專利名稱：用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種供電系統(tǒng)，特別涉及用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及一種用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電方法。
背景技術(shù)：
地鐵、輕軌列車和磁懸浮列車等都屬于沿著軌道移動的運輸裝置，生產(chǎn)線上的載物小車也屬于沿專用生產(chǎn)線移動來傳輸貨物的裝置。這些裝置運行時都需要供電，傳統(tǒng)的供電方式有兩種“拖辮子”或者鋪設(shè)受流軌。所謂“拖辮子”是指采用軟電纜將供電線延長到需要的最遠(yuǎn)距離。然而在使用這種方法供電時，線損嚴(yán)重，可靠性差。鋪設(shè)受流軌是指沿著裝置的移動線路鋪設(shè)專用的供電軌道，該供電軌道與固定在移動裝置上的受流滑塊接觸，通過該受流滑塊將電能傳輸給移動裝置，這是目前應(yīng)用最普遍的受流方式。
圖I為傳統(tǒng)的受流軌供電系統(tǒng)的示意圖。傳統(tǒng)的受流軌供電系統(tǒng)10通過地面設(shè)備將地面的交流電I通過整流器2整流濾波，將其轉(zhuǎn)化為直流電；然后將該直流電直接連通到設(shè)置在移動裝置的軌道兩側(cè)的兩根受流軌3上(一根接直流電的正端，另一根接直流電的負(fù)端)；同時在移動裝置5上安裝受流器4，通過受流器4與受流軌3的接觸，將受流軌3 上的直流電傳輸?shù)揭苿友b置5 (即負(fù)載)上。
這種接觸式的供電方法主要存在以下幾點不足
首先，為了確保受流器和受流軌之間的嚴(yán)格接觸，在系統(tǒng)運行的過程中，需要有較大的外力使得受流器緊壓受流軌，這樣會增加兩者之間的摩擦，限制了移動裝置的加速，因此不利于移動裝置速度的提高。
同時，由于受流器和受流軌的長期摩擦，受流器和受流軌均要經(jīng)受磨損，摩擦的作用甚至可能損壞移動裝置，嚴(yán)重時會使得整個運輸系統(tǒng)無法正常運行。在這種情況下，需要停運進(jìn)行設(shè)備的檢修和維護(hù)，造成高昂的代價。
另外，整個系統(tǒng)的供電模式比較死板，不利于靈活操控和節(jié)省電能。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的接觸式供電方法產(chǎn)生的上述問題，需要研究一種更先進(jìn)的非接觸供電系統(tǒng)以及方法，本發(fā)明正是立足于此。發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)的用于沿軌道運行的移動裝置的供電系統(tǒng)和方法導(dǎo)致的部件磨損嚴(yán)重、加速受限、維護(hù)和檢修工作量龐大等缺陷，本發(fā)明提出了一種新型的用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)及方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)，包括將外部輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的第一整流器；將第一整流器輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器；變壓器，其包括分離的初級鐵芯和次級鐵芯，初級鐵芯上纏繞有初級線圈，次級鐵芯上纏繞有次級線圈；與移動裝置相連接的第二整流器。其中該逆變器輸出的交流電輸入初級線圈，次級線圈中所感應(yīng)的交流電通過第二整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡筇峁┙o移動裝置。
在一個實施例中，初級線圈固定在移動裝置的供電軌上，次級線圈固定在移動裝置上。
在一個實施例中，初級線圈包括彼此分開地布置在供電軌上的若干初級線圈部分，各初級線圈部分的長度大于移動裝置的長度。
在一個實施例中，逆變器僅和初級線圈中的與移動裝置所處的區(qū)域相對應(yīng)的初級線圈部分以及相鄰的兩個初級線圈部分相連。
在一個實施例中，第一整流器輸出的交流電的頻率高于外部輸入的交流電的頻率。
在一個實施例中，逆變器輸出的交流電的波形包括矩形波或正弦波。
在一個實施例中，變壓器的初級鐵芯或次級鐵芯的形狀包括U型鐵芯或E型鐵芯。
本發(fā)明的另一方面，提出了一種使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)來為沿軌道運行的移動裝置供電的方法。
本發(fā)明通過設(shè)計具有互相分離的兩部分的變壓器，并將變壓器的兩部分分別安裝在供電軌和移動裝置上，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中供電軌和受流體接觸摩擦的缺陷，因而有利于延長移動裝置的使用壽命并提升其加速上限。
另外，本發(fā)明采用將初級線圈分成若干個初級線圈部分的方式來布置供電導(dǎo)軌上的初級線圈，從而分段激磁，這有利于高效、節(jié)能、靈活地利用電能，為整個系統(tǒng)的操作帶來極大便利，同時在某個初級線圈部分遇到故障時不會影響整個系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)的抗故障能力。


在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中
