电磁谐振式铁路机车无线供电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及电磁谐振式铁路机车无线供电系统，主要包括电源单元(1)；整流滤波模块(2)；斩波功率振荡电路(3)；信号控制模块(4)；电磁场发射线路(5)；电磁场接收线圈(6)；整流滤波斩波模块(7)；逆变模块(8)；机车(9)。本实用新型拓展了电能的传输方式，设计了一种低碳、环保的机车供电模式，避免了现有铁路机车供电模式的弊端，消除原有的受电弓与输电线间的摩擦，减少铁路在运行中的维护费用，同时减少由受电弓带来的空气阻力对车体运行效率的影响，为进一步提高列车运行速度做出准备。该设计施工方便，仅需在现有机车与铁路接触网上改造即可实现，成本较其他无线供电结构相对较低，结构稳定可靠，且市场前景广阔。
【专利说明】电磁谐振式铁路机车无线供电系统
【技术领域】
[0001]无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，它集基础研究与应用研究为一体，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科、强交叉的新的研究领域和前沿课题，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多【技术领域】。采用无线供电方式能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。
[0002]本实用新型电磁谐振式铁路机车无线供电系统涉及一种施工方便，系统便捷、运行稳定、安全可靠的无线电能传输电磁谐振耦合技术，为铁路机车的无线供电提供了技术模型。避免了现有铁路机车供电模式的弊端，消除原有的受电弓与输电线之间的摩擦，减少铁路在运行中的维护费用，同时减少由受电弓带来的空气阻力对车体运行效率的影响，为进一步提高列车运行速度做出准备，且市场前景广阔。
【背景技术】
[0003]无线电能传输技术可分为三种:第一种为感应稱合式电能传输，它利用松稱合变压器原理进行传能，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁福射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁率禹合谐振技术利用非福射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是，提出了一种电磁谐振式铁路机车无线供电系统，避免了传统铁路机车供电方式中受电弓的存在和与供电导线的高速摩擦，克服了传统机车供电方式需要定期更换受电弓且供电线路磨损厉害的弊端，同时减小了列车高速运行中由受电弓带来的空气阻力，为机车提高设计时速提供了可能性，为铁路机车的无线供电提供了安全稳定，具体实在的技术模型。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是:电磁谐振式铁路机车无线供电系统，设置有电源单元(I)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，控制斩波电路的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡；电磁场发射线路(5),用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场；电磁场接收线圈出)，接收电磁场发射线路发射出的交变磁场；整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率。[0006]所述的整流滤波模块(2)由桥式整流电路和滤波电路两部分组成，整流部分利用IGBT组成的大功率桥式电路将交流电变为直流电，同时滤波部分串联在整流电路域斩波功率振荡电路之间，用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电。
[0007]所述的斩波功率振荡电路(3)由斩波电路与半桥功率推挽电路组成，其中斩波电路受信号控制电路(4)中单片机控制，以控制其输出电压值，半桥功率推挽电路的开关频率固定，与发射线路的谐振频率一致。
[0008]所述的信号控制电路⑷由功率检测电路和单片机控制电路组成。功率检测电路检测到的功率信号经过Α/D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节(3)中斩波电路的输出电压指标。
[0009]所述的电磁场发射线路(5)由金属导体组成，架空在机车正上方，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。
