CN114578166B - 一种高速铁路非接触式能量传输试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路非接触式能量传输试验装置及方法，涉及高铁试验测试设备技术领域，包括：设有环形电极的环形电极高速运动设备，设有与环形电极构成试验电极对的试验电极且位于所述环形电极高速运动设备一侧的试验电极精密升降设备，电气测量及供电设备，图像信息采集设备，试验电极的环境模拟系统和控制系统。本发明可以实现高速平稳运行，解决传统弓网电电弧传能试验平台无法模拟高速列车运行工况的问题。

Description

一种高速铁路非接触式能量传输试验装置及方法
技术领域
本发明涉及高铁试验测试设备技术领域，具体涉及一种高速铁路非接触式能量传输试验装置及方法。
背景技术
高速铁路中，传统弓网电接触方式传能界面存在机械、电气、材料多因素耦合情况。在列车高速运行时，常出现电弧频发的现象，而机械冲击、滑板摩擦磨损严重与局部温度过高的问题也越来越难以忽视，有时甚至会出现接触线或受电弓滑板断裂的恶性事件。
相对于接触式传能，采用电弧传能这类非接触式传能的方式可以有效的将传能界面的电气、机械解耦，解决了传统弓网受流方式存在的弓网间机械冲击大，材料磨损严重以及导致的弓网受流系统服役性能迅速下降的问题。此外，采用电弧传能的方式不需要高频器件、容易实现模块化，对电弧传能这一高铁非接触式能量传输方法进行试验具有一定的理论和实际意义。
然而，目前尚未研发出成熟的高铁非接触式能量传输试验平台，现有技术也存在难以模拟强磁场、强气流等特殊环境下列车运行工况，难以测试电弧传能质量的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种高速铁路非接触式能量传输试验装置及方法解决了现有技术难以模拟强磁场、强气流等特殊环境下列车运行工况，难以测试电弧传能质量的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，一种高速铁路非接触式能量传输试验装置，包括：设有环形电极的环形电极高速运动设备；设有与环形电极构成试验电极对的试验电极，且位于所述环形电极高速运动设备一侧的试验电极精密升降设备；与环形电极高速运动设备和试验电极精密升降设备连接的电气测量及供电设备；对准环形电极高速运动设备和试验电极精密升降设备的图像信息采集设备；位于环形电极高速运动设备和试验电极精密升降设备上方，并笼罩环形电极和试验电极的环境模拟系统；与环形电极高速运动设备、试验电极精密升降设备、电气测量及供电设备、图像信息采集设备和环境模拟系统连接的控制系统；
所述环形电极高速运动设备用于模拟列车长距离运行工况；
所述试验电极精密升降设备用于模拟列车受电弓的升弓降弓操作；
所述电气测量及供电设备用于模拟和测量列车受电弓与接触线间的电受流情况；
所述图像信息采集设备用于捕捉环形电极与试验电极间的电弧形态与电弧及电极的温度分布；
所述环境模拟系统用于模拟列车运行的环境；
所述控制系统用于控制环形电极高速运动设备、试验电极精密升降设备、电气测量及供电设备、图像信息采集设备和环境模拟系统，模拟和测量高速铁路列车行进的非接触式能量传输状况。
进一步地，所述环形电极高速运动设备还包括：底座、转盘、皮带、伺服电机；
所述转盘位于底座之上，与底座活动连接；转盘的侧表面贴附有由伺服电机驱动的皮带；
所述环形电极固定连接在转盘的上表面。
进一步地，所述试验电极精密升降设备还包括：支架、升降器、电动缸和绝缘座；
所述升降器固定连接于支架内部，其由在其一侧且也固定连接于支架内部的电缸驱动；
所述绝缘座与升降器的可升降动子顶端固定连接；
所述试验电极与绝缘座的端部固定连接。
