CN105576851B - 一种悬挂式单轨铁路无线供电系统 - Google Patents

一种悬挂式单轨铁路无线供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，主要包括电网、高频逆变装置、三侧分段分布的发射装置、三侧分段分布的接收装置、整流变换装置、机车负载。采用磁耦合谐振式无线电能传输技术，根据电力机车的位置，切换位于控制悬挂梁三侧的分段分布式发射装置接入电路，在车上与之对应的三侧分段分布式接收装置与发射装置耦合传输电能，再经过整流变换装置，进而为机车运行提供动力。采用无线供电的方式有利于规避有接触供电安全性差的弊端，并且采用分段供电的方式有利于降低无线传输电能时的损耗，提高效率。采用三侧能量发射三侧能量接收的技术可以依托悬挂式单轨铁路的实际条件最大限度的增大传输功率和效率。

Description

一种悬挂式单轨铁路无线供电系统
本发明采用无线非接触的方式为单轨铁路供电，从根本上避免以上问题，从而显著提高受流质量，实现电能的高效传输与利用，而且比传统的滑动有接触供电方式更加安全可靠。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，采用无线供电的方式规避了现有技术中接触供电安全性差的弊端，采用定位切换分段供电的方式有利于降低无线传输电能时的损耗，提高效率，解决了现有技术中的不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种悬挂式单轨铁路无线供电系统包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置和机车负载。
首先，将悬挂梁按照一定的间隔分成若干长度相同的分段。
所述无线电发射装置包括矩形螺旋发射线圈，所述矩形螺旋发射线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述发射线圈安装在悬挂式单轨铁路悬挂梁左右两侧及底部，其中左右两侧分别对称安装，左右两侧发射线圈的圆心连线轴与地面垂直，底部发射线圈的圆心连线轴与地面水平安装在悬挂梁底部，三者形成U型，每个分段内的左侧、右侧和底部的发射装置采用串联的连接方式；每个分段内的无线电发射装置连接到一个独立的开关并通过高频逆变装置连接到电网；
在悬挂梁的每个分段内设有位置检测装置；所述位置检测装置与所述的独立的开关相连接；每个分段均安装有一个长矩形的能量发射线圈，每个此类发射线圈均由单独的开关控制是否接入电路，当电力机车离开前一个长矩形发射线圈的范围，进入下一个长矩形发射线圈范围，此时需要将前一个长矩形线圈断开，将下一个长矩形线圈接入电路。
所述无线电接收装置包括矩形螺旋接收线圈，所述矩形螺旋接收线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述接收线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在环形悬挂装置内侧的左侧、右侧，左侧和右侧的接收线圈相互对称；所述接收线圈的圆心连线轴与地面水平布置在环形悬挂装置的底部，每节车厢所对应的环形悬挂装置的左侧、右侧和底部的接收装置采用串联的方式连接；所述无线电接收装置通过整流变换装置连接到机车负载。
所述的发射装置和接收装置采用的矩形螺旋线圈宽度相同，竖直安装的线圈水平高度相同，水平线圈正对安装。
在无线电能传输系统中，最常用的线圈形状为圆形线圈和矩形线圈等，实际生活总，车厢顶部最大的有效形状为长矩形，因此为了最大限度的利用该空间，本发明选择矩形线圈，可以最大限度的利用该空间。
与传统的单发射与单接收线圈相比，本发明采用三侧收发的方式，充分利用现有的单轨铁路系统悬挂装置的有限空间，因此每时刻均存在三个发射线圈和三个个接收线圈，采用该结构有效增强收发端的互感耦合，从而有效增大能量传输的功率。
如果左右两侧及底部的发射线圈和接收线圈不串联，则在接收端需要三组整流装置，对应于每个独立的接收线圈，本发明将左右两侧以及底部的发射线圈和接收线圈串联到一起，仅需要一组整流转置即可实现对接收到的高频电流整流，有效降低成本。此外，双侧均安装接收线圈可以充分利用有线的车厢底部空间，增大收发装置耦合系数，从而增大能量传输功率。
进一步的，综合考虑列车运行速度、切换控制的响应速度、能量传输过程中在各分段上的损耗以及分段数量对应的建设成本等因素，所述的发射线圈长度为列车长度的10至20倍。
进一步的，所述的接收线圈长度与每节车厢长度相同。由于受到车厢长度的限制，在实施中不能超过车厢的长度，为了最大限度利用车厢底部空间，接收线圈长度需要尽可能大，因此近似等于每节车厢长度。
进一步的，所述的发射线圈和接收线圈的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。发射装置和接收装置均可以通过调整补偿电容的大小,保证发射装置和接收装置的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。
进一步的，所述的无线电接收装置安装的数量少于或等于列车车厢的数量。
有益效果：本发明基于磁耦合谐振式无线电能传输技术，采用三侧分布分段式发射装置和三侧分布分段式接收装置，发射装置和接收装置正对放置，根据电力机车的位置，切换控制相应的能量发射装置，通过收发装置的耦合作用，将电能无线传递到电力机车上，为电力机车的运行提供动力。本发明采用无线供电的方式为悬挂式单轨铁路供电，不仅有效地避免了有接触导轨式供电的弊端，提高的悬挂式单轨铁路供电的可靠性和安全性，而且采用本发明涉及到的特殊结构的三侧发射线圈三侧接收线圈的结构进一步提高了能量传输的效率和功率，并且分段切换的方式还降低了三侧发射线圈的损耗。
