讓中國(guó)高鐵駛?cè)胗来艜r(shí)代

對(duì)軌道交通牽引技術(shù)來(lái)說(shuō)，永磁牽引系統(tǒng)是一場(chǎng)革命，誰(shuí)擁有永磁牽引系統(tǒng)，誰(shuí)就擁有高鐵的話語(yǔ)權(quán)。

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

從“直流”到“交流”，再到如今的“永磁”，近30年時(shí)間，中車(chē)株洲所引領(lǐng)我國(guó)軌道交通牽引技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了由跟跑、并跑到領(lǐng)跑的飛躍。

大功率異步交流傳動(dòng)技術(shù)自20世紀(jì)80年代逐步在發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始成熟應(yīng)用，但僅為龐巴迪和西門(mén)子等少數(shù)壟斷公司所掌握，且一直不對(duì)中國(guó)轉(zhuǎn)讓該技術(shù)，在先進(jìn)的控制策略方面更是嚴(yán)密封鎖。

面對(duì)國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)鐵路移動(dòng)裝備發(fā)展的需求，20世紀(jì)90年代初，中車(chē)株洲所走上自主研發(fā)之路，開(kāi)展大功率異步牽引控制技術(shù)研究，并受命主持原鐵道部“交直交電傳動(dòng)微機(jī)控制系統(tǒng)及其模塊化研究”課題，組建了國(guó)內(nèi)最早的電力牽引高性能交流傳動(dòng)控制技術(shù)研究與工程實(shí)踐團(tuán)隊(duì)。

當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)在異步牽引控制策略方面毫無(wú)技術(shù)儲(chǔ)備，很多原理性試驗(yàn)只能摸著石頭過(guò)河。

除了沒(méi)有材料儲(chǔ)備，控制硬件體系和高速數(shù)字處理系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)非常薄弱，應(yīng)用過(guò)程也缺乏專(zhuān)業(yè)的手段，控制的軟硬件系統(tǒng)均面臨著巨大挑戰(zhàn)。

自主創(chuàng)新的路上沒(méi)有停歇，對(duì)于技術(shù)的追求永無(wú)止境。中車(chē)株洲所的研發(fā)團(tuán)隊(duì)將目光瞄準(zhǔn)了面向工程應(yīng)用、技術(shù)難度更高的大功率GTO變流器系統(tǒng)。在大量的地面試驗(yàn)系統(tǒng)、裝車(chē)試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)考核中，不斷攻關(guān)、完善系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性、可靠性，最終這一技術(shù)順利實(shí)現(xiàn)突破，研制出2800kVA、驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)1200千瓦電機(jī)的自主牽引系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在“中華之星”“奧星”和哈薩克斯坦機(jī)車(chē)等先鋒車(chē)型上。

在電力牽引技術(shù)由直流傳動(dòng)向異步交流傳動(dòng)升級(jí)換代的“十年轉(zhuǎn)換工程”中，攻克了車(chē)輛級(jí)動(dòng)力實(shí)時(shí)控制、分布式系統(tǒng)協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，搭建了自主軌道交通交流傳動(dòng)技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大功率交流傳動(dòng)控制技術(shù)的從無(wú)到有，使我國(guó)成為少數(shù)幾個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家之一。

隨著高鐵的快速發(fā)展，中國(guó)形成了世界最大的運(yùn)營(yíng)規(guī)模和寬廣地域、復(fù)雜氣候、高速和高密度行車(chē)等最復(fù)雜的運(yùn)用環(huán)境，高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行面臨裝備與系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、列車(chē)混雜運(yùn)行的車(chē)、網(wǎng)關(guān)系友好性、高速高牽引力的輪軌關(guān)系魯棒性、安全高效智能的控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性等關(guān)鍵技術(shù)新挑戰(zhàn)。

伴隨高鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的發(fā)展，研發(fā)團(tuán)隊(duì)時(shí)常奔赴全國(guó)數(shù)10個(gè)路局、動(dòng)車(chē)段調(diào)研，跟車(chē)添乘、測(cè)量，采集列車(chē)復(fù)雜、多變的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，分析、解決各種復(fù)雜的技術(shù)難題。

2014年底，“滬昆高鐵”開(kāi)通在即，裝載公司完全自主牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的更高速度等級(jí)動(dòng)車(chē)組，在南昌—長(zhǎng)沙段的車(chē)網(wǎng)諧振優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)入最后階段。研發(fā)團(tuán)隊(duì)深入一線，在南昌動(dòng)車(chē)所完成車(chē)載裝置優(yōu)化改進(jìn)后，立即驅(qū)車(chē)前往江西分宜變電所進(jìn)行地面檢測(cè)。

