CN103779971B - 一种采用分段供电的移动式无接触供电系统 - Google Patents

Abstract

一种采用分段供电的移动式无接触供电系统，其布置于地面的两根直流母线通过直流开关分别连接到谐振变流器上，布置于地面的初级供电绕组线圈分成N（N为正整数）个分区，每个分区分成2k（k为正整数，下同）个可以独立供电的小段，每个分区内设置有谐振变流器供电，一个谐振变流器可以给k个初级绕组线圈供电，相邻的2个初级绕组线圈分别由不同的谐振变流器供电。当次级绕组线圈经过2个相邻初级绕组线圈分段间隙时，这两个初级绕组线圈同时独立供电。在每个初级绕组线圈端部安装有位置检测装置，当位置检测装置检测到次级绕组线圈时，相应的切换开关闭合，给与其相连的初级绕组线圈供电，没有次级绕组线圈覆盖的初级绕组线圈段不通电。

Description

一种采用分段供电的移动式无接触供电系统

技术领域

本发明涉及一种无接触供电系统的分段供电装置。

背景技术

无接触供电也称无接触电能传输，指根据电磁感应原理，无需直接的电气接触，将电能从一侧（电源侧）传送给另一侧（负载侧）。移动式无接触供电是指即使两侧，即电源侧和负载侧之间有相对运动，也能传送电能的一种特殊的无接触供电方式。

移动式无接触供电系统相比于传统供电的优势在于：（1）供电系统和负载之间无任何直接接触，没有裸露带电导体，不存在触电危险；（2）无摩擦，不会产生接触火花；（3）没有摩擦带来的积碳粉尘，维护简便；（4）对负载运动速度不产生直接限制；（5）无摩擦噪声污染；（6）能在水下、地下、冰雪、易燃、易爆等恶劣条件下工作。

在轨道交通、特别是城市轨道交通电系统中，移动式无接触供电可用来替代传统的受电弓和第三轨，从而极大提高轨道交通系统的安全、可靠性，同时维护成本大幅度降低。通常，轨道交通供电导轨范围一般长达数公里或者几十公里，如果采用无接触方式供电，所需电缆很长，由于沿线供电导轨中的电流频率通常为几十千赫兹，电流有效值通常为几百安培，高频电流带来了交流损耗，较长的电缆也增加了系统内阻，降低了系统效率，同时还可能产生很大的漏磁场。因此，为了提高系统效率，减小漏磁场，通常会采用分段供电方式。

专利201210059309.9公布了一种电动车动态感应供电系统，其高频逆变器输出的高频电流进过升压后注入到高压导轨，高压导轨通过降压器和能量注入装置与能量发射导轨连接。该方法不但额外用到了高频升压变压器和降压变压器两级变压器，还采用了高频逆变器和能量注入装置两类变流装置，系统复杂，成本高，过多的环节降低了系统可靠性和系统效率。另外，高频交流电长距离传送，还会因为集肤效应、临近效应等增加额外的损耗，进一步降低系统效率。

最简单的分段供电方式是，无接触供电系统中每段初级绕组线圈均配置一个谐振变流器来供电，这样虽然减小了电缆的交流损耗，但是会大大增加系统的成本。

因此，以下问题需要解决：（1）对于高频大电流的馈电电缆带来的损耗较大，或多谐振变流器带来的高成本问题；（2）对于次级绕组线圈过初级绕组线圈分段时，如何稳定地向车辆上电气负载传递能量。

发明内容

本发明的目的是解决现有移动式无接触供电系统的有效分段供电以及电能传输的平稳性和高成本问题，提出一种移动式无接触供电系统的分段供电切换装置，本发明可提高系统的供电效率，提高无接触供电系统的安全性和稳定性，降低系统成本，为移动设备供电提供一种高效、安全、稳定、可行的解决方案。

本发明所采用的技术方案一如下：

本发明采用分段供电的移动式无接触供电系统方案一包括：整流滤波器、直流母线、直流开关、谐振变流器、切换开关、位置检测装置、高频电缆、初级绕组线圈、次级绕组线圈、车载变流器。

