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解剖现代火车的心脏 大脑 神经

时间:2016-03-09 10:39:25 来源:人民铁道网 作者:

第二讲主讲人: 丁荣军
主讲内容: 现代火车的"心脏""大脑""神经"

关键词:
交流传动 网络控制 IGBTSiC器件
讲课时间: 2013年1月25日
听课人: 铁路专业技术研发工程师 火车迷

  丁荣军,江苏宜兴人,1961年11月生,中国工程院院士,教授级高级工程师,博士,中南大学特聘教授。现为南车株洲电力机车研究所有限公司 (以下简称株洲所)执行董事、总经理。
  丁荣军院士长期从事交流传动与网络控制系统的研究,他以我国高速与重载机车、动车组的核心技术突破为目标,带领科研团队立足于自主研发,结合技术引进和消化吸收再创新,突破国外公司对电力机车行业核心技术的封锁和垄断,创造性地建立了适合我国国情的机车牵引电传动系统集成技术的技术标准和技术模式,使我国成为世界上少数几个掌握该技术的国家之一。他还积极推动科技成果产业化、工程化,这些科技成果装备在高速动车组、大功率机车、城市轨道车辆、风力发电、电动汽车等重大装备上,带来超过百亿的产业价值,取得了良好的经济效益和社会效益。
  丁荣军院士先后主持国家级、省部级重大科研项目30余项,发表各类专著、论文25部 (篇),取得各类专利成果9项,曾获国家科学技术进步二等奖2项,获得的国家级、省部级奖项超过10项。
  此外,丁荣军院士是党的十八大代表,国务院特殊津贴获得者,SAC/TC278全国牵引电气设备与系统标准化技术委员会副主任委员,中国南车专家委员会委员,西南交通大学、中南大学、同济大学兼职教授,曾获火车头奖章和第七届詹天佑铁道科学技术奖成就奖、茅以升科学技术奖铁道科技奖成就奖、湖南省光召科技奖等荣誉。此外,他还是 "新世纪百千万人才工程国家级人选"和全国劳动模范。
  文个

主讲课题:解剖现代火车的心脏 大脑 神经

列车的"心脏""大脑""神经"与人的身体功能相似
  丁院士的讲座围绕着高速动车组交流传动和网络控制技术展开。目前,中国的高速铁路技术已达到世界先进水平,我们从高铁技术的 "跟随者"转变为了"引领者"。为什么中国的高铁列车 "跑"得又快又安全?这主要得益于我国自主研发的、拥有自主知识产权的高速动车组列车技术体系。这个技术体系有三大核心部分,以变流器为中心的牵引传动系统可以看成是为列车提供动力的 "心脏",列车控制系统是指挥行车并保证行车安全的 "大脑",信号传输网络是把列车控制系统发出的指令传送到各个部位的 "神经"系统。三者有机协同合作,确保动车组列车安全、高速运行。
  列车的 "心脏" "大脑" "神经"怎样协同合作?要回答这个技术问题,我们可以形象地打个比方,用人的跑步这种行为来解释。人跑步可快可慢,制约快慢的因素主要是步频和步幅,而步频的快慢和步幅的大小则取决于心脏对人体供血是否充足、血压是否稳定,取决于大脑根据供血和路面等情况进行综合分析判断后发出跑步的指令、对步频和步幅进行调控的有效程度,取决于这些指令能否通过遍布人体的神经系统传达到腿部和脚部。就这样,心脏提供动力、大脑发出指令、神经传递指令,人体随之而动,完成跑步的行为。
  高速动车组列车的运行原理与之非常相似。外部供电系统提供的高压电通过受电弓引入列车,这就相当于为列车"供血"。由于外部电网的传输距离长,为了保证供电系统电压稳定,电网电压采取的是25千伏单相电压,而这一电网电压对列车实际工作电压来说过高,所以必须经过列车上的变压器进行降压,将25千伏高电压降至列车所需电压。降压后的单相电压无法调控频率和幅值,因此列车变流器整流电路需要将其转化为直流电,再由逆变器将之转化为可调控频率、幅值的三相交流电。
  到这里,外部电网供给的 "血液"才算是能为列车所用。经过降压、整流、逆变的三相电压驱动牵引异步电动机,电动机再带动齿轮箱产生不同的转矩,达到列车以不同速度 "跑"起来的作用。列车的 "大脑"--列车控制系统根据各种行车情况发出指令,调控电压频率和幅值大小;遍布列车的 "神经"--信号网络系统把控制系统发出的各种指令传送到牵引异步电动机,带动齿轮箱产生不同大小的转矩,形成相应的驱动力,使列车起步、停止、快慢地运行。这一整套机制环环相扣、严丝合缝,列车有了充足的 "血液"和稳定的 "血压",由 "大脑"指挥、"神经"传令,高速列车自然能在高铁线上风驰电掣、操控自如。

