科技日?qǐng)?bào)記者 薛巖
牽引與控制系統(tǒng)是高速列車動(dòng)力系統(tǒng)的核心之一，而永磁同步牽引系統(tǒng)將是軌道交通下一代牽引系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。
“我國(guó)將在更高速度等級(jí)高鐵列車上應(yīng)用自主研發(fā)的永磁同步牽引系統(tǒng)，讓飛馳的高鐵更省電、更綠色。”日前，在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)，中國(guó)中車首席科學(xué)家，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中車株洲所”）副總經(jīng)理、總工程師馮江華說(shuō)。
啃下異步傳動(dòng)牽引“硬骨頭”
記者：可否請(qǐng)您介紹一下電機(jī)牽引系統(tǒng)？
馮江華：牽引系統(tǒng)是軌道交通車輛的“心臟”和“大腦”，是車輛動(dòng)力的關(guān)鍵來(lái)源，更是其高速、綠色、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。它主要分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和永磁系統(tǒng)三種。其性能在某種程度上決定了車輛的動(dòng)力、能耗和控制特性，是車輛節(jié)能升級(jí)的關(guān)鍵部件。
記者：20世紀(jì)90年代，您組建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)異步電機(jī)牽引控制技術(shù)研究與工程實(shí)踐團(tuán)隊(duì)。您為何要帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在這片“無(wú)人區(qū)”開(kāi)疆拓土？
馮江華：上世紀(jì)七八十年代，德、日等鐵路裝備強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展高速列車。當(dāng)時(shí)，他們采用的主流技術(shù)是異步傳動(dòng)牽引技術(shù)，并對(duì)其實(shí)施技術(shù)封鎖。
那時(shí)我國(guó)正在進(jìn)行高速列車自主樣車研究，對(duì)異步傳動(dòng)牽引技術(shù)有強(qiáng)烈的技術(shù)需求。但當(dāng)時(shí)，我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域卻是一片空白。因此，我組建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)異步電機(jī)牽引控制技術(shù)研究與工程實(shí)踐團(tuán)隊(duì)。
記者：研制過(guò)程順利嗎？
馮江華：那個(gè)時(shí)候，我們幾乎沒(méi)有任何可借鑒的資料，很多原理性試驗(yàn)只能“摸著石頭過(guò)河”，甚至連試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性都無(wú)法判斷。
我們夜以繼日地開(kāi)展了多次中小功率樣機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)研究，經(jīng)歷的失敗不計(jì)其數(shù)。但我們沒(méi)有沮喪放棄，而是在挫折中一步一步堅(jiān)毅前行。
記者：在研發(fā)過(guò)程中，您和團(tuán)隊(duì)攻克了哪些技術(shù)難關(guān)？
馮江華：通過(guò)兩年多攻關(guān)，我們攻克了低開(kāi)關(guān)頻率下電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩高實(shí)時(shí)控制等關(guān)鍵技術(shù)，確立了自主異步牽引控制技術(shù)模式，啃下了高性能異步牽引及控制這塊硬骨頭，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。
此后十余年間，我們陸續(xù)攻克了車輛級(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)。這些技術(shù)成功應(yīng)用在我國(guó)最早自主研制的“中華之星”等高速列車上，后來(lái)又在和諧號(hào)上實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。
記者：異步傳動(dòng)牽引技術(shù)目前發(fā)展情況如何？
馮江華：近20年來(lái)，我國(guó)高鐵技術(shù)不斷發(fā)展。從和諧號(hào)閃亮登場(chǎng)，到復(fù)興號(hào)橫空出世，我國(guó)逐漸建成世界最大的高鐵運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，牽引控制技術(shù)也在持續(xù)優(yōu)化。