整流滤波器的输入端子分别与交流电连接，整流滤波器的两个输出端子分别同直流母线的正、负极相连。多个初级供电绕组线圈分成N个分区，N为正整数，每个分区包含2k个小段，k为正整数，每个分区内设置2个或2个以上的谐振变流器及直流开关，谐振变流器和初级绕组线圈均采用自然数连续编号，直流开关和谐振变流器一一对应。每个直流开关的正负输入端分别同直流母线正负端相连，直流开关的正负输出端分别同谐振变流器的两个输入端相连。谐振变流器将直流母线上的直流电转换成单相高频交流电输出。每个奇数号切换开关的两个输入端同奇数号谐振变流器的两个输出端子相连接，每个偶数号切换开关的两个输入端同偶数号谐振变流器的两个输出端子相连接。切换开关的输出端子经过高频电缆对应连接到每个初级绕组线圈的两个端子。在每个初级绕组线圈端部或中间布置有位置检测装置，位置检测装置的输出信号连接到相应的谐振变流器。每个次级绕组线圈的两个端子同车载变流器的一路单相输入端连接。车载变流器通过两个输出端子同负载的两个输入端连接。

本发明的特征在于：整流滤波器将电网的交流电整流成直流并连接到各个谐振变流器上，谐振变流器输出高频电流。多个初级绕组线圈分成N个分区，每个分区分成2k个小段，每个分区内设有2个或2个以上的谐振变流器供电，谐振变流器和初级绕组线圈均连续编号。一个奇数号谐振变流器通过相应的k个奇数号切换开关分别同k个奇数号初级绕组线圈连接；一个偶数号谐振变流器通过相应的k个偶数号切换开关分别同k个偶数号初级绕组线圈连接，k为正整数。由位置检测装置判断次级绕组线圈的位置，来决定相应的切换开关是否闭合。只有位置检测装置检测到次级绕组线圈时，相应的切换开关才闭合，给其相连的初级绕组线圈供电，在次级绕组线圈没有覆盖的初级绕组线圈段不通电。

本发明所述的次级绕组线圈、车载变流器和负载固定在运动设备如车辆上，其他部件放置在地面上。初级绕组线圈沿运动轨道铺设，直流母线也沿运动轨道铺设。次级绕组线圈和初级绕组线圈平行，且中心对齐，保持一定的距离（又称气隙），形成无接触状态。

本发明所述的整流滤波器将电网电源整流成直流电，连接到直流母线，直流母线分别通过直流开关一一对应给谐振变流器供电。直流母线的长度和移动式无接触变压器初级绕组线圈所覆盖的供电长度接近。

本发明所述的直流开关的作用在于连接直流母线和谐振变流器，当直流开关断开时，还可以作为谐振变流器等的检修用，起到隔离保护作用，该直流开关可采用电气控制的机械开关。

所述的多个初级绕组线圈分成N分区，每个分区分成2k个小段，每个分区内设置2个或2个以上的谐振变流器。沿轨道起始方向按自然数编号，奇数号谐振变流器分别通过k个奇数号切换开关一一对应连接到k个奇数号初级绕组线圈；偶数号谐振变流器分别通过k个偶数号切换开关一一对应连接到k个偶数号初级绕组线圈。也就是说，一个谐振变流器对应可以给k个初级绕组线圈供电。相邻的2个初级绕组线圈分别由奇数号和偶数号谐振变流器供电，可以实现独立供电。当次级绕组线圈通过相邻的初级绕组线圈时，由于有多个次级绕组线圈且相邻的初级绕组线圈可独立供电，因此可以实现能量稳定传递。

本发明采用分段供电的移动式无接触供电系统中，不同分区的谐振变流器对应的初级绕组线圈个数可以相同也可以不同，也就是k值可以不同。

本发明所述的切换开关可由2种方式构成：（1）电气控制的机械开关；（2）由晶闸管、IGCT、IGBT、MOSFET、SiC等高频功率器件反串联连接而成的开关构成。

本发明所述的初级绕组线圈和次级绕组线圈均为圆角矩形线圈，初级绕组线圈和次级绕组线圈宽度接近，但初级绕组线圈的长度大于次级绕组线圈的长度，两者的中心线保持对齐，以达到最高的传递效率。初级绕组线圈和次级绕组线圈周围都可以安装导磁材料，以提高耦合能力。初级绕组线圈可以固定在轨道中间，次级绕组线圈固定在车辆下方。初级绕组线圈也可以固定在与车辆侧面平行的地面位置，次级绕组线圈也可以固定在车辆侧面。

