论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了应用于交通领域的几种非接触供电系统的原理与构成，并综述了各种应用场景下对非接触供电技术的需求，最终比选确定可用于工程实际的非接触供电技术，并给出了几种应用构想。
关键词：非接触供电;轨道交通;应用
0 引言
现有的轨道交通，例如高铁、地铁、轻轨、低速磁悬浮列车、有轨电车等，其受电方式多采用地面铺设第三供电轨或空中架设供电网等接触式供电方案，但接触式供电带来如下问题：
（1）系统可靠性、安全性较差，维护繁杂。
（2）速度难以进一步提升。
（3）影响城市景观，产生视觉污染。
（4）难以适应未来磁浮交通发展方向。
综上所述，未来的轨道交通对速度和环境的友好均提出更高的要求，传统接触网很难满足。这就需要新一代的供电技术来适应这些变化，它应具备以下几点特征：
（1）能达到更高的运行速度和更高的可靠性。
（2）能运用于磁浮和轮轨交通。
（3）不低于现有接触网的传输功率。
（4）具有更小的安装体积，尽量对环境不造成视觉上的影响。
要达成以上目标，就需要采用非接触供电技术。
1 非接触供电系统原理与特点
非接触供电技术（Contactless Power Transfer，CPT）是借助空间电场或磁场将能量从发射端以无电气连接的形式传递至接收端的全新电能传输技术，非接触供电技术根据其原理，主要分为电磁感应式（Inductive Power Transfer， IPT）和电场耦合式（Electric Field Power Transfer， EPT）两大类。
电磁感应方式非接触供电是通过电场与磁场之间的转换，利用磁场在两个线圈之间建立耦合关系或交变磁场来传输能量，这种传输方式根据其原理还分为“齿谐波直线发电机”（linear generator， LG）和“空心变压器”（Inductive Power Transfer ， IPT）。本文主要讨论基于LG技术和IPT技术的非接触供电技术在轨道交通中的应用。
1.1 LG型非接触供电技术原理与特点
齿谐波直线发电机是目前少数投入实用的轨道交通非接触供电系统，它最成功的应用案例是德国的TR-08高速磁浮（即上海高速磁浮）。TR-08磁悬浮列车采用有铁芯长定子同步直线电机作为推进系统和悬浮系统。由于同步直线电机的齿槽效应，当磁浮列车行驶时，除了具有与列车运行速度一致的基本平移速度分量外，还存在着相于列车运行速度5倍及更高倍的平移速度分量，这就是齿谐波。
由于这些相对运动速度更高的齿谐波与发电机定子线圈存在相对运动，它将在发电机定子线圈中感应电势。随着列车运行速度的提高，该感应电势频率及幅值成比例上升。当列车达到一定速度时， 该感应电势可提供足够的电能，以供车体用电。
具体到上海高速磁浮运营线，当列车速度达到100 km时，每节列车传输功率约180 kW。
基于齿谐波直线发电机的LG型CPT系统具有以下的工程应用特点：
（1）系统需要具备长定子的同步直线电机结构，才能利用地面初级绕组励磁时产生的齿谐波效应。
（2）对初级和次级之间的气隙要求较高，需要达到10 mm级别。
（3）高次谐波在次级中产生的感生电动势仅在列车前进的过程中会产生。
（4）基于齿谐波直線发电机的非接触供电装置能量传输功率较小。
1.2 IPT型非接触供电技术原理与特点
IPT型非接触供电技术，也称“空心变压器”是基于电磁感应的非接触供电技术，其工作原理是利用磁场在两个线圈之间建立耦合关系来传输能量，当原边通入交变电流时，在原边与次变线圈之间产生交变的磁场，该交变磁场在次级线圈中产生随磁场变化的感应电动势，提供给次边负载，最后经电力电子变换后直接输出给用电设备，从而实现电能的无线传输。
在轨道交通IPT系统应用中，需要敷设线圈的线路长度以km计，单根导线不可能完成整个系统一次侧线圈敷设。为提高系统效率，一次侧线圈可采用分段敷设形式。
