蕩電流無衰減情況下的電流最大值；

2、真實情況下，因為存在Rs的衰減作用，所以電流沖擊的幅值一般會小于這里分析的數(shù)值。

總結

這次分享主要分析了永磁同步電機高速從正常運行工況直接進入ASC后，電流的動態(tài)變化過程。

1、電機進入ASC后，會在DQ軸產生振蕩電流，振蕩電流的頻率與電機運行頻率相同；

2、因為定子電阻的存在，振蕩電流會逐漸衰減，DQ軸電流最終會收斂到ASC穩(wěn)態(tài)電流；

3、永磁同步電機進入ASC后的穩(wěn)態(tài)工作電流基本等于電機的特征電流，同時電機處于小功率發(fā)電狀態(tài)；

4、不論電機從何種工況進入ASC，其最終都會進入相同的收斂工況，最大沖擊電流由D軸電流引發(fā)；

5、沖擊電流的最大值不僅取決于電機本身的參數(shù)，還與進入ASC瞬間的電流初始值相關。

以上就是本次的分享內容，希望電控小白的這次分享能讓您對理解永磁同步電機電機ASC的動態(tài)電流過程有所幫助。