进一步地，所述电气测量及供电设备包括：高压探头、电压传感器、电流传感器、功率传感器、电源和试验负载；
所述高压探头用于探测环形电极和试验电极间电弧情况；
所述电压传感器用于测量环形电极和试验电极间的电弧电压数据；
所述电流传感器用于测量环形电极和试验电极间的电弧电流数据；
所述功率传感器用于记录电气测量及供电设备的电功率数据；
所述电源用于提供高压电源；
所述试验负载用于模拟列车负载情况。
进一步地，所述图像信息采集设备包括：高速相机和光谱仪；
所述高速相机用于记录环形电极和试验电极间的电弧燃烧情况，得到电弧形态图像数据；
所述光谱仪用于记录环形电极和试验电极的温度分布及光谱数据，环形电极和试验电极间的电弧的温度分布及光谱数据。
进一步地，所述环境模拟系统包括：气流环境模拟系统、磁场环境模拟系统、温度与降雨环境模拟系统和环境气氛箱体；
所述气流环境模拟系统、磁场环境模拟系统和温度与降雨环境模拟系统均位于环形电极和试验电极旁，并笼罩于环境气氛箱体内；
所述气流环境模拟系统用于输出模拟列车环境的气流场；
所述磁场环境模拟系统采用励磁线圈和励磁电源，用于建立磁场环境；
所述温度与降雨环境模拟系统用于模拟列车运行环境中的温湿度情况；
所述环境气氛箱体上设有观察窗口；
所述高速相机和光谱仪正对观察窗口，并朝向环形电极和试验电极。
进一步地，所述控制系统包括：PC终端和数据采集模块；
所述PC终端与数据采集模块连接，并通过集成数据线与环形电极高速运动设备、试验电极精密升降设备、电气测量及供电设备、图像信息采集设备和环境模拟系统连接，用于通过触摸屏获取人机交互信息，并根据人机交互信息和数据采集模块采集的信息，控制环形电极高速运动设备、试验电极精密升降设备、电气测量及供电设备、图像信息采集设备和环境模拟系统，模拟和测量高速铁路列车行进的非接触式能量传输状况；
所述数据采集模块通过集成数据线与电气测量及供电设备和图像信息采集设备连接，用于获取电弧电压数据、电弧电流数据、电弧形态图像数据、电弧温度分布及其光谱数据和电极温度分布及其光谱数据。
第二方面，一种高速铁路非接触式能量传输试验方法，采用上述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，包括以下步骤：
S1、通过PC终端设置环形电极高速运动设备的转速、试验电极精密升降设备的升降速度、电源的输出电压电流等级、试验负载的负载参数和环境模拟系统模拟的环境参数；
S2、通过PC终端控制环形电极高速运动设备与环境模拟系统开始工作至步骤S1设置的参数要求，并令电源输出电流电压；
S3、通过PC终端控制试验电极精密升降设备开始工作，令电压传感器、电流传感器和功率传感器开始记录数据，令图像信息采集设备开始记录数据；
S4、在电压传感器、电流传感器、功率传感器和图像信息采集设备记录数据的状态中，判断以下状况是否出现：
a)环形电极与试验电极间电弧拉断；
b)电压传感器、电流传感器或功率传感器的数据归零或异常；
c)燃弧时间达到预期值；
若所述a)、b)、c)三种状况任出现一种，则关闭电源，并跳转至步骤S1；若所述a)、b)、c)三种状况均未出现，则结束。
本发明的有益效果为：
1)本发明所提供的环形电极高速运行装置可以实现高速平稳运行，解决传统弓网电电弧传能试验平台无法模拟高速列车运行工况的问题。
2)本发明对电弧电压、电弧电流、传能功率、电弧形态与温度分布等多种数据进行采集并加以综合分析，能更全面地研究电弧传能相关课题。
3)本发明通过PC终端实现了对试验设备的统一控制，实现了对综合试验数据的统一收集，操作简单，提高了试验的便捷性与安全性。
