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用执着点亮火种 挺起中国高压变频的脊梁

2010年02月25日 10:24:15 中国传动网

人物简介

★李永东,男,1962年12月出生,清华大学电机工程系教授,博士生导师,电力电子与电机系统研究所负责人。
★1978~1982年在哈尔滨工业大学电气工程系工业电气自动化专业学习。
★1983~1987年在法国图卢兹国家理工学院电气工程及自动化系获硕士、博士学位。
★1988~1990年在清华大学电机工程及应用电子技术系从事博士后研究。
★1990年至今在清华大学电机工程与应用电子技术系任教,1991年破格聘任为副教授,1996年破格聘任为教授,1999年聘为博士生导师,2002年兼任法国图卢兹国家理工学院客座教授。
★现任中国电工技术学会高级会员,电力电子学会副理事长,中国电工技术学会电控装置及系统专委会副主任委员,中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员。长期从事大容量、高性能、全数字化交流电机控制系统的理论和应用研究,尤其是在高压大容量异步电机变频调速,交流电机矢量控制和转矩直接控制及其数字化实现和无速度传感器运行等方面提出自己的控制方法和理论,受到国内外同行的高度评价,著有《交流电机数字控制系统》、《大容量多电平变换器》等学术专著。



      “槛外山光,历春夏秋冬,万千变幻,都非凡境;窗中云影,任东西南北,去来澹荡,间是仙居。”想当年,这样一副对联曾激发了多少清华学子盎然的激情。水木清华,林木俊秀、水流蜿蜒,曾滋润了一代代清华学子高洁的志趣和情操。

      在这样一座有着百年优良传统、大师辈出的著名高等学府,我们有幸探访了清华大学电机工程系教授、博导、中国电力电子学会副理事长、中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员李永东。记者感到:正是有了像李永东老师这样一些为我国高压变频行业的发展立下了赫赫战功的先行者,才推动了我国高压变频器产品的从无到有,并形成一股强大的竞争力量,与国外品牌分争天下,进而点亮了我国高压变频的火种,挺起了我国高压变频的脊梁。


孜孜以求 为有暗香来


      李永东,1962年12月出生于河北张家口一个干部家庭,在这个弟兄四人的大家庭中,排行老二的他从小就深受父母影响。家庭给他最大的财富就是让他养成了勤奋好学的习惯,但由于十年文革导致高考中断,因此儿时他的理想就是做一名工人。

      说到学习,李永东还有段鲜为人知的传奇故事呢。李永东1976年15岁高中毕业时文革刚刚结束,父亲作为一名干部为起表率作用,鼓励子女响应国家知识青年上山下乡的号召,并让年轻的李永东也和他哥哥一样加入了到农村插队的这股洪流。


▲1983年留法期间在校园的第一张照片



      李永东深情地说:“母亲是初中文化,但在50年代也算知识分子了。1958年大炼钢铁时,母亲进入呼和浩特钢铁厂中心化验室作化验员,那时她最钟爱的工作就是搞化验。同时,她总觉得自己小时候没条件读书很遗憾,因此她对我们弟兄几个的学习一直很重视,要求也很严格。即使在文革大批“师道尊严”期间,我的学习成绩也一直是年级前一、两名,就是在插队的日子里自己也没忘记学习。”这样,经过不懈的努力,少年时代的李永东打下了良好的学习基础。

      时值1977年,受文化大革命的冲击而中断了十年的中国高考制度得以恢复,中国从此重新迎来了尊重知识、尊重人才的春天。国家决定以统一考试、择优录取的方式选拔优秀人才上大学,恢复高考的招生对象是工人、农民、上山下乡和回乡知识青年、复员军人、干部和应届高中毕业生。这年,一次从农村回家,李永东偶尔看到母校高考补习班正在招生,他就和家里说了,于是李永东的母亲抓住了这个机会让他插班补习。


