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【關(guān)鍵詞】永磁同步 電動機 低速大扭矩 高效節(jié)能
1 引言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類社會對能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關(guān)注的話題，黨的十六屆五中全會強調(diào)，要加快建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會。同時，國家也提出了推廣變頻永磁電動機技術(shù)的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動機技術(shù)也日益成熟，廣泛運用到了各個行業(yè)中。
2 低速永磁同步電動機的特點
永磁同步電動機與傳統(tǒng)感應(yīng)電動機工作原理基本相同，都是由定子產(chǎn)生磁場帶動轉(zhuǎn)子，其不同之處在于低速永磁同步電動機由永磁體勵磁替代了傳統(tǒng)感應(yīng)電動機的電勵磁。永磁同步電動機具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優(yōu)點。
低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡單。與傳統(tǒng)電動機相比，低速永磁電動機的氣隙磁場是有永磁體產(chǎn)生的，加上永磁體形狀及磁路設(shè)計的多樣性，這樣就可以簡化電動機結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要靈活設(shè)計電動機的外形尺寸。傳統(tǒng)感應(yīng)電動機在起動時存在最小轉(zhuǎn)矩，通常來說其最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)小于1，而低速永磁同步電動機是變頻起動，在起動時無最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的限制，只要負(fù)載所需起動扭矩小于最大轉(zhuǎn)矩，都可以順利起動。在某些領(lǐng)域，傳統(tǒng)感應(yīng)電動機低起動轉(zhuǎn)矩的特性，使其在選型時不得不提高電動機功率來增大起動轉(zhuǎn)矩，以永磁同步電動機設(shè)計轉(zhuǎn)速100rpm為例，由公式
可知，相同功率的低速永磁同步電動機與傳統(tǒng)4P電動機相比，其起動扭矩是傳統(tǒng)電動機的15倍。
效率、功率因數(shù)高。傳統(tǒng)感應(yīng)電動機因存在定子電阻和定子電流損耗，穩(wěn)定運行時風(fēng)磨耗也占據(jù)一定比例，這些因素限制了功率因數(shù)的提高；低速永磁同步電動機在運行時不產(chǎn)生無功勵磁電流，且風(fēng)磨耗、雜耗、機械耗等損耗都低于傳統(tǒng)感應(yīng)電動機，這些因素都使永磁同步電動機的效率、功率因素高于傳統(tǒng)感應(yīng)電動機。大量統(tǒng)計表明，就效率而言，同規(guī)格永磁電動機比傳統(tǒng)感應(yīng)電動機提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動機和傳統(tǒng)感應(yīng)電動機不同負(fù)載下的效率、功率因數(shù)曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動機在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，而傳統(tǒng)感應(yīng)電動機在低負(fù)載率或者高負(fù)載率時效率、功率因數(shù)同額定負(fù)載率相比下降很多，在低負(fù)載率時下降尤為明顯。低速永磁同步電動機這種高效率、高功率因數(shù)的優(yōu)點是傳統(tǒng)感應(yīng)電動機所不具備的。
體積小。對于傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是末級傳動需要較低速度時，一般需要異步電動機加減速機或者是異步電動機加2～3級皮帶輪減速來實現(xiàn)，這種機構(gòu)體積龐大且笨重，不僅增加了設(shè)計成本，在設(shè)備安裝方面也占據(jù)了大量的空間。而低速永磁同步電動機直驅(qū)系統(tǒng)的體積和重量通常不到傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)的一半，加上可以靈活設(shè)計永磁電動機的結(jié)構(gòu)，在設(shè)備的安裝、調(diào)試等方面要求大大降低。
噪聲低，運行平穩(wěn)。應(yīng)用低速永磁同步電動機的直驅(qū)系統(tǒng)取消了減速機、皮帶輪等機械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動時的噪聲，系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn)時由于各個部件中間不平衡帶來的噪聲、震動大大降低。
可靠性高。機械減速傳動裝置的取消，消除了中間傳動環(huán)節(jié)的機械故障，同時，由于設(shè)備磨損、機械變形、零部件松動等帶來的油泄露問題也不復(fù)存在，大大提高了傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖1所示。
3 低速永磁同步電動機應(yīng)用現(xiàn)狀
自1831年科學(xué)家巴洛發(fā)明世界上第一臺永磁電動機以來，各國的科技工作者一直在探索永磁同步電動機的發(fā)展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀(jì)三十年代以來，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現(xiàn)，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動機也不斷的出現(xiàn)在軍事裝備、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、日常家電等領(lǐng)域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動機性能并沒有達(dá)到預(yù)期效果，加上當(dāng)時永磁電動機成本較高，在一定程度上限制了永磁電動機的發(fā)展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現(xiàn)，極大的提高了永磁材料的各項性能，且加上價格相對便宜，加快了國內(nèi)外對永磁電動機研究的步伐，研究的重點也逐漸的轉(zhuǎn)移到了工業(yè)裝備自動化和日常生活領(lǐng)域。隨著科學(xué)工作者對永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時，伴隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)電勵磁電動機相比，永磁電動機高效節(jié)能的優(yōu)勢更加明顯，低速永磁同步電動機也朝著大功率化、高轉(zhuǎn)矩化、微型化、智能化等多個方向發(fā)展。
目前，由于低速永磁同步電動機低速大扭矩、體積小、輸出平穩(wěn)、高效節(jié)能等優(yōu)點，已經(jīng)在很多方面作為驅(qū)動裝置得到應(yīng)用，如電動車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領(lǐng)域。在電動車輛方面，日本已將其用于低地板式電動車、獨立車輪式電動車上；德國、法國也將永磁同步電動機用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業(yè)裝備自動化領(lǐng)域，低速永磁同步電動機在保證高性能、高效率、高精度需求的同時，省去了傳統(tǒng)傳動系統(tǒng)中的機械減速裝置，已經(jīng)成功得到應(yīng)用；在電梯曳引機上，由于低速永磁同步電動機可以實現(xiàn)無需機械減速裝置的直驅(qū)運行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動機作為動力源，美國奧迪斯公司研發(fā)的GEN2系統(tǒng)也廣泛采用了永磁無齒輪曳引機技術(shù)。
4 低速永磁同步電動機的發(fā)展趨勢
目前來看，去除減速機、多級皮帶輪等機械減速裝置，采用低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)，更能夠充分發(fā)揮低速永磁同步電動機的優(yōu)勢。低速永磁同步電動機作為驅(qū)動系統(tǒng)動力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機電一體化等等方向發(fā)展。
4.1 專用化發(fā)展
在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有很多設(shè)備需要減速機等機械減速裝置來減速進(jìn)而驅(qū)動負(fù)載，這就需要電動機行業(yè)技術(shù)人員仔細(xì)分析其負(fù)載特性，專門設(shè)計一種性能優(yōu)良、運行可靠且價格合理的低速永磁同步電動機，來替代傳統(tǒng)傳動裝置。據(jù)統(tǒng)計，有些專用低速永磁同步電動機節(jié)電率可以達(dá)到20%左右，如油田用到的抽油機電機、泥漿泵電機，陶瓷行業(yè)用到了陶瓷球磨機電機等。
4.2 高性能方向發(fā)展
S著工業(yè)的發(fā)展，對電動機的要求不僅僅是簡單的提供動力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領(lǐng)域要求具備高性能同時，還要具備高可靠性；化纖行業(yè)、數(shù)控機床、智能加工中心等設(shè)備要求電動機具有高調(diào)速精度。
4.3 輕型化方向發(fā)展
由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對永磁同步電動機提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、船舶推進(jìn)、便攜式機電一體化產(chǎn)品等都有這方面的要求。
4.4 機電一體化方向發(fā)展
高性能的永磁電動機是實現(xiàn)機電一體化的基礎(chǔ)，電力電子技術(shù)、微電子控制技術(shù)和永磁同步電動機技術(shù)的結(jié)合催化出了一批新型且性能優(yōu)異的機電一體化產(chǎn)品。
5 結(jié)語
