无线供电型高速列车系统的制作方法
【技术领域】
[0001]电力列车在低速运行状态下，受电弓滑板与接触网导线之间的接触相对平稳，通常能够正常受流。然而在高速运行状态下，弓网关系将受到摩擦、离线、振动、电弧和环境等多方面挑战，持续稳定的高速受流问题亟待解决。因此，研究高速列车无线供电技术具有十分重要的意义。本发明对于高速列车拓展了一种新的供电方式，能量的发送线圈沿轨道悬空架设于车身之上，接收线圈在车身顶部，能量从上往下传递。本发明代替了受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在数十厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题，从而显著提高受流质量。如果本发明应用于实践，将是高铁供电方法革命性突破，对高铁发展具有里程碑意义。
【背景技术】
[0002]传统的电能传输方式主要是以导线为介质的电能传输，这种方式不仅破坏了人们生活的美感，而且由于存在老化、摩擦、磨损、易产生火花等问题，影响了供电的安全性和可靠性，缩短了电气设备的使用寿命。另外，传统的有线输电方式已经不能满足时代的发展，不再满足一些特殊应用场合的需求，无线电能传输(Wireless Electricity Transfer)方式的出现弥补了以上不足。无线输电技术始于1889年的尼古拉.特斯拉的研究，多年来国内外的科学家执着地开展了很多探索研究工作，但进展较为缓慢。无线输电技术作为新的电能储存和传输技术越来越受到国内外研究人员的关注，在电动汽车、航空航天、电力系统、能源交通、生物医疗、通讯技术等领域具有广泛的应用前景。按照应用场合的不同，无线电能传输主要分为电磁波福射式、电磁感应式、磁親合谐振式三种传输方式。
[0003]《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中指出交通运输作为国家重点发展方向，高速轨道作为首要的运输载体。国务院批准实施《中长期铁路网规划》方案，使我国高速铁路在较短时间内取得了迅猛发展。2012年，国务院通过了《“十二五”综合交通运输体系规划》，其中指出中国要在2015年建成“四横四纵”的高铁运输网络，3个城际快速客运高铁系统，建设周边的延伸线、辅助线和联络线。预计2015年中国将具有接近2万公里的高铁总里程。我国的高速铁路系统以崭新的面貌，与日本新干线N70系与E5系、法国TGV和德国ICE系一起成为世界高速铁路技术的典型代表。国内以及国外的高速铁路在建设中和运营中的经验表明了尚速铁路具有五大特点:尚稳定性、尚可靠性、尚安全性、尚平顺性、尚精确度等。处理好受电弓与接触网之间的关系，解决高速下列车稳定受流，是保证“五高特点”能够实现的必要途径。高铁列车在高速运行状态下，摩擦、离线、振动、打弧和自然环境等等都会给弓网关系带来问题。这些问题的存在，显而易见是制约高铁列车迅速发展的瓶颈。为解决这些问题，本发明利用无线电能传输技术向高铁列车提供稳定、可靠的电能。
【发明内容】
[0004]本发明是以无线供电方式向高速电力机车进行供电，可以避免由于受电弓滑板在接触网导线上滑动取电而造成的材料磨损与弓网电弧问题，实现向高速列车稳定、可靠的提供驱动电源，显著提高受流质量，对促进我国高速铁路的建设和发展具有重要意义。
[0005]本发明所采用的技术方案是:基于无线供电技术的高速列车系统，设置有整流滤波部分(I)将普通的市电220V电源输入的交流电转变成直流电；斩波调功部分(2)用于将整流滤波部分输出的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流，相当于调节功率的作用；高频逆变部分(3)应用功率振荡电路产生高频的电流；高频谐振部分(4)使能量发送端与接收端的频率达到平衡；能量发送线圈(5)将高频电流转化为高频磁场；能量接收线圈(6)将高频磁场转化为交流电流；整流滤波部分(7)将电磁场接收线圈(6)接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电，进而将直流电调制成所需频率的交流电，最终将交流电输出到列车模型(9)下的负载电机⑶；电磁屏蔽模块(10)将多余的磁场束缚在其中，以便减少涡流损耗的产生。
[0006]所述的整流滤波部分(I)由整流电路和滤波电路两部分组成，整流部分用二极管将交流电变为直流电，同时滤波电路串联在整流电路用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电。
[0007]所述的斩波调功部分(2)由IGBT完成，用于将整流滤波部分输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流，输出电压的大小取决于控制器的PWM(16)输出。
[0008]所述的高频逆变部分(3)由桥逆变电路组成，其控制端也由控制器的PWM(17)完成，全桥逆变电路的开关频率固定，与发射线圈(5)的谐振频率一致。
[0009]所述的高频谐振部分(4)采用的是串联谐振，使能量发送端与接收端的频率达到平衡。
[0010]所述的高频逆变电源(12)，包括整流滤波部分(1)，斩波调功部分(2)，高频逆变部分(3)和高频谐振部分(4)。
[0011]所述的能量发送线圈(5)由外加绝缘层的金属导体组成，悬空架设于机车(9)的顶部，其谐振频率与电源频率保持一致，以保证较低的反射系数，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场。