附图说明
图1为本发明一种悬挂式单轨铁路无线供电系统原理示意图；
图2为本发明具体实施的能量传输装置安装示意图；
图3为本发明发射装置和接收装置简化电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明设计了一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，包括电网、高频逆变装置、三侧分段分布式发射装置、三侧分段分布式接收装置、整流变换装置、机车负载。根据列车的位置，将相应的三侧分布分段式发射装置接入电路。由电源给能量发射装置供电，与位于机车正对的接收装置耦合，拾取到来自分布式发射线圈的能量，在接收装置中重新产生交流电流，经过整流变换装置中的电力电子装置，产生适合于机车使用的电能，为负载提供动力。
如图2所示，三侧分段分布式发射装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的长矩形螺旋发射线圈。每个长矩形螺旋发射线圈长度根据运行列车的长度而定，长度约为运行列车长度的10至20倍。三侧分段分布式发射装置安装在悬挂式单轨铁路悬挂梁左右两侧及底部，其中左右两侧分别对称竖直安装，底部发射装置水平安装在悬挂梁底部，三者形成U型槽结构，整条轨道均安装所述三侧分段分布的发射装置。
三侧分段分布式接收装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的矩形螺旋接收线圈，每个矩形螺旋接收线圈长度根据每节车厢的长度确定，长度略短于每节车厢的长度。三侧分段分布式接收线圈分别安装在环形悬挂装置内侧的左面、右面以及底面。三侧分段分布式接收装置的安装数量不超过列车车厢数量。
通过调节接收端补偿电容调节能量接收装置的谐振频率。调节发射装置和接收装置处于同一谐振频率，电能通过磁场耦合的方式进行能量传输。
如图3所示，三侧分段分布式发射装置各分段内的三个发射装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量发射端回路中包含三个串联连接的能量发射线圈。三侧分段分布式接收装置各分段内的三个接收装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量接收端回路中包含三个串联连接的能量接收线圈。其中Uin为高频逆变装置产生的电压，Lp1、Lp2、Lp3、Ls1、Ls2及Ls3分别为能量发射端和能量接收端各线圈的电感，Cp和Cs分别为能量发射端和能量接收端的总谐振补偿电容，Rp和Rs分别为能量发射端和能量接收端的线圈总电阻，M1、M2及M3分别为左右两组能量收发装置的互感，RL为负载等效电阻。
一种悬挂式单轨铁路无线供电系统包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置和机车负载。
首先，将悬挂梁按照一定的间隔分成若干长度相同的分段。
所述无线电发射装置包括矩形螺旋发射线圈，所述矩形螺旋发射线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈所述发射线圈安装在悬挂式单轨铁路悬挂梁左右两侧及底部，其中左右两侧分别对称安装，左右两侧发射线圈的圆心连线轴与地面垂直，底部发射线圈的圆心连线轴与地面水平安装在悬挂梁底部，三者形成U型，每个分段内的左侧、右侧和底部的发射装置采用串联的连接方式；每个分段内的无线电发射装置连接到一个独立的开关并通过高频逆变装置连接到电网；
在悬挂梁的每个分段内设有位置检测装置；所述位置检测装置与所述的独立的开关相连接；每个分段均安装有一个长矩形的能量发射线圈，每个此类发射线圈均由单独的开关控制是否接入电路，当电力机车离开前一个长矩形发射线圈的范围，进入下一个长矩形发射线圈范围，此时需要将前一个长矩形线圈断开，将下一个长矩形线圈接入电路。
所述无线电接收装置包括矩形螺旋接收线圈，所述矩形螺旋接收线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述接收线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在环形悬挂装置内侧的左侧、右侧，左侧和右侧的接收线圈相互对称；所述接收线圈的圆心连线轴与地面水平布置在环形悬挂装置的底部，每节车厢所对应的环形悬挂装置的左侧、右侧和底部的接收装置采用串联的方式连接；所述无线电接收装置通过整流变换装置连接到机车负载。
所述的发射装置和接收装置采用的矩形螺旋线圈宽度相同，竖直安装的线圈水平高度相同，水平线圈正对安装。
在无线电能传输系统中，最常用的线圈形状为圆形线圈和矩形线圈等，实际生活中，车厢顶部最大的有效形状为长矩形，因此为了最大限度的利用该空间，本发明选择矩形线圈，可以最大限度的利用该空间。
与传统的单发射与单接收线圈相比，本发明采用三侧收发的方式，充分利用现有的单轨铁路系统悬挂装置的有限空间，因此每时刻均存在三个发射线圈和三个个接收线圈，采用该结构有效增强收发端的互感耦合，从而有效增大能量传输的功率。
