CN108808873A - 一种非接触式轨道交通供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式轨道交通供电系统，包括分段设置于地面导轨上的多段能量发射线圈，每段能量发射线圈的长度及两段能量发射线圈的间隔长度均不小于车厢长度；与能量发射线圈一一对应的、用于控制对应能量发射线圈与牵引电网间的通断的多个分段投切开关；分段设置于地面导轨上的多个地面应答器；设置于机车的车厢内的多段能量拾取线圈，能量拾取线圈一端用于与能量发射线圈进行耦合，另一端通过高频整流器连接牵引电机；机车运行过程中的任意时刻，能量拾取线圈与能量发射线圈的耦合面积之和保持恒定，即车载能量拾取线圈获得的磁通量恒定；车载查询器。本发明能够实现机车在不同分段导轨之间的稳定平滑过渡，保证供电的稳定性和可靠性。

Description

一种非接触式轨道交通供电系统

技术领域

本发明涉及轨道交通供电技术领域，特别是涉及一种非接触式轨道交通供电系统。

背景技术

非接触式的轨道交通供电系统是在机车上设置能量拾取线圈并在轨道上铺设能量发射线圈，通过两个线圈之间的磁场耦合，进行供电。

为提高供电系统的效率，现有方案都采用分段导轨替代集中导轨供电，即在轨道上分段铺设能量发射线圈，并仅机车经过时对应的分段导轨工作对机车进行供电，但目前的系统中一般均存在机车上同一能量拾取线圈同时处于两个分段导轨的过渡工况，即同一能量拾取线圈同时与两段能量发射线圈耦合的情况。此时，要控制两段工作的能量发射线圈的电压相位、幅值一致，否则会在能量拾取线圈产生较大的环流，增加系统损耗，降低能量传输效率，故这种情况下可能会出现能量拾取线圈的功率波动甚至功率拾取失败的情况出现，供电可靠性和稳定性差。

因此，如何提供一种稳定性和可靠性高的非接触式轨道交通供电系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式轨道交通供电系统，能够避免出现一段能量拾取线圈覆盖两段能量发射线圈的情况，同时实现机车在不同分段导轨之间的平滑过渡，保证供电的稳定性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种非接触式轨道交通供电系统，包括地面供电子系统以及车载能量拾取子系统；

所述地面供电子系统包括：

分段设置于地面导轨上的多段能量发射线圈，每段所述能量发射线圈的长度不小于机车车厢的长度，两段所述能量发射线圈之间的间隔长度不小于机车车厢的长度；

分别与所述能量发射线圈一一对应设置的多个分段投切开关，每个所述分段投切开关的一端连接所述能量发射线圈，另一端通过变压器连接牵引电网，所述分段投切开关用于控制对应的能量发射线圈与所述牵引电网之间的通断；

分段设置于地面导轨上的多个地面应答器，用于检测是否接收到车载查询器发送的查询信号，若接收到，控制自身对应的分段投切开关闭合，否则，控制自身对应的分段投切开关断开；

所述车载能量拾取子系统包括：

设置于机车的各个车厢内的多段能量拾取线圈，所述能量拾取线圈一端用于与所述能量发射线圈进行耦合，另一端连接高频整流器交流输入侧，所述高频整流器的直流输出侧连接牵引电机；所述能量拾取线圈用于与所述能量发射线圈进行磁场耦合，感应出高频交流电压、电流；其中，机车运行过程中的任意时刻，各段所述能量拾取线圈与所述能量发射线圈之间的耦合面积之和保持恒定；