4)本发明通过环境模拟系统可实现对多种列车特殊运行工况的模拟，并采用气氛环境箱体对试验装置进行封闭，改善了传统试验装置难以模拟列车特殊运行工况的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的高速铁路非接触式能量传输试验装置的正视图；
图2为本发明实施例的高速铁路非接触式能量传输试验装置的俯视图；
图3为本发明实施例的高速铁路非接触式能量传输试验装置的局部电学连接关系示意图；
其中附图标记为：1、环形电极高速运动设备；2、试验电极精密升降设备；3、电气测量及供电设备；4、图像信息采集设备；5、环境模拟系统；6、控制系统；11、底座；12、转盘；13、皮带；14、伺服电机；15、环形电极；21、支架；22、升降器；23、电动缸；24、绝缘座；25、试验电极；31、高压探头；32、电压传感器；33、电流传感器；34、功率传感器；35、电源；36、试验负载；41、高速相机；42、光谱仪；51、气流环境模拟系统；52、磁场环境模拟系统；53、温度与降雨环境模拟系统；54、环境气氛箱体；541、观察窗口；61、PC终端；62、数据采集模块；63、集成数据线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，一种高速铁路非接触式能量传输试验装置，包括：设有环形电极15的环形电极高速运动设备1；设有与环形电极15构成试验电极对的试验电极25，且位于所述环形电极高速运动设备1一侧的试验电极精密升降设备2；与环形电极高速运动设备1和试验电极精密升降设备2连接的电气测量及供电设备3；对准环形电极高速运动设备1和试验电极精密升降设备2的图像信息采集设备4；位于环形电极高速运动设备1和试验电极精密升降设备2上方，并笼罩环形电极15和试验电极25的环境模拟系统5；与环形电极高速运动设备1、试验电极精密升降设备2、电气测量及供电设备3、图像信息采集设备4和环境模拟系统5连接的控制系统6。
环形电极高速运动设备1用于模拟列车长距离运行工况，还包括：底座11、转盘12、皮带13、伺服电机14；
转盘12位于底座11之上，与底座11活动连接；转盘12的侧表面贴附有由伺服电机14驱动的皮带13；
环形电极15固定连接在转盘12的上表面。
在本实施例中，转盘12半径400mm，转速从0-5000r/min可调。底座11长800mm，宽600mm。转盘12高362mm。
试验电极精密升降设备2用于模拟列车受电弓的升弓降弓操作，还包括：支架21、升降器22、电动缸23和绝缘座24；
升降器22固定连接于支架21内部，其由在其一侧且也固定连接于支架21内部的电缸23驱动；
绝缘座24与升降器23的可升降动子顶端固定连接；
试验电极25与绝缘座24的端部固定连接。
在本实施例中，绝缘座24位于升降器22正上方且从试验电极精密升降设备2一侧向环形电极15高速运动设备一侧延伸100mm；试验电极25设置在绝缘座24接近环形电极15高速运动设备一端末梢部位的。升降器22可令绝缘座24带动试验电极25在362mm到507mm的高度间升降。试验电极25可根据试验需要进行更换。
电气测量及供电设备3用于模拟和测量列车受电弓与接触线间的电受流情况，包括：高压探头31、电压传感器32、电流传感器33、功率传感器34、电源35和试验负载36；
高压探头31用于探测环形电极15和试验电极25间电弧情况；
电压传感器32用于测量环形电极15和试验电极25间的电弧电压数据；
电流传感器33用于测量环形电极15和试验电极25间的电弧电流数据；
功率传感器34用于记录电气测量及供电设备3的电功率数据；
电源35用于提供高压电源；
试验负载36用于模拟列车负载情况。
在本实施例中，电源35能提供0-1500V的直流电压或0-150A的直流电源或0-150A的直流电源；试验负载36能模拟纯阻性、感性或容性负载.
