無線供電型高速列車系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]電力列車在低速運(yùn)行狀態(tài)下，受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間的接觸相對(duì)平穩(wěn)，通常能夠正常受流。然而在高速運(yùn)行狀態(tài)下，弓網(wǎng)關(guān)系將受到摩擦、離線、振動(dòng)、電弧和環(huán)境等多方面挑戰(zhàn)，持續(xù)穩(wěn)定的高速受流問題亟待解決。因此，研究高速列車無線供電技術(shù)具有十分重要的意義。本發(fā)明對(duì)于高速列車拓展了一種新的供電方式，能量的發(fā)送線圈沿軌道懸空架設(shè)于車身之上，接收線圈在車身頂部，能量從上往下傳遞。本發(fā)明代替了受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取電的傳統(tǒng)方式，允許存在數(shù)十厘米的工作間隙，提高了絕緣強(qiáng)度，避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)及高速移動(dòng)時(shí)材料磨損等諸多問題，從而顯著提高受流質(zhì)量。如果本發(fā)明應(yīng)用于實(shí)踐，將是高鐵供電方法革命性突破，對(duì)高鐵發(fā)展具有里程碑意義。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的電能傳輸方式主要是以導(dǎo)線為介質(zhì)的電能傳輸，這種方式不僅破壞了人們生活的美感，而且由于存在老化、摩擦、磨損、易產(chǎn)生火花等問題，影響了供電的安全性和可靠性，縮短了電氣設(shè)備的使用壽命。另外，傳統(tǒng)的有線輸電方式已經(jīng)不能滿足時(shí)代的發(fā)展，不再滿足一些特殊應(yīng)用場合的需求，無線電能傳輸(Wireless Electricity Transfer)方式的出現(xiàn)彌補(bǔ)了以上不足。無線輸電技術(shù)始于1889年的尼古拉.特斯拉的研究，多年來國內(nèi)外的科學(xué)家執(zhí)著地開展了很多探索研究工作，但進(jìn)展較為緩慢。無線輸電技術(shù)作為新的電能儲(chǔ)存和傳輸技術(shù)越來越受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注，在電動(dòng)汽車、航空航天、電力系統(tǒng)、能源交通、生物醫(yī)療、通訊技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。按照應(yīng)用場合的不同，無線電能傳輸主要分為電磁波福射式、電磁感應(yīng)式、磁親合諧振式三種傳輸方式。
[0003]《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中指出交通運(yùn)輸作為國家重點(diǎn)發(fā)展方向，高速軌道作為首要的運(yùn)輸載體。國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》方案，使我國高速鐵路在較短時(shí)間內(nèi)取得了迅猛發(fā)展。2012年，國務(wù)院通過了《“十二五”綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》，其中指出中國要在2015年建成“四橫四縱”的高鐵運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，3個(gè)城際快速客運(yùn)高鐵系統(tǒng)，建設(shè)周邊的延伸線、輔助線和聯(lián)絡(luò)線。預(yù)計(jì)2015年中國將具有接近2萬公里的高鐵總里程。我國的高速鐵路系統(tǒng)以嶄新的面貌，與日本新干線N70系與E5系、法國TGV和德國ICE系一起成為世界高速鐵路技術(shù)的典型代表。國內(nèi)以及國外的高速鐵路在建設(shè)中和運(yùn)營中的經(jīng)驗(yàn)表明了尚速鐵路具有五大特點(diǎn):尚穩(wěn)定性、尚可靠性、尚安全性、尚平順性、尚精確度等。處理好受電弓與接觸網(wǎng)之間的關(guān)系，解決高速下列車穩(wěn)定受流，是保證“五高特點(diǎn)”能夠?qū)崿F(xiàn)的必要途徑。高鐵列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下，摩擦、離線、振動(dòng)、打弧和自然環(huán)境等等都會(huì)給弓網(wǎng)關(guān)系帶來問題。這些問題的存在，顯而易見是制約高鐵列車迅速發(fā)展的瓶頸。