CN103717436A

CN103717436A - 利用导体装置段的恒定电流操作向车辆传输电能的系统和方法

Info

Publication number: CN103717436A
Application number: CN201280036600.2A
Authority: CN
Inventors: K·福伦怀德; K·沃罗诺维茨; R·查因斯基; J·迈因斯
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Aipite Technology Co ltd; Yifudi Induction Charging Co ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: KR20140036000A; ES2525272T3; RU2014100038A; BR112013031767A2; WO2012168478A2; US9397523B2; CN103648830B; US20140116831A1; JP6063457B2; US9331527B2; GB2491651A; JP2017171290A; IL229691A0; DK2718138T3; RU2014100039A; CA2838599A1; BR112013031608A2; CN103648830A; IL229687A0; WO2012168478A3

Abstract

本发明涉及一种用于向车辆（81；91），尤其是诸如轻轨车的有轨车辆（81）或诸如公共汽车的道路汽车（91），传输电能的系统，其中-所述系统包括电导体装置（3，T），其用于产生交变电磁场并且由此向车辆传输电磁能量，-所述导体装置（3，T）包括多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6），其中每个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）沿着车辆的行进路径的部分延伸，-每个段包括针对将由所述段承载的交变电流每一相的一条线路，以便产生所述电磁场，-所述系统包括用于向所述多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）传导电能的电流源（3），其中所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）与所述电流源（3）彼此并联电连接，-所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）中的至少一个段经由相关联的恒流源（12）耦合到所述电流源（3），所述恒流源（12）适于在操作所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的同时，独立于向沿所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）行进的一个或多个车辆传输的电功率，保持通过所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的电流恒定，-每个恒流源（12）包括第一电感（L_6P1）和任选地超过一个电感，并且包括第一电容（C_6P）和任选地超过一个电容，彼此相对地并针对所述恒流源输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧，输出期望的恒定电流，-所述第一电感（L_6P1）布置于将所述输入侧与所述输出侧连接的恒流源（12）的线路（100）中，所述线路（100）的至少一个接头与所述第一电容（C_6P）连接，-彼此相对地并且针对所述段中的任何额外电容调整所述第一电感（L_6P1）和所述第一电容（C_6P）以及至少部分由所述段（T）的固有电感（L_T）形成的第二电感（L_6P2），从而能够在相应的谐振频率下操作所述段，所述段（T）产生的无功功率基本为零。

Description

利用导体装置段的恒定电流操作向车辆传输电能的系统和方法

技术领域

本发明涉及向车辆传输电能，具体而言，向诸如轻轨车辆（例如有轨电车）的有轨车辆或者向诸如公共汽车的道路机动车传输电能。对应的系统包括用于产生交变电磁场并由此向车辆传输电磁能量的电导体装置。该导体装置包括多个段，其中每个段沿着车辆的行进路径的不同部分延伸。所述多个段中的至少一个段经由相关联的恒流源耦合到电流源，所述恒流源适于独立于要传输到沿该段行驶的一个或多个车辆的电功率，保持通过该段的电流恒定。本发明还涉及制造该系统的对应方法以及操作该系统的对应方法。

背景技术

诸如常规轨道车辆、单轨车辆的有轨车辆、无轨电车以及通过诸如其他机械手段、磁性手段、电子手段和/或光学手段的其他手段被引导在轨道上的车辆需要用于在轨道上推进以及用于操作辅助系统的电能，操作辅助系统不产生车辆牵引。这样的辅助系统例如是照明系统、加热和/或空调系统、通风和乘客信息系统。不过，更具体而言，本发明涉及用于向不一定是（但优选是）有轨车辆的车辆传输电能的系统。不同于有轨车辆的车辆例如是公共汽车。本发明的应用领域是向用于公共交通的车辆的传输能量。一般而言，该车辆可以例如是具有电动操作的推进电动机的车辆。该车辆还可以是具有混合推进系统的车辆，混合推进系统例如是通过电能或通过其他能量（例如以电化学方式存储的能量或燃料（例如天然气、汽油或石油））运行的系统。

WO2010/031593A1描述了用于向车辆传输电能的系统和方法，其中该系统包括上文所述的特征。根据公开，该系统包括用于产生交变电磁场并由此向车辆传输电磁能量的电导体装置。该电导体装置包括至少两条线路，其中每一条线路都适于承载交变电流的不同相。该导体装置包括多个段，其中每个段沿着车辆行进路径的不同部分延伸。每个段包括该至少两条线路的几个部分，并且每个段可以独立于其他段接通或关闭。导体装置的相继段的每个段可以经由用于接通或关闭元件的开关连接到主线。WO2010/000495A1更详细地描述了发明的领域以及导体装置可能的实施例。具体而言，还可以为本发明选择导体装置的蛇形线状实施例。

为产生电磁场，每个段可以经由将直流电转换成交流电的逆变器连接到直流电源。替代地，这些段可以连接到交流电源。组合是可能的，例如可以将两个段经由公共逆变器连接到直流电源。

在任何情况下，在这些段的一条线路或多条线路中产生恒定的交流电与在恒定电压下操作这些段相比具有几个优势。一个优势是恒定电流可以是时间的正弦函数。这意味着仅产生了单个频率的电磁波。与此相反，在恒定电压下操作该段产生非正弦函数，这意味着产生了不同频率的谐波。此外，主要侧（导体装置沿着轨道的一侧）的恒定电流能够减小用来接收辅助侧（车辆的一侧）上的电磁场的接收机的尺寸。