所述车载查询器，用于实时发送查询信号。

优选地，所述地面供电子系统还包括：

分别对应于每段所述能量发射线圈的多组地面变流装置，每组所述地面变流装置包括四象限整流器、直流变换器和高频逆变器；

所述四象限整流器的输入端通过所述变压器连接所述牵引电网，输出端连接直流变换器的输入端；

所述直流变换器的输出端连接高频逆变器的输入端；

所述高频逆变器的第一输出端连接所述能量发射线圈的第一端、第二输出端通过所述分段投切开关连接所述能量发射线圈的第二端；

所述车载能量拾取子系统还包括变频器；

所述变频器的输入端连接所述高频整流器的直流输出侧；所述变频器的输出端连接所述牵引电机。

优选地，所述地面供电子系统还包括：输入端连接所述高频逆变器的第二输出端、输出端连接所述分段投切开关的第一调谐补偿单元；

所述车载能量拾取子系统还包括：

串接与所述能量拾取线圈的第二端与所述高频整流器的第二输入端之间的第二调谐补偿单元。

优选地，机车的每个车厢内均铺设一段所述能量拾取线圈，所述能量拾取线圈的长度与机车车厢长度相同。

优选地，每段所述能量发射线圈的长度等于机车车厢的长度，两段所述能量发射线圈之间的间隔长度等于机车车厢的长度。

优选地，每段所述能量发射线圈的长度等于两节机车车厢的长度，两段所述能量发射线圈之间的间隔长度等于两节机车车厢的长度。

优选地，机车的每个车厢内铺设的所述能量拾取线圈为一个与车厢长度一致的大线圈或者为多个小线圈的组合。

优选地，所述地面供电子系统还包括：

与各个所述能量发射线圈连接的冷却装置。

本发明提供了一种非接触式轨道交通供电系统，包括地面供电子系统以及车载能量拾取子系统，其中，地面供电子系统包括多段能量发射线圈，每段能量发射线圈的长度不小于机车车厢的长度，两段能量发射线圈之间的间隔长度不小于机车车厢的长度，车载能量拾取子系统包括设置于机车的各个车厢内的多段能量拾取线圈，且能量发射线圈与能量拾取线圈之间的耦合面积，即覆盖面积始终保持恒定。由于能量拾取线圈设置于车厢内，故每段能量拾取线圈的长度不超过车厢长度，而两段能量发射线圈之间的间隔长度不小于机车车厢的长度，故不可能出现一段能量拾取线圈覆盖两段能量发射线圈的情况，因此，本发明的系统即使出现两段工作的能量发射线圈的电压相位、幅值不一致的情况，也不会影响系统的能量传输效率，减少了机车在分段导轨切换时刻能量拾取线圈功率拾取失败的问题出现；并且由于能量发射线圈与能量拾取线圈之间的耦合面积始终保持恒定，从而保证任意时刻，车载能量拾取线圈获得的磁通量恒定，故本发明能够保证机车在导轨上方所有区域运行时电磁耦合机构获得稳定的互感值，实现了机车在不同分段导轨之间的平滑过渡，保证了供电的稳定性和可靠性；同时相比现有的分段导轨设置方式，减少了能量发射线圈的铺设长度，降低了系统成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种非接触式轨道交通供电系统的线圈铺设结构示意图；

图2为本发明提供的一种非接触式轨道交通供电系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种非接触式轨道交通供电系统，能够避免出现一段能量拾取线圈覆盖两段能量发射线圈的情况，同时实现机车在不同分段导轨之间的平滑过渡，保证供电的稳定性和可靠性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种非接触式轨道交通供电系统，参见图2所示，图2为本发明提供的一种非接触式轨道交通供电系统的结构示意图。该系统包括地面供电子系统1以及车载能量拾取子系统2；

地面供电子系统1包括：

分段设置于地面导轨上的多段能量发射线圈11，每段能量发射线圈11的长度不小于机车车厢的长度，两段能量发射线圈11之间的间隔长度不小于机车车厢的长度；

分别与能量发射线圈11一一对应设置的多个分段投切开关12，每个分段投切开关12的一端连接能量发射线圈11，另一端通过变压器13连接牵引电网，分段投切开关12用于控制对应的能量发射线圈11与牵引电网之间的通断；

分段设置于地面导轨上的多个地面应答器18，用于检测是否接收到车载查询器26发送的查询信号，若接收到，控制自身对应的分段投切开关12闭合，否则，控制自身对应的分段投切开关12断开；

