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中车株洲所自主研发世界最先进高铁牵引技术

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出处:www.lunrr.com
时间:2020-02-27

作者:曹畅资料来源:中国经济周刊发布日期:2015/6/24 12:5336048

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株洲学院自主研发了世界上最先进的高速铁路牵引技术

CRH 380 a动车组示意图,株洲学院核心部件为“谁拥有永磁牵引系统, 谁有权在高铁上发言“

[发现中国的原创技术]中国高铁采用世界上最先进的牵引技术

《中国经济周刊》记者曹畅见习记者李永华|湖南株洲报道

历时11年,累计测试1000万次,累计数据150克,耗资1亿元。 中国铁路总公司下属的株洲电力机车研究所有限公司(以下简称“株洲研究所”)攻克了第三代轨道交通牵引技术,即永磁同步电机牵引系统(以下简称“永磁牵引系统”),掌握了完全自主的知识产权,成为中国高速铁路赢得市场的战略武器。

2015年5月16日,长沙地铁1号线使用的永磁同步电机成功交付。这是永磁同步电机首次被加载到地铁车辆的整个列车上并投入加载应用。

中国工程院院士、株洲学院总经理丁荣军透露,目前株洲学院已开发出690千瓦永磁牵引系统,可用于时速500公里的高速列车,并将小批量生产。这标志着中国已成为继德国、日本和法国之后世界上少数几个掌握高速永磁牵引系统技术的国家之一。

中国拥有完全自主知识产权的永磁牵引系统已经走上工业化的步伐,中国轨道交通的“永磁牵引时代”终于到来丁荣军说。

从“地铁使用”到“高铁使用”:“爬衡山再爬珠穆朗玛峰”

牵引驱动系统在行业中被称为“火车的心脏”。其性能在一定程度上决定了列车的动态品质、能耗和控制特性,也影响了列车的经济性、舒适性和可靠性,是节能升级的关键。

世界上第一代轨道交通车辆牵引系统是DC电机牵引系统,第二代是交流异步电机牵引系统,始于20世纪70年代。这是当前的主流技术。

株洲学院副总经理冯江华说,“永磁牵引系统是轨道交通牵引技术的一场革命。任何拥有永磁牵引系统的人都有权在高铁上发言。”

永磁牵引系统是列车的动力系统,由两部分组成:变流器和电机。转换器相当于火车的心脏,马达就像火车的肌肉。电机主要负责传递动力,完成电能到机械能的转换,驱动列车平稳运行。

目前,西门子、庞巴迪等国际设备制造商都把永磁牵引系统作为自己的研发方向。在这个新兴领域,中国在起点上没有输。

2003年,关于永磁牵引系统的展览首次被介绍给冯江华。当时,该技术仍处于理论研究阶段。然而,冯江华意识到永磁牵引系统将取代交流异步电机牵引系统,必须迅速发展。那一年,株洲研究所率先成立了中国第一支永磁牵引系统研发团队,“从头开始”。

株洲学院基础与平台研发中心副主任徐俊峰表示,在交流异步电机牵引系统的研发阶段,中国落后国外20年。在更先进的永磁同步领域,“我们就像一辆没有灯的汽车,在黑暗的山路上摸索,方向有点不确定,后果不仅仅是游荡”。"电机温度控制是项目进展的最大瓶颈."徐俊峰介绍说,为了避免水、灰尘、铁屑等对电机内部永磁体的腐蚀,电机采用全封闭结构。然而,由于电机的功率过高和发热过高,永磁材料在高温、振动和反向强磁场条件下可能具有不可逆退磁的严重风险。"如果火车高速失去磁性,后果将不堪设想."

冯江华回忆道,“没有信息可以学习,也缺乏相关的研究、开发和测试设备。”株洲只能“摸着石头过河”,许多数据仍然依赖于相对原始和愚蠢的方法。例如,一旦进行电机加热试验,电机的温度控制数据将手动记录5至6小时,以便慢慢积累冯江华说道。

R&D团队成立八年后,也就是2011年底,株洲研究所的永磁牵引系统成功加载沈阳地铁2号线,实现了在国内轨道交通领域的首次应用,终结了中国铁路无永磁牵引系统的历史。株洲研究所也成为中国唯一一家掌握自主永磁牵引系统全套技术的企业。截至2015年5月底,沈阳地铁2号线拥有7万公里无故障客运服务。

"这次,我们获得了第一名."冯江华告诉记者,2011年,株洲被任命参与国家“863计划”的“高铁重大关键技术和设备开发关键项目”,承担高速动车组永磁牵引系统的研发工作。

株洲正面临着从“低功率”到“高功率”和从“地铁”到“高铁”的新困难。

株洲研究所首席设计专家李易峰告诉《中国经济周刊》,沈阳地铁使用的永磁同步电机功率为190千瓦,而速度为500公里/小时的高速动车组使用的电机功率为690千瓦,而且一直高速运行,对牵引系统的稳定性和可靠性提出了很大的挑战。"汽车设计面临的挑战就像攀登恒山和珠穆朗玛峰一样."

