大陸研發出全球最先進高鐵牽引技術 耗資5億元

裝載株洲所核心部件的CRH380A動車組示意圖。

歷時11年,累計1000萬次試驗,積累150G資料,耗資1億元(以人民幣計算,以下同),中國中車旗下株洲電力機車研究所有限公司(下稱『株洲所』)攻克了第三代軌道交通牽引技術,即永磁同步電機牽引系統(下稱『永磁牽引系統』),掌握完全自主知識產權,成為大陸高鐵制勝市場的一大戰略利器。

根據中國經濟週刊報導,2015年5月16日,長沙地鐵1號線使用的永磁同步電機成功交付。這是大陸國內首次將永磁同步電機裝載在整列地鐵車輛投入裝車應用。

中國工程院院士、株洲所總經理丁榮軍透露,目前,株洲所已研發出可用於時速500公里的高鐵動車的690kW永磁牽引系統,即將小批量生產。這標誌著大陸成為繼德、日、法等國之後,世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家之一。

『大陸具有完全自主知識產權的永磁牽引系統已經邁開產業化步伐,大陸軌道交通的「永磁牽引時代」終於來臨了。』丁榮軍表示。

從『地鐵用』到『高鐵用』:『爬完衡山又去登聖母峰』

牽引傳動系統在業內被稱為『列車之心』,其性能在某種程度上決定了列車的動力品質、能耗和控制特性,也影響著列車的經濟性、舒適性與可靠性,是節能升級的關鍵。

世界軌道交通車輛牽引系統的第一代是直流電機牽引系統,第二代是起步於20世紀70年代的交流異步電機牽引系統,為當前的主流技術。

株洲所副總經理馮江華介紹,『對軌道交通牽引技術來說,永磁牽引系統是一場革命,誰擁有永磁牽引系統,誰就擁有高鐵的話語權。』

永磁牽引系統是列車的動力系統,由變流器和電機兩大部分組成,其中變流器相當於列車的心髒,電機好比是列車的肌肉,電機主要負責傳達動力,完成電能到機械能轉變,帶動列車平穩行駛。目前,西門子、龐巴迪等國際設備製造商均將永磁牽引系統作為其研發方向。在這個新興領域,大陸並沒有輸在起點。

2003年,有關永磁牽引系統的闡述第一次傳入馮江華的耳朵。當時,該項技術尚處於理論研究階段。然而,馮江華察覺到,永磁牽引系統必將取代交流異步電機牽引系統,必須迅速研發。當年,株洲所率先組建了大陸國內第一支永磁牽引系統研發團隊,『從零起步』。

株洲所基礎與平台研發中心副主任許峻峰稱,在交流異步電機牽引系統研發階段,大陸比國外落後了20來年;在更先進的永磁同步領域,『我們就像是沒有車燈的汽車,在黑燈瞎火的山路上摸索,方向稍有把握不準,後果不僅僅是跑偏』。

『電機控溫是專案進展最大的瓶頸。』許峻峰介紹,為避免水、灰塵、鐵屑等腐蝕電機內部永磁體,電機採用全封閉結構,但由於電機功率太大,發熱過高,永磁材料在高溫、振動和反向強磁場等條件下,可能發生不可恢復性失磁的嚴重風險。『如果列車在高速運行時失磁,後果不可想像。』

馮江華回憶,『沒有任何可以借鑒的資料,也缺少研發測試用的相關設備』,株洲所只能『摸著石頭過河』,不少資料仍要依靠比較原始的笨辦法。『比如說,電機升溫試驗一做就是五六個小時,電機溫控資料就人工全程蹲守來記錄,這樣來慢慢積累。』馮江華稱。

研發團隊成立8年後,也就是2011年底,株洲所永磁牽引系統在瀋陽地鐵2號線成功裝車,實現了大陸國內軌道交通領域的首次應用,結束了大陸鐵路沒有永磁牽引系統的歷史。株洲所也成為大陸唯一掌握自主永磁牽引系統全套技術的企業。截至2015年5月底,瀋陽地鐵2號線已無故障載客運營7萬公里。

『這一次,我們搶坐了頭把交椅。』馮江華告訴記者,2011年,株洲所受命參與國家『863計劃』之『高速鐵路重大關鍵技術及裝備研製重點專案』,承擔高速動車組用永磁牽引系統的研發工作。從『小功率』轉向『大功率』,從『地鐵用』轉向『高鐵用』,株洲所面臨著新的難關。

株洲所首席設計專家李益豐對《中國經濟週刊》稱,瀋陽地鐵用的永磁同步電機功率是190kW,而用於時速500公里高速動車組的電機功率高達690kW,且始終是高速運行狀態,對牽引系統的穩定性、可靠性等各方面都提出了極大的挑戰,『對電機設計的挑戰就像是爬完衡山,又去攀登聖母峰』。

