——利德華福專訪北京交通大學(xué)游小杰教授
國家發(fā)改委提出的十大重點(diǎn)節(jié)能工程中第五項(xiàng)就是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程，鼓勵(lì)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，“十一五”規(guī)劃中明確提出了能耗比十五期間降低20%的硬性指標(biāo)，這一系列政策的出臺，既順應(yīng)了國家節(jié)能的現(xiàn)實(shí)需要，也大大促進(jìn)了高壓變頻行業(yè)的發(fā)展。
利德華福2006年開始與北京交通大學(xué)合作以來，雙方在人才培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化等方面簽訂了多個(gè)協(xié)議。為了解校企合作的情況和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本刊專訪了北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子研究所所長、博士、教授游小杰先生。
1.游教授，請您介紹一下北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子研究所的情況和研究方向。
游教授：北京交通大學(xué)電力電子研究所成立于2004年6月，主要從事電力電子與電力傳動領(lǐng)域的科研、教學(xué)工作。科研方向主要有：一是大功率電源技術(shù)，二是軌道交通電力傳動技術(shù)。在大功率電源技術(shù)方面，最近研究所剛剛完成了國內(nèi)最大、國際第四大航空電源的研制項(xiàng)目。該電源用于模擬航天器從外太空返回大氣層時(shí)所承受的高溫環(huán)境，考察表面材料的耐高溫性能。目前該電源配合我國的航天工程完成了多項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)任務(wù)，為我國航天事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。在軌道交通電力傳動技術(shù)方面，我們目前主要研究
直線電機(jī)在軌道交通牽引傳動中的應(yīng)用。直線電機(jī)應(yīng)用于軌道交通牽引傳動是一個(gè)發(fā)展方向，在這種傳動方式中，直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子鋪設(shè)在了軌道上，定子安裝在車上，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)牽引傳動相比較，車體的截面積大大減小。如果應(yīng)用于地鐵上，意味著隧道截面小，建設(shè)成本降低。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)牽引傳動不同，這種傳動方式的另一個(gè)好處是牽引力的傳遞不靠車輪與軌道相互作用來傳遞，不受輪軌關(guān)系限制，列車可以爬更大的坡，轉(zhuǎn)更小的彎，這在城市軌道交通中十分重要，意味著線路建設(shè)時(shí)房屋拆遷減少。目前北京機(jī)場線、廣州4號線已采用直線電機(jī)牽引，廣州地鐵的5、6號線也將采用采用直線電機(jī)牽引。此外，我們研究所還開展過混合動力裝甲車、電力機(jī)車諧波抑制，有源電力
濾波器等許多項(xiàng)目的研究工作，都是針對解決實(shí)際工程問題來選擇項(xiàng)目。項(xiàng)目的另一個(gè)特點(diǎn)是主要針對
軌道交通行業(yè)，因?yàn)楸本┙煌ù髮W(xué)過去一直是鐵道部的部屬高校，過去的畢業(yè)生也主要從事軌道交通方面的工作，這一行業(yè)背景給我們的科研項(xiàng)目提供了基礎(chǔ)。在國家級項(xiàng)目方面，目前我們主要承擔(dān)了國家“863”磁浮重大專項(xiàng)中的部分課題。近年來，研究所所在的北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院在電力電子與電力傳動領(lǐng)域也取得很大的進(jìn)步，在科技部最近確定的“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“電力電子關(guān)鍵器件及重大裝備研制”專項(xiàng)的七個(gè)項(xiàng)目中，我學(xué)院獲得了其中的二個(gè)項(xiàng)目資助，位居國內(nèi)高校之首。
2．請對您目前在電力電子方面的研究作一些介紹。
游教授：我目前正在從事與鐵路交通相關(guān)的混合動力內(nèi)燃機(jī)車的研究。這種機(jī)車是軌道交通的一種新型綠色車型，具有很高的節(jié)能和環(huán)保性能。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車只有一個(gè)能量源，那就是柴油機(jī)，這種機(jī)車燃油效率較低，廢氣排放較大。近年來，國外開始出現(xiàn)了一種混合動力內(nèi)燃機(jī)車，它具有多個(gè)能量源，除了柴油機(jī)，還有蓄電池或者超級電容。通過對能量源的有效管理，這種機(jī)車能夠提高運(yùn)行能效、降低燃油消耗和廢氣排放。按照國外的經(jīng)驗(yàn)，一般能夠節(jié)省燃油和減少廢氣排放25％至30％。