▲1988年李泽元教授来清华讲座



      1978年,经过边干活、边学习,千军万马过独木桥的艰苦跋涉,16岁的李永东终于闯过了这座独木桥。李永东透露,他那时听说中国科技大学有个少年班,少年班的学生都是少年天才,所以他也很想去见识一番。因此,他当年的报考志愿是中国科技大学高分子和无线电专业,可没想到当年中国科技大学的录取分数比清华大学还高。由于第一志愿落选,他阴错阳差地被哈尔滨工业大学电气工程系工业电气自动化专业择优录取。

      进入大学后,一切都是那样的新鲜,从小好学的李永东如鱼得水。在班上,同学年龄悬殊很大,最大的有30多岁,而最小的才十几岁,这就是后来被称作的“老三届”现象。担任学习班长的李永东除了管理班级和学习有关的日常事务外,还积极参加了很多活动。由于李永东的父亲热爱文学,在父亲的熏陶下,他对文学和外语都非常感兴趣,还在校内外杂志和报纸上发表了不少作品,而且在第二年通过全校选拔,代表学校参加了黑龙江省英语竞赛。


▲1996年在美国威思康星大学著名教授T.Lipo的办公室



      哈尔滨工业大学作为20世纪50年代我国政府确定的学习苏联先进教育制度的样板高等院校,当时的很多专业采用俄语教学。由于他对外语的浓厚兴趣,学生时代的李永东平时花了不少时间在英语学习上,还对俄语、日语也有所涉猎。除此之外,他每次上街见了外国人就张口说,后来学校来了外国代表团也经常找他做翻译。

      当然,在学习上他也遇到了一些困难,那就是数学。由于中学数学没学什么东西,基础比较差,大学的微积分又比较抽象,再加上花在数学上时间较少,第一学年下来,其他学科成绩优秀,可是数学拖了他的后腿,后来又影响了物理、电路等相关课程,这让李永东非常苦恼。于是,从第三学年开始,他利用课余时间将以前的数学课程重新自学了一遍。学好数学后,他的其他学科也好了起来,对于班级这样一匹数学黑马的崛起同学和老师都惊诧不已。


▲欢迎法国图卢兹理工学院LEEI实验室主任M.Fadel教授



      在大学期间,让李永东感触最深的是有一年过年回家,母亲怕影响他学习,没有把自己生病的消息告诉他,这件事李永东现在提起都有点声音哽咽。为了不辜负父母的希望,他更加努力学习。临近毕业前一年,很多同学的学习劲头没有当初那样大了,而李永东却是孜孜不倦。

      1982年毕业前,李永东和大部分同学一样参加了研究生考试。当时他也没有仔细考虑是否出国的问题,只是想试一试,就在志愿栏里打了个勾。最后成绩出来,他在全系排名第二,外语在没怎么复习的情况下也考了全校第二名。

      当时,哈尔滨工业大学每个系有4、5个出国名额,由于成绩出众,李永东顺利拿到了出国名额,那年他才20出头。据李永东介绍,当时本来是派他去美国留学的,后来由于中美关系紧张,很多留学名额改到了日本、欧洲,他自己也被派到了法国。那时,法国高校代表团来面试,图卢兹国家理工学院校长带队,立即批准了李永东去他们的学校。


▲和著名学者B.K.Bose在一起



      由于在学校学的是英语和日语,赴法留学前教育部又进行了为期8个月的法语培训。凭着对语言的浓厚兴趣和语言天赋,李永东很快掌握了这门新的语言,并取得优异的成绩。

      1983年,李永东作为我国第三批留法学人中的一员,经过17个小时的飞行来到了法国巴黎,随后到图卢兹国家理工学院电气工程及自动化系开始了他4年半的硕博连读生涯。

寸草春晖 行胜于言



      20岁出头的李永东来到法国这个陌生的国家,图卢兹这个陌生城市,目睹了国内外科技上的巨大差距、亲身体验了国内外人文等方面的巨大差异,很快一个抉择在他心里扎根:自己是国家选派的,自己必须得为国家做点什么。李永东深情地说:“第一代留法学子,如周恩来、邓小平等老一辈革命家,在国家贫弱的艰苦的条件下,通过勤工俭学,探索救国真理;第二代留法学子,如钱三强等科学家成功地领导了“两弹一星”的研究,奠定了我国世界强国的基础;这些海外留学人士都是自己求学过程中以及后来从事科学研究的光辉榜样。”