如果左右两侧及底部的发射线圈和接收线圈不串联，则在接收端需要三组整流装置，对应于每个独立的接收线圈，本发明将左右两侧以及底部的发射线圈和接收线圈串联到一起，仅需要一组整流转置即可实现对接收到的高频电流整流，有效降低成本。此外，双侧均安装接收线圈可以充分利用有线的车厢底部空间，增大收发装置耦合系数，从而增大能量传输功率。
综合考虑列车运行速度、切换控制的响应速度、能量传输过程中在各分段上的损耗以及分段数量对应的建设成本等因素，所述的发射线圈长度为列车长度的10至20倍。所述的接收线圈长度与每节车厢长度相同。由于受到车厢长度的限制，在实施中不能超过车厢的长度，为了最大限度利用车厢底部空间，接收线圈长度需要尽可能大，因此近似等于每节车厢长度。
所述的发射线圈和接收线圈的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。发射装置和接收装置均可以通过调整补偿电容的大小，保证发射装置和接收装置的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。
所述的无线电接收装置安装的数量少于或等于列车车厢的数量。
一种悬挂式单轨铁路无线供电系统包括电网、高频逆变装置、三侧分段分布式发射装置、三侧分段分布式接收装置、整流变换装置、机车负载。
进一步的，在本发明中，所述三侧分段分布式发射装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的长矩形螺旋发射线圈。每个长矩形螺旋发射线圈长度根据运行列车的长度而定，长度约为运行列车长度的10至20倍。三侧分段分布式发射装置安装在悬挂式单轨铁路悬挂梁左右两侧及底部，其中左右两侧分别对称竖直安装，底部发射装置水平安装在悬挂梁底部，三者形成U型槽结构，整条轨道均安装所述三侧分段分布的发射装置。
进一步的，在本发明中，所述的三侧分段分布式接收装置为多个独立的附加串联谐振补偿电容的矩形螺旋接收线圈，每个矩形螺旋接收线圈长度根据每节车厢的长度确定，长度略短于每节车厢的长度。三侧分段分布式接收线圈分别安装在环形悬挂装置内侧的左面、右面以及底面。三侧分段分布式接收装置的安装数量不超过列车车厢数量。
进一步的，在本发明中，所述的三侧分段分布式发射装置各分段内的三个发射装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量发射端回路中包含三个串联连接的能量发射线圈。
进一步的，在本发明中，所述的三侧分段分布式接收装置各分段内的三个接收装置采用串联连接的方式，即每时刻的能量接收端回路中包含三个串联连接的能量接收线圈。
进一步的，在本发明中，所述的三侧分段分布式发射装置和三侧分段分布式接收装置采用相同宽度的矩形螺旋线圈，且竖直安装的线圈水平高度相同，水平线圈正对安装。
进一步的，在本发明中，将采集到的位置信息转换成控制命令，控制线圈切换单元动作，将相应的双侧分布分段式发射装置接入电路。
进一步的，在本发明中，由高频逆变装置给能量发射装置供电，与位于机车正对的接收装置耦合，拾取到来自分布式发射线圈的能量，在接收装置中重新产生交流电流，经过整流变换装置中的电力电子装置，产生适合于机车使用的电能，为负载提供动力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，其特征是：包括电网、高频逆变装置、无线电发射装置、无线电接收装置、整流变换装置和机车负载；
将悬挂梁分成若干长度相同的分段；
所述无线电发射装置包括矩形螺旋发射线圈，所述矩形螺旋发射线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述发射线圈安装在悬挂式单轨铁路悬挂梁左右两侧及底部，其中左右两侧分别对称安装，左右两侧发射线圈的圆心连线轴与地面垂直，底部发射线圈的圆心连线轴与地面水平安装在悬挂梁底部，三者形成U型，每个分段内的左侧、右侧和底部的发射装置采用串联的连接方式；每个分段内的无线电发射装置连接到一个独立的开关并通过高频逆变装置连接到电网；
在悬挂梁的每个分段内设有位置检测装置；所述位置检测装置与所述的独立的开关相连接；
所述无线电接收装置包括矩形螺旋接收线圈，所述矩形螺旋接收线圈为独立的附加串联谐振补偿电容的线圈，所述接收线圈的圆心连线轴与地面垂直，布置在环形悬挂装置内侧的左侧、右侧，左侧和右侧的接收线圈相互对称；所述接收线圈的圆心连线轴与地面水平布置在环形悬挂装置的底部，每节车厢所对应的环形悬挂装置的左侧、右侧和底部的接收装置采用串联的方式连接；所述无线电接收装置通过整流变换装置连接到机车负载；
所述的发射装置和接收装置采用的矩形螺旋线圈宽度相同，竖直安装的线圈水平高度相同，水平线圈正对安装。
2.根据权利要求1所述的一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的发射线圈长度为列车长度的10至20倍。
3.根据权利要求1所述的一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的接收线圈长度与每节车厢长度相同。
4.根据权利要求2或3所述的一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的发射线圈和接收线圈的谐振频率与高频逆变装置产生的高频电流频率一致。
5.根据权利要求1所述的一种悬挂式单轨铁路无线供电系统，其特征是：所述的无线电接收装置安装的数量少于或等于列车车厢的数量。
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