電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，主要包括電源單元(1)；整流濾波模塊(2)；斬波功率振蕩電路(3)；信號控制模塊(4)；電磁場發(fā)射線路(5)；電磁場接收線圈(6)；整流濾波斬波模塊(7)；逆變模塊(8)；機(jī)車(9)。本實用新型拓展了電能的傳輸方式，設(shè)計了一種低碳、環(huán)保的機(jī)車供電模式，避免了現(xiàn)有鐵路機(jī)車供電模式的弊端，消除原有的受電弓與輸電線間的摩擦，減少鐵路在運(yùn)行中的維護(hù)費(fèi)用，同時減少由受電弓帶來的空氣阻力對車體運(yùn)行效率的影響，為進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度做出準(zhǔn)備。該設(shè)計施工方便，僅需在現(xiàn)有機(jī)車與鐵路接觸網(wǎng)上改造即可實現(xiàn)，成本較其他無線供電結(jié)構(gòu)相對較低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，且市場前景廣闊。
【專利說明】電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]無線電能傳輸技術(shù)是目前電氣工程領(lǐng)域最活躍的熱點(diǎn)研究方向之一，它集基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究為一體，是當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界探索的一個多學(xué)科、強(qiáng)交叉的新的研究領(lǐng)域和前沿課題，涵蓋電磁場、電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、控制技術(shù)、物理學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)等諸多【技術(shù)領(lǐng)域】。采用無線供電方式能夠有效克服電線連接方式存在的各類缺陷，實現(xiàn)電子電器的自由供電，具有重要的應(yīng)用預(yù)期和廣闊的發(fā)展前景。
[0002]本實用新型電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)涉及一種施工方便，系統(tǒng)便捷、運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠的無線電能傳輸電磁諧振耦合技術(shù)，為鐵路機(jī)車的無線供電提供了技術(shù)模型。避免了現(xiàn)有鐵路機(jī)車供電模式的弊端，消除原有的受電弓與輸電線之間的摩擦，減少鐵路在運(yùn)行中的維護(hù)費(fèi)用，同時減少由受電弓帶來的空氣阻力對車體運(yùn)行效率的影響，為進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度做出準(zhǔn)備，且市場前景廣闊。
【背景技術(shù)】
[0003]無線電能傳輸技術(shù)可分為三種:第一種為感應(yīng)稱合式電能傳輸，它利用松稱合變壓器原理進(jìn)行傳能，發(fā)射端與接收端一般存在降低回路磁阻的鐵芯裝置，適合小功率，短距離的應(yīng)用場合。第二種為電磁耦合諧振式電能傳輸，通過高品質(zhì)因數(shù)的諧振器上電感與分布式電容發(fā)生諧振傳輸能量適合中等距離的能量傳輸。第三種為電磁福射式電能傳輸，在該技術(shù)中電能被轉(zhuǎn)換為微波形式，傳輸距離超過數(shù)千米，可實現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳送。其中電磁率禹合諧振技術(shù)利用非福射電磁場近場區(qū)域完成電能傳輸，一方面較之電磁感應(yīng)式傳能，在傳輸距離上有了很大的擴(kuò)展；另一方面相比電磁輻射式傳能，近場區(qū)域能量具有非輻射的特點(diǎn)，該技術(shù)有較好的安全性，因此目前得到很大的關(guān)注和研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提出了一種電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)鐵路機(jī)車供電方式中受電弓的存在和與供電導(dǎo)線的高速摩擦，克服了傳統(tǒng)機(jī)車供電方式需要定期更換受電弓且供電線路磨損厲害的弊端，同時減小了列車高速運(yùn)行中由受電弓帶來的空氣阻力，為機(jī)車提高設(shè)計時速提供了可能性，為鐵路機(jī)車的無線供電提供了安全穩(wěn)定，具體實在的技術(shù)模型。
