非接触供电（共8篇）
非接触供电 篇1
通常植入人体用于心脏起搏的永久性心脏起搏器中，将电池和控制电路密封在钛合金外壳内，起搏器采用心内膜电极、电极和导线制成管状，经静脉插入心脏，在电池耗尽时需手术切开囊袋更换起搏器。
已有学者提出用于心脏起搏器供电的非接触电能传输系统[1],可实现电能从体外电源向体内心脏起搏器的无接触传递，为心脏起搏器提供持续的电能供给。但其研究成果均没有备用的体外供电装置，一旦出现供电电池欠压、某些元件失效等现象，将危及病人的生命。
本文提出一种双路互备非接触式心脏起搏器电源，该系统设有一个体内电能接收装置，两个体外供电装置。两个体外供电装置互相通信，当其中一个体外供电装置电压过低或过高时，另一个体外供电装置将立即切换到工作状态，该供电方式能防止因单电源供电失效而造成起搏器停止工作并危及人身安全的事故，提高了供电可靠性。
两个体外供电装置的供电线圈分别安装于病人的左前胸和左后背，均可独立向体内电能接收装置的线圈供电。体外供电装置采用直流电源、市电电源或蓄电池供电，可随身携带在腰间。
心脏起搏器非接触供电系统采用高频电磁耦合方式供电，当体外供电装置向体内能量拾取装置供电的有效距离大约为0.2 m(频率为58 kHz)。当频率提高到10～30 MHz时，供电距离会增加到1 m以上。
1 双路互备非接触供电系统分析
心脏起搏器非接触供电系统的原理图如图1所示。两个体外供电装置和体内电能接收装置均采用内嵌增强型8051核的无线模块CC2530控制。无线模块具有基于ZigBee协议的双向无线通信功能,通信频率为2.4 GHz。两个体外供电装置的硬件功能相同，本文以第一体外供电装置为例介绍电路的功能。
用直流电感L1D提高第一体外供电装置直流侧的电能传送能力,使得从直流电源UDC1输出的电流更稳定[1]。
在第一体外供电装置中，分裂电感L11、L12与开关管S11、S12构成谐振型变换器，这种电路效率高、成本低、尺寸小，推挽振荡产生几十千赫的交流电压，向供电电感线圈Lp1提供能量。
开关管S13串联在主电路中，负责开通与切断电路，当第一无线模块输出控制信号为1时，通过光耦隔离与驱动电路使电子开关管(IRF840)导通，谐振型变换器[2,3,4]电路工作，供电电感线圈Lp1向受电电感线圈Ls以电磁场耦合方式传递电能，受电电感线圈Ls感应到电能，经二倍压整流电路(由VD1、VD2、C1、C2、Cd、Ld组成)整流得到直流电压，再由LM2596稳压电路得到稳定的直流电压，并供给起搏器。当无线模块输出控制信号为0时，谐振型变换器电路停止工作，供电电感线圈Lp1断电。
补偿电容Cp1、Cs分别用来补偿供电电感线圈和受电电感线圈的无功功率损耗，提高从供电电感线圈到受电电感线圈的电磁场耦合能量的传输距离。通常用P表示并联补偿，在本文中使用全桥拓扑结构并选用PP补偿电路(第一、二个字母分别表示给供电电感线圈和受电电感线圈补偿)。心脏起搏器内置非接触供电系统示意图如图2所示。
通过对直流电源UDC1取样，采用LM358运算放大器滤波，检测到稳定的模拟量，由无线模块自带的A/D转化为数字量，经过数字滤波(采样4次后去平均值)后，根据该数字量的大小判断直流电源UDC1是否欠压。如果欠压，且第一无线模块输出控制信号为0时，则将检测结果发给第二无线模块，第二无线模块自动投入供电。
当第一体外供电装置过流时，电路自动切断12 V和3.3 V辅助电源，光耦断开，开关管S13由于驱动电路断电而自动断开，供电电感线圈Lp1断电。第一无线模块的供电电源来源于3.3 V辅助电源，此时第一无线模块断电并停止通信。当检测不到第一无线模块的信号时，第二无线模块自动投入供电。
2 非接触供电原理分析
设供电电感线圈Lp1两端连接的电路为纯阻性。供电电感线圈的电流为IP1，两端电压为UP1，受电电感线圈Ls的电流为Is。jωMIP1为供电电感线圈电流Ip1在受电电感线圈的感应电压值，jωMIs为受电电感线圈电流Is在供电电感线圈的感应电压值。在相互感应电压的过程中，实现了能量的传递[5,6]。
图3为体内受电装置的等效电路图。稳态条件下电感Ld的平均电压值为0,Vd的平均电压将始终等于直流输出电压。当电感Ld处于连续导通模式时，电容Cs至二倍压整流电路输入的交流电压有效值Vs是理想的正弦波源,电压Vd和电压Vs的关系可以用以下等式表述：
可见，在体外供电装置和体内能量拾取电路中有升压过程。因此，在耦合系数k小于0.1的条件下，适当选择Q值，仍然可以使负载获得较高的功率[7]。
3 软件功能分析
两个体外供电装置和体内电能接收装置之间的无线通信选用物联网协议栈工作模式。图4为第一无线模块的软件简化流程图。
将第一、第二无线模块设为路由器,第三无线模块设为协调器。协调器负责建立ZigBee网络;第一、第二无线模块之间的通信都要经过第三无线模块中继。
将第一无线模块的I/O接口称为第一I/O口;第二无线模块的I/O口称为第二I/O口。
第一无线模块上电时先判断电源是否欠压，如欠压则向第二无线模块发送第一直流电源欠压信息并向第一I/O口写0。如电压正常再判断与第二无线模块是否通信成功，如不成功，则向第一I/O口写1;如成功，则进一步判断电源UDC2电压是否正常。如果电源UDC2欠压，则向第一I/O口写1;如电源UDC2电压正常，再判断第一I/O口是否为1，如果第一I/O口为1且第三无线模块确认，则向第一I/O口写1，否则写0，然后将第一I/O口的状态、电源UDC1电源电压的采样值发到第二无线模块;然后无限循环。
无线模块的I/O口输出1时，经过隔离与转换，得到10～15 V的高电平驱动开关管S13，这时开关管S13闭合;反之，开关管S13断开，谐振型变换器断电。
当通信刚成功时，如果电源UDC1、UDC2电压均正常，则第一无线模块向第一I/O口写1;第二无线模块向第二I/O口写0。除此之外，两个体外供电装置的流程图相同。
第三无线模块除了用于控制起搏器以及传输生理信号外，还用于检测输出电压信号UL。当第一、二无线模块的直流电源UDC1、UDC2电压均正常，其中一个体外供电装置投入后，输出电压信号UL低于一定值而不能满足负载需要时，第三无线模块通知另一个无线模块立即启动，使其控制的体外供电装置自动投入。
