随着全球电气化水平的提高,电能已成为仅次于石油的全球第二大终端消费能源。关于电能的合理开发和利用越来越多的受到各国政府和机构的关注。在电能开发方面,基于清洁和可再生能源的核电、风电以及光伏发电等项目的规模逐年增长。在电能利用方面,各国和国际组织纷纷出台相应标准,强制提高用电设备能效。电机作为电能与电能、以及电能与机械能转换的重要装置,消耗全球近一半的用电量,超过全球第二大用电设备——照明用电量的两倍。因此,提升电机以及电机系统能效对于电能资源的合理利用、实现节能减排具有重要意义。为便于高能效电机系统的推广,需要在提升电机能效的同时,尽可能降低电机及其控制系统成本。本文在目前市场占有量最大的三相感应电机基础上,通过将其再制造为永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machines,PMSMs),以较小的成本实现现有电机设备的能效提升,并通过高效控制算法充分发挥再制造电机高效率、高动态品质的优势。在降低系统成本方面,采用高性能无位置传感器矢量控制,结合平稳的变-工频切换策略,在降低系统成本的同时,进一步提高系统能效。具体研究内容如下:首先,在不改变低能效三相感应电机定子尺寸和绕组排布的前提下,仅将鼠笼转子更换为优化设计的永磁转子,实现电机能效提升。通过综合考虑再制造电机各损耗成分,得到再制造电机效率与磁负荷的关系,并由此预估再制造电机的永磁体尺寸。针对三相感应电机定子较常采用的星接和角接两种绕组形式,分别以削弱齿谐波和三次谐波为目标,给出相应的空载反电势优化设计方法,并分析角接绕组PMSM在恒功率转速范围和能效方面的优势。在此过程中,完成7种机座号共10台低能效三相感应电机的永磁化再制造。测试数据表明,再制造后电机能效等级均有较大提升。最后,给出永磁化再制造工艺流程,并核算再制造电机的成本回收周期。其次,对于PMSM的电感参数,提出仅与电机极槽配合和绕组形式有关的气隙比磁导系数的概念,实现电机极槽配合与几何参数的解耦。在此基础上分析相近几何参数下,PMSM电感参数与极槽配合的关系,并通过有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)验证结论的正确性。对于PMSM的定子铁损,基于Bertotti铁损公式将其分解到转子直、交轴系下,得到PMSM定子铁损关于直、交轴磁链的解析表达式,从而有助于PMSM设计及在线效率优化控制。同样,采用FEA验证了解析计算结果的准确性。在此基础上,为充分发挥PMSM高效率、高动态品质的优势,本文基于损耗模型,提出最大效率电流比控制策略,并通过实验对比测试不同效率控制策略下,再制造永磁电机的负载效率曲线。再次,为降低再制造电机控制系统成本、提高系统可靠性,本文就PMSM全速域无位置传感器控制技术展开研究。对于低速区,介绍几种常见的基于定、转子轴系的高频电压注入法,分析注入法中未考虑的电阻、旋转电势压降以及逆变器非线性对位置观测误差的影响,并基于脉振方波注入法提出改进算法,提高对注入电压误差的鲁棒性。对于电机磁场畸变对注入法位置观测误差的影响,本文推导得到位置观测误差与电机相电感高次谐波相位的数学表达式,并通过仿真和实验加以验证。此外,通过仿真,研究SVPWM电压谐波对位置观测误差的影响。对于高速区,采用模型法并基于滑模观测器实现PMSM的无位置传感器控制。在转速过渡区,采用基于注入法和模型法的混合无位置传感器控制策略。实验结果验证了上述算法的有效性。最后,针对长期恒频运行的工作场合,为进一步降低系统成本,提高系统能效,本文研究PMSM的并网切换控制策略。由于再制造的PMSM转子无阻尼绕组,不具备自启动能力,因此需由变频器辅助软启动,并采用无位置传感器控制以降低系统成本。变-工频切换时,采用数字锁相环检测电网及变频器输出电压相位,并通过调节电机转速和变频器输出电压,使系统满足并网条件。工-变频切换时,通过引入辅助开环控制,实现工频到无位置传感器变频运行的平稳过渡。本文基于5台不同型号的再制造电机实现平稳并网切换运行,并对比额定转速、不同负载下变、工频运行时的系统效率。