CN111509866A - 一种发射线圈分段的多接收线圈轨道交通无接触供电装置 - Google Patents

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Abstract

一种发射线圈分段的多接收线圈轨道交通无接触供电装置，沿轨道敷设的发射线圈分为多个发射线圈段，接收侧包含多个接收线圈。每个发射线圈段的长度大于多个接收线圈长度之和，每个发射线圈端部有一定角度。当某接收线圈移动至两相邻发射线圈段结合部的位置时，该接收线圈感应电压低于其他接收线圈感应电压而被整流电路阻断，不向后级负载供电；当该接收线圈完全移动至下一发射线圈段区域内，该接收线圈继续向后级负载供电。本发明接收线圈数量比没有分段时的接收线圈数量N至少多1；发射线圈分段的多接收线圈轨道交通无接触供电装置，可有效改善接收线圈通过发射线圈端部位置时的电压输出质量，减小***输入输出波动，增强***稳定性。

Description

一种发射线圈分段的多接收线圈轨道交通无接触供电装置
技术领域
本发明涉及一种应用于轨道交通领域的供电装置。
背景技术
相比较于弓网或第三轨供电，应用于轨道交通的无接触供电(WPT)***具有对环境友好、安全可靠、维护成本低的优点，备受业界关注，有非常大的发展前景。
松耦合变压器是无接触供电***的关键组成部分。与硬电气连接：有线方式、紧耦合变压器等不同，无接触变压器发射与接收线圈之间有气隙，由于空气等非铁磁性物质的磁导率较小，所以无接触变压器线圈的磁路磁阻大，磁感应强度增益小，耦合系数和传能效率较低。针对长距离移动式无接触供电应用，考虑高频下线圈内阻较大，所以发射线圈长度不能太长，发射线圈应做分段处理以减小线圈内阻，提高***效率。
接收线圈安装一般安装在列车底部，随列车运动。当接收线圈运动至发射线圈分段处，由一段发射线圈供电切换至下一段发射线圈供电，即接收线圈过分段。
现有的应用于轨道交通的无接触供电***，将发射线圈按照矩形形式敷设，如图1所示。过分段时发射线圈与接收线圈互感先增大、然后变小，如图2所示。互感的波动导致***并联接收线圈电流不均衡、输出波动较大，互感突然增大的接收线圈电压增高、电流增大，严重时导致该接收线圈电流过大烧毁。因此，由于线圈分段引起的无接触供电***过分段的问题亟待解决。
为提高***过分段时输出电压质量，减小电压波动，文献“Efficiencyoptimization for wireless dynamic charging system with overlapped DD coilarrays[C].Applied Power Electronics Conference and Exposition.IEEE,2017:1439-1442.”提出使用双层DD型结构，发射线圈与接收线圈长度相等，控制发射线圈上层与下层线圈电流相位即可控制输出电压稳定，但该方法需要铺设大量线圈，***经济型较差。ChoiS,Huh J,Lee W Y,et al.在“New Cross-Segmented Power Supply Rails for Roadway-Powered Electric Vehicles[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(12):5832-5841.”中提出新的分段补偿方案，根据接收线圈位置切换发射线圈供电段，减小长供电区间漏感及供电损耗，但并未解决长供电区间的切换问题。
采用多接收线圈切换的方法可以有效解决长距离应用中发射线圈段与段间过分段的问题。专利201610200989.X对移动至发射线圈过分段处的接收线圈的处理方式是同时开启两供电线圈为该接收线圈供能，因***互感参数变化较大，输出电能质量较差，且***效率较低。
发明内容