位置检测装置可以是接近开关、轨道电路、交叉感应回线、多普勒雷达传感器、查询应答器，以及几种方法的信息融合定位方法，本发明以接近开关来说明位置检测。接近开关设置在初级绕组线圈附近，可以布置在每套初级绕组线圈的两端，此布置方式需要的开关数量较多，是初级绕组线圈的数量的2倍。或布置在相邻初级绕组线圈的中间，此布置方式需要的开关数量与初级绕组线圈数量一致。接近开关检测到次级绕组线圈时，才给相应的切换开关发出指令，给相应的初级绕组线圈供电。当接近开关检测到次级绕组线圈离开时，相应的切换开关断开。当与谐振变流器相连的k个切换开关都断开时，该谐振变流器停止工作，减小损耗。这样，只有车辆所在的初级绕组线圈段有电流，车辆没有覆盖的区段不供电。实现了高效分段供电，减小了漏磁场，大大降低了系统成本。

本发明所述的供电系统为分别位于不同的初级绕组线圈段覆盖范围内的多个车辆同时供电。

本发明所述的供电系统中，一个运动设备上有多套次级绕组线圈，每套次级绕组线圈对应一套车载变流器，或多套次级绕组线圈共用一套车载变流器。

与已有方法相比，本发明方案一具有以下特点：

（1）谐振变流器数量约为初级绕组线圈分段数的1/k，降低了系统建设成本。

（2）高频电缆的长度取决于k的大小和初级绕组线圈的长度，合理的选择k值，可以在交流馈电电缆损耗和系统成本间找到一个合理的选择。

（3）谐振变流器、切换开关只在有相应初级绕组线圈供电时才工作，减小了初级绕组线圈和谐振变流器的损耗，也减少了运行轨道附近的漏磁场。

（4）由于采用了多个次级绕组线圈，且相邻初级绕组线圈由不同的谐振变流器独立供电，电能可以更加稳定的传输到负载。

本发明所采用的技术方案二如下：

方案二的基本组成部件和方案一大体相同，不同的是各部件的连接方式不同。整流滤波器的输入端子分别与交流电连接，整流滤波器的两个输出端子分别同直流母线的正、负极相连。每个直流开关的正负输入端分别同直流母线正、负端相连，直流开关的正负输出端分别同谐振变流器的两个输入端相连。谐振变流器将直流母线上的直流电转换成单相高频交流电输出。多个初级供电绕组线圈分成2k段，每段对应一个谐振变流器和两个切换开关。初级绕组线圈、谐振变流器和切换开关均连续编号，k为正整数。每个切换开关的两个输入端同该段相应谐振变流器的两个输出端子相连接。切换开关的输出端子经过高频电缆对应连接到相应的初级绕组线圈的两个端子。在每个初级绕组线圈端部或中间布置有位置检测装置，初级绕组线圈和位置检测装置没有直接的物理连接，位置检测装置的输出信号连接到相应的谐振变流器。每个次级绕组线圈的两个端子同车载变流器的一路单相输入端连接。车载变流器通过两个输出端子同负载的两个输入端连接。

与已有方法相比，本发明方案二具有以下特点：

（1）谐振变流器数量约为初级绕组线圈分段数的一半，切换开关数量和初级绕组线圈各分段一一对应。谐振变流器根据位置检测装置发来的信号，判断列车所在的初级绕组线圈分段区间，从而只给相应的初级绕线圈组供电。

（2）本发明系统结构简单可靠，没有长距离的高频大电流带来的大损耗，谐振变流器也只在有相应初级绕组线圈供电时才工作，减小了谐振变流器的损耗。

本发明的系统整体效率高，能量传输稳定，漏磁少，系统建设成本低，可行性强。

本发明可应用于轨道交通、电动汽车充电、港口、机场、煤矿运输车等移动对象的供电。

附图说明

图1是本发明采用分段供电的移动式无接触供电系统方案一示意图；

图2本发明一种采用分段供电的移动式无接触供电系统方案二示意图；

图中，1整流滤波器，2直流母线，3-1、3-2、3-k直流开关，4-1、4-2、4-k谐振变流器，5-1～5-2k切换开关，6-1～6-4k位置检测装置，7高频电缆，8-1～8-2k初级绕组线圈，9-1、9-2次级绕组线圈，10车载变流器，11负载，12运行轨道，13-0～13-2分区，14车辆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为本发明实施例一：采用分段供电的移动式无接触供电系统方案一的基本组成。如图1所示：