      据李永东介绍,法国图卢兹城虽然只是一个约60多万人口的小城市,但却有10多万大学生,整个城市科研水平很高,如世界知名的TGV高速列车、空中客车、幻影战斗机、阿丽亚娜火箭等先进技术都出自这座小城,可谓名副其实的欧洲航天航空中心。


▲弗吉尼亚理工B.Dushan教授访问实验室



      在法国图卢兹国家理工学院,李永东所在的电工与电力电子(LEEI)实验室也是当时法国乃至整个欧洲规模最大、技术最先进的电力电子与电机控制实验室。在这个科学研究的殿堂,李永东接触到了当时世界上最先进的DSP、IPM、CPLD等设备和技术。就在这个科学的殿堂,李永东开始了他四年半的科学研究生活。

      1984年硕士课程期间,做完课堂试验后,导师带他参观实验室,这是他第一次亲眼目睹了变频器的庐山真面目。此后,李永东开始了从事交流电机控制研究。

      李永东勤奋钻研,勇于创新,对于以前在哈尔滨工业大学未能解开的疑惑他也积极探索解决方案。1985年博士论文期间,为了解决动态磁通控制问题,他盯着交流电机派克方程冥思苦想,最后终于消除了所有微分项,并推出了一个数学公式,其结果是不论稳态还是动态均可把磁通控制住。对于他的重大发现导师也感觉不可思议,后来通过实验也获得了验证。同年,这篇论文在首次欧洲电力电子及应用会议上被评为十佳论文之一,这就是电压定向矢量控制。随后在1989年第一届中国交流电机调速传动会议上也被评为优秀论文。后来,他采用这种方法又完成了转矩闭环控制、无速度传感器运行等新技术。

      针对李永东提出的磁通控制方法,导师让他将这个方法和德国人提出的矢量控制作比较,从此他就和矢量控制“一见钟情”。经过不懈钻研,现在他已把矢量控制和无速度传感器技术用于低压和高压变频器系统中。

      1986年高桥蘍教授在IEEE上发表转矩直接控制的文章,1989年马小亮和周国兴老师在第一届中国交流电机调速传动会议上作了精彩讲演,这些成果给了李永东深深的启发。随后,他于1991年开始了长达十几年的直接转矩控制系统研究。最初,他本想把这种方法用在机床主轴上,但由于条件限制没有成功,后来在地铁传动系统上取得成功。

      “功夫不负有心人”。1987年底,李永东以优异的成绩获得工学博士学位。这年,25岁的李永东怀揣着父母对他的寸草春晖、祖国母亲科技振兴的寄托回到了哺育他的这片热土,并用行动和执着践行了他的一片爱国赤诚。

产学联姻 撑起国产化的蓝天


      1988—1990年间,经受了中西科技文化浇灌的李永东进入清华大学电机工程及应用电子技术系从事博士后研究,并在大容量、高性能、全数字化交流电机控制系统的理论和应用研究,尤其是在高压大容量异步电机变频调速、交流电机矢量控制和转矩直接控制及其数字化实现和无速度传感器运行等方面提出了自己的控制方法和理论,受到国内外的极大关注。

      通过不断发挥自身的聪明才智,李永东带领的团队将所学的知识应用于工业现场,产学结合,成功开发了高性能的交流伺服、机床传动等产品。


▲在实验室合影



      李永东强调,经过近20年的研究和探索,我国在电力电子领域取得以下几方面的成果:第一是高性能、全数字化交流电机矢量控制及伺服系统、直接转矩控制系统和无速度传感器系统及其在地铁、轻轨、数控机床、工业缝纫机中的应用。其中研究DTC(转矩直接控制)从机床主轴传动开始,1990年到现在一直在不断地研究。VC(矢量控制)方面也为几个厂家做应用研究过并达到了较高的性能;第二个主要方向就是高压大容量变频器。在国内,我们在这方面的研究是比较早的,而这个市场前景广阔。据国家经贸委有关数据统计,市场潜力在700~1000亿人民币以上。但是理论如果不与产业结合永远都不能实现技术产业化和带来效益的提高。在电力电子这个行业如果只做理论,那么对国内工业的发展不会有大的促进作用。他一贯非常鼓励和支持学生毕业后去企业里工作,而事实也证明他们确实能很快把技术转化为实际生产力,研发出了不少的实用产品,而他们自己也作为研发和生产骨干成长起来。


