CN103633747B - 用于地铁的电磁谐振式无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，主要包括电源单元(1)；整流滤波模块(2)；斩波功率振荡电路(3)；信号控制模块(4)；电磁场发射线路(5)；电磁场接收线圈(6)；整流滤波斩波模块(7)；逆变模块(8)；机车(9)，电磁场屏蔽体(11)。本发明拓展了电能的传输模式，设计了一种更为安全的地铁供电模式，消除原有的受电弓与输电线之间的摩擦，也避免了接触轨供电方式对检修人员和乘客带来的危险，减少地铁在运行中的维护费用。该设计施工方便，仅需在现有地铁线路和机车上改造即可实现，成本较其他无线供电结构相对较低，结构稳定可靠，安全性高，且市场前景广阔。

Description

用于地铁的电磁谐振式无线供电系统

技术领域

无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，它集基础研究与应用研究为一体，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科、强交叉的新的研究领域和前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多技术领域。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。

本发明用于地铁的电磁谐振式无线供电系统涉及一种施工方便，系统便捷、运行稳定、安全可靠的无线电能传输电磁谐振耦合技术，为地铁的无线供电提供了技术模型。避免了现有地铁供电模式的弊端，消除原有的受电弓与输电线之间的摩擦，也避免了接触轨供电方式对工作人员带来的危险，减少地铁在运行中的维护费用，同时减少由受电弓带来的空气阻力对车体运行效率的影响，且市场前景广阔。

背景技术

无线电能传输技术可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。

目前地铁供电可分为两种：分别是架空接触网和接触轨两种形式，采用AC25kV或者DC1500V的线路使用接触网制式，接触网成本高，尤其是三轨接触网，基本依赖进口，此外该方式需要地铁列车安装受电弓，与接触网发生接触获得电能，但是受电弓的碳板由于磨损严重，需要经常更换碳板，操作麻烦并且维护费用大，同时该方式受高空异物影响较大，例如生活垃圾、塑料袋砸在车项上，挂在接触网上，缠在受电弓上，都会干扰列车的正常运行，导致列车的临时停车，而目前流行的DC750V接触轨供电形式在列车开行的铁轨上通以750V直流电，这会给在车底检修的工作人员带来极大危险，此外现有的地铁轨道不可能完全屏蔽起来，由于失足而坠落月台的乘客更是有性命之忧，由于意外而触碰接触轨导致点击身亡的乘客在新闻中也有报道。因此如何解决地铁的后期运行维护以及安全保护问题刻不容缓。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出了一种用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，避免了传统地铁供电方式中受电弓的存在和与供电导线的摩擦，克服了传统机车供电方式需要定期更换受电弓且供电线路磨损厉害的弊端，同时也避免了接触轨供电形式为检修人员以及失足乘客带来的安全隐患，也减少了地铁供电因为异物造成的短路导致的临时停运的概率，为地铁的无线供电提供了安全稳定，具体实在的技术模型。

本发明所采用的技术方案是：用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，设置有电源单元(1)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，控制斩波电路的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡；电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场；电磁场接收线圈(6)，接收电磁场发射线路发射出的交变磁场；整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率；电磁屏蔽层(11)，将多余的磁场约束在其中，减少涡流损耗的产生。

所述的整流滤波模块(2)由桥式整流电路和滤波电路两部分组成，整流部分利用IGBT组成的大功率桥式电路将交流电变为直流电，同时滤波部分串联在整流电路域斩波功率振荡电路之间，用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电。

所述的斩波功率振荡电路(3)由斩波电路与半桥功率推挽电路组成，其中斩波电路受信号控制电路(4)中单片机控制，以控制其输出电压值，半桥功率推挽电路的开关频率固定，与发射线路的谐振频率一致。

所述的信号控制电路(4)由功率检测电路和单片机控制电路组成。功率检测电路检测到的功率信号经过A／D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节(3)中斩波电路的输出电压指标。

所述的电磁场发射线路(5)由外加绝缘层的金属导体组成，埋设在地铁机车的正下方，其谐振频率与电源频率保持一致，以保证较低的反射系数，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场。