我國具有豐富的稀土礦產(chǎn)資源，且對以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動機技術(shù)研究都已位列世界先進(jìn)水平，充分發(fā)揮這種優(yōu)勢，加快低速永磁同步電動機技術(shù)的研究和推廣，對加快我國經(jīng)濟建設(shè)具有十分重要的意義。低速永磁同步電動機較傳統(tǒng)電勵磁電動機在性能上有很大優(yōu)勢，但目前在我國工業(yè)領(lǐng)域并沒有得到廣泛應(yīng)用，其市場還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術(shù)的發(fā)展、電力電子和驅(qū)動裝置技術(shù)的進(jìn)步，以及人類社會環(huán)境保護意識、能源問題社會意識的提高，在不久的將來，低速永磁同步電動機作為動力的驅(qū)動裝置會慢慢滲透到工業(yè)和日常生活的各個方面，低速永磁同步電動機也將得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介
王錦涵（2000-），女，河南省南陽市人。現(xiàn)為南陽第一高級中學(xué)在讀學(xué)生。
【關(guān)鍵詞】永磁同步電機;恒壓頻比開環(huán)控制;矢量控制;直接轉(zhuǎn)矩控制
1.引言
近年來，隨著電力電子技術(shù)、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應(yīng)用。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點，在節(jié)約能源和環(huán)境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這里對永磁同步電機的控制策略進(jìn)行綜述，并介紹了永磁同步電動機控制系統(tǒng)的各種控制策略發(fā)展方向。
2.永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型
永磁同步電機（PMSM）的永磁體和繞組，繞組和繞組之間的相互影響，電磁之間的關(guān)系十分復(fù)雜，由于磁路飽和等非線性因素，建立精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了簡化PMSM的數(shù)學(xué)模型，我們通常作如下的假設(shè)：
（1）磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗;
（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響;
（3）三相繞組對稱，永久磁鋼的磁場沿氣隙周圍正弦分布;
（4）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布;
（5）驅(qū)動二極管和續(xù)流二極管為理想元件;
（6）轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。
對于永磁同步電機來說，即用固定轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)來描述和分析其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能是十分方便的。此時，取永磁體基波勵磁磁場軸線即永磁體磁極的軸線為d軸，而q軸逆時針方向朝前90o電角度。d軸與參考軸A之間夾角為。圖1為永磁同步電機（PMSM）矢量圖。
圖1 PMSM空間向量圖
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根據(jù)圖1所示向量圖進(jìn)行坐標(biāo)變換，滿足功率不變原則，得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PMSM的數(shù)學(xué)模型方程如下
（1）電壓方程
由三相靜止軸系A(chǔ)BC到同步旋轉(zhuǎn)軸系dq的變換得：
（1）
，Rs為定子相電阻，其中：
。
（2）磁鏈方程
（2）
式中為轉(zhuǎn)子（永磁體）在dq軸的磁鏈，，ud、uq，id、iq和、分別為dq軸的電流、電壓和磁鏈。、為dq軸的電感。
（3）轉(zhuǎn)矩方程
電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：
（3）
pn為極對數(shù)，定子磁鏈空間矢量，is為定子電流空間矢量。
3.恒壓頻比開環(huán)控制（VVVF）
恒壓頻比開環(huán)控制（VVVF）是為了得到理想的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的。 按照這種控制策略進(jìn)行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單，易于實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過電源頻率進(jìn)行控制。但同時，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置等反饋信號，因此無法實時捕捉電機狀態(tài)，致使無法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩：在突加負(fù)載或者速度指令時，容易發(fā)生失步現(xiàn)象;也沒有快速的動態(tài)響應(yīng)特性。因此，恒壓頻比開環(huán)控制電機磁通而沒有控制電機的轉(zhuǎn)矩，控制性能差。通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。
4.矢量控制（VC）
七十年代中期，德國學(xué)者提出“交流電機磁場定向的控制原理”，即用矢量變換的方法研究交流電機的動態(tài)控制規(guī)律。矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電機內(nèi)部的電磁過程，是建立在交流電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它模仿對直流電機的控制技術(shù)，將交流電機的定子電流解禍成互相獨立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現(xiàn)對交流電機的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解禍，從而達(dá)到理想的動態(tài)性能。使交流傳動的動、靜態(tài)特性有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀(jì)元。矢量控制是目前高性能交流電機調(diào)速系統(tǒng)所采用的主要控制方法，具有很好的動態(tài)性能。然而這種控制技術(shù)本身還是存在一些缺陷的，受電機參數(shù)影響較大，由于電機參數(shù)在不同運行情況與環(huán)境的多變性，所以系統(tǒng)魯棒性不強;矢量控制的根本是實現(xiàn)類似直流電機的控制，因此需要進(jìn)行復(fù)雜的解耦運算，增加了信號處理工作負(fù)荷，要求更高的硬件處理器配合;
5.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）
1985年德國學(xué)者M(jìn).DepenBrock教授首次提出了磁鏈采用六邊形控制方案的直接轉(zhuǎn)矩控制理論。該方法只是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機的數(shù)學(xué)模型，強調(diào)對電機的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計算。其磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。因此，DTC大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點。
轉(zhuǎn)差角頻率越大，轉(zhuǎn)矩越大。轉(zhuǎn)差角頻率增加，轉(zhuǎn)矩也增加。說明異步電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增長率都可以通過控制定子磁場對轉(zhuǎn)子的角頻率來控制。也就是說，異步電機DTC是建立在電機轉(zhuǎn)差角頻率控制的理論基礎(chǔ)上的。而同步電機并不存在這種轉(zhuǎn)差角頻率，正是由于這個原因，DTC策略在同步電機上沒有能夠快速地得到應(yīng)用。直到1996年英國的French.C和Acarnley .P發(fā)表了關(guān)于PMSM的DTC的論文，1997年由澳大利亞的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解決了DTC控制策略在PMSM上應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。有了這個理論基礎(chǔ)，PMSM的DTC控制也成了眾多學(xué)者研究的一個熱點。
就目前而言，永磁同步電機控制的直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制解耦的思想，將轉(zhuǎn)子磁通定向更換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及磁通角，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，具有控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡單高效、控制性能優(yōu)良、動態(tài)響應(yīng)迅速的特點。直接轉(zhuǎn)矩控制在克服了矢量控制弊端的同時，這種粗獷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動;再者調(diào)速范圍受限。在低速時，轉(zhuǎn)矩脈動會增加，而且定子磁鏈觀測值會不準(zhǔn)。另外，電機參數(shù)的時變對直接轉(zhuǎn)矩控制也有影響。
6.結(jié)論
本文所闡述的永磁同步電機的控制方式是最基本的三種控制方式。通過文中的闡述，可以看出每種控制方式都有其利弊，可以根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境工況來選擇設(shè)備的控制方法。
同時隨著控制理論的不斷發(fā)展，學(xué)者們采用智能控制策略，如最優(yōu)控制、遺傳算法、模糊控制等方法，用來克服每種控制方式的弊端，使得永磁同步電機的應(yīng)該更加廣泛，充分發(fā)揮其體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點。
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關(guān)鍵詞 交流傳動車輛， 電氣制動， 制動力分配
交流傳動車輛的制動分類如圖1 所示。對于交流電機而言，可使用的電力制動方式除了再生制動， 還有反接制動和能耗制動，但在交流傳動車輛中一般不采用。本文分析了各種電氣制動方式在交流傳動車輛制動中的應(yīng)用。