当无线模块CC2530工作在无线通信状态时,耗电达到毫安级;不在通信状态时则可进入待机状态，无线模块的耗电低至0.6μA。待机状态时无线模块的A/D检测、I/O控制由DMA通道完成，此时无线模块和起搏器的总耗电量仅为几十微安，功率<200μW，发热量极微小。可见有必要减少通信次数，一般设定为1次/s，或1次/10 s较为合适。
CC2530芯片自带温度测量功能，由于植入人体的器械的允许温升为2℃，当病人发烧导致电路过热时，可采用体外供电装置分时供电的办法，断电时依靠电容Cd的储能为起搏器供电，无线模块则一直处于待机状态。此时如果起搏器有欠压现象，需要切换体外供电装置，由DMA通道触发中断唤醒无线模块。
4 仿真和实验结果
选用基于Zigbee协议的无线模块CC2530用于控制与通信,体外供电装置直流电源UDC1、UDC2电压为18 V，受电装置输出直流电压UL=3 V。使用仿真软件PSPICE进行模拟验证，并制作了样机。
试验数据表明，当谐振频率f=58.82 kHz，体外供电装置的电源电压设定在18 V，最大电压设定为36 V。体外供电装置的电源电流保护动作值设定为100 mA。正常的心脏起搏器用电电流仅为几十μA。实验波形如图5所示。
本文提出了双路互备非接触式心脏起搏器电源系统，该系统设置一个体内电能接收装置，两个体外供电装置。两个体外供电装置均可独立向体内电能接收装置供电。采用无线单片机模块控制体外供电装置，使其互为备用、欠压自动切换、互相检测低电量和故障状态。当第一、第二无线模块的直流电源UDC1、UDC2电压均正常，其中一个体外供电装置投入后，输出电压信号UL低于一定值而不能满足负载需要时，第三无线模块通知另一个无线模块立即启动，使其控制的体外供电装置自动投入，这种方法进一步提高了供电的可靠性。
参考文献
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非接触供电 篇2
是城市轨道交通中的一种新型供电方式，该系统采用在走行轨侧面平行安装接触轨，为机车车辆提供牵引动力的一种供电方式，较传统的架空接触网系统，有着其良好的安全性能和对城市景观影响较小等优点。
南京赛彤铁路电气化有限公司的钢铝复合接触轨产品采用西门子先进技术和工艺制造，由国产优质铝轨和进口不锈钢带在德国进口生产线上复合挤压而成，并通过了铁道部产品质量监督检验中心的全部型式试验，完全符合和满足中国城市轨道交通项目需要并已经具备销售条件。该产品具有技术先进、质量可靠、安装简单、维护量小等优点。
产品具体数据参照南京赛彤铁路电气化有限公司《钢铝复合接触轨系统产品选型手册》，用户可以根据自己的实际情况提出要求，我们会根据客户的实际要求，在确保产品性能的基础上做相应的设计或设计更改，为客户提供更为广阔的选择空间，广泛应用于各城市轨道交通地铁牵引供电系统，作为机车车辆装置和直流供电设备之间的供电介质。
钢铝复合接触轨供电系统是城市轨道交通中的一种新型供电方式，该系统采用在走行轨侧面平行安装接触轨，为机车车辆提供牵引动力的一种供电业务简方式，较传统的架空接触网系统，有着其良好的安全性能和对城市景观影响介：
较小等优点。随着人们环保意识的增强，以及政府重视轨道交通的城市景观效果，因此，新建的轨道交通系统采用钢铝复合接触轨供电的将会日益增多。
中国内地48个百万人口以上的特大城市中25个城市已获国家发改委批准建设，总规划里程超过5000公里，国内轨道交通建设进入黄金发展期，采用钢铝复合接触轨供电方式的达80％，城市轨道采用两条，5000公里×80％×2=8000公里，第一轮轨道交通建设将有8000公里的接触轨市场。8000公里的接触轨市场，如每年建设10％，即800公里的接触轨市场需求，市场分生产单位即使8家（目前近三家），平均每家100公里。所以日产接触轨400析： 米，年产100公里，是有市场依据的。以江苏为例，江苏经济的高速发展与交通基础设施的迅速发展密切相关。省会城市南京兴建了全长21.72公里的地铁1号线，全长18公里的1号线延长线和全长25.15公里的地铁2号线正在建设之中。苏州、无锡、常州三市也已经启动城市轨道交通设施建设。项目实施后，天时、地理、人和，可尽快加入江苏轨道建设行列，把项目产品打入市场。
目前国内制造单位三家:中铁电气化局集团宝鸡器材厂,西门子公司,常州牵引集团,年产量不到200公里，本项目符合国家关于城市轨道交通设备业务现国产化实施意见:城市轨道交通项目，轨道车辆和机电设备的平均国产化率状： 要确保不低于70％。该系统是城市轨道交通中的一种新型供电方式，采用在走行轨侧面平行安装接触轨，为机车车辆提供牵引动力的一种供电方式，较传统的架空接触网系统，有良好的安全性能和对城市景观影响较小等优点。
预期收融资用于设备投资与前期费用。项目产品毛利70％，单价900元/米，益： 只要销售8000米即可收回投资。8000公里的市场争取8000米的供货合同难度不是太大，所以前期投资风险很小，后面可依据情况再融资。
国内外同类产品或技术的竞争力分析，成果产业化前景分析
钢钢复合轨的制造工艺较复杂，武汉轨道交通所用钢铝复合轨为进口产品，天津地铁、北京地铁五号线所用钢铝复合轨也为进口产品；北京十号线(含奥运支线)及广州地铁所用钢钢复合轨为国产产品。
宝鸡器材广已经启动钢钢复合接触轨的国产化工作，其产品已在广州地铁使用。西门子公司在南京与大全集团合资成立南京赛彤公司，为北京地铁十号线供货。
对于钢铝复合轨的配套支架及防护罩来说，由子国内有生产类似产品的先例，已经具备生产基础。
轨通交通建设将持续发展，北京、杭州、武汉、广州将建设多条采用钢铝复合接触轨的线路，铝铝复合接触轨及相关附件具有广阔的市场前景。
经济效益和社会效益评价(一)经济效益分析
钢铝复合轨的最大特点是电阻小，因此全线的牵引变电所数量比用低碳钢接触轨少，轨道交通投入运营后，采用钢钢复合轨的能耗相对于低碳钢轨来说也会大大降低。武汉市轨道交通一期工程，设计牵引变电所少一座，可节约800多万元。西经过初步估算，预期使用钢铝复合轨比使用低碳钢轨每年将节约电费约70万元(电费按0 544元／度计算)。