▲利德装置


      1996年,李永东开始和北京凯奇签署合作项目,并逐步加大了产学结合的步伐。而当时由他带领的研究生倚鹏、刘军为主力的近十余人组成研发团队也构成了目前我国国产高压大容量变频器厂家的研发主力。此后继承这个项目的是北京利德华福电气技术有限公司,其在2003年销售量就接近100台,产值超过8000万元,2007年产值超过5个亿,至今安装运行超过2000多台,进而一举成为国内高压变频器市场占有率最大的公司,并开始与西门子、ABB等国外电气巨头分庭抗礼。可以说这是科研成果与投资公司产学合作,推动产业发展的最好例子。同时,作为国产品牌的骄傲,也撑起了我国高压变频国产化的一片蓝天。

“金钥匙”开启节能新天地


      随着全球资源的日益紧缺,节能环保成为世界各国关注的重大话题,我国也将节能环保提升了一个新高度。我国作为制造业大国,资源消耗严重,工业节能成为我国亟待解决的一个重大问题。而高压变频调速技术作为开启节能新天地的一把“金钥匙”,无疑为我国的工业节能找到了一块绿洲。

      李永东指出,我国钢铁工业中的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机;石油化工生产用的压缩机;电力工业的给水泵、引风机;煤矿的排水泵和排风扇以及城市自来水厂的供水泵等,它们的驱动电机都是400—40000kW,3-10kV的大功率高压交流电动机。这些设备由于缺少调速的手段浪费了大量电能,可以预计这块市场约1000多亿元。因此,研制高压多电平大容量交流电机变频调速节能装置在多年前成为我国节能工业亟待解决的问题。


▲2007年参观风力发电厂


      同时,高压变频技术也是各种电力机车、城市地铁和轻轨等现代交通工具的关键技术之一,可以预计这块市场约500多亿元。尽管近年来,交流调速技术在风机、水泵等领域得到了一定的应用,但在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路、船舶等需要高性能大容量交流电机调速技术工业领域中国产化和推广度仍显不够。

      当前,我国正处于城市轨道交通和城际高速铁路等基础设施建设的高峰,通过产学结合,开发出适合电力机车的大容量交流调速系统是完全能够实现的。李永东透露,他和有关单位的产品已在北京地铁车辆厂试运行,同时与大连机车厂签署了合作项目。


▲参加第二届中国高校电力电子会议


      此外,我国风能资源丰富,开发潜力巨大。据相关数据显示,我国陆地上离地面10米高度层上风能资源总储量约32.26亿千瓦,而可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦,包括海洋上的风能资源,我国可用于风力发电的总装机容量超过10亿千瓦,约相当于50座三峡电站的装机容量。由此可见,我国风电设备市场前景广阔,尤其是电机、齿轮箱、电控等行业市场空间巨大。如果按照2020年新增2000万千瓦计算,每台1500千瓦计算,约有13000多套控制系统需要供应,如果按每套80万元计算,将有100多亿元的产值。

      因此,开发高性能大容量变频器将是开拓这片领域的“金钥匙”。目前,国外西门子等厂商已经拥有相当成熟的高性能大容量变频技术,我国还处于研究阶段,开发和掌握核心技术已经成为振兴我国装备制造业的重中之重。

累累硕果 任重道远


      自1990年以来,李永东一直在清华大学电机工程与应用电子技术系从事科研工作和任教。凭借着杰出的科研才能和突出贡献,李永东于1991年被破格聘任为副教授,1996年被破格聘任为教授,1999年被聘为博士生导师,2002年兼任法国图卢兹国家理工学院客座教授,这种破格也成为清华大学的一段佳话。同时,他对技术的执着追求也成为广大科研工作者的科研榜样。此外,李永东还现任中国电工技术学会高级会员、电力电子学会副理事长、中国电工技术学会电控装置及系统专委会副主任委员、中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员等职。