一个典型的轨道交通IPT系统包含以下几个主要部分构成：IPT整流逆变机组、IPT磁耦合机构（地面发射线圈、车载拾取线圈）、IPT补偿装置。
IPT型CPT系统具有以下的工程应用特点：
（1）电能传输采用电磁感应LC耦合方式，不依赖直线电机，传输功率较大（500 kW～1 000 kW）。
（2）允许初级和次级再各方向存在一定的位移，这种空间位置上的松耦合特性非常适合于动磁悬浮列车和传统的轮轨交通。
（3）空心变压器的漏磁较大，因此必须考虑交变磁场对周围其他金属结构体的影响。
（4）系统的工作效率受到逆变器效率、补偿形式和补偿算法的影响，是比较复杂的电气设备。
IPT系统最为成功的应用是庞巴迪Flexity2有轨电车在德国奥格斯堡项目中采用的“Primove”三相地面绕组线圈，线圈分为5段，该系统最大传输功率为250 kW。
此外韩国铁道科学研究院（KAIST）研制的应用于驱动高铁的1 MW无接触电能传输系统，一次侧采用单相线圈，单段线圈长度128 m，二次侧采用4个并联接收线圈向负载供电，亦取得了成功。
1.3 CPT技术的性能与安装条件
根据前文总结，应用于轨道交通的CPT技术主要有齿谐波直线发电机（LG）型和空心变压器（IPT）这2种主要模式，他们的电气性能和安装条件如下： 2 非接触供电技术的应用分析
2.1 非接触供电的工程应用场景
对CPT的工程应用分析首先明确其使用场景，以及在对应的应用场景下，对系统的性能需求，并针对不同技术路线的CPT装置的进行比选。轨道交通领域的使用场景主要有2类：第一类是磁浮轨道交通;第二类是传统的轮轨交通。
2.1.1 EMS型高速磁浮系统
高速磁浮列车，一般采用长定子绕组同步直线电机，其电力牵引的主要功率施加在地面绕组上。根据上海高速磁浮示范线情况，现有的5辆编组计算，列车的最大动照需求功率在1 500 kW左右。
在安装空间方面，直线发电机线圈（LG系统）就位于悬浮磁铁表面。同时，还可以在车体转向架下方，轨道梁两侧德国的TR-08磁浮列车后续车型就试验过采用IPT系统为低速段供电，代替原先的刚性接触轨。
2.1.2 EMS低速磁浮系统
低速磁浮列车一般采用短定子异步直线电机，其牵引动力侧主要在车辆侧，对系统传输功率要求更高。短定子的直线电机也决定低速磁浮无法使用LG型CPT装置。同时，由于其采用常导吸力磁浮，一般在轨道梁两侧设置F型悬浮磁铁，因此IPT装置的设置位置还需要考虑电磁感应与相邻金属结构的影响。
根据相關资料，某典型的3辆编组低速EMS磁浮列车（Mc1+M+Mc2），最大功率需求约2 000 kW。
安装方面，线圈安装于车辆底部的梁体上时，需对轨道梁中部金属结构物进行电磁屏蔽，以免产生过大的涡流损耗。同时还需要调整梁体上信号测速用的交叉电缆，以免产生电磁干扰。另一种思路是设置于轨道梁侧面原用于安装接触轨的位置，此处远离其他设备设施，安装条件较好。
2.1.3 有轨电车
现代有轨电车是一种中低运量轨道交通系统， 因其地面设置的特点，既需要考虑供电的可靠性、安全性，也需要考虑城市的美观化要求，比较合适采用非接触供电系统。
根据相关资料，以3节编组的有轨电车为例（Mc1-T-Mc2），其最大功率为约800 kW～900 kW。
安装方面，现代有轨电车轨道一般采用路面设置。因此，一般采用IPT供电装置的有轨电车，其供电装置的设备位置位于车辆底部，两轨道中间的位置。这样布置无论对空间利用还是电磁耦合方面的影响都是十分有利的。
2.2 非接触供电技术的适用性比选
非接触供电系统应用于工程实际的核心问题主要有3个方面：（1）电气性能参数是否满足要求;（2）安装是否具备条件;（3）经济性是否合理。
通过上述的列表分析可以看出，空心变压器技术在全领域具有更好适用性，但经济性较差，这主要由于其需要单独敷设绕组，增加了投资。