另外，钢钢复合轨的重量较轻，使用鱼尾板连接，支架间距较长，不仅设备材料减少，西且在安装施工时，由于接触轨重量轻，_T艺简单(不需焊按)，所费人工更是大大减少。4个熟练工人一天就可以安装约200 m，平均每人每天完成50 m。低碳钢接触轨则需要28人才能完或125 m，平均每人每天完或约4．5 m。
(二)社会效益分析
非接触供电 篇3
关键词：感应耦合电能传输(ICPT),非接触,多负载,动态解谐
0 引 言
ICPT(Inductively Coupled Power Transfer)供电系统作为一种新型的非接触电能传输系统,以非接触的感应耦合方式可以实现各种功率水平的电能传输[1]。由于其供电端与用电设备相互分离,不存在摩擦与磨损,避免了诸如滑动磨损、接触火花、碳积和导体不安全裸露等所带来的安全隐患,越来越受到一些易燃、易爆的化工、采矿等行业的青睐,也为新型非接触充电设备的设计提供了广阔的发展前景。目前已有电动汽车非接触充电[2]、煤矿有轨运输车[3]、个人剃须刀[4]、人体医学植入[5]等成功应用的报道,且大多集中在针对单个负载情况下系统的电路设计,原副边的补偿结构,系统的谐振频率与系统稳定等问题展开研究[6],本文以非接触通用供电平台[7,8]为例研究多负载情况下系统的功率控制问题。
所谓非接触通用供电平台,是指通过一个平板以放置的方式向诸如手提电脑、台灯、手机、CD机、MP3播放器、电子词典等用电器单个或同时多个供电的装置。由于供电的非接触特性和放置负载的灵活性,有着广阔的应用前景。本文基于非接触通用供电平台多负载情况下的拓扑结构,建立数学模型并分析单个负载存在突然变动或者负载变动较大,可能带来整个系统崩溃的严重后果,提出一种自维持的动态解谐功率流量控制方法。其基本原理就是:根据负载对功率流量要求的变化,自动地改变拾取端电感或电容的值,使电路脱离谐振状态,调整负载端的输出电压。当单个或其中某几个负载突然出现重载或轻载时,系统能够自动对该负载解谐,而当该负载恢复正常状况时,又能够使系统工作于谐振状态,且又不需要外部控制电路来实现。自维持的动态解谐控制与传统的控制方法如开关短路控制、线性调整器控制等相比有几个非常突出的优点:
(1) 比传统的拾取端控制方法的效率更高。
主要是因为该控制方法能够智能的实时控制流入负载的功率流量。在开关短路等控制方法中多余的功率以热量的形式耗散掉,而动态解谐控制能够根据需要的大小自动地调整流入负载的功率流量,使电源供给的功率刚好满足负载的需要。
(2) 能够适应运行频率的小幅波动。
传统的拾取侧控制方法假定拾取侧的工作频率等于原边的运行频率,同时也假定该系统运行是不分叉的,也就是不会出现多值现象。但实际当中,分叉现象的出现与频率波动有很大关系[9]。但动态解谐控制不会受系统频率较小波动影响,它的解谐点能够随着运行频率的波动做同向的移动。
(3) 改善功率的分配管理。
在输入功率受限的ICPT系统应用当中,动态解谐控制能够把功率根据负载的需要大小合理分配,额外的功率同时又可以供电平台上的其他用电器供电,从而降低了原边上的功率要求。动态解谐控制尤其适合控制功率存在突然变动或者负载变动较大的设备。
(4) 不需要额外的电压调整器。
动态解谐控制能够把负载上的输出调整到一个期望的水平等级,也就省去了额外的电压调整过程。此外,比线性的电压调整器又具有更大的灵活性,可以比较方便地设定电压输出值的大小。
1 典型的非接触通用供电平台
基本的电流馈送并联谐振型非接触通用供电平台[8]如图1所示。由直流电感Ld、分裂电感LSP与两个MOS开关器件M1,M2组成推挽式电流馈送电路,驱动一个由原边电容C1、电感L1组成的并联谐振电路;n个L2,C2构成的并联谐振电路,组成向等效负载RLn传输功率的拾取电路(pick up),n为负载的个数。
以单个负载为例进行分析,拾取端开路电压为VOC,M为原副边的互感,I1为原边线圈上的电流,则有:
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为了便于对电路进行分析,根据等效原则对拾取侧进行串并转换,将与所构成的并联电路转换成电阻Rs与电容Cs的串联,则有:
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这里,Q2=ωC2RL为副边的品质因数。那么,副边的阻抗Z2就为:
由式(1),拾取侧的短路电流ISC为:
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在选取副边补偿电容C2时,使其与副边电感L2构成谐振,在拾取线圈上的电压V2为:
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拾取侧获取最大功率P2为:
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负载上的最大功率只与原边电流,原副边间的互感以及副边线圈的自感有关。
通常情况下副边电感L2上的电流为:
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副边拾取侧映射到原边的电压Vr为:
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在谐振的状况下,副边电感与补偿电容相互消除,副边阻抗可以简化为一个纯电阻Rs,则映射电压Vr的幅值可表示为:
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从式(7),式(10)可以看出,负载RL的值越大,副边拾取侧映射到原边线圈上的映射电压就越大,该负载上获取的功率也就越大。因此,在多负载的情况下,当某一负载轻载时,也即是RL值突然变大或者波动较大时,就很容易阻碍供电平台上的其他用电设备获取足够的功率,进而导致整个系统的崩溃;同时,轻载的负载也将导致系统的运行频率不稳,以至于其他的用电设备由于不能工作于谐振频率而不能获取足够的功率。
2 动态解谐控制实现
