• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

磁浮列车非接触式供电技术

吴冬华 冯程程 余进

吴冬华, 冯程程, 余进. 磁浮列车非接触式供电技术[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 522-530. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210893
引用本文: 吴冬华, 冯程程, 余进. 磁浮列车非接触式供电技术[J]. 西南交通大学学报, 2022, 57(3): 522-530. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210893
WU Donghua, FENG Chengcheng, YU Jin. Contactless Power Supply Technology for Maglev Trains[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 522-530. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210893
Citation: WU Donghua, FENG Chengcheng, YU Jin. Contactless Power Supply Technology for Maglev Trains[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(3): 522-530. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210893

磁浮列车非接触式供电技术

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20210893
基金项目: 山东省重点研发计划(2020CXGC010202);国家重点研发计划(2016YFB1200600)
详细信息
    作者简介:

    吴冬华(1972—),男,教授级高级工程师,研究方向为高速动车组、高速磁浮系统、城市轨道车辆等研发等,E-mail:sf-wudonghua.sf@crrcgc.cc

  • 中图分类号: U223.5

Contactless Power Supply Technology for Maglev Trains

  • 摘要:

    针对高速磁浮列车在狭窄空间内高经济性、高可靠性车载供电需求,在耦合磁路、电气性能仿真、设计优化基础上,提出一种发射端多匝线圈且无磁芯、拾取端类似双U型耦合磁路结构的非接触供电系统(inductive power supply,IPS),该系统采用了理论设计、仿真分析以及试验验证相结合的研究方法. 首先,根据高速磁浮列车供电需求,通过理论计算确定各设备主要参数,完成IPS系统设计方案;然后,进行耦合磁路设计及仿真分析:利用Maxwell软件对多种耦合磁路进行3D仿真分析,确定耦合磁路最优设计方案,开展三维电磁仿真得到拾取装置与地面发射线圈间互感;紧接着,进行电气性能仿真分析:利用Matlab软件建立IPS系统电气仿真模型,仿真IPS系统传输功率及效率,根据供电需求确定补偿装置、地面逆变电源及DC/DC参数;最后,研制完成供电功率150 kW磁场耦合非接触供电系统,并部署于磁浮样车试验线,完成了现场EMC (electromagnetic magnetic compatibility)性能、电气性能测试验证. 验证结果表明:传输功率超过150 kW,效率92%,达到项目预期目标.

     

  • 图 1  磁浮样车供电结构

    Figure 1.  Power supply structure of maglev prototype

    图 2  IPS系统结构示意

    Figure 2.  Structure schematic of IPS system

    图 3  仿真模型示意

    Figure 3.  Illustration of simulation model

    图 4  磁通仿真结果

    Figure 4.  Magnetic flux simulation results

    图 5  逆变器输出电压电流波形

    Figure 5.  Output voltage and current waveform of inverter

    图 6  拾取装置输出电压电流波形

    Figure 6.  Output voltage and current waveform of pickup device

    图 7  负载电压波形

    Figure 7.  Load voltage waveform

    图 8  主要子系统产品开发——拾取装置

    Figure 8.  Main subsystem product development— pickup device

    图 9  主要子系统产品开发——地面发射单元

    Figure 9.  Main subsystem product development— transmission unit on ground

    图 10  车载HS总接收输出功率

    Figure 10.  Total received output power of on-board HS

    图 11  发射线圈左端(FV区域)磁通密度

    Figure 11.  Magnetic flux density at left end of transmitting coil (FV region)

    图 12  配电柜区域磁通密度

    Figure 12.  Magnetic flux density in distribution cabinet area

    图 13  站台区域磁通密度

    Figure 13.  Magnetic flux density in platform area

    表  1  不同补偿拓扑结构对比

    Table  1.   Comparison of different compensation topologies

    项目串联结构并联结构LCL结构
    电源电压电流电压
    输出矩形电压、正弦电流矩形电流、正弦电压矩形电压、正弦电流
    逆变器承受全部谐振电流承受部分谐振电流受部分谐振电流
    空载时谐振电流很大谐振电压很大力谐振电流较小
    承受应力只需承受输入电压大小应力需承受输入电流大小应力只需承受输入电压大小应力
    下载: 导出CSV

    表  2  互感计算结果

    Table  2.   Calculation results of mutual inductance

    名 称符号值/μH
    发射端线圈 A 与拾取端
    线圈 2 之间的互电感
    MA,2 14.53
    发射端线圈 B 与拾取端
    线圈 2 之间的互电感
    MB,2 14.31
    为发射端线圈 C 与拾取端
    线圈 2 之间的互电感
    MC,2 13.05
    发射线圈 A、B 间互电感 MA,B 1.73
    发射线圈 A、C 间互电感 MA,C 1.19
    发射线圈 B、C 间互电感 MB,C 1.57
    下载: 导出CSV