3 几种CPT系统的工程应用构想
3.1 在高速EMS磁浮中引入IPT系统
高速磁浮系统可以通过搭配IPT系统对LG系统进行补充，在低速段设置IPT绕组向车辆供电。高速磁浮本身动照功率较低，总功率约1 000 kW。IPT逆变器和补偿设备电源可以从中压环网的轨旁牵引变电所的直流馈线引出，在磁浮列车靠近车站两侧的低速段上分段设置IPT绕组。系统框图如下（图4）：
IPT绕组的分段原则与长定子绕组一致，应按照不小于2倍的车长设置。由于IPT绕组不参与牵引，其换步过程对车辆的行驶没有体感方面的影响，因此可以采用较为经济合理的“跳蛙法”来节省馈线电缆数量。
3.2 有轨电车系统中全线采用IPT系统
有轨电车的牵引供电功率一般低于1 000 kW，比较适合采用IPT系统。全线设置IPT线圈时，由于IPT的分段绕组是不互相连接的，因此在IPT逆变器或者上级牵引所退出运行时，由相邻的IPT逆变器或者牵引所提供支援，这就需要在IPT逆变器上一级设置直流馈线，以防牵引所整流机组退出运行。同时还需在两个相邻IPT绕组段的馈线电缆间设置联络开关，以防止IPT逆变器故障。系统框图如图5。
同样的，这种IPT绕组的分段原则，应按照不小于2倍的车长设置，换步可采用较为经济合理的“跳蛙法”来节省馈线电缆数量。
4 结语
本文综述了LG和IPT两种非接触移动供电技术的性能、安装特点，并重点论述了不同场景下的适用性。可以看到，IPT模式非接触供电具有更广泛的适用性和相对更简单的地面绕组，是未来非常具有应用前景的CPT技术，应进一步加以研究。
参考文献：
[1]王立天，李力鹏.高速磁悬浮牵引供电系统[M].北京交通大学出版社，2014.
[2]薛琦.高速磁浮列车无接触式受流系统的研究田[D].西南交通大学，2013.
[3]武瑛.新型无接触供电系统的研究[D].中国科学院研究电工所，2004.
[4]金熙宰，李秉宪，李俊昊，等.高速列车1 MW感应功率传输系统的开发[J].西铁科技，2015（3）：43-48.
关键词：非接触供电;轨道交通;应用
0 引言
现有的轨道交通，例如高铁、地铁、轻轨、低速磁悬浮列车、有轨电车等，其受电方式多采用地面铺设第三供电轨或空中架设供电网等接触式供电方案，但接触式供电带来如下问题：
（1）系统可靠性、安全性较差，维护繁杂。
（2）速度难以进一步提升。
（3）影响城市景观，产生视觉污染。
（4）难以适应未来磁浮交通发展方向。
综上所述，未来的轨道交通对速度和环境的友好均提出更高的要求，传统接触网很难满足。这就需要新一代的供电技术来适应这些变化，它应具备以下几点特征：
（1）能达到更高的运行速度和更高的可靠性。
（2）能运用于磁浮和轮轨交通。
（3）不低于现有接触网的传输功率。
（4）具有更小的安装体积，尽量对环境不造成视觉上的影响。
要达成以上目标，就需要采用非接触供电技术。
1 非接触供电系统原理与特点
非接触供电技术（Contactless Power Transfer，CPT）是借助空间电场或磁场将能量从发射端以无电气连接的形式传递至接收端的全新电能传输技术，非接触供电技术根据其原理，主要分为电磁感应式（Inductive Power Transfer， IPT）和电场耦合式（Electric Field Power Transfer， EPT）两大类。
电磁感应方式非接触供电是通过电场与磁场之间的转换，利用磁场在两个线圈之间建立耦合关系或交变磁场来传输能量，这种传输方式根据其原理还分为“齿谐波直线发电机”（linear generator， LG）和“空心变压器”（Inductive Power Transfer ， IPT）。本文主要讨论基于LG技术和IPT技术的非接触供电技术在轨道交通中的应用。
1.1 LG型非接触供电技术原理与特点
