前言

近些年来，随着我国国民经济的迅速发展，工业、电力、交通、新能源及其他一些相关领域对大容量电力电子变换设备的需求更加迫切，这些设备的功率目前已达到兆瓦级，而可控交流传动在兆瓦级范围内常常会和中压电网联系在一起。

目前，交流传动已经成为电气传动领域的主流，低压中小容量的变频调速技术在国内已得到广泛的应用，而对于中高压、大功率领域的应用研究尚处于起步阶段，主要依靠进口一些国外著名电气公司的变频传动装置，这些产品在国内的价格十分昂贵，而且核心技术仍为国外公司所掌握，所以我们很有必要研究属于自主知识产权的中高压、大功率变频装置。逆变器拓扑结构的发展与电力电子器件的发展是密切相关的。早期的高压大容量交流调速主要采用晶闸管（SCR），其开关频率低且不能自关断，使得逆变器的性能受到了很大限制，调速范围较窄。伴随着开关器件的发展，高压大容量逆变器也日益高性能化。如今大功率开关器件的容量已达到GTO6kV/6kA、IGCT4.5kV/4kA、IGBT4.5kV/1.8kA和IEGT4.5kV/3.6kA。

在用新型半导体材料制成的电力电子器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。当前，美国Cree公司、德国西门子公司、日本Toshiba公司还有欧洲ABB公司等投入巨资研制新一代的电力电子器件——碳化硅功率器件。SiC材料的耐压是硅材料的10倍，热导率是硅材料的3倍，结温可高达200℃。SiC功率器件的开关频率将显著提高，通态损耗和开关损耗减至1/10。由专家预计今后十年内，碳化硅器件会有突破性的发展，必将推动中高压变频技术进入新的时代。

国内在大容量交流调速系统方面已有不少研究并获得了相应的研究成果，早期比较成熟的有两电平逆变器、降压-普通变频-升压结构（即所谓的高低高压变频结构）、交交变频器电路以及变压器耦合的多脉冲逆变器等，以上这些电路是早期传统的拓扑方案。这些系统不但结构复杂而且所使用器件多为SCR和GTO，开关频率低（一般在400Hz以下），谐波含量高，动态性能差，相当于国外20世纪80年代的技术水平，总体上落后了近20年。

在高压大容量变频器方面，国外产品一直处于垄断地位，ABB、西门子、东芝、三菱、罗宾康、阿尔斯通等国外著名电气公司都有基于多电平技术的变频器产品，主要拓扑结构包括二极管钳位三电平、飞跨电容钳位三电平和H桥串联结构等。而国内对多电平技术的开发和应用一直缺乏足够的重视，长期停留于实验室研究阶段。直到90年代末，国内在H桥串联型高压变频器的应用方面才有了突破，现已有多家公司研制出产品并投放市场，其中具有代表性的有利德华福、凯奇、先行等公司。其产品性能和国外产品相近，而价格极具竞争力，逐渐具备了与国外产品竞争的能力，大大缩短了和国外高压逆变器系统的研究和应用的距离。但总的来说，国内在这方面未形成气候，从装置总容量方面来看，与国外产品相比还有较大的差距；另一方面，从技术角度来看，手段也比较单一，拓扑结构主要集中在H桥串联形式，对于其他类型的多电平技术几乎没有应用。

在高性能大容量变频调速技术的研究和应用方面，国外远远地走在我们的前面，MVA级的高性能逆变器已有产品投入市场，广泛应用于电力机车、轧钢设备、供水系统等场合，其性能指标相当高。例如，ABB公司的Acs600和Acs1000系列变频器，采用了直接转矩控制技术，具有非常高的调速精度和动态性能，如使用速度传感器（1024脉冲/转），调速精度可达0.01%（稳态），若采用无速度传感器技术，则可达0.1%～0.5%；又如阿尔斯通公司近期在中国推出的Mv7000型中压大功率变频器产品，集当今国际最先进的电气传动控制技术于一身：IEGT大功率开关器件应用于主电路、飞跨电容钳位型三电平主电路拓扑结构、高集成度的模块化控制结构设计、矢量控制技术和异步电机低频转矩控制技术、低频消除谐波调制技术、功率因数为1的网侧三电平PWM整流技术，整套装置整体水平极为先进，代表了当今国际传动领域的最先进水平。此外，西门子公司则在三电平逆变器矢量控制方面有着传统的优势，罗宾康公司则在H桥串联结构的矢量控制系统方面占据着领先的地位。与国外先进企业相比，国内高性能的变频传动技术一直是弱项，经过这些年的发展，小容量产品已经实现产品化，而高压大容量方面仍处于研究阶段，产品领域基本上是空白。因此，如何在这方面缩短与国外公司之间的差距，掌握具有自主知识产权的高压大容量高性能变频调速技术，打破国外产品的垄断，是我们必须肩负的责任。

本书共分8章。绪论，简述了永磁同步电机及其控制技术发展背景、分类与特点，永磁同步电机控制系统控制算法研究现状，以及永磁同步电机多电平控制技术发展状况；第1章主要介绍了永磁同步电动机的分类和转子结构、永磁同步电动机物理和数学模型；第2章主要介绍了永磁同步电机两电平矢量控制的基本原理、电压空间矢量控制（SVPWM）的原理以及矢量控制系统仿真的具体实现；第3章主要介绍了PMSM两电平直接转矩控制的原理以及PMSM直接转矩控制系统各模块仿真的具体实现；第4章主要介绍了多电平逆变器的发展及优点、PMSM三电平矢量控制的基本原理、三电平逆变器中点电位平衡的分析，以及PMSM三电平矢量控制仿真的具体实现；第5章主要介绍了直接转矩控制的基本原理、三电平逆变器直接转矩控制的主要问题及虚拟矢量控制方法、PMSM三电平直接转矩仿真的具体实现；第6章主要介绍了PMSM滑模控制基本原理、滑模控制设计方法、滑模控制在电机控制系统中的应用，以及PMSM滑模控制仿真实现；第7章主要介绍PMSM容错控制原理、逆变器故障及其诊断技术、逆变器故障容错拓扑和方案分析，以及永磁同步电机容错控制系统仿真与分析等。

本书的基本研究内容已经历多年的变化，特别是近几上的相关研究工作和相关技术飞速发展，永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的应用领域也越来越广泛，因而在写作过程中只能不断进行基本内容的调整。

本项研究工作得到“国家自然科学基金委员会与宝钢集团有限公司联合资助项目”（项目编号：U1260203）、“国家自然科学基金资助项目”（项目编号：61403332）、“河北省自然科学基金——钢铁联合研究基金资助项目”（项目编号：F2013203291）、“河北省高等学校创新团队领军人才培育计划项目”（项目编号：LJRC013）的资助，在此表示衷心的感谢。

在本书的编写过程中，我的研究生参与了部分章节的制图、仿真工作，向付出辛勤劳动的研究生张恩蓓、李雅静、杨梓、崔杰、崔幔、常心妍、郭永爱等同学表示感谢。

作者对书末所列参考文献的所有作者表示衷心感谢。

由于作者的学识有限且时间紧迫，在永磁同步电机控制技术领域还有很多内容没能在本书中得到反映，恳请读者谅解。书中内容、结构也难免有疏漏、不当和错误之处，敬请有关专家和各位读者对本书给予批评、指正。

编著者

2015年3月