科技日報記者 薛巖
牽引與控制系統(tǒng)是高速列車動力系統(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。
“我國將在更高速度等級高鐵列車上應用自主研發(fā)的永磁同步牽引系統(tǒng)，讓飛馳的高鐵更省電、更綠色?！比涨?，在接受科技日報記者采訪時，中國中車首席科學家，中車株洲電力機車研究所有限公司（以下簡稱“中車株洲所”）副總經(jīng)理、總工程師馮江華說。
啃下異步傳動牽引“硬骨頭”
記者：可否請您介紹一下電機牽引系統(tǒng)？
馮江華：牽引系統(tǒng)是軌道交通車輛的“心臟”和“大腦”，是車輛動力的關(guān)鍵來源，更是其高速、綠色、安全運行的關(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力、能耗和控制特性，是車輛節(jié)能升級的關(guān)鍵部件。
記者：20世紀90年代，您組建了國內(nèi)第一個異步電機牽引控制技術(shù)研究與工程實踐團隊。您為何要帶領(lǐng)團隊在這片“無人區(qū)”開疆拓土？
馮江華：上世紀七八十年代，德、日等鐵路裝備強國競相發(fā)展高速列車。當時，他們采用的主流技術(shù)是異步傳動牽引技術(shù)，并對其實施技術(shù)封鎖。
那時我國正在進行高速列車自主樣車研究，對異步傳動牽引技術(shù)有強烈的技術(shù)需求。但當時，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域卻是一片空白。因此，我組建了國內(nèi)第一個異步電機牽引控制技術(shù)研究與工程實踐團隊。
記者：研制過程順利嗎？
馮江華：那個時候，我們幾乎沒有任何可借鑒的資料，很多原理性試驗只能“摸著石頭過河”，甚至連試驗結(jié)果的準確性都無法判斷。
我們夜以繼日地開展了多次中小功率樣機系統(tǒng)試驗研究，經(jīng)歷的失敗不計其數(shù)。但我們沒有沮喪放棄，而是在挫折中一步一步堅毅前行。
記者：在研發(fā)過程中，您和團隊攻克了哪些技術(shù)難關(guān)？
馮江華：通過兩年多攻關(guān)，我們攻克了低開關(guān)頻率下電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩高實時控制等關(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，實現(xiàn)了我國大功率交流傳動控制技術(shù)的從無到有，使我國成為少數(shù)幾個掌握該技術(shù)的國家之一。
此后十余年間，我們陸續(xù)攻克了車輛級動力實時控制、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技術(shù)平臺和產(chǎn)業(yè)化平臺。這些技術(shù)成功應用在我國最早自主研制的“中華之星”等高速列車上，后來又在和諧號上實現(xiàn)批量應用。
記者：異步傳動牽引技術(shù)目前發(fā)展情況如何？
馮江華：近20年來，我國高鐵技術(shù)不斷發(fā)展。從和諧號閃亮登場，到復興號橫空出世，我國逐漸建成世界最大的高鐵運營網(wǎng)絡，牽引控制技術(shù)也在持續(xù)優(yōu)化。
復雜的高鐵運營環(huán)境以及亟待攻克的關(guān)鍵核心技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)一直擺在我們面前。近年來，我們陸續(xù)攻克了一系列難題。比如，為滿足高寒動車組在長大坡道持續(xù)高速運行的需求，團隊大膽提出新的控制策略，在自主控制器完成驗證的基礎(chǔ)上，我們實現(xiàn)了在功率提升20%的同時溫升降低25開氏度（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)域也解決了多個難題。
搶占永磁牽引技術(shù)領(lǐng)域制高點
記者：您是國內(nèi)最早提出并啟動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)勢是什么？
馮江華：2000年，在一次國際學術(shù)會議上，我第一次接觸國外永磁同步牽引技術(shù)。當時，這項技術(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牽引系統(tǒng)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)異步電機牽引系統(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30%。
記者：您為什么開始這項技術(shù)研發(fā)？
