——利德華福專訪北京交通大學游小杰教授
國家發(fā)改委提出的十大重點節(jié)能工程中第五項就是電機系統(tǒng)節(jié)能工程，鼓勵推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術，“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，這一系列政策的出臺，既順應了國家節(jié)能的現(xiàn)實需要，也大大促進了高壓變頻行業(yè)的發(fā)展。
利德華福2006年開始與北京交通大學合作以來，雙方在人才培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)轉化等方面簽訂了多個協(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電氣工程學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電氣工程學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域的科研、教學工作。科研方向主要有：一是大功率電源技術，二是軌道交通電力傳動技術。在大功率電源技術方面，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目。該電源用于模擬航天器從外太空返回大氣層時所承受的高溫環(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關鍵試驗任務，為我國航天事業(yè)做出了貢獻。在軌道交通電力傳動技術方面，我們目前主要研究
直線電機在軌道交通牽引傳動中的應用。直線電機應用于軌道交通牽引傳動是一個發(fā)展方向，在這種傳動方式中，直線電機的轉子鋪設在了軌道上，定子安裝在車上，與旋轉電機牽引傳動相比較，車體的截面積大大減小。如果應用于地鐵上，意味著隧道截面小，建設成本降低。與旋轉電機牽引傳動不同，這種傳動方式的另一個好處是牽引力的傳遞不靠車輪與軌道相互作用來傳遞，不受輪軌關系限制，列車可以爬更大的坡，轉更小的彎，這在城市軌道交通中十分重要，意味著線路建設時房屋拆遷減少。目前北京機場線、廣州4號線已采用直線電機牽引，廣州地鐵的5、6號線也將采用采用直線電機牽引。此外，我們研究所還開展過混合動力裝甲車、電力機車諧波抑制，有源電力
濾波器等許多項目的研究工作，都是針對解決實際工程問題來選擇項目。項目的另一個特點是主要針對
軌道交通行業(yè)，因為北京交通大學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目提供了基礎。在國家級項目方面，目前我們主要承擔了國家“863”磁浮重大專項中的部分課題。近年來，研究所所在的北京交通大學電氣工程學院在電力電子與電力傳動領域也取得很大的進步，在科技部最近確定的“十一五”國家科技支撐計劃“電力電子關鍵器件及重大裝備研制”專項的七個項目中，我學院獲得了其中的二個項目資助，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的混合動力內(nèi)燃機車的研究。這種機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)燃機車只有一個能量源，那就是柴油機，這種機車燃油效率較低，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)燃機車，它具有多個能量源，除了柴油機，還有蓄電池或者超級電容。通過對能量源的有效管理，這種機車能夠提高運行能效、降低燃油消耗和廢氣排放。按照國外的經(jīng)驗，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)燃機車未來會有十分廣闊的市場前景。交通運輸是能源消耗大戶，而鐵路運輸一直都是我國現(xiàn)代化交通運輸體系中最為重要的運輸手段。目前我國內(nèi)燃機車總數(shù)為一萬兩千輛，并且數(shù)量還將進一步增加。我們預計2020年將新增約6000臺，按照混合動力內(nèi)燃機車占有率30％計算，混合動力內(nèi)燃機車市場為1800臺。以每臺價格3000萬元計算，2020年混合動力內(nèi)燃機車市場將達到五百億元以上。混合動力內(nèi)燃機車符合國家能源與環(huán)保政策，有助于我國節(jié)能減排目標的實現(xiàn)，如果國家出臺類似于風力發(fā)電的扶持政策，市場還將超過這個數(shù)量。
另一方面全球能源危機和對于溫室氣體排放的限制給將來我國混合動力機車出口國際市場提供機遇。我國從1992年開始向國外出口干線內(nèi)燃機車，目前已向世界上十多個國家出口機車大約500余臺。隨著我國內(nèi)燃機車出口的增長，我國的混合動力內(nèi)燃機車將會有良好的國際市場前景。
混合動力內(nèi)燃機車涉及了許多關鍵技術，如動力電池技術、混合動力能量管理技術、交流傳動控制技術、混合動力試驗平臺技術等，這些技術不僅可以應用于混合動力機車，還可以輻射應用于其他領域，如混合動力船舶和混合動力重型車輛等。這些關鍵技術將會有良好的技術市場。
3.除了應用在工業(yè)拖動領域，交流變頻調(diào)速技術在交通運輸?shù)臋C車牽引上的應用是個熱點，請您談談這方面的情況。
