1 引言
大功率永磁牵引系统是机车等轨道交通车辆的心脏，是机车动力的关键来源。世界轨道交通车辆牵引系统技术经历了直流系统、异步交流系统，正在朝永磁驱动系统发展的阶段。由于永磁直驱同步牵引系统具有高效率、高功率密度、全寿命成本低、噪声低等显著优点，德法日等国家纷纷开展研究并取得重大突破，其正逐步取代传统的异步牵引系统，成为下一代列车牵引系统主流研制方向。
目前国内永磁系统的运用只是在地铁、城市轨道、电动汽车等领域，功率较小，而大功率机车永磁牵引系统在国内基本上处于起步阶段，因此大功率永磁牵引系统的研制开发具有重要的意义，为了抢占先机，适应目前及未来市场的发展需求，大功率永磁牵引系统的研究势在必行。
2 永磁直驱系统优势说明
（1）相比于传统的异步电机+齿轮箱驱动方式，永磁直驱电机具有输出转矩大、系统效率高、动态响应快等显著优点。
（2）永磁电机相比于异步电机具有体积小，功率大，功率密度高等优势。
（3）采用永磁电机直驱传动方式，取消了齿轮箱，提高了效率，降低了全寿命周期的成本。
（4）采用永磁电机直驱传动方式，取消了齿轮箱，降低了噪声，起到了一定的环保作用。
3 系统原理说明
下面以我公司研制开发的大功率永磁直驱客运机车牵引系统为例，进行展开说明。
机车牵引系统原理框图如下图1所示。
图1 牵引系统原理框图
机车通过受电弓、主断路器和牵引变压器将接触网的单相AC25kV/50Hz的交流电进行变换，变换成单相AC1471V供变流装置使用，再通过变流装置进行能量转换，为牵引电机和辅助负载提供电源。
牵引逆变器和永磁电机之间设计有隔离接触器（K1～K3），由于永磁电机会产生较高的反电动势，对中间回路部件造成损害，可以通过接触器将变流器和电机隔离开。
4 永磁系统反电动势影响及措施
永磁电机工作时，转子上永磁体转动时产生旋转磁场，置身于磁场中的定子绕组切割磁力线。当不给定子绕组供电、通过外力作用将转子拖动旋转时，可以在定子绕组上测量出电动势，这个电动势即反电动势。当机车某一轴牵引电机惰行时，会产生反电动势，此反电动势会通过牵引逆变器的二极管加载在牵引辅助变流器的中间回路，当反电动势较大时，会对中间回路部件造成损害，影响变流器正常工作。
为了消除永磁电机反电动势对变流器部件造成的影响，必须采取一定的措施来消除此影响，不影响机车正常运行。我们通过以下措施来消除反电动势的影响。
（1）永磁电机设计时，合理设计其最大反电动势，尽可能的降低永磁电机反电势，在满足永磁电机本身技术要求下，将反电动势设计在变流器部件可承受的电压内。
（2）从系统角度分析，变流器器件（功率模块、电容等）选择适当的电压等级，确保变流器各组成器件均可以承受最高反电动势电压。
（3）变流器和永磁电机之间增加隔离接触器，一是永磁系统逻辑控制中需要使用隔离接触器，例如永磁电机高速重投时需要分断隔离接触器；二是牵引系统故障时，例如变流器侧的接地、短路、过流、电机侧缺相、三相不平衡等故障，此时将永磁电机和变流器主回路隔离开，避免永磁电机反电动势对系统其他部件造成影响。
（4）变流器正常工况下，在额定转速以上采用优化弱磁控制策略，抑制永磁电机的反电动势。
5 关键技术研究
（1）永磁同步电机带速重投控制技术
永磁同步电机的带速重投技术，是指电机在断电运行后，电机仍具有一定初速度情况下再次带电运行。一般带速重投包含三种工况，分别是过分相区控制策略，短时过流过压后复位控制策略，隋行转牵引、制动控制策略，这时我们需要准确的计算出重投时刻转子位置和输出电压角度，这是带速重投控制关键技术，同时需要运用隔离接触器的控制逻辑来保证永磁电机带速运行切断后能重新投入进来。
（2）永磁体失磁检测
众所周知，永磁体具有磁性的原因在于钴、镍或铁氧体等铁磁类物质内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，可是高温足以改变这种特殊的内部结构，从而导致磁性消失。为了避免永磁体磁性消失，我们需要采取一定的措施来避免失磁效应的发生。
一是我们通过定子电流检测并对信号进行分析获取失磁特征量；二是采用等效电流对比的方式，对正常工况下的电流值与失磁工况下的电流值进行对比。通过以上方式，我们可以准确的识别出永磁体失磁特性，避免失磁后对机车运行造成影响。
6 试验验证
本项目实现了对永磁直驱牵引系统的技术研究，并在某大功率机车上进行了装车应用，完成了牵引系统的各类试验，其中进行了牵引系统的效率测试，并和异步牵引系统进行了对比分析，效率测试如下图2所示。
图2 系统效率对比数据
结论：根据试验数据，机车在中速时平均效率提升约3%；机车在高速时平均效率提升4%，优势明显。本机车研制开发对象为客运型机车，运用于中高速区段，效率优势相当明显。
7 结束语
通过对永磁直驱牵引系统的研制开发，并在某大功率电力机车上进行了应用，实现了在机车上使用永磁直驱系统的可能性，使大功率永磁直驱技术在轨道交通领域的应用更具有优势，并且在国内外首次实现永磁直驱技术在大功率机车上的应用。永磁直驱系统高效、节能和环保等方面优势在本项目上得到充分的体现。永磁直驱系统的研制开发，不但为用户创造良好的经济效益，也会带来更好的社会效益，是未来机车车辆的技术发展方向。
作者简介：裴冰（1984-），男，本科/高级工程师，目前从事电力机车牵引系统设计开发
参考文献
[1] 刘鹏，原志强.大功率永磁直驱系统技术研究及应用.机车电传动，2019[M]，（6）：62-65
[2] 王秀和，永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007