无线电力传输的应用铁路停车功能:初步设计考虑系列和LCC拓扑

文摘

有一个广泛的文献涉及的应用归纳权力交接(IPT)轻便铁路系统。在这个工作中,提出了应用程序创新对现有文献:静态电流收集传统铁路提出了以取代传统的电池充电器的功能实现和所谓的铁路“停车”系统。根据标准生效,目前收藏在静止条件下有限由于受电弓接触鞋子和悬链线必须受到热过载保护。这些限制必须考虑由于电力需求的服务安装在现代教练应该高于20-40kW。这是一个关键技术问题尤其是长作文必须准备服务通过激活车载子系统如供暖和空调。其他可能的应用程序应该与冷藏货车运费的组成部分。在所有这些情况下一个简单的可用性,安全,和紧凑的系统应该是有用的,以确保无线电力收集车载设备。在这个工作介绍该应用程序并执行一些初步设计注意事项。对当前文献IPT系统,作者还介绍一些创新的设计标准基于类比共振电气系统和相应的机械的。这样,上浆的IPT系统可以执行使用模态方法也用于机械振动系统的适当的大小,如示例中,车辆悬挂,或受电弓系统。

1。简介:该应用感应无线电力传输

有很大的兴趣发展的无线电力传输系统电车,火车,汽车为了消除障碍和风险与电气化接触网的使用在城市环境1]。

一个例子是Primove™系统由庞巴迪(2]。IPT系统(归纳权力交接)已经提出了磁悬浮列车的高速使当前收集通过滑动接触困难(3,4]。

在这项工作中,作者考虑一个不同的应用程序:使用IPT系统静态铁路电池充电和更一般的车载子系统在静止条件下。提出应用创新点:这对传统铁路特定应用程序不是目前被认为在文学。

这个解决方案提出了为了避免长时间的静态电流收集应该很难管理:在静止条件下电流必须限制主要是为了避免热过载的受电弓和接触网之间的电接触界面。

这些限制主要是由于热麻烦:在静止条件下的所有力量被收集在一个固定的有限区域(1 - 2厘米²自接触几何是固定的和冷却不可用(5]。

当前限制定义认为架空线和特定的电气化标准(6,7)如表所示1规定:特别是在直流线路,目前限制对应于相对较小的收集能力。

辅助服务在每个教练对应于一个连续的意思是至少20 - 40千瓦的负荷。

基本的车载服务的例子有以下的:加热空气调节,灯光照明,访问管理(门),最后车载蓄电池的充电。

也为气动刹车压缩机服务涉及的额外消费峰值200 - 400 kW:气动系统消耗的一个重要来源,因为气动悬挂、刹车植物,和其他车载驱动加压,做好了应对措施】即使火车处于停滞状态。

因此,标准组成的10 - 12教练,功耗必须监控和限制为了尊重当前限制规定。

这种监控是非常重要的,尤其是当一个无人管理培训规定。

在这个意义上一个例子是所谓的“停车模式”:“停车”是一个功能,允许无人激活当前集合的悬链线在火车停滞状况。这个功能的目的是准备或维护火车准备服务没有人类的存在司机。这是非常有用的,因为允许加速火车的准备,充电电池,保持内部安慰可以接受,并保持活着的基本服务,如灯,门等。

“停车”的名称的功能主要是用于意大利;然而类似的系统发现越来越扩散在不同国家和铁路管理部门。

可见,如图1停车功能被激活时,受电弓举起收集电流,红灯转换为了告知无人车载电源的控制系统是有效的。

应用程序监控停车功能只是一个例子,可能使用的静态感应电力传输系统,作者认为局限于充电的车载子系统:最近的研究(8)已经证明,也为高速列车系统传统能源收集与悬链线效率很高,它可以增加了进一步利用再生制动。

图2显示了一个简化的方案提出系统:主电感器固定在地面激发接收垫/线圈安装在车辆:垫通过电磁耦合的通量联系。

电力传输到接收机垫用于车载电池充电和更一般的直流电源总线沿着火车。

有一个广泛的文献[9- - - - - -11),关于无线电力传输系统;然而,作者提出了一个原始方法基于multiphysic类比共振电气系统和机械振动的12]。

建议的方法是详细描述以下部分:电气系统转换在一个等效力学证明IPT的优化应该被视为一个等价的机械悬架系统之一。

这样,谐振电路的调优可以执行使用跨学科技术也称机械、铁路工程师(车辆工程振动控制是一种常见的主题)。

2。初步系统规范

表2显示了一些规范提出系统:它是由直流电流单相垫饲料工业三相整流源获得的;当前建议承认大空间可用性在车身对应马克斯累赘约1 - 1.1米导致一个容许垫面积约1米²。

大障碍垫的首选(更紧凑的设计显然是可能的)有以下原因:(我)大的气隙也指定(0.85米)。(2)低敏感性对相对定位垫应该感激。(3)系统可以很容易地升级到更高的权力交接的未来,更要求应用程序。(iv)不动产上的要求不是很苛刻的铁路系统;较低功率密度应有助于提高系统弹性对铁路环境严酷的规范的操作温度避免任何额外的冷却系统。