為解決這些問題，本發(fā)明利用無線電能傳輸技術(shù)向高鐵列車提供穩(wěn)定、可靠的電能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是以無線供電方式向高速電力機(jī)車進(jìn)行供電，可以避免由于受電弓滑板在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上滑動(dòng)取電而造成的材料磨損與弓網(wǎng)電弧問題，實(shí)現(xiàn)向高速列車穩(wěn)定、可靠的提供驅(qū)動(dòng)電源，顯著提高受流質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)我國高速鐵路的建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于無線供電技術(shù)的高速列車系統(tǒng)，設(shè)置有整流濾波部分(I)將普通的市電220V電源輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電；斬波調(diào)功部分(2)用于將整流濾波部分輸出的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載功率要求的交變電流，相當(dāng)于調(diào)節(jié)功率的作用；高頻逆變部分(3)應(yīng)用功率振蕩電路產(chǎn)生高頻的電流；高頻諧振部分(4)使能量發(fā)送端與接收端的頻率達(dá)到平衡；能量發(fā)送線圈(5)將高頻電流轉(zhuǎn)化為高頻磁場；能量接收線圈(6)將高頻磁場轉(zhuǎn)化為交流電流；整流濾波部分(7)將電磁場接收線圈(6)接收到的交流電轉(zhuǎn)換為電壓值恒定的直流電，進(jìn)而將直流電調(diào)制成所需頻率的交流電，最終將交流電輸出到列車模型(9)下的負(fù)載電機(jī)⑶；電磁屏蔽模塊(10)將多余的磁場束縛在其中，以便減少渦流損耗的產(chǎn)生。
[0006]所述的整流濾波部分(I)由整流電路和濾波電路兩部分組成，整流部分用二極管將交流電變?yōu)橹绷麟?，同時(shí)濾波電路串聯(lián)在整流電路用以消除高次諧波，輸出恒定電壓的直流電。
[0007]所述的斬波調(diào)功部分(2)由IGBT完成，用于將整流濾波部分輸入的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載功率要求的交變電流，輸出電壓的大小取決于控制器的PWM(16)輸出。
[0008]所述的高頻逆變部分(3)由橋逆變電路組成，其控制端也由控制器的PWM(17)完成，全橋逆變電路的開關(guān)頻率固定，與發(fā)射線圈(5)的諧振頻率一致。
[0009]所述的高頻諧振部分(4)采用的是串聯(lián)諧振，使能量發(fā)送端與接收端的頻率達(dá)到平衡。
[0010]所述的高頻逆變電源(12)，包括整流濾波部分(1)，斬波調(diào)功部分(2)，高頻逆變部分(3)和高頻諧振部分(4)。
[0011]所述的能量發(fā)送線圈(5)由外加絕緣層的金屬導(dǎo)體組成，懸空架設(shè)于機(jī)車(9)的頂部，其諧振頻率與電源頻率保持一致，以保證較低的反射系數(shù)，用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場。
[0012]所述的能量接收線圈(6)由多匝金屬導(dǎo)體繞制成的線圈組成，安裝在機(jī)車(9)的正上方，接收線圈(6)在制作時(shí)就考慮了電源的頻率，制作出的接收線圈(6)與電源頻率保持一致，以保證接收線圈(6)在運(yùn)行中保持諧振狀態(tài)，以通過諧振耦合的方式實(shí)現(xiàn)能量的尚效傳遞。
[0013]所述的整流濾波部分(7)由橋式整流電路、濾波電路、斬波電路組成，其中橋式整流電路將線圈獲得的交流電整流成直流電，濾波電路消除電路中的高次諧波，隨后斬波電路將濾波后的直流電轉(zhuǎn)變成恒定輸出電壓的直流電，進(jìn)而也可將直流電調(diào)制能所需頻率的交流電。
[0014]本發(fā)明以無線供電的方式給高速列車提供電能允許存在數(shù)十厘米的工作間隙，因此提高了絕緣強(qiáng)度，從而避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)的問題。在覆冰、大風(fēng)等惡劣天氣下，依然能夠穩(wěn)定、可靠供電；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)或位移時(shí)，高鐵列車獲得的功率并不會(huì)發(fā)生劇烈變化，從而顯著提高受流質(zhì)量。本發(fā)明使高鐵供電方法具有革命性突破，對(duì)高鐵發(fā)展具有里程碑意義。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的整體功能框圖；
[0016]圖2是本發(fā)明高頻逆變電源部分工作過程圖；
[0017]圖3是本發(fā)明無線供電型高速列車供電端與機(jī)車接收端位置圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖1、圖2和圖3對(duì)本發(fā)明無線供電型高速列車系統(tǒng)做出詳細(xì)的說明。
[0019]如圖1所示本發(fā)明的整體功能框圖。設(shè)置有整流濾波⑴；斬波調(diào)功(2);高頻逆變⑶；高頻諧振⑷；能量發(fā)送(5);能量接收(6);整流濾波(7);負(fù)載電機(jī)⑶；列車模型
(9);電磁屏蔽模塊(10)。其中整流濾波部分(I)，斬波調(diào)功部分(2)，高頻逆變部分(3)和高頻諧振部分(4)全部包含在高頻逆變電源(12)中。
