本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于城市軌道交通的無接觸感應(yīng)供電裝置。

背景技術(shù)：

近年來電力電子技術(shù)的發(fā)展，高頻器件以及高性能的磁材料的出現(xiàn)為無線能量傳輸?shù)膶崿F(xiàn)提供了可能。目前在電動汽車、軌道交通、手持端設(shè)備、生物裝置等領(lǐng)域應(yīng)用有了較大的發(fā)展。

無接觸供電技術(shù)中最接近應(yīng)用的是感應(yīng)式無接觸供電，主要利用電力電子、磁路設(shè)計、系統(tǒng)控制等技術(shù)，實現(xiàn)電能以電磁場耦合的形式在空氣中從原邊側(cè)傳遞到副邊側(cè)。由于空氣等非鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率小，所以無接觸變壓器線圈的磁通路磁阻大，磁感應(yīng)強(qiáng)度增益小，因此在副邊線圈包圍的磁通幅值小，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較小。通過提高流經(jīng)原邊線圈電流的頻率，可獲得相對較大的副邊輸出電壓。無接觸供電應(yīng)用中，器件的開關(guān)頻率一般在幾十khz，為了器件安全工作和降低損耗，高頻電源裝置需工作在軟開關(guān)或接近軟開關(guān)狀態(tài)。

針對移動式無接觸供電應(yīng)用，granta.covic，johnt.boysetc在文獻(xiàn)“athree-phaseinductivepowertransfersystemforroadway-poweredvehicles[j].ieeetransactionsonindustrialelectronics,2007,54(6),3370-3378”介紹了無接觸變壓器原邊線圈采用三相結(jié)構(gòu)形式，減小因電動汽車行駛時非行進(jìn)方向的偏移引起的互感耦合的變化，但不適用于無行進(jìn)方向偏移的軌道交通。hirokazumatsumoto,yasuhikonebaetc在文獻(xiàn)“modelforathree-phasecontactlesspowertransfersystem[j].ieeetransactionsonpowerelectronics,2011,26(9),2676-2687”中給出了一種原副邊尺寸一致的三相結(jié)構(gòu)的互感模型，但原副邊線圈均安裝磁芯以增大互感并保證互感的對稱性，不適用于距離較長的無接觸供電應(yīng)用。

原邊線圈采用三相結(jié)構(gòu)可以有效降低流經(jīng)器件的電流幅值，同一電壓功率等級下，采用三相結(jié)構(gòu)，相比于兩相結(jié)構(gòu)，電流有效值降低很多，可以降低開關(guān)器件電流應(yīng)力，提高系統(tǒng)效率，增大系統(tǒng)功率容量。副邊線圈考慮系統(tǒng)輸出特性，在電流較大情況下采用并聯(lián)形式可有效降低模塊輸出電流，從而減小損耗；在對電壓要求較高的應(yīng)用中，副邊模塊采用串聯(lián)形式提高輸出電壓。專利201410461143.2采用原邊逆變器并聯(lián)的方法增大系統(tǒng)容量，但是控制難度大，對于系統(tǒng)參數(shù)的一致性要求較高，易引起原邊電流環(huán)流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種適用于大功率等級的三相結(jié)構(gòu)原邊線圈的無接觸供電裝置。本發(fā)明供電功率等級大，器件電流應(yīng)力小，系統(tǒng)效率高，特別適用于軌道交通長距離供電。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下：

所述的三相結(jié)構(gòu)原邊線圈的感應(yīng)式無接觸供電裝置包括地面設(shè)備和車載移動設(shè)備。所述的地面設(shè)備將公共電網(wǎng)的工頻電能轉(zhuǎn)換為高頻電能，并通過沿軌道敷設(shè)的原邊線圈將高頻電能發(fā)射出去。所述的車載移動設(shè)備接收地面設(shè)備發(fā)出的高頻電能，并將其轉(zhuǎn)化為車輛可以使用的電壓。

所述的地面設(shè)備包括外部三相交流電源、整流裝置、原邊直流濾波裝置、三相高頻逆變裝置、原邊線圈、原邊補(bǔ)償電路、地面無線通信模塊，以及原邊控制器。整流裝置的三相輸入端與外部三相交流電源連接，整流裝置的輸出端與原邊直流濾波裝置的輸入端連接，原邊直流濾波裝置的輸出端與三相高頻逆變裝置的輸入端連接，三相高頻逆變裝置的輸出電纜通過原邊電流傳感器接入原邊補(bǔ)償電路輸入端，原邊補(bǔ)償電路的輸出端與原邊線圈相連，原邊線圈的三相線圈終點連接成星型。三相高頻逆變裝置內(nèi)部功率器件的通斷由原邊控制器控制，原邊電流傳感器的信號接入原邊控制器。地面無線通信模塊連接原邊控制器，將原邊控制器發(fā)送給副邊控制器的指令無線發(fā)出，并由車載無線通信模塊接收。