未来的轨道交通控制将向互联网和智能化技术发展
  目前,CRH380A/380AL高速动车组列车的 "心脏"是由南车株洲所研制的TGA10系列传动装置,与日本三菱公司和德国西门子公司研制的同类传动装置相比,重量最轻,只有1850千克,输出功率却达到1680千瓦。
  丁院士介绍,由株洲所研制的TEC3000传动控制系统,相当于高速动车组 "大脑"的主处理器速度达到533MHz,远高于庞巴迪公司研制系统的25MHz和西门子公司的100MHz;FPGA逻辑门达到50万门,高于庞巴迪公司的1.5万门和西门子公司的20万门,具有领先优势。
  而株洲所研发的可称为高速动车组"神经"的DTECS网络系统,也可与西门子、庞巴迪公司的同类型系统比肩。
  关于下一代技术的发展方向,丁院士介绍,高铁列车的 "心脏"将由目前的IGBT功率半导体器件向着SiC器件和变流器永磁驱动的方向发展。
  以SiC为代表的宽带隙半导体电力电子器件是新一代高效能电力电子技术的核心,而永磁驱动最大的优势就是节能,目前世界上能应用永磁驱动技术的只有庞巴迪、阿尔斯通、东芝和中国南车。
  高铁列车的 "大脑"即控制系统将向现代控制技术发展,软件将不断取代部分硬件,系统会更可靠,硬件更经济。
  丁院士介绍,未来的轨道交通控制将向互联网和智能化技术发展。列车智能化需求,特别是城市轨道和高铁的发展,将推动中国网络控制技术的再一次提升。
  最后,丁院士为自己所从事的专业而自豪。在铁路领域成熟应用的交流传动控制技术因其较高的技术含量,正向其他高精尖行业和领域渗透推广。挂着铁路品牌的交流传动控制技术,除了在铁路领域的应用之外,已广泛应用于冶金、轧钢、钻井、风力发电、光伏发电等领域,这是铁路技术的光荣。
  温继武 赵妮娜 文个

技术亮点传递知识正能量

IGBT当家花旦
  英文全称:InsulatedGateBipolarTransistor
  中文全称:绝缘栅双极型晶体管
  高铁交流传动控制技术之核心部件
  交流传动与网络控制技术被誉为铁路机车的 "机芯",而IGBT则是 "机芯"中最先进、效能最突出的高端产品,被称为 "机芯之核"。
  IGBT,中文全称绝缘栅双极型 晶 体 管 (InsulatedGateBipolarTransistor),是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有驱动功率小、饱和压降低等特点,适用于直流电压不同等级的变流系统 (目前最高电压等级可达6500伏),如交流电机、变频器、牵引传动等。
  IGBT长期被西方发达国家垄断,中国市场的IGBT产品基本依赖进口。这一局面近期被丁荣军及其所带领的研发团队打破。
  2008年,丁荣军和南车株洲电力机车研究所有限公司管理层推动旗下南车时代电气公司成功收购丹尼克斯半导体公司75%的股权。2009年,我国第一条IGBT产品封装线在株洲落成,成功实现了IGBT模块的国产化。目前,在高压IGBT芯片及后期系统运用上,国内仅有南车时代电气公司掌握核心技术。
  IGBT是一种复合全控型电压驱动式电力电子器件。
  有人形象地称IGBT是现代制造业的 "当家花旦"。发展IGBT对提高一个国家的电力电子装置技术水平和竞争力具有十分深远的意义。
  目前,IGBT在轨道牵引系统、电动汽车领域得到普遍应用;在节能领域,成为节能设备最核心的部件;在电力传输领域,发挥了越来越大的作用。与此同时,大功率IGBT还是谐波治理最理想的开关器件。
  在未来很长一段时间内,为适应全球降低碳排放的战略需要,IGBT将更加广泛地应用于电力牵引、可再生能源发电、智能配电与控制、分布式发电等领域,成为节能技术和低碳经济的主要支撑。
  IGBT在舰船推动及军事装备上的应用潜力巨大,其应用的成功必将支撑军事科技再上一个台阶,保证国家重大工程和军工应用领域的战略安全。
  据悉,南车时代电气公司正组织40多名国内顶尖专家致力于攻克轨道交通、电动汽车、风力发电、太阳能发电和通用高压变频等行业所需的共性技术,构建新兴产业共性技术平台。
  文个

SiC未来新贵
  中文全称:碳化硅器件
  SiC是功率半导体器件家族的第四代新贵,正在挑战功率器件的体积和功率极限。
  以SiC为代表的宽带隙半导体电力电子器件,是新一代高效能电力电子技术的核心,具有更高的工作电压、更高的工作温度、更强的抗辐射能力、更高的工作频率。
  单从材质看,SiC(碳化硅)拥有成为功率器件的显著优势。它不仅具有导通电阻小、能在200℃以上高温下工作的特性,而且能以Si(硅)元件数倍的速度工作。以SiC为原材料制成的功率器件使冷却机构、电力转换等周边部件等实现了小型化。以使用SiCMOSFET的3-ph逆变器为例,其体积比使用SiIGBT模块的3-ph逆变器(460V/22千瓦)浓缩了70%。
  可以预见,强悍的SiC即将成为历史舞台的主角。
  纵观功率器件的沿革,每一代新产品的问世都引发了电力电子技术革命,无论是以SCR为代表的第一代半控型器件,以GTR、GTO、MOSFET为代表的第二代全控型器件,还是以IG-BT、IGCT、IEGT为代表的第三代功率模块。无疑,一场由SiC引发的电力电子技术革命即将席卷全球。
  信爱华

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标签: 解剖 现代 火车
编辑: 王小雪
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