中國首輛永磁高鐵下線試車 最快3年商業(yè)化運營
高鐵永磁同步牽引系統(tǒng)原理圖
由中國南車集團株洲所研制的新一代高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)，近日已成功通過國家鐵道檢測試驗中心的地面試驗考核。《新京報》記者在株洲所最新了解到，首輛裝有永磁牽引系統(tǒng)的高鐵已經(jīng)在南車青島四方整車下線，接下來將進入考核試驗階段，最快3年后實現(xiàn)商業(yè)化運營。
“原來一列8節(jié)車廂的列車，需要6節(jié)車廂裝備動力；采用永磁同步牽引系統(tǒng)后，則只需要4節(jié)車廂裝備動力即可，從而節(jié)省2節(jié)車廂的牽引系統(tǒng)成本”，負(fù)責(zé)高鐵永磁牽引系統(tǒng)研究的中國南車基礎(chǔ)與平臺研發(fā)中心副主任許峻峰介紹說，利用永磁電機高效率特點，可以提高列車牽引效率，節(jié)省大量電能，同時提高我國高鐵在節(jié)能、減排、安全、舒適等方面的綜合競爭優(yōu)勢。
許峻峰說，由于牽引系統(tǒng)是機車的核心技術(shù)，雖然法、德、日等國家都在進行永磁牽引系統(tǒng)的研制，但一直對華實現(xiàn)技術(shù)封鎖，中國永磁在軌道交通上的研發(fā)雖然起步較晚，但目前已經(jīng)逐漸追趕上國外先進水平。株洲所此次永磁高鐵的下線，標(biāo)志著我國成為世界上少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家。
■ 揭秘
1 牽引車減少 至少省電10%
“株洲所自2003年起進行永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)，至今已經(jīng)追趕上世界領(lǐng)先步伐，并且完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。”許峻峰說：“2011年開始進行永磁高鐵的研發(fā)，當(dāng)時任務(wù)是600千瓦，但實際上我們做到了690千瓦”。
許峻峰舉例稱，雖然目前單個的高鐵用永磁電機成本比現(xiàn)在普遍服役的交流異步電機成本增加約10%，不過由于永磁電機具有高功率密度的特點，通過節(jié)省動拖比(即指一列固定編組的列車中，動力車與無動力車的比例)，比如一輛原來需要6動2拖的列車，在裝備了永磁電機后，只需要采用4動4拖就可以，其節(jié)省的2輛動車的牽引系統(tǒng)成本會使得安裝永磁電機的整列車牽引系統(tǒng)成本反而降低20%，另一方面可以利用永磁電機高效率特點，提高列車牽引效率，節(jié)省大量電能，降低列車的全壽命周期成本。
“由于永磁發(fā)電機的功率可以比異步電機更大，所以在整個車跑起來的時候，電機要求的數(shù)量更少了，”許峻峰說：“如果保持同樣的動拖比，將提升整車的牽引能力。”
據(jù)許峻峰介紹，一般來說，牽引系統(tǒng)能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的40%至50%。根據(jù)南車方面提供的數(shù)據(jù)稱，在沈陽地鐵測量中，永磁同步牽引系統(tǒng)相比于異步牽引系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)能9.61%。
經(jīng)測算，目前地鐵運營統(tǒng)計的數(shù)據(jù)是一列車平均每公里耗能為13度，按一列車每天平均跑250公里，一條線按20列車進行計算，則一條線一天耗能為65000度，如果電費按照0.85元/度電進行計算，如果2015年全國規(guī)劃建設(shè)的96條軌道交通線路全部采用永磁同步牽引系統(tǒng)，那么每年新線運營能耗將節(jié)約1.92億元。
2 電機全封閉 噪音低維護少
永磁電機與異步電機的最大區(qū)別在于它的勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生的。許峻峰介紹說，異步電機，需要從定子側(cè)吸收無功電流來建立磁場，用于勵磁的無功電流導(dǎo)致了損耗的增加，降低了電機效率和功率因數(shù)，所以永磁電機比異步電機要節(jié)能。
許峻峰介紹說，由于為了通風(fēng)冷卻，地鐵用異步發(fā)電機是將線圈暴露在外的，需要定期將每臺電機的濾網(wǎng)進行一次清潔，如果不清潔，濾網(wǎng)堵塞會影響電機的散熱。而永磁發(fā)電機則使用全封閉式設(shè)計，更加安全可靠，此次株洲所研發(fā)的永磁發(fā)電機其絕緣技術(shù)結(jié)合了大功率機車和高鐵牽引電機絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，具有更高的絕緣可靠性，而全新的封閉式通風(fēng)設(shè)計，則有效確保電機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)清潔干凈，相對異步牽引電機維護更少，噪音低。
許峻峰介紹說：“由于永磁牽引電機結(jié)構(gòu)和電磁方面的特點，其在地鐵現(xiàn)場應(yīng)用過程中在低速時系統(tǒng)噪音明顯比異步電機低。整個系統(tǒng)噪音大概降低了3分貝左右。沒有濾網(wǎng)清潔這樣繁瑣的工作，系統(tǒng)的壽命周期成本也大大地降低了。”
■展望
永磁可助高鐵更多走出“國門”
株洲所副總經(jīng)理、總工程師，高鐵永磁牽引系統(tǒng)項目總設(shè)計師馮江華向記者介紹，牽引系統(tǒng)技術(shù)是高鐵的核心技術(shù)，永磁技術(shù)在國內(nèi)高鐵動力應(yīng)用上的突破，將使中國高鐵在世界舞臺上更具核心競爭力。
永磁牽引成為下一代列車主流研究方向
據(jù)了解，世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)技術(shù)，經(jīng)歷了直流系統(tǒng)、異步系統(tǒng)、永磁系統(tǒng)三大階段。永磁同步牽引系統(tǒng)因其高效率、高功率等顯著優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)，成為下一代列車牽引系統(tǒng)主流研制方向。
馮江華說，此次南車株洲所推出的高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)，包含牽引變流器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、永磁同步牽引電動機等，其中最具亮點的就屬該公司自主研發(fā)的JD188型大功率永磁同步牽引電動機。該電機額定功率達到了690千瓦，是目前國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域最大功率的永磁同步牽引電動機。
與傳統(tǒng)的異步電動機相比，該電機具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等諸多特點，采用永磁驅(qū)動的同步牽引電機與傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，節(jié)能可達10%以上。
永磁高鐵最快3年內(nèi)商用
永磁高鐵的市場規(guī)模將非常可觀，參照永磁地鐵的商業(yè)化進程，永磁高鐵的商業(yè)化預(yù)計最快3年內(nèi)能達成。
許峻峰介紹說，近幾年隨著國內(nèi)稀土材料價格下降，讓永磁體價格也隨之下降，大大降低永磁牽引系統(tǒng)成本，而目前國外幾個大廠家一直希望到中國國內(nèi)尋找永磁材料供應(yīng)商，以降低成本。
就海外市場而言，直到2013年7月，日本東芝才宣布首次獲得海外地鐵市場永磁同步牽引系統(tǒng)大單：新加坡66列396輛改造車永磁同步牽引系統(tǒng)訂單。
馮江華介紹說，未來的某些軌道交通將會去掉齒輪箱，采用直接驅(qū)動的方式進行驅(qū)動，從而給軌道交通牽引系統(tǒng)帶來革命性的變化。
“由于軌道交通對體積、重量和空間限制很高，從目前技術(shù)狀態(tài)來說，異步電機無法做到直接驅(qū)動，目前只有永磁電機可以做到這一點。”
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