本发明的目的是为了适应移动式长距离无接触供电的特点，提出一种分段式发射线圈多接收线圈的轨道交通无接触供电装置。本发明可以有效解决长距离无接触供电***应用中过分段的问题，提高输出电能的质量。
本发明解决技术问题采用的技术方案如下：
所述的轨道交通无接触供电装置包括地面设备和车载移动设备。所述的地面设备包括高频电流源、电源母线、控制开关和发射线圈。高频电流源和电源母线连接，发射线圈和对应的控制开关串联，控制开关连接至电源母线。所述的车载移动设备包括接收线圈、接收线圈补偿电路、高频整流装置、母线支撑电容和负载。接收线圈与接收线圈补偿电路相连，接收线圈补偿电路连接高频整流装置，高频整流装置和母线支撑电容连接，组成串联支路；母线支撑电容的输出端并联连接，然后连接负载。
所述的发射线圈是多段式结构，各段沿轨道依次敷设，每段发射线圈均通过控制开关连接至高频电流源。将发射线圈端部为锐角，满足0＜actan(α)≤b/L，其中b是接收线圈沿运动方向长度、L是发射线圈宽度。由于发射线圈端部为角度α，过分段时发射线圈与接收线圈互感值不大于接收线圈完全位于该发射线圈的互感值。
所述的轨道交通无接触供电装置过分段处发射线圈与接收线圈互感较小，接收线圈感应电压低于其他线圈感应电压，该接收线圈由于高频整流电路被阻断，不参与对负载供电。
所述的接收线圈安装在机车车底，沿轨道方向依次排布。由于过分段处的接收线圈不参与对负载供电，接收线圈数量至少比没有分段供电时的接收线圈数量N多1，作为***冗余设计的备份；各个接收线圈结构相同，自感互感等电磁参数相同。每段发射线圈的长度远大于多个接收线圈长度之和。
所述的轨道交通无接触供电装置的供电方法如下：
接收线圈随机车运动。当接收线圈完全位于某一段发射线圈内，与该段发射线圈连接的控制开关闭合，由该段发射线圈所对应的高频电流源向负载供电；当接收线圈处于过分段处，该接收线圈感应电压较低，被高频整流电路阻断，不向负载供电；当该接收线圈运动至位于下一段发射线圈内，该段发射线圈对应的控制开关闭合，向负载供电。由于接收线圈数量至少比没有分段供电时的接收线圈数量N多1个，保证了在任一位置处接收线圈均至少有N个接收线圈接入电路向负载供电。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
一、针对接收线圈在过分段时因原接收线圈互感变化较大而影响输出电能质量，采用阻断正在过分段的接收线圈的方法，从而改善***输出，提高电能质量。
二、本发明通过改造发射线圈，将发射线圈端部适当折弯一个角度，相比于通过控制原边线圈电流的方法，操作简单，具有很强的实际应用性。
三、接收线圈位于发射线圈的连接处时，可通过整流装置阻断电流环流，不需要额外配置开关器件。
附图说明
图1现有技术的地面发射线圈端部无倾斜的松耦合变压器结构示意图；
图2现有技术的端部无倾斜发射线圈与接收线圈互感随相对位置变化示意图；
图3本发明装置的接收线圈51、52、53均在第一发射线圈41范围内的位置示意图；
图4本发明装置的第三接收线圈53处于过分段位置示意图；
图5本发明装置的第二接收线圈52处于过分段位置示意图；
图6本发明装置的第一接收线圈51处于过分段位置示意图；
图7本发明装置的接收线圈51、52、53均在第二发射线圈42范围示意图；
图8端部倾斜发射线圈与接收线圈互感随相对位置变化；
图9分段式发射线圈、多个接收线圈的轨道交通无接触供电装置电路示意图。