可以将恒流源实现为阻抗的无源网络，这意味着恒流源的任何部件都不会像用于限制电流的线路中的晶体管那样被主动控制。

恒流源可以位于交流电源的输入侧，即经由电流源向各个段馈送恒定的交变电流。不过，如果各段与电流源彼此并联连接，这不允许单独操作各个段。单独操作各个段会导致通过尺寸不一的各个段的电流。

因此，优选与电流源彼此并联的各个段为要单独操作的每个段提供恒流源。这样单独操作具有如下优点：在车辆沿该段行进时可以接通该段，否则可以关闭该段。

为了传输足够大的功率以为车辆（尤其是电车或公共汽车）提供推进力，需要至少几十安培的电流和至少几十伏的电压，即传输的功率应当在至少几kW的范围内。对于电车而言，例如，所述段的电压可以在500-1.000V的范围内，通过该段的有效电流可以在150-250A的范围内。

对应的阻抗，尤其是电感，需要具有对应大体积的重部件。此外，这些部件导致了制造这种系统的成本的显著部分。

发明内容

本发明的目的是提供一种从轨道向车辆或多个车辆传输电磁能量的系统，其包括经由恒流源连接到电流源的电导体装置的至少一段，其中操作所述段的效率高，且其中减少了制造和安装该系统的工作量。本发明的另一个目的是提供一种制造该系统的对应方法和操作该系统的对应方法。

本发明的系统包括电流源，用于向多个段传导电能。这些段与电流源彼此并联地电连接，即，利用相同的电压操作由电流源馈电的每个段。用于多个段的公共电流源不排除存在连接到独立的第二电流源的其他段。此外，并非由电流源馈电的所有段都必须是为同一轨道上的车辆提供能量的段。相反地，铁路或道路可以包括例如两条彼此平线路延伸的轨道，可以为每条轨道提供相继的段。可以由公共电流源为不同轨道的至少一些段馈电。

例如，可以经由相关联的开关单元将多个段的每个段耦合到电流源，该开关单元适于将所述段连接至所述电源或者将所述段与所述电源断开连接来接通和关闭该段。每个开关单元可以包括若干开关，其对应于相关联的段的线路数量，其中该线路适于承载交变电流的不同相。优选地，例如，通过使用用于控制开关操作的公共控制装置，同步地接通和关闭开关单元的开关。

每个段可以经由恒流源耦合到电流源，恒流源适于在段接通时，独立于要传输到沿该段线路驶的一个或多个车辆的电功率，保持通过该段的电流恒定。术语“耦合”包括直接电连接，或者包括例如使用变压器的电感耦合。根据后附的权利要求，段中的至少一个段经由恒流源耦合到电流源。

每个恒流源包括第一电感，以及任选地超过一个电感，并包括第一电容，以及任选地超过一个电容。彼此相对地并针对恒流源输入侧的电压调整电感和电容，从而向输出侧，即该段一侧输出期望的恒定电流。因此，恒流源的输入侧是电流源一侧。第一电感布置于恒流源中将输入侧与输出侧连接的线路中，该线路的至少一个接头与第一电容连接。

换言之，至少第一电感和第一电容，以及恒流源任选的其他阻抗，可能还有恒流源的其他部件（例如至少一个电阻器），形成无源网络，其将通过该段的交流电保持恒定。

优选地，针对恒流源输入侧的交流电频率调整电感和电容，使得通过该段的交流电在谐振频率下振荡，该谐振频率是该段与恒流源的组合的谐振频率。

在所述段包括多条线路的情况下，其中调整并连接每条线路以承载交流电的不同相，该恒流源包括对应数量的线路，在每种情况下，所述对应数量的线路都连接到所述段的对应线路，从而实现恒流源的线路与所述段的对应线路的串联连接。对于多条线路而言，恒流源的每条线路包括第一电感，第一阻抗经由接头连接到该线路。具体而言，可以经由对应的第一电容将恒流源的不同线路的接头连接到公共星点。在任何情况下，每条线路都可以有两个接头，第一电容可以连接到线路的第一接头，第二电容可以连接到线路的第二接头。如果第一电感布置于第一和第二接头之间，可以将网络称为π-网络。如果每条线路仅有一个接头，且如果在接头两侧在线路之内有至少一个电感，可以将该网络称为T网络。在优选实施例中，根据本发明使用T网络。

适于产生电磁场以便向车辆传输能量的任何段都包括固有电感。根据本发明的基本思想，使用固有电感保持小的无功功率。因此，提出彼此相对地并针对所述段中的任何额外电容调整所述第一电感和所述第一电容以及至少部分（优选完全）由所述段的固有电感形成的第二电感，从而可以在相应的谐振频率下操作所述段，所述段产生的无功功率基本为零。优选地，第二电感完全由该段或该段的线路的固有电感形成。此外，优选所述段不包括额外的电容，所述额外电容补偿所述段的固有电感，以避免所述段产生无功功率。换言之，实功率，有时称为“有功功率”尽可能高。

由于使用该段的固有电感来优化能量传输的效率，所以可以减少分立部件的数量：首先，与电感在接头两侧大小相同的T网络相比，可以减小或省略恒流源输出侧的电感。第二，可以省略用于补偿该段固有电感以减小或消除无功功率的额外电容或将其减小到更小。结果，减少了安装工作量和成本。此外，减少了冷却恒流源输出侧电感的工作量，因为在恒流源的输出侧仅有小的分立部件（例如小的电感器）或没有分立部件，该段的电感是固有性质的，因此在整个段上分布。