考虑到多负载非接触通用供电平台的实际特点,采用动态解谐的解决方案,如图2所示,该电路由一个定值电感和一个可变电容组成。负载的变动将导致输出电压Vo的变化以及功率的改变,因此,动态解谐谐控制主要是流入负载的输出电流的大小。
并联解谐控制的简化模型如图3所示,当电路解谐时,电感和电容的电抗都将随之改变。此时,负载上的电流可以表示为:
为了进一步说明负载电流和电容值的变化关系,根据图3给出如下关系式(12):
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其中:R表示负载,C表示可变电容,L是拾取线圈电感,VOC是感应的开路电压,IR是负载电流,ω是谐振频率。由式(12)可以看出,如果其他参数如R,L,VOC,ω等都固定不变时,那么负载电流将随电容值的变化而变化,如图4所示。只有在电容的谐振值这一点负载电流值最大,当电容值偏离谐振点电容越大,负载电流的下降也越大。因此,可以采用两种方法来达到电路失谐,控制电流大小的目的,根据可变电容值与谐振点电容值的比较,可变电容小被定义为欠调谐控制和可变电容大被定义为过调谐控制。本文只以欠调谐控制为例来说明动态解谐方法。式(12)给出的是负载电流与可变电容之间的关系,其中负载是一个给定的不变量,而实际设计当中,主要考虑的是负载变动与可变电容之间的关系,如式(13):
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其中:Vo是流经负载的输出电压,R是负载,L是拾取线圈电感,ω是谐振频率,VOC是拾取端感应的开路电压,C是可变电容。在给定的输出电压Vo的前提下,由式(13)可以计算出不同负载下的电容值。因此,可以采用电容在可控的开关频率下开启与关断来等效电容值的变化,具体电路如图5所示。
其中,在该电路中,电容开关控制依据负载输出DC电压反馈与给定的期望电压参考值相比较的结果,产生控制电容开关的输出信号。同时,在可控频率下开关电容Ct开关能够在负载上产生一个所需要的平均电流;而位于开关电容前面的固定电容Cs的作用是为启动电容开关电路提供最小的启动功率。
系统的设计参数为额定谐振频率 40 kHz,拾取侧感应开路电压的峰值5.18 V,副边线圈电感15.4 μH,负载上的输出电压设定为15 V。由式(14)可以求出固定电容值为0.673 μH,相应的开关电容值就等于谐振电容值减去固定电容的值,也就是0.357 μH。图6给出了负载轻载时,开关电容、固定电容、开关电容驱动信号以及输出负载上的电压波形。图7和图8给出的是动态欠调谐控制下,负载变化上时的输出电压波形及负载上的输出功率情况。从图中可以看出,轻载时,开关电容开关频率较低,该电路尽量保持解谐状态来限制负载上的电压大小,使电压稳定在15 V;同时,输出功率并没有随着负载轻载运行而增加,而相应地有所减少,消除了对其他用电器的功率影响,避免了系统的崩溃。
3 结 语
本文以非接触通用供电平台为对象,研究系统中单个负载突然变动或波动较大时,对其他用电器的功率影响的问题,利用一种新颖自维持动态解谐控制方法,无需额外的控制电路,结构简单,且能够使负载的输出电压稳定在一个给定的期望值。最后,PSpice仿真实验结果证明了该方法的可行性和有效性。
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非接触供电 篇4
非接触电能传输技术 (CPT) 是一种借助于空间软介质 (如磁场、电场、激光、微波等) 实现将电能由源极 (电源端) 传递至用电设备 (受电端) 的一种电能全新供给方式, 是电工技术领域一个研究和开发热点。它改变了只能“依靠导电体 (电线) 直接传输电能”的传统供电模式 (接触式电能传输模式) , 该技术有效克服了传统接触式电能传输和接入模式所存在的灵活性差、不美观、接触火花等问题, 是电能传输和电源接入方式的一种革命性的进步。该技术的发明和推广应用, 一方面解决了电能的远距离无线输电问题, 另一方面, 解决用电设备以非接触方式的电源接入问题, 真正实现“电能的无线传输”。
非接触电能传输 (CPT) 系统采用电磁感应耦合方式实现电能的非接触传输, 克服了传统的导体接触传输方式带来的一系列缺点与不足。对该系统的研究必将导致大量新的研究领域的出现和产生新的经济增长点, 带动相关技术的发展。
早在公元1889年, 著名物理学家特斯拉便开始展开对于远距离无线传输电能的研究, 他在当时就预言:“几十年后, 人类将彻底解决无线输电问题”。该技术可广泛应用于城市电气化交通 (轻轨电车、电动车) 、厂矿吊装和运输设备、自主移动机器人、人体内置电机构等领域实现便捷、可持续化供电, 具有非常广泛的市场前景。
该项技术真正实用化开发起源于上世纪90年代中期, 目前, 已经在部分小功率领域得到较好的发展, 作为大容量应用开发还处在初步探索阶段, 尚有大量的关键技术亟待解决。特别是随着电动车的发展, 该项技术是解决电动车便捷充电和持续实时供电的很好解决方案。由此, 引起国际上的高度重视, 新西兰、德国、日本、美国等国家正积极进行该技术的实用化开发。
重庆大学自动化学院孙跃教授带领的非接触电能传输技术研发课题组自2001年便开始了对国内外“CPT技术”相关基础理论与实用技术的密切跟踪和研究, 并与国际上在该领域研发工作处于领先水平的新西兰奥克兰大学波依斯 (Boys) 教授为首的课题组有着广泛的学术交流与科技合作, 是国内最早最系统从事该技术研究与开发的团队。经过多年研究他们已基本形成具有自身特色的理论技术体系, 并具备开发功率达10 kW等级的非接触电能传输装置。先后在《IEEE Transactions on Power Electronics》、《中国电机工程学报》、《自动化学报》以及《电工技术学报》等国内外重要刊物上发表高水平论文35篇, 申请并获得授权发明专利10项。该技术目前在国内还处于推广应用的起步阶段。
安康枢纽接触网供电分段设计 篇5