圖I為傳統(tǒng)的受流軌供電系統(tǒng)的示意圖2為根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)的示意圖3為一個實施例中的根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)的第一整流器的示意圖4a為一個實施例中的根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)的逆變器的示意圖4b為一個實施例中的根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)的逆變器輸出的電壓波形的不意圖5為一個實施例中的根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)的變壓器的示意圖6為具有多個初級線圈部分的根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)20。其中地面電源提供的交流電6首先通過第一整流器7。第一整流器7將地面電源提供的交流電6整流濾波，轉(zhuǎn)換為直流電。
在一個實施例中，地面電源提供的交流電6為三相交流電。第一整流器7例如為圖3所示的常規(guī)的三相二極管不控整流電路，將三相交流電6轉(zhuǎn)換為直流電。由于本領(lǐng)域技術(shù)人員參照附圖3很容易了解該實施例中第一整流器7的工作原理，這里不再具體描述該電路。
參照圖2，第一整流器7輸出的直流電輸入到逆變器8。逆變器8將該電流轉(zhuǎn)換為交流電。
在一個優(yōu)選實施例中，逆變器8輸出的交流電的頻率高于地面電源提供的交流電 6的頻率。在一個實施例中，逆變器8輸出頻率為20kHz 40kHz的交流電
圖4a顯示逆變器8的電路圖。其中控制信號C1和C2控制逆變管VpVyV3JP V4。 其中V1和V4同時導(dǎo)通或者斷開，V2和V3同時導(dǎo)通或者斷開。
在一個實施例中，在前半周期，控制信號使V1和V4導(dǎo)通，而使V2和V3斷開，此時輸出端電壓Uab的特點是
極性a端為 “ +，，，b 端為 “一，，，Uab 為 “ + ” ；
幅值Um = UD。(Um即逆變器8輸出電壓的幅值，Ud為逆變器8接受的輸入電壓的幅值。)
在后半周期，控制信號使V2和V3導(dǎo)通，而V1和V4斷開，此時輸出端電壓Uab的特點是
極性a端為 “一，，，b 端為 “ +，，，Uab 為“一，，;
幅值=Uni= Ud。
如此周而復(fù)始地交替下去，則a、b兩端輸出的便是交流電壓。
在一個實施例中，a、b兩端輸出的交流電壓的波形為如圖4b所示的矩形波。
在另一個實施例中，可以通過控制逆變器8的各個逆變管的導(dǎo)通和斷開時間，使得逆變器8的a、b兩端輸出的交流電壓的波形為正弦波。
再次參照圖2，逆變器8輸出的交流電輸入到纏繞在變壓器9的初級鐵芯(圖2中其位于變壓器9的左側(cè)半部)上的初級線圈中。由于電磁感應(yīng)原理，纏繞在變壓器9的次級鐵芯(圖2中其位于變壓器9的右側(cè)半部)上的次級線圈內(nèi)將產(chǎn)生交流的感應(yīng)電壓，該感應(yīng)交流電通過第二整流器10轉(zhuǎn)換為直流電，提供給沿軌道運行的移動裝置11。
圖5為變壓器9的示意圖。在一個實施例中，變壓器9包括分離的兩個鐵芯，即在圖5中位于左側(cè)的初級鐵芯和位于右側(cè)的次級鐵芯。初級鐵芯的外部纏繞有電流可通過的初級線圈，次級鐵芯的外部纏繞有電流可通過的次級線圈。圖5中數(shù)字12所標(biāo)示的兩個部分為氣隙，即兩個鐵芯之間沒有物理接觸，是彼此懸空的。
在一個實施例中，變壓器9的兩個鐵芯為U型鐵芯。
在另一個實施例中，變壓器9的兩個鐵芯為E型鐵芯。
在一個實施方案中，初級線圈固定在移動裝置11的與其運行軌并行的供電軌上， 次級線圈固定在移動裝置11上，隨移動裝置11移動。變壓器9通過電磁感應(yīng)原理將地面電源提供的電能傳輸給移動裝置11，同時不需要移動裝置11和供電軌之間的接觸。這既避免了由于接觸摩擦導(dǎo)致的磨損，提高了移動裝置11的使用壽命，同時幾乎為零的摩擦力有效地降低了移動裝置11加速過程中的阻力，有利于提高移動裝置11的速度。
再次參照圖2，第二整流器10將變壓器9的次級線圈輸出的電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姟?第二整流器10的工作原理和第一整流器7基本一致，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，此處不再贅述。
經(jīng)過第二整流器10整流后的直流電就可以為移動裝置11 (負(fù)載)供電了。
在一個實施方案中，沿與移動裝置11的運行軌并行的供電軌鋪設(shè)初級線圈(纏繞著變壓器9的初級鐵芯的線圈)，初級線圈根據(jù)移動裝置11的長度和運行速度分為若干個彼此分開的初級線圈部分，每個初級線圈部分的長度均大于移動裝置11的長度。當(dāng)移動裝置11在運行軌道上移動到與某一個初級線圈部分相對應(yīng)的位置時，將逆變器8的輸出端接入該初級線圈部分及其前后相鄰的兩個初級線圈部分，進(jìn)行激磁，其他位置上的初級線圈部分不通電。這樣不需要對整個供電軌上的所有初級線圈部分進(jìn)行激磁，可以高效、靈活、 低損耗地利用電能。并且，由于各個初級線圈部分彼此相互獨立，當(dāng)某個初級線圈部分出現(xiàn)故障的時候，其余的初級線圈部分正常供電，不受影響。只需要及時更換故障的初級線圈部分，不會對整個系統(tǒng)造成大規(guī)模的損害。
另一方面，本發(fā)明還設(shè)計了通過根據(jù)本發(fā)明的非接觸供電系統(tǒng)來為移動裝置供電的方法通過地面電源對根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)20供電，使電流輸入到系統(tǒng)20的第一整流器7 中。第一整流器7將該電流轉(zhuǎn)換成直流電輸入給逆變器8，逆變器8將輸入其中的電流轉(zhuǎn)換成交流電輸入給變壓器9的初級線圈，變壓器9的次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)交流電，將其輸送至第二整流器10以轉(zhuǎn)換成直流電，再將該直流電提供給移動裝置11。