[0012]所述的能量接收线圈(6)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，安装在机车(9)的正上方，接收线圈(6)在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈(6)与电源频率保持一致，以保证接收线圈(6)在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的尚效传递。
[0013]所述的整流滤波部分(7)由桥式整流电路、滤波电路、斩波电路组成，其中桥式整流电路将线圈获得的交流电整流成直流电，滤波电路消除电路中的高次谐波，随后斩波电路将滤波后的直流电转变成恒定输出电压的直流电，进而也可将直流电调制能所需频率的交流电。
[0014]本发明以无线供电的方式给高速列车提供电能允许存在数十厘米的工作间隙，因此提高了绝缘强度，从而避免了弓网电弧频繁出现的问题。在覆冰、大风等恶劣天气下，依然能够稳定、可靠供电；当整个系统出现振动或位移时，高铁列车获得的功率并不会发生剧烈变化，从而显著提高受流质量。本发明使高铁供电方法具有革命性突破，对高铁发展具有里程碑意义。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体功能框图；
[0016]图2是本发明高频逆变电源部分工作过程图；
[0017]图3是本发明无线供电型高速列车供电端与机车接收端位置图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例和附图1、图2和图3对本发明无线供电型高速列车系统做出详细的说明。
[0019]如图1所示本发明的整体功能框图。设置有整流滤波⑴；斩波调功(2);高频逆变⑶；高频谐振⑷；能量发送(5);能量接收(6);整流滤波(7);负载电机⑶；列车模型
(9);电磁屏蔽模块(10)。其中整流滤波部分(I)，斩波调功部分(2)，高频逆变部分(3)和高频谐振部分(4)全部包含在高频逆变电源(12)中。
[0020]如图2所示为高频逆变电源(12)的工作过程。高频逆变电源(12)采用数字化高频电源，控制器(13)应用DSP和FPGA配套使用，DSP选用的是TI公司的TMS320LF2407A，FPGA选用的是ALTERA公司的EPM570F100C5N。控制器(13)主要用于采集斩波调功(2)后的直流电压值(14)和高频逆变(3)后的高频电流值(15)。高频逆变电源(12)设置有触摸屏，可对电源进行参数的选定，主要用于设定电源的输出功率和实现最大效率的电源输出谐振频率。其中通过PWM(16)控制斩波调功的功率值，即为电源的输出功率值；通过PWM(17)控制高频逆变部分的全桥逆变电路，使电源输出达到谐振状态，以致效率最高。触摸屏还可以实时显示直流电压值(14)和高频电流值(15)，触摸屏与控制器(13)之间应用的是485通信。这样，实时采集到直流电压值(14)和高频电流值(15)与触摸屏上输出的设定值进行比较，用控制器(13)输出PffM(16)、PffM(17)对系统进行误差调节，使系统达到平衡。
[0021]如图3所示为本发明的供受电结构位置图。高频逆变电源(12)的输出直接连接到悬空架设在列车(9)之上的发送线圈(5)，发送线圈(5)布满整个列车轨道(11)。接收线圈(6)设置在列车(9)顶部，随列车(9) 一直处在运动状态。发送线圈(5)与接收线圈
(6)之间有大约1mm的距离。在发送线圈(5)上方以及接收线圈(6)下方设置有屏蔽层
(10)，首先能减少磁场的丢失提高了传能效率，其次能保证列车(9)内乘客不被高频磁场的干扰。本发明采用发送线圈(5)特定距离内的分时供电，这样列车达到哪段线圈立即开启此段线圈的输出同时将关断前一段线圈的输出，起到提高传能效率的作用。
【主权项】
1.无线供电型高速列车系统，其特征在于设置有新的供电方式。应用无线供电技术的高速列车，显著提高了受流质量。2.根据权利要求1所述的无线供电型高速列车系统，其特征还在于供电端沿轨道悬空架设于列车之上，受电端安装于列车顶部，能量通过空间磁场传递。3.根据权利要求1所述的无线供电型高速列车系统，其特征还在于代替了受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在几厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题。4.根据权利要求1所述的无线供电型高速列车系统，其特征还在于供电端特定距离内的分时供电，这样列车达到哪段线圈立即开启此段线圈的输出同时将关断前一段线圈的输出，起到提高传能效率节约电能的作用。
【专利摘要】本发明涉及基于无线供电技术的高速列车系统，主要包括整流滤波(1)；斩波调功(2)；高频逆变(3)；高频谐振(4)；能量发送(5)；能量接收(6)；整流滤波(7)；负载电机(8)；列车模型(9)；电磁屏蔽模块(10)。本发明对于高速列车拓展了一种新的供电方式，能量的发送线圈(5)沿轨道悬空架设于车身(9)之上，接收线圈(6)在车身(9)顶部，能量从上往下传递。本发明代替了受电弓与接触网滑动取电的传统方式，允许存在几厘米的工作间隙，提高了绝缘强度，避免了弓网电弧频繁出现及高速移动时材料磨损等诸多问题，从而显著提高受流质量。
【IPC分类】B61C3/00, H02J17/00
【公开号】CN105048656
【申请号】CN201510569730
【发明人】李连鹤, 张欣, 杨庆新, 张献, 薛明, 章鹏程, 苏杭
【申请人】天津工业大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年9月8日