馮江華：我感覺自己有一種使命感。在“異步交流傳動時代”，我們是追趕者；在“永磁時代”，我們要做競跑者，抓住機遇，搶占制高點。
2003年初秋，在中車株洲所，我們組建了國內(nèi)首個永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團隊，這是我們第一次與國外公司站在同一起跑線上。
記者：“搶占制高點”應該非常艱難。
馮江華：每一次重大核心技術(shù)的更新迭代，都會經(jīng)歷一段漫長的陣痛期。在剛開始研究這項技術(shù)時，放眼國內(nèi)外，完全沒有代表性的技術(shù)可供參考。永磁牽引技術(shù)對于我們的很多團隊成員甚至只是一個概念。
記者：研發(fā)過程中，您和團隊遇到的最大挑戰(zhàn)是什么？
馮江華：我們遇到的最大挑戰(zhàn)是電機控溫。如果試驗過程中電機溫度過高，永磁體失磁，會導致系統(tǒng)罷工。研發(fā)時正值盛夏，實驗室溫度會達到40多攝氏度，就像一個巨大的蒸籠。這為電機控溫帶來了極大挑戰(zhàn)。此外，高溫也是對實驗人員的考驗。每次做實驗至少需要五六個小時，還要人工24小時輪番蹲守記錄實驗數(shù)據(jù)。在高溫環(huán)境下，長時間工作十分艱苦。
在實驗人員的不懈努力下，第一臺功率5千瓦的永磁電機開發(fā)成功，隨后，100千瓦的永磁驅(qū)動系統(tǒng)也在實驗室誕生。
2011年，永磁牽引系統(tǒng)在沈陽地鐵2號線成功裝車，實現(xiàn)了永磁牽引系統(tǒng)在國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應用。
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)應用于高鐵的？
馮江華：基于我們對永磁牽引技術(shù)8年多的研究，以及關(guān)于這一技術(shù)在城市軌道交通應用中的經(jīng)驗積累，2011年，中車株洲所受命參與國家863計劃“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點項目”，承擔高速動車組用永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)工作。自此，我們瞄準了更高目標——永磁高鐵。
記者：在實現(xiàn)這個目標的過程中，您和團隊遇到了哪些困難？
馮江華：科研之路并非一帆風順。我和團隊奔赴全國十幾個鐵路局、動車段調(diào)研，跟車添乘、測量，采集列車復雜、多變的運行工況數(shù)據(jù)。在這期間，我們遭遇了一道最大難關(guān)——在高鐵線路試驗時，由于軌道坡度大，實驗人員只能實行滿手柄牽引、滿手柄制動的“野蠻操作”。這種情況下，試驗中列車跑了幾個回合永磁電機就扛不住了，導致永磁電機兩次被卸下來修理。
記者：如何攻克這個難關(guān)？
馮江華：我們連續(xù)組織了兩個星期的技術(shù)討論會議，還設(shè)計了兩套解決方案。我們對這些解決方案挨個進行試驗，對比數(shù)據(jù)，花了3個月設(shè)計最優(yōu)方案重新裝機。重新裝機后，機車在試驗軌道上以380公里的時速跑了一整天，沒出任何問題。
經(jīng)過艱苦攻關(guān)，我們團隊先后攻克一系列關(guān)鍵難題，打造了完全自主知識產(chǎn)權(quán)、世界領(lǐng)先的牽引系統(tǒng)產(chǎn)品平臺，使復興號的速度、加速度、牽引動力等關(guān)鍵指標領(lǐng)先國際同行。
記者：我國永磁高鐵目前在世界處于什么地位？
馮江華：2013年12月，中車株洲所成功開發(fā)出可用于時速350公里高速動車的永磁牽引系統(tǒng)。2014年11月，基于永磁電機控制的高速動車組成功下線，我國實現(xiàn)首套高速動車組永磁牽引系統(tǒng)的研制、試驗和裝車。2015年6月24日，永磁高鐵在北京環(huán)鐵試驗基地進行首件鑒定，單臺電機功率達到690千瓦。
2018年，德國西門子才發(fā)布出一款使用永磁牽引技術(shù)的新型高速列車樣車。這標志著我國成為全球少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引技術(shù)的國家，并處于領(lǐng)先地位。
記者：當前，由國鐵集團牽頭推進的CR450動車組樣車研制以及時速400公里基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)研究取得積極進展，已進入整車裝配階段。您負責研制CR450牽引系統(tǒng)，可否為我們介紹下該動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)明了高速主動弱磁控制技術(shù)。這就像是為列車的“心臟”，即永磁電機裝上智能調(diào)節(jié)器，確保電機高效運轉(zhuǎn)。