[0010]所述的电磁场接收线圈(6)由多匝金属导体绕制成的线圈组成，位于机车的正上方，接收线圈在制作时就考虑了电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈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高效传递。
[0011]所述的整流滤波斩波模块(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。[0012]所述的逆变模块⑶由工频逆变电路组成，用于将(7)中输出的直流电转变成所需频率的交流电以提供给后级机车负载。
[0013]本实用新型电磁谐振式铁路机车无线供电系统，是采用电源单元、整流滤波模块、斩波功率振荡电路、电磁场发射线圈、电磁场接收线圈、整流滤波斩波模块、逆变模块和机车负载组成的供电系统。该系统避免了传统铁路机车供电方式中受电弓的存在和与供电导线的高速摩擦，克服了传统机车供电方式需要定期更换受电弓且供电线路磨损厉害的弊端，同时减小了列车高速运行中由受电弓带来的空气阻力，为机车提高设计时速提供了可能性，为铁路机车的无线供电提供了具体实在的技术模型，也为无线传能技术的应用提供了样本。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型的整体功能框图；
[0015]图2是本实用新型的结构示意图；
[0016]图3是电磁发射线路的结构图；
[0017]图4是电磁接收线圈的结构图；
[0018]图5是电磁发射线路和接收线圈的耦合示意图。
[0019]其中:
[0020]10:电磁场发射线路11:被绝缘材料覆盖的电磁场接收线圈
[0021]31:第一根发射线路端点I 32:第二根发射线路端点I
[0022]33:最后一根发射线路端点I 34:第一根发射线路端点2
[0023]35:第二根发射线路端点2 36:最后一根发射线路端点2[0024]51:接收线圈表面覆盖绝缘材料【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例和附图对本实用新型电磁谐振式铁路机车无线供电系统做出详细地说明。
[0026]如图1所示，本实用新型电磁谐振式铁路机车无线供电系统，设置有电源单元
(I)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元输入的交流电转变成直流电；斩波功率振荡电路(3)，用于将整流滤波模块输入的直流电转换为适应负载功率要求的交变电流；信号控制模块(4)，由功率检测电路和单片机控制电路组成。功率检测电路检测到的功率信号经过Α/D变换送至单片机控制电路，单片机将与预存的功率阈值做比较，根据比较结果调节(3)中斩波电路的输出电压指标，控制斩波电路的输出电压值以实现输入功率和输出功率的平衡，本例中预设的斩波输出电压值为25kV，功率阈值为21560kW，电压值和功率阈值可依照要求作出调整；电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场，该线路在架设之后使用之前测定过固有谐振频率，并通过串联或者并联电容与电源单元(I)的中心频率进行匹配，匹配后的发射线路(5)谐振频率与电源单元
(I)的中心频率一致，以保证较低的反射系数；电磁场接收线圈(6)，接收电磁场发射线路发射出的交变磁场，该线圈在使用前已经与电源单元(I)及发射线路(5)进行了匹配，匹配方式为根据线路的自有谐振频率与电源单元(I)及发射线路(5)的频率进行比较，通过串联或者并联电容，使线圈的自有谐振频率与电源的中心频率保持一致，以实现系统的谐振式供电，此外，列车顶部所有的接收线圈串联后接入整流滤波斩波模块(7);整流滤波斩波模块(7)，将电磁场接收线圈接收到的交流电转换为电压值恒定的直流电；逆变模块(8)，将整流滤波斩波模块输出的直流电调制成所需频率的交流电，为机车(9)提供驱动功率。
[0027]如图2所示，所述的电磁场发射线路(10)位于机车的正上方，本例中使用的机车型号为高速列车组CRH380A。电磁场发射线路选用半径20mm的利兹铜线，三根导线中最中间一根导线位于铁轨中心的位置，因选用车型CRH380A的车身高度为3700mm，设计导线高度为导线轴心距离铁路钢轨最高处4000mm，其余两根导线分别布置在距离中心导线轴线向左与向右的IlOOmm处，且三根导线处于同一水平面，与铁路轨道所在平面平行，其导线的数量和布置的方式与布置的高度及所选导体的材料与型号可根据实际需要进行调整，这种布置方式成熟、可靠，受风雨影响较小，仅需在现有铁路供电结构上进行改造即可实现，成本较其他形式的发射线路低。电磁场接收线圈(11)位于车顶，线圈上方覆盖有绝缘材料，本例中选用厚度为4mm的碳素纤维，绝缘材料类型的选定和所用绝缘材料的厚度可依实际情况作出调整。
