用于货物地下提升及地面运输的超导复合供电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非接触电力传输和超导供电技术领域，特别涉及一种用于货物地下提升及地面运输的超导复合供电系统。
【背景技术】
[0002]利用金属导体直接接触的电能传输方式存在诸多安全隐患，如器件滑动磨损、接触电火花、带电导体裸露等。近年来，基于初级和次级分离的松耦合变压器原理的感应耦合式电能传输技术已日趋实用化和商业化，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。感应耦合式电能传输技术避免了供电电源与用电负载之间的直接金属导体连接，可以为各类移动电气设备、工作于水下及易燃易爆等特殊环境下的电气设备提供灵活、安全、可靠的非接触电能供应。
[0003]由于作为电能传输核心部件的松耦合变压器的电磁耦合系数较低，必须通过提高初级绕组电流频率或增大初级绕组电流幅值才能实现大功率的非接触电能传输。受限于常规铜、铝导体的电气性能，如允许工作电流密度较低、电阻率较高等，较大的初级绕组电流幅值将会增加装置整体的体积和重量，并会降低电能传输效率。目前的实用解决方案是通过提高初级绕组电流频率(如几十kHz至几百kHz)来实现大功率、高效率非接触电能传输，其相关实用产品已成功应用到电动汽车的车载蓄电池充电、单轨行车供电等电气设备。
[0004]然而，这种通过提高初级绕组电流频率的实用解决方案无法直接利用公用电网的50Hz工频交流电能，需要在松耦合变压器的初级侧增设额外的工频-高频变换电源设备，还将引起较大的功率电子开关损耗和铁芯损耗，及产生一定的高频电磁干扰问题。此外，在采矿、采油、大型车间等易燃、易爆环境中的各种低速大力矩电机的非接触电能传输应用中，这种通过提高初级绕组电流频率的实用解决方案还需要进一步在松耦合变压器的次级侧增设额外的高频-工频变换电源设备，以满足低速大力矩电机的工频交流电能需求。
[0005]超导体具有比常规铜导体高两个数量级以上的允许工作电流密度，且兼备近似为零的损耗电阻。那么，相同体积的超导绕组可以通过比常规铜绕组高两个数量级以上的电流幅值，并实现近似为零的绕组损耗，从而使通过增大初级绕组电流幅值来实现大功率、高效率非接触电能传输成为可能。关于引入超导绕组以实现感应耦合式电能传输的技术方案，目前的研究成果仅仅是探讨了其技术可行性，侧重于装置概念设计及仿真分析，但是没有给出含超导绕组的感应耦合式电能传输实用化技术方案，尤其是没有涉及到同时结合了接触式供电和感应式供电的超导复合供电系统的设计和应用方案。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于货物地下提升及地面运输的超导复合供电系统。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是:一种用于货物地下提升及地面运输的超导复合供电系统，其包括混合超导变压器子系统、接触式供电子系统、感应式供电子系统以及超导供电管道；其中，
[0008]所述混合超导变压器子系统，用于将工频交流电网输入的高电压、低电流工频交流电转换为低电压、高电流工频交流电；
[0009]所述超导供电管道，用于传输低电压、高电流工频交流电；
[0010]所述接触式供电子系统和所述感应式供电子系统，分别用于为地下提升装置和地面运输车供电；
[0011]所述地下提升装置将货物从地下提升至地面，所述地面运输车在环形运输轨道上运送货物，所述超导供电管道设置在所述环形运输轨道之间，所述接触式供电子系统与所述超导供电管道直接接触后，由所述超导供电管道提供电能输入，驱动所述地下提升装置提升货物；所述感应式供电子系统通过与所述超导供电管道发生电磁感应而获取电能输入，驱动所述地面运输车沿所述运输轨道运输货物。
[0012]根据一种具体的实施方式，所述超导供电管道包括U形管道和位于所述U形管道内的第一超导交流电缆和第二超导交流电缆；其中，
[0013]所述U形管道包括第一供电管道、第二供电管道以及连通所述第一供电管道和所述第二供电管道的连通部，并且所述第一供电管道和第二供电管道与所述运输轨道平行，所述连通部位于所述接触式供电子系统的附近；
[0014]所述混合超导变压器子系统分别与第一超导交流电缆和第二超导交流电缆连接，用于传输低电压、高电流工频交流电；所述第一供电管道和第二供电管道的开口安装在所述混合超导变压器子系统上，将所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆分别穿入所述第一供电管道和所述第二供电管道内，并铺设至所述连通部内后，所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆分别通过超导电流引线与所述接触式供电子系统连接；