所述的电磁场接收线圈(6)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，安装在机车的正下方，接收线圈在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的高效传递。

所述的整流滤波斩波模块(7)由桥式整流电路、滤波电路、斩波电路组成，其中桥式整流电路将线圈获得的交流电整流成直流电，滤波电路消除电路中的高次谐波，随后斩波电路将滤波后的直流电转变成恒定输出电压的直流电。

所述的逆变模块(8)由工频逆变电路组成，用于将(7)中输出的直流电转变成所需频率的交流电以提供给后级机车负载。

本发明用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，是采用电源单元(1)、整流滤波模块(2)、斩波功率振荡电路(3)、信号控制模块(4)、电磁场发射线圈(5)、电磁场接收线圈(6)、整流滤波斩波模块(7)、逆变模块(8)和机车负载(9)组成的供电系统，此外该系统还选择了电磁屏蔽层(11)设计了电磁屏蔽结构，减小了电磁能量在铁轨以及车底的耗散，减少了电磁波对环境的影响，提高了系统的能量传输效率。系统避免了传统地铁接触网供电方式中受电弓的存在和与供电导线的高速摩擦，克服了传统机车供电方式需要定期更换受电弓且供电线路磨损厉害的弊端，同时也避免了接触轨供电形式为检修人员以及失足乘客带来的安全隐患，也减少了地铁供电因为异物造成的短路导致的临时停运的概率，为地铁的无线供电提供了安全稳定，具体实在的技术模型，也为无线传能技术的应用提供了样本。

附图说明

图1是本发明的整体功能框图；

图2是发射单元结构示意图；

图3是电磁接收线圈的结构图；

图4是电磁发射线路的结构图；

图5是带电磁屏蔽的车底示意图。

其中：

10：电磁场发射线路 11：电磁屏蔽层

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明用于地铁的电磁谐振式无线供电系统做出详细地说明。

如图1所示，本发明用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，设置有电源单元(1)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，由功率检测电路和单片机控制电路组成。功率检测电路检测到的功率信号经过A／D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节(3)中斩波电路的输出电压指标，控制斩波电路的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡，本例中预设的斩波输出电压值为750V，功率阈值为2560kW，电压值和功率阈值可依照要求作出调整；电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场，该线路在架设之后使用之前测定过固有谐振频率，并通过并联电容与电源单元(1)的中心频率进行匹配，匹配后的发射线路(5)谐振频率与电源单元(1)的中心频率一致，以保证较低的反射系数；电磁场接收线圈(6)，接收电磁场发射线路发射出的交变磁场，该线圈在使用前已经与电源单元(1)及发射线路(5)进行了匹配，匹配方式为根据线路的自有谐振频率与电源单元(1)及发射线路(5)的频率进行比较，通过并联电容，使线圈的自有谐振频率与电源的中心频率保持一致，以实现系统的谐振式供电，此外，列车底部所有的接收线圈串联后接入整流滤波斩波模块(7)；整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率。

如图2所示，所述的电磁场发射线路(10)被埋放在地里。导线的两端分别接在斩波功率振荡电路(3)的两端，图中箭头所示方向为某一时刻电流在导体中的流向，这样的连接方式会使相邻两导体间的磁场方向相同，强度叠加而增强，本设计就是利用了导线间叠加的磁场进行能量传递。发射导线的长度可以根据施工要求进行调整，但接线原理仍需与本设计一致，本例选定距离为10km。

