CN106526393B - 一种弓网电接触模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓网电接触模拟实验装置，包括接触网和受电弓，还包括用于安装接触网的两根支架，可移动的小车，设置在小车上的负载箱，以及给整个模拟实验装置供电的大电流发生装置；所述大电流发生装置、接触网、受电弓和负载箱串联连接，构成电气回路；所述接触网包括接触线和悬挂结构；所述受电弓包括滑板和支撑结构；所述小车内部设有用于带动小车水平移动的步进电机；所述电流控制器、受电弓控制器和小车控制器均分别通过网络或现场总线通信接口与主控计算机连接。该实验装置是一种由受电弓和接触网构建而成，可提供大电流进行实验，并能够支持静态、滑动与可分合三种电接触形态的模拟实验装置。

Description

一种弓网电接触模拟实验装置

技术领域

本发明涉及电力机车和动车模拟实验装置技术领域，具体涉及一种弓网电接触模拟实验装置。

背景技术

电气化铁路和城市轨道交通系统中，电力列车使用受电弓从架空接触网取得电能。受电弓可分单臂弓和双臂弓两种，均由受电弓滑板、上框架、下臂杆(双臂弓用下框架)、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。

受电弓安装在车厢顶部，列车运行过程中受电弓滑板与提供电能的接触导线保持滑动接触。受电弓和接触网这两个子系统通过弓网接触力耦合在一起，形成一个相互作用的动态系统。

电力列车所需的电能通过受电弓滑板和接触导线的接触点传输，由于接触面积小，滑板和接触导线之间的接触电阻较大，在列车静止或低速移动时，如果通过接触点的电流大，所产生的热效应对滑板和接触导线都会带来损害。

电力列车高速运行时，由于接触网的波动、车体的振动和气动激扰，受电弓滑板与接触导线有可能发生瞬间脱离，从而造成弓网离线。离线产生的电弧火花会烧蚀受电弓滑板和接触导线，缩短其使用寿命。离线瞬间产生的高频震荡过电压严重影响列车牵引传动系统的性能。此外，离线瞬间电弧放电产生的高频电磁波造成噪声污染和无线电干扰。

弓网系统的电接触具有静态、滑动与可分合电接触3种形态，为研究其内在机理和影响，实验室内的弓网电接触实验装置成为必要。

文献号为CN102063118A的中国专利文献公开了一种模拟电力机车受电弓瞬时离线的实验装置，通过两个接触器的断开与闭合来切断和打开变压器的输出，从而模拟受电弓的瞬时离线。该文献公开的实验装置其出发点是为了测试电力机车牵引系统，作用仅仅是切断和打开提供给电力机车的电流，完全不涉及受电弓和接触网系统。

文献号为CN102565593A的中国专利文献公开了一种模拟电力机车和动车受电弓离线的实验装置，该装置可实现受电弓在一个电压周期内任意时刻离线。上述文献公开的实验装置包含了受电弓和接触线，但其关注点是实现受电弓在一个电压周期内任意时刻离线，而不是受电弓和接触线的电接触特性。上述文献公开的实验装置只能模拟受电弓滑板和接触线的静态接触和可分合电接触，无法模拟受电弓滑板和接触线的滑动电接触。并且，该文献公开的实验装置仅能提供高电压供电(25Kv或以上)，对弓网电接触研究而言，为了模拟大电流通过弓网接触点的情况，需要实验装置能提供大电流(1000A以上)。因此，为全面研究弓网电接触特性，有必要提出一种新的弓网电接触实验装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种弓网电接触模拟实验装置，该实验装置是一种由受电弓和接触网构建而成，可提供大电流进行实验，并能够支持静态、滑动与可分合三种电接触形态的模拟实验装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种弓网电接触模拟实验装置，包括接触网和受电弓，还包括用于安装接触网的两根支架，可移动的小车，设置在小车上的负载箱，以及给整个模拟实验装置供电的大电流发生装置；所述大电流发生装置、接触网、受电弓和负载箱串联连接，构成电气回路；所述大电流发生装置包括大容量交流变压器或交流转直流变压器，设置在变压器上的电流开关和用于调节电流大小的调节按钮，所述电流开关和调节按钮均与电流控制器相连；所述接触网包括接触线，以及用于维持接触线水平的悬挂结构；所述受电弓包括滑板，以及设置在小车顶部与滑板之间的支撑结构，所述支撑结构下端与小车顶部固定连接、上端与滑板转动连接，支撑结构内部设有用于带动支撑结构做纵向伸缩运动的伸缩电机，所述伸缩电机连接有受电弓控制器；所述小车内部设有用于带动小车水平移动的步进电机，且该步进电机连接有小车控制器；所述电流控制器、受电弓控制器和小车控制器均分别通过网络或现场总线通信接口与主控计算机连接。