[0015]当所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆传输低电压、高电流工频交流电时，所述感应式供电子系统通过与所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆发生电磁感应而产生电能。
[0016]根据一种具体的实施方式，所述混合超导变压器子系统包括高压铜绕组、低压超导绕组、矩形铁芯、低温杜瓦、制冷机和液氮栗；其中，
[0017]所述高压铜绕组安装在所述矩形铁芯的一个铁芯柱上，所述高压铜绕组与工频交流电网连接；所述低压超导绕组浸泡在所述低温杜瓦内部的液氮中，所述低温杜瓦安装在所述矩形铁芯的另一个铁芯柱上；
[0018]所述高压铜绕组、所述低压超导绕组和所述矩形铁芯构成的混合超导变压器，用于将工频交流电网输入的高电压、低电流工频交流电转换为低电压、高电流工频交流电，并且由所述低压超导绕组分别与所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆连接；
[0019]所述制冷机安装在所述低温杜瓦的盖板上，所述制冷机的制冷头伸入至所述低温杜瓦内部，用于维持液氮的工作温度；
[0020]所述第一供电管道和第二供电管道的开口伸入至所述低温杜瓦内部，所述液氮栗浸泡在所述低温杜瓦内部液氮中，用于驱动液氮在所述U形管道和所述低温杜瓦之间的循环流动，维持所述U形管道内的所述超导交流电缆的工作温度。
[0021]根据一种具体的实施方式，所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆还分别通过所述超导电流引线与初级补偿电路连接，用于提高传输的低电压、高电流工频交流电的电能功率；其中，
[0022]所述第一供电管道和所述第二供电管道上分别设置一个节点通道，所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆上连接的所述超导电流引线，穿过相应的节点通道后，与所述初级补偿电路连接。
[0023]根据一种具体的实施方式，所述连通部设置有两个节点通道，并且所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆上连接的所述超导电流引线，各穿过一个节点通道后，与所述接触式供电子系统连接。
[0024]根据一种具体的实施方式，所述接触式供电子系统包括第一交流-直流变流器、第一直流斩波器、第一直流-交流变流器；其中，
[0025]所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆上连接的所述超导电流引线，穿过所述连通部上的节点通道后，分别与所述第一交流-直流变流器连接，所述第一交流-直流变流器、所述第一直流斩波器和所述第一直流-交流变流器依次串联连接，用于将所述超导电流引线输入的低电压、高电流工频交流电进行电能变换后，为所述地下提升装置的电动机供电。
[0026]根据一种具体的实施方式，所述感应式供电子系统包括E形铁芯、次级感应绕组、次级补偿电路、第二交流-直流变流器、第二直流斩波器、第二直流-交流变流器、第三直流斩波器以及车载蓄电池；其中，
[0027]所述E形铁芯安装在地面运输车的底部，所述E形铁芯的两个铁芯窗口嵌套在所述第一供电管道和所述第二供电管道上，使所述第一超导交流电缆和所述第二超导交流电缆构成所述感应式供电子系统的初级供电绕组，并且所述次级感应绕组安装在所述E形铁芯的中心铁芯柱上；
[0028]所述次级感应绕组与所述次级补偿电路连接，所述次级补偿电路、所述第二交流-直流变流器连接、所述第二直流斩波器依次串联连接，所述第二直流斩波器分别与所述第三直流斩波器和所述第二直流-交流变流器连接，并且所述第三直流斩波器与所述车载蓄电池连接，所述第二直流-交流变流器与所述地面运输车的电动机连接；
[0029]当所述次级感应绕组在所述第一供电管道和所述第二供电管道之间时，其产生电能一部分用于为所述地面运输车的电动机供电，另一部分用于为所述车载蓄电池充电而存储在所述车载蓄电池中；
[0030]当所述次级感应绕组不在第一供电管道和所述第二供电管道之间时，所述次级感应绕组不产生电能，所述蓄电池通过所述第三直流斩波器和所述第二直流-交流变流器与所述地面运输车的电动机连接，用于为所述地面运输车的电动机供电，直至所述次级感应绕组产生电能。
[0031]根据一种具体的实施方式，所述低压超导