所述地面設(shè)備的原邊線圈為三相線圈結(jié)構(gòu)，沿軌道表面敷設(shè)，位于軌道左軌和軌道右軌之間。原邊線圈的u相、v相、w相均沿軌道方向以z字形布置，原邊線圈的寬度d小于軌道左軌和右軌之間的間距l(xiāng)，原邊線圈的每相的一個周期都是360電角度，u相、v相、w相沿軌道方向依次錯開120電角度排布。

原邊線圈三相的周期長度相同。

所述的車載移動設(shè)備包括副邊接收板、副邊補(bǔ)償電路、高頻整流模塊、副邊濾波裝置、副邊控制器，以及車載無線通信模塊。副邊接收板的數(shù)量為n,n為正整數(shù)。副邊接收板的輸出端連接副邊補(bǔ)償電路的輸入端，副邊補(bǔ)償電路的輸出端連接高頻整流模塊的輸入端。副邊接收板、副邊補(bǔ)償電路與高頻整流模塊的數(shù)量相同，副邊接收板、副邊補(bǔ)償電路與高頻整流模塊一一對應(yīng)連接，組成3個串聯(lián)支路。3個串聯(lián)支路相互串聯(lián)或并聯(lián)后接入負(fù)載；負(fù)載的兩端安裝有輸出電壓傳感器，輸出電壓傳感器將檢測到的電壓信號送入副邊控制器；車載無線通信模塊連接副邊控制器，將輸出電壓傳感器數(shù)據(jù)通過車載無線通信模塊傳遞至地面無線通信模塊。

所述車載移動設(shè)備的每個副邊接收板包含3個接收線圈模塊，每個接收線圈模塊的寬度與原邊線圈的寬度d相同，每個接收線圈模塊的長度小于原邊線圈的每一相半周期長度的1/3，3個接收線圈模塊相應(yīng)邊之間的電角度為60度或120度，對應(yīng)的距離為原邊線圈的每一相半周期長度的1/3或2/3，對應(yīng)的間距為60電角度或120電角度。

所述車載移動設(shè)備的n個副邊接收板可以獨立輸出直流電壓，也可以并聯(lián)或串聯(lián)接入負(fù)載。

所述的三相結(jié)構(gòu)原邊線圈的感應(yīng)式無接觸供電裝置的輸出功率調(diào)節(jié)方法如下：

(1)原邊控制器采用脈沖密度調(diào)制控制方式控制三相高頻逆變裝置三個橋臂上的功率開關(guān)器件，每相觸發(fā)脈沖序列相差120電角度；

(2)安裝在三相原邊線圈上的電流傳感器檢測三相線圈電流的幅值和相位角，若原邊線圈的三相電感參數(shù)不平衡，原邊控制器根據(jù)三相電流的相位差和幅值，調(diào)節(jié)三相高頻逆變裝置三個橋臂上的功率開關(guān)器件的通斷時刻，保證原邊三相電流幅值和相位的平衡。

所述的三相結(jié)構(gòu)原邊線圈的感應(yīng)式無接觸供電裝置特別適用于軌道交通車輛的供電，也可應(yīng)用于自動引導(dǎo)車等需要沿導(dǎo)軌長距離供電的運(yùn)輸系統(tǒng)車輛供電。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1：車載移動設(shè)備副邊接收板3個接收線圈模塊、相鄰接收線圈模塊間隔60電角度的排布方式示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1：地面設(shè)備的原邊線圈為三相結(jié)構(gòu)、車載移動設(shè)備副邊接收板為3個接收線圈模塊的感應(yīng)式無接觸供電系統(tǒng)配置示意圖；