整流滤波器1将电网交流电整流成高压直流电，为各个谐振变流器供电。多个初级绕组线圈分为N个分区13-0、13-1、13-2、…13-N。下面以13-1分区为例说明采用分段供电的移动式无接触供电系统方案一的结构，其他分区结构与13-1分区相同。

初级绕组线圈的13-1分区中，整流滤波器1的输入端子分别与交流电连接，整流滤波器1的两个输出端子分别同直流母线2的正、负极相连。两个直流开关3-1、3-2的正负输入端分别同直流母线2的正、负端相连，第一直流开关3-1的正负输出端同第一谐振变流器4-1的正负输入端相连，第二直流开关3-2的正负输出端同第二谐振变流器4-2的正负输入端相连。两个谐振变流器4-1、4-2将直流母线2上的直流电转换成单相高频交流电输出。每个奇数号切换开关5-1～5-（2k-1）的两个输入端同第一谐振变流器4-1的两个输出端子相连接，每个偶数号切换开关5-2～5-2k的两个输入端同第二谐振变流器4-2的两个输出端子相连接。第一切换开关5-1的两个输出端经过高频电缆连接到第一初级绕组线圈8-1的两个端子，第2k-1切换开关5-（2k-1）的两个输出端子经过高频电缆连接到第2k-1初级绕组线圈8-（2k-1）的两个端子，第2k切换开关5-2k的两个输出端子经过高频电缆连接到第2k初级绕组线圈8-2k的两个端子。在每个初级绕组线圈端部或中间布置有位置检测装置6-1～6-4k。第一位置检测装置6-1、第二位置检测装置6-2、第五位置检测装置6-5、第六位置检测装置6-6、第4k-3位置检测器6-（4k-3）和第4k-2位置检测器6-（4k-2）的输出信号发送到第一谐振变流器4-1；第三位置检测装置6-3、第四位置检测装置6-4、第七位置检测装置6-7、第八位置检测装置6-8、第4k-1位置检测装置6-（4k-1）和第4k位置检测装置6-4k的输出信号发送到第二谐振变流器4-2。第一次级绕组线圈9-1的两个端子同车载变流器10的一路单相输入端连接，第二次级绕组线圈9-2的两个端子同车载变流器10的另一路单相输入端连接。车载变流器10通过两个输出端子同负载11的两个输入端连接。

初级绕组线圈8-1～8-2k和次级绕组线圈9-1、9-2均为圆角矩形线圈，初级绕组线圈8-1～8-2k和次级绕组线圈9-1、9-2宽度接近，但初级绕组线圈8-1～8-2k的长度大于次级绕组线圈9-1、9-2的长度，两者平行且中心线保持对齐，以达到最高的能量传递效率。初级绕组线圈8-1～8-2k和次级绕组线圈9-1、9-2的周围都可以安装有导磁材料，以提高耦合能力。该实施例中，次级绕组线圈9-1和9-2、车载变流器10和负载11固定在运动设备如车辆底部，初级绕组线圈8-1～8-2k固定在运行轨道12中间，其他部件放置在地面上。初级绕组线圈8-1～8-2k沿运行轨道12铺设，直流母线2也沿运行轨道12铺设。

