无刷直流电机相电流和母线电流的关系及电路保护策略讨论

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科学与信息化2023年3月下 135
无刷直流电机相电流和母线电流的关系及电路保护策略讨论
严孟凯1 张飞2
1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452；
2. 中联煤层气有限责任公司晋城分公司 山西 晋城 048001
摘 要 关于无刷直流电机运行时相电流和母线电流之间的关系，很多使用者都不能清楚掌握，往往在设计系统时将电流限流保护措施施加在母线位置，这种不恰当的保护策略导致系统不能达到预期的保护期望。

本文着重就典型的无刷直流电机相电流和母线电流之间的内在联系加以阐述，以期提供给各用户一个清晰的内在联系和逻辑，方便各使用者正确的实施保护措施，避免系统损伤，并在后续设计中能够以此为基础，完成更加精确的、成熟的系统设计。

关键词 母线电；流相电流；保护措施；无刷直流电机
Discussion on Relationship Between Phase Current and Bus Current of Brushless Direct Current Motor and Circuit Protection Strategy
Yan Meng-kai 1, Zhang Fei 2
1. China National Offshore Oil Corporation Energy and Technology Services Company, Engineering Technology Branch, Tianjin 300452, China
2. China United Coalbed Methane Corp., Ltd., Jincheng Branch, Jincheng 048001, Shanxi Province, China
Abstract Regarding the relationship between phase current and bus current during the operation of brushless direct current motors, many users cannot clearly understand it, and often apply current limiting protection measures to the bus current position when designing the system, and this inappropriate protection strategy leads to that the system fails to achieve the expected protection expectations. This paper focuses on the intrinsic relationship between the phase current and bus current of typical brushless direct current motor, in order to provide each user with a clear internal connection and logic, facilitate the correct implementation of protection measures by each user, avoid system damage, and accordingly complete a more accurate and advanced system design in the subsequent design.
Key words bus current; phase current; protection measure; brushless direct current motor
1 无刷电机运行状态分析
一般来讲，永磁无刷电机根据其运行工况可以分为最大包络运行状态，PWM 调制运行状态；全压堵转状态；以及PWM 堵转状态等等工况。

PWM 是现代电力电子的常用技术，这里不做赘述。

典型的是直流无刷电机测试转速电流曲线，该曲线中，横轴代表转速，纵坐标代表电流，揭示出当电机沿最大包络运行时，随着载荷的增加，电机转速逐步降低，母线电流会逐步增大，其增大的斜率和电机自身的电阻电感参数相关，在不考虑相角的情况下，其阻抗矢量为R+jL （R+JX ），可见转速越高，对应的电频率越高，感抗分量越大，模量越大，特性在高转速部分特性越软（力矩转速比越小）[1]。

包络线是电机正常运行的固有特性曲线，除过包络线上的运行状态，在包络线以下的运行态基本都是通过调整PWM 调制深度的情形下实现。

除开转速—母线电流曲线，典型的还有转矩—转速曲线，即T-n 曲线，揭示出电机运行时其最大包络运行时的转速力矩关系。

同样，包络线以内的区域运行都要借助于PWM 调制实现。

当然，随着温度的变化，磁材料发生性能改变，定子绕线电阻随着温度上升而遵循物理公式增加，电机特性会相应变化，这个可以另作讨论。

这里仅关注母线电流和相电流之间的关系。

2 相电流和母线电流的底层关系
如若电机一直运行在最大包络线上，星形接法的前提下，那么相电流和线电流幅值是相等的，且基本上和母线电流成2/3的比值关系。

在包络线上运行时，母线和相线电流关系如图3所示，其中采用三二导通控制方式时，每相导通120°，这里拿A 相电流和母线电流作对比，每相电流（交流有效值）为母线电
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流（直流有效值）的2/3。

夹杂了换向续流等因素，相电流会略大于这个数值，但不是主要矛盾可以不予考虑。

但电机很多时候都是运行在包络线范围内的某个状态，例如伺服状态，速度闭环状态，电流闭环状态等等，这个时候的母线电流和相电流之间的关系就比较复杂了[2]。

举个例子，某型电机在PWM 调制态下的母线电流运行，
母线电流此时为465mA ，相电流为979mA ，相差巨大，其内在原因是什么呢？
通过观察这个状态的母线电流和相电流续流原理，我们可以观察到图1所示的母线电流和相电流曲线。

红色为母线电流，
蓝色为相电流，可以看到这个时候相电流非常规矩。

图1 PWM态的母线电流和相电流波形
放大局部来观察，可以得到图2
的续流状况。

图2 PWM状态下某电机线电流和母线电流波形
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可见母线是有正有负的脉冲电流，主要是因为在PWM 状态时，相线续流要经过母线进行续流，才形成的反充电流，相电流为波动很小的正常换相电流，母线为载波频率对应的调制续流电流，电测原理上，母线上的直流电流量为正脉冲和负脉冲的平均电流，故而母线上等效直流电流很小，极端情况下，例如非常低速的下的速度力矩闭环，母线电流和相电流相差可以达到数量级的区别[3]。

借助仿真软件我们再来探讨无刷电机相电流和母线电流
的更直观的表现，例如在CCC （ChoppedCurrentControl ）模式下，由于相电流和电机输出力矩在一定的范围内正相关，可以从图3看到，在设定相电流大小的情况下，电机将在设定范围内表现出恒转矩的特性，即从4000RPM 开始，到很低的转速段内，都是输出1.1mN•m ，则其相电流则呈现续流状况，幅值一直锁定在1.0A ，此时母线电流在这个转速过程呈明显的降低趋势，如图3所示，母线电流逐步趋近于零，随着转速变化，相电
流和母线电流之间的比值相差巨大。

图3 CCC模式下输出特性曲线及母线电流波形
3 关于电路保护策略的探讨
综合以上分析，相电流和母线电流的关系在不同的工作状态具有不同的关系，根据底层续流的原理和逻辑，故而电机工况一直运行在包络线上的话（例如开环拖动类工况），母线电流保护策略和相电流是一致的，具体措施比较成熟，不予讨论，此时母线电流保护策略也是可行的。

不幸的是，更多的工况下，电机运行状态都在闭环状态，往往对电机力矩输出大小（保护执行机构极限工况）或者功率器件负载电流值（功率器件热负荷）需要进行保护的场合，更适宜采用相电流保护策略。

4 结束语
总而言之，在科学技术快速发展的新形势下，无刷直流电
机相电流和母线电流及其控制技术也呈现出较快的发展态势，电机运行的精准性和稳定性大大增强，再加上计算机信息技术的发展，无刷直流电机线电流与母线电流的融合将是目前和未来一段时期的重要发展趋势，为我国工业化发展提供技术支持。

参考文献
[1] 夏长亮.无刷直流电机线电流和母线电流的关系及电路保护系统[M].北京:科学出版社,2022:19.
[2] 刘刚,王志强,房建成.无刷直流电机线电流和母线电流的关系及电路保护技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2022:25-26.
[3] 王宇波.无刷直流电机线电流和母线电流的关系及电路保护设计
[J].决策探索(中),2022,642(2):73.。