[0005]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，設(shè)置有電源單元(I)，為供電系統(tǒng)提供輸入功率；整流濾波模塊(2)，將電源單元輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電；斬波功率振蕩電路(3)，用于將整流濾波模塊輸入的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載功率要求的交變電流；信號控制模塊(4)，控制斬波電路的輸出電壓值以實現(xiàn)輸入功率和輸出功率的平衡；電磁場發(fā)射線路(5),用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場；電磁場接收線圈出)，接收電磁場發(fā)射線路發(fā)射出的交變磁場；整流濾波斬波模塊(7)，將電磁場接收線圈接收到的交流電轉(zhuǎn)換為電壓值恒定的直流電；逆變模塊(8)，將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電，為機(jī)車(9)提供驅(qū)動功率。[0006]所述的整流濾波模塊(2)由橋式整流電路和濾波電路兩部分組成，整流部分利用IGBT組成的大功率橋式電路將交流電變?yōu)橹绷麟?，同時濾波部分串聯(lián)在整流電路域斬波功率振蕩電路之間，用以消除高次諧波，輸出恒定電壓的直流電。
[0007]所述的斬波功率振蕩電路(3)由斬波電路與半橋功率推挽電路組成，其中斬波電路受信號控制電路(4)中單片機(jī)控制，以控制其輸出電壓值，半橋功率推挽電路的開關(guān)頻率固定，與發(fā)射線路的諧振頻率一致。
[0008]所述的信號控制電路⑷由功率檢測電路和單片機(jī)控制電路組成。功率檢測電路檢測到的功率信號經(jīng)過Α/D變換送至單片機(jī)控制電路，單片機(jī)將與預(yù)存的功率閾值做比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)(3)中斬波電路的輸出電壓指標(biāo)。
[0009]所述的電磁場發(fā)射線路(5)由金屬導(dǎo)體組成，架空在機(jī)車正上方，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。
[0010]所述的電磁場接收線圈(6)由多匝金屬導(dǎo)體繞制成的線圈組成，位于機(jī)車的正上方，接收線圈在制作時就考慮了電源的頻率，制作出的接收線圈與電源頻率保持一致，以保證接收線圈在運(yùn)行中保持諧振狀態(tài)，以通過諧振耦合的方式實現(xiàn)能量的高效傳遞。
[0011]所述的整流濾波斬波模塊(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。[0012]所述的逆變模塊⑶由工頻逆變電路組成，用于將(7)中輸出的直流電轉(zhuǎn)變成所需頻率的交流電以提供給后級機(jī)車負(fù)載。
[0013]本實用新型電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，是采用電源單元、整流濾波模塊、斬波功率振蕩電路、電磁場發(fā)射線圈、電磁場接收線圈、整流濾波斬波模塊、逆變模塊和機(jī)車負(fù)載組成的供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)鐵路機(jī)車供電方式中受電弓的存在和與供電導(dǎo)線的高速摩擦，克服了傳統(tǒng)機(jī)車供電方式需要定期更換受電弓且供電線路磨損厲害的弊端，同時減小了列車高速運(yùn)行中由受電弓帶來的空氣阻力，為機(jī)車提高設(shè)計時速提供了可能性，為鐵路機(jī)車的無線供電提供了具體實在的技術(shù)模型，也為無線傳能技術(shù)的應(yīng)用提供了樣本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型的整體功能框圖；
[0015]圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是電磁發(fā)射線路的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4是電磁接收線圈的結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖5是電磁發(fā)射線路和接收線圈的耦合示意圖。
[0019]其中:
[0020]10:電磁場發(fā)射線路11:被絕緣材料覆蓋的電磁場接收線圈
[0021]31:第一根發(fā)射線路端點(diǎn)I 32:第二根發(fā)射線路端點(diǎn)I
[0022]33:最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)I 34:第一根發(fā)射線路端點(diǎn)2
[0023]35:第二根發(fā)射線路端點(diǎn)2 36:最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)2[0024]51:接收線圈表面覆蓋絕緣材料【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)做出詳細(xì)地說明。