圖1 交流傳動車輛的制動分類
1 車輛制動時的制動力分配
德國ICE —V 列車采用復(fù)合制動方式，其制動力分配試驗結(jié)果見圖2 。由圖2 可知，列車制動時， 高速區(qū)列車制動以軌道渦流制動為主，再生制動由于處于弱磁區(qū)，隨轉(zhuǎn)速不斷降低而逐漸增大，總制動力不足可采用盤形摩擦制動補償;速度降至基速后(圖2 中基速對應(yīng)列車運行速度162 km/ h) ，再生制動力增值到最大;低速下則以盤形摩擦制動為主。
圖2 德國ICE —V 列車復(fù)合制動的制動力分配
上海軌道交通3 號線(明珠線) 車輛的牽引、制動特性曲線如圖3 所示。城軌車輛的速度較低，車輛均采用再生制動和閘瓦摩擦制動的復(fù)合方式。在大部分的速度范圍內(nèi)，均以電氣制動為主，速度在5 km/ h 以下時采用空氣制動。
圖3 3 號線車輛牽引、制動特性曲線
2 電力制動分析
力制動指牽引電機運行中產(chǎn)生的電磁制動力。當(dāng)交流異步電機運行于發(fā)電工況下，電機輸出轉(zhuǎn)矩作用方向與電機轉(zhuǎn)速方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩使得電機處于制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)子減速，牽引電機軸輸入機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋０凑罩苿幽芰康牟煌a(chǎn)生方式，電力制動可分為反接制動、能耗制動及再生制動。
2. 1 電力制動原理分析
異步電機在牽引[3 ] 和制動工況下的磁鏈?zhǔn)噶繄D如圖4。在牽引工況下，定子磁鏈ψs 帶動轉(zhuǎn)子磁鏈ψr 旋轉(zhuǎn)，定子磁鏈在空間位置上超前轉(zhuǎn)子磁鏈，電機輸出正轉(zhuǎn)矩。在制動工況下，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率超過定子頻率，轉(zhuǎn)子電流與牽引狀態(tài)下方向相反，使得氣隙磁場幅值增大。為保持氣隙磁場恒定，定子電流需要反向以減小氣隙磁場，定子電流流向中間直流環(huán)節(jié)， 在空間位置上滯后于轉(zhuǎn)子電流，電機輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩( Tem) 可由定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的叉積得到。B點，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，電機將在負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩共同作用下迅速運行至C 點。如果對電機繼續(xù)供電，則電機進(jìn)入反向牽引工況。在反接制動瞬間，電機將產(chǎn)生很大的制動電流和制動轉(zhuǎn)矩。如處理不當(dāng)，電機將發(fā)生反向行駛。從安全角度考慮，電力傳動車輛上均不使用反接制動。
2. 3 能耗制動
能耗制動時切斷三相交流電源，并在定子中通入直流電源產(chǎn)生恒定的靜止磁場。該靜止磁場與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。牽引工況與能耗制動工況下的電磁與轉(zhuǎn)矩關(guān)系如圖6 所示。
圖4 交流異步電機牽引、制動工況磁鏈?zhǔn)噶繄D
在實際運行中，要改變電磁轉(zhuǎn)矩，可以通過改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的相位關(guān)系來實現(xiàn)。
2. 2 反接制動
反接制動是通過控制定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反來實現(xiàn)的。電機正向旋轉(zhuǎn)時， 定子磁場超前于轉(zhuǎn)子磁場，定子磁場拉動轉(zhuǎn)子磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn);當(dāng)改變電源的相序時，定子磁場的旋轉(zhuǎn)反向，而轉(zhuǎn)子磁場因轉(zhuǎn)子慣性的作用運行方向不變，滑差s
圖5 反接制動工況下電機調(diào)速特性
在牽引狀態(tài)下，定子電壓與頻率一定時運行于圖5 中A 點，電磁轉(zhuǎn)矩與恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 相平衡。反接制動時，電機的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線變?yōu)榍€2 ， 由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，電機工作點由A 點變?yōu)?/p>
圖6 電機牽引工況和能耗制動工況電磁模型
能耗制動工況下，轉(zhuǎn)子和負(fù)載的動能及從直流電源吸收的電能全部轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子回路的損耗，使得電機發(fā)熱嚴(yán)重。能耗制動的最大優(yōu)點是可以通過改變定子繞組直流電流的大小來調(diào)節(jié)磁場，進(jìn)而控制制動轉(zhuǎn)矩。由于在車上需加裝可調(diào)的直流電源，以及牽引電機發(fā)熱嚴(yán)重等因素，交流傳動車輛上一般也不采用能耗制動。
2. 4 再生制動
電機運行過程中，如果外力使電機轉(zhuǎn)子加速，或人為控制定子頻率降低，使轉(zhuǎn)子頻率高于定子頻率， 滑差s
出現(xiàn)再生制動狀態(tài)通常有兩種工況:
(1) 減速制動。圖7所示為電機機械特性曲線。定子頻率為f 1 ， 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL ，電機工作于第一象限點A點(曲線1) ，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。減速制動時， 降低定子供電頻率為f ′ 1< f1) ，1 (f ′ 由于車輛慣性，電機轉(zhuǎn)速不發(fā)生突變，電機工作于第四象限的B點(曲線2) 。這時， n > n1、Tem < 0 ， 電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下沿f ′特性曲線減速，若不斷降低定子供電頻率，可獲得滿意的減速制動特性。
(2) 恒速下坡制動。車輛下坡時，特別在長大坡道上，由于重力作用迫使車輛加速， 電機工作點沿著f 1 機械特性曲線進(jìn)入第四象限， 電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機為發(fā)電制動狀態(tài);直到電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的C 點，電機處于新的穩(wěn)定狀態(tài)。
3 電磁渦流制動
電磁渦流制動是利用電磁渦流在磁場下產(chǎn)生勞倫磁力，而勞倫磁力方向與物體運動方向相反。電磁渦流制動具有無摩擦、無噪聲、體積小、制動力大的優(yōu)點。目前車輛利用電磁渦流制動的方式主要有盤形渦流制動和軌道直線渦流制動。
3. 1 盤形渦流制動
盤形渦流制動利用安裝在車軸上的圓盤切割磁力線產(chǎn)生渦流和勞倫磁力。根據(jù)產(chǎn)生磁場的機理可分為電磁渦流制動和永磁渦流制動。
日鐵新干線的高速電動車組采用的電磁渦流制動原理如圖8 所示。圖中， IF 為勵磁電流， 使電磁鐵心在制動工況下產(chǎn)生所需要的磁場; n 為輪對旋轉(zhuǎn)速度; TB 為制動力。電磁渦流制動裝置安裝于電動車組的拖車上，利用相鄰車輛牽引電機的主電路電源作為勵磁電源。
永磁渦流盤形制動利用永磁鐵代替電磁鐵線圈產(chǎn)生電磁場，制動盤在磁場中產(chǎn)生渦流阻止磁場增加，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。日本鐵道綜合研究所試驗的永磁渦流盤形制動裝置原理如圖9 所示。永磁渦流制動裝置的制動盤安裝于轉(zhuǎn)軸上，定子為永磁圓盤。永磁圓盤分為內(nèi)圈圓盤和外圈圓盤，配置有內(nèi)、外兩圈磁軛。兩圈磁軛內(nèi)均交錯放置N 極和S 極的永久磁鐵。車輛正常運行時，外圈和內(nèi)圈的永磁鐵極性為異性排列在一起，磁通在極片和磁軛內(nèi)構(gòu)成閉合磁路、不穿越制動圓盤，因而不產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。車輛制動時，內(nèi)、外圈的永磁鐵極性為同性排列，永磁鐵通過極片和制動圓盤構(gòu)成磁路。制動盤隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，切割磁力線產(chǎn)生渦流和制動轉(zhuǎn)矩，改變極片相對位置可以調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩的大小。
兩種渦流制動中，電磁渦流盤型制動的制動功率大，但設(shè)備較多，已在日本新干線得以廣泛應(yīng)用; 永磁渦流盤型制動結(jié)構(gòu)簡單，但由于目前制動功率受到一定限制，尚處于試驗階段。
圖7 再生制動工況下的
圖8 電磁渦流盤形
圖9 永磁渦流盤形電機調(diào)速特性制動裝置原理圖制動工況的磁通流向
3. 2 軌道直線渦流制動
軌道直線渦流制動通過對安裝于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)車輪之間的條形磁鐵勵磁，在鋼軌上產(chǎn)生渦流使車輛制動。具有無摩擦、制動迅速等優(yōu)點。同時，軌道直線渦流制動裝置可增加車輛軸重，提高車輛粘著力。其原理圖見圖10 。制動狀態(tài)時，由于電磁鐵的N 極和S 極相對于鋼軌的運動，在鋼軌內(nèi)產(chǎn)生交變的磁場，使鋼軌頭部產(chǎn)生渦流，渦流與電磁鐵相互作用， 產(chǎn)生一個垂直于鋼軌面的吸引力和一個與車輛運行方向相反的制動力;垂直于軌面的力可增加車輛的粘著力，與車輛運行方向相反的力就是電磁渦流制動力。但軌道渦流制動如果要得到很大的渦流制動力，則需要很龐大的制動裝置。這種軌道渦流制動裝置應(yīng)用于上海磁浮列車的制動控制系統(tǒng)中[4 ] 。
圖10 軌道渦流制動裝置原理圖
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論文摘要：交流電動機固有的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，造價低，堅固耐用，事故率低，容易維護；但它的最大缺點在于調(diào)速困難，簡單調(diào)速方案的性能指標(biāo)不佳，這只能夠依靠交流調(diào)速理論的突破和調(diào)速裝置的完善來解決。本文論述了交流調(diào)速傳動的現(xiàn)狀和發(fā)展
