聊一聊電機(jī)直接進(jìn)入主動(dòng)短路時(shí)動(dòng)態(tài)電流的變化情況

前言

隨著新能源汽車(chē)的大力推廣，現(xiàn)在對(duì)功能安全的需求越來(lái)越強(qiáng)烈：對(duì)于電控系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生了違背轉(zhuǎn)矩安全的失效時(shí)，控制器需要進(jìn)入安全狀態(tài)。以永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，其安全狀態(tài)一般是關(guān)管或者主動(dòng)短路（ASC）兩種。

因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)存在反電勢(shì)，如果在高速關(guān)管，可能會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)電扭矩，導(dǎo)致違背安全目標(biāo)，所以高速會(huì)設(shè)計(jì)主動(dòng)短路作為安全狀態(tài)。所謂的主動(dòng)短路就是主動(dòng)將電機(jī)的三相線(xiàn)短接的方法，主動(dòng)短路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，永磁同步電機(jī)在中高速區(qū)域的輸出轉(zhuǎn)矩約為0轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)矩安全的要求。

今天電控小白就來(lái)和大家聊一聊電機(jī)直接進(jìn)入主動(dòng)短路時(shí)動(dòng)態(tài)電流的變化情況。

高速ASC的穩(wěn)態(tài)電流簡(jiǎn)析

我們先來(lái)簡(jiǎn)單分析一下永磁同步電機(jī)高速進(jìn)入ASC后的問(wèn)題電流情況，為了分析這個(gè)問(wèn)題，電控小白又要利用永遠(yuǎn)也離不開(kāi)的永磁同步電機(jī)的DQ軸電壓方程啦：

為了分析穩(wěn)態(tài)電流，簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)方程：

主動(dòng)短路是使電機(jī)三相線(xiàn)短接，所以u(píng)d和uq均為0，可以推出穩(wěn)態(tài)電流：

從表達(dá)式可以看出來(lái)，D軸穩(wěn)態(tài)電流小于0，Q軸穩(wěn)態(tài)電流與轉(zhuǎn)速符號(hào)相反；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在中高速區(qū)域時(shí)，DQ軸感抗會(huì)遠(yuǎn)大于Rs，Q軸電流將約為0，所以電機(jī)工作在小功率（高速小轉(zhuǎn)矩）發(fā)電狀態(tài)。

對(duì)于電機(jī)為什么一定處于小轉(zhuǎn)矩發(fā)電狀態(tài)，其實(shí)很好理解：電機(jī)三相線(xiàn)短接，電機(jī)無(wú)法與直流端進(jìn)行能量交互，但是只要電機(jī)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(dòng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，因此電機(jī)必然處于發(fā)電狀態(tài)，而且發(fā)電功率不會(huì)太大（發(fā)電功率必須等于電機(jī)的損耗功率）。

忽略Rs相關(guān)項(xiàng)，得到近似的電流表達(dá)式：

因此對(duì)于高速ASC，永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電流其實(shí)約等于電機(jī)特征電流i0。

電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入ASC的動(dòng)態(tài)電流分析

接下來(lái)我們繼續(xù)分析電機(jī)進(jìn)入ASC后的動(dòng)態(tài)過(guò)程：

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

當(dāng)電機(jī)從正常工作狀態(tài)進(jìn)入ASC時(shí)，電機(jī)端電壓變?yōu)?：

從上面的表達(dá)式可以看出，當(dāng)iq>0時(shí)，id增大；iq<0時(shí)，id減小。當(dāng)id>i0時(shí)，iq減?。划?dāng)id

為了驗(yàn)證前面那麻煩的動(dòng)態(tài)分析是不是正確，電控小白利用Matlab仿真模型進(jìn)行仿真（請(qǐng)?jiān)忞娍匦“踪Y源有限，沒(méi)辦法用真實(shí)臺(tái)架測(cè)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程與電控小白前面的分析基本吻合，這說(shuō)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(diǎn)結(jié)論：

1、電機(jī)從正常運(yùn)行直接進(jìn)入ASC后，可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的電流沖擊，沖擊電流主要由D軸電流引發(fā)，同時(shí)電流沖擊發(fā)生在電機(jī)從發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)狀態(tài)前面一點(diǎn)點(diǎn)；

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

3、切入ASC會(huì)導(dǎo)致DQ軸電流形成振蕩；

4、切入ASC引發(fā)的電流振蕩幅值會(huì)逐漸衰減，最終電流收斂到穩(wěn)點(diǎn)電流值，DQ軸電流的波形是在穩(wěn)態(tài)值的基礎(chǔ)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(jī)運(yùn)行電頻率200Hz，進(jìn)入ASC前電機(jī)Id=-200A，Iq=400A，高速主動(dòng)短路穩(wěn)態(tài)電Id約為-600A；

2、DQ軸電流的振蕩頻率與電機(jī)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?yàn)镈Q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(shí)當(dāng)D軸電流達(dá)到峰值時(shí)，Q軸電流約為0，所以可以忽略此時(shí)的Q軸電流對(duì)電流幅值的影響；