如图3所示，所述的电磁场发射线路(10)被埋在列车的正下方，本例中电磁场发射线路选用半径10mm的利兹铜线，两根导线被对称埋在铁轨中心的两侧，因本设计中选用车型的转向架轴距为2500mm，设计两根导线分别布置在距离中心轴线向左与向右的900mm处，且两根导线处于同一水平面，与地铁轨道所在平面平行，导线中心距离地面15mm，其导线布置的深度及所选导体的材料与型号可根据实际需要进行调整，这种布置方式成熟、可靠，受外界影响较小，几乎不需要维护，仅需在现有地铁供电结构上进行改造即可实现，成本较其他形式的发射线路低。发射线圈的周围安装有用作电磁屏蔽的屏蔽体，如果不安装屏蔽体，发射线圈发射的磁场将会部分作用于铁轨上，导致铁轨中产生涡流，一方面使系统的耗能增加，效率降低，另一方面铁轨中的涡流将会产生热量，对运行安全以及铁轨寿命造成影响，本例中使用牌号为PC95的铁氧体制成屏蔽体，安置在发射线路(10)的底面以及外侧面，上表面没有屏蔽体，上表面使用ABS工程塑料板覆盖，该塑料板可拆卸，在实际施工中，屏蔽体所用材料及外型尺寸可进行调整，但结构需与该设计保持一致，以保证屏蔽效果。

如图4所示，所述的电磁场接收线圈(6)由金属导体绕制而成，本例使用半径4mm的铜线从中心开始向呈逆时针方向绕制45圈，外直径为1550mm，内直径为10mm，径向节距为17mm，所绕制接收线圈的形状、尺寸、匝数以及导体的材料与半径均可依照具体情况进行调整。

如图5所示，所述的带电磁屏蔽的车底如图所示，电磁场接收线圈(6)铺设在机车底部，因为该无线供电系统属于松耦合系统，为保证充足的能量供应，本发明要求各节车厢底部至少安装一个电磁场接收线圈(6)，本例中各节车厢底部均有一个接收线圈，且全车的线圈串联之后接入整流滤波斩波模块(7)。车厢底部线圈外围部分安装了牌号为PC95的电磁屏蔽层(11)，因为列车和铁轨多使用金属材料，金属在交变电磁场的作用下会产生涡流，增大系统的损耗，降低机车的效率，且涡流会导致金属的发热，以致运行中可能会有危险性，本例中选用铁氧体材料不仅绝缘而且具有高导磁性，可将额外的磁场约束在其中，减少涡流损耗的产生。本例中选用的铁氧体屏蔽层的厚度为3mm，紧密的贴合在车底的表面，将车底全部覆盖，线圈安置在铁氧体的外面，所选的屏蔽材料及厚度可依据施工要求作出调整。

Claims (5)

1.用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，其特征在于：设置有电源单元(1)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元(1)输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块(2)输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，控制斩波功率振荡电路(3)的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡；电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路(3)产生的交变电磁场；电磁场接收线圈(6)，接收电磁场发射线路(5)发射出的交变磁场；整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈(6)接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块(7)输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率；电磁屏蔽层(11)，将多余的磁场约束在其中，减少涡流损耗的产生；

所述的整流滤波模块(2)由桥式整流电路和滤波电路两部分组成，桥式整流电路部分利用IGBT组成的大功率桥式电路将交流电变为直流电，同时滤波电路部分串联在桥式整流电路与斩波功率振荡电路(3)之间，用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电；

所述的斩波功率振荡电路(3)由斩波电路与半桥功率推挽电路组成，其中斩波电路受信号控制模块(4)控制，以控制其输出电压值，半桥功率推挽电路的开关频率固定，与发射线路的谐振频率一致；

所述的信号控制模块(4)由功率检测电路和单片机控制电路组成，功率检测电路检测到的功率信号经过A/D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节斩波功率振荡电路(3)中斩波电路的输出电压指标。

2.根据权利要求1所述的用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场发射线路(5)埋设在铁轨中心的两侧，发射线路处于同一水平面，与地铁轨道所在平面平行。

3.根据权利要求1所述的用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，其特征还在于，电磁场发射线路(5)相邻两导线中的电流方向相反，导线间的电磁场方向相同。

4.根据权利要求1所述的用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场发射线路(5)的下底面与左右外侧面安装有电磁屏蔽层(11)，上表面覆盖有可拆卸绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁屏蔽层(11)，在机车底部全部覆盖电磁屏蔽层(11)，电磁场发射线路(5)安装在电磁屏蔽层(11)的下底面。