在一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法采用分段激磁的方法運行根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)20 :如圖6所示，將變壓器9的初級線圈以“部分”為單位分段鋪設(shè)在供電軌上，即在供電軌上布置若干個彼此分開的初級線圈部分(即911、15等)，每個初級線圈部分均通過開關(guān)連接到逆變器8的輸出，變壓器9的次級線圈標(biāo)示為920，每個初級線圈部分的長度均大于移動裝置11的長度；在運行系統(tǒng)20時，首先檢測移動裝置11所處的位置，假設(shè)移動裝置 11運行至與初級線圈部分913相對應(yīng)的位置時，即將912、913、914三個初級線圈部分的開關(guān)閉合以連接至逆變器8的輸出。其余的初級線圈部分不通電，不工作。當(dāng)移動裝置11移動至與初級線圈部分912相對應(yīng)的位置時，閉合初級線圈部分911的開關(guān)，斷開初級線圈部分914的開關(guān)；當(dāng)移動裝置11移動至與初級線圈部分914相對應(yīng)的位置時，閉合初級線圈部分915的開關(guān)，斷開初級線圈部分912的開關(guān)。這樣任何位置只有移動裝置11所在位置所對應(yīng)的以及其前后總共三個初級線圈部分被激磁供電。如此能夠提高能量的使用效率， 降低整個系統(tǒng)20的能量損耗，并且便于靈活地操作系統(tǒng)20，同時提高了系統(tǒng)20的抗故障能力。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)。本發(fā)明并不局限于文中公開的實施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。權(quán)利要求
1.一種用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)，包括將外部輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的第一整流器；將所述第一整流器輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器；變壓器，其包括分離的初級鐵芯和次級鐵芯，所述初級鐵芯上纏繞有初級線圈，所述次級鐵芯上纏繞有次級線圈；與移動裝置相連接的第二整流器，其特征在于，所述逆變器輸出的交流電輸入所述初級線圈，所述次級線圈中所感應(yīng)的交流電通過所述第二整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，之后提供給所述移動裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述初級線圈固定在所述移動裝置的供電軌上，所述次級線圈固定在所述移動裝置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述初級線圈包括彼此分開地布置在供電軌上的若干初級線圈部分，各初級線圈部分的長度大于移動裝置的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變器僅和所述初級線圈中的與所述移動裝置所處的區(qū)域相對應(yīng)的初級線圈部分以及相鄰的兩個初級線圈部分相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一整流器輸出的交流電的頻率高于外部輸入的交流電的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變器輸出的交流電的波形包括矩形波或正弦波。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述變壓器的所述初級鐵芯或所述次級鐵芯的形狀包括U型鐵芯或E型鐵芯。
8.使用根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的系統(tǒng)來為沿軌道運行的移動裝置供電的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電系統(tǒng)，包括將外部輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的第一整流器；將第一整流器輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器；變壓器，其包括分離的初級鐵芯和次級鐵芯，初級鐵芯上纏繞有初級線圈，次級鐵芯上纏繞有次級線圈；與移動裝置相連接的第二整流器。其中該逆變器輸出的交流電輸入初級線圈，次級線圈中所感應(yīng)的交流電通過第二整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡筇峁┙o移動裝置。本發(fā)明還涉及一種用于沿軌道運行的移動裝置的非接觸供電方法。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)及方法操作簡單、緩解了現(xiàn)有技術(shù)對移動裝置速度的限制，并且節(jié)能、安全。
文檔編號H02J17/00GK102931735SQ20121044105
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者廖仲篪, 廖積新 申請人:湖南銀河電氣有限公司