优选的，所述大电流发生装置的输入电流为380V交流电，输出电流为0～380V交流电或者0～1500V直流电，输出电流最大值为5000A。

优选的，所述接触网为柔性接触网；所述悬挂结构包括承力索和吊弦，所述承力索两端固定在支架上，所述吊弦设置在接触线和承力索之间，用于保持接触线处于水平状态。

优选的，所述承力索两端均分别通过移动机构悬空安装在两根支架上，该移动机构内设有可带动与其相接的承力索端部在支架上水平或纵向移动的驱动电机，所述驱动电机还连接有接触网控制器，该接触网控制器与主控计算机通过网络或现场总线通信接口连接。

优选的，所述接触网为刚性接触网，所述悬挂结构包括汇流排和承载梁；所述承载梁架设在支架上，承载梁下方安装汇流排，汇流排夹持住接触线。

优选的，所述支撑结构为V形伸缩结构。

优选的，所述负载箱包括大功率电阻和电感，为实验装置电气回路提供阻性负载和感性负载，且该负载箱上设有调整阻性负载和感性负载档位的负载调整按钮。

优选的，所述网络是有线以太网或无线WIFI网络；所述现场总线通信接口为RS485或CAN。

优选的，所述电流控制器、受电弓控制器、小车控制器和接触网控制器均为PLC或单片机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用真实的受电弓滑板和接触线，可调节弓网接触力的大小和接触线张力的大小，最大限度的模拟了弓网电接触的实际工作情况。

(2)本发明施加在受电弓滑板和接触线上的电流大小可调节，最大电流可达5000安培，从而可模拟各种轨道交通受流系统的弓网电接触，包括高速铁路的柔性接触网和城市地铁中的刚性接触网。

(3)本发明通过移动车带动受电弓沿接触线运动，可实现弓网系统滑动电接触的模拟；通过升降受电弓滑板，来模拟滑板和接触线的静态与可分合电接触，从而支持三种电接触的研究。

(4)本发明采用计算机程序控制各个控制器，具有良好的人机界面，根据需要灵活配置实验参数，可自动运行实验并监控实验状态。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明柔性接触网示意图。

图3为本发明刚性接触网示意图。

图4为本发明悬挂结构截面图。

图5为本发明控制装置星型连接框图。

图6为本发明控制装置总线连接框图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-支架，2-小车，3-负载箱，4-大电流发生装置，5-接触线，6-悬挂结构，61-承力索，62-吊弦，63-移动机构，64-承载梁，65-汇流排，7-滑板，8-支撑结构。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

本实施例主要是针对高速铁路应用中的弓网电接触特性研究的需要，提供一种采用受电弓和接触网构建的、可提供大电流、支持静态、滑动与可分合3种电接触形态的实验装置。

如图1所示，本实施例的实验装置包括接触网及其支架1、受电弓、小车2、大电流发生装置4、负载箱3和控制装置；其中，所述大电流发生装置4、接触网、受电弓和负载箱3串联连接，构成电气回路。

如图1和图2所示，所述接触网为柔性接触网，包括跨接在两根支架1上的接触线5和悬挂结构6，该悬挂结构6包括承力索61和多根吊弦62，所述承力索61两端固定在支架1上，所述吊弦62设置在接触线5和承力索61之间，用来承载接触线5的重量，以减小接触线5的弛度，保持接触线5高度一致。所述承力索61两端均分别通过移动机构63悬空安装在两根支架1上，该移动机构63内设有可带动与其相接的承力索61端部在支架1上水平或纵向移动的驱动电机，以拉紧或放松接触线5，并且该移动机构63还可带动承力索61围绕支架1中心位置上下左右移动，从而带动接触线移动，以改变接触线5的空间高度和相对支架1中心线的偏移，调节施加在接触线5上的张力，最大限度的模拟了弓网电接触的实际工作情况。

所述支架1为大型支架1，共有两根，用于架设接触网。

所述受电弓包括滑板7，以及设置在小车2顶部与滑板7之间、具有V形可伸缩结构的支撑结构8；所述支撑结构8下端与小车2顶部固定连接、上端与滑板7转动连接，使滑板7能够支撑结构8端部作少量的转动，增强其适应性；支撑结构8内部设有用于带动支撑结构8做纵向伸缩运动的伸缩电机，该支撑结构8在做纵向伸缩运动时可带动滑板7与接触线5接触或分离，还可调节滑板7和接触线5之间的接触力。

所述小车2内部设有用于带动小车2水平移动的步进电机，可带动小车2在支架1之间的地面上行驶，带动受电弓移动，从而实现受电弓滑板7和接触线5之间的滑动电接触，进而实现弓网系统滑动电接触的模拟。