具体而言，提出了如下内容：一种用于向车辆，尤其是诸如轻轨车的有轨车辆或诸如公共汽车的道路汽车，传输电能的系统，其中

-所述系统包括电导体装置，用于产生交变电磁场并由此向车辆传输电磁能量，

-该导体装置包括多个段，其中每个段沿着车辆的行进路径的部分延伸，

-每个段包括针对要由所述段承载的交变电流每个相的一条线路，以便产生所述电磁场，

-该系统包括用于向多个段传导电能的电流源，其中所述段与电流源彼此并联电连接，

-所述段中的至少一个段经由相关联的恒流源耦合到电流源，恒流源适于在操作该段的同时，独立于要传输到沿该段行驶的一个或多个车辆的电功率，保持通过该段的电流恒定，

-每个恒流源包括第一电感和任选地超过一个电感，并包括第一电容和任选地超过一个电容，彼此相对地并针对所述恒流源输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧输出期望的恒定电流，

-第一电感布置于恒流源中将输入侧与输出侧连接的线路中，该线路的至少一个接头与第一电容连接，

-彼此相对地并针对所述段中的任何额外电容调整所述第一电感和所述第一电容以及至少部分由所述段的固有电感形成的第二电感，从而可以在相应的谐振频率下操作所述段，所述段产生的无功功率基本为零。

此外，提出了一种制造用于向车辆传输电能的系统，尤其是根据前述权利要求之一所述系统的方法，包括如下步骤：

-提供电导体装置，其用于产生交变电磁场并由此向车辆传输电磁能量，

-提供多个段作为导体装置的一部分，使得每个段沿车辆行进路径的部分延伸，其中每个段包括用于将由所述段承载的交变电流每一相的一条线路，以便产生电磁场，

-提供用于向多个段传导电能的电流源，其中所述段与电流源彼此并联电连接，

-所述段中的至少一个段经由相关联的恒流源耦合到电流源，恒流源适于在操作该段的同时，独立于将传输到沿该段行驶的一个或多个车辆的电功率，保持通过该段的电流恒定，

-为每个恒流源装备第一电感和任选地超过一个电感，并装备第一电容和任选地超过一个电容，其中彼此相对地并针对所述恒流源输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧输出期望的恒定电流，

-将第一电感布置于恒流源中将输入侧与输出侧连接的线路中，将该线路的至少一个接头与第一电容连接，

-调整所述恒流源的第一电感和所述第一电容以及至少部分由所述段的固有电感形成的第二电感的大小，从而可以在相应的谐振频率下操作所述段，所述段产生的无功功率基本为零。

此外，提出了一种操作用于向车辆传输电能的系统，尤其是根据前述权利要求之一所述系统的方法，包括如下步骤：

-利用电导体装置产生交变电磁场并由此向车辆传输电磁能量，

-使用多个段作为导体装置的部分，其中每个段沿车辆行进路径的不同部分延伸，其中使用每个段的一条线路或多条线路承载产生电磁场的交变电流的相应一相或多相，

-利用电流源向多个段传导电能，其中所述段与所述电流源彼此并联电连接，

-在操作所述段的同时，独立于向沿所述段行进的一个或多个车辆传输的电功率，利用一侧耦合到所述段，另一侧耦合到所述电流源的恒流源保持通过所述段中的至少一个的电流恒定，

-在每个恒流源中使用第一电感和任选地超过一个电感，并使用第一电容和任选地超过一个电容，其中彼此相对地并针对所述恒流源输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧输出期望的恒定电流，其中将第一电感布置于恒流源中将输入侧与输出侧连接的线路中，且其中将该线路的至少一个接头连接到第一电容，

-利用以对应方式调整大小的第一电感和第一电容以及至少部分由所述段的固有电感形成的第二电感，操作所述段，使得所述段产生的无功功率基本为零。

具体而言，在由该段、第一电感、第一电容、第二电感和其他任选部件构成的组合的谐振频率下操作该段。

优选地，所述多个段的每个段都经由相关联的恒流源耦合到电流源，如上所述或如下所述调整恒流源。

所述段可以包括多条线路，其中每条线路都适于承载多相交流电的不同相，其中多个段的每条线路耦合到恒流源的对应线路。优选地，所述段，由此所述电导体装置包括三条线路。不过，也可能由对应数量的线路承载仅两个或超过三个相。具体而言，每个段可以包括每条线路的部分，使得每个段产生由三相导致的电磁场。

第一电感和第一电容优选是电连接到该段的公共模块的部分。对于多条线路而言，公共模块优选包括恒流源所有线路的第一电感和第一电容。在公共模块中集成多个部件有助于现场安装系统。具体而言，可以将公共模块掩埋在地中。此外，不仅减少了放置单元的工作量，而且减少了建立部件之间以及通往外部单元（一侧为电流源，另一个为该段）的电连接的工作量。公共模块还可以包括辅助设备，例如冷却风扇或液体冷却装置。此外，可以在公共模块中集成逆变器（对于直流电源）和用于切换上述单元或逆变器的控制装置。

例如，公共模块可以包括外壳和/或支架，其中在外壳内部布置部件和单元和/或将它们固定到支架。

具体而言，公共模块可以包括用于将电流源的不同部分连接到公共模块的第一和第二连接。这意味着公共模块自身包括电流源的其他部分。这一其他部分电连接用于连接电流源的外部部分的第一和第二连接。

根据优选实施例，所述恒流源经由变压器连接到所述电流源，且其中所述变压器适于产生将输入到所述恒流源中的输入电压，从而由所述恒流源产生期望的恒定电流。如果不把所述段的固有电感用于使无功功率最小化，也可以根据本说明书中描述的实施例之一使用变压器。换言之，使用变压器可以是独立的想法，或者可以与上述本发明组合。

