摘要
摘要：非接触式供电是轨道交通领域的研究热点，本文首先阐述了现有接触式供电技术的局限性，然后介绍了三种基本的非接触式供电方案；然后，针对更适用轨道交通领域的电磁感应耦合式电能传输技术，详细分析其系统结构、原理、面临的部分问题；最后，对非接触式供电技术在国内外轨道交通装备中的应用进行了介绍。 关键词：轨道交通；非接触式供电；电磁感应耦合式；应用 0 引言 数据表明，截止 2018年，轨道交通的电气化率已达到 70％ [1]。在供电系统中，如何对轨道交通装备实现安全、可靠的电能供应是值得关注的问题。对于现有的接触网和第三轨供电技术，具有一些局限性。 本文从接触式供电技术出发，介绍新型非接触式供电技术，对其三种基本方案的特点进行介绍；然后，针对较适用于轨道交通装备的电磁感应耦合式电能传输技术，详细分析其系统结构、工作原理和面临的部分问题；最后，介绍非接触式供电技术在轨道交通装备中的应用现状及有益效果，为国内相关技术的进一步发展应用提供实践依据和参考。 1 轨道交通装备供电技术 1.1 接触式供电技术 轨道交通车辆作为一种移动负载，其电能获取方式现多为物理接触式，如经受电弓自架设的接触网获取电能，或经集电靴自地面第三轨获取电能 [2]。 对于接触网供电形式，相关技术较为成熟，但长期的物理接触高速运行，易导致出现磨损和碳积等问题；同时，车辆运行过程中的震动，易导致离线、拉弧、电火花等问题；上述问题，均会给行车安全带来较大负面影响。此外，由于接触网采取架空安装的方式，也会影响城市美观。 对于第三轨供电形式，对隧道的限界要求较小，且耐磨，但由于电轨安装位置较低，易导致意外触电、紧急情况下乘客疏散难度大等问题。此外，高速运行时集电靴较难与电轨可靠接触，给车辆运行速度带来一定限制。 1.2 非接触式供电技术 非接触式供电技术无需物理接触，可避免对应的磨损、碳积、离线、拉弧、电火花、意外触电、疏散难度大、非可靠接触等问题，而且通过增设多个电能接收装置，可提高供电可靠性 [3]。 非接触式电能传输主要包含辐射式、电磁谐振式和电磁感应耦合式三种基本方式。辐射式传输定向性好，能量传输可至数千米外，但效率较低，多用于远距离、小功率场合；电磁谐振式，能量传输可至数十米外，效率高于辐射式，多用于中距离、小功率场合；电磁感应耦合式，能量传输仅可至数十厘米外，效率较高，且工作频率低于共振式，多用于近距离、大功率场合。 2 电磁感应耦合式电能传输技术 在轨道交通装备领域中，车辆距离轨道的距离较近，且负载功率较大，因此，电磁感应耦合式电能传输技术更加适用。 2.1 系统结构及原理 图 1所示为适用于轨道交通车辆的电磁耦合式电能传输系统示意图。 图 1 电磁耦合式电能传输系统 工作原理为：系统自交流电网取能，经电能变换，将数十 kHz的高频交流电能传输给安装于地面的能量发射机构；中间经过电磁耦合，安装于车辆的能量拾取机构中产生感应电动势，再经电能变换，得到低频交流电或直流电，供给用电负载。此外，为减少漏感造成的无功电能消耗，还会补偿电路。 2.2 面临的部分问题 1）大功率电能变换技术的研究。虽电路结构可选择多电平拓扑来实现大功率电能传输；但目前以静态供电研究居多，对于高速移动负载、非线性冲击负荷的情况，供电装置可靠性、绝缘性还需进一步研究。且电能变换器工作频率会影响损耗及系统功率密度。 2）分段供电技术的研究。为降低损耗，减少电磁辐射，多采用分段供电方式。但如何实现高速运行时分段供电的稳定电能传输，还需进一步研究。 3）电路动态变化控制的研究。车辆运行过程中能量发射和拾取线圈相对位置的变化，会影响电磁耦合状态，如何通过电路参数的动态调整，实现电磁耦合机构高容量、高效率的电能传输，还需进一步研究。 除上述部分问题外，还面临着众多亟待解决的问题，仍需研究人员针对轨道交通装备的应用背景做出长期研究。 