安康铁路枢纽位于包柳通道与沪汉蓉北通道的交汇处, 衔接襄渝线、西康线、阳安线三条干线四个方向, 发挥着沟通南北、承东启西的作用。安康枢纽内的安康东站 (三级六场) 、安康站随着阳安二线及西康二线的引入及多条疏解线的接轨, 其规模迅速增大, 对牵引供电系统的稳定性及可靠性的要求更高。
接触网作为机车供电设施, 因其无备用性, 故障停电将中断行车, 牵扯范围广而成为整个供电系统最薄弱环节, 常需要停电检修。为了减少对运营的影响, 准确、合理、系统的设置接触网供电分段以缩小接触网停电检修或故障停电引起的停电范围, 保证接触网供电的灵活可靠显得尤为重要。
本文结合安康枢纽内供电分段设计的工程实践, 提出枢纽接触网供电分段应考虑的因素, 为后续枢纽供电分段设计提供一定的参考。
2 枢纽供电分段设计
2.1 枢纽与相邻区间设置分段并单独供电
枢纽内存在大量客货列车的转线以及改编、组合等业务, 为保证枢纽供电可靠性, 目前国内均单独设置变电所向枢纽内供电。枢纽与相邻区间宜设置分段, 使枢纽与相邻区间相对独立, 缩小接触网停电检修或事故影响范围。
2.2 客线、货线设置分段, 并单独供电
区域路网内客货繁忙通道均考虑客货分线以提高通道的通行能力, 接触网供电分段设计需与行车运输组织密切结合, 客线、货线设置分段并单独供电, 灵活组织列车运行, 充分发挥客、货线功能。枢纽内联络线没有单独设置供电线时, 可根据其线路走向, 与客 (货) 线共用一回馈线, 充分发挥联络线功能。
典型工点设计:
安康枢纽内既有为襄渝上、下行两路正线, 西康二线工程中, 引入上、下行客车线实现客货分线。设计之初考虑减少二线工程引入引起的既有接触网拆除还建工程, 维持既有线分相位置不动, 上、下行客车线上增设分相, 如图1所示。此种方案弊端是任何一股正线故障时, 均会影响相邻股道行车, 对运营带来影响。图2采用的供电分段方式, 将既有枢纽内分相移设至区间, 同时正线设置带开关的绝缘关节, 保证枢纽与相邻区间供电独立的同时, 枢纽内正线间也相对独立, 为行车组织及运营维护均提供了便利。
2.3 正线独立供电, 各场、段间设置分段, 并单独供电
枢纽内正线宜独立供电, 且正线与场间应设置联络开关, 以保证正线与场间的供电独立, 同时正线或场供电故障时, 两路供电单元互为备用。
枢纽内各场一般情况下都是单独作业, 接触网应根据现场作业模式需要, 将各场、段间设置分段, 并提供独立供电线, 同时, 场间联络线设置联络开关, 保证供电灵活性。
2.4 场内供电分段
根据站场股道分工及列车进路, 结合行车组织及检修需要, 每个场、段内宜实行分束供电, 一般3~5股道为一束, 既不改变股道的作业方式, 也可有效的对接触网设备进行隔段, 为运营及维修提供便利。
根据变电专业一个场设置一回供电线的现状, 接触网可通过加装隔离开关的T接方式对每一供电分束单位进行供电。需要说明的是, 场内分束时, 每束供电单元需与相邻场之间供电互为备用, 以保证主供电源出线故障时, 相邻供电单元临时供电, 保证接触网供电的可靠性。
典型工点设计:
安康东编组站内含三级六场, 笔者以上行到发场 (图3) 为例介绍场内供电分段设计。襄渝上行线与场分开供电, 上行到发场内根据列车进路分成两束供电, 每一束与相邻供电单元均设有联络开关, 保证场内各束供电独立的同时, 相邻供电单元间互为备用。
2.5 大型客站应设独立供电线并分束供电
大型客站应设独立供电线, 并实行分束供电, 分束原则可根据客运需要按不同方向列车进站径路或站台划分;当客站上设牵引变电所或开闭所时, 每束可单设供电线。
典型工点设计:
安康车站东侧有安康东方向的上行、下行客车线及既有襄渝下行线进站, 西侧有五里铺方向的阳安线, 月河方向的既有襄渝上、下行线出站, 供电分段设计中充分考虑的列车进站径路, 将整个车站分成三束, 且每束间均设有联络开关, 保证接触网供电的可靠性。
既有安康车站进站端、出站端均设有分相, 因西康二线货线及联络线的引入引起出站段既有分相拆除, 月河方向襄渝下行分相的还建引起了争议。若下行分相移设至区间, 新设分相距月河变电所既有分相距离不足2.5公里, 且设于隧道内, 对司机操作、望及行车均有很大影响。设计之初考虑拆除既有分相1及分相2, 取消开闭所进线电源由月河变电所主供安康东变电所备用的模式, 开闭所进线电源由月河变电所上下行取代, 如图4所示。此种方案存在问题是若月河变电所失电或进行垂直天窗检修, 整个安康车站失去进线电源, 需将车站西侧绝缘关节隔离开关GK1~GK4统一打开, 由安康东变电所作为安康车站主供电源, 此种方案解决了车站供电问题, 但是中断了阳安线与上、下行货车线的行车。月河变电所恢复供电时, 首先须对开闭所进线电源进行倒接, 闭合车站绝缘关节隔离开关等操作, 对运营维护管理造成诸多不便。
经多次讨论, 确定了图5中所示的供电分段形式, 维持月河变电所主供安康东变电所备用的模式, 新增分相3, 安康开闭所新增馈线向阳安上、下行货车联络线供电, 此种供电方式保证了安康车站站内供电独立性的同时, 保证了阳安线、襄渝线的供电独立, 任何一束供电单元的失电, 不影响其它线路的运行, 对运营维护管理及机车运行提供了便利。
3 结论
铁路枢纽供电方案的准确性、系统性及协调性直接影响枢纽内运输组织模式, 设计单位应与运输、调度及运营维护管理部门密切结合, 充分考虑运输组织的实际情况及近远期规划, 统筹枢纽供电方案, 合理进行接触网分段及分束, 提高供电的可靠性、灵活性, 减少对运输秩序的干扰, 充分满足运输组织需要。
摘要：准确、合理的电气化铁路枢纽供电分段设计能增强电气化铁路枢纽供电的可靠性、灵活性, 为维修创造有利条件, 为运输组织提供便利。通过介绍安康枢纽接触网供电分段的设计, 列举了安康枢纽供电分段设置考虑的综合因素, 对后续大型枢纽的接触网分段设置有一定的指导性、示范性作用。
关键词：接触网,供电分段,设计
参考文献
[1]沈双强.电气化铁路枢纽供电分段设计浅析[J].铁道勘测与设计, 2000 (1) :39-41
[2]中铁电气化集团有限公司, 中铁电气化勘测设计院.铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社, 2005.
