用于地铁的电磁谐振式无线供电系统技术方案

本发明专利技术涉及用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，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)，电磁场屏蔽体(11)。本发明专利技术拓展了电能的传输模式，设计了一种更为安全的地铁供电模式，消除原有的受电弓与输电线之间的摩擦，也避免了接触轨供电方式对检修人员和乘客带来的危险，减少地铁在运行中的维护费用。该设计施工方便，仅需在现有地铁线路和机车上改造即可实现，成本较其他无线供电结构相对较低，结构稳定可靠，安全性高，且市场前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
用于地铁的电磁谐振式无线供电系统
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
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。本专利技术用于地铁的电磁谐振式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，为地铁的无线供电提供了技术模型。避免了现有地铁供电模式的弊端，消除原有的受电弓与输电线之间的摩擦，也避免了接触轨供电方式对工作人员带来的危险，减少地铁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，且市场前景广阔。
技术介绍
无线电能传输技术可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦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。第三种为电磁辐射式电能传输，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。其中电磁耦合谐振技术利用非辐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。目前地铁供电可分为两种：分别是架空接触网和接触轨两种形式，采用AC25kV或者DC1500V的线路使用接触网制式，接触网成本高，尤其是三轨接触网，基本依赖进口，此外该方式需要地铁列车安装受电弓，与接触网发生接触获得电能，但是受电弓的碳板由于磨损严重，需要经常更换碳板，操作麻烦并且维护费用大，同时该方式受高空异物影响较大，例如生活垃圾、塑料袋砸在车项上，挂在接触网上，缠在受电弓上，都会干扰列车的正常运行，导致列车的临时停车，而目前流行的DC750V接触轨供电形式在列车开行的铁轨上通以750V直流电，这会给在车底检修的工作人员带来极大危险，此外现有的地铁轨道不可能完全屏蔽起来，由于失足而坠落月台的乘客更是有性命之忧，由于意外而触碰接触轨导致点击身亡的乘客在新闻中也有报道。因此如何解决地铁的后期运行维护以及安全保护问题刻不容缓。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提出了一种用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，避免了传统地铁供电方式中受电弓的存在和与供电导线的摩擦，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，同时也避免了接触轨供电形式为检修人员以及失足乘客带来的安全隐患，也减少了地铁供电因为异物造成的短路导致的临时停运的概率，为地铁的无线供电提供了安全稳定，具体实在的技术模型。本专利技术所采用的技术方案是：用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，设置有电源单元(1)，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(6)，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；电磁屏蔽层(11)，将多余的磁场约束在其中，减少涡流损耗的产生。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。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。所述的信号控制电路(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A／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。所述的电磁场发射线路(5)由外加绝缘层的金属导体组成，埋设在地铁机车的正下方，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。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，安装在机车的正下方，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。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。所述的逆变模块(8)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。本专利技术用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，是采用电源单元(1)、整流滤波模块(2)、斩波功率振荡电路(3)、信号控制模块(4)、电磁场发射线圈(5)、电磁场接收线圈(6)、整流滤波斩波模块(7)、逆变模块(8)和机车负载(9)组成的供电系统，此外该系统还选择了电磁屏蔽层(11)设计了电磁屏蔽结构，减小了电磁能量在铁轨以及车底的耗散，减少了电磁波对环境的影响，提高了系统的能量传输效率。系统避免了传统地铁接触网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，同时也避免了接触轨供电形式为检修人员以及失足乘客带来的安全隐患，也减少了地铁供电因为异物造成的短路导致的临时停运的概率，为地铁的无线供电提供了安全稳定，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。附图说明图1是本专利技术的整体功能框图；图2是发射单元结构示意图；图3是电磁接收线圈的结构图；图4是电磁发射线路的结构图；图5是带电磁屏蔽的车底示意图。其中：10：电磁场发射线路11：电磁屏蔽层具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术用于地铁的电磁谐振式无线供电系统做出详细地说明。如图1所示，本专利技术用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，设置有电源单元(1)，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A／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本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，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；电磁屏蔽层(11)，将多余的磁场约束在其中，减少涡流损耗的产生。

【技术特征摘要】
1.用于地铁的电磁谐振式无线供电系统，其特征在于：设置有电源单元(1)，为供电系统提供输入功率；整流滤波模块(2)，将电源单元(1)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(2)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)，控制斩波功率振荡电路(3)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(3)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(5)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(6)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(7)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；电磁屏蔽层(11)，将多余的磁场约束在其中，减少涡流损耗的产生；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，桥式整流电路部分利用IGBT组成的大功率桥式电路将交流电变为直流电，同时滤波电路部分串联在桥式整流电路与斩波功率振荡电路(3)之间，用以消除高次谐波，输出恒定电压的直流电；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：章鹏程，张献，杨庆新，金亮，李阳，赵倩宇，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：