二是我們開發(fā)了磁極位置多模辨識技術(shù)。這就像是給列車的“眼睛”，即傳感器進行升級，讓列車在迷霧中找到方向，確保列車安全運行。
三是我們創(chuàng)造了列車越行無電區(qū)后動力重構(gòu)技術(shù)。這就像是給列車裝上了一個“備用能源包”，即使在沒有外部電源的情況下，列車的動力系統(tǒng)也能快速工作，確保列車在分段供電條件下保持高速運行。
打造人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)廣闊舞臺
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：我上大學時，電機及其控制是熱門專業(yè)，畢業(yè)時許多同窗好友都選擇留在了大城市。機緣巧合下，我來到了中車株洲所。非常幸運，我剛好趕上參與高性能異步傳動與控制技術(shù)的研發(fā)工作。在科研攻關(guān)過程中，老一輩科研專家的工作熱情和認真執(zhí)著的勁頭感染了我。有時為了一個技術(shù)問題，大家爭得面紅耳赤?！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伍方面有哪些探索？
馮江華：我們讓想干事的人有機會，能干事的人有平臺，干成事的人有地位。我們建立了專門的培訓機構(gòu)，構(gòu)建分類分層分級培訓賦能體系，以此實現(xiàn)員工受訓覆蓋率近100%。
目前，中車株洲所建設(shè)了30個以首席專家命名，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)展平臺的？
馮江華：2012年，胡云卿從浙江大學博士畢業(yè)進入中車株洲所，被分配從事粘著力與控制研發(fā)。當時，這項技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白，而自主研發(fā)的重擔，就這樣交給了初出茅廬的他。
短短4年，胡云卿和團隊便從無到有自主研發(fā)出了一套牽引系統(tǒng)，并成功應用于澳大利亞的火車，僅3次就通過澳大利亞的考核試驗，打破了紀錄。2017年，這套牽引系統(tǒng)被用在了復興號動車組。如今，不到40歲的胡云卿也成長為上市企業(yè)時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”越來越多。
記者：目前中車株洲所形成了怎樣的人才隊伍？
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”。人才隊伍包括經(jīng)營管理、專業(yè)管理、工程技術(shù)、營銷貿(mào)易人才和能工巧匠，人才總數(shù)近萬名。
[延伸閱讀]
他腦子里總有無數(shù)“靈光一閃”
中等個子，穿著普通，溫文爾雅，說起話來平實親切——這是記者對馮江華的第一印象。
作為中車株洲所的副總經(jīng)理、總工程師，馮江華非常忙。見面時，他之后幾天的日程已經(jīng)安排得滿滿當當。
從浙江大學電機系研究生畢業(yè)后，馮江華來到中車株洲所工作。30多年來，他一直從事電力機車牽引傳動系列研究。在中國軌道牽引動力技術(shù)發(fā)展上，他取得了很多“第一”：組建了國內(nèi)最早的電力牽引高性能交流傳動控制技術(shù)研究與工程實踐團隊；組建了國內(nèi)首個永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團隊……其中最大的成就是他持續(xù)主持研究復興號系列牽引傳動與控制技術(shù)。
多年來，馮江華一門心思搞研究。擔任領(lǐng)導職務后，他開會出差越來越多，同事說他“不是在飛機上，就是在去趕飛機的路上”。但他總是擠出時間學習鉆研。無論坐飛機還是乘火車，他總是帶著一疊研究資料閱看，有時一入迷甚至會誤了下車，坐過了站。
技術(shù)裝在腦袋里，就會產(chǎn)生一些“奇思妙想”。
2009年，馮江華偶然聽一位同事介紹，法國有一種新型單軌交通電車，就突然想到做一款適合中國道路情況的無軌電車。2013年，他組織團隊研發(fā)膠輪智能軌道快運系統(tǒng)，目前已研發(fā)成功。2015年4月，格力電器首次開發(fā)出裝載了永磁同步變頻熱泵離心機的中央空調(diào)，并在北京人民大會堂投入使用。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，他腦子里總有無數(shù)個“靈光一閃”。
對自己能親身參與中國高鐵的建設(shè)與發(fā)展，馮江華心存感激：“有傳承下來的來自老一輩科學家的科學精神，有一起團結(jié)搞科研的和諧氛圍，再加上我們的不懈努力，中國機車動力牽引技術(shù)一定能持續(xù)領(lǐng)跑世界?！?/p>