混合動力內(nèi)燃機(jī)車未來會有十分廣闊的市場前景。交通運(yùn)輸是能源消耗大戶，而鐵路運(yùn)輸一直都是我國現(xiàn)代化交通運(yùn)輸體系中最為重要的運(yùn)輸手段。目前我國內(nèi)燃機(jī)車總數(shù)為一萬兩千輛，并且數(shù)量還將進(jìn)一步增加。我們預(yù)計(jì)2020年將新增約6000臺，按照混合動力內(nèi)燃機(jī)車占有率30％計(jì)算，混合動力內(nèi)燃機(jī)車市場為1800臺。以每臺價(jià)格3000萬元計(jì)算，2020年混合動力內(nèi)燃機(jī)車市場將達(dá)到五百億元以上。混合動力內(nèi)燃機(jī)車符合國家能源與環(huán)保政策，有助于我國節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，如果國家出臺類似于風(fēng)力發(fā)電的扶持政策，市場還將超過這個(gè)數(shù)量。
另一方面全球能源危機(jī)和對于溫室氣體排放的限制給將來我國混合動力機(jī)車出口國際市場提供機(jī)遇。我國從1992年開始向國外出口干線內(nèi)燃機(jī)車，目前已向世界上十多個(gè)國家出口機(jī)車大約500余臺。隨著我國內(nèi)燃機(jī)車出口的增長，我國的混合動力內(nèi)燃機(jī)車將會有良好的國際市場前景。
混合動力內(nèi)燃機(jī)車涉及了許多關(guān)鍵技術(shù)，如動力電池技術(shù)、混合動力能量管理技術(shù)、交流傳動控制技術(shù)、混合動力試驗(yàn)平臺技術(shù)等，這些技術(shù)不僅可以應(yīng)用于混合動力機(jī)車，還可以輻射應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如混合動力船舶和混合動力重型車輛等。這些關(guān)鍵技術(shù)將會有良好的技術(shù)市場。
3.除了應(yīng)用在工業(yè)拖動領(lǐng)域，交流變頻調(diào)速技術(shù)在交通運(yùn)輸?shù)臋C(jī)車牽引上的應(yīng)用是個(gè)熱點(diǎn)，請您談?wù)勥@方面的情況。
游教授：機(jī)車電力牽引技術(shù)是鐵路運(yùn)輸裝備的核心技術(shù)。電氣鐵道從誕生之日起就采用直流電機(jī)牽引方式，在相當(dāng)長的時(shí)間里，這種由直流電機(jī)牽引的直流調(diào)速方式占據(jù)著主流。直流電機(jī)牽引調(diào)速方式有轉(zhuǎn)距和速度容易控制的明顯優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有維護(hù)麻煩、電機(jī)體積大、重量大等缺點(diǎn)。為了克服直流調(diào)速的這些缺點(diǎn)，用交流變頻調(diào)速取代直流調(diào)速一直是世界鐵路技術(shù)人員的夢想。德國于1971年4月試制成功第1臺DE2500型交流調(diào)速內(nèi)燃機(jī)車，為機(jī)車采用三相
交流電機(jī)牽引奠定了基礎(chǔ)，也為上世紀(jì)90年代投入運(yùn)行的ICE高速列車的交流調(diào)速技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。此外，德國的城市輕軌、地鐵以及路面電車也已經(jīng)全面引入了交流調(diào)速技術(shù)。法國從上世紀(jì)70年代末至80年代初，開始大力研發(fā)機(jī)車交流調(diào)速技術(shù)。1986年，法國研制成功電流型逆變器控制、交流同步電機(jī)牽引的BB2600型電力機(jī)車。該電力機(jī)車直接為實(shí)現(xiàn)高速列車TGV-A的交流調(diào)速奠定了基礎(chǔ)。日本一開始就以電壓型PWM逆變器控制三相交流異步電機(jī)作為研發(fā)交流調(diào)速實(shí)用化技術(shù)的目標(biāo)。1982年，日本熊本的路面電車率先實(shí)現(xiàn)了交流調(diào)速技術(shù)的商業(yè)化。特別是1992年新干線300系列車交流調(diào)速技術(shù)的采用，使日本動力分散式高速列車的優(yōu)點(diǎn)得到充分體現(xiàn)。現(xiàn)在交流調(diào)速方式已成為世界各國鐵道車輛的主流，德、法等歐洲國家以及日本等鐵路先進(jìn)國家在該領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)成熟。可以說，是否擁有成熟的交流調(diào)速技術(shù)，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家鐵路技術(shù)水平的重要標(biāo)志。我國在在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀是：已擁有了成熟的直流調(diào)速技術(shù)；但還未掌握可以工程化應(yīng)用的交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用技術(shù)；投入營業(yè)運(yùn)行的鐵道車輛交流調(diào)速系統(tǒng)都只能從國外引進(jìn)。交流調(diào)速技術(shù)已成為我國鐵路車輛技術(shù)發(fā)展的最大制約因素。