4、為什么D軸電流最大值對(duì)應(yīng)的不是前面分析的Q軸電流為0時(shí)刻：因?yàn)榍懊娣治鲋惺呛雎粤硕ㄗ?a target="_blank">電阻Rs的影響，如果引入Rs的影響，那分析結(jié)果就與波形能對(duì)應(yīng)，這里電控小白就不在班門(mén)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(huì)逐漸衰減到0：因?yàn)橛卸ㄗ与娮璧拇嬖?，定子電阻?huì)消耗振蕩的能量，使電流逐漸收斂；也可以從另外一個(gè)角度來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題，電阻和電感構(gòu)成了一階低通濾波器，它對(duì)交流量存在衰減的作用，所以最終交流成分會(huì)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(jī)從發(fā)電過(guò)渡到電動(dòng)前一點(diǎn)點(diǎn)：這個(gè)問(wèn)題可以從能量的角度來(lái)理解，DQ軸電流越大，對(duì)應(yīng)的電機(jī)電感儲(chǔ)存的能量就越多，電機(jī)進(jìn)入ASC狀態(tài)后，能量只能與機(jī)械能交互；電動(dòng)狀態(tài)是將電感磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，電感電流減??；發(fā)電則是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電感磁場(chǎng)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(dòng)狀態(tài)；同時(shí)電機(jī)自身存在損耗（銅損和鐵損），因此當(dāng)發(fā)電功率等于電機(jī)自身?yè)p耗時(shí)，電感的能量達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)電流達(dá)到最大。

發(fā)電狀態(tài)進(jìn)入ASC的動(dòng)態(tài)電流分析

前面分析了電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入ASC的動(dòng)態(tài)電流變化過(guò)程，我們繼續(xù)來(lái)分析一下從發(fā)電狀態(tài)切換ASC的電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，同樣還是借用前面的公式：

電控小白同樣利用仿真來(lái)驗(yàn)證分析是否正確：

從上面波形可以看出，DQ軸電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與電控小白前面的分析基本吻合，這說(shuō)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(dòng)工況相同的結(jié)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(shí)間了。

對(duì)比電動(dòng)與發(fā)電的波形，其實(shí)不難發(fā)現(xiàn)：電動(dòng)狀態(tài)最終會(huì)進(jìn)入和發(fā)電相同的電流變化過(guò)程，電動(dòng)狀態(tài)相比發(fā)電狀態(tài)只是增加了前面一段過(guò)渡到發(fā)電的變化過(guò)程，但是對(duì)最大沖擊電流出現(xiàn)的工況點(diǎn)沒(méi)有任何影響。

DQ軸動(dòng)態(tài)電流振蕩分量幅值關(guān)系

我們首先來(lái)分析一下DQ軸振蕩分量的幅值關(guān)系，先定義一下分析的時(shí)候需要使用的變量，防止大家后面不知道我在說(shuō)啥。

i0—電機(jī)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(dòng)還是發(fā)電最終都會(huì)進(jìn)入發(fā)電工況，所以這里直接以發(fā)電工況來(lái)分析，同時(shí)為了簡(jiǎn)化分析，我們先不考慮電阻對(duì)振蕩的衰減作用，即認(rèn)為振蕩幅值恒定不變：

利用前面分析電流動(dòng)態(tài)變化時(shí)使用的公式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃危?/p>

上面波形中T1到T2之間的波形正好對(duì)應(yīng)DQ軸振蕩分量的四分之一周期；因此從T1時(shí)刻到T2時(shí)刻，D軸電流的變化量正好是諧振分量的幅值Idm；同時(shí)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(jì)算出iq的積分值：

從DQ軸振蕩電流幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能看出來(lái)，對(duì)于內(nèi)置式凸極電機(jī)而言（Ld

D軸電流振蕩分量幅值計(jì)算

相信只是分析到DQ軸振蕩電流幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系大家肯定不會(huì)滿(mǎn)意，電控小白接下來(lái)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(guò)這次我們是對(duì)T0到T1這段時(shí)間進(jìn)行定積分，假定T0到T1的時(shí)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(jì)算方便，我們以梯形ACFG的面積來(lái)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(jì)算，我們以三角形BDE的面積來(lái)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(lái)，電流沖擊的大小不僅與電機(jī)本體參數(shù)相關(guān)，還與進(jìn)入ASC時(shí)刻的電流初始值相關(guān)。

Tips：

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

2、真實(shí)情況下，因?yàn)榇嬖赗s的衰減作用，所以電流沖擊的幅值一般會(huì)小于這里分析的數(shù)值。

總結(jié)

這次分享主要分析了永磁同步電機(jī)高速?gòu)恼＿\(yùn)行工況直接進(jìn)入ASC后，電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

1、電機(jī)進(jìn)入ASC后，會(huì)在DQ軸產(chǎn)生振蕩電流，振蕩電流的頻率與電機(jī)運(yùn)行頻率相同；

2、因?yàn)槎ㄗ与娮璧拇嬖?，振蕩電流?huì)逐漸衰減，DQ軸電流最終會(huì)收斂到ASC穩(wěn)態(tài)電流；

3、永磁同步電機(jī)進(jìn)入ASC后的穩(wěn)態(tài)工作電流基本等于電機(jī)的特征電流，同時(shí)電機(jī)處于小功率發(fā)電狀態(tài)；

4、不論電機(jī)從何種工況進(jìn)入ASC，其最終都會(huì)進(jìn)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(jī)本身的參數(shù)，還與進(jìn)入ASC瞬間的電流初始值相關(guān)。

以上就是本次的分享內(nèi)容，希望電控小白的這次分享能讓您對(duì)理解永磁同步電機(jī)電機(jī)ASC的動(dòng)態(tài)電流過(guò)程有所幫助。