电气测量及供电设备3中各元件与高速铁路非接触式能量传输试验装置的其他部分的电学连接关系如图3所示。值得注意的是，图3所示的连接关系仅为一实施例，本发明并不限定电气测量及供电设备3中各元件的电学连接关系。
图像信息采集设备4用于捕捉环形电极15与试验电极25间的电弧形态与电弧及电极的温度分布，包括：高速相机41和光谱仪42；
高速相机41用于记录环形电极15和试验电极25间的电弧燃烧情况，得到电弧形态图像数据；
光谱仪42用于记录环形电极15和试验电极25的温度分布及光谱数据，环形电极15和试验电极25间的电弧的温度分布及光谱数据。
环境模拟系统5用于模拟列车运行的环境，包括：气流环境模拟系统51、磁场环境模拟系统52、温度与降雨环境模拟系统53和环境气氛箱体54；
气流环境模拟系统51、磁场环境模拟系统52和温度与降雨环境模拟系统53均位于环形电极15和试验电极25旁，并笼罩于环境气氛箱体54内；
气流环境模拟系统51用于输出模拟列车环境的气流场；
磁场环境模拟系统52采用励磁线圈和励磁电源，用于建立磁场环境；
温度与降雨环境模拟系统53用于模拟列车运行环境中的温湿度情况；
环境气氛箱体54上设有观察窗口541；
高速相机41和光谱仪42正对观察窗口541，并朝向环形电极15和试验电极25。
本实施例中，环境模拟系统5模拟列车运行的环境，包括强气流、低氧含量、低气压、强磁场环境；气流环境模拟系统51位于试验电极对正前方，能够输出符合实际情况的气流场，可输出0-120m/s速度的气流；磁场环境模拟系统52位于试验电极对的正下方与侧面，包括励磁线圈与励磁电源，能够提供多个方向的0-200mT外加磁场；外部温度与降雨环境模拟系统53位于试验电极对正上方，可以将电弧起弧位置的环境温度控制在25-60℃，可以模拟0-50mm的降雨量；试验电极对位于环境气氛箱体54中。基于此，环境气氛箱体54能够模拟不同的气压、气氛组分环境。
控制系统6用于控制环形电极高速运动设备1、试验电极精密升降设备2、电气测量及供电设备3、图像信息采集设备4和环境模拟系统5，模拟和测量高速铁路列车行进的非接触式能量传输状况，其包括：PC终端61和数据采集模块62；
PC终端61与数据采集模块62连接，并通过集成数据线63与环形电极高速运动设备1、试验电极精密升降设备2、电气测量及供电设备3、图像信息采集设备4和环境模拟系统5连接，用于通过触摸屏获取人机交互信息，并根据人机交互信息和数据采集模块62采集的信息，控制环形电极高速运动设备1、试验电极精密升降设备2、电气测量及供电设备3、图像信息采集设备4和环境模拟系统5，模拟和测量高速铁路列车行进的非接触式能量传输状况；
数据采集模块62通过集成数据线63与电气测量及供电设备3和图像信息采集设备4连接，用于获取电弧电压数据、电弧电流数据、电弧形态图像数据、电弧温度分布及其光谱数据和电极温度分布及其光谱数据。
本实施例还提供了一种高速铁路非接触式能量传输试验方法，采用上述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，包括以下步骤：
S1、通过PC终端61设置环形电极高速运动设备1的转速、试验电极精密升降设备2的升降速度、电源35的输出电压电流等级、试验负载36的负载参数和环境模拟系统5模拟的环境参数；
S2、通过PC终端61控制环形电极高速运动设备1与环境模拟系统5开始工作至步骤S1设置的参数要求，并令电源35输出电流电压；
S3、通过PC终端61控制试验电极精密升降设备2开始工作，令电压传感器32、电流传感器33和功率传感器34开始记录数据，令图像信息采集设备4开始记录数据；
S4、在电压传感器32、电流传感器33、功率传感器34和图像信息采集设备4记录数据的状态中，判断以下状况是否出现：
a)环形电极15与试验电极25间电弧拉断；
b)电压传感器32、电流传感器33或功率传感器34的数据归零或异常；
c)燃弧时间达到预期值；
若所述a)、b)、c)三种状况任出现一种，则关闭电源35，并跳转至步骤S1；若所述a)、b)、c)三种状况均未出现，则结束。