车载能量拾取子系统2包括：

设置于机车的各个车厢内的多段能量拾取线圈21，能量拾取线圈21一端用于与能量发射线圈11进行耦合，另一端连接高频整流器23交流输入侧，高频整流器23的直流输出侧连接牵引电机22；能量拾取线圈21用于与能量发射线圈11进行磁场耦合，感应出高频交流电压、电流；其中，机车运行过程中的任意时刻，各段能量拾取线圈21与能量发射线圈11之间的耦合面积之和保持恒定；

车载查询器26，用于实时发送查询信号。

可以理解的是，本发明采用的是查询-应答机制进行位置检测，利用电磁耦合原理在特定地点校准机车位置，实现车-地面数据交换的点式高速数据交互，电磁感应方式能够避免特殊情况下传感器失效问题，高频段传输避免了信号的电磁干扰。并且，通过设置分段投切开关12，使得仅处于机车下方的部分能量发射线圈11工作，而其余部分能量发射线圈11断开，从而极大的减少了能量的不必要浪费。

作为优选地，地面供电子系统1还包括：

分别对应于每段能量发射线圈11的多组地面变流装置，每组地面变流装置包括四象限整流器14、直流变换器15和高频逆变器16；

四象限整流器14的输入端通过变压器13连接牵引电网，输出端连接直流变换器15的输入端；

直流变换器15的输出端连接高频逆变器16的输入端；

高频逆变器16的第一输出端连接能量发射线圈11的第一端、第二输出端通过分段投切开关12连接能量发射线圈11的第二端；

车载能量拾取子系统2还包括变频器25；

变频器25的输入端连接高频整流器23的直流输出侧；变频器25的输出端连接牵引电机22。

可以理解的是，在牵引工况下：

牵引电网通过变压器13进行降压以及隔离后为四象限整流器14提供交流输入电源。四象限整流器14将交流电进行变换输出直流电，且四象限整流器14可对牵引电网的电压进行有功无功补偿，改善牵引电网的电能质量。直流变换器15将直流电进一步升压为高频逆变器16提供直流母线电压。当机车经过某一分段导轨(这里的分段导轨可以理解为设置于导轨上的分段能量发射线圈11)时，对应的高频逆变器16将直流电变换成高频的交流电，在能量发射线圈11上产生高频磁场，耦合到机车的能量拾取线圈21中，在其上产生高频交流电，经由高频整流器23变换为直流电供给机车牵引变频器25及车载辅助电源，进而为机车电机供电。

在制动工况下：

此时高频整流器23工作在高频逆变状态，能量拾取线圈21将能量通过磁场耦合到能量发射线圈11中。高频逆变单元工作在整流状态，将能量发射线圈11中的交流电转变为交流电，再通过能量可双向流动的直流变换器15和四象限整流器14及变压器13将能量回馈到牵引电网。

可见，本发明的系统中，能够实现能量的双向流动，可将机车制动时的能量回馈给电网或存储到地面储能装置中，有效提高系统能效。

另外，这里的，高频整流器23采用四象限整流器，可以通过调节其交流侧电压的相位幅值，实现能量在牵引电网和机车间的任意流动，实现机车制动时能量向电网的回馈。

其中，这里的高频逆变器16和高频整流器23可以采用级联多电平、二极管钳位多电平、飞跨电容多电平、维也纳等拓扑替代，具体结构本发明不作限定。

进一步的，地面供电子系统1还包括：输入端连接高频逆变器16的第二输出端、输出端连接分段投切开关12的第一调谐补偿单元17；

车载能量拾取子系统2还包括：

串接与能量拾取线圈21的第二端与高频整流器23的第二输入端之间的第二调谐补偿单元24。

可以理解的是，这里的第一调谐补偿单元17和第二调谐补偿单元24是利用相控电感、电容并联电路对系统的频率漂移进行补偿调节，稳定系统谐振频率，提高系统输出功率，降低高频逆变器16的开关损耗。