圖3是地面設(shè)備的原邊控制器發(fā)出的三相觸發(fā)脈沖波形圖；

圖4是三相高頻逆變裝置發(fā)出的三相電流典型波形圖；

圖5是一種副邊接收板的3個接收線圈模塊、相鄰模塊間隔120電角度的排布方式示意圖；

圖6是一種2個順序布置的副邊接收板、每個副邊接收板3個接收線圈模塊、相鄰模塊間隔為60電角度的排布方式示意圖；

圖7是一種2個交錯布置的副邊接收板、每個副邊接收板3個接收線圈模塊、每個副邊接收板的相鄰模塊間隔60電角度的排布方式示意圖；

圖中，1外部三相交流電源，2整流裝置，3原邊直流濾波裝置，4三相高頻逆變裝置、6原邊線圈、61u相、62v相、63w相、5原邊電流傳感器、7原邊補(bǔ)償電路、16原邊控制器、14地面無線通信模塊；第一8副邊接收板、第二副邊接板88、81第一接收線圈模塊、82第二接收線圈模塊、83第三接收線圈模塊、84第四接收線圈模塊、85第五接收線圈模塊、86第六接收線圈模塊、9副邊補(bǔ)償電路、10高頻整流模塊、11副邊濾波裝置，12輸出電壓傳感器、17副邊控制器、15車載無線通信模塊、30負(fù)載、100軌道左軌、101軌道右軌，200三相高頻逆變裝置u相觸發(fā)脈沖、201三相高頻逆變裝置v相觸發(fā)脈沖、202三相高頻逆變裝置w相觸發(fā)脈沖，361三相線圈u相電流、362三相線圈v相電流、363三相線圈w相電流。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明實施例1的感應(yīng)式無接觸供電裝置中，地面設(shè)備的原邊線圈6沿軌道表面敷設(shè)，位于軌道左軌100和軌道右軌101之間。原邊線圈6的u相61、v相62、w相63均沿軌道方向以z字形布置，原邊線圈6的寬度d小于軌道左軌100和右軌101之間的間距l(xiāng)，原邊線圈6的每一相的一個周期都是360電角度，u相61、v相62、w相63沿軌道方向依次錯開120電角度排布。

車載移動設(shè)備每個副邊接收板8的接收線圈模塊個數(shù)為3個，3個接收線圈模塊相應(yīng)邊之間的電角度為60度，3個接收線圈模塊的寬度與原邊線圈6的寬度相同，接收線圈模塊的長度小于原邊線圈6的半周期長度的1/3。

圖2所示為本發(fā)明實施例1原邊線圈為三相結(jié)構(gòu)、副邊接收板為3個接收線圈模塊的感應(yīng)式無接觸供電裝置。如圖2所示，該裝置包括地面設(shè)備和車載移動設(shè)備，地面設(shè)備將公共電網(wǎng)的工頻電能轉(zhuǎn)換為高頻電能，并通過沿軌道敷設(shè)的原邊將高頻電能發(fā)射出去；車載移動設(shè)備接收地面設(shè)備發(fā)出的高頻電能，并將其轉(zhuǎn)化為車輛可以使用的電壓。該裝置地面設(shè)備包括外部三相交流電源1，整流裝置2，原邊直流濾波裝置3，三相高頻逆變裝置4、原邊線圈6、原邊電流傳感器5、原邊補(bǔ)償電路7、原邊控制器16，以及地面無線通信模塊14；該裝置車載移動設(shè)備包括1個副邊接收板8、第一接收線圈模塊81、第二接收線圈模塊82、第三接收線圈模塊83、副邊補(bǔ)償電路9、高頻整流模塊10、副邊濾波裝置11，輸出電壓傳感器12、副邊控制器17、車載無線通信模塊15，以及負(fù)載30。

所述的整流裝置2是可控或不可控的三相整流橋。

所述的三相高頻逆變裝置4是三相全橋式逆變電路，將整流后的直流電逆變成三相高頻交流電。

所述的原邊補(bǔ)償電路7和副邊補(bǔ)償電路9可以是電容與線圈組成的串聯(lián)補(bǔ)償電路或電容與線圈組成的并聯(lián)補(bǔ)償電路。

所述的整流裝置2的輸入端與外部三相交流電源1連接，整流裝置2的輸出端與原邊直流濾波裝置3的輸入端連接，原邊直流濾波裝置3的輸出端與三相高頻逆變裝置4的輸入端連接，三相高頻逆變裝置4的輸出電纜通過原邊電流傳感器5接入原邊補(bǔ)償電路7的輸入端，原邊補(bǔ)償電路7的輸出端與原邊線圈6相連，原邊線圈6的三相線圈終點連接成星型。

所述的三相高頻逆變裝置4的內(nèi)部功率器件的通斷由原邊控制器16控制，原邊電流傳感器5檢測三相高頻逆變裝置4的輸出電流，原邊電流傳感器5檢測到的電流信號送入原邊控制器16，地面無線通信模塊14連接原邊控制器16，將原邊控制器16發(fā)出給副邊控制器17的指令以無線形式發(fā)出，并由車載無線通信模塊15接收。