目前，我國正處于大力發(fā)展高速鐵路運(yùn)輸。交流調(diào)速技術(shù)作為高速動車組電力牽引的核心技術(shù)，將有廣闊的應(yīng)用前景。我國的人口、資源、土地、文化傳統(tǒng)、城市化進(jìn)程等決定了大規(guī)模客運(yùn)的長期存在，其中的快速客運(yùn)需求不可能被高速公路和民航完全滿足，鐵路必定要在高速客運(yùn)市場上扮演最重要的角色，我國高速鐵路技術(shù)市場潛力巨大，可以說是全球最大的高速鐵路市場。目前世界各國的新建高速鐵路僅6300公里，而根據(jù)國家批準(zhǔn)的“中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃”，我國將在2020年以前建設(shè)快速客運(yùn)專線12,000公里以上，我國高速鐵路客運(yùn)網(wǎng)將超過其他所有國家的總和。按照以前對京滬高速鐵路造價(jià)的估算，我國高速鐵路建設(shè)成本約為8000萬元--到1億元人民幣/公里，因此將有超過10,000億元人民幣的龐大建設(shè)和技術(shù)裝備市場。
除了干線鐵路，城市的軌道交通由于具有快速、運(yùn)量大、低噪音、舒適安全、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國解決日益嚴(yán)重的城市交通問題的首選。我國城市軌道交通的發(fā)展已經(jīng)歷了40年的歷史，到2010年，中國城市將建成30多條地鐵和輕軌線路，總里程達(dá)2,000公里，全國投資總規(guī)模達(dá)幾千億元。可以說，我國的城市軌道交通和鐵路交通一樣，擁有龐大的市場潛力，這在很大程度上可以帶動交流調(diào)速產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
4．請您談?wù)勗诮涣麟娏C(jī)車的牽引中高壓大功率變流器的技術(shù)需求與應(yīng)用情況？
游教授：高壓大功率主牽引變流器是交流電力機(jī)車的心臟，決定了列車的啟動、制動和最高運(yùn)行速度等性能，機(jī)車技術(shù)的發(fā)展，集中反映到牽引變流器的發(fā)展上。應(yīng)用于電力機(jī)車的牽引變流器大致經(jīng)歷了晶閘管變流器、GTO變流器、IGBT變流器三個(gè)發(fā)展階段。從
IGBT器件出現(xiàn)以來，機(jī)車主牽引變流器經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展到第五代產(chǎn)品。目前IGBT已逐步成為機(jī)車主牽引變流器和輔助變流器的主流功率器件。用于機(jī)車的牽引變流器較其他工業(yè)用變流器具有更高的要求，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先是設(shè)計(jì)集約化、模塊化，力求結(jié)構(gòu)緊湊，小型輕量，維修方便。器件按開關(guān)組件或相構(gòu)件形式做成半成品的模塊，通過接插件方式聯(lián)接，盡量不用螺釘、螺母，以方便裝拆；第二是要保證足夠的電磁兼容性，包括抑制對外部的電磁發(fā)射、內(nèi)部各子系統(tǒng)間和各部件間的相互干擾以及抗干擾能力。對于采用如IGBT一類的高開關(guān)頻率器件的變流器，還應(yīng)注意因高的du／dt值通過零部件和線路的雜散電容引起的傳導(dǎo)干擾，以及軸電壓和軸承電流的破壞性作用；第三是需要在有限的空間發(fā)揮很大的牽引功率，要求更高的功率密度，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)制動能量的回饋；此外，車載運(yùn)行環(huán)境相對地面靜止環(huán)境在溫度、振動、沖擊、灰塵等諸多方面更加嚴(yán)格。
西門子、龐巴迪、阿爾斯通、三菱等擁有先進(jìn)交流傳動系統(tǒng)技術(shù)的國外公司，都擁有完整的機(jī)車牽引變流器產(chǎn)品研發(fā)平臺。這些公司針對鐵路和城市軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)出了高壓大電流高功率密度的系列牽引變流器。目前在世界重載和高速牽引領(lǐng)域，主要有以下3種系列牽引變流器：龐巴迪公司MITRAC TC 3000系列牽引變流器；西門子公司SIBAC系列牽引變流器；阿爾斯通公司ONIX系列牽引變流器。這些牽引變流器在我國引進(jìn)和合作生產(chǎn)的機(jī)車上都有應(yīng)用。我國自主研發(fā)的交流電力機(jī)車主牽引變流器還處于試驗(yàn)應(yīng)用階段，期待著更多從事國內(nèi)高壓大功率變流器的生產(chǎn)廠商關(guān)<