儘管如此, 株洲所卻提前完成任務。2013年12月,株洲所成功開發出可用於時速500公里高鐵動車的電機,2014年10月在青島四方股份公司成功裝車考核。『順利的話,大陸高鐵很快就能全面用上永磁牽引系統,不僅更節能,也更穩定,更安全。』李益豐稱。

『節能神器』:讓高鐵電機功率提高60%

丁榮軍對《中國經濟週刊》介紹,2014年,株洲所的牽引系統在城市軌道列車市場佔有率達57%,今後將逐步以永磁牽引系統取代異步電機系統。

株洲所下屬的時代電氣公司副總經理兼總工程師劉可安說:『高效節能是永磁牽引系統最突出的優勢。』資料顯示,株洲所研發的690kW永磁同步電機,比目前主流的異步電機功率提高60%,電機損耗降低70%。

根據瀋陽地鐵2號線的實際運行資料,劉可安算了一筆帳:一條地鐵每年可節能摺合400萬元,『這就是利潤,哪家單位會不願意用?』

劉可安拿出的一份業內分析報告顯示:到2020年前後,大陸全國將建設約100條城市軌道交通線路。如果新建線路60%採用永磁牽引系統,預期的產值將達到100億元,全國每年新線運營能耗將節約2.4億元。

永磁系統在中央空調領域也展現出極強的替代優勢。基於永磁變頻傳動系統的中央空調可實現節能40%。一台240kW的中央空調,若每年運行4個月,一年至少可節約用電11.52萬度。按全國40000台中央空調測算,則一年即可節約用電46億度,少排放46萬噸二氧化碳。

自2009年啟動研發以來,株洲所成功研製了世界上第一套中央商用空調永磁高速直驅系統,成為大陸國內外唯一一家中央空調永磁驅動系統的供應商。截至2015年4月底,株洲所永磁系統在中央空調上已應用400多套。在今(2015)年4月的大陸製冷展上,格力電器就將裝載永磁同步變頻熱泵離心機的中央空調作為其高端產品推向市場。

永磁牽引系統的高效節能,讓株洲所在電動汽車、風力發電、100%低地板現代有軌電車等領域也占據了市場競爭的高點。

馮江華稱,永磁牽引系統的研發與產業化應用還在起步階段,『今後,株洲所一方面是縱向上深化和細化技術研發, 另一方面是橫向上不斷擴展永磁牽引技術的應用領域,實現全面佈局和持續領先。』

專家點評
中國工程院院士劉友梅:永磁同步牽引系統是大陸高鐵技術升級的典範

世界軌道交通車輛的電力牽引系統技術在經歷了『直流傳動牽引系統』向『交流傳動牽引系統』發展後,目前正在由『感應異步傳動』朝『永磁同步傳動』發展。永磁同步牽引系統因其高效率、高功率密度的顯著優勢,代表了當前提倡節能減排、綠色環保的技術發展趨勢,成為各大發達國家競相研究的技術熱點,是花錢也買不到的核心技術。

中國中車株洲電力機車研究所成功自主開發了高速列車永磁同步牽引系統,使大陸成為世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家之一。該永磁同步牽引系統的電機額定效率達到了98%以上,將電機損耗降低至原來的三分之一,顯著降低了高速列車的牽引能耗。在大陸能源日益緊張,社會迫切需求『綠色交通』的大背景下,永磁同步牽引系統成為了大陸高速鐵路技術升級的一個典範。

為了早日趕上發達國家技術水準,在研製時主動提高了目標
株洲電力機車研究所有限公司副總經理馮江華

技術創新是企業賴以生存的支柱和持久發展的動力。2003年,我們即著手開展永磁同步牽引系統的基礎研究。當時永磁技術在國外尚處於起步階段,技術完全保密,對外嚴格封鎖技術轉讓。我們只能從零起步,摸著石頭過河,開展了大量理論分析、模擬研究和三維虛擬設計等,經歷不下百萬次的地面試驗,積累了數百G的硬盤資料,於2011年成功研製了大陸首套軌道交通永磁同步牽引系統,並且在瀋陽地鐵2號線列車上成功實現裝車試驗,這也是永磁系統在國內軌道交通領域的首次應用。

瀋陽試驗的同一年,我們接到了國家『863計劃專案』開發高速動車組用600kW永磁同步牽引系統的任務。為了早日趕上發達國家的技術水準,在接到任務後,我們內部將研製的目標提高到了690kW。三年的堅守與付出,最終換來成功的喜悅。

牽引系統性能的優劣決定了列車的技術水準。此次我們開發的高速動車組690kW永磁同步牽引系統使大陸高速鐵路擁有了世界上最先進的牽引技術,有力地提升了大陸高速鐵路的技術水準,再次向世界表明大陸高速鐵路完全具備自主創新的技術能力。

更加關鍵的是。永磁驅動技術不僅在軌道交通領域引發了技術革命,而且還是新能源汽車、超高速永磁驅動離心商用空調、風力發電等領域的核心技術,是我們高端裝備技術進步的基石。