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南车株洲所:开启中国轨道交通的“永磁牵引时代”

2014-11-24 09:57:14 来源:科技日报 作者: 编辑:谢娟
  南车株洲所:开启中国轨道交通的“永磁牵引时代”
  
  ■创新行动派
  
  “永磁同步传动系统在国外,目前正处于小批量应用阶段。我们不但具备了小批量装车应用的技术状态,甚至在轨道交通领域的批量应用,已赶超国外。在永磁同步传动系统,我们实现了与国际先进技术拥有国的‘并肩创新’,在永磁同步电机设计和控制策略等具体技术点上,我们能够‘引领创新’!”11月19日,南车株洲电力机车研究所有限公司副总经理冯江华的表述中充满着激动与兴奋。
  
  冯江华的兴奋,不难理解。半月前,株洲所联合中国铁道科学研究院自主研制的高速列车永磁同步牵引系统,先后通过了国家铁道检测试验中心地面试验考核和南车青岛四方股份公司的装车考核。这,不仅标志着我国实现了轨道交通领域第三代牵引系统的成功研制,还标志着我国高铁动力技术应用打破了国外的技术垄断。永磁牵引时代,已然开启。
  
  从“零”起步:从基础研究到小批量应用
  
  牵引传动系统的性能,在一定程度上决定了轨道交通车辆的动力品质、能耗和控制特性,是影响其节能升级的关键因素。然而,从第一代直流电机牵引系统,到现在普遍应用的第二代交流异步电机牵引系统,我国的批量应用均处于滞后状态。第二代牵引系统的应用,甚至滞后了20余年。
  
  2003年,有关永磁同步牵引系统的阐述,第一次进入冯江华的耳朵。直觉敏锐的他,迅速判断,这必将带来轨道交通领域牵引传动系统的第三次变革。株洲所立马“下手”了,组建了以冯江华为首的,国内第一支永磁牵引系统研发团队。
  
  轨道交通永磁同步传动系统技术,是我国无法依靠引进的重大装备技术。要开展这项研究,完全“零起步”。缺乏书籍文献,大家就拿着为数不多的资料反复钻研;没平台,团队举步维艰的搭建永磁同步传动系统试验平台;缺少数据记录仪器,大家就在酷暑严冬人工记录数据。
  
  目前,团队已相继攻克永磁同步传动系统、电机、控制算法等几大核心技术。永磁同步传动系统在电动汽车、地铁、高速动车组、低地板车里的应用捷报频传——
  
  2008年,公司研制的额定功率100kW/峰值功率150kW永磁同步牵引系统在电动大巴上实现装车应用。随后,公司永磁同步牵引系统产品覆盖电动大巴和电动小轿车两大车型,成功应用3000多台套;
  
  2011年底,承载株洲所老中青三代人梦想的永磁同步牵引系统,在沈阳地铁二号线列车成功装车,实现了国内轨道交通领域的首次应用,填补了国内轨道交通业没有永磁系统的空白,打破了国外技术垄断。装车应用五个月,列车完成了7000公里系统零故障正线试验运行,实测节能10%以上。截至去年,实现载客运营6万公里。业界专家高度评价:具多项原创性技术,整体技术居国际领先水平,使我国成为少数几个掌握该项核心技术的国家之一;
  
  2013年,公司为长沙地铁公司成功开发了230kW地铁车辆永磁同步电机,相比同等条件下的异步电机,功率提升20%,是目前国内地铁领域功率密度最大的牵引电机。电机年底将在长沙地铁1号线装车应用;公司在国内率先开展低地板车永磁同步牵引系统研究,开发了120kW低地板车用永磁同步电机牵引系统平台;
  
  公司承担863重大专项高速列车永磁同步牵引系统子课题研究,开发出的690kW国内最大功率高速动车组用永磁同步牵引电机牵引系统,电机功率密度超过1kW/kg,比主流异步电机功率提高60%,电机损耗降低50%。2014年,系统在南车青岛四方股份公司成功装车考核。
  
  11年,株洲所不仅完成了基础研究,样机的装车考核,攻克了相关核心技术,具备了小批量商业化应用的技术状态;11年,株洲所更打造出了一支罕见的人员“只增不减”的团队。如今,团队近80岁高龄的老科学家黄济荣还在坚守,一批年轻骨干在此成长茁壮,新生力量仍不断涌入。
  
  攻坚克难:从“地铁用”到“高铁用”
  
  “沈阳地铁用的JD155A永磁同步牵引电机功率是190kW,而用于500公里高速动车组的JD188电机功率高达690kW。从“地铁用”到“高铁用”,研究院基础与平台研发中心副主任许峻峰永磁牵引传动系统向记者描述了这其中令人难以想象的难关——
  
  “电机功率密度大幅提高,对电机设计提出了更高挑战,研发过程要经过多轮电机的试制;控制策略方面,二者运行工况不一致,高铁长时间处于高速区;高铁用永磁牵引传动系统,对系统的可靠性和保护策略提出了更高的要求……”
  
  首先,为防止水、灰尘、铁屑等腐蚀电机内部永磁体,电机须采用全封闭结构。电机散热就成为了难题。电机功率越大,发热越高。永磁材料在高温、振动和反向强磁场等条件下会发生不可恢复性失磁。电机温升过高,将带来电机失磁的严重风险。电机“控温”,成为项目进展最关键的“坎儿”。
  
  那么,如何有效降低电机温升、定子线圈端部冷却、永磁体选择这些难关?项目组做了大量理论分析和仿真计算,优化电磁方案、改进电机冷却结构,不断完善电磁方案和机械结构理论。
  
  酷暑高温,电机温升试验一做就是五、六个小时,汗流浃背的技术人员与试验人员,全程蹲守,记录下每组关键数据。凭借着“笨法子”,他们获得了电机“温控”的最优方式。为防止永磁体失磁,团队采用对永磁体具较好防护能力的内置式磁路结构等方法,多方面提高电机抗失磁能力,并提出了失磁诊断模型,发明了在线参数辨识和预警技术,融合在线检测保护策略,保障系统和部件可靠性。
  
  “高速重投”也是领域内一大技术难关。永磁体励磁,产生的反电势不仅无法关闭,还与转速成正比。为抵消电机高速运行时过高的反电势,需保持其在弱磁控制状态下运行。烦恼的是,控制器一旦故障,反电势就可能损坏逆变器元件。故障解除后,控制器也无法再次投入,即“高速重投”。对此,团队自创“智能相位跟踪”高速重投算法,首创最优电压补偿算法,彻底解决了这一世界级的技术难题。
  
  11年,对于想要全面进入“永磁牵引时代”的中国轨道交通领域,还很短暂。冯江华表示,面向未来,公司还将积蓄力量,全面布局在直驱式永磁同步牵引系统技术研究、单逆变器—多永磁电机控制技术研究、永磁同步电机无位置传感控制技术及工程化研究、永磁同步电机转子失磁预警技术研究、永磁同步牵引系统在不同应用领域的通用技术研究及其大批量工程化应用问题等五大领域。

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