本实施例中，次级绕组线圈9-1、9-2具有2个，以在次级绕组线圈通过初级绕组线圈8-1～8-2k分段间隙时为负载提供更加稳定的电能供应。

当第一位置检测装置6-1或者第二位置检测装置6-2检测判断到第一、第二次级绕组线圈9-1、9-2进入第一初级绕组线圈8-1供电区间时，第一切换开关5-1闭合，第一谐振变流器4-1给第一初级绕组线圈8-1供电，次级绕组线圈感应出电能并将电能转化后给负载，否则切换第一开关5-1断开。当第三位置检测装置6-3或者位置检测装置6-4检测到第一次级绕组线圈9-1、第二次级绕组线圈9-2进入第二初级绕组线圈8-2供电区间时，第二切换开关5-2闭合，第二谐振变流器4-2给人初级绕组线圈8-2供电，次级绕组线圈感应出电能并将电能转化后给负载，否则第二切换开关5-2断开。其他初级绕组线圈的供电同理。当位置检测装置6-1～6-4k检测到两个次级绕组线圈9-1～9-2不在分区13-1的供电范围时，则第一谐振变流器4-1和第二谐振变流器4-2停止工作，以避免不必要的损耗。

分段供电装置能够为分别位于不同的初级绕组线圈分区13-0～13-2的多个车辆同时供电。

一个车辆14上有多套次级绕组线圈，每套次级绕组线圈对应一套车载变流器10，或多套次级绕组线圈共用一套车载变流器10。

综上所述，本实施例提出了大分区和小分段的综合分段供电方法：

（1）当位置检测装置6-1～6-4k判断次级绕组线圈9-1、9-2在该大分区供电范围时，该段的谐振变流器4-1、4-1开始工作，否则停止工作，以减小损耗。

（2）当位置检测装置6-1～6-4k判断次级绕组线圈9-1、9-2在某初级绕组线圈的供电范围时，该初级绕组线圈的切换开关5-1～5-2k闭合，否则断开，以减小损耗。

本实施例中只有当次级绕组线圈9-1、9-2进入某一初级绕组线圈供电范围时，才对该初级绕组线圈供电，且高频电缆7长度比较短，高频损耗小，实现了移动式无接触供电系统有效的分段供电。另外，本发明中，谐振变流器数量大为减少，大大降低了系统建设成本。由于采用了多个次级绕组线圈，且相邻初级绕组线圈实现了独立供电，电能传输更加稳定。

图2所示为本发明实施例二：采用分段供电的移动式无接触供电系统方案二的基本组成。如图2所示：

整流滤波器1将电网交流电整流成高压直流电，为各个谐振变流器供电。多个初级绕组线圈分为2k段8-1、8-2、…、8-2k，每段对应一个谐振变流器和两个切换开关，谐振变流器4-1、4-2、…、4-k连续编号，切换开关5-1、5-2、…、5-2k连续编号。在每个初级绕组线圈端部或中间布置有位置检测装置6-1、6-2、…、6-4k连续编号。以下以初级绕组线圈8-1～8-2为例说明本方案结构。整流滤波器1的交流输入端子分别与交流电连接，整流滤波器1的两个输出端子分别同直流母线2的正、负极相连。直流开关3-1的正负输入端分别同直流母线2的正、负端相连，直流开关3-1的正负输出端分别同谐振变流器4-1的两个输入端相连。谐振变流器4-1将直流母线2上的直流电转换成单相高频交流电输出。切换开关5-1的两个输入端子同该段相应谐振变流器4-1的两个输出端子相连接，切换开关5-2的两个输入端子同该段相应谐振变流器4-1的两个输出端子相连接。切换开关5-1的输出端子经过高频电缆7对应连接到初级绕组线圈8-1的两个端子，切换开关5-2的输出端子经过高频电缆7对应连接到初级绕组线圈8-2的两个端子。在初级绕组线圈8-1端部或中间布置有位置检测装置6-1和6-2，初级绕组线圈和位置检测装置没有直接的物理连接，在初级绕组线圈8-2端部或中间布置有位置检测装置6-3和6-4。位置检测装置6-1～6-4的输出信号发送到谐振变流器4-1，其它同理。次级绕组线圈9-1的两个端子同车载变流器10的一路单相输入端连接，次级绕组线圈9-2的两个端子同车载变流器10的另一路单相输入端连接。车载变流器10通过两个输出端子同负载11的两个输入端连接。

以谐振变流器4-1来为例，当位置检测装置6-1或者位置检测装置6-2检测到次级绕组线圈9-2或者次级绕组线圈9-1时，切换开关5-1闭合，谐振变流器给初级绕组线圈8-1供电，次级绕组线圈中感应出电能并供给负载。