[0028]如图3所示，所述的电磁场发射线路(10)位于机车的正上方。三条导体的连接顺序是第一根发射线路端点1(31)和第二根发射线路端点1(32)相连，第二根发射线路端点2(35)与最后一根发射线路端点2 (36)相连，第一根发射线路端点2 (34)与最后一根发射线路端点1(33)分别接在电源单元(I)的两端，图中箭头所示方向为某一时刻电流在导体中的流向，这样的连接方式会使相邻两导体间的磁场强度叠加，本设计就是利用了导线间叠加的磁场进行能量传递。第一根发射线路端点2 (34)与最后一根发射线路端点1(33)在沿导轨方向的距离可以根据施工要求进行调整，本例选定距离为10km，导体的数量可以根据实际施工要求进行调整，但接线原理仍需与本设计一致。
[0029]如图4所示，所述的电磁场接收线圈(11)由金属导体绕制而成，本例使用半径4_的铜线从中心开始向呈逆时针方向绕制45圈,夕卜直径为1550mm,内直径为IOmm,径向节距为17_，所绕制接收线圈的形状、尺寸、匝数以及导体的材料与半径均可依照具体情况进行调整。
[0030]如图5所示，所述的电磁场发射线路(10)与电磁场接收线圈(11)的耦合方式如图所示，因参考车型CRH380A的车身高度为3700mm，设计发射导线高度为导线轴心距离铁路钢轨最高处4000mm，三根发射导线中最中间一根导线位于铁轨中心的位置，其余两根发射导线分别布置在距离中心导线轴线向左与向右的IlOOmm处，且三根发射导线处于同一水平面，与铁路轨道所在平面平行，发射导线与车顶的高度差为300mm，电磁场接收线圈
(11)铺设在机车顶部，因现代铁路机车多为分布式动力机车，即各节车厢均有动力驱动，因此机车在启动时需要的功率很大，本实用新型要求各节车厢上部至少安装一个电磁场接收线圈(11)，本例中各节车厢上部均有两个接收线圈，且全车的线圈串联之后接入整流滤波斩波模块(7)。线圈上覆盖有绝缘材料(51)，并且车顶材料全部选用绝缘材料，如果车顶选用金属材料，金属在交变电磁场的作用下会产生涡流，增大系统的损耗，降低机车的效率，且有危险性，本例中选用碳素纤维这种新型材料不仅绝缘而且强度较高，耐腐蚀。本例中选用的碳素纤维的厚度为4mm，紧密的贴合在车的表面，取代了原有的受电弓，减小了空气阻力，为车体的进一步提速提供了可能性，所选的覆盖材料及厚度可依据施工要求作出调整，本例中选用碳素纤维这种新型材料，不仅绝缘而且强度较高，耐腐蚀，选用的碳素纤维的厚度为4mm。
【权利要求】
1.电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征在于设置有:电磁场发射线路(5)，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场；电磁场接收线圈(6)，接收电磁场发射线路发射出的交变磁场。
2.根据权利要求1所述的电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场发射线路(5)均匀对称的布置在机车正上方，所有导线处于同一水平面，与铁路轨道所在平面平行，且不与机车顶部发生物理接触。
3.根据权利要求1所述的电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征还在于，电磁场发射线路(5)导体的连接顺序是第一根发射线路端点1(31)和第二根发射线路端点1(32)相连，第二根发射线路端点2(35)与最后一根发射线路端点2(36)相连，即按“S”型连接，依次类推，第一根发射线路端点2(34)与最后一根发射线路端点1(33)分别接在电源单元(I)的两端。
4.根据权利要求1所述的电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场发射线路(5)，在线路架设后，使用之前需测定线路的自有谐振频率，并与电源单元(I)的中心频率比较，根据比较结果，将电磁场发射线路(5)的自有谐振频率调整至与电源单元⑴相等。
5.根据权利要求1所述的电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场接收线圈(6)，在安装在车顶之前需测定线圈的自有谐振频率，并与电源单元(I)的中心频率比较，根据比较结果，将电磁场接收线圈(6)的自有谐振频率调整至与电源单元(I)相等。
6.根据权利要求1所述的电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场接收线圈(6)，每节车厢上至少安装一个，并将各个线圈串联连接起来。·
7.根据权利要求1所述的电磁谐振式铁路机车无线供电系统，其特征还在于，所述的电磁场接收线圈(6)，在安装在车顶之后覆盖绝缘材料(51)，并且车顶材料全部使用绝缘材料。
【文档编号】H02J17/00GK203562846SQ201320723727
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】杨庆新, 张献, 章鹏程, 金亮, 李阳 申请人:天津工业大学