所述的副邊接收板8的數(shù)量為1，副邊接收板8的輸出端連接副邊補(bǔ)償電路9的輸入端，副邊補(bǔ)償電路9的輸出端連接高頻整流模塊10的輸入端；副邊接收板8、副邊補(bǔ)償電路9與高頻整流模塊10的個數(shù)相同，組成3個串聯(lián)支路。3個串聯(lián)支路相互串聯(lián)后接入負(fù)載30；負(fù)載30的兩端安裝有輸出電壓傳感器12，輸出電壓傳感器12將檢測到的電壓信號送入副邊控制器17；車載無線通信模塊15連接副邊控制器17，將輸出電壓傳感器12的數(shù)據(jù)通過車載無線通信模塊15傳遞至地面無線通信模塊14。

所述的原邊控制器16為三相高頻逆變裝置4的開關(guān)管驅(qū)動電路發(fā)出脈沖信號，并根據(jù)輸出電壓傳感器12檢測到的負(fù)載30的電壓和原邊電流傳感器5檢測到的三相高頻逆變裝置4的輸出電流調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖。當(dāng)原邊電流傳感器5檢測到三相電流不平衡時，原邊控制器2通過調(diào)節(jié)三相輸出脈沖的相位角，調(diào)節(jié)三相電流的不平衡度。電壓傳感器12檢測輸出電壓，原邊控制器16改變脈沖密度數(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓幅值。

圖3所示為原邊控制器16發(fā)出的三相觸發(fā)脈沖波形，用于三相高頻逆變裝置4的開關(guān)管的觸發(fā)。若原邊線圈6和副邊接收板8的3個接收線圈模塊之間的互感不一致，原邊電流傳感器5檢測到原邊線圈6的u相61、v相62、w相63三相電流的幅值和相位角出現(xiàn)偏差，原邊控制器5控制三相高頻逆變裝置4的三相脈沖間的相位差，可以減小或消除原邊線圈6的u相、v相、w相電流不平衡狀況。

理想情況下，原邊線圈6的u相61、v相62、w相63的電流幅值相等，相位差120度，實際系統(tǒng)存在不完全補(bǔ)償及原邊線圈6和多個副邊接收板8的接收線圈模塊互感參數(shù)不一致的問題，所以原邊線圈的u相61、v相62、w相63的電流會有相位和幅值的偏差。以原邊線圈u相61和v相62電流為例，如果u相61電流超前，v相62電流多于120度，原邊控制器2控制u相61的觸發(fā)脈沖信號超前，v相62觸發(fā)脈沖角度變?。蝗绻鹵相61電流超前，v相62電流少于120度，原邊控制器2控制u相61的觸發(fā)脈沖信號超前，v,62觸發(fā)脈沖角度變大。

圖4所示為三相高頻逆變裝置發(fā)出的三相電流穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的典型波形，361是原邊線圈u相61的電流、362是原邊線圈v相62的電流、363是原邊線圈w相63的電流。

圖5所示為副邊接收板8的接收線圈模塊排布實施例二。如圖5所示，副邊接收板8包含3個接收線圈模塊，相鄰模塊間隔120電角度，在原邊線圈6三相的一個周期范圍內(nèi)排布。

圖6所示為2個順序布置的副邊接收板的接收線圈模塊排布實施例三。如圖6所示，第一副邊接收板8采用3個接收線圈模塊，相鄰線圈模塊間隔為60電角度，其中第一接收線圈模塊81、第二接收線圈模塊82、第三接收線圈模塊83間隔電角度60度，在原邊線圈6三相的半個周期內(nèi)范圍內(nèi)排布；第二副邊接收板88也采用3個接收線圈模塊，相鄰線圈模塊間隔為60電角度，其中第四接收線圈模塊84、第五接收線圈模塊85、第六接收線圈模塊86間隔電角度60度，在原邊線圈6三相的半個周期內(nèi)范圍內(nèi)排布。

圖7所示為2個交錯布置的副邊接收板的接收線圈模塊排布實施例四。如圖7所示，第一副邊接板8采用3個接收線圈模塊，相鄰模塊間隔60電角度，其中第一接收線圈模塊81、第三接收線圈模塊83、第五接收線圈模塊85間隔電角度60度，在半個周期內(nèi)排布；第二副邊接板88也采用3個接收線圈模塊，相鄰模塊間隔60電角度，其中第二接收線圈模塊82、第四接收線圈模塊84、第六接收線圈模塊86間隔電角度60度，在半個周期內(nèi)排布。