交流傳動系統(tǒng)之所以發(fā)展得如此迅速，和一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進(jìn)展有關(guān)。它們是功率半導(dǎo)體器件（包括半控型和全控型）的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、交流電動機控制技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)。為了進(jìn)一步提高交流傳動系統(tǒng)的性能，國內(nèi)外有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開：
1采用新型功率半導(dǎo)體器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)
功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步，尤其是新型可關(guān)斷器件，如BJT（雙極型晶體管）、MOSFET（金屬氧化硅場效應(yīng)管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的實用化，使得開關(guān)高頻化的PWM技術(shù)成為可能。目前功率半導(dǎo)體器件正向高壓、大功率、高頻化、集成化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電壓型交-直-交變頻器、電流型交-直-交變頻器和交-交變頻器三種。電流型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優(yōu)點是當(dāng)電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應(yīng)用場合，在大容量風(fēng)機、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。電壓型交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電容作儲能元件，無功功率將由大電容來緩沖。對于負(fù)載電動機而言，電壓型變頻器相當(dāng)于一個交流電壓源，在不超過容量限度的情況下，可以驅(qū)動多臺電動機并聯(lián)運行。電壓型PWM變頻器在中小功率電力傳動系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。但電壓型變頻器的缺點在于電動機處于制動（發(fā)電）狀態(tài)時，回饋到直流側(cè)的再生電能難以回饋給交流電網(wǎng)，要實現(xiàn)這部分能量的回饋，網(wǎng)側(cè)不能采用不可控的二極管整流器或一般的可控整流器，必須采用可逆變流器，如采用兩套可控整流器反并聯(lián)、采用PWM控制方式的自換相變流器（“斬控式整流器”或“PWM整流器”）。網(wǎng)側(cè)變流器采用PWM控制的變頻器稱為“雙PWM控制變頻器”，這種再生能量回饋式高性能變頻器具有直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸入電流（網(wǎng)側(cè)電流）波形基本為正弦，功率因數(shù)保持為1并且能量可以雙向流動的特點，代表一個新的技術(shù)發(fā)展動向，但成本問題限制了它的發(fā)展速度。通常的交-交變頻器都有輸入諧波電流大、輸入功率因數(shù)低的缺點，只能用于低速（低頻）大容量調(diào)速傳動。為此，矩陣式交-交變頻器應(yīng)運而生。矩陣式交-交變頻器功率密度大，而且沒中間直流環(huán)節(jié)，省去了笨重而昂貴的儲能元件，為實現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1、輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑。
隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛，PWM技術(shù)的研究越來越深入。PWM利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術(shù)可分為三大類：正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關(guān)頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統(tǒng)中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致大的開關(guān)損耗，而且大功率器件如GTO的開關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這種情況下，優(yōu)化PWM技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術(shù)的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關(guān)頻率相關(guān)的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉(zhuǎn)矩作用在電動機上，會使電動機定子產(chǎn)生振動而發(fā)出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉(zhuǎn)矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關(guān)頻率，但這種方法會使得開關(guān)損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導(dǎo)通位置和開關(guān)頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達(dá)到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM技術(shù)。2應(yīng)用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論交流傳動系統(tǒng)中的交流電動機是一個多變量、非線性、強耦合、時變的被控對象，VVVF控制是從電動機穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動態(tài)控制效果很不理想。20世紀(jì)70年代初提出用矢量變換的方法來研究交流電動機的動態(tài)控制過程，不但要控制各變量的幅值，同時還要控制其相位，以實現(xiàn)交流電動機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦，促使了高性能交流傳動系統(tǒng)逐步走向?qū)嵱没Ｄ壳案邉討B(tài)性能的矢量控制變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用在軋機主傳動、電力機車牽引系統(tǒng)和數(shù)控機床中。此外，為了解決系統(tǒng)復(fù)雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、電壓定向控制等。尤其隨著微處理器控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論中的各種控制方法也得到應(yīng)用，如二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制和雙位模擬調(diào)節(jié)器控制可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，滑模（Slidingmode）變結(jié)構(gòu)控制可增強系統(tǒng)的魯棒性，狀態(tài)觀測器和卡爾曼濾波器可以獲得無法實測的狀態(tài)信息，自適應(yīng)控制則能全面地提高系統(tǒng)的性能。另外，智能控制技術(shù)如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等也開始應(yīng)用于交流調(diào)速傳動系統(tǒng)中，以提高控制的精度和魯棒性。
3廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機、數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor--DSP）、專用集成電路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit--ASIC）等。其中，高性能的計算機結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高，成本低，使得微處理器組成全數(shù)字化控制系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能價格比。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；應(yīng)用特性；研究
引言
稀土永磁電動機具有高效節(jié)能的顯著優(yōu)點，應(yīng)用范圍正日益遍及國防、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的諸多領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｏ噍^于電勵磁電動機，稀土永磁電動機結(jié)構(gòu)特殊且種類多樣，傳統(tǒng)的設(shè)計理論和分析方法已難以適應(yīng)高性能電機研發(fā)的要求，需要綜合運用多學(xué)科理論和現(xiàn)代設(shè)計手段，進(jìn)行創(chuàng)新研究。傳統(tǒng)設(shè)計模式得到的產(chǎn)品，在工況相對固定的應(yīng)用場合，能夠表顯出良好的技術(shù)性能，但在永磁同步電動機實際運用的過程中，其振動與噪聲始終沒有得到有效解決，甚至?xí)ζ鋵嶋H運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。為此，針對永磁同步電動機設(shè)計當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究十分有必要，同樣也逐漸成為國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵增長點。因此，本文在電機和電磁場理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程應(yīng)用問題，對永磁同步電動機的工作工程中的振動和噪聲問題進(jìn)行實驗分析研究，并提出具體解決改善措施。論文的工作主要集中在以下幾個方面：（1）測試裝置與系統(tǒng)的實驗，選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進(jìn)行測試。