非接触供电 篇6
1 供电方案比较
接触网供电方式是传统的电力驱动轨道交通最为常见的, 其技术比较成熟, 但存在以下问题:
(1) 架空网对城市景观影响较大, 造成视觉污染, 尤其是交叉路口;
(2) 大部分城市, 尤其是新城 (区) 在规划建设时, 已将管线电缆几乎全部入地, 如果采用接触网供电方式, 将重新将电线置于地面之上;
(3) 架空线外露也存在着电击及挂落的危险。
无触网供电方案则可以有效避免以上问题, 且能将有轨电车靓丽的外观融入到城市道路景观中, 打造一道美丽的动态城市风景线。
2 无触网供电方案介绍
目前, 世界上有轨电车无触网供电方案主要分为2大类, 一类为第三轨供电, 如阿尔斯通研发的APS系统和意大利的安萨尔多Tram Wave系统;另一类为车载储能供电, 如西门子的混合型储能装置, 即超级电容和电池的组合、西班牙CAF的超级电容、庞巴迪的Primove系统及阿尔斯通的车载电池[3]。具体技术特征及发展情况如下。
2.1 第三轨供电系统
2.1.1 APS系统[4]
APS系统是阿尔斯通研发的有轨电车无触网供电方案, 其基本原理是:采用在走行轨的中间铺设1条供电轨来替代架空接触网进行供电。供电轨由8 m长的导电轨和3 m长的绝缘轨相间铺设而成, 并每隔22 m设1个变电箱, 每个变电箱控制2个供电段, 供电电压DC750 V。同时, 车辆底部设有受电靴, 当受电靴接触导电轨时通过车载信号触动开柜, 启动接触的导电轨段开始供电, 车辆经过后该段断电。由于始终保持车辆正下方的导电段带电, 其余段由绝缘轨相隔, 以保证供电的安全性。另外, 车上装有9 k W·h的蓄电池组, 以保证车辆在通过绝缘地段时车辆仍能持续供电。其供电原理示意图见图1。
APS系统已经投入商用9年, 截至目前世界上已有7个城市的有轨电车应用了此技术, 如法国的波尔多、兰斯、昂热、奥尔良、图尔;阿联酋的迪拜;巴西的巴西利亚。其中应用最为成熟的城市为波尔多, 共规划建设了3条线43.5 km, 其中市中心线路为减少对城市景观的影响, 采用了APS无触网供电方案, 总长度为13.6 km;已运营9年, 运营车辆近百辆, 车型为5模块33 m和7模块44 m。
2.1.2 Tram Wave系统[5]
Tram Wave系统是由意大利的安萨尔多公司研发生产的无接触网供电型有轨电车, 其供电方式与阿尔斯通相似, 也采用第三轨供电, 且也是由导电段和绝缘段组成。不同的是Tram Wave系统的第三轨供电系统主要依据物理原理, 即第三轨内部装有1根分段可自动起伏的铜条, 车辆底部装有磁性受流器, 具体工作原理为:
(1) 受流器完全收起状态
磁性的受流器距离受电轨道较高的位置, 没有足够的吸引力吸起地面受电系统分段模块中的活动金属块, 无法接通供电系统, 此时受电轨道表面没有电流接通。
(2) 受流器完全释放状态
随着受流器向地面受电轨道不断接近, 吸引力增加, 地面受电系统分段模块中的活动金属块逐渐上升;当受流器与受电轨道完全接触时地面轨道受电系统分段模块中的活动金属块完全到达工作位置, 激活电力供应系统, 开始为车体供电。
为了保障供电的安全性, 除采用分段的绝缘轨将导电轨相隔阻断外, 还安装了电源安全负极, 以确保即使雨水浸泡轨道时, 仍保证行人及社会车辆的安全。安萨尔多第三轨供电原理见图2。
此供电技术已在意大利那不勒斯市进行应用, 且前期进行了大量的防水、抗碾压的试验, 目前Tram Wave系统供电技术已被中国北车大连机车厂引进, 且在珠海市建立了生产基地。
2.2 车载储能供电系统
2.2.1 超级电容[6]
西班牙CAF集团研发生产了一种无接触网供电现代有轨电车, 其牵引储能装置为车载ACR系统。ACR是一种基于高速充电的超级电容车载储能系统, 即区间采用ACR系统供电, 在车站对其进行快速充电。
ACR系统由超级电容、冷却模块、控制模块、集成在牵引力逆变器内部的DC/DC逆变器、紧急救援设备组成。5模块驱动的有轨电车 (3.4 k W·h) 需配置2个ACR系统;7模块驱动的有轨电车 (5.1 k W·h) 需配置3个ACR系统。
CAF研发的超级电容ACR无触网供电技术比较成熟, 在西班牙的塞维利亚已经商用2年。塞维利亚有轨电车线路主要为交通枢纽的接驳线路, 位于城市闹市区, 全长1.997 km, 共设5个车站, 其中无接触网段为0.483 km, 车载ACR系统 (超级电容) 容量为1.04 k W·h, 重量为2.3 t, 尺寸为:L=2 466 mm;W=1 980 mm;H=755 mm。另外, 萨拉戈萨无接触网有轨电车项目也即将投入使用。
另外, 德国西门子近年来也一直致力于超级电容无触网供电方案的研究, 并在葡萄牙的里斯本进行试验多年, 目前, 中国南车株洲电力机车厂引进了此项技术。
2.2.2 电池[4]
其原理与超级电容基本一致, 阿尔斯通公司2007年在尼斯开通的一条线路, 由于线路经过2个重要广场 (每年举办狂欢节) , 因此不需要设接触网, 为此阿尔斯通公司研发了电池组储能方案, 即在每列车上装有540 V DC, 200 k W的镍氢电池组, 列车在无触网和有触网交替时, 须停车进行动力切换, 为此在广场的两端均设有车辆停靠站, 另外在线路的起终点设有电池充电柜, 对电池组进行深度充电, 以保证电池组有足够的容量支撑列车电池组牵引时的动力。尼斯电池牵引有轨电车见图3。
2.2.3 Primove系统[7]