變電所地點(diǎn)偏僻，道路崎嶇難行，趕到都已是凌晨。為確保“滬昆高鐵”能夠按照預(yù)定時(shí)間開(kāi)通，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在南昌—分宜兩地 “兩點(diǎn)一線”來(lái)回奔波，形成了不確定性車(chē)網(wǎng)關(guān)系和高速運(yùn)行條件下車(chē)載自適應(yīng)高品質(zhì)電力控制和地面諧波吸收的系統(tǒng)解決方案，攻克了車(chē)—網(wǎng)穩(wěn)定、裝備安全等難題。

高寒動(dòng)車(chē)組原進(jìn)口牽引技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足蘭新線長(zhǎng)大坡道持續(xù)高速運(yùn)行需求，而系統(tǒng)配置已固化，無(wú)法變更牽引變流器和牽引電機(jī)。通過(guò)大量的理論分析、仿真驗(yàn)證和系統(tǒng)試驗(yàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)大膽提出新的控制策略，在自主控制器完成驗(yàn)證并替代原進(jìn)口控制器，在功率提升20%的同時(shí)溫升降低25K，解決了全局高能效牽引行業(yè)難題。

這些技術(shù)成果已在以“復(fù)興號(hào)”為代表的高速動(dòng)車(chē)組批量應(yīng)用，打造了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界領(lǐng)先的牽引系統(tǒng)產(chǎn)品平臺(tái)，為“復(fù)興號(hào)”在世界最大運(yùn)營(yíng)規(guī)模和最復(fù)雜運(yùn)用環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)世界最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速、最大單軸異步牽引動(dòng)力等頂層指標(biāo)發(fā)揮了核心作用。獲得了習(xí)近平總書(shū)記贊譽(yù)“復(fù)興號(hào)高速列車(chē)邁出從追趕到領(lǐng)跑的關(guān)鍵一步”。

中車(chē)株洲所研發(fā)團(tuán)隊(duì)在自主研發(fā)的道路上越戰(zhàn)越勇，相關(guān)成果應(yīng)用到重載長(zhǎng)大組合列車(chē)控制系統(tǒng)，并攻克其實(shí)時(shí)控制和安全保障難題，使我國(guó)成為擁有該技術(shù)的兩個(gè)國(guó)家之一，又拓展到冶金和礦卡等領(lǐng)域，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

為徹底避免我國(guó)牽引傳動(dòng)技術(shù)重陷“落后、追趕”的被動(dòng)局面，2003年，中車(chē)株洲所組建了國(guó)內(nèi)第一支軌道交通永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，和整個(gè)行業(yè)一起“從零起步”，開(kāi)展?fàn)恳到y(tǒng)向永磁升級(jí)換代的研究，我國(guó)第一次與國(guó)外公司站在同一起跑線上展開(kāi)較量。

彼時(shí)，永磁牽引技術(shù)仍屬于前瞻性核心技術(shù)，別說(shuō)沒(méi)有接觸過(guò)，就連研究的對(duì)象也只是一個(gè)概念。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)依托5個(gè)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)項(xiàng)目，歷時(shí)11年，經(jīng)歷千百次試驗(yàn)，最終成功攻克多模參數(shù)耦合的高精度和高動(dòng)態(tài)性能轉(zhuǎn)矩控制、基于高反電勢(shì)逆向穿越的動(dòng)力柔性重構(gòu)控制、全速域高性能位置辨識(shí)算法及高效高功率密度永磁牽引電機(jī)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，形成了完備的軌道交通永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，奠定了中國(guó)永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展模式。

2015年8月1日，一列外觀看上去與其它車(chē)別無(wú)二致的銀白色高速列車(chē)正在晉陜大動(dòng)脈大西高鐵客運(yùn)專(zhuān)線上飛速前進(jìn)。

這是我國(guó)最新研制的永磁高鐵，經(jīng)過(guò)這個(gè)階段的線路型式試驗(yàn)后，中國(guó)永磁高鐵就有望投入正線運(yùn)行。我國(guó)迎來(lái)了永磁牽引系統(tǒng)在高鐵上應(yīng)用的歷史拐點(diǎn)。

如今，其成果已在高速列車(chē)、地鐵車(chē)輛等批量應(yīng)用，其能耗較異步牽引系統(tǒng)分別降低10%、30%以上。永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)不僅在軌道交通領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)革命，而且還是新能源汽車(chē)、超高速永磁驅(qū)動(dòng)離心商用空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的核心技術(shù)，成為高端裝備技術(shù)進(jìn)步的基石。

馮江華，湖南衡陽(yáng)人，1989年畢業(yè)于浙江大學(xué)，獲碩士學(xué)位，2008年畢業(yè)于中南大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位，教授級(jí)高工。現(xiàn)任中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所副總經(jīng)理兼總工程師，新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，第十二屆湖南省政協(xié)委員。