作为优选地，机车的每个车厢内均铺设一段能量拾取线圈21，能量拾取线圈21的长度与机车车厢长度相同。

可以理解的是，目前有些系统中，能量拾取线圈21间隔铺设于各个车厢内，这种情况下导致部分时刻会出现整个机车的供电由一个能量发射线圈11完成，这种情况下该能量发射线圈11对应的高频逆变器16的功率容量要求需要能够满足整个机车的供电；而在每个车厢内均铺设能量拾取线圈21，且能量拾取线圈21的长度与机车车厢长度相同，则能够保证任意时刻均有超过一个能量发射线圈11供电，从而降低高频逆变器16的功率。

另外，每节车厢内铺设的一段能量拾取线圈21可以为一个与车厢长度一致的大线圈或者为多个小线圈的组合。

当然，以上仅为优选方案，也不必每节车厢配置能量拾取线圈21，本发明对此不作特别限定。

进一步的，每段能量发射线圈11的长度等于机车车厢的长度，两段能量发射线圈11之间的间隔长度等于机车车厢的长度。

可以理解的是，假设机车车厢的个数为n，在上述铺设方式下，任意时刻均有n/2个能量发射线圈11供电，故此时每个能量发射线圈11对应的高频逆变器16的容量降低为2/n。

这种情况下，以一列4节总长36米的机车为例对所提分段导轨与能量拾取线圈21优化方案进行说明。参见图1所示，图1为本发明提供的一种非接触式轨道交通供电系统的线圈铺设结构示意图。

以机车的一节车厢的基准长度9米作为参考。整条机车运行路线每隔9米，铺设一段9米长的能量发射线圈11；相对应地，车体每节车厢内铺设都配置相互独立的能量拾取线圈21。此时，地面单个高频逆变器16容量可以降为原来的1/2。如图1所示，当机车运行到位置1时，能量发射线圈11#1和#2向能量拾取线圈21#A和#B传送能量，能量发射线圈11和能量拾取线圈21对准面积为A1和B1；当机车运行到位置2时，能量发射线圈11#1、#2及#3向能量拾取线圈21#A、#B、#C及#D传送能量，能量发射线圈11和能量拾取线圈21对准面积为A2、B2、C2及D2；当机车运行到位置3时，能量发射线圈11#2和#3向能量拾取线圈21#A和#C传送能量，能量发射线圈11和能量拾取线圈21对准的面积为A3和C3；其中3个位置能量发射线圈11和能量拾取线圈21的对准面积满足A1+B1＝A2+B2+C2+D2＝A3+C3，可见，这几个位置下能量发射线圈11与能量拾取线圈21之间的耦合面积恒定，确保了机车行驶时电磁耦合机构的耦合系数恒定，避免了动态时机车接收功率波动问题。位置2为机车从分段导轨#1、#2向#2、#3过渡状态，此时车载多个能量拾取线圈21向地面能量发射线圈11吸收能量，但由于拾取线圈相互独立且经过高频整流后直流并联，因此不用考虑线圈相位问题，实现了机车在不同分段导轨间的平滑过渡。

在另一种实施例中，每段能量发射线圈11的长度等于两节机车车厢的长度，两段能量发射线圈11之间的间隔长度等于两节机车车厢的长度。

当然，能量发射线圈11还可采用其他铺设方式，本发明对此不作具体限定。

作为优选地，地面供电子系统1还包括：

与各个能量发射线圈11连接的冷却装置19。

可以理解的是，由于工作场合的特殊性，特别是夏季等高温工况下，地面能量发射线圈11温度较高，需要配置专门的冷却装置19对起进行散热处理。

其中，能量拾取线圈21可以采用多个线圈并绕方式进行组合；不同车厢的能量拾取线圈21可以独立接入高频整流器23，也可串联后接入高频整流器23向牵引电机22提供直流电。具体采用哪种方式本发明不作限定。

