三个角度分解永磁同步电机发电工况

永磁同步电机的工作根据电压电流的方向可以分为四种状态：

其中电动工况容易理解，逆变器将母线的直流电转化为交流电，驱动三相逆变电桥的占空比越大输出交流电压越高，电机转速越高。

但是发电工况则没那么容易理解，即使输出电压远小于母线电压，发电工况下电流依然能够流入母线，很多应用中为了避免发电工况下抬升母线电压，使用制动电阻消耗发电产生的能量，而新能源汽车则使用电池储存发电工况产生的能量以提升续航能力。

接下来本文将从能量角度、系统角度、电路角度三个角度来具体分析永磁同步电机发电工况。

1. 能量角度

首先我们来做一个思想实验：

1. 两台完全相同的永磁同步电机带相同的纯惯量类负载；
2. 通过相同的驱动器将永磁同步电机驱动至额定转速；
3. 其中一个驱动器给出自由停机指令，另一个驱动器给出减速停机指令；
4. 观察哪个电机先停下来；
5. 减小减速停机减速斜率，重复1~4步骤。

注1：纯惯量负载可以想象为一个质量较大的圆盘；
注2：自由停机可以理解为收到指令后立即关闭驱动器输出等效于断开电机和驱动器的连接，电机保持在惯性作用下运行，在摩擦力的作用下停止；
注3：减速停机指另电机在事先规划的减速曲线下减速到0后关闭驱动器输出。

有电机控制经验的同行应该能够想象，减速速率设置设置的足够快时减速停机下电机停止花费时间要短于自由停机，且减速速率设置越大，减速停机越快。

根据能量守恒定律，能量不会凭空产生也不会凭空消失。在自由停机工况下，电机只受摩擦力作用，摩擦力方向一直和电机运动方向相反，动能在摩擦力的作用下转化为了内能发热耗散。在减速停机工况下电机不仅受摩擦力作用，还受到和摩擦力同一方向的制动力作用，这个制动力由驱动器提供，此时，一部分动能在摩擦力的作用下转化为了内能发热耗散，剩下的部分在电磁制动力的作用下转化为电能流向驱动器。

说到这里稍微跑个题，新能源汽车刹车时的制动力就有部分来自电机的电磁力，大多车型只有在急刹车时才刹车片才会起作用，新能源车的刹车片寿命远远长于燃油车就是因为这个原因。

2. 系统角度

从能量角度分析电机的发电工况虽然可以得出当减速过程减速速度快于自由停车减速速度时存在机械能到电能的转换这一结论，但是具体能量转化过程较为笼统，接下来从电机控制系统角度具体分析这一过程。

我们常说foc方案永磁同步电机控制是把交流电机控制等效成了直流电机控制。将Vd/Vq看作直流电压源，永磁同步电机dq轴的等效电路如下图：

其数学描述如下：

$$\begin{gathered} v_d=R_s{i}_d+L_d\frac{d{i}_d}{dt}+e_d \\ {v}_q=R_s{i}_q+L_q\frac{d{i}_q}{dt}+e_q\text{\hspace{1em}(1)} \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} e_d=-{\omega }_e{L}_q{i}_q \\ {e}_q={\omega }_e{L}_d{i}_d+{\omega }_e{\varphi }_f\text{\hspace{1em}(2)} \end{gathered}$$

通过公式容易看出，正转时，当 vq > eq 时，iq > 0; 电流从控制器流向电机；当 vq < eq 时，iq < 0; 电流从电机流向控制器。反转时分析方法同正转。

上述的逻辑应该容易理解，但是在实际foc速度控制下，系统动态调节过程和上述分析顺序相反。

考虑正转发电工况，减速指令到来后，给定转速小于反馈转速，在速度环的作用下转矩电流给定小于0，经过电流环的调节vq输出小于eq的电压。

从三相逆变电桥的角度建模分析发电过程和上述分析过程是一样的，只是直流电压源变成了交流电压源，电流也变成了交流电流。

3. 电路角度

经过上述分析，电机的发电工况下的工作原理已经比较清晰明了了；唯一未能说清楚的问题是在相电压小于母线电压的情况下，电流是怎么从电机流向母线的？

长期关注我的朋友都知道，我的风格是要说就把问题说明白。请看下图：

有一定电路基础的朋友应该能看出来，这是boost电路，当开关管导通时电感蓄能，当开关管断开时输出端输出电压为输入电压与电感电压叠加的电压。这便是boost电路升压的原理。

接下来把二极管换成开关管，电路变成了如下形式：

如果把电机反电动势看作vin，把电机定子线圈看作L，把逆变电桥的其中一个半桥看作Q1，Q2，把母线电容看作Cout，Vout即直流母线端口。有没有发现永磁同步电机驱动电路完全可以等效为boost升压电路。

另一个角度，如果将Vout端看作输入，把vin端看作输出，该电路为降压电路，对应电机电动工况。

从电路拓扑的角度来看，电机发电工况存在抬高电压的条件，通过改变逆变桥占空比，电流既可以从逆变器流向电机，也可以由电机流向逆变器。

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