所述大电流发生装置4用于给整个模拟实验装置供电，包括大容量交流变压器或交流转直流变压器，设置在变压器上的电流开关和用于调节电流大小的调节按钮。所述大电流发生装置4的输入电流为380V交流电，输出电流为0～380V交流电或者0～1500V直流电，输出电流最大值为5000A，可模拟各种轨道交通受流系统的弓网电接触，包括高速铁路的柔性接触网和城市地铁中的刚性接触网。

所述负载箱设置在小车2上方，所述负载箱3包括大功率电阻和电感，为实验装置电气回路提供阻性负载和感性负载，且该负载箱上设有调整阻性负载和感性负载档位的负载调整按钮。

如图5所示，所述控制装置包括主控计算机，以及与主控计算机相连的控制器组，所述控制器组包括设置在移动机构63内部、并与驱动电机相连的接触网控制器，设置在支撑结构8内部、并与伸缩电机相连的受电弓控制器，设置在小车2上、并与步进电机相连的小车控制器，以及设置在大电流发生装置4内部、并与电流开关和调节按钮相连的电流控制器。接触网控制器负责从主控计算机接收接触网移动机构63相对其预先设定的中心点的移动距离和方向，并将其转换成控制移动机构63移动的控制指令，并发送给移动机构63；受电弓控制器负责从主控计算机接收受电弓升降指令，转换成伸缩电机的控制指令，并发送指令给伸缩电机；小车控制器负责从主控计算机接收移动车运动指令，转换成小车2上步进电机的控制指令，并发送指令给步进电机；电流控制器负责从主控计算机接收大电流发生装置4的输出电流值和实验装置电气回路的开关状态，转换成大电流发生装置4的电流调节装置和实验装置电气回路的开关的控制指令，并发送指令给电流开关和调节按钮。

所述控制器组中的各个控制器是具有通信和计算能力的可编程单元，可以是可编程逻辑控制器PLC或单片机；主控计算机和各个控制器的连接方式是通过网络星型连接，控制计算机和各子系统控制器之间分别是点对点的通信链路；所述网络是有线以太网或无线WIFI网络；利用主控计算机控制各个控制器，具有良好的人机界面，根据需要灵活配置实验参数，可自动运行实验并监控实验状态。

对接触网的移动机构63的控制方法如下：用户在主控计算机中指定接触网移动机构63相对支架1预设中心点移动的距离和方向，主控计算机通过网络把距离和方向发送到接触网控制器，接触网控制器通过驱动电机按指定的距离和方向移动。

对受电弓升降的控制方法如下：用户在主控计算机上指定支撑架往上或往下移动，主控计算机通过网络把升/降指令发送到受电弓控制器，受电弓控制器通过伸缩电机带动受电弓滑板7上升或者下降。

对小车2的控制方法如下：用户在主控计算机上指定小车2前进、暂停或后退，并指定其前进或后退的距离和速度，主控计算机通过网络把移动距离、前进/暂停/后退或往返运动的指令发送到小车控制器，小车控制器按指令通过步进电机带动移动车在轨道上运动。

对大电流发生装置4的控制方法如下：用户在主控计算机上指定大电流发生装置4的输出电流值，主控计算机通过网络把电流值发送到大电流发生装置4控制器，控制器打开大电流发生装置4电气回路中的开关，调节输出电流至指定值。

本实施例实验装置的使用方法如下：

用户在主控计算机上指定滑动电接触实验电流值、小车2移动速度(即受电弓移动速度)、并通过调整负载调整按钮对负载箱3调档并指定实验运行时间后，开始实验。主控计算机通过网络把试验电流值发送到电流控制器，电流控制器打开大电流发生装置4电气回路中的开关，调节输出电流至指定值。主控计算机不断读取电气回路中的电流，确认电流值达到指定值之后，通过网络把移动速度、往返运行或暂停等指令发送到小车控制器，小车控制器按指令通过步进电机带动小车2在轨道一定距离范围内往返运动。

实验运行时间到期后，主控计算机通过网络把停止指令发送给电流控制器和小车控制器。电流控制器按指令调节输出电流至零，断开电气回路开关。小车控制器停止小车2运动。在实验运行过程中，主控计算机不断读取电气回路中的电流值，如果电流值和指定值差别大于指定值(例如10安培)，持续时间大于指定值(例如10秒钟)，主控计算机发送紧急停止指令给电流控制器，电流控制器接收到紧急停止指令后立即断开电气回路开关。主控计算机随后发送停止指令给小车控制器，停止小车2的运行。