      对于自己的成绩,李永东谦逊地说,“电力电子等领域的发展离不开国家的战略规划、资金投入以及持续的人才培养,而产业技术优势的形成需要我们更多人的努力。我们所取得的一些小成绩只是继承了国内外众多科技巨人的成果。科学没有满足,还有更多的项目和课题需要大家继续研究。”


▲指导学生实验                                               ▲2002年欢送毕业生


      如今,作为博导的李永东教授经常与自己带的研究生打成一片。对待学生的疑惑,诲人不倦;对于学生的不同见解和创新,勉励褒奖。同时,他还大力支持学生走进企业,积极地将理论知识与产业结合。这种亦师亦父亦友的和谐师生关系也极大地激发了学生的科研热情,他所辅导的博士和博士后很多已成为高等院校、科研院所、知名企业的技术精英和行业专家。


▲2007年博士生学术论坛



【后记】:

     在渗透着西方文化影响的清华大学,中华民族的优秀文化瑰宝也熠熠闪光。从李永东教授的一笑一颦之中,我们深深感受到了一名科研工作者的谦逊和严谨。交谈中,李永东教授横论中西、纵谈古今,这与清华大学主张的“中西兼容、文理渗透、古今贯通”的“清华学风”一脉相承;与清华大学“行胜于言”的校风相印证;同时,李永东教授在高压变频技术方面的造诣以及其在技术产业化上的孜孜以求更是践行了清华大学“自强不息、厚德载物”的校训。

      李永东教授作为当年漂洋过海的“新三届”;作为参与和见证了我国高压变频技术发展并扬起国产化大旗的先行者;作为传道授业解惑的师者,我们共同期待着他与中国电力电子同行一起点燃的技术火种如同“星星之火,可以燎原”,进而挺起中国高压变频的脊梁!



李永东教授的平凡物语

1、您有什么兴趣爱好?业余生活您怎样度过?
李教授:我最大的爱好是读书,还喜欢旅游。喜欢看的书籍是历史书、人物传记。

2、对您影响最大的书是什么?
李教授:对我影响最大的有两本书,一本是我大三看的贝弗利奇的《科学研究的艺术》,这本书让我体会到科学研究的乐趣;另一本是小学时父亲书柜里的《春秋五霸》,这本书让我懂得做人要有大的志向。

3、在您的儿童生涯和学生时代有哪些对您影响特别大的人或事?这些人或事对您以后有怎样的影响?
李教授:对我影响最大的是母亲和父亲。母亲是初中文化,在我们的学习上非常重视,要求非常严格,我们哥儿四个都上了大学,其中两个博士和教授,这都是母亲从小严格要求和培养的结果。父亲由于家穷,小学还没毕业,但靠自学成才,成为地方上的一名领导干部。他偏爱文科,对自己的文学素养和语言的兴趣培养有很大的影响。

4、如果再回到您读大学之前,您是否还会选择自动化行业?
李教授:当初我最感兴趣的是化学,我有时在想如果学习化学可能会取得更大的成绩。

5、如果您的子女考大学,您是否会让他(她)选择自动化专业?
李教授:这要看孩子的兴趣,我尊重孩子的选择,正如我在清华大学任教尊重学生的兴趣爱好并培养他们的特长。

6、这么多年,您最大的遗憾是什么?
李教授:我觉得最大的遗憾是没能多花点时间和父亲在一起。为了事业,我常年在外打拼,没能好好尽到做儿子的孝道。如今,父亲已经离去,让我触动很大。我想对大家说:要好好珍惜父母亲情,再忙也要多陪陪老人,不然会遗憾一辈子。

7、您觉得从事自动化研究要作好怎样的思想准备?
李教授:科学研究是很苦的,我们要有耐心、毅力和自信,还要耐得住寂寞和孤独,勇于创新。另外还要和别人合作,有团队精神。

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供稿:中国传动网

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