其中，將非金屬環(huán)合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進(jìn)而對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性展開全面測試。（2）永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析，通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當(dāng)電動機處于額定負(fù)載的情況下，其振動信號呈現(xiàn)出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形。（3）對噪聲頻譜的分析，當(dāng)11kW永磁同步電動機處于空載狀態(tài)時，根據(jù)聲壓級頻譜的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，其中存在兩個峰值。而當(dāng)11kW永磁同步電動機處于額定負(fù)載的狀態(tài)下，根據(jù)聲壓級頻譜內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發(fā)現(xiàn)對于永磁同步電動機噪聲產(chǎn)生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負(fù)載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發(fā)現(xiàn)，峰值多出一，而具體的原因就是受負(fù)載增加的影響，導(dǎo)致電流與功角隨之提高，進(jìn)而生成了頻率成分。
以下是詳細(xì)實驗過程：
1 永磁同步電動機應(yīng)用特性的實驗分析――以振動與噪聲為實驗對象
1.1 測試裝置與系統(tǒng)的實驗
選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進(jìn)行測試。其中，將非金屬環(huán)合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進(jìn)而對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性展開全面測試。
1.2 永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析
通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當(dāng)電動機處于額定負(fù)載的情況下，其振動信號呈現(xiàn)出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形[1]。
1.3 對噪聲頻譜的分析
當(dāng)11kW永磁同步電動機處于空載狀態(tài)時，根據(jù)聲壓級頻譜的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，其中存在兩個峰值。而當(dāng)11kW永磁同步電動機處于額定負(fù)載的狀態(tài)下，根據(jù)聲壓級頻譜內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發(fā)現(xiàn)對于永磁同步電動機噪聲產(chǎn)生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負(fù)載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發(fā)現(xiàn)，峰值多出一個，而具體的原因就是受負(fù)載增加的影響，導(dǎo)致電流與功角隨之提高，進(jìn)而生成了頻率成分。
2 改善永磁同步電動機應(yīng)用特性的具體措施
2.1 有效降低力波
第一，繞組選擇要科學(xué)。在選擇定子繞組的過程中，最好選擇諧波磁動勢不高的，像是正弦繞組，能夠有效地降低噪聲。第二，將定子槽與轉(zhuǎn)子槽的開口寬度減小。通過半閉口槽亦或是閉口槽能夠使氣隙磁導(dǎo)諧波有效降低。與此同時，為了能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的降低，就需要采用槽開口寬度增大的方式。第三，氣隙磁通密度適當(dāng)減少。因為徑向力和氣隙磁密平方呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，而振幅和徑向力同樣呈正相關(guān)關(guān)系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的關(guān)系[2]。在這種情況下，磁通的密度如果相對較高，那么不僅只是聲功率隨之提高，同樣還會影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的效果，分叉與混沌現(xiàn)象的發(fā)生幾率會更高。然而，一旦減小氣隙磁密，還會使電動機的自重增加。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)綜合考慮多種因素來進(jìn)行設(shè)計。
2.2 磁場應(yīng)對稱
在永磁同步電動機實際運行的過程中，如果轉(zhuǎn)子偏心很容易引起低階徑向力，導(dǎo)致電動機自身的噪聲不斷增加[3]。在這種情況下，不僅要對加工工藝與裝配工藝進(jìn)行合理地控制，同樣采取定子并聯(lián)繞組的方式，也能夠避免因轉(zhuǎn)子不同心而帶來的噪聲，這樣就能夠確保各級磁通處于一致狀態(tài)，有效地規(guī)避了磁拉力出現(xiàn)的不平衡性，使得振動與噪聲的產(chǎn)生幾率下降。
2.3 斜槽與斜極的控制
對于永磁同步電動機來說，將其定子鐵心以斜槽的形式制作出來，能夠確保徑向力波始終沿著電動機的長度方向軸線來移動[4]。這樣一來，其沿著軸線方向的平均徑向力就會隨之下降，同時，附加轉(zhuǎn)矩以及噪聲也會隨之降低，然而，實際的附加損耗卻并不會下降。
2.4 定子動態(tài)振幅與聲振幅的合理減少
第一，要科學(xué)增加阻尼。可以在永磁同步電動機的定子鐵心以及機座中適當(dāng)?shù)赝可献枘岵牧希c此同時，使用清漆亦或是環(huán)氧樹脂，實現(xiàn)定子疊片的有效粘結(jié)[5]。基于此，應(yīng)當(dāng)對定子鐵心以及機座間存在的間隙進(jìn)行及時填充，這樣也能夠使電動機阻尼不斷增加。第二，聲輻射效率的減少。在對永磁同步電動機聲輻射功率進(jìn)行計算的過程中，主要是相對聲強輻射系數(shù)和無窮大平板聲強公式相乘[6]。其中，相對聲強輻射的系數(shù)和電動機的定子長徑比以及振動模態(tài)階數(shù)等存在緊密的聯(lián)系。為此，在立波階數(shù)的增加，使聲強輻射系數(shù)減少，可以有效地控制噪聲。
3 結(jié)束語
綜上所述，永磁同步電動機在實踐應(yīng)用中的作用十分重要，所以，對其應(yīng)用特性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。電動機振動過大不僅會對運行可靠程度帶來負(fù)面影響，同樣還會引發(fā)噪聲。因而，文章將稀土永磁同步電動機作為重點研究對象，并且以振動和噪聲兩個特性為例，闡述了控制這兩種特性的可行性方式，以期為永磁同步電動機的正常運轉(zhuǎn)提供有價值的參考依據(jù)，充分發(fā)揮其自身的功用。
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滌綸短絲裝置是上海石化股份公司滌綸部西區(qū)的一個主要裝置，共有六條生產(chǎn)線，設(shè)計單線產(chǎn)量為1.5萬噸/年。前紡電氣傳動采用德國AEG公司SEMIVERTER變頻器及永磁同步電動機，后紡采用直流電動機長軸傳動。該紡絲裝置是我國80年代初自己設(shè)計、自行制造的大型生產(chǎn)裝置，雖然建成初期創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益和社會效益，但是由于受到歷史條件的局限，出現(xiàn)了一些先天性不足，產(chǎn)品的種類和單耗達(dá)不到部頒標(biāo)準(zhǔn)，不能適應(yīng)市場的需要，為此在原一號線位置上改造、引進(jìn)了一條3萬噸/年滌綸短絲生產(chǎn)線(簡稱新生產(chǎn)線)，電氣傳動采用德國西門子6SE70系列變頻器和永磁同步電動機(前紡)、異步電動機(后紡)。本文就共用直流母線多逆變器調(diào)速系統(tǒng)在紡絲線上的應(yīng)用作一些探討。
2合成纖維紡絲機變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展概況
合成纖維紡絲機變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展大致可分為3個階段:
(1)大變頻器調(diào)速由一臺大功率變頻器來驅(qū)動多臺永磁同步電動機。電動機可逐臺起動或分組啟動。優(yōu)點是系統(tǒng)簡單、控制方便，可保證多電機同步運行。缺點是變頻器容量必須選用很大;單臺電動機短路故障有可能引起變頻跳閘，造成整臺紡絲機停車。
(2)多臺小變頻器驅(qū)動每臺電動機均有一臺小變頻器驅(qū)動。對比大變頻器驅(qū)動，優(yōu)點有:a)、一臺變頻器驅(qū)動一臺電機，可以實現(xiàn)軟起動，變頻器容量基本與電動機相同;b)、當(dāng)某臺電動機發(fā)生故障時，對應(yīng)變頻器停止工作，不會影響整臺紡絲機的正常運轉(zhuǎn)。缺點是:a)、總設(shè)定、總啟動需另加調(diào)節(jié)環(huán)節(jié);b)、幾臺變頻器輸出頻率會有離散性，為達(dá)到轉(zhuǎn)速同步，需加串行通信接口。
(3)共用直流電源多臺小逆變器驅(qū)動采用共用直流電源多臺小逆變器驅(qū)動。除了保持小變頻器拖動的特點外，更重要的是可以實現(xiàn)再生發(fā)電制動，也可防止電網(wǎng)瞬時低電壓(含瞬時失電)帶來的停役故障。
3滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統(tǒng)的基本要求及對原有拖動系統(tǒng)的分析
(1)滌綸短纖維紡絲裝置對電氣控制系統(tǒng)的基本要求
紡絲機對電氣傳動的要求為“四高”和“一少”。
四高:即高同步性(一臺紡絲機不同紡位的電機轉(zhuǎn)速要求橫向轉(zhuǎn)速一致，縱向比例同步);高精確性(轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精確度高達(dá)0.1%～0.01%);高轉(zhuǎn)速或甚高轉(zhuǎn)速(在沒有升速齒輪箱條件下，電機轉(zhuǎn)速高達(dá)8000～9000r/min);高可靠性(至少保證一年安全連續(xù)運行8000小時)。