    表  3  工况1主要电气参数

    Table  3.   Main electrical parameters for operating condition 1

    拾取电容电压/V发射线缆电压/V发射线圈电流/A负载阻值/Ω负载电压/V负载电流/A负载功率/kW
    2130.0684.9197.538441.311.65.1
    下载: 导出CSV

    表  4  拾取装置输出电压及电流

    Table  4.   Output voltage and current of pickup device

    发射单元测试位置开路电压/V负载电压/V负载电流/A拾取功率/kW
    第 1 单元 靠近 FV 353.9 344.4 18.3 6.303
    中间位置 345.4 333.5 17.9 5.970
    远离 FV 352.1 337.1 18.3 6.169
    第 2 单元 靠近 FV 348.7 338.9 18.1 6.134
    中间位置 345.4 328.9 17.8 5.901
    远离 FV 355.6 349.0 18.4 6.422
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨民生. 非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2012.
    [2] 文艳晖,杨鑫,龙志强,等. 非接触供电技术及其在轨道交通上的应用[J]. 机车电传动,2016(6): 14-20.

    WEN Yanhui, YANG Xin, LONG Zhiqiang, et al. Contactless power supply technology and its application in rail transport[J]. Electric Drive for Locomotives, 2016(6): 14-20.
    [3] COVIC G A, BOYS J T. Modern trends in inductive power transfer for transportation applications[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2013, 1(1): 28-41. doi: 10.1109/JESTPE.2013.2264473
    [4] DICKINSON R M. Performance of a high-power, 2.388-GHz receiving array in wireless power transmission over 1.54 km[C]//1976 IEEE-MTT-S International Microwave Symposium. Cherry Hill: IEEE, 1976: 139-141.
    [5] CHOI S Y, GU B W, JEONG S Y, et al. Advances in wireless power transfer systems for roadway-powered electric vehicles[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2015, 3(1): 18-36. doi: 10.1109/JESTPE.2014.2343674
    [6] PRIMOVE Communication. Official website of PRIMOVE [EB/OL]. [2015-10-08]. http://primove.bombardier.com/application/light-rail.
    [7] KIM J H, LEE B S, LEE J H, et al. Development of 1 MW inductive power transfer system for a high-speed train[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(10): 6242-6250. doi: 10.1109/TIE.2015.2417122
    [8] 张颖. 高速磁浮列车无接触供电中的电能耦合优化技术研究[D]. 北京: 中国科学院电工研究所, 2012: 65-66.
    [9] 孙跃,陈国东,戴欣,等. 非接触电能传输系统恒流控制策略[J]. 重庆大学学报,2008,31(7): 766-769. doi: 10.11835/j.issn.1000-582X.2008.07.012

    SUN Yue, CHEN Guodong, DAI Xin, et al. A constant current control method for contactless power transmission systems[J]. Journal of Chongqing University, 2008, 31(7): 766-769. doi: 10.11835/j.issn.1000-582X.2008.07.012
    [10] LI Y, MAI R K, YANG M K, et al. Cascaded multi-level inverter based IPT systems for high power applications[J]. Journal of Power Electronics, 2015, 15(6): 1508-1516. doi: 10.6113/JPE.2015.15.6.1508
    [11] 麦瑞坤,陆立文,李勇,等. 一种采用最小电压与最大电流跟踪的IPT系统动态调谐方法[J]. 电工技术学报,2015,30(19): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.1000-6753.2015.19.006

    MAI Ruikun, LU Liwen, LI Yong, et al. Dynamic resonant compensation approach based on minimum voltage and maximum current tracking for IPT system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(19): 32-38. doi: 10.3969/j.issn.1000-6753.2015.19.006
    [12] 黄立敏,李砚玲,麦瑞坤,等. 感应电能传输系统电磁机构带通滤波特性建模分析[J]. 电工技术学报,2015,30(增刊1): 138-142.

    HUANG Limin, LI Yanling, MAI Ruikun, et al. Band-pass filter modeling and analysis for electromagnetic mechanism in inductive power transfer system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(S1): 138-142.
    [13] LIU C, HU A P, WANG B, et al. A capacitively coupled contactless matrix charging platform with soft switched transformer control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1): 249-260. doi: 10.1109/TIE.2011.2172174
  • 加载中
图(13) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  488
  • HTML全文浏览量:  150
  • PDF下载量:  46
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-11
  • 修回日期:  2022-02-21
  • 刊出日期:  2022-03-11

目录

    /

    返回文章
    返回