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中國高鐵用上最先進(jìn)“節(jié)能神器”
2015-08-13 
    歷時(shí)11年,累計(jì)1000萬次試驗(yàn),積累150G數(shù)據(jù),耗資1億元,中國中車旗下株洲電力機(jī)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(shù),即永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)(下稱“永磁牽引系統(tǒng)”),掌握完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),成為中國高鐵制勝市場的一大戰(zhàn)略利器。

   2015年5月16日,長沙地鐵1號(hào)線使用的永磁同步電機(jī)成功交付。這是國內(nèi)首次將永磁同步電機(jī)裝載在整列地鐵車輛投入裝車應(yīng)用。

   中國工程院院士、株洲所總經(jīng)理丁榮軍透露,目前,株洲所已研發(fā)出可用于時(shí)速500公里的高鐵動(dòng)車的690kW永磁牽引系統(tǒng),即將小批量生產(chǎn)。這標(biāo)志著我國成為繼德、日、法等國之后,世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。

   “中國具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的永磁牽引系統(tǒng)已經(jīng)邁開產(chǎn)業(yè)化步伐,中國軌道交通的‘永磁牽引時(shí)代’終于來臨了。”丁榮軍表示。

   從“地鐵用”到“高鐵用”:“爬完衡山又去登珠峰”

   牽引傳動(dòng)系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)被稱為“列車之心”,其性能在某種程度上決定了列車的動(dòng)力品質(zhì)、能耗和控制特性,也影響著列車的經(jīng)濟(jì)性、舒適性與可靠性,是節(jié)能升級(jí)的關(guān)鍵。

   世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的第一代是直流電機(jī)牽引系統(tǒng),第二代是起步于20世紀(jì)70年代的交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng),為當(dāng)前的主流技術(shù)。

   株洲所副總經(jīng)理馮江華介紹,“對軌道交通牽引技術(shù)來說,永磁牽引系統(tǒng)是一場革命,誰擁有永磁牽引系統(tǒng),誰就擁有高鐵的話語權(quán)。”

   永磁牽引系統(tǒng)是列車的動(dòng)力系統(tǒng),由變流器和電機(jī)兩大部分組成,其中變流器相當(dāng)于列車的心臟,電機(jī)好比是列車的肌肉,電機(jī)主要負(fù)責(zé)傳達(dá)動(dòng)力,完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)變,帶動(dòng)列車平穩(wěn)行駛。

   目前,西門子、龐巴迪等國際設(shè)備制造商均將永磁牽引系統(tǒng)作為其研發(fā)方向。在這個(gè)新興領(lǐng)域,中國并沒有輸在起點(diǎn)。

   2003年,有關(guān)永磁牽引系統(tǒng)的闡述第一次傳入馮江華的耳朵。當(dāng)時(shí),該項(xiàng)技術(shù)尚處于理論研究階段。然而,馮江華察覺到,永磁牽引系統(tǒng)必將取代交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng),必須迅速研發(fā)。當(dāng)年,株洲所率先組建了國內(nèi)第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì),“從零起步”。

   株洲所基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心副主任許峻峰稱,在交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)研發(fā)階段,我國比國外落后了20來年;在更先進(jìn)的永磁同步領(lǐng)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(zhǔn),后果不僅僅是跑偏”。

   “電機(jī)控溫是項(xiàng)目進(jìn)展最大的瓶頸。”許峻峰介紹,為避免水、灰塵、鐵屑等腐蝕電機(jī)內(nèi)部永磁體,電機(jī)采用全封閉結(jié)構(gòu),但由于電機(jī)功率太大,發(fā)熱過高,永磁材料在高溫、振動(dòng)和反向強(qiáng)磁場等條件下,可能發(fā)生不可恢復(fù)性失磁的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。“如果列車在高速運(yùn)行時(shí)失磁,后果不可想象。”

   馮江華回憶,“沒有任何可以借鑒的資料,也缺少研發(fā)測試用的相關(guān)設(shè)備”,株洲所只能“摸著石頭過河”,不少數(shù)據(jù)仍要依靠比較原始的笨辦法。“比如說,電機(jī)升溫試驗(yàn)一做就是五六個(gè)小時(shí),電機(jī)溫控?cái)?shù)據(jù)就人工全程蹲守來記錄,這樣來慢慢積累。”馮江華稱。

   研發(fā)團(tuán)隊(duì)成立8年后,也就是2011年底,株洲所永磁牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵2號(hào)線成功裝車,實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用,結(jié)束了中國鐵路沒有永磁牽引系統(tǒng)的歷史。株洲所也成為我國唯一掌握自主永磁牽引系統(tǒng)全套技術(shù)的企業(yè)。截至2015年5月底,沈陽地鐵2號(hào)線已無故障載客運(yùn)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(jì)劃”之“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點(diǎn)項(xiàng)目”,承擔(dān)高速動(dòng)車組用永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)工作。