Primove系统是由庞巴迪研发的一种有轨电车无触网供电方案, 其工作原理为:750 V DC供电电缆, 每9 m设置1个逆变器, 以控制电缆供电。逆变器将直流电转变为20 k Hz, 400 V AC, 通过敷设在轨道中间的3条并行电缆产生初级感应磁场;通过安装在车辆底部的集电器, 产生次级感应磁场, 次级感应磁场再将400 V AC转变为600 V DC供给车辆的牵引系统。同时, 车顶的两端配有2个锂电池组, 每个电池组的性能为:电压533 V, 容量49 k W·h, 重量630 kg。
按照庞巴迪公司的推荐, 一条线路铺设6%~9%的Primove系统, 一般铺设在车站及交叉口的进口端, 即在铺设Primove系统段由供电电缆供电, 同时向车顶蓄电池组充电;其余段则由车顶蓄电池组进行供电。因此, 其供电原理与超级电容及电池方案相似, 只是充电方式不同而已。Primove系统原理图见图4。
3 各种无触网供电方案比较分析
通过对目前世界上的各种无触网供电方式技术特征的分析, 得知阿尔斯通的APS系统技术比较成熟, 已经商业运营9年, 但是造价比较昂贵, 是架空网供电的8~10倍, 且对积水的要求比较严格;安萨尔多的Tram Wave系统虽然克服了APS系统的造价昂贵及积水要求等缺点, 但当重车碾压时存在一定的安全隐患;车载储能供电制式克服了第三轨供电系统设备安装、维护、更换相对复杂的不足, 且在节能方面具有明显优势;不过超级电容技术相对电池技术而言, 更为成熟, 如西班牙CAF的超级电容供电技术已商用2年多, 且运行良好。庞巴迪的Primove系统利用先进的地下充电技术, 彻底解决了车载储能供电系统在车站充电的架空网架设问题, 但系统比较复杂, 且造价比较昂贵, 是架空网供电的10倍左右。具体指标比较分析见表1。
4 结语
本文对现代有轨电车各种无接触网供电方案进行了分析比较, 各有其优点和不足, 因此, 在供电方案选择上一定要结合项目的实际情况, 综合各项指标进行选择。同时, 根据北车大连机车厂引进意大利安萨尔多Tram Wave系统技术, 进一步说明无触网供电技术正逐步走向国产化, 其在未来国内有轨电车市场上也将被广泛应用。
摘要：现代有轨电车以“中低运量、准快速、低碳、人文、高效”的特点越来越受到国内各级城市的青睐。由于接触网对城市景观, 尤其是敏感区域的影响较大, 为进一步体现与城市景观的融合, 其供电方式逐步由接触网向无接触网发展。无触网供电方案种类很多, 且各自的技术特点不尽相同。文章在分析世界上各种无触网供电方案技术特征的基础上, 对其进行了综合比较, 为有轨电车项目的无触网供电方案的合理选择提供了决策依据。
关键词：有轨电车,无触网供电,第三轨供电,车载储能供电
参考文献
[1]Sophie Labbouz, Youssef Diab.Tramways in France-born again for urbanism[J].Nova Terra Connected Cities, 2007 (2) :22.
[2]马永红.欧洲现代有轨电车发展启示[J].世界轨道交通, 2012, 104 (7) :36-38.
[3]江苏省交通科学研究院股份有限公司.南京市河西新城现代有轨电车车辆选型及供电方案研究报告[R].2012.
[4]ALSOMT TRANSPORT.无触网供电APS系统技术交流[R].2012.
[5]AnsaldoBreda.TramWave地面供电系统技术交流[R].2012.
[6]CAF.有轨电车车辆及供电技术交流[R].2012.
非接触供电 篇7
1 我国高速铁路防雷设计原则
根据铁路运行安全指标的要求, 将牵引供电接触网雷电防护定义为:依据《铁路电力牵引供电设计规范》 (TB 10009—2005) 和《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》 (铁建设[2007]39号) , 将每年雷电日的数量划分为少雷区, 年平均雷电日在20 d以下的地区 (含20 d) ;多雷区, 年平均雷电日在20~40 d的地区 (不含20 d) ;高雷区, 年平均雷电日40~60 d的地区 (不含60 d) ;强雷区, 年平均雷电日在60 d以上的地区 (含60 d) 。
2 受到雷击方式的分析和计算
分析和计算雷击方式时要遵循一个原则, 即年平均雷电日比较多的地区, 其遭受雷击的频度也就越大, 一般情况下遭受雷击次数与年平均雷电日数成正比关系。由此可进行推算:当接触网的侧面限界为3 m, 承力索距离轨面的平均高度为7 m时, 单线接触网遭受雷击次数为:
复线接触网遭受雷击次数为:
式 (1) (2) 中:Td——年平均雷电日数, d。
当接触网和支柱受到雷电击时, 除入地外主要产生过电压。其电压值大小, 与接地电阻、雷电流幅值等有关。此外, 雷电通道产生的磁场与雷电流磁场产生相反的感应电压, 且与雷电流平均值和导线的高度成正比。而接触网支柱的接地电阻的大小, 也决定了冲击过电压和感应过电压的叠加值。在一般情况下, 接地电阻越高, 叠加值也就越大。因此, 当遭受雷击时产生过电压, 且过电压达到了接触网所支持的绝缘子冲击放电电压时, 就会形成绝缘子闪络, 而雷电流就会经支柱、接地线和钢轨等部位入地, 过电压也会随之降低。
3 牵引供电接触网雷电防护措施
为了有效保障高速铁路运输的良好运行, 避免因雷电天气引起的安全隐患, 采取牵引供电接触网雷电防护措施是很有必要的。但是, 我国在牵引供电接触网雷电的防护方面与发达国家仍有较大差距, 在某些方面的技术相当不成熟, 需要遵循基本的原则和方法, 才能有效避免事故的发生。
3.1 接触网防雷措施的原则
具体原则分为以下几个方面: (1) 根据高速铁路客运专线和客、货混线线路不同的供电方式, 分别制订防雷原则和措施; (2) 根据区间与站场的不同特点确定接触网防雷措施; (3) 将实际跳闸统计数据和雷区划分相结合; (4) 将站场接触网与站房等防雷措施相结合; (5) 将避雷针、避雷线等不同接闪器优势互补、互相结合; (6) 因地制宜, 根据不同气候、地理等自然条件, 设计防雷设施的密度和强度, 做到安全和效益兼顾。