在试验的过程中，通过PC终端61改变环形电极高速运动设备1的转速、试验电极精密升降设备2的升降速度、电源35的输出电压电流等级、试验负载36的负载参数和环境模拟系统5模拟的环境参数，重复本方法步骤S1至S4，通过数据采集模块62收集不同“环境”数据，进行高速铁路非接触式能量传输在各环境下的试验与记录。
本发明改变了传统的电弧试验装置结构，其体积较小、实验过程安全可靠、并解决了试验装置无法模拟高速列车运行工况的缺点；通过环境模拟系统实现了对多种列车特殊运行工况的实时模拟，并采用小型气氛环境箱体对试验装置进行封闭，解决了传统试验装置难以模拟特殊运行工况与模拟过程中耗时过长浪费过多的问题；对电弧电压、电弧电流、传能功率、电弧形态与温度分布等多种数据进行采集并加以综合分析，能够多角度、更全面地研究电弧传能相关课题。通过控制系统实现了对多种试验条件的统一控制，实现了对综合试验数据的统一收集，减少了实验人员的操作量，增加了实验过程的便利性与安全性。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，包括：设有环形电极(15)的环形电极高速运动设备(1)；设有与环形电极(15)构成试验电极对的试验电极(25)，且位于所述环形电极高速运动设备(1)一侧的试验电极精密升降设备(2)；与环形电极高速运动设备(1)和试验电极精密升降设备(2)连接的电气测量及供电设备(3)；对准环形电极高速运动设备(1)和试验电极精密升降设备(2)的图像信息采集设备(4)；位于环形电极高速运动设备(1)和试验电极精密升降设备(2)上方，并笼罩环形电极(15)和试验电极(25)的环境模拟系统(5)；与环形电极高速运动设备(1)、试验电极精密升降设备(2)、电气测量及供电设备(3)、图像信息采集设备(4)和环境模拟系统(5)连接的控制系统(6)；
所述环形电极高速运动设备(1)用于模拟列车长距离运行工况；
所述试验电极精密升降设备(2)用于模拟列车受电弓的升弓降弓操作；
所述电气测量及供电设备(3)用于模拟和测量列车受电弓与接触线间的电受流情况；
所述图像信息采集设备(4)用于捕捉环形电极(15)与试验电极(25)间的电弧形态与电弧及电极的温度分布；
所述环境模拟系统(5)用于模拟列车运行的环境；
所述控制系统(6)用于控制环形电极高速运动设备(1)、试验电极精密升降设备(2)、电气测量及供电设备(3)、图像信息采集设备(4)和环境模拟系统(5)，模拟和测量高速铁路列车行进的非接触式能量传输状况。
2.根据权利要求1所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，所述环形电极高速运动设备(1)还包括：底座(11)、转盘(12)、皮带(13)、伺服电机(14)；
所述转盘(12)位于底座(11)之上，与底座(11)活动连接；转盘(12)的侧表面贴附有由伺服电机(14)驱动的皮带(13)；
所述环形电极(15)固定连接在转盘(12)的上表面。
3.根据权利要求2所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，所述试验电极精密升降设备(2)还包括：支架(21)、升降器(22)、电动缸(23)和绝缘座(24)；
所述升降器(22)固定连接于支架(21)内部，其由在其一侧且也固定连接于支架(21)内部的电缸(23)驱动；
所述绝缘座(24)与升降器(22)的可升降动子顶端固定连接；
所述试验电极(25)与绝缘座(24)的端部固定连接。
4.根据权利要求3所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，所述电气测量及供电设备(3)包括：高压探头(31)、电压传感器(32)、电流传感器(33)、功率传感器(34)、电源(35)和试验负载(36)；
所述高压探头(31)用于探测环形电极(15)和试验电极(25)间电弧情况；
所述电压传感器(32)用于测量环形电极(15)和试验电极(25)间的电弧电压数据；
所述电流传感器(33)用于测量环形电极(15)和试验电极(25)间的电弧电流数据；