   從“小功率”轉(zhuǎn)向“大功率”,從“地鐵用”轉(zhuǎn)向“高鐵用”,株洲所面臨著新的難關(guān)。

   株洲所首席設(shè)計(jì)專家李益豐對《中國經(jīng)濟(jì)周刊》稱,沈陽地鐵用的永磁同步電機(jī)功率是190kW,而用于時(shí)速500公里高速動(dòng)車組的電機(jī)功率高達(dá)690kW,且始終是高速運(yùn)行狀態(tài),對牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等各方面都提出了極大的挑戰(zhàn),“對電機(jī)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)就像是爬完衡山,又去攀登珠峰”。

   盡管如此,株洲所卻提前完成任務(wù)。2013年12月,株洲所成功開發(fā)出可用于時(shí)速500公里高鐵動(dòng)車的電機(jī),2014年10月在青島四方股份公司成功裝車考核。

   “順利的話,中國高鐵很快就能全面用上永磁牽引系統(tǒng),不僅更節(jié)能,也更穩(wěn)定,更安全。”李益豐稱。

   “節(jié)能神器”:讓高鐵電機(jī)功率提高60%

   丁榮軍對《中國經(jīng)濟(jì)周刊》介紹,2014年,株洲所的牽引系統(tǒng)在城市軌道列車市場占有率達(dá)57%,今后將逐步以永磁牽引系統(tǒng)取代異步電機(jī)系統(tǒng)。

   株洲所下屬的時(shí)代電氣公司副總經(jīng)理兼總工程師劉可安說:“高效節(jié)能是永磁牽引系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢。”

   數(shù)據(jù)顯示,株洲所研發(fā)的690kW永磁同步電機(jī),比目前主流的異步電機(jī)功率提高60%,電機(jī)損耗降低70%。

   根據(jù)沈陽地鐵2號(hào)線的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),劉可安算了一筆賬:一條地鐵每年可節(jié)能折合400萬元,“這就是利潤,哪家單位會(huì)不愿意用?”

   劉可安拿出的一份業(yè)內(nèi)分析報(bào)告顯示:到2020年前后,全國將建設(shè)約100條城市軌道交通線路。如果新建線路60%采用永磁牽引系統(tǒng),預(yù)期的產(chǎn)值將達(dá)到100億元,全國每年新線運(yùn)營能耗將節(jié)約2.4億元。

   永磁系統(tǒng)在中央空調(diào)領(lǐng)域也展現(xiàn)出極強(qiáng)的替代優(yōu)勢。基于永磁變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的中央空調(diào)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能40%。一臺(tái)240kW的中央空調(diào),若每年運(yùn)行4個(gè)月,一年至少可節(jié)約用電11.52萬度。按全國40000臺(tái)中央空調(diào)測算,則一年即可節(jié)約用電46億度,少排放46萬噸二氧化碳。

   自2009年啟動(dòng)研發(fā)以來,株洲所成功研制了世界上第一套中央商用空調(diào)永磁高速直驅(qū)系統(tǒng),成為國內(nèi)外唯一一家中央空調(diào)永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的供應(yīng)商。截至2015年4月底,株洲所永磁系統(tǒng)在中央空調(diào)上已應(yīng)用400多套。在今年4月的中國制冷展上,格力電器就將裝載永磁同步變頻熱泵離心機(jī)的中央空調(diào)作為其高端產(chǎn)品推向市常

   永磁牽引系統(tǒng)的高效節(jié)能,讓株洲所在電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、100%低地板現(xiàn)代有軌電車等領(lǐng)域也占據(jù)了市場競爭的高點(diǎn)。

   馮江華稱,永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還在起步階段,“今后,株洲所一方面是縱向上深化和細(xì)化技術(shù)研發(fā),另一方面是橫向上不斷擴(kuò)展永磁牽引技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)全面布局和持續(xù)領(lǐng)先。”

   專家點(diǎn)評(píng)

   中國工程院院士劉友梅:

   永磁同步牽引系統(tǒng)是我國高鐵技術(shù)升級(jí)的典范

   世界軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)技術(shù)在經(jīng)歷了“直流傳動(dòng)牽引系統(tǒng)”向“交流傳動(dòng)牽引系統(tǒng)”發(fā)展后,目前正在由“感應(yīng)異步傳動(dòng)”朝“永磁同步傳動(dòng)”發(fā)展。永磁同步牽引系統(tǒng)因其高效率、高功率密度的顯著優(yōu)勢,代表了當(dāng)前提倡節(jié)能減排、綠色環(huán)保的技術(shù)發(fā)展趨勢,成為各大發(fā)達(dá)國家競相研究的技術(shù)熱點(diǎn),是花錢也買不到的核心技術(shù)。

   中國中車株洲電力機(jī)車研究所成功自主開發(fā)了高速列車永磁同步牽引系統(tǒng),使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。該永磁同步牽引系統(tǒng)的電機(jī)額定效率達(dá)到了98%以上,將電機(jī)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。在我國能源日益緊張,社會(huì)迫切需求“綠色交通”的大背景下,永磁同步牽引系統(tǒng)成為了我國高速鐵路技術(shù)升級(jí)的一個(gè)典范。

   
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