[0026]如圖1所示，本實用新型電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，設(shè)置有電源單元
(I)，為供電系統(tǒng)提供輸入功率；整流濾波模塊(2)，將電源單元輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電；斬波功率振蕩電路(3)，用于將整流濾波模塊輸入的直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載功率要求的交變電流；信號控制模塊(4)，由功率檢測電路和單片機(jī)控制電路組成。功率檢測電路檢測到的功率信號經(jīng)過Α/D變換送至單片機(jī)控制電路，單片機(jī)將與預(yù)存的功率閾值做比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)(3)中斬波電路的輸出電壓指標(biāo)，控制斬波電路的輸出電壓值以實現(xiàn)輸入功率和輸出功率的平衡，本例中預(yù)設(shè)的斬波輸出電壓值為25kV，功率閾值為21560kW，電壓值和功率閾值可依照要求作出調(diào)整；電磁場發(fā)射線路(5)，用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場，該線路在架設(shè)之后使用之前測定過固有諧振頻率，并通過串聯(lián)或者并聯(lián)電容與電源單元(I)的中心頻率進(jìn)行匹配，匹配后的發(fā)射線路(5)諧振頻率與電源單元
(I)的中心頻率一致，以保證較低的反射系數(shù)；電磁場接收線圈(6)，接收電磁場發(fā)射線路發(fā)射出的交變磁場，該線圈在使用前已經(jīng)與電源單元(I)及發(fā)射線路(5)進(jìn)行了匹配，匹配方式為根據(jù)線路的自有諧振頻率與電源單元(I)及發(fā)射線路(5)的頻率進(jìn)行比較，通過串聯(lián)或者并聯(lián)電容，使線圈的自有諧振頻率與電源的中心頻率保持一致，以實現(xiàn)系統(tǒng)的諧振式供電，此外，列車頂部所有的接收線圈串聯(lián)后接入整流濾波斬波模塊(7);整流濾波斬波模塊(7)，將電磁場接收線圈接收到的交流電轉(zhuǎn)換為電壓值恒定的直流電；逆變模塊(8)，將整流濾波斬波模塊輸出的直流電調(diào)制成所需頻率的交流電，為機(jī)車(9)提供驅(qū)動功率。
[0027]如圖2所示，所述的電磁場發(fā)射線路(10)位于機(jī)車的正上方，本例中使用的機(jī)車型號為高速列車組CRH380A。電磁場發(fā)射線路選用半徑20mm的利茲銅線，三根導(dǎo)線中最中間一根導(dǎo)線位于鐵軌中心的位置，因選用車型CRH380A的車身高度為3700mm，設(shè)計導(dǎo)線高度為導(dǎo)線軸心距離鐵路鋼軌最高處4000mm，其余兩根導(dǎo)線分別布置在距離中心導(dǎo)線軸線向左與向右的IlOOmm處，且三根導(dǎo)線處于同一水平面，與鐵路軌道所在平面平行，其導(dǎo)線的數(shù)量和布置的方式與布置的高度及所選導(dǎo)體的材料與型號可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整，這種布置方式成熟、可靠，受風(fēng)雨影響較小，僅需在現(xiàn)有鐵路供電結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造即可實現(xiàn)，成本較其他形式的發(fā)射線路低。電磁場接收線圈(11)位于車頂，線圈上方覆蓋有絕緣材料，本例中選用厚度為4mm的碳素纖維，絕緣材料類型的選定和所用絕緣材料的厚度可依實際情況作出調(diào)整。
[0028]如圖3所示，所述的電磁場發(fā)射線路(10)位于機(jī)車的正上方。三條導(dǎo)體的連接順序是第一根發(fā)射線路端點(diǎn)1(31)和第二根發(fā)射線路端點(diǎn)1(32)相連，第二根發(fā)射線路端點(diǎn)2(35)與最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)2 (36)相連，第一根發(fā)射線路端點(diǎn)2 (34)與最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)1(33)分別接在電源單元(I)的兩端，圖中箭頭所示方向為某一時刻電流在導(dǎo)體中的流向，這樣的連接方式會使相鄰兩導(dǎo)體間的磁場強(qiáng)度疊加，本設(shè)計就是利用了導(dǎo)線間疊加的磁場進(jìn)行能量傳遞。第一根發(fā)射線路端點(diǎn)2 (34)與最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)1(33)在沿導(dǎo)軌方向的距離可以根據(jù)施工要求進(jìn)行調(diào)整，本例選定距離為10km，導(dǎo)體的數(shù)量可以根據(jù)實際施工要求進(jìn)行調(diào)整，但接線原理仍需與本設(shè)計一致。