復(fù)雜的高鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境以及亟待攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)一直擺在我們面前。近年來(lái)，我們陸續(xù)攻克了一系列難題。比如，為滿足高寒動(dòng)車組在長(zhǎng)大坡道持續(xù)高速運(yùn)行的需求，團(tuán)隊(duì)大膽提出新的控制策略，在自主控制器完成驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，我們實(shí)現(xiàn)了在功率提升20%的同時(shí)溫升降低25開(kāi)氏度（K），一舉解決了高能效牽引的行業(yè)難題。此外，在車—網(wǎng)穩(wěn)定、裝備安全等領(lǐng)域也解決了多個(gè)難題。
搶占永磁牽引技術(shù)領(lǐng)域制高點(diǎn)
記者：您是國(guó)內(nèi)最早提出并啟動(dòng)高速列車永磁牽引技術(shù)研究的人員。什么是永磁牽引技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是什么？
馮江華：2000年，在一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，我第一次接觸國(guó)外永磁同步牽引技術(shù)。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)屬于前瞻性核心技術(shù)，在全球尚處于起步階段。
永磁牽引系統(tǒng)是軌道交通新一代電機(jī)牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)異步電機(jī)牽引系統(tǒng)相比，永磁同步牽引系統(tǒng)更小、更輕、更節(jié)能，節(jié)能率最高可達(dá)30%。
記者：您為什么開(kāi)始這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)？
馮江華：我感覺(jué)自己有一種使命感。在“異步交流傳動(dòng)時(shí)代”，我們是追趕者；在“永磁時(shí)代”，我們要做競(jìng)跑者，抓住機(jī)遇，搶占制高點(diǎn)。
2003年初秋，在中車株洲所，我們組建了國(guó)內(nèi)首個(gè)永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，這是我們第一次與國(guó)外公司站在同一起跑線上。
記者：“搶占制高點(diǎn)”應(yīng)該非常艱難。
馮江華：每一次重大核心技術(shù)的更新迭代，都會(huì)經(jīng)歷一段漫長(zhǎng)的陣痛期。在剛開(kāi)始研究這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，放眼國(guó)內(nèi)外，完全沒(méi)有代表性的技術(shù)可供參考。永磁牽引技術(shù)對(duì)于我們的很多團(tuán)隊(duì)成員甚至只是一個(gè)概念。
記者：研發(fā)過(guò)程中，您和團(tuán)隊(duì)遇到的最大挑戰(zhàn)是什么？
馮江華：我們遇到的最大挑戰(zhàn)是電機(jī)控溫。如果試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)溫度過(guò)高，永磁體失磁，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)罷工。研發(fā)時(shí)正值盛夏，實(shí)驗(yàn)室溫度會(huì)達(dá)到40多攝氏度，就像一個(gè)巨大的蒸籠。這為電機(jī)控溫帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。此外，高溫也是對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的考驗(yàn)。每次做實(shí)驗(yàn)至少需要五六個(gè)小時(shí)，還要人工24小時(shí)輪番蹲守記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在高溫環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間工作十分艱苦。
在實(shí)驗(yàn)人員的不懈努力下，第一臺(tái)功率5千瓦的永磁電機(jī)開(kāi)發(fā)成功，隨后，100千瓦的永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也在實(shí)驗(yàn)室誕生。
2011年，永磁牽引系統(tǒng)在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線成功裝車，實(shí)現(xiàn)了永磁牽引系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用。
攻克永磁高鐵技術(shù)難關(guān)
記者：您是怎樣想到將永磁牽引系統(tǒng)應(yīng)用于高鐵的？