3.2 高速铁路客运专线的防雷建议
具体建议分为以下几点: (1) 在多雷电地区、空旷的平原及高架桥段做重点防雷电措施; (2) 在架设绝缘避雷线、避雷针等柱外防雷措施的同时, 按照接触网所在区域的雷电强度和跳闸统计数据, 适当加大避雷器的密度, 并结合放电间隙进行预防直击雷; (3) 区间接触网采用接触网支柱顶端架设避雷线, 多雷区段加设避雷针; (4) 根据计算确定避雷线、避雷针的防雷有效范围; (5) 柱顶布置可同时对支柱两侧的高压带电部分起到防雷作用, 大量减少直击雷对接触网高压部分的放电; (6) 如果采用绝缘架设避雷线、避雷针并单独接地, 可减少支柱直击雷和反击雷对接触网高压部分的放电, 减少变电所的雷击跳闸次数; (7) 柱顶架设避雷线、避雷针的支柱和信号设备距离应小于15 m区段, 该支柱顶避雷线应加装绝缘子, 并且相邻支柱顶加避雷针设单独接地; (8) 站场接触网防雷应结合房屋建筑防雷措施, 可在站场咽喉区设单柱式避雷针。
4 结束语
随着我国综合国力的提升, 高速铁路作为国家政策扶持的重点项目, 得到了迅猛发展, 满足了经济发展和人们出行的需求, 改变了人们的生活。但是, 我国高速铁路牵引供电接触网雷电防护还需要继续发展和提高, 才能更好地保证乘客的生命和财产安全。
参考文献
[1]曹晓斌, 熊万亮, 吴广宁, 等.接触网引雷范围划分及跳闸率的计算方法[J].高电压技术, 2013, 39 (6) :1515-1521.
[2]边凯, 陈维江, 沈海滨, 等.高速铁路牵引供电接触网用带间隙避雷器的研制[J].中国电机工程学报, 2013, 33 (10) :200-209.
非接触供电 篇8
非接触式供电系统是现代电力运输系统发展的一项重大突破, 可以有效克服蓄电池、电缆卷筒、电刷、滑触线等传统供电方式的诸多缺点, 具有对周围环境要求宽松、供电效率高、安全免维护、供电距离长、可以在露天环境下运行等优点[1]。
某钢厂二冷轧工程共分为6个区, 生产线众多, 每台过跨车需贯穿多个跨才能实现各生产线之间的物流运输, 且运输过程还要穿越厂区公路, 因此过跨车要面临长距离运输 (最长达300多米) , 以及露天、地面潮湿等恶劣条件。在这样的恶劣条件下, 重载非接触式供电运输车应运而生。
1 非接触式供电技术的原理
非接触式供电技术是基于电磁耦合感应原理, 通过非机械接触的方式实现电力和信号的传输, 特别适合于电能和信号由固定设备向可移动设备的感应传输。
非接触式供电系统是由主电源 (Track supply) 、埋于地下的高频电缆、车上的拾电器 (Pickup) 及逆变器 (Frequency) 等元件组成。CPS供电系统原理如图1所示。主电源将380V、50Hz的交流电通过整流滤波、高频逆变转化为地下高频电缆用的20k Hz高频电流;车上的拾电器与高频电流感应耦合, 再经过整流、滤波转化成560V直流电;变频器 (或逆变器) 等电源转换装置将直流电转换为电机及车上用电设备所需的380VAC或24VDC, 用于运输车的驱动及控制[2]。
2 非接触供电系统优势
与传统供电方式相比, 在冶金运输车辆的应用中, CPS非接触供电方案在技术上拥有诸多优势:免维修, 从而有高利用率及相对低的运行成本;对移动设备没有速度限制和加速率限制;无噪音、无粉尘 (其电力传输是非接触性的) ;大面积轨道干净清洁 (集电器和初级线圈之间的气槽设计) ;对工作环境没有要求, 甚至可适应恶劣的环境, 如粉尘、水、冰、风等;适宜的构造以及新型高性能零件的使用使其具有高工作效率;将供电、数据通信、导航等功能集成一体。
3 供电控制设备
迁钢二冷轧非接触式供电重载运输车 (如图2所示) , 承载能力为30t, 一次可以运送一个钢卷, 并且具备翻卷功能, 主要设备包括:
(1) 核心设备为德国VAHLE公司的非接触式供电设备, 包括:整流器、高频电缆、电容补偿盒、拾电器及定位识别装置等。
(2) 通信系统采用西门子的工业无线移动通信设备, 如SCALA NCE W788, IWLAN PB Link, RCoax Cable等。
(3) 控制系统采用西门子S7-300 PLC。地面PLC系统主要用于查看小车及液压系统的报警与故障信息, 并为以后接入全厂物流自动控制系统预留扩展功能;车载PLC系统主要完成小车的行走、定位及翻转机构的翻转等功能。
(4) 还有重要的安全保护设备, 如接地靴、声光报警器、激光扫描仪及安全防撞杆等。
4 自动控制系统
控制系统由两套S7-300PLC组成, 其系统配置如图3所示。过跨车电机的编码器与拾取Mark装置通过Profibus-DP挂在CP342-5下;与地面PLC通信的装置IWLAN PB Link通过Profibus-DP与CPU-315相连;柜门上的触摸屏通过Profibus-DP挂在CPU-315下;与车载PLC通信的装置SCALANCE W 788-1RR通过网线与CP343-1相连。
运输车在轨道上的位置由编码器实时检测出, 为了安全起见, 在轨道两端预埋MARK点, 以防编码器出现问题, 运输车冲出轨道。在两个厂区之间的公路附近预埋两个MARK点, 当运输车经过公路时, 触发公路两侧的交通信号灯, 防止事故的发生。
当激光安全扫描装置扫描到安全区域内 (0~4m, 根据需要可设定) 有物体时, 无条件停车, 物体出安全区域后自动恢复运行。
当运输车前部安全防撞杠碰到前方物体, 触发安全用行程开关时, 无条件停车。
5 结语