[0020]如圖2所示為高頻逆變電源(12)的工作過程。高頻逆變電源(12)采用數(shù)字化高頻電源，控制器(13)應(yīng)用DSP和FPGA配套使用，DSP選用的是TI公司的TMS320LF2407A，F(xiàn)PGA選用的是ALTERA公司的EPM570F100C5N?？刂破?13)主要用于采集斬波調(diào)功(2)后的直流電壓值(14)和高頻逆變(3)后的高頻電流值(15)。高頻逆變電源(12)設(shè)置有觸摸屏，可對(duì)電源進(jìn)行參數(shù)的選定，主要用于設(shè)定電源的輸出功率和實(shí)現(xiàn)最大效率的電源輸出諧振頻率。其中通過PWM(16)控制斬波調(diào)功的功率值，即為電源的輸出功率值；通過PWM(17)控制高頻逆變部分的全橋逆變電路，使電源輸出達(dá)到諧振狀態(tài)，以致效率最高。觸摸屏還可以實(shí)時(shí)顯示直流電壓值(14)和高頻電流值(15)，觸摸屏與控制器(13)之間應(yīng)用的是485通信。這樣，實(shí)時(shí)采集到直流電壓值(14)和高頻電流值(15)與觸摸屏上輸出的設(shè)定值進(jìn)行比較，用控制器(13)輸出PffM(16)、PffM(17)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到平衡。
[0021]如圖3所示為本發(fā)明的供受電結(jié)構(gòu)位置圖。高頻逆變電源(12)的輸出直接連接到懸空架設(shè)在列車(9)之上的發(fā)送線圈(5)，發(fā)送線圈(5)布滿整個(gè)列車軌道(11)。接收線圈(6)設(shè)置在列車(9)頂部，隨列車(9) 一直處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。發(fā)送線圈(5)與接收線圈
(6)之間有大約1mm的距離。在發(fā)送線圈(5)上方以及接收線圈(6)下方設(shè)置有屏蔽層
(10)，首先能減少磁場的丟失提高了傳能效率，其次能保證列車(9)內(nèi)乘客不被高頻磁場的干擾。本發(fā)明采用發(fā)送線圈(5)特定距離內(nèi)的分時(shí)供電，這樣列車達(dá)到哪段線圈立即開啟此段線圈的輸出同時(shí)將關(guān)斷前一段線圈的輸出，起到提高傳能效率的作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.無線供電型高速列車系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置有新的供電方式。應(yīng)用無線供電技術(shù)的高速列車，顯著提高了受流質(zhì)量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線供電型高速列車系統(tǒng)，其特征還在于供電端沿軌道懸空架設(shè)于列車之上，受電端安裝于列車頂部，能量通過空間磁場傳遞。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線供電型高速列車系統(tǒng)，其特征還在于代替了受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取電的傳統(tǒng)方式，允許存在幾厘米的工作間隙，提高了絕緣強(qiáng)度，避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)及高速移動(dòng)時(shí)材料磨損等諸多問題。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線供電型高速列車系統(tǒng)，其特征還在于供電端特定距離內(nèi)的分時(shí)供電，這樣列車達(dá)到哪段線圈立即開啟此段線圈的輸出同時(shí)將關(guān)斷前一段線圈的輸出，起到提高傳能效率節(jié)約電能的作用。
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于無線供電技術(shù)的高速列車系統(tǒng)，主要包括整流濾波(1)；斬波調(diào)功(2)；高頻逆變(3)；高頻諧振(4)；能量發(fā)送(5)；能量接收(6)；整流濾波(7)；負(fù)載電機(jī)(8)；列車模型(9)；電磁屏蔽模塊(10)。本發(fā)明對(duì)于高速列車拓展了一種新的供電方式，能量的發(fā)送線圈(5)沿軌道懸空架設(shè)于車身(9)之上，接收線圈(6)在車身(9)頂部，能量從上往下傳遞。本發(fā)明代替了受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取電的傳統(tǒng)方式，允許存在幾厘米的工作間隙，提高了絕緣強(qiáng)度，避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)及高速移動(dòng)時(shí)材料磨損等諸多問題，從而顯著提高受流質(zhì)量。
【IPC分類】B61C3/00, H02J17/00
【公開號(hào)】CN105048656
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510569730
【發(fā)明人】李連鶴, 張欣, 楊慶新, 張獻(xiàn), 薛明, 章鵬程, 蘇杭
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年9月8日