摘要：永磁同步电机有着其它电机不可相比较的优势。本文详细介绍了永磁同步牵引系统，分析了永磁同步牵引电机、永磁同步电机控制技术、永磁控制变流装置及功率模块等关键技术，设计了基于动车组牵引系统配置的永磁同步系统。最后通过满转矩扫频、各次载波切换、高速重投和负载突变等试验验证了永磁控制技术的可靠性，试验波形和数据证明了该永磁同步牵引系统适合高可靠性的高铁牵引应用领域。
关键词：永磁同步电机；控制技术；研究应用
引言
永磁同步电机不仅在日常生活中得到广泛应用，同时还在高端科技领域得到应用。近些年，随着科学技术的发展，高性能的永磁同步电机被生产出，永磁同步电机实现了无刷化运行，同时异步电动机具备的优点它都具备，通过高性能的控制方式使其输出的转矩特性足以媲美直流电动机。我国具有丰富的稀土资源，有着丰富的永磁同步电机原料生产，所以研究永磁同步电机的控制系统也可以推动我国经济的发展。
1.永磁同步电机发展背景和国内外现状
1.1 发展背景
众所周知，电机是一门综合电机学、电力电子学、自动控制、和计算机应用等多门的学科知识，永磁电机的发展经历了材料学、计算机技术、机械加工和电磁场理论的发展，1831 年，英国科学家法拉第发现通电导线在磁场中会受力产生运动这一现象。并且，法国人在 1832 年就应用电磁感应原理制造发电机，由于材料限制，选用铁磁矿石作为永磁材料，随着人们对材料科学的了解和研究，发现金属间化合物拥有一些特殊的物理特性，包括在声、光、电、热、磁等方面，直到上世纪 60 年代，科学家发现稀土元素和过渡族元素进行融合，可以形成金属间化合物永磁材料，随着纳米技术发展，又出现了纳米复合稀土永磁材料，使得永磁材料的性能和加工工艺得到快速发展，在电机上的应用领域不断扩大，这样电机在材料选择方面发展先是磁铁矿石产生磁场到电励磁最后又到高性能永磁材料产生磁场。永磁电机的励磁磁场是由永磁材料产生，永磁材料在电机中既是磁路，又是磁源。磁路结构是复杂多样的，电磁计算变得非常复杂，常用的磁路计算方法为“场化路”的方法有局限性，较小的计算量情况下，比较适用，随着计算机技术发展，美国的 Ansys 公司推出的软件，可以通过有限元方法对电磁场进行有效计算，目前，永磁电机正在向多功能化、大转矩和微型化方向发展。
1.2国内外现状
1.2.1交流化
据统计，在 1970 年前，小惯量的伺服电动机采用直流方式。交流电动机开始于 1970 年之后，交流伺服电机开始大范围覆盖，在美国、德国等工业化国家，更加是达到 80%，可见随着永磁材料性能不断研发，成本不断下降，控制策略进一步研究，永磁体式转子的永磁同步电机伺服系统应用范围会越来越广，交流伺服系统成为主流。
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1.2.2数字化
从目前微处理芯片的发展，基于 DSP 处理器的数字化的伺服控制系统正在取代传统的模拟电子原器件伺服控制系统，数字化的发展，使得原来复杂的硬件结构越来越少，取而代之是优化的软件系统设计，这样使得电机智能控制更加科学、便利。
1.2.3微型化
应用于输出模块的晶体管，比如绝缘门极晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTＲ）等半导体元件，可以把这些晶体管与电路控制部分合为一个部分，智能化功率模块，这样结构设计简化而且整个系统变得微型化。
2.关键技术研究
2.1永磁同步牵引电机