[0029]如圖4所示，所述的電磁場接收線圈(11)由金屬導(dǎo)體繞制而成，本例使用半徑4_的銅線從中心開始向呈逆時針方向繞制45圈,夕卜直徑為1550mm,內(nèi)直徑為IOmm,徑向節(jié)距為17_，所繞制接收線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)以及導(dǎo)體的材料與半徑均可依照具體情況進(jìn)行調(diào)整。
[0030]如圖5所示，所述的電磁場發(fā)射線路(10)與電磁場接收線圈(11)的耦合方式如圖所示，因參考車型CRH380A的車身高度為3700mm，設(shè)計發(fā)射導(dǎo)線高度為導(dǎo)線軸心距離鐵路鋼軌最高處4000mm，三根發(fā)射導(dǎo)線中最中間一根導(dǎo)線位于鐵軌中心的位置，其余兩根發(fā)射導(dǎo)線分別布置在距離中心導(dǎo)線軸線向左與向右的IlOOmm處，且三根發(fā)射導(dǎo)線處于同一水平面，與鐵路軌道所在平面平行，發(fā)射導(dǎo)線與車頂?shù)母叨炔顬?00mm，電磁場接收線圈
(11)鋪設(shè)在機(jī)車頂部，因現(xiàn)代鐵路機(jī)車多為分布式動力機(jī)車，即各節(jié)車廂均有動力驅(qū)動，因此機(jī)車在啟動時需要的功率很大，本實用新型要求各節(jié)車廂上部至少安裝一個電磁場接收線圈(11)，本例中各節(jié)車廂上部均有兩個接收線圈，且全車的線圈串聯(lián)之后接入整流濾波斬波模塊(7)。線圈上覆蓋有絕緣材料(51)，并且車頂材料全部選用絕緣材料，如果車頂選用金屬材料，金屬在交變電磁場的作用下會產(chǎn)生渦流，增大系統(tǒng)的損耗，降低機(jī)車的效率，且有危險性，本例中選用碳素纖維這種新型材料不僅絕緣而且強(qiáng)度較高，耐腐蝕。本例中選用的碳素纖維的厚度為4mm，緊密的貼合在車的表面，取代了原有的受電弓，減小了空氣阻力，為車體的進(jìn)一步提速提供了可能性，所選的覆蓋材料及厚度可依據(jù)施工要求作出調(diào)整，本例中選用碳素纖維這種新型材料，不僅絕緣而且強(qiáng)度較高，耐腐蝕，選用的碳素纖維的厚度為4mm。
【權(quán)利要求】
1.電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置有:電磁場發(fā)射線路(5)，用于發(fā)射斬波功率振蕩電路產(chǎn)生的交變電磁場；電磁場接收線圈(6)，接收電磁場發(fā)射線路發(fā)射出的交變磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征還在于，所述的電磁場發(fā)射線路(5)均勻?qū)ΨQ的布置在機(jī)車正上方，所有導(dǎo)線處于同一水平面，與鐵路軌道所在平面平行，且不與機(jī)車頂部發(fā)生物理接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征還在于，電磁場發(fā)射線路(5)導(dǎo)體的連接順序是第一根發(fā)射線路端點(diǎn)1(31)和第二根發(fā)射線路端點(diǎn)1(32)相連，第二根發(fā)射線路端點(diǎn)2(35)與最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)2(36)相連，即按“S”型連接，依次類推，第一根發(fā)射線路端點(diǎn)2(34)與最后一根發(fā)射線路端點(diǎn)1(33)分別接在電源單元(I)的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征還在于，所述的電磁場發(fā)射線路(5)，在線路架設(shè)后，使用之前需測定線路的自有諧振頻率，并與電源單元(I)的中心頻率比較，根據(jù)比較結(jié)果，將電磁場發(fā)射線路(5)的自有諧振頻率調(diào)整至與電源單元⑴相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征還在于，所述的電磁場接收線圈(6)，在安裝在車頂之前需測定線圈的自有諧振頻率，并與電源單元(I)的中心頻率比較，根據(jù)比較結(jié)果，將電磁場接收線圈(6)的自有諧振頻率調(diào)整至與電源單元(I)相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征還在于，所述的電磁場接收線圈(6)，每節(jié)車廂上至少安裝一個，并將各個線圈串聯(lián)連接起來?！?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁諧振式鐵路機(jī)車無線供電系統(tǒng)，其特征還在于，所述的電磁場接收線圈(6)，在安裝在車頂之后覆蓋絕緣材料(51)，并且車頂材料全部使用絕緣材料。
【文檔編號】H02J17/00GK203562846SQ201320723727
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】楊慶新, 張獻(xiàn), 章鵬程, 金亮, 李陽 申請人:天津工業(yè)大學(xué)