馮江華：基于我們對(duì)永磁牽引技術(shù)8年多的研究，以及關(guān)于這一技術(shù)在城市軌道交通應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)積累，2011年，中車株洲所受命參與國(guó)家863計(jì)劃“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。自此，我們瞄準(zhǔn)了更高目標(biāo)——永磁高鐵。
記者：在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過(guò)程中，您和團(tuán)隊(duì)遇到了哪些困難？
馮江華：科研之路并非一帆風(fēng)順。我和團(tuán)隊(duì)奔赴全國(guó)十幾個(gè)鐵路局、動(dòng)車段調(diào)研，跟車添乘、測(cè)量，采集列車復(fù)雜、多變的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)。在這期間，我們?cè)庥隽艘坏雷畲箅y關(guān)——在高鐵線路試驗(yàn)時(shí)，由于軌道坡度大，實(shí)驗(yàn)人員只能實(shí)行滿手柄牽引、滿手柄制動(dòng)的“野蠻操作”。這種情況下，試驗(yàn)中列車跑了幾個(gè)回合永磁電機(jī)就扛不住了，導(dǎo)致永磁電機(jī)兩次被卸下來(lái)修理。
記者：如何攻克這個(gè)難關(guān)？
馮江華：我們連續(xù)組織了兩個(gè)星期的技術(shù)討論會(huì)議，還設(shè)計(jì)了兩套解決方案。我們對(duì)這些解決方案挨個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比數(shù)據(jù)，花了3個(gè)月設(shè)計(jì)最優(yōu)方案重新裝機(jī)。重新裝機(jī)后，機(jī)車在試驗(yàn)軌道上以380公里的時(shí)速跑了一整天，沒(méi)出任何問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，我們團(tuán)隊(duì)先后攻克一系列關(guān)鍵難題，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)，使復(fù)興號(hào)的速度、加速度、牽引動(dòng)力等關(guān)鍵指標(biāo)領(lǐng)先國(guó)際同行。
記者：我國(guó)永磁高鐵目前在世界處于什么地位？
馮江華：2013年12月，中車株洲所成功開(kāi)發(fā)出可用于時(shí)速350公里高速動(dòng)車的永磁牽引系統(tǒng)。2014年11月，基于永磁電機(jī)控制的高速動(dòng)車組成功下線，我國(guó)實(shí)現(xiàn)首套高速動(dòng)車組永磁牽引系統(tǒng)的研制、試驗(yàn)和裝車。2015年6月24日，永磁高鐵在北京環(huán)鐵試驗(yàn)基地進(jìn)行首件鑒定，單臺(tái)電機(jī)功率達(dá)到690千瓦。
2018年，德國(guó)西門子才發(fā)布出一款使用永磁牽引技術(shù)的新型高速列車樣車。這標(biāo)志著我國(guó)成為全球少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引技術(shù)的國(guó)家，并處于領(lǐng)先地位。
記者：當(dāng)前，由國(guó)鐵集團(tuán)牽頭推進(jìn)的CR450動(dòng)車組樣車研制以及時(shí)速400公里基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究取得積極進(jìn)展，已進(jìn)入整車裝配階段。您負(fù)責(zé)研制CR450牽引系統(tǒng)，可否為我們介紹下該動(dòng)車組采用的永磁牽引系統(tǒng)有哪些技術(shù)新突破？
馮江華：一是我們發(fā)明了高速主動(dòng)弱磁控制技術(shù)。這就像是為列車的“心臟”，即永磁電機(jī)裝上智能調(diào)節(jié)器，確保電機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。
二是我們開(kāi)發(fā)了磁極位置多模辨識(shí)技術(shù)。這就像是給列車的“眼睛”，即傳感器進(jìn)行升級(jí)，讓列車在迷霧中找到方向，確保列車安全運(yùn)行。
三是我們創(chuàng)造了列車越行無(wú)電區(qū)后動(dòng)力重構(gòu)技術(shù)。這就像是給列車裝上了一個(gè)“備用能源包”，即使在沒(méi)有外部電源的情況下，列車的動(dòng)力系統(tǒng)也能快速工作，確保列車在分段供電條件下保持高速運(yùn)行。
打造人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)廣闊舞臺(tái)
記者：您為何選擇投身列車牽引與控制系統(tǒng)技術(shù)研究？
馮江華：我上大學(xué)時(shí)，電機(jī)及其控制是熱門專業(yè)，畢業(yè)時(shí)許多同窗好友都選擇留在了大城市。機(jī)緣巧合下，我來(lái)到了中車株洲所。非常幸運(yùn)，我剛好趕上參與高性能異步傳動(dòng)與控制技術(shù)的研發(fā)工作。在科研攻關(guān)過(guò)程中，老一輩科研專家的工作熱情和認(rèn)真執(zhí)著的勁頭感染了我。有時(shí)為了一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，大家爭(zhēng)得面紅耳赤?！凹夹g(shù)面前人人平等”這種思想，一直影響著我，也由我接續(xù)傳遞。