由于永磁同步牵引电机采用了永磁体，无励磁电流，定子铜耗相对较小，转子无铜耗，电机效率高，可以显著提高功率因数，且永磁电机可做成全封闭结构，功率密度更大。因此，与异步牵引电机相比，永磁同步电机具有功率因数高、效率高、转速平稳、过载能力强及无齿轮箱直驱等优势。但永磁体有失磁现象，因此，预防永磁体失磁对永磁同步电机设计尤为重要，目前采取的主要措施：（1）通过短路失磁分析，在三相短路情况下，定子绕组能够抗住短路电流的冲击，并对永磁体无影响。（2）通过对永磁体温度失磁分析，选取耐高温、低温度系数的永磁材料，以避免发生因高温引起的永磁体失磁现象，同时合理设计全封闭结构电机散热系统，采用全叠片方形机座，两端端盖、机座构成通风冷却风路，对电机内部密封，外部强迫通风，满足快速散热要求。（3）选用小型化永磁体拼接式结构，可抑制涡流损耗，方便装配，降低失磁风险。
2.2永磁同步电机控制技术
永磁系统控制原理是基于间接磁场定向的机车全速度范围内分段矢量控制策略。永磁同步电机磁场定向的核心是在转子磁场旋转 dq 坐标中，采用最大转矩电流比 MTPA 电流闭环控制方法对电动机定子电流的励磁电流 i d和转矩电流 i q分别进行解耦控制，对励磁电流、转矩电流给定和反馈通过 PI 控制器调节出 dq 轴电压给定，在基频以下实现 MTPA 恒扭矩控制，基频以上实现弱磁恒功率控制。通过软件控制实现了永磁同步电机参数离线辨识和在线观测、全速度范围无差拍控制、各次载波切换、方波控制和高速重投等控制技术。（1）永磁同步电机参数离线辨识和在线观测为了提高控制精度，在永磁同步电机静止和运行时能够分别辨识出永磁同步电机的定子电阻、定子电感和永磁体磁链。通过辨识的电机参数，可以使得永磁同步电机转矩的控制精度在 5%以内。（2）永磁同步电机初始位置角度检测功能为了方便更换电机旋变，实现程序统一化，在电机静止时能够完成电机初始位置角的检测。当开关频率满足变流器所允许的最高频率，采用高频注入法检测电机初始位置，电角误差不超过 5°。（3）永磁同步电机全速度范围无差拍控制技术解决二次谐振问题，使控制系统运行更加稳定。（4）高压永磁同步电机各次载波切换技术通过控制冲击电流峰值，使永磁同步电机各种PWM 调制状态下实现无冲击切换。（5）永磁同步电机方波控制技术方波控制采用前馈控制电压相角方案实现牵引制动转换，扭矩精度可控。（6）高速重投控制策略对于永磁电机来说，其相对于异步电机一个明显不同的特点就在于即使定子端断电，转子永磁体仍然产生磁场。当转子旋转时，定子端仍然会因为定子绕组切割转子磁场而感应出反电动势。采用高速重投控制技术后，永磁同步电机在额定转速以上不控运行时，可以迅速重新投入工作。
2.3永磁控制变流装置及功率模块
永磁控制变流装置整流单元、中间回路及外部接口与异步牵引系统相同，利于装车调试和优势对比，逆变单元采用轴控的拓扑结构，逆变功率模块与永磁电机采用一对一的模式，并在牵引变流器输出设置了三相隔离接触器。结合故障保护逻辑通过牵引控制单元 TCU 对隔离接触器进行控制。
3.结束语
永磁牵引系统的仿真及试验结果表明，永磁同步电机在损耗和效率上比异步牵引电机有优势，突破了各次载波切换、高速重投等永磁控制关键技术，具备了同步替换异步系统的条件。同时该永磁牵引系统有很好的兼容性，可作为整车动力单元与异步牵引系统混合应用进行装车考核，使永磁控制技术在高铁动力上得以应用及推广。
参考文献：
[1]冯江华．高速动车组永磁同步牵引系统的研制［J］．机车电传动，2016，（4）：1—5．
[2]马颖涛，李红，李岩磊，杨宁． 轨道交通中永磁同步牵引系统的优势与挑战［J］．铁道机车车辆，2015，35（3）：66—70．
论文作者:仝传博
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：永磁论文; 电机论文; 同步电机论文; 定子论文; 转矩论文; 磁场论文; 电流论文; 《防护工程》2018年第31期论文;