其中：高频电流源1、电源母线2、控制开关3、发射线圈4、接收线圈5、接收线圈补偿电路6、高频整流装置7、母线支撑电容8、负载9、地面设备11、车载移动设备12、第一控制开关31、第二控制开关32、第一发射线圈41、第二发射线圈42、第一接收线圈51、第二接收线圈52、第三接收线圈53、第一接收线圈补偿电路61、第二接收线圈补偿电路62、第三接收线圈补偿电路63、第一高频整流装置71、第二高频整流装置72、第三高频整流装置73、第一母线支撑电容81、第二母线支撑电容82、第三母线支撑电容83。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明轨道交通无接触供电装置包括地面设备和车载移动设备。所述的地面设备包括高频电流源、电源母线、控制开关和发射线圈。高频电流源和电源母线连接，发射线圈和对应的控制开关串联，控制开关连接至电源母线。所述的车载移动设备包括接收线圈、接收线圈补偿电路、高频整流装置、母线支撑电容和负载。接收线圈与接收线圈补偿电路相连，接收线圈补偿电路连接高频整流装置，高频整流装置和母线支撑电容连接，组成串联支路；母线支撑电容的输出端并联连接，然后连接负载。多个接收线圈安装在机车车底，沿轨道方向依次排布。
图9所示为本发明实施例1分段式发射线圈、多个接收线圈的轨道交通无接触供电装置电路。该装置包括地面设备11和车载移动设备12，地面设备11通过沿轨道敷设的发射线圈发射高频电能。车载移动设备12接收发射线圈发射的高频电能，并将其转化为车辆可以使用的电能。所述的地面设备11包括高频电流源1、电源母线2、控制开关3和发射线圈4，高频电流源1和电源母线2连接，发射线圈4和对应的控制开关3串联，控制开关3连接至电源母线2。该装置的车载移动设备12包括接收线圈5、接收线圈补偿电路6、高频整流装置7、母线支撑电容8和负载9，接收线圈5与接收线圈补偿电路6相连接，收线圈补偿电路6连接高频整流装置7，高频整流装置7和母线支撑电容8连接，组成串联支路；母线支撑电容8的输出端并联连接，然后连接负载9。
发射线圈4沿轨道敷设，本实施例的发射线圈4分段依次排布，分别为第一发射线圈41和第二发射线圈42。
所述的发射线圈4是地面设备交流电能发射线圈。所述的发射线圈端部为锐角，满足0＜actan(α)≤b/L，其中b是接收线圈沿运动方向长度、L是发射线圈宽度。发射线圈与接收线圈互感随相对位置的变化如图8所示。由于发射线圈端部为角度α，过分段时发射线圈与接收线圈互感值不大于接收线圈完全位于该发射线圈的互感值。
如图9所示，车载移动设备12包含有多个接收线圈5，本实施例中分别是第一接收线圈51、第二接收线圈52、第三接收线圈53，3个接收线圈的尺寸、匝数均相同，沿导轨方向依次排布在车载移动设备12上。本实施例中，没有分段供电时仅需要2个接收线圈。
地面设备中，所述的高频电流源1和电源母线2连接，发射线圈4和对应的控制开关3连接，并连接至电源母线2，其中第一发射线圈41与第一控制开关31串联连接至电源母线2，第二发射线圈42与第二控制开关32串联连接至电源母线2。
每段发射线圈的长度远大于多个接收线圈长度之和。
车载移动设备12中，接收线圈补偿电路6包括第一接收线圈补偿电路61、第二接收线圈补偿电路62和第三接收线圈补偿电路63。高频整流装置7包括第一高频整流装置71、第二高频整流装置72和第三高频整流装置73。母线支撑电容8包括第一母线支撑电容81、第二母线支撑电容82和第三母线支撑电容83。第一接收线圈51、第一接收线圈补偿电路61、第一高频整流装置71和第一母线支撑电容81依次串联，第二接收线圈52、第二接收线圈补偿电路62、第二高频整流装置72和第二母线支撑电容82依次串联，第三接收线圈53、第三接收线圈补偿电路63、第三高频整流装置73和第三母线支撑电容83依次串联，组成3支串联支路；第一母线支撑电容81、第二母线支撑电容82和第三母线支撑电容83的输出端并联，连接负载9。
所述的第一发射线圈41、第二发射线圈42，线圈段的长度远大于多个接收线圈长度之和。
所述的接收线圈补偿电路6可以是电容组成的串联补偿电路或并联补偿电路。
所述的高频整流装置7是单相不控整流桥，将交流电能转化成直流电能，并连接滤波电容。
所述的支撑母线电容8并联连接，增大接收线圈供电能力。
所述的负载9一般是阻性负载。