本发明提供了一种非接触式轨道交通供电系统，包括地面供电子系统以及车载能量拾取子系统，其中，地面供电子系统包括多段能量发射线圈，每段能量发射线圈的长度不小于机车车厢的长度，两段能量发射线圈之间的间隔长度不小于机车车厢的长度，车载能量拾取子系统包括设置于机车的各个车厢内的多段能量拾取线圈，且能量发射线圈与能量拾取线圈之间的耦合面积，即覆盖面积始终保持恒定。由于能量拾取线圈设置于车厢内，故每段能量拾取线圈的长度不超过车厢长度，而两段能量发射线圈之间的间隔长度不小于机车车厢的长度，故不可能出现一段能量拾取线圈覆盖两段能量发射线圈的情况，因此，本发明的系统即使出现两段工作的能量发射线圈的电压相位、幅值不一致的情况，也不会影响系统的能量传输效率，减少了机车在分段导轨切换时刻能量拾取线圈功率拾取失败的问题出现；并且由于能量发射线圈与能量拾取线圈之间的耦合面积始终保持恒定，从而保证任意时刻，车载能量拾取线圈获得的磁通量恒定，故本发明能够保证机车在导轨上方所有区域运行时电磁耦合机构获得稳定的互感值，实现了机车在不同分段导轨之间的平滑过渡，保证了供电的稳定性和可靠性；同时相比现有的分段导轨设置方式，减少了能量发射线圈的铺设长度，降低了系统成本。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种非接触式轨道交通供电系统，其特征在于，包括地面供电子系统以及车载能量拾取子系统；

所述地面供电子系统包括：

分段设置于地面导轨上的多段能量发射线圈，每段所述能量发射线圈的长度不小于机车车厢的长度，两段所述能量发射线圈之间的间隔长度不小于机车车厢的长度；

分别与所述能量发射线圈一一对应设置的多个分段投切开关，每个所述分段投切开关的一端连接所述能量发射线圈，另一端通过变压器连接牵引电网，所述分段投切开关用于控制对应的能量发射线圈与所述牵引电网之间的通断；

分段设置于地面导轨上的多个地面应答器，用于检测是否接收到车载查询器发送的查询信号，若接收到，控制自身对应的分段投切开关闭合，否则，控制自身对应的分段投切开关断开；

所述车载能量拾取子系统包括：

设置于机车的各个车厢内的多段能量拾取线圈，所述能量拾取线圈一端用于与所述能量发射线圈进行耦合，另一端连接高频整流器交流输入侧，所述高频整流器的直流输出侧连接牵引电机；所述能量拾取线圈用于与所述能量发射线圈进行磁场耦合，感应出高频交流电压、电流；其中，机车运行过程中的任意时刻，各段所述能量拾取线圈与所述能量发射线圈之间的耦合面积之和保持恒定；

所述车载查询器，用于实时发送查询信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面供电子系统还包括：

分别对应于每段所述能量发射线圈的多组地面变流装置，每组所述地面变流装置包括四象限整流器、直流变换器和高频逆变器；

所述四象限整流器的输入端通过所述变压器连接所述牵引电网，输出端连接直流变换器的输入端；

所述直流变换器的输出端连接高频逆变器的输入端；

所述高频逆变器的第一输出端连接所述能量发射线圈的第一端、第二输出端通过所述分段投切开关连接所述能量发射线圈的第二端；

所述车载能量拾取子系统还包括变频器；

所述变频器的输入端连接所述高频整流器的直流输出侧；所述变频器的输出端连接所述牵引电机。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述地面供电子系统还包括：输入端连接所述高频逆变器的第二输出端、输出端连接所述分段投切开关的第一调谐补偿单元；

所述车载能量拾取子系统还包括：

串接与所述能量拾取线圈的第二端与所述高频整流器的第二输入端之间的第二调谐补偿单元。

4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，机车的每个车厢内均铺设一段所述能量拾取线圈，所述能量拾取线圈的长度与机车车厢长度相同。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，每段所述能量发射线圈的长度等于机车车厢的长度，两段所述能量发射线圈之间的间隔长度等于机车车厢的长度。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，每段所述能量发射线圈的长度等于两节机车车厢的长度，两段所述能量发射线圈之间的间隔长度等于两节机车车厢的长度。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，机车的每个车厢内铺设的所述能量拾取线圈为一个与车厢长度一致的大线圈或者为多个小线圈的组合。

8.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述地面供电子系统还包括：

与各个所述能量发射线圈连接的冷却装置。