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他与中国高铁的机缘巧合
发表时间 2017-10-30 14:03 来源 本站原创

  ----访中国速度的幕后推手李永东

  中国高铁的成功发展是中国现代化和强国化的标志之一,其通车里程2016年底已超过2.2万公里,并成功与印尼、俄罗斯、泰国、老挝等国达成合作。在党的十九大胜利召开之际,我们专程采访了清华大学电机系李永东教授,聆听他与高铁的种种机缘和故事。

  一、青葱年代,法国接触高铁

  李永东于1962年出生在张家口市万全区,是著名的京张铁路的终点站张家口站往西延伸的第一个火车站。那时候,虽然父母是当地主要领导干部,但对子弟要求非常严格。当时建设和盖房用的木材都是从东北运来的松木,堆在火车站像小山一样。很多家庭就让孩子们去剥树皮,以备冬天生炉子烤火使用,他家也不例外。

  那时每次坐在小山似的原木顶上看火车轰隆而过,一个念头总闪过他的脑海。听说国外为了防止污染都不用蒸汽火车头了,他就在想是用什么驱动这么庞大的一列火车呢?那时根本没有任何电力机车的概念,更不可能想到后来改革开放没多久,丰沙线铁路就实现了电气化,从大同到秦皇岛修了电气化铁路运煤,正好路过张家口,当然包括他家乡的火车站。

  这时李永东也没想到自己和电力机车以及高铁有什么关系!77年恢复高考后参加了两次考试,因化学成绩较好,报的全是高分子化工等专业。当时中国科技大学招少年班学生在全国引起轰动,他第一志愿也就报了中科大,没想到其录取分数比清华还高,自然落榜。但赶上78年扩招,被哈尔滨工业大学阴差阳错录取到工业电气自动化专业,从此就和高铁的核心技术——电机控制技术结下了不解之缘。

  1982年大学毕业前,李永东和大部分同学一样参加了研究生全国统考,并以全系第二名的优异成绩被国家选派去法国攻读硕士和博士学位。虽然来前对法国的人文、历史、科技和经济情况已做了全面的了解,但差距之大还是让他震惊,一个5000多万人口的法国,经济总量竟然是十亿人口中国的好几倍!也就是说人均是中国的几十倍,其核心竞争力就是高铁(TGV)和核电站(供应80%的电力),航空(协和飞机、幻影战斗机)和航天(亚利安娜火箭、卫星)等高技术。从此,李永东暗下决心,将来一定要在祖国的土地上发展这样的科技和教育,让科技为自己还不富足的祖国和同胞造福。

  李永东第一次看到真正的TGV 是在巴黎的Gare de Lyon(开往里昂的火车站),确实非常先进,90 年代李永东在日本工作期间对新干线的认识就更直观和频繁了。高速列车(法国TGV,德国ICE,和日本的新干线)的核心技术是电力电子变换器和交流电机控制,也就是我们通常所说的电机的变压变频控制技术。李永东第一次听说变压变频控制是在1980 年,当时在哈尔滨工业大学电气工程系上大三电机学课,授课老师讲完之后说,这只是个稳态控制规律,谁要是能在动态把磁通控制住就好了,当时刚有概念,但不知如何去做,没想到这个动态控制规律后来被李永东找到了。李永东留学法国所在的实验室是位于图卢兹的国家理工学院电工与电力电子(LEEI)实验室,在当时是法国最先进、规模最大的电力电子与电机控制实验室,在整个欧洲都是处于领先地位的。在这里,他接触到了当时最先进的技术和设备,如DSP(数字信号处理器)、IPM(智能电力电子模块)、CPLD(可编程逻辑器件)等。那时,他在对交流电机高阶动态派克方程进行了深入研究后,终于消除所有微分项,推出一个数学公式,不论稳态还是动态均可把磁通控制住。该成果在1985年的首届欧洲电力电子及应用国际会议上获十佳论文之一,后来又于1989 年在第一届中国交流电机调速传动会议上获得了优秀论文。在此基础上,他后来又完成了转矩闭环控制、无速度传感器运行。



法国从巴黎到里昂的高铁TGV

  二、学成归来,立志报效祖国

  1987 年12 月,李永东在法国图卢兹国家理工学院通过博士答辩获得博士学位,并于1988 年初回到中国。回国后不久,就应铁道部科学研究院车辆所邀请去他们那里参观学习,他们此时已完成了可控硅型交直交逆变器供电的交流电机控制系统,希望用于机车的电力牵引系统中,只是由于体积庞大不能上车,因此也在大力宣传采用GTO(可关断可控硅)实现交直交逆变器供电的交流电机控制系统。