优选所述第二电感完全由所述段或所述段的线路的固有电感形成，即针对所述第二电感调整所述变压器，从而产生输入电压，实现期望的恒定电流。

变压器提高了灵活性，因为它允许根据需要调整恒流源的输入电压。具体而言，可以通过选择变压器的变压比设置通过段的期望恒定电流。此外，可以使用具有不同输入电压和输出电压变压比的变压器将不同类型的段（尤其是具有不同长度，因此具有不同电感）耦合到同一电流源。

附图说明

将参考附图描述本发明的实施例和范例。附图示出了：

图1，一种包括用于轨道车辆的轨道和车辆的装置，其中轨道装备有多个段，用于产生电磁场，且其中经由包括开关单元和恒流源的模块将段连接到交流电源，

图2，类似于图1所示装置的装置，其中各段与直流电源彼此并联连接，

图3，包括多个段的装置，其中将成对的段连接到同一逆变器，以对直流电流进行逆变，

图4，包括逆变器、恒流源和两个开关单元的装置的模块，所述装置用于将成对的段连接到恒流源，

图5，恒流源的电路图，包括用于使无功功率最小化的电感率，其中该电路图示出了用于一相电流的简化版本，

图6，电路图，示出了图5的恒流源与段的组合，

图7，用于类似于图6所示装置的装置的电路图，其中将段的固有电感的一部分用于使无功功率最小化，

图8，类似于图7所示装置的装置的电路图，其中将段的整个固有电感用于使无功功率最小化，

图9，电路图，示出了连接到变压器的图8的装置，

图10，类似于图9所示装置的装置的电路图，其中将恒流源的电感与变压器的杂散电感组合，以便减少分立部件的数量，

图11，类似于图10所示装置的装置的电路图，其中仅将段的固有电感的一部分用于使无功功率最小化，

图12，包括开关单元和恒流源的模块，尤其是图1中模块之一的实施例，

图13，包括开关单元和恒流源的模块的另一实施例，其中该模块还包括用于控制开关操作的控制装置，包括电流传感器，用于测量通过将连接到相关联的段的线路的线路中的至少一条线路的电流，

图14，模块的另一实施例，还包括用于补偿所述相关联的段的线路的电感的电容，

图15，包括变压器的模块的另一变型，变压器用于将交流电源一侧的交流电压变换成该段一侧的交流电压，其中变压器辅助侧上的杂散电感充当恒流源的输入侧电感（即第一电感），以及

图16，图4的模块的变型，适于为一对段提供恒定电流，其中该段的相应恒流源使用公共的第一电感，且其中使用开关操作第一段、第二段或不操作任何段。

具体实施方式

图1示意性示出了沿轨道行进的车辆81，尤其是诸如电车的轻轨车辆。在这一具体实施例中，车辆81包括两个接收机1a、1b，用于接收由轨道的段T1、……T6产生的电磁场。接收机1a、1b位于车辆81底部，在车辆81前部和后部的中截面中。接收机可以包括多条线路，用于产生交变电流的不同相。车辆可以具有任何其他数量的接收机。

接收机1a、1b与车辆81之内的其他设备，例如与转换器（未示出）连接，转换器用于将接收机1产生的交变电流转换成直流电流。例如，可以使用直流电流为车辆81的电池或其他能量储存器5a、5b充电。此外，可以将直流电流逆变成交变电流，用于为车辆81的至少一个牵引电动机供应电能。

接收机1a、1b可以与用于控制信号发射机（未示出）操作的控制装置连接，信号发射机也位于车辆81的底部，从而将信号发射机发射的信号向轨道发射。

如上所述，轨道包括一系列连续的段T1、T2、T3、T4、T5、T6（在实践中，可以提供更多的段），它们可以彼此独立地被操作（即加电），并在工作期间产生电磁场，以便向车辆81传输能量。每个段都在车辆行进的路径部分上延伸。

在图1所示的状况下，车辆81的接收机1a、1b分别位于段T2、T4上方。因此，操作这些段T2、T4（即在接通状态，电流流经该段，导致电磁场），不操作其他段T1、T3、T5、T6（即，处于关闭状态，没有电流通过该段）。

在图1中所示的范例中，每个段T都经由模块M1、M2、M3、M4、M5、M6连接到交变电流线3。模块M包括开关单元，开关单元适于通过将段T连接至电源3或将段T与电源3断开连接来接通或关闭该段。由于图1中所示范例的每个段包括用于承载交变电流不同相的三条线路，每个开关单元包括三个开关，每条线路至少一个开关。

此外，模块M包括恒流源。由逆变器55为交流电源3馈送交变电流。

在所有附图中，相同的附图标记表示具有相同或类似功能的元件和器件。

与图1中所示的装置相反，图2的装置包括直流电源4，其具有处在第一电势的第一线路4a和处在另一电势的第二电源线4b。能源S连接到线路4a、4b。每个段包括多条线路（尤其是三条线路），用于承载交变电流的独立相。由在其直流侧连接到直流电源4的相关联的逆变器K1、K2、K3、K4、K5、K6产生交变电流。在图2中所示的装置中，每个段T具有一个逆变器K。

图1和图2示出了向各个段供应电能的不同原理。根据图1的原理，在中央位置处产生多相交变电流，并经由交流电源供应给各个段。根据图2的原理，电流源是连接中央能源与个体逆变器的直流电源。不过，可以组合这些原理。