一少:即少維修或免維修，無須照看。在采用了高精度的變頻調(diào)速器和永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)后，高同步、高精度、高轉(zhuǎn)速和少維修可以實現(xiàn)，但高可靠性還做不到，影響了紡絲裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)生產(chǎn)。以3萬噸/年短絲生產(chǎn)線為例，其日產(chǎn)量為100噸短纖維，若外來電網(wǎng)瞬時低電壓(或瞬時失電)，引起計量泵變頻器停役電機停轉(zhuǎn)，會造成聚酯熔體壓力增大，迫使聚酯裝置熔體增壓泵停止，從而影響聚酯裝置正常生產(chǎn)。
(2)原有電力拖動系統(tǒng)的優(yōu)缺點
原1.5萬噸/年短絲直接紡裝置的變頻器屬于第一代變頻器，即一臺變頻器驅(qū)動多臺永磁同步電動機，此類變頻器在技術(shù)上采用公用換流環(huán)節(jié)，具有輔助充電裝置的換流電路。優(yōu)點是:a)、即使直流電壓很低時也能可靠換流。b)、在短時間內(nèi)數(shù)倍額定電流(最大為3倍)時，也能可靠換流。c)、變頻器由空載狀態(tài)到負(fù)載狀態(tài)時，能夠迅速抑制起動電流的極限值。但變頻裝置在運行中尚存在以下不足之處:a)、短絲裝置由于多臺電動機共用一臺變頻器，無法實現(xiàn)軟起動，所以選用時既要考慮到最高頻率時直接起動，又要考慮到若干臺電機高速運轉(zhuǎn)時，某一紡位故障排除后又繼續(xù)投入運行，因此變頻器容量不得不選用偏大。b)、紡絲機故障停臺率偏高。但因變頻器不能承受電網(wǎng)瞬時低電壓(含瞬時失電)，而由于雷電、電纜接地故障及開關(guān)倒閘操作，定會出現(xiàn)瞬時低壓現(xiàn)象，造成變頻器停役，致使整臺紡絲機停產(chǎn)，釀成巨大損失。c)、無法實現(xiàn)再生發(fā)電制動。后紡采用直流拖動，電動機維護和保養(yǎng)很麻煩，牽伸比調(diào)節(jié)也很困難。
4前紡裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)特點分析(由UPS供電、小逆變器永磁同步電動機開環(huán)同步拖動系統(tǒng))
新生產(chǎn)線的前紡部分變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1。前紡裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是由UPS供電、小逆變器永磁同步電動機開環(huán)同步拖動系統(tǒng)組成，前紡裝置的主要改進(jìn)是電源系統(tǒng)采用UPS(西門子System4233，330kVA)供電。
正常情況下由市電進(jìn)行供電，若電網(wǎng)瞬時失電或低電壓，由電子開關(guān)控制自動切換到蓄電池供電，確保逆變器不受影響。為保證紡絲的精度，前紡沒有采用1臺逆變器帶1臺電動機的控制方式，而是由2臺大逆變器分別向32臺計量泵電機(永磁同步電動機)提供可變頻交流電源。裝置控制采用集散式數(shù)字工藝控制系統(tǒng)(DCS)和微處理機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在兩臺逆變器之間用PLC加串行通信接口組成開環(huán)控制，確保兩變頻器的輸出頻率相同，即保證了32臺計量泵電動機轉(zhuǎn)速的絕對同步。與原生產(chǎn)線相比，雖然一次性投入較大，但可確保在瞬時低電壓(含瞬時失電)時，計量泵可正常工作，提高經(jīng)濟效益。在前紡調(diào)速系統(tǒng)中，32臺計量泵電動機、7輥導(dǎo)絲輥電動機及喂入輪電動機的所有逆變器均接在共用直流母線上。
5后處理裝置變頻調(diào)速系統(tǒng)特點分析
后紡裝置的變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖2。后處理裝置中牽伸、緊張熱定型、疊絲、卷曲的拖動采用共用直流多逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)，其逆變器接同一直流母線。電動機則采用大功率的異步電動機。共用直流母線由＃1、＃2整流裝置供電。兩套整流器的疊加既可擴大容量，又可減少紋波和諧波，穩(wěn)定直流電壓。與原生產(chǎn)線相比有如下優(yōu)點:
(1)采用共用直流母線可以自適應(yīng)調(diào)整不同牽伸比條件下被拖電動機的制動力矩。比如對某一設(shè)定好的牽伸比，頭道、二道、三道牽伸機的轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3，由于絲的張力作用，在沒有制動功能時，頭道牽伸輥會被后面牽伸輥拖著跑，而現(xiàn)在采用共用直流母線的變頻調(diào)速后，一旦n1的數(shù)值超過設(shè)定值，電動機便進(jìn)入了再生發(fā)電制動狀態(tài)。一方面被拖電機變成發(fā)電機，發(fā)出的電能經(jīng)續(xù)流二極管整流變成直流回饋到直流母線，電動機不僅無須從電網(wǎng)吸收能量，還可將制動能量供給其他逆變器，既可穩(wěn)定直流母線電壓，又由于電動機容量較大(如第二牽伸機電動機為400KW)，電能節(jié)約也相當(dāng)可觀。另一方面，被拖電動機處于制動狀態(tài)，只要設(shè)置相應(yīng)的頻率比，就能控制轉(zhuǎn)速比，確保了牽伸比控制精度。
(2)滌綸短絲后處理牽伸緊張熱定型聯(lián)合機組是滌綸短纖維生產(chǎn)中的一道關(guān)鍵工序，主要承擔(dān)著將原絲按一定牽伸倍率進(jìn)行拉伸和定型。滌綸部原短絲裝置的后紡?fù)蟿佑梢慌_功率較大的直流電動機拖動一根機械長邊軸，再帶動各道牽伸輥、緊張熱定型輥等。直流電動機雖然在調(diào)速的范圍、調(diào)速的精度及動態(tài)響應(yīng)等方面性能較好，但直流拖動最致命的問題就是直流電動機的維護和保養(yǎng)很麻煩，并且對環(huán)境要求也較高。另外采用長邊軸傳動，若要改變生產(chǎn)品種，則牽伸比的調(diào)節(jié)較困難，并且精度也達(dá)不到要求，這樣勢必會影響產(chǎn)品質(zhì)量、品種翻改以及高附加值產(chǎn)品的開發(fā)。新生產(chǎn)線采用交流變頻調(diào)速，各道牽伸輥具有獨立的變頻傳動，只需改變各變頻器的頻率就能方便調(diào)整工藝需要的牽伸倍率。從投產(chǎn)后的生產(chǎn)情況分析，生產(chǎn)的滌綸短纖維品種增加(其中1.33dtex有光縫紉線銷量占全國銷量的1/2以上)、質(zhì)量提高、單耗下降，停車故障大幅減少，經(jīng)濟效益顯著。
疊絲機、卷曲機也采用共用直流母線多逆變器調(diào)速方案，只是功率較小，不再討論。切斷機則為獨立變頻器，和一般變頻調(diào)速原理相同，在此不再展開。
6結(jié)束語
(1)如上所述，共用直流母線變頻調(diào)速技術(shù)是可靠的，雖然一次投入較高，但每年可以減少停車2~3次，按一條3萬噸/年生產(chǎn)線計算，可減少PET放流8~12噸，同時還可避免因停車造成的纖維質(zhì)量波動(一次停車將影響144~216噸纖維的質(zhì)量穩(wěn)定性)，如此計算不用幾年就可收回改造費用。
(2)由于采用共用直流母線變頻調(diào)速技術(shù)，使整體生產(chǎn)條件處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而給改變產(chǎn)品規(guī)格、調(diào)整工藝參數(shù)帶來極大便利。過度時間短，廢絲少，工藝調(diào)整精確。
(3)從新生產(chǎn)線實際運行情況看，共用直流多逆變器調(diào)速系統(tǒng)在滌綸短纖維的生產(chǎn)中優(yōu)勢突出，代表了紡絲機拖動的發(fā)展方向。但在后紡部分仍不能完全排除電網(wǎng)失電對變頻器的影響，如變頻器一旦停役會使正在牽伸的一段滌綸絲(約100m)報廢。改進(jìn)方法可采用兩個獨立的交流電源供電，分別經(jīng)整流器整流后送至共用直流母線(需用二極管隔離)，一旦失掉一路電源，仍有另一路交流電源支持，不會停車。另外，前紡卷繞紡絲裝機容量196kW，UPS輸出容量330kW，實際使用的容量較小，需要注意。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞 電動汽車;驅(qū)動控制;輪轂電機
中圖分類號：TM36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）21-0041-01
電動汽車，是在傳統(tǒng)燃油汽車面臨能源危機與環(huán)境污染兩大難題時，得到重視和發(fā)展的，并被視為解決上述兩大難題的有效途徑。它是車輛工程、電子信息、新能源技術(shù)、計算機、自動控制等多學(xué)科交叉技術(shù)的集成，更容易使車輛電子化、信息化，從而提高車輛智能控制水平。電動汽車電機驅(qū)動控制技術(shù)作為電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一，一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點。
1 驅(qū)動系統(tǒng)種類及驅(qū)動控制算法
目前，電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)按所使用的驅(qū)動電機類型不同可以分為交流感應(yīng)電機、直流電機、開關(guān)磁阻電機、永磁同步電機、永磁無刷直流電機等驅(qū)動系統(tǒng)。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車研究開發(fā)的重點之一，就目前而言，單電機配合減速器和差速器驅(qū)動車輪是電動汽車驅(qū)動的普遍方式。考慮到各地的差異性及車輛的通用情況，目前大多數(shù)控制策略及控制方法的研究都通過軟件模擬仿真。山東大學(xué)的李珂等建立電動汽車異步電機仿真模型以及與之對應(yīng)的控制模型，實現(xiàn)了對純電動汽車動力性能仿真[1]。Z.Rahman等人，根據(jù)電動汽車驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速范圍、車輛行駛對電池組能量需求、驅(qū)動電機工作效率、車輛傳動系數(shù)，以建模仿真的方式來確定動力驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型[2]。Mehrdad Ehsani等人，則利用電動汽車?yán)m(xù)航里程和行駛的動力需求為主要優(yōu)化目標(biāo)，對匹配純電動汽車動力參數(shù)優(yōu)化算法進(jìn)行了深入研究[20]。王慶年，丁永濤等人，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下完成了整車的并聯(lián)式控制策略的建模。所得出的研究結(jié)果表明，所開發(fā)電動汽車正向仿真平臺正確性、可靠性，對提高電動汽車初期研發(fā)效率、降低電動汽車的研發(fā)成本具有非常重要的現(xiàn)實意義。
2 電動汽車輪轂電機驅(qū)動技術(shù)