  回国后,李永东进入清华大学电机工程系,师从高景德院士做博士后研究工作,一边带着学生们开始清华大学第一台晶体三极管VVVF 变频器的研制工作,一边始终关注着电力机车的国产化进展。经过不懈的努力,该变频器成功在北京和平宾馆中央空调上连续运行了24 小时,并通过鉴定,当时《中国青年报》头版头条报道了他们的工作。在此基础上,他们实验室先后与台湾普传公司、山东惠丰公司、北京时代公司、深圳华为公司、曲阜电机厂、希望森兰公司、浙江海利普公司和上海格立特公司建立了广泛的合作关系。目前国内生产通用变频器的厂家已经超过300 多家,其中大部分都是从上述合作伙伴中衍生出来的。

  从1996 年开始,李永东团队开始了高压变频器的研发工作,以他带领的研究生倚鹏、刘军为主力的研发团队,是目前中国国产高压大容量变频器研发的主力。通过自主研发,很快申请了自己的高压变频技术专利,并于1998 年通过技术鉴定,投入试运行。当在北京重型电机厂看到自己亲手研制的几百千瓦高压变频器首次带动着电机平滑运转,并实现正弦供电、连续调速时,当时的心情是何等的激动!从此,一个高压变频器国产化时代在我们手中拉开帷幕,为国人在高压大容量变频器领域(包括高铁和舰船电力驱动领域)敢于突破外国大公司的垄断树立了信心。该产品广泛应用于风机、水泵、压缩机、水泥制造、矿井提升、风洞和船舰等需要高压变频器的工业和军工领域,打破了国外电气大公司在该领域的垄断地位,目前在国内市场占有60%以上的份额。

  90 年代中后期,李永东经常去铁道部株洲电力机车研究所讲课,那时他们连交流电机的无速度传感器控制还不知道,现在他们已经成为我国高铁电力牵引自主研发和制造的主力,并推出了中国标准动车组和永磁电机电力牵引动车组。当年的所长奚国华先生后来成为中车公司总经理(至2017年7月),现任所长丁荣军先生于2013 被评为中国工程院院士,现任副所长兼总工冯江华先生也于今年申报了中国工程院院士。

  国内实际上从80 年代就开始了交流电机控制系统电力机车牵引系统的研究,进展一直较缓慢。李永东领导的实验室是从2000年开始进行地铁、电力机车牵引系统的专题研究,和北车多家企业签署了合作项目,并于2008年开展清华自主项目的研发工作。2011 年8 月,清华电机系又和南车株洲时代集团(中国生产和谐型高铁、动车组牵引系统的主力公司,现在都属于中车集团)签订了长期战略合作协议,希望在下一代高铁牵引系统的轻量化和高效化方面使用完全自主知识产权的产品,申报的项目已获国家科技部重点研发计划支持。

  在回国的近三十年里,李永东在高压大容量异步电机变频调速、交流电机矢量控制,直接转矩控制及其数字化实现和产业化等方面提出了自己的理论,对中国交流调速产化起了较大的推动作用,这是他最感欣慰的事情。此外,李永东于2001 年出版了国内第一本关于交流电机数字控制的专著,成为从事交流电机控制及其在高铁电力牵引、船舶电力推进、机床/机器人中应用技术人员必看的经典理论书籍,再版多次仍供不应求。目前,几乎所有高铁的电力牵引都采用了交流电机矢量控制技术。

  三、风云突变高铁强势崛起

  应该说,中国高铁真正的弯道超车开始于2003年。2003年新年过后,新一届国务院政府机构组成并开始工作,新的铁道部强势登场,一改过去发展高铁的思路,立志引进世界最先进的技术,实现中国高铁发展质的飞跃。

 

  在不到八年的时间里,中国在高铁领域进步神速。今天,中国的高铁制造企业已经开始与日本、法国、德国的高铁企业一较高低,在全球角逐订单。当年制定的2020年四纵四横铁路网规划早已提前实现,并开始在向八纵八横迈进,从连云港到乌鲁木齐的高铁全线贯通也指日可待。此外令人振奋的是,2017年2月25日10时33分,随着G65次列车驶出北京西站,标志着我国自行设计研制、拥有全面自主知识产权的中国标准动车组样车上线运营。两列标准动车组分别为,中车四方机车车辆股份有限公司生产的“蓝海豚”,中车长春轨道客车股份有限公司生产的“金凤凰”,时速高达350公里。



2017 年2 月25 日10 时33 分,中国标准动车组开始运营

  1840 年之前的中国是世界最大的经济体,因鸦片战争的失败从此衰落而退出世界经济舞台,其根本原因是工业革命以后的强大英国彻底打败了没有发生工业革命的中国。百年的战争和动乱使中国在文革结束、改革开放前成了世界上最穷的国家之一。

  邓小平主张的改革开放可以说是找到了一条正确的道路,中国在过去近四十年中保持了持续的高速发展,2010年已成为世界第二大经济体。到2020 年,中国将超过美国成为第一大经济体,经过两个百年的苦难和奋斗,离真正实现中华民族的伟大复兴只剩一步之遥,中国已经或正在掌握的如高铁等重大关键领域的科技,成为中国崛起的标志之一。在这个过程中,以李永东教授为代表的一批科技精英为祖国的崛起做出了突出的贡献,成为实际上的幕后推手。