游教授：機車電力牽引技術是鐵路運輸裝備的核心技術。電氣鐵道從誕生之日起就采用直流電機牽引方式，在相當長的時間里，這種由直流電機牽引的直流調(diào)速方式占據(jù)著主流。直流電機牽引調(diào)速方式有轉距和速度容易控制的明顯優(yōu)點，同時也有維護麻煩、電機體積大、重量大等缺點。為了克服直流調(diào)速的這些缺點，用交流變頻調(diào)速取代直流調(diào)速一直是世界鐵路技術人員的夢想。德國于1971年4月試制成功第1臺DE2500型交流調(diào)速內(nèi)燃機車，為機車采用三相
交流電機牽引奠定了基礎，也為上世紀90年代投入運行的ICE高速列車的交流調(diào)速技術奠定了基礎。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。法國從上世紀70年代末至80年代初，開始大力研發(fā)機車交流調(diào)速技術。1986年，法國研制成功電流型逆變器控制、交流同步電機牽引的BB2600型電力機車。該電力機車直接為實現(xiàn)高速列車TGV-A的交流調(diào)速奠定了基礎。日本一開始就以電壓型PWM逆變器控制三相交流異步電機作為研發(fā)交流調(diào)速實用化技術的目標。1982年，日本熊本的路面電車率先實現(xiàn)了交流調(diào)速技術的商業(yè)化。特別是1992年新干線300系列車交流調(diào)速技術的采用，使日本動力分散式高速列車的優(yōu)點得到充分體現(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國家在該領域的技術已經(jīng)成熟。可以說，是否擁有成熟的交流調(diào)速技術，已經(jīng)成為衡量一個國家鐵路技術水平的重要標志。我國在在該領域的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀是：已擁有了成熟的直流調(diào)速技術；但還未掌握可以工程化應用的交流調(diào)速系統(tǒng)的設計、制造和應用技術；投入營業(yè)運行的鐵道車輛交流調(diào)速系統(tǒng)都只能從國外引進。交流調(diào)速技術已成為我國鐵路車輛技術發(fā)展的最大制約因素。
目前，我國正處于大力發(fā)展高速鐵路運輸。交流調(diào)速技術作為高速動車組電力牽引的核心技術，將有廣闊的應用前景。我國的人口、資源、土地、文化傳統(tǒng)、城市化進程等決定了大規(guī)模客運的長期存在，其中的快速客運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市場上扮演最重要的角色，我國高速鐵路技術市場潛力巨大，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)國家批準的“中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃”，我國將在2020年以前建設快速客運專線12,000公里以上，我國高速鐵路客運網(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的估算，我國高速鐵路建設成本約為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和技術裝備市場。
除了干線鐵路，城市的軌道交通由于具有快速、運量大、低噪音、舒適安全、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，成為世界各國解決日益嚴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2,000公里，全國投資總規(guī)模達幾千億元。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．請您談談在交流電力機車的牽引中高壓大功率變流器的技術需求與應用情況？
游教授：高壓大功率主牽引變流器是交流電力機車的心臟，決定了列車的啟動、制動和最高運行速度等性能，機車技術的發(fā)展，集中反映到牽引變流器的發(fā)展上。應用于電力機車的牽引變流器大致經(jīng)歷了晶閘管變流器、GTO變流器、IGBT變流器三個發(fā)展階段。從
IGBT器件出現(xiàn)以來，機車主牽引變流器經(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已逐步成為機車主牽引變流器和輔助變流器的主流功率器件。用于機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)在以下幾個方面：首先是設計集約化、模塊化，力求結構緊湊，小型輕量，維修方便。器件按開關組件或相構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一類的高開關頻率器件的變流器，還應注意因高的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，同時要實現(xiàn)制動能量的回饋；此外，車載運行環(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格。
西門子、龐巴迪、阿爾斯通、三菱等擁有先進交流傳動系統(tǒng)技術的國外公司，都擁有完整的機車牽引變流器產(chǎn)品研發(fā)平臺。這些公司針對鐵路和城市軌道交通應用領域，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和合作生產(chǎn)的機車上都有應用。我國自主研發(fā)的交流電力機車主牽引變流器還處于試驗應用階段，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<