然而,株洲学院提前完成了任务。2013年12月,株洲研究所成功开发出一种可用于时速500公里的高速列车的电机。2014年10月,该电机在青岛四方有限公司成功测试

“如果运行顺利,中国高铁将很快能够充分利用永磁牵引系统,这不仅节约能源,而且更加稳定和安全。”李易峰说。

【节能神器】:增加高速铁路电机功率60%

。丁荣军介绍了《中国经济周刊》。株洲学院的牵引系统将在2014年占据57%的城市轨道列车市场。将来,永磁牵引系统将逐渐取代异步电机系统。

株洲时代电气公司副总经理兼总工程师刘可安说:“高效节能是永磁牵引系统最突出的优势。”

数据显示株洲开发的690千瓦永磁同步电机比目前主流异步电机功率高60%,电机损耗低70%。

根据沈阳地铁2号线的实际运营数据,刘可安计算出一个账户:地铁每年可以节约相当于400万元的能源,“这就是利润,哪个单位不想用?”

刘可安制作了一份行业分析报告,显示大约100条城市轨道交通线路将于2020年建成。如果60%的新线采用永磁牵引系统,预计产值将达到100亿元,新线每年节能2.4亿元。

永磁系统在中央空调领域也显示出强大的替代优势。基于永磁变频传动系统的中央空调节能40%。如果一台240千瓦的中央空调一年运行4个月,一年至少可以节省115200度的电力。根据台湾中央空调的计算,一年可以节省46亿度的耗电量,减少排放46万吨二氧化碳。

自2009年研发启动以来,株洲研究所已成功开发出世界首套中央商用空调永磁高速直接驱动系统,成为国内外中央空调永磁驱动系统的唯一供应商。截至2015年4月底,株洲研究所已在中央空调中应用了400多套永磁系统。在今年4月的中国制冷展上,格力电气将把装有永磁同步变频热泵离心机的中央空调作为高端产品推向市场。

永磁牵引系统的高效节能使得株洲的电动车、风力发电、100%低地板现代有轨电车等领域也占据了市场竞争的制高点。

冯江华表示,永磁牵引系统的研发及其工业应用仍处于初级阶段。株洲学院今后一方面将纵向深化和完善技术研发,另一方面将继续横向拓展永磁牵引技术的应用领域,实现整体布局和持续领导

专家点评

中国工程院院士刘尤美:

永磁同步牵引系统是中国高铁技术升级的典范

世界轨道交通车辆电力牵引系统技术在经历了从“DC输电牵引系统”到“交流输电牵引系统”的发展后,目前正在从“感应异步传输”发展到“永磁同步传输”。永磁同步牵引系统以其高效、高功率密度的显着优势,代表了当前倡导节能、减排、环保的技术发展趋势。它已经成为发达国家的一个热门研究课题,也是一项用钱买不到的核心技术。

中国铁路集团株洲电力机车研究所成功自主开发高速列车永磁同步牵引系统,使中国成为世界上少数几个掌握高速列车永磁牵引系统技术的国家之一。永磁同步牵引系统电机的额定效率达到98%以上,电机损耗降低到原值的三分之一,显着降低高速列车牵引能耗。在我国能源日益短缺和社会对“绿色交通”的迫切需求的背景下,永磁同步牵引系统已经成为我国高速铁路技术升级的一种模式。

为了尽快赶上发达国家的技术水平,我们在研发过程中积极提出了自己的目标。

株洲电力机车研究所副总经理冯江华

技术创新是企业赖以生存的支柱,也是可持续发展的动力。2003年,我们开始了永磁同步牵引系统的基础研究。当时,永磁技术在国外还处于起步阶段。这项技术是完全保密的,技术转让被严格阻止。我们只能从零开始,摸着石头过河,进行大量的理论分析、仿真研究和三维虚拟设计等。通过了100多万次地面试验,积累了数百g硬盘数据,于2011年成功开发了中国第一套轨道交通永磁同步牵引系统,并在沈阳地铁2号线列车上成功实施了加载试验,这也是永磁系统在国内轨道交通领域的首次应用。

在沈阳试验的同一年,我们在国家“863计划”下承担了为高速动车组开发600千瓦永磁同步牵引系统的任务。为了尽快赶上发达国家的技术水平,在接到任务后,我们的内部研究目标已经提高到690千瓦。三年的坚持和奉献最终带来了成功的喜悦。

牵引系统的性能决定了列车的技术水平。这次我们开发的690千瓦永磁同步牵引系统使中国高速铁路拥有了世界上最先进的牵引技术,大大提高了中国高速铁路的技术水平,再次向世界展示了中国高速铁路完全有能力自主创新。

更重要的是,永磁驱动技术不仅引发了轨道交通领域的技术革命,也是新能源汽车、超高速永磁驱动离心式商用空调、风力发电等领域的核心技术。这是我们高端设备技术进步的基石。

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