齿谐波直线发电机是目前少数投入实用的轨道交通非接触供电系统，它最成功的应用案例是德国的TR-08高速磁浮（即上海高速磁浮）。TR-08磁悬浮列车采用有铁芯长定子同步直线电机作为推进系统和悬浮系统。由于同步直线电机的齿槽效应，当磁浮列车行驶时，除了具有与列车运行速度一致的基本平移速度分量外，还存在着相于列车运行速度5倍及更高倍的平移速度分量，这就是齿谐波。
由于这些相对运动速度更高的齿谐波与发电机定子线圈存在相对运动，它将在发电机定子线圈中感应电势。随着列车运行速度的提高，该感应电势频率及幅值成比例上升。当列车达到一定速度时， 该感应电势可提供足够的电能，以供车体用电。
具体到上海高速磁浮运营线，当列车速度达到100 km时，每节列车传输功率约180 kW。
基于齿谐波直线发电机的LG型CPT系统具有以下的工程应用特点：
（1）系统需要具备长定子的同步直线电机结构，才能利用地面初级绕组励磁时产生的齿谐波效应。
（2）对初级和次级之间的气隙要求较高，需要达到10 mm级别。
（3）高次谐波在次级中产生的感生电动势仅在列车前进的过程中会产生。
（4）基于齿谐波直線发电机的非接触供电装置能量传输功率较小。
1.2 IPT型非接触供电技术原理与特点
IPT型非接触供电技术，也称“空心变压器”是基于电磁感应的非接触供电技术，其工作原理是利用磁场在两个线圈之间建立耦合关系来传输能量，当原边通入交变电流时，在原边与次变线圈之间产生交变的磁场，该交变磁场在次级线圈中产生随磁场变化的感应电动势，提供给次边负载，最后经电力电子变换后直接输出给用电设备，从而实现电能的无线传输。
在轨道交通IPT系统应用中，需要敷设线圈的线路长度以km计，单根导线不可能完成整个系统一次侧线圈敷设。为提高系统效率，一次侧线圈可采用分段敷设形式。
一个典型的轨道交通IPT系统包含以下几个主要部分构成：IPT整流逆变机组、IPT磁耦合机构（地面发射线圈、车载拾取线圈）、IPT补偿装置。
IPT型CPT系统具有以下的工程应用特点：
（1）电能传输采用电磁感应LC耦合方式，不依赖直线电机，传输功率较大（500 kW～1 000 kW）。
（2）允许初级和次级再各方向存在一定的位移，这种空间位置上的松耦合特性非常适合于动磁悬浮列车和传统的轮轨交通。
（3）空心变压器的漏磁较大，因此必须考虑交变磁场对周围其他金属结构体的影响。
（4）系统的工作效率受到逆变器效率、补偿形式和补偿算法的影响，是比较复杂的电气设备。
IPT系统最为成功的应用是庞巴迪Flexity2有轨电车在德国奥格斯堡项目中采用的“Primove”三相地面绕组线圈，线圈分为5段，该系统最大传输功率为250 kW。
此外韩国铁道科学研究院（KAIST）研制的应用于驱动高铁的1 MW无接触电能传输系统，一次侧采用单相线圈，单段线圈长度128 m，二次侧采用4个并联接收线圈向负载供电，亦取得了成功。
1.3 CPT技术的性能与安装条件
根据前文总结，应用于轨道交通的CPT技术主要有齿谐波直线发电机（LG）型和空心变压器（IPT）这2种主要模式，他们的电气性能和安装条件如下： 2 非接触供电技术的应用分析
2.1 非接触供电的工程应用场景
对CPT的工程应用分析首先明确其使用场景，以及在对应的应用场景下，对系统的性能需求，并针对不同技术路线的CPT装置的进行比选。轨道交通领域的使用场景主要有2类：第一类是磁浮轨道交通;第二类是传统的轮轨交通。
2.1.1 EMS型高速磁浮系统
高速磁浮列车，一般采用长定子绕组同步直线电机，其电力牵引的主要功率施加在地面绕组上。根据上海高速磁浮示范线情况，现有的5辆编组计算，列车的最大动照需求功率在1 500 kW左右。
在安装空间方面，直线发电机线圈（LG系统）就位于悬浮磁铁表面。同时，还可以在车体转向架下方，轨道梁两侧德国的TR-08磁浮列车后续车型就试验过采用IPT系统为低速段供电，代替原先的刚性接触轨。