图3～图7所示是随车辆移动设备从第一发射线圈41范围运动至第二发射线圈42范围时，接收线圈5的位置。
当接收线圈5位于图3所示的位置时，接收线圈5位于第一发射线圈41供电范围内，此时第一接收线圈51、第二接收线圈52、第三接收线圈53接入电路，第一控制开关31闭合，第二控制开关32断开，接收线圈5由第一发射线圈41供电。
当接收线圈5位于图4所示的位置，第一接收线圈51位于第一发射线圈41和第二发射线圈42的交界处，第二接收线圈52和第三接收线圈53位于第一发射线圈41的范围。此时控制开关31、32闭合，第二接收线圈52、第三接收线圈53接入电路，而第一接收线圈51由于感应电压较低被旁路，此时三个接收线圈51、53、53由第一发射线圈41供电。
当接收线圈5位于图5所示的位置，第一接收线圈51位于第二发射线圈42的范围内，第二接收线圈52位于第一发射线圈41和第二发射线圈42的交界处，第三接收线圈4位于第一发射线圈41范围。此时第一控制开关31和第二控制开关32闭合，第一接收线圈51、第三接收线圈53接入电路，而第二接收线圈52由于感应电压较低被旁路。第一接收线圈51由第二发射线圈42供电，第三接收线圈53由第一发射线圈41供电。
当接收线圈5位于图6所示的位置，第一接收线圈51和第二接收线圈52位于第二发射线圈42范围内，第三接收线圈53位于第一发射线圈41和第二发射线圈42的交界处。此时控制开关31、32闭合，第一接收线圈51、第二接收线圈52接入电路，而第三接收线圈53由于感应电压较低被旁路。第一接收线圈51和第二接收线圈52由第二发射线圈42供电。
当接收线圈5位于图7所示的位置，接收线圈5位于第二发射线圈42范围内，此时第二控制开关32闭合、第一控制开关31断开，第一接收线圈51、第二接收线圈52、第三接收线圈53接入电路。第一接收线圈51、第二接收线圈52、第三接收线圈53由第二发射线圈42供电。

Claims (3)

1.一种发射线圈分段的多接收线圈轨道交通无接触供电装置，所述的无接触供电装置包括地面设备(11)和车载移动设备(12)；所述的地面设备(11)包括高频电流源(1)、电源母线(2)、控制开关(3)和发射线圈(4)；发射线圈(4)沿轨道敷设，和对应的控制开关(3)连接，控制开关(3)连接至电源母线(2)；所述的车载移动设备(12)包括多个接收线圈(5)、接收线圈补偿电路(6)、高频整流装置(7)、母线支撑电容(8)和负载(9)；接收线圈(5)与接收线圈补偿电路(6)连接，接收线圈补偿电路(6)连接高频整流装置(7)，高频整流装置(7)和母线支撑电容(8)相连，组成串联支路；多个母线支撑电容(8)的输出端并联连接，然后与负载(9)连接，
其特征在于：所述的发射线圈(4)为分段式结构，每段发射线圈均与一台高频电流源(1)连接；每个发射线圈端部有角度α，角度α是锐角，满足0＜actan(α)≤b/L，其中b是接收线圈沿运行方向长度、L是发射线圈宽度；多个接收线圈安装在机车车底，沿轨道方向依次排布，多个接收线圈结构相同，自感互感电磁参数相同，相互独立；每段发射线圈的长度大于多个接收线圈长度之和。
2.按照权利要求1所述的轨道交通无接触供电装置，其特征在于，接收线圈(5)随机车运动；当接收线圈(5)位于某一段发射线圈段(4)内，与该段发射线圈连接的控制开关(3)闭合，从电源母线(2)取电向负载(9)供电；当接收线圈(5)处于过分段处，接收线圈(5)被高频整流装置(7)阻断，不向负载(9)供电；当接收线圈(5)位于下一段发射线圈(4)段内，该段发射线圈(4)对应的控制开关(3)闭合，继续向负载(9)供电。
3.按照权利要求1所述的轨道交通无接触供电装置，其特征在于所述接收线圈数量至少比发射线圈没有分段时接收线圈数量N多1，保证接收线圈(5)在任一位置均有N个接收线圈接入负载。
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