图3示出了这种组合的一个范例。有其他方式来组合各个原理，也可以将本发明应用于这些其他组合。在图3中所示的装置中，多个逆变器与具有线路4a、4b的直流电源彼此并联连接。不过，与图2中所示的装置相反，逆变器P1、P2、P3连接到多个交流电源，这些电源的每个将逆变器P与一个段T连接。根据图3中所示的具体实施例，每个逆变器P都连接到两个段T1、T4；T2，T5；T3，T6。如沿着段T行进的车辆81长度示意性所示，在车辆在图3所示位置行进时，仅操作成对段T的一个段T1、T2、T3或T4、T5、T6。操作段T2、T3、T4以便向车辆81的接收机1a、1b传输能量。操作段T1、T5、T6不会导致向车辆81传输大量能量。如果车辆继续在图3中从左至右行进，段T2将被关闭，取而代之将接通段T5。

结果，一次将仅操作一对段T中连接到同一逆变器P的一个段。因此，能够组合逆变器与恒流源，恒流源适于产生通过单个段的期望恒定电流。在替代装置中，例如，可以将超过两个段连接到同一逆变器，并一次仅操作这些段之一。

图4示出了包括逆变器W的模块，可以像技术人员公知的那样构造该逆变器W。例如，在要产生三相交变电流的情况下，针对每相可以有电桥，该电桥包括两个串联连接的半导体开关。由于逆变器的构造是已知的，所以不会参考图4描述细节。在交流侧，将逆变器W连接到恒流源12。这一恒流源12由无源元件网络构成，即交变电流每条相线中的一个电感18a、18b、18c，以及将始于接头21a、21b、21c的相线之一连接到公共星点11的连接中的一个电容20a、20b、20c。

如下所述，恒流源在位于接头21与第一电感18相反一侧的每条相线中还可以包括第二电感。可以将这样的装置称为三相T网络。第二电感的目的是使连接到恒流源的段产生的无功功率最小化。

在图4中所示的范例中，恒流源12的相线经由第二电容42a、42b、42c连接到接头7a、7b、7c。电容42用于补偿可以连接到接头7的段的固有电感。在这种情况下，“补偿”表示在操作段的同时使相应段产生的无功功率最小化。这示出了如下原理：可以将补偿电容集成到也包括恒流源的模块中。图4中示出的模块的变型是可能的。例如，该模块可以不包括逆变器，因为逆变器可以位于中央位置，多个模块可以与交流电源彼此并联连接，例如，如图1所示。此外，可以省去图4右侧所示的开关单元13a、13b，或者可以将单个开关单元与恒流源组合。在这种情况下，优选开关单元位于恒流源的输入侧，即，关闭开关单元表示将恒流源与电流源断开连接。

在图4中所示的范例中，第一开关单元13a包括半导体开关16a、16b、16c，每条相线中一个，第一开关单元13a连接到接头7a、7b、7c，通过类似方式，第二开关单元13b的半导体开关16a、16b、16c也连接到接头7。例如，第一开关单元13a可以连接到图3的交流电源6a、6c或6e，第二开关单元13b可以连接到图3的交流电源6b、6d或6f。

图5中所示的T网络包括第一电感L_6P1和第二电感L_6P2。索引“6P”表示恒流源可以是六极滤波器，即具有三相线路的无源部件网络，因此在输入侧具有三个极或连接，在恒流源的输出侧具有三个极或连接。不过，本发明不限于三个相。相反，可以将本发明应用于仅具有一个相线的段的恒定电流操作，即使用单相交变电流操作段。此外，可以将本发明应用于任何其他数量的相。

图5-图11中所示的图指出了单相恒流源的情况。图12-15将示出针对三相情况的对应范例。

在第一和第二电感L_6P1、L_6P2之间的相线100之内，布置接头21，电容C_6P连接到其上。电容的相反极连接到不包括第一和第二电感的另一条线路101或者（对于多相装置）连接到星点。

图5的左侧示出了恒流源12的输入侧。由U_e6p表示输入侧的电压，由I₁表示输入侧的电流。由I₂表示输出侧的电流。

图6示出了连接到具有固有电感L_T的段T的图5的恒流源12。结果，通常必须要通过串联连接到固有电感L_T的额外电容C_T补偿固有电感L_T，以便在期望的谐振频率下操作该段，并减小或最小化操作该段T时会产生或产生的无功功率。

根据本发明，提出使用段T的固有电感的至少一部分作为恒流源T网络的一部分。即，使用这个部分或整个固有电感L_T来减小或消除由段T产生的无功功率。

图7示出了仅使用固有电感L_T一部分的情况。闭合T网络元件中的虚线将固有电感L_T切割成两个部分。结果，仍然有要由额外电容C_T补偿的固有电感L_T的一个部分。不过，与图6所示的情况相比，这一补偿电容的大小更小。

图8示出了将整个固有电感L_T用作T网络一部分的情况。不过，固有电感L_T通常大于利用给定输入电压产生期望大小（第一电感L_6P1）恒定电流所需的电感。另一方面，T网络的第一和第二电感应当具有相同的尺寸，即应当具有相同的值。因此，图8中所示的电感比图5、图6和图7更长（对应于更大值）。

在谐振中，针对恒流源输入侧的交流电频率调整电感和电容，使得通过该段的交流电以谐振频率振荡，该谐振频率是该段与恒流源的组合的谐振频率，以下所述适用于LC电路，即包括电感L和电容C的电路：

jωL=-1/(jωC) (1)

其中jω表示复角频率。参考图5，可以将方程（1）写为：

jωL_6P1=jωL_6P2=jωL_6P=-1/(jωC) (2)