实施例2

本实施例主要是针对城市地铁中的弓网电接触特性研究的需要，提供的弓电网接触模拟实验装置，与实施例1相比，仅有以下不同：

1)所述受电弓中的伸缩电机更换为电磁阀或气动阀，且该电磁阀或气动阀通过绝缘拉杆与受电弓滑板7连接，来带动受电弓滑板7与接触线5接触或分离。

2)如图1、图3和图4所示，所述接触网为刚性接触网，其悬挂结构6包括汇流排65和承载梁64；所述承载梁64架设在支架1上，承载梁64下方安装汇流排65，汇流排65夹持住接触线5该实现结构不需要附加机构对接触线5施加张力。

3)如图6所示，所述控制装置中，主控计算机和各个控制器的连接方式是总线连接，控制计算机和各子系统控制器都连接在总线上，共享同一条物理通信链路。其中，所述现场总线通信接口为RS485或CAN。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种弓网电接触模拟实验装置，包括接触网和受电弓，其特征在于，还包括用于安装接触网的两根支架（1），可移动的小车（2），设置在小车（2）上的负载箱（3），以及给整个模拟实验装置供电的大电流发生装置（4）；所述大电流发生装置（4）、接触网、受电弓和负载箱（3）串联连接，构成电气回路；所述大电流发生装置（4）包括大容量交流变压器或交流转直流变压器，设置在变压器上的电流开关和用于调节电流大小的调节按钮，所述电流开关和调节按钮均与电流控制器相连；所述接触网包括接触线（5），以及用于维持接触线（5）水平的悬挂结构（6）；所述受电弓包括滑板（7），以及设置在小车（3）顶部与滑板（7）之间的支撑结构（8），所述支撑结构（8）下端与小车（2）顶部固定连接、上端与滑板（7）转动连接，支撑结构（8）内部设有用于带动支撑结构（8）做纵向伸缩运动的伸缩电机，所述伸缩电机连接有受电弓控制器；所述小车（2）内部设有用于带动小车（2）水平移动的步进电机，且该步进电机连接有小车控制器；所述电流控制器、受电弓控制器和小车控制器均分别通过网络或现场总线通信接口与主控计算机连接；

弓网电接触模拟实验装置的使用方法如下：

用户在主控计算机上指定滑动电接触实验电流值、小车移动速度、并通过调整负载调整按钮对负载箱调档并指定实验运行时间后，开始实验；主控计算机通过网络把试验电流值发送到电流控制器，电流控制器打开大电流发生装置电气回路中的开关，调节输出电流至指定值；主控计算机不断读取电气回路中的电流，确认电流值达到指定值之后，通过网络把移动速度、往返运行或暂停等指令发送到小车控制器，小车控制器按指令通过步进电机带动小车在轨道一定距离范围内往返运动；

实验运行时间到期后，主控计算机通过网络把停止指令发送给电流控制器和小车控制器，电流控制器按指令调节输出电流至零，断开电气回路开关，小车控制器停止小车运动；在实验运行过程中，主控计算机不断读取电气回路中的电流值，如果电流值和指定值差别大于指定值，持续时间大于指定值，主控计算机发送紧急停止指令给电流控制器，电流控制器接收到紧急停止指令后立即断开电气回路开关，主控计算机随后发送停止指令给小车控制器，停止小车的运行。

2.根据权利要求1所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述大电流发生装置（4）的输入电流为380V交流电，输出电流为0～380V交流电或者0～1500V直流电，输出电流最大值为5000A。

3.根据权利要求1或2所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述接触网为柔性接触网；所述悬挂结构（6）包括承力索（61）和吊弦（62），所述承力索（61）两端固定在支架（1）上，所述吊弦（62）设置在接触线（5）和承力索（61）之间，用于保持接触线（5）处于水平状态。

4.根据权利要求3所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述承力索（61）两端均分别通过移动机构（63）悬空安装在两根支架（1）上，该移动机构（63）内设有可带动与其相接的承力索（61）端部在支架（1）上水平或纵向移动的驱动电机，所述驱动电机还连接有接触网控制器，该接触网控制器与主控计算机通过网络或现场总线通信接口连接。

5.根据权利要求1所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述接触网为刚性接触网，所述悬挂结构（6）包括汇流排（65）和承载梁（64）；所述承载梁（64）架设在支架（1）上，承载梁（64）下方安装汇流排（65），汇流排（65）夹持住接触线（5）。

6.根据权利要求4或5所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述支撑结构（8）为V形伸缩结构。

7.根据权利要求6所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述负载箱（3）包括阻性负载和感性负载，且该负载箱上设有调整阻性负载和感性负载档位的负载调整按钮。

8.根据权利要求4所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述网络是有线以太网或无线WIFI网络；所述现场总线通信接口为RS485或CAN。

9.根据权利要求8所述的一种弓网电接触模拟实验装置，其特征在于，所述电流控制器、受电弓控制器、小车控制器和接触网控制器均为PLC或单片机。