記者：作為中車株洲所的總工程師，您一直關(guān)注人才培養(yǎng)。中車株洲所在打造科技人才隊(duì)伍方面有哪些探索？
馮江華：我們讓想干事的人有機(jī)會(huì)，能干事的人有平臺(tái)，干成事的人有地位。我們建立了專門的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，構(gòu)建分類分層分級(jí)培訓(xùn)賦能體系，以此實(shí)現(xiàn)員工受訓(xùn)覆蓋率近100%。
目前，中車株洲所建設(shè)了30個(gè)以首席專家命名，以科技帶頭人為骨干，覆蓋中、青年科技工作者的專家工作室。
記者：您可否舉例介紹，中車株洲所是如何給青年人才提供發(fā)展平臺(tái)的？
馮江華：2012年，胡云卿從浙江大學(xué)博士畢業(yè)進(jìn)入中車株洲所，被分配從事粘著力與控制研發(fā)。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬空白，而自主研發(fā)的重?fù)?dān)，就這樣交給了初出茅廬的他。
短短4年，胡云卿和團(tuán)隊(duì)便從無(wú)到有自主研發(fā)出了一套牽引系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于澳大利亞的火車，僅3次就通過(guò)澳大利亞的考核試驗(yàn)，打破了紀(jì)錄。2017年，這套牽引系統(tǒng)被用在了復(fù)興號(hào)動(dòng)車組。如今，不到40歲的胡云卿也成長(zhǎng)為上市企業(yè)時(shí)代電氣的總工程師和副總經(jīng)理。在中車株洲所，像他這樣的“80后”越來(lái)越多。
記者：目前中車株洲所形成了怎樣的人才隊(duì)伍？
馮江華：如今，我們已構(gòu)建了多層次、多維度、多類型“人才金字塔”。人才隊(duì)伍包括經(jīng)營(yíng)管理、專業(yè)管理、工程技術(shù)、營(yíng)銷貿(mào)易人才和能工巧匠，人才總數(shù)近萬(wàn)名。
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他腦子里總有無(wú)數(shù)“靈光一閃”
中等個(gè)子，穿著普通，溫文爾雅，說(shuō)起話來(lái)平實(shí)親切——這是記者對(duì)馮江華的第一印象。
作為中車株洲所的副總經(jīng)理、總工程師，馮江華非常忙。見(jiàn)面時(shí)，他之后幾天的日程已經(jīng)安排得滿滿當(dāng)當(dāng)。
從浙江大學(xué)電機(jī)系研究生畢業(yè)后，馮江華來(lái)到中車株洲所工作。30多年來(lái)，他一直從事電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系列研究。在中國(guó)軌道牽引動(dòng)力技術(shù)發(fā)展上，他取得了很多“第一”：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)；組建了國(guó)內(nèi)首個(gè)永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)……其中最大的成就是他持續(xù)主持研究復(fù)興號(hào)系列牽引傳動(dòng)與控制技術(shù)。
多年來(lái)，馮江華一門心思搞研究。擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)后，他開(kāi)會(huì)出差越來(lái)越多，同事說(shuō)他“不是在飛機(jī)上，就是在去趕飛機(jī)的路上”。但他總是擠出時(shí)間學(xué)習(xí)鉆研。無(wú)論坐飛機(jī)還是乘火車，他總是帶著一疊研究資料閱看，有時(shí)一入迷甚至?xí)`了下車，坐過(guò)了站。
技術(shù)裝在腦袋里，就會(huì)產(chǎn)生一些“奇思妙想”。
2009年，馮江華偶然聽(tīng)一位同事介紹，法國(guó)有一種新型單軌交通電車，就突然想到做一款適合中國(guó)道路情況的無(wú)軌電車。2013年，他組織團(tuán)隊(duì)研發(fā)膠輪智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)，目前已研發(fā)成功。2015年4月，格力電器首次開(kāi)發(fā)出裝載了永磁同步變頻熱泵離心機(jī)的中央空調(diào)，并在北京人民大會(huì)堂投入使用。在與格力電器的合作探討中，他靈光一閃想到光伏新能源技術(shù)，由此提出“不用電”光伏空調(diào)新方案。
同事說(shuō)，他腦子里總有無(wú)數(shù)個(gè)“靈光一閃”。
對(duì)自己能親身參與中國(guó)高鐵的建設(shè)與發(fā)展，馮江華心存感激：“有傳承下來(lái)的來(lái)自老一輩科學(xué)家的科學(xué)精神，有一起團(tuán)結(jié)搞科研的和諧氛圍，再加上我們的不懈努力，中國(guó)機(jī)車動(dòng)力牽引技術(shù)一定能持續(xù)領(lǐng)跑世界?！?/p>