当位置检测装置6-1或者6-2都先后没有检测到次级绕组线圈时，则切换开关5-1断开，停止给初级绕组线圈8-1供电。此时，车辆会运动到初级绕组线圈8-2所在区段，同理，切换开关5-2闭合，给初级绕组线圈8-2供电。当车辆运动到初级绕组线圈8-3所在区段时，切换开关5-1和5-2均处于断开状态，则谐振变流器4-1可以停止工作，以避免不必要的损耗。此时，谐振变流器4-2开始工作。

本方案中只有当次级绕组线圈9-1和/或9-2进入到某个地面初级绕组线圈区域时，本初级绕组线圈通电，否则初级绕组线圈不通电，这样高频电缆7长度很短，高频电缆损耗小，实现了移动式无接触供电系统的高效、安全、分段供电。

Claims (4)

1.一种采用分段供电的移动式无接触供电系统，所述的供电系统包括整流滤波器、直流母线、直流开关、谐振变流器、切换开关、位置检测装置、高频电缆、初级绕组线圈、次级绕组线圈和车载变流器；整流滤波器的输入端子分别与交流电连接，整流滤波器的两个输出端子分别同直流母线的正、负极相连；多个初级绕组线圈分成N个分区，N为正整数，每个分区包含2k个小段，k为正整数，每个分区内设置2个或2个以上的谐振变流器及直流开关，直流开关和谐振变流器一一对应；每个直流开关的正负输入端分别同直流母线的正负端相连，直流开关的正负输出端分别同谐振变流器的两个输入端相连；谐振变流器将直流母线上的直流电转换成高频交流电输出；切换开关的两个输入端同谐振变流器的两个输出端子相连接；切换开关的输出端子经过高频电缆对应连接到每个初级绕组线圈的两个端子；每个次级绕组线圈的两端同车载变流器的一路输入端连接；车载变流器的两个输出端子同负载的两个输入端连接，

其特征在于，在每个初级绕组线圈端部布置有位置检测装置，位置检测装置的输出信号连接到相应的谐振变流器；谐振变流器分别通过k个切换开关连接到k个初级绕组线圈，即：一个谐振变流器给k个初级绕组线圈供电，相邻的2个初级绕组线圈分别由两个不同的谐振变流器供电；一台谐振变流器通过切换开关为分别位于不同的初级绕组线圈段覆盖范围内的多个车辆同时供电。

2.根据权利要求1所述的采用分段供电的移动式无接触供电系统，其特征在于，所述的移动式无接触供电系统的每个分区有2个或2个以上谐振变流器，每个分区包含k个初级绕组线圈，k为正整数，每个谐振变流器与2个或2个以上初级绕组线圈通过切换开关相连。

3.一种采用分段供电的移动式无接触供电系统，所述的供电系统包括整流滤波器、直流母线、直流开关、谐振变流器、切换开关、位置检测装置、高频电缆、初级绕组线圈、次级绕组线圈和车载变流器；所述的整流滤波器的输入端子分别与交流电连接，整流滤波器的两个输出端子分别同直流母线的正、负极相连；每个直流开关的正负输入端分别同直流母线的正、负端相连，直流开关的正负输出端分别同谐振变流器的两个输入端相连，其特征在于，多个初级绕组线圈分成2k段，每段对应一个谐振变流器和两个切换开关，k为正整数；每个切换开关的两个输入端同该段相应谐振变流器的两个输出端子相连接；每个谐振变流器通过两个切换开关分别与两个初级绕组线圈相连；切换开关的输出端子经过高频电缆对应连接到相应的初级绕组线圈的两个端子；在每个初级绕组线圈端部布置有位置检测装置，位置检测装置的输出信号连接到相应的谐振变流器；谐振变流器通过切换开关能够为分别位于不同的初级绕组线圈段覆盖范围内的多个车辆同时供电；每个次级绕组线圈的两个端子同车载变流器的一路单相输入端连接，车载变流器的两个输出端子同负载的两个输入端连接。

4.根据权利要求1或3所述的采用分段供电的移动式无接触供电系统，其特征在于，一个运动设备上有多套次级绕组线圈，每套次级绕组线圈对应一套车载变流器，或多套次级绕组线圈共用一套车载变流器。