其中L_6P表示第一和第二电感的值。恒流源输出侧的电路I₂是：

I₂=U_e6p/(jωL_6P) (3)

它表示可以通过对应地调整输入电压U_e6p和电感L_6p的大小，实现这一大小的期望恒定电流。换言之，参考图8，需要调整输入电压，以便在恒流源的输出侧实现期望的恒定电流。

因此，优选在恒流源的输入侧使用变压器52，如图9所示。图9中所示的等效电路图在变压器52之内包括变压器初级侧（输入侧）的第一杂散电感178以及变压器输出侧（二次侧）的第二杂散电感179。由U_S表示变压器输入侧的电压。选择变压器52的变压比（即输入电压U_S与变压器输出电压U_e6p的比率），从而实现恒流源的期望输入电压。

如图10中所示，如果通过与变压器52二次侧（输出侧，图10中变压器52的右手侧）的任何电感相同的分立部件实现恒流源的第一电感L_6P1，可以进一步减少分立部件的数量。具体而言，可以设定变压器52输出侧绕组的尺寸，使得它们的电感值等于恒流源第二电感的电感值。这意味着没有额外的分立部件，仅有变压器二次侧的绕组。因此，

L_s2=L_6P (4)

其中L_s表示变压器52二次侧的杂散电感值。图9、图10和图11的电路图被理解为等效电路图。具体而言，变压器52初级侧的小电感178和变压器52二次侧的179分别是初级或二次侧绕组的电感。

图11示出了图10的变体，其中使用额外的电容C_T补偿段T的固有电感的一部分。

如果要补偿或未补偿段的整个固有电感，即，如果不使用固有电感的任何部分减小或最小化无功功率，也可以使用变压器。

图12示出了包括恒流源12和开关单元13的模块11。类似于图4，有用于三相交变电流的三相的线路。每条线路都具有第一接触14a、14b、14c，用于将线路与交流电源（例如，图1的交流电源3）连接。此外，每条线路都具有第二接触15a、15b、15c，用于将线路与相关联的段，例如图1的段T1或T2，的三个交变电流线路连接。可以将模块11用作图1中模块M之一。不过，如果使用该段的固有电感以使得无功功率最小化，可以部分或完全省去第二电感19（参见下文和图12）。此外，可以省去或由逆变器或变压器替代开关单元。

循着模块11的三条线路的任一条线路的电流通路，在第一接触14和第二接触15之间布置以下部件。在开关单元13之内，将固态开关，尤其是IGBT16和续流二极管17彼此并联连接。图12中未示出用于控制开关16工作的对应控制装置。循着从开关单元13朝着第二接触15的电流通路，将线路连接到并包括电感18，继之以接头21和第二电感19。每条线路的接头21经由电容20连接到公共星点11。

具体而言，第一电感18和电容20形成恒流源，即在被操作时，为相关联的段提供与负载无关的恒定交变电流。第二电感19是任选的，但是优选的，以便避免段工作期间产生无功功率。具体而言，将第一和第二电感的大小设置成相等。

更一般地说，图12中所示的恒流源12是无源网络，这意味着恒流源12的任何部件都不会像用于限制电流的线路中的晶体管那样被主动控制。由于对于每条线路的两个电感、接头和电容的原因，可以将图12中所示的网络称为T网络。或者可以使用其他无源网络，条件是将该段的固有电感的至少一部分用于使无功功率最小化。

如上所述，图12中所示的开关单元和恒流源的组合包括将第一接触14与第二接触15连接的线路。没有电感耦合。将参考图15描述包括这种电感耦合的替代方案。

在下文中，将参考图13-图15描述图12的模块11的变体、实施例和替代方案。将使用相同的附图标记表示与图12中所示部件具有相同功能的部件。术语“相同功能”表示电感和电容的大小不必相同。此外，图12-图15的范例包括三相线路。不过，尽管不常见，相线的数量可以不同。

图13中所示的模块31还包括第一接触14a、14b、14c和可控开关16a、16b、16c之间每条线路中的第二开关32a、32b、32c。第二开关32适于在过电流的情况下中断线路。例如，接地漏电或接地故障可能是过电流的原因。第二开关32彼此机械地或以其他方式组合，使得开关32之一打开线路导致其他开关32也打开相应线路。

在模块31之内提供低电平控制单元34，用于执行切换可控开关16a、16b、16c所需的动作。在实践中，可以由IGBT的个体栅极驱动单元或其他开关元件实现低电平控制单元34。由高电平控制装置36控制低电平控制单元34的工作。在图13-图15所示的范例中，控制装置36从线路之一中的电流传感器37接收电流信号，其中电流传感器37经由信号线35与控制装置36连接。控制装置36适于评估电流信号并将其与比较值比较，该比较值对应于要由恒流源产生的恒定电流的期望值。因此，电流传感器37位于恒流源和第二接触15之间的线路之一处。或者，电流传感器可以位于段的线路之内的模块31外部。例如，如果期望电流值和电流传感器测量值之间的偏差相差超过预定阈值，控制装置36控制低电平控制单元34以打开可控开关16。

此外或替代地，控制装置36连接到车辆检测环路38，用于检测相关联的段附近车辆的存在。控制装置36适于评估从车辆检测环路接收的对应车辆检测信号。根据相关联的段附近车辆的存在，控制装置36控制低电平控制单元34闭合或打开可控开关16，从而仅在段附近有车辆时才操作相关联的段。具体而言，在段的相线掩埋在地中的情况下，附近表示车辆位于段上方或在上方行驶。