早在上世紀(jì)中期，名叫ROBERT的美國人將驅(qū)動電機、傳動/制動裝置全部集成在輪轂上，研發(fā)了最初的電動汽車輪轂。該類電機根據(jù)其安裝的方式不同，又分為輪轂電機驅(qū)動、輪邊電機驅(qū)動兩種結(jié)構(gòu)。輪邊電機驅(qū)動，它是將驅(qū)動電機固定在車架位置，電機的輸出軸直接把驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動輪，電機與車輪之間彼此相對獨立，只通過電機輸出軸或其它變速機構(gòu)聯(lián)接，減輕了車輪慣性力及車輛顛簸程度。輪轂電機驅(qū)動在結(jié)構(gòu)上與輪邊電機驅(qū)動有所不同，它是把驅(qū)動電機直接安裝在車輪的輪轂內(nèi)直接驅(qū)動車輪。這種結(jié)構(gòu)省略了傳統(tǒng)燃油汽車上面一系列的傳動裝置，大大提高了驅(qū)動效率，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。在2005年，美國德州大學(xué)教授E.J.Triche等人對輪轂電機直接驅(qū)動的混合動力及純電動軍用車輛的沖擊載荷進(jìn)行了相關(guān)的仿真和實驗[4]。K.Cakir和A.Sabanovic設(shè)計了直接驅(qū)動電動汽車的電氣系統(tǒng)，創(chuàng)建了電機三維模型，通過優(yōu)化設(shè)計，使得該輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)很好的匹配實驗車輛[5]。2012年，Perer Juris等人研究了溫度對輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的影響，運用有限元方法對輪轂電機進(jìn)行瞬時熱力學(xué)仿真分析，結(jié)果表明：過高的溫度會導(dǎo)致輪轂電機的驅(qū)動失效，并導(dǎo)致永磁鐵失磁。在國內(nèi)，同濟大學(xué)余卓平教授等，對四輪輪轂驅(qū)動的電動汽車路面附著系數(shù)估算方法進(jìn)行了深入分析研究。他們利用電動汽車輪轂電機測速準(zhǔn)確、驅(qū)動力響應(yīng)迅速等特點對車輛行駛路面的附著系數(shù)進(jìn)行估算，通過這種方式能有效防止車輛行駛時車輪滑轉(zhuǎn)，確保車輛的行駛穩(wěn)定性。2012年，張立軍等人建立了包括電機轉(zhuǎn)矩波動動力學(xué)模型與充氣輪胎剛性圈動力學(xué)模型的系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型，并進(jìn)行了時頻域特性分析。此外，北京理工大學(xué)在輪轂電機驅(qū)動方面也有較深入研究，如謝邵波，林誠對前輪輪轂電機驅(qū)動的電動車行駛穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過實驗仿真，驗證了其設(shè)計的控制策略可提高車輛橫擺穩(wěn)定性。
3 結(jié)論
目前，國內(nèi)外在電動汽車電機驅(qū)動控制方面的研究已涉及各個方面，從目前研發(fā)的進(jìn)程狀況來看，國內(nèi)外基本處于同一起跑線上，國外略處于領(lǐng)先地位。另外，在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，絕大部分研究焦點都集中于對電機本體的研究，沒有與電動汽車整車控制需求相結(jié)合。將電機驅(qū)動控制策略與車輛行駛工況緊密結(jié)合來提高驅(qū)動效率的相關(guān)報道較少。
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【關(guān)鍵詞】濾波裝置 成像 步進(jìn)電機
攝像機拍攝的圖像是由被拍攝物發(fā)射光（反射光）及背景光兩部分組成。在攝像機已經(jīng)確定下來的情況下，一般采用通過改變曝光參數(shù)的方法，調(diào)整目標(biāo)成像的亮度來改善目標(biāo)的成像質(zhì)量。但是在實際使用中，受被拍攝物體的亮度、運動方式、背景環(huán)境等多種因素影響，攝像機的曝光參數(shù)的調(diào)節(jié)有時比較困難，特別是物體本身亮度較強的情況下，參與成像的主要光譜對應(yīng)的光強太大，使得攝像機接收CCD飽和，而目標(biāo)輪廓對應(yīng)的成像光譜光強較弱，所以輪廓不清晰。只靠攝像機自身降低曝光參數(shù)來進(jìn)行目標(biāo)的清晰成像并不是那么容易，因此，僅僅依靠調(diào)整曝光參數(shù)是無法從根本上解決成像質(zhì)量清晰與否的問題，需要設(shè)計一套載有不同波段濾光片的濾波轉(zhuǎn)動裝置，采用步進(jìn)電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤來裝夾濾光片，濾波裝置與攝影機時序匹配。本文中設(shè)計的濾波載盤旋轉(zhuǎn)時，不拍攝；電機停轉(zhuǎn)時，攝影機工作。濾波轉(zhuǎn)動裝置通過選擇適當(dāng)?shù)母咄ā⒌屯ɑ驇V波片，將干擾目標(biāo)成像的光譜成分濾除，使目標(biāo)在圖像中的對比度得到改善。
1 濾波裝置的組成
濾波裝置是將裝載不同波長性能濾光片的轉(zhuǎn)輪置于攝影或攝像機之前，在攝影、攝像機工作時，控制轉(zhuǎn)輪，使不同波長的光成像，比較成像的質(zhì)量，決定濾光波長。
本套裝置選用常規(guī)攝像機，考慮到目標(biāo)距離攝影點很遠(yuǎn)，使用伽利略系統(tǒng)，目鏡放大倍數(shù)為10倍，焦距為25mm，物鏡焦距為900mm，總角放大倍數(shù)為36倍，有連拍功能。濾波裝置由機械載片轉(zhuǎn)盤、步進(jìn)電機驅(qū)動器、控制電路以及顯示設(shè)備組成。
主要完成以下功能：
（1）控制機能夠帶動轉(zhuǎn)盤在0.5s內(nèi)轉(zhuǎn)動72°。
（2）完成轉(zhuǎn)動后滯留一段時間，繼續(xù)下一步，滯留時間以0.1s為單位可調(diào)。
（3）運行速度、加速度可調(diào)，轉(zhuǎn)動角度以0.9°為單位可調(diào)。
（4）具有顯示功能，顯示參數(shù)設(shè)置信息以及電機運行信息。
（5）具備串口功能，可以方便進(jìn)行程序燒寫，并可與上位機交互通信及控制。
2 步進(jìn)電機驅(qū)動控制裝置
2.1 步進(jìn)電機選型
攝像機帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，對電機要求較高，不僅啟動速度要快，而且停止后定位要準(zhǔn)確，但在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量較大，不易停止下來。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用永磁式步進(jìn)電機可以滿足本裝置中對電機的要求：電機既可滿足帶動轉(zhuǎn)盤高速運動的同時，又可滿足在停止時轉(zhuǎn)盤定位準(zhǔn)確無過沖現(xiàn)象，同時功率消耗較小。
步進(jìn)電機型號定為：85BYGH-201。
2.2 控制電路設(shè)計
步進(jìn)電機控制方框圖如圖2所示。
為了保證本裝置結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，經(jīng)過論證，步進(jìn)電機控制器采用STC89C52單片機芯片，能夠滿足本裝置使用要求。該系統(tǒng)能夠發(fā)出脈寬、頻率、脈沖個數(shù)均可控制的方波，控制電機運行，并且還可以利用串口對單片機進(jìn)行程序的燒寫，對其功能可以進(jìn)一步擴展。其整體的電路圖如圖3所示。
采用SMC1602A液晶顯示器，能夠?qū)V波裝置的參數(shù)設(shè)置及工作狀態(tài)實時顯示出來，供操作人員實時監(jiān)控。操作人員可以通過操作液晶顯示器面板的控制按鍵，實現(xiàn)裝置控制參數(shù)的顯示、設(shè)置、電機運行和停止等功能。如圖4所示是按鍵控制電路圖。
2.3 軟件設(shè)計
單片機采用多中斷系統(tǒng)，分析判斷中斷標(biāo)志位，確定有無中斷以及中斷方式，確定中斷方式后再通過查詢方式判斷具體工作模式，最后執(zhí)行相對應(yīng)程序。軟件控制流程如圖5所示。
3 實驗分析
采用普通攝像機加裝本濾波裝置，濾波片濾光范圍在300nm至1200nm之間，對150米以外的物體做光譜采集，不漏掉目標(biāo)，干擾光不進(jìn)入系統(tǒng)，電機帶動轉(zhuǎn)盤按照預(yù)設(shè)程序，與攝像系統(tǒng)配合，依次拍下目標(biāo)光譜信息。本濾波裝置正確地在外場采集了目標(biāo)光譜。如圖6為拍攝照片濾波對比效果圖。
綜上實驗結(jié)果，從圖中可以看出，濾波裝置正常工作，濾波效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
4 結(jié)束語
本套濾波裝置采用步進(jìn)電機傳動，脈沖頻率控制轉(zhuǎn)速，脈沖個數(shù)控制轉(zhuǎn)角，使曝光與傳動匹配。結(jié)構(gòu)簡單易行，用常規(guī)攝影攝像儀器、濾光片，經(jīng)過光譜濾波后改進(jìn)像質(zhì)效果很明顯，得到較好的像質(zhì)。
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作者簡介
李陽（1977-）男，遼寧省葫蘆島市人。工程師，從事光學(xué)測量工作。
關(guān)鍵詞：區(qū)域經(jīng)濟;工程實踐;創(chuàng)新能力;課間壁壘
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）41-0183-02
由經(jīng)濟形勢和行業(yè)需求所決定，中國高等教育資源和學(xué)生分布于理工科的占比大于其他學(xué)科。反思高校工程教育，筆者認(rèn)為存在如下問題：
1.理工科學(xué)校對工程科技人才培養(yǎng)定位含糊，特色不明，重規(guī)模，輕質(zhì)量。包括教師、教材、實驗和作業(yè)把工程問題當(dāng)成“可以解決”的簡單問題。造成學(xué)生不能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、簡化問題并最終解決問題。
2.重答案，輕過程。好奇心是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，有成就的科技工作者大多具有較強批判精神，敢于問“為什么”，并從中找到科學(xué)創(chuàng)新點。學(xué)生最初不會提問，然后害怕提問，最后變成沒有問題可提。
3.關(guān)注教師授課體系，輕視學(xué)生知識系統(tǒng)。教師灌輸式的教學(xué)方式，學(xué)生死記硬背的學(xué)習(xí)方式，無法掌握知識的內(nèi)涵。教師提供“標(biāo)準(zhǔn)答案”，學(xué)生習(xí)慣于互相看答案。重以教師為中心，輕以學(xué)生為中心。