2.1.2 EMS低速磁浮系统
低速磁浮列车一般采用短定子异步直线电机，其牵引动力侧主要在车辆侧，对系统传输功率要求更高。短定子的直线电机也决定低速磁浮无法使用LG型CPT装置。同时，由于其采用常导吸力磁浮，一般在轨道梁两侧设置F型悬浮磁铁，因此IPT装置的设置位置还需要考虑电磁感应与相邻金属结构的影响。
根据相關资料，某典型的3辆编组低速EMS磁浮列车（Mc1+M+Mc2），最大功率需求约2 000 kW。
安装方面，线圈安装于车辆底部的梁体上时，需对轨道梁中部金属结构物进行电磁屏蔽，以免产生过大的涡流损耗。同时还需要调整梁体上信号测速用的交叉电缆，以免产生电磁干扰。另一种思路是设置于轨道梁侧面原用于安装接触轨的位置，此处远离其他设备设施，安装条件较好。
2.1.3 有轨电车
现代有轨电车是一种中低运量轨道交通系统， 因其地面设置的特点，既需要考虑供电的可靠性、安全性，也需要考虑城市的美观化要求，比较合适采用非接触供电系统。
根据相关资料，以3节编组的有轨电车为例（Mc1-T-Mc2），其最大功率为约800 kW～900 kW。
安装方面，现代有轨电车轨道一般采用路面设置。因此，一般采用IPT供电装置的有轨电车，其供电装置的设备位置位于车辆底部，两轨道中间的位置。这样布置无论对空间利用还是电磁耦合方面的影响都是十分有利的。
2.2 非接触供电技术的适用性比选
非接触供电系统应用于工程实际的核心问题主要有3个方面：（1）电气性能参数是否满足要求;（2）安装是否具备条件;（3）经济性是否合理。
通过上述的列表分析可以看出，空心变压器技术在全领域具有更好适用性，但经济性较差，这主要由于其需要单独敷设绕组，增加了投资。
3 几种CPT系统的工程应用构想
3.1 在高速EMS磁浮中引入IPT系统
高速磁浮系统可以通过搭配IPT系统对LG系统进行补充，在低速段设置IPT绕组向车辆供电。高速磁浮本身动照功率较低，总功率约1 000 kW。IPT逆变器和补偿设备电源可以从中压环网的轨旁牵引变电所的直流馈线引出，在磁浮列车靠近车站两侧的低速段上分段设置IPT绕组。系统框图如下（图4）：
IPT绕组的分段原则与长定子绕组一致，应按照不小于2倍的车长设置。由于IPT绕组不参与牵引，其换步过程对车辆的行驶没有体感方面的影响，因此可以采用较为经济合理的“跳蛙法”来节省馈线电缆数量。
3.2 有轨电车系统中全线采用IPT系统
有轨电车的牵引供电功率一般低于1 000 kW，比较适合采用IPT系统。全线设置IPT线圈时，由于IPT的分段绕组是不互相连接的，因此在IPT逆变器或者上级牵引所退出运行时，由相邻的IPT逆变器或者牵引所提供支援，这就需要在IPT逆变器上一级设置直流馈线，以防牵引所整流机组退出运行。同时还需在两个相邻IPT绕组段的馈线电缆间设置联络开关，以防止IPT逆变器故障。系统框图如图5。
同样的，这种IPT绕组的分段原则，应按照不小于2倍的车长设置，换步可采用较为经济合理的“跳蛙法”来节省馈线电缆数量。
4 结语
本文综述了LG和IPT两种非接触移动供电技术的性能、安装特点，并重点论述了不同场景下的适用性。可以看到，IPT模式非接触供电具有更广泛的适用性和相对更简单的地面绕组，是未来非常具有应用前景的CPT技术，应进一步加以研究。
参考文献：
[1]王立天，李力鹏.高速磁悬浮牵引供电系统[M].北京交通大学出版社，2014.
[2]薛琦.高速磁浮列车无接触式受流系统的研究田[D].西南交通大学，2013.
[3]武瑛.新型无接触供电系统的研究[D].中国科学院研究电工所，2004.
[4]金熙宰，李秉宪，李俊昊，等.高速列车1 MW感应功率传输系统的开发[J].西铁科技，2015（3）：43-48.