图13还示出了另一任选特征。模块相线中的两条与控制装置36连接。这些连接线33与相线之间的接头40a、40b位于第一接触14和开关16或——如果有的话——第二开关32之间。因此，控制装置36能够测量交流电源相线中两条之间的电压。可以将这种信息用于决定是否应当接通可控开关16。例如，如果电压过小，控制装置36不会触发低电平控制单元34来接通开关16。电压过小的一个可能原因是交流电源线路的线路故障（例如接地故障）。另一种可能性是逆变器故障，逆变器产生流经交流电源的交变电流。

从以上描述可知，可以将涉及相关联的段正确可靠工作的一些情报机构集成到开关单元的控制装置中。

图13的装置允许直接从交流电源为控制装置供电，不必为控制装置或控制单元进行额外配电。

可以将控制装置集成在公共外壳中和/或附着于与开关单元共有的支架。更一般地讲，可以预先制造可控开关和控制装置的组合并可以随后在现场安装。

此外，控制装置36可以经由信号连接39，例如经由数字数据总线，如CAN-总线（控制器区域网总线）连接到远方的中央控制装置。

图14示出了包括额外电容42a、42b、42c的实施例。与第一电容20相反，在接头21和相线之内的第二接触15之间布置第二电容42。第二电容42的目的是补偿相关联的段的对应线路的电感。在当前语境中“补偿”表示调谐该段以在电源的期望交流频率下工作并避免无功功率汲取。

图15示出了模块51，其包括变压器装置52，而不是图13、图14的电感18。优选地，变压器装置52实现初级端和二次侧的电隔离。初级侧是可控开关16一侧。对应地，二次侧是第二接触15一侧。变压器装置52可以是三相变压器或一组针对每条线路的个体变压器。变压器装置二次侧的电感在产生通过该段的恒定电流方面与电感18以相同方式工作。模块51可以包括事先制造的单元53，其包括变压器装置52和电容20，包括接头21和星点10。

具体而言，可以由额外的冷却单元，例如风扇，冷却图12-图15的模块11、21、31或41。典型地，一个冷却装置对于每个模块就足够了。可以将模块布置于该段附近。如果有两条彼此平行延伸且由相继的段界定的轨道，该模块优选位于轨道之间并包括用于每条轨道的至少一个恒流源。例如，轨道可以是用于轨道车的轨道或用于道路机动车，例如公共汽车的车道。

可以修改图12-图15的模块。具体而言，可以省去电流传感器37、控制装置36，包括控制单元34和/或第二开关32。具体而言，可以通过如参考图5-图11所述的方式设定部件的大小。

如上所述，可以在公共模块中集成用于相同轨道和/或另一轨道的超过一个段的恒流源。具体而言，可以预先制造这样的模块并可以在现场毫不费力地安装。

图16中示出了用于两个段的这种公共模块的范例，该图示出了图4模块的变型。模块61包括两个子单元22、23，每个子单元都形成要连接到第二接触15a、15b、15c的段的相应恒流源的一部分。如上所述，不同图中的相同附图标记表示相同或功能上对应的元件。

子单元22、23包括恒流源的第一电容20和（任选地）第二电容42a、42b、42c。此外，子单元22、23包括每条线路103a、103b、103c（单元22）或104a、104b、104c（单元23）中的开关16a、16b、16c。这些开关16用于操作第一段（未示出，其连接到单元22的第二接触15），操作第二段（未示出，其连接到单元23的第二接触15）或不操作任何段。因此，这些单元能够使用模块61输入侧上的相同第一电感18a、18b、18c。

输入侧包括用于将模块连接到电源（未示出）的第一接触14a、14b、14c。这些接触14由线路100a、100b、100c连接到接头28a、28b、28c，这些线路100中的每一条都包括第一电感18。接头28的每一个都将线路100之一与单元22、23的相应线路103a、104a；103b、104b；103c、104c连接。

由于使用相同的第一电感18a、18b、18c操作几个段（如果有超过2个子单元，可以以相同方式操作超过两个段），所以减少了部件的数量。

可以修改图16的实施例。例如，类似于图15所示的变压器52，可以由变压器二次侧的绕组构成第一电感18。此外或替代地，可以由类似于图13到图15的控制单元34或控制装置36的控制单元和控制装置来操作图16的开关16。

Claims

1.一种用于向车辆（81；91），尤其是诸如轻轨车的有轨车辆（81）或诸如公共汽车的道路汽车（91），传输电能的系统，其中

-所述系统包括电导体装置（3，T），其用于产生交变电磁场并且由此向所述车辆传输电磁能量，

-所述导体装置（3，T）包括多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6），其中每个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）沿着所述车辆的行进路径的部分延伸，

-每个段包括针对将由所述段承载的交变电流每一相的一条线路，以便产生所述电磁场，

-所述系统包括用于向所述多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）传导电能的电流源（3），其中所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）与所述电流源（3）彼此并联电连接，

-所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）中的至少一个段经由相关联的恒流源（12）耦合到所述电流源（3），所述恒流源（12）适于在操作所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的同时，独立于向沿着所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）行进的一个或多个车辆传输的电功率，保持通过所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的电流恒定，

-每个恒流源（12）包括第一电感（L_6P1）和任选地超过一个电感，并且包括第一电容（C_6P）和任选地超过一个电容，彼此相对地并且针对所述恒流源的输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧，输出期望的恒定电流，

-所述第一电感（L_6P1）布置于将所述输入侧与所述输出侧连接的恒流源（12）的线路（100）中，所述线路（100）的至少一个接头与所述第一电容（C_6P）连接，

