讓中國高鐵駛入永磁時代

對軌道交通牽引技術來說，永磁牽引系統(tǒng)是一場革命，誰擁有永磁牽引系統(tǒng)，誰就擁有高鐵的話語權。

牽引傳動系統(tǒng)在業(yè)內被稱為“列車之心”，其性能在某種程度上決定了列車的動力品質、能耗和控制特性，也影響著列車的經濟性、舒適性與可靠性，是節(jié)能升級的關鍵。

從“直流”到“交流”，再到如今的“永磁”，近30年時間，中車株洲所引領我國軌道交通牽引技術，實現了由跟跑、并跑到領跑的飛躍。

大功率異步交流傳動技術自20世紀80年代逐步在發(fā)達國家開始成熟應用，但僅為龐巴迪和西門子等少數壟斷公司所掌握，且一直不對中國轉讓該技術，在先進的控制策略方面更是嚴密封鎖。

面對國外的技術封鎖和我國鐵路移動裝備發(fā)展的需求，20世紀90年代初，中車株洲所走上自主研發(fā)之路，開展大功率異步牽引控制技術研究，并受命主持原鐵道部“交直交電傳動微機控制系統(tǒng)及其模塊化研究”課題，組建了國內最早的電力牽引高性能交流傳動控制技術研究與工程實踐團隊。

當時國內在異步牽引控制策略方面毫無技術儲備，很多原理性試驗只能摸著石頭過河。

除了沒有材料儲備，控制硬件體系和高速數字處理系統(tǒng)的研究基礎非常薄弱，應用過程也缺乏專業(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)新的路上沒有停歇，對于技術的追求永無止境。中車株洲所的研發(fā)團隊將目光瞄準了面向工程應用、技術難度更高的大功率GTO變流器系統(tǒng)。在大量的地面試驗系統(tǒng)、裝車試驗和運營考核中，不斷攻關、完善系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性、可靠性，最終這一技術順利實現突破，研制出2800kVA、驅動兩臺1200千瓦電機的自主牽引系統(tǒng)，并成功應用在“中華之星”“奧星”和哈薩克斯坦機車等先鋒車型上。

在電力牽引技術由直流傳動向異步交流傳動升級換代的“十年轉換工程”中，攻克了車輛級動力實時控制、分布式系統(tǒng)協(xié)同控制等關鍵技術，搭建了自主軌道交通交流傳動技術平臺和產業(yè)化平臺，實現了我國大功率交流傳動控制技術的從無到有，使我國成為少數幾個掌握該技術的國家之一。

隨著高鐵的快速發(fā)展，中國形成了世界最大的運營規(guī)模和寬廣地域、復雜氣候、高速和高密度行車等最復雜的運用環(huán)境，高速動車組運行面臨裝備與系統(tǒng)的標準化、列車混雜運行的車、網關系友好性、高速高牽引力的輪軌關系魯棒性、安全高效智能的控制網絡實時性等關鍵技術新挑戰(zhàn)。

伴隨高鐵建設、運營的發(fā)展，研發(fā)團隊時常奔赴全國數10個路局、動車段調研，跟車添乘、測量，采集列車復雜、多變的運行工況數據，分析、解決各種復雜的技術難題。

2014年底，“滬昆高鐵”開通在即，裝載公司完全自主牽引電傳動系統(tǒng)的更高速度等級動車組，在南昌—長沙段的車網諧振優(yōu)化試驗進入最后階段。研發(fā)團隊深入一線，在南昌動車所完成車載裝置優(yōu)化改進后，立即驅車前往江西分宜變電所進行地面檢測。

變電所地點偏僻，道路崎嶇難行，趕到都已是凌晨。為確保“滬昆高鐵”能夠按照預定時間開通，研發(fā)團隊在南昌—分宜兩地 “兩點一線”來回奔波，形成了不確定性車網關系和高速運行條件下車載自適應高品質電力控制和地面諧波吸收的系統(tǒng)解決方案，攻克了車—網穩(wěn)定、裝備安全等難題。

高寒動車組原進口牽引技術無法滿足蘭新線長大坡道持續(xù)高速運行需求，而系統(tǒng)配置已固化，無法變更牽引變流器和牽引電機。通過大量的理論分析、仿真驗證和系統(tǒng)試驗，研發(fā)團隊大膽提出新的控制策略，在自主控制器完成驗證并替代原進口控制器，在功率提升20%的同時溫升降低25K，解決了全局高能效牽引行業(yè)難題。

這些技術成果已在以“復興號”為代表的高速動車組批量應用，打造了完全自主知識產權、世界領先的牽引系統(tǒng)產品平臺，為“復興號”在世界最大運營規(guī)模和最復雜運用環(huán)境下，實現世界最高運營時速、最大單軸異步牽引動力等頂層指標發(fā)揮了核心作用。獲得了習近平總書記贊譽“復興號高速列車邁出從追趕到領跑的關鍵一步”。

中車株洲所研發(fā)團隊在自主研發(fā)的道路上越戰(zhàn)越勇，相關成果應用到重載長大組合列車控制系統(tǒng)，并攻克其實時控制和安全保障難題，使我國成為擁有該技術的兩個國家之一，又拓展到冶金和礦卡等領域，填補國內空白。

為徹底避免我國牽引傳動技術重陷“落后、追趕”的被動局面，2003年，中車株洲所組建了國內第一支軌道交通永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團隊，和整個行業(yè)一起“從零起步”，開展牽引系統(tǒng)向永磁升級換代的研究，我國第一次與國外公司站在同一起跑線上展開較量。

彼時，永磁牽引技術仍屬于前瞻性核心技術，別說沒有接觸過，就連研究的對象也只是一個概念。

研發(fā)團隊依托5個國家級和省部級項目，歷時11年，經歷千百次試驗，最終成功攻克多模參數耦合的高精度和高動態(tài)性能轉矩控制、基于高反電勢逆向穿越的動力柔性重構控制、全速域高性能位置辨識算法及高效高功率密度永磁牽引電機設計等關鍵技術，形成了完備的軌道交通永磁牽引系統(tǒng)技術平臺，奠定了中國永磁牽引系統(tǒng)技術發(fā)展模式。

2015年8月1日，一列外觀看上去與其它車別無二致的銀白色高速列車正在晉陜大動脈大西高鐵客運專線上飛速前進。

這是我國最新研制的永磁高鐵，經過這個階段的線路型式試驗后，中國永磁高鐵就有望投入正線運行。我國迎來了永磁牽引系統(tǒng)在高鐵上應用的歷史拐點。

如今，其成果已在高速列車、地鐵車輛等批量應用，其能耗較異步牽引系統(tǒng)分別降低10%、30%以上。永磁驅動技術不僅在軌道交通領域引發(fā)了技術革命，而且還是新能源汽車、超高速永磁驅動離心商用空調、風力發(fā)電等領域的核心技術，成為高端裝備技術進步的基石。

馮江華，湖南衡陽人，1989年畢業(yè)于浙江大學，獲碩士學位，2008年畢業(yè)于中南大學，獲工學博士學位，教授級高工。現任中車株洲電力機車研究所副總經理兼總工程師，新型功率半導體器件國家重點實驗室主任，第十二屆湖南省政協(xié)委員。