历时11年,累计1000万次试验,积累150G数据,耗资1亿元,中国中车旗下株洲电力机车研究所有限公司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,掌握完全自主知识产权,成为中国高铁制胜市场的一大战略利器。
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。这是国内首次将永磁同步电机装载在整列地铁车辆投入装车应用。
中国工程院院士、株洲所总经理丁荣军透露,目前,株洲所已研发出可用于时速500公里的高铁动车的690kW永磁牵引系统,即将小批量生产。这标志着我国成为继德、日、法等国之后,世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一。
“中国具有完全自主知识产权的永磁牵引系统已经迈开产业化步伐,中国轨道交通的‘永磁牵引时代’终于来临了。”丁荣军表示。
从“地铁用”到“高铁用”:“爬完衡山又去登珠峰”
牵引传动系统在业内被称为“列车之心”,其性能在某种程度上决定了列车的动力品质、能耗和控制特性,也影响着列车的经济性、舒适性与可靠性,是节能升级的关键。
世界轨道交通车辆牵引系统的第一代是直流电机牵引系统,第二代是起步于20世纪70年代的交流异步电机牵引系统,为当前的主流技术。
株洲所副总经理冯江华介绍,“对轨道交通牵引技术来说,永磁牵引系统是一场革命,谁拥有永磁牵引系统,谁就拥有高铁的话语权。”
永磁牵引系统是列车的动力系统,由变流器和电机两大部分组成,其中变流器相当于列车的心脏,电机好比是列车的肌肉,电机主要负责传达动力,完成电能到机械能转变,带动列车平稳行驶。
目前,西门子、庞巴迪等国际设备制造商均将永磁牵引系统作为其研发方向。在这个新兴领域,中国并没有输在起点。
2003年,有关永磁牵引系统的阐述第一次传入冯江华的耳朵。当时,该项技术尚处于理论研究阶段。然而,冯江华察觉到,永磁牵引系统必将取代交流异步电机牵引系统,必须迅速研发。当年,株洲所率先组建了国内第一支永磁牵引系统研发团队,“从零起步”。
株洲所基础与平台研发中心副主任许峻峰称,在交流异步电机牵引系统研发阶段,我国比国外落后了20来年;在更先进的永磁同步领域,“我们就像是没有车灯的汽车,在黑灯瞎火的山路上摸索,方向稍有把握不准,后果不仅仅是跑偏”。
冷库NGN拖拉机电磁脉冲阀电子病历同轴电缆液压和气压动力机械及元件有线CA压铸卫星通信设备导光板消费类电子产品“电机控温是项目进展最大的瓶颈。”许峻峰介绍,为避免水、灰尘、铁屑等腐蚀电机内部永磁体,电机采用全封闭结构,但由于电机功率太大,发热过高,永磁材料在高温、振动和反向强磁场等条件下,可能发生不可恢复性失磁的严重风险。“如果列车在高速运行时失磁,后果不可想象。”
冯江华回忆,“没有任何可以借鉴的资料,也缺少研发测试用的相关设备”,株洲所只能“摸着石头过河”,不少数据仍要依靠比较原始的笨办法。“比如说,电机升温试验一做就是五六个小时,电机温控数据就人工全程蹲守来记录,这样来慢慢积累。”冯江华称。
研发团队成立8年后,也就是2011年底,株洲所永磁牵引系统在沈阳地铁2号线成功装车,实现了国内轨道交通领域的首次应用,结束了中国铁路没有永磁牵引系统的历史。株洲所也成为我国唯一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号线已无故障载客运营7万公里。
“这一次,我们抢坐了头把交椅。”冯江华告诉记者,2011年,株洲所受命参与国家“863计划”之“高速铁路重大关键技术及装备研制重点项目”,承担高速动车组用永磁牵引系统的研发工作。
从“小功率”转向“大功率”,从“地铁用”转向“高铁用”,株洲所面临着新的难关。
株洲所首席设计专家李益丰对《中国经济周刊》称,沈阳地铁用的永磁同步电机功率是190kW,而用于时速500公里高速动车组的电机功率高达 690kW,且始终是高速运行状态,对牵引系统的稳定性、可靠性等各方面都提出了极大的挑战,“对电机设计的挑战就像是爬完衡山,又去攀登珠峰”。
尽管如此,株洲所却提前完成任务。2013年12月,株洲所成功开发出可用于时速500公里高铁动车的电机,2014年10月在青岛四方股份公司成功装车考核。
“顺利的话,中国高铁很快就能全面用上永磁牵引系统,不仅更节能,也更稳定,更安全。”李益丰称。
“节能神器”:让高铁电机功率提高60%
丁荣军对《中国经济周刊》介绍,2014年,株洲所的牵引系统在城市轨道列车市场占有率达57%,今后将逐步以永磁牵引系统取代异步电机系统。
株洲所下属的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,株洲所研发的690kW永磁同步电机,比目前主流的异步电机功率提高60%,电机损耗降低70%。
根据沈阳地铁2号线的实际运行数据,刘可安算了一笔账:一条地铁每年可节能折合400万元,“这就是利润,哪家单位会不愿意用?”
刘可安拿出的一份业内分析报告显示:到2020年前后,全国将建设约100条城市轨道交通线路。如果新建线路60%采用永磁牵引系统,预期的产值将达到100亿元,全国每年新线运营能耗将节约2.4亿元。
永磁系统在中央空调领域也展现出极强的替代优势。基于永磁变频传动系统的中央空调可实现节能40%。一台240kW的中央空调,若每年运行4个月,一年至少可节约用电11.52万度。按全国40000台中央空调测算,则一年即可节约用电46亿度,少排放46万吨二氧化碳。
自2009年启动研发以来,株洲所成功研制了世界上第一套中央商用空调永磁高速直驱系统,成为国内外唯一一家中央空调永磁驱动系统的供应商。截至2015年4月底,株洲所永磁系统在中央空调上已应用400多套。在今年4月的中国制冷展上,格力电器就将装载永磁同步变频热泵离心机的中央空调作为其高端产品推向市场。
永磁牵引系统的高效节能,让株洲所在电动汽车、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高点。
冯江华称,永磁牵引系统的研发与产业化应用还在起步阶段,“今后,株洲所一方面是纵向上深化和细化技术研发,另一方面是横向上不断扩展永磁牵引技术的应用领域,实现全面布局和持续领先。”