4.重科學(xué)論文，輕工程設(shè)計和實踐教育。缺乏設(shè)計和工程實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生很少對實驗產(chǎn)生深刻印象，更不用說影響學(xué)生興趣和愛好。專業(yè)缺乏學(xué)科融合與交叉;與企業(yè)關(guān)系疏遠(yuǎn);重理論輕實踐，重課堂教學(xué)，忽視實踐環(huán)節(jié)，注重傳授知識，不重視能力或者輕視能力培養(yǎng)。
我國的工程教育規(guī)模居世界首位，提高工程教育質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急。高等教育培養(yǎng)出數(shù)量足夠，能面向生產(chǎn)一線的優(yōu)秀工程科技人才，這是中國高等工科院校不可推卸的歷史責(zé)任。要達(dá)到這一目的，論文提出了提高本科工程教育質(zhì)量的對策，并結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟特色，探討協(xié)同培養(yǎng)高校工程技術(shù)本科人才的模式，并以株洲區(qū)域經(jīng)濟為例，詳述了湖南工業(yè)大學(xué)高校工程技術(shù)本科人才培養(yǎng)模式。
一、株洲區(qū)域經(jīng)濟
株洲是“中國電力機車搖籃”，也是“中國軌道交通之都”。南車株洲電力機車研究所有限公司、南車株洲電力機車有限公司、南車株洲電機有限公司等核心企業(yè)，在軌道交通裝備領(lǐng)域的歷史積淀、品牌優(yōu)勢、技術(shù)實力、集群優(yōu)勢是國內(nèi)其他企業(yè)所無法比擬的。株洲電力機車廠出產(chǎn)了中國的第一輛電力機車，并且較長時期壟斷國內(nèi)市場;南車株洲電力機車研究所有限公司是中國電力機車牽引傳動系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)的行業(yè)龍頭;南車株洲電機有限公司是中國最大的高速動車組、城軌車輛電機和變壓器專業(yè)化科研、生產(chǎn)基地。目前，株洲市擁有軌道交通產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)共300余家，產(chǎn)業(yè)門類齊全，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，軌道交通零部件、配套件等覆蓋電力機車與鐵路車輛所需的70%以上，已成為全國最大的軌道交通裝備制造產(chǎn)業(yè)集群。
作為“長株潭”國家自主創(chuàng)新示范區(qū)中重要一極，株洲在國家創(chuàng)新型城市建設(shè)的戰(zhàn)略指引下，全力打造“中國動力谷”。2013年，株洲軌道交通產(chǎn)業(yè)入選全國首批創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群試點，“株洲國家軌道交通裝備高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地”在17家被科技部授牌的國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地中綜合實力排名第一。株洲到2016年將在以高新區(qū)為核心的區(qū)域內(nèi)，形成全國首個千億規(guī)模軌道交通產(chǎn)業(yè)集群，將推動科技服務(wù)體系的建立和完善，進(jìn)一步提升產(chǎn)業(yè)鏈的科技含量，加速實現(xiàn)軌道交通產(chǎn)業(yè)的跨越發(fā)展。
軌道交通產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展離不開專業(yè)人才的培養(yǎng)，本地區(qū)的軌道交通對該領(lǐng)域的高層次人才需求很大。
二、結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟的高校本科人才培養(yǎng)模式
根據(jù)株洲區(qū)域經(jīng)濟特色，以軌道交通自動化為主，分析相關(guān)企業(yè)行業(yè)的創(chuàng)新需求、并據(jù)此設(shè)置高校實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)本科工程實踐創(chuàng)新能力，優(yōu)化并合理使用本科專業(yè)創(chuàng)新資源，從而形成課堂理論培養(yǎng)為主、課外實踐工程能力為輔完整的師資整合和創(chuàng)新訓(xùn)練體系創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制。提出校企共建工程實踐教育中心的舉措，提供學(xué)生在企業(yè)學(xué)習(xí)的教學(xué)條件，形成“辦學(xué)體制、科技創(chuàng)新、人才培養(yǎng)、校企產(chǎn)學(xué)研”全方位合作;明確企業(yè)承擔(dān)繼續(xù)培訓(xùn)工程技術(shù)人員和接納實習(xí)的責(zé)任，為未來工程師提供實習(xí)崗位;企業(yè)逐漸成為創(chuàng)新主體，擁有先進(jìn)的技術(shù)、設(shè)備和高水平的工程技術(shù)人員，企業(yè)文化有助于學(xué)生成長，企業(yè)經(jīng)歷有助于學(xué)生就業(yè)。
（一）聚合實踐教學(xué)創(chuàng)新能量，協(xié)同構(gòu)建高層次師資隊伍
按照創(chuàng)新團隊流動不調(diào)動的政策，分別從企業(yè)派駐院士、教授、高工及其團隊到湖南工業(yè)大學(xué)參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)，并在資金、項目和人才隊伍組建等方面予以全方位的支持，為形成深度融合的學(xué)科方向、學(xué)術(shù)團隊，并為開展創(chuàng)新活動奠定了堅實的基礎(chǔ)。
將湖南工業(yè)大學(xué)的高層次人才引進(jìn)計劃和科研團隊建設(shè)目標(biāo)納入各自的人才隊伍建設(shè)工程總體規(guī)劃中，并分年度予以實施，在人才隊伍建設(shè)工程中，充分考慮協(xié)同中心團隊凝練的結(jié)構(gòu)、層次、學(xué)科、方向需要，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)提供強力的人才支持。
對納入創(chuàng)新培養(yǎng)團隊成員，實行重點培養(yǎng)和系統(tǒng)支持，在資源利用、項目申報、研究條件、成長發(fā)展等方面制定了相應(yīng)的支持政策，鼓勵冒尖、鼓勵拔尖、鼓勵創(chuàng)新研究和成果產(chǎn)出。與此同時，全面落實跨單位考評機制和考評辦法。
（二）協(xié)同辦學(xué)環(huán)境，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式
湖南軌道交通核心業(yè)務(wù)發(fā)展和下游產(chǎn)業(yè)鏈的延伸對高端專業(yè)人才的旺盛需求，極大地調(diào)動了相關(guān)軌道交通裝備企業(yè)共同參與協(xié)同辦學(xué)的積極性。結(jié)合產(chǎn)業(yè)對高素質(zhì)工程技術(shù)人才的需求，以創(chuàng)新項目研究為載體，以強化軌道交通自動化相關(guān)專業(yè)特色為目標(biāo)，制定“四個共同”人才培養(yǎng)機制。
協(xié)同培養(yǎng)研究生的模式主要有兩種：一是獨立導(dǎo)師制。由產(chǎn)業(yè)企業(yè)的技術(shù)骨干單獨指導(dǎo)研究生，研究生在學(xué)校修完學(xué)科基礎(chǔ)課后進(jìn)入企業(yè)，跟隨指導(dǎo)老師開展課題研究，具體科研題目由導(dǎo)師決定，企業(yè)提供學(xué)生的住宿和生活費;二是雙導(dǎo)師制。由企業(yè)和學(xué)校各自派出一名導(dǎo)師共同指導(dǎo)一名學(xué)生，學(xué)生的課題由兩位導(dǎo)師共同商量。截至2014年底，僅電氣工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科已經(jīng)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生100余人，其中大部分畢業(yè)后留在聯(lián)合培養(yǎng)單位從事科研開發(fā)工作，取得了很好的培養(yǎng)效果，深受企業(yè)和社會歡迎。
（三）聚合實踐教學(xué)創(chuàng)新能量，實現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)無縫對接，快速推進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化
圍繞株洲軌道交通千億產(chǎn)業(yè)集群核心技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈延伸的共性技術(shù)問題進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新，各協(xié)同企業(yè)在軌道交通自動化領(lǐng)域針對永磁同步電機與傳動控制、網(wǎng)絡(luò)控制及故障診斷等理論進(jìn)行了深入研究和探討，對相關(guān)技術(shù)共同進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化培育，其中部分成果已成功應(yīng)用于我國高速軌道交通和城軌鐵路交通運行中。有力推動了株洲軌道交通千億產(chǎn)業(yè)集群主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成，并對其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)形成了創(chuàng)新技術(shù)溢出延伸效應(yīng)，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。
大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力提升后，就業(yè)渠道明顯拓寬。近三年畢業(yè)生平均就業(yè)率達(dá)93%以上，在湖南省同類專業(yè)中處于領(lǐng)先地位。由于就業(yè)成績顯著，2015年湖南工業(yè)大學(xué)被評為“全國畢業(yè)生就業(yè)典型經(jīng)驗高校50強”。
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Regional Economic and The University undergraduate engineering Talents Training Mode
GU Zhi-ru1，CHEN Shun-ke1，HUANG Xiao-feng1
（1.College of Electrical and Information Engineering of Hunan University of Technology，Zhuzhou，Hunan 412007，China）