-彼此相对地并且针对所述段中的任何额外电容调整所述第一电感（L_6P1）和所述第一电容（C_6P）以及至少部分由所述段（T）的固有电感（LT）形成的第二电感（L_6P2），从而可以在相应的谐振频率下操作所述段，并且所述段（T）产生的无功功率基本为零。

2.根据前述权利要求所述的系统，其中所述第一电感（L_6P1）和所述第一电容（C_6P）是电连接到所述段的公共模块的部分。

3.根据前述权利要求之一所述的系统，其中连接到相关联的恒流源（12）的所述至少一个段（T）包括连接到所述恒流源（12）的相应线路的多条电线，其中

-所述段的线路和所述恒流源（12）的线路的每一串联连接适于承载多相交流电的不同相，

-所述恒流源（12）的每条线路包括形成所述第一电感（L_6P1）的电感器或电感器装置，并且包括经由接头连接到所述线路的形成所述第一电容（C_6P）的电容器或电容器装置，并且

-对于每个所述串联，彼此相对地并且针对所述段中的任何额外电容调整所述第一电感（L_6P1）和所述第一电容（C_6P）以及至少部分由所述段的相应线路的固有电感（L_T）形成的第二电感（L_6P2），从而能够在相应的谐振频率下操作所述段，并且所述段产生的无功功率基本为零。

4.根据前述权利要求之一所述的系统，其中所述第二电感（L_6P2）完全由所述段（T）或所述段的所述线路的固有电感（L_T）形成。

5.根据前述权利要求所述的系统，其中所述段不包括额外的电容，所述额外的电容补偿所述段的所述固有电感，以避免所述段产生无功功率。

6.根据前述权利要求之一所述的系统，其中所述恒流源（12）经由变压器连接到所述电流源，并且其中所述变压器适于产生将输入到所述恒流源（12）中的输入电压，从而由所述恒流源（12）产生所述期望的恒定电流。

7.根据前述权利要求所述的系统，其中所述第二电感（L_6P2）完全由所述段（T）或所述段的所述线路的固有电感（L_T）形成，即针对所述第二电感（L_6P2）调整所述变压器，从而产生导致所述期望的恒定电流的输入电压。

8.根据前述权利要求所述的系统，其中所述变压器的杂散电感充当所述恒流源的所述第一电感（L_6P1）。

9.一种制造用于向车辆传输电能的系统，尤其是根据前述权利要求之一所述系统的方法，包括以下步骤：

-提供电导体装置（3，T），其用于产生交变电磁场并且由此向所述车辆传输电磁能量，

-提供多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）作为所述导体装置（3，T）的一部分，使得每个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）沿着所述车辆的行进路径的部分延伸，其中每个段包括用于将由所述段承载的交变电流的每一相的一条线路，以产生所述电磁场，

-提供用于向多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）传导电能的电流源（3），其中所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）与所述电流源（3）彼此并联电连接，

-经由相关联的恒流源（12）将所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）中的至少一个段耦合到所述电流源（3），所述恒流源（12）适于在操作所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的同时，独立于向沿着所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）行进的一个或多个车辆传输的电功率，保持通过所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的电流恒定，

-为每个恒流源（12）装备第一电感（L_6P1）和任选地超过一个电感，并且装备第一电容（C_6P）和任选地超过一个电容，其中彼此相对地并且针对所述恒流源的输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧，输出期望的恒定电流，

-将所述第一电感（L_6P1）布置于将所述输入侧与所述输出侧连接的所述恒流源（12）的线路（100）中，并且将所述线路（100）的至少一个接头连接到所述第一电容（C_6P），

-调整所述恒流源的所述第一电感（L_6P1）和所述第一电容（C_6P）以及至少部分由所述段（T）的固有电感（L_T）形成的第二电感（L_6P2）的大小，从而能够在相应的谐振频率下操作所述段，并且所述段（T）产生的无功功率基本为零。

10.一种操作用于向车辆传输电能的系统，尤其是根据前述权利要求之一所述系统的方法，包括以下步骤：

-利用电导体装置（3，T）产生交变电磁场并且由此向所述车辆传输电磁能量，

-使用多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）作为所述导体装置（3，T）的部分，其中每个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）沿着所述车辆的行进路径的不同部分延伸，其中每个段的一条线路或多条线路用于承载产生所述电磁场的交变电流的相应相或相应多个相，

-利用电流源（3）向多个段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）传导电能，其中所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）与所述电流源（3）彼此并联电连接，

-在操作所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）的同时，独立于向沿着所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）行进的一个或多个车辆传输的电功率，利用一侧耦合到所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）并且另一侧耦合到所述电流源（3）的恒流源（12）来保持通过所述段（T1，T2，T3，T4，T5，T6）中的至少一个段的电流恒定，

-在每个恒流源（12）中使用第一电感（L_6P1）和任选地超过一个电感，以及第一电容（C_6P）和任选地超过一个电容，其中彼此相对地并且针对所述恒流源的输入侧的电压调整所述电感和所述电容，从而向输出侧，即所述段的一侧，输出期望的恒定电流，其中所述第一电感（L_6P1）被置于将所述输入侧与所述输出侧连接的所述恒流源（12）的线路（100）中，并且其中所述线路（100）的至少一个接头连接到所述第一电容（C_6P），

-利用通过对应方式调整大小的所述第一电感（L_6P1）和所述第一电容（C_6P）以及至少部分由所述段（T）的固有电感（L_T）形成的第二电感（L_6P2），操作所述段，使得所述段产生的无功功率基本为零。