3 非接触式供电技术在国内外轨道交通装备中的应用 3.1 国外应用 1）欧美国家 庞巴迪与德国的奥格斯堡运输管理局在 2010年签署了一项协议，用于安装、测试其 PRIMOVE非接触供电系统，该系统采用分区供电、车地实时通信、多重电能管理等技术，功率等级达到数百千瓦，可同时实现静止和运行过程中的充电，能够达到较好的节能效果。该系统在其 Flexity和 Flexity2有轨电车中得以实际应用。 德国奥姆富尔公司研发出一款电动火车，安装有 6套非接触电能拾取机构，每套传输功率为 25kW，设计允许的能量发射机构与能量拾取机构的偏置尺寸为 50mm。现该技术已在该公司的地面物料运输车、物流中心分拣设备、电动汽车、倾斜式升降机等产品中广泛应用。此外，德国研发出一款 Transrapid 09型列车，该车辆在运行速度低于 100km/h时采用非接触式供电技术，工作频率为 20kHz，电能传输功率为 250kW。德国蒂森克虏伯磁浮公司研发出的 TR系列磁悬浮列车中也采用非接触式供电技术，由于低速运行时，感应电动势的幅值较小，因此，仅在高速运行时，非接触供电电能能够满足负荷需求，低速运行时需借助柴油机或受流轨等其余供电形式。 在美国，同样也有一款电动火车采用非接触式供电技术，每列火车配置 2套能量拾取机构，运行速度约为 37km/h。 2）亚洲国家 韩国道路研究协会将 2011年韩国科学技术研究院推出的 OLEV技术应用于轨道交通装备中，试运行期间电能传输功率达 1MW，效率可达 82.7%。 日本研发的磁悬浮列车也采用了非接触式供电技术，但同样仅高速运行时功率可满足需求，低速运行时仍需借助其他类型供电形式获取电能。此外，日本针对非接触变压器开展了深入研究，以增大设备功率容量，并已制造了相关设备对技术进行验证。 3.2 国内研究 国内非接触式供电技术在轨道交通装备中的应用还处于前期研发阶段。 在 2017年，中国科学院电工研究所研发的试验样机，电能传输功率为 30kW， 48mm非接触传输距离的效率可达 85.3％；何正友教授研发的试验样车，电能传输功率为 40kW， 12mm非接触传输距离的效率可达 85％，并经长期研究，已形成一套应用及研究体系；杨庆新教授研发了一套高速铁路列车无线供电模型。此外，还有众多高校团队也投入到了轨道交通装备非接触式供电技术的研究队伍，正从不同角度开展相关研究。 4 结语 非接触式供电不存在物理接触式供电所含有的用电安全方面的问题，能量发射与拾取机构分别安装于地面和车辆底部，也满足城市美观方面的要求，而且通过增加冗余的能量拾取机构，可提高供电可靠性。电磁感应耦合式电能传输技术更适合轨道交通领域近距离、大功率的应用场合，现相关技术已在国外的轨道交通装备中得以工程应用，国内目前尚处于研究阶段。如若能够给出诸多关键技术难题的解决方案，必将给轨道交通装备的发展带来变革。因此，非接触式供电技术的研究具有重要的理论价值和现实意义。 参考文献 前瞻产业研究院 . 2019年铁路行业发展现状与发展趋势分析 铁路信息化、电气化是未来发展趋势 [EB/OL]. (2018-08-19)[2020-03-06]. https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/190816-51782329.html. 蔡波 , 李鲲鹏 . 现代有轨电车无接触网牵引供电方式研究 [J]. 城市轨道交通研究 , 2015, 18(1): 72-77. 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.
出版日期
2020年07月13日（中国期刊网平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