所述功率传感器(34)用于记录电气测量及供电设备(3)的电功率数据；
所述电源(35)用于提供高压电源；
所述试验负载(36)用于模拟列车负载情况。
5.根据权利要求4所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，所述图像信息采集设备(4)包括：高速相机(41)和光谱仪(42)；
所述高速相机(41)用于记录环形电极(15)和试验电极(25)间的电弧燃烧情况，得到电弧形态图像数据；
所述光谱仪(42)用于记录环形电极(15)和试验电极(25)的温度分布及光谱数据，环形电极(15)和试验电极(25)间的电弧的温度分布及光谱数据。
6.根据权利要求5所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，所述环境模拟系统(5)包括：气流环境模拟系统(51)、磁场环境模拟系统(52)、温度与降雨环境模拟系统(53)和环境气氛箱体(54)；
所述气流环境模拟系统(51)、磁场环境模拟系统(52)和温度与降雨环境模拟系统(53)均位于环形电极(15)和试验电极(25)旁，并笼罩于环境气氛箱体(54)内；
所述气流环境模拟系统(51)用于输出模拟列车环境的气流场；
所述磁场环境模拟系统(52)采用励磁线圈和励磁电源，用于建立磁场环境；
所述温度与降雨环境模拟系统(53)用于模拟列车运行环境中的温湿度情况；
所述环境气氛箱体(54)上设有观察窗口(541)；
所述高速相机(41)和光谱仪(42)正对观察窗口(541)，并朝向环形电极(15)和试验电极(25)。
7.根据权利要求6所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，其特征在于，所述控制系统(6)包括：PC终端(61)和数据采集模块(62)；
所述PC终端(61)与数据采集模块(62)连接，并通过集成数据线(63)与环形电极高速运动设备(1)、试验电极精密升降设备(2)、电气测量及供电设备(3)、图像信息采集设备(4)和环境模拟系统(5)连接，用于通过触摸屏获取人机交互信息，并根据人机交互信息和数据采集模块(62)采集的信息，控制环形电极高速运动设备(1)、试验电极精密升降设备(2)、电气测量及供电设备(3)、图像信息采集设备(4)和环境模拟系统(5)，模拟和测量高速铁路列车行进的非接触式能量传输状况；
所述数据采集模块(62)通过集成数据线(63)与电气测量及供电设备(3)和图像信息采集设备(4)连接，用于获取电弧电压数据、电弧电流数据、电弧形态图像数据、电弧温度分布及其光谱数据和电极温度分布及其光谱数据。
8.一种高速铁路非接触式能量传输试验方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的高速铁路非接触式能量传输试验装置，包括以下步骤：
S1、通过PC终端(61)设置环形电极高速运动设备(1)的转速、试验电极精密升降设备(2)的升降速度、电源(35)的输出电压电流等级、试验负载(36)的负载参数和环境模拟系统(5)模拟的环境参数；
S2、通过PC终端(61)控制环形电极高速运动设备(1)与环境模拟系统(5)开始工作至步骤S1设置的参数要求，并令电源(35)输出电流电压；
S3、通过PC终端(61)控制试验电极精密升降设备(2)开始工作，令电压传感器(32)、电流传感器(33)和功率传感器(34)开始记录数据，令图像信息采集设备(4)开始记录数据；
S4、在电压传感器(32)、电流传感器(33)、功率传感器(34)和图像信息采集设备(4)记录数据的状态中，判断以下状况是否出现：
a)环形电极(15)与试验电极(25)间电弧拉断；
b)电压传感器(32)、电流传感器(33)或功率传感器(34)的数据归零或异常；
c)燃弧时间达到预期值；
若所述a)、b)、c)三种状况任出现一种，则关闭电源(35)，并跳转至步骤S1；若所述a)、b)、c)三种状况均未出现，则结束。
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