显然通过放松overcited规格,高度优化的障碍是可行的(这只是一个初步研究)。

设计,一个连续的权力交接15千瓦的峰值功率20 - 30 kW被认为是可行的规范给一个教练。

铁路蓄电池的工作电压通常很低(24 V - 120 V);然而它应该考虑的必要性喂养常见直流总线电压400 v之间(如ETR500意大利高速列车)和1000 v:这个电压范围更分散,因为车辆直流总线不得不喂逆变器三相负载,如汽车的气动压缩机或抽油机的空调系统。

所有这些系统通常与高功率需求。

3所示。提出了设计过程

从规范描述在第二部分中,作者进行了初步设计根据过程如图3:(我)线圈设计垫(“线圈设计”阶段):线圈几何,包括导电部分。(2)垫补偿:垫都是连接到谐振电路,必须优化;研究了两种不同的拓扑,系列和LCC之一。(3)系统模拟表演;这些结果评估建议的修改和进一步的设计优化;在这个没有描述的一些中介的迭代工作。

4所示。线圈设计

提出了应用程序、单身或三相线圈应考虑:作者从单相线圈开始在这工作。

一个等效三相设计应该进一步系统优化的对象一旦证明其可行性。

对单相垫,不同的形状和布局进行了文献[9- - - - - -11]:显示了一些示例数据4(一),4 (b)和4 (c)。

在这部作品的作者已经考虑最简单的几何图形,显示在图4(一):一个轴向对称,环形线圈。

选择布局效率较低(在电磁耦合)对其他中描述的人物4 (b)和4 (c)但更简单的优化和原型。这是一个高的特性,特别是对建设一个原型实验活动(未来步骤的研究活动)。在这个意义上的选择设计原型是谨慎对最终完全优化的工业产品。

线圈必须美联储在25千赫,所以使用绞合线电线强烈建议以优化导电部分对不受欢迎的“集肤效应”,应该惩罚一个实心导体对多条。利兹线由许多链,单独绝缘和扭曲,常常涉及包。

设计一个利兹线的第一步是找到铜大小,通常定义从美国线规(AWG)。

AWG大小必须优化对趣味电流。假设一个好的效率(约等于0.9),初级线圈上的最大输入电流计算根据 优化链直径选择根据工作频率:诱导导电皮肤深度大大不敏感对钢丝尺寸:导线半径与诱导导电皮肤被认为是最优解。

工作25 khz的频率,一个AWG36 (d = 0.127毫米)是一个很好的选择。

图5给出了一些仿真结果(FEM模拟由作者与Comsol Multiphisic™):直接铜单线模拟实施强制电压输入;执行频率响应模拟;非常细网格是必要的因为网格的大小应该是低得多的关于模拟皮肤深度(理想情况下至少级低)。

电流密度的单股直径不同,显示:皮链效果清晰明显较高的直径对名义。

知道建议当前每个链( ),钢丝线的最小数量计算根据 线圈的外径是受制于累赘规范。垫设计,作者认为是一个单一的平面层描述的图6。考虑线圈,可以计算电感使用惠勒关系[10]。

也评估线圈电阻,有一些建议在文学的关系(14,15]。精度的关系已被广泛研究和验证了作者使用有限元素模型(16]。作者喜欢over-cited关系进行迭代设计他们的使用仍然对有限元模型快得多。

最后,应注意从结果如图5,25千赫的工作频率,对AWG 36链皮肤影响几乎可以忽略不计,导线的电阻(25 kHz)几乎等于静态值与标准的欧姆定律计算。

在表3一些参数的线圈所示(垫应该具有相同的线圈)。

互感根据计算线圈之间的关系(3Raju et al .(提出),17]。

和是中小学电感的匝数,分别。

参数取决于平面线圈的形状。如果主数据和辅助平面线圈是圆形的, 。

在关系(3),之后介绍了变量(参见线圈数据的方案6和7): 考虑一个气隙值z0.85 m,计算互感约等于100μH,和相应的耦合系数的价值k等于0.1,可见,如图8。

5。优化的负载和电路补偿

如上所述,在文学作品归纳垫是弱耦合的空气(低的值 ,互感优质率)。

改善垫之间的权力交接,两线圈使用能力产生谐振补偿系统。

不同补偿拓扑建议在文献[13,18]。

作者认为在这工作的两个最常用的车辆系统配置:系列和LCC (19补偿:相应的电路如图可见9。

看数据9(一)和9(b),应考虑LCC拓扑的进一步发展系列一:在两个电路谐振LC分支。

在文献[13,18,19),提出了两种拓扑设计和优化方法。

特别是,人们越来越对LCC拓扑结构特别是在最近的出版物(20.- - - - - -22]。

然而,作者更倾向于运用自己的创新的方法:利用机电类比提出Karnopp [23,24),它是可能的模型电动谐振电路等效振动机械系统。

通过这种方式,一个统一的知识关于机械系统的模态分析25- - - - - -27可以利用。

提出了机电等效描述表4。

5.1。补偿系列拓扑

机电类比中描述表4应用于系列拓扑描述在图吗9(一)。

图中描述的等效机械系统10:电感等效惯性条款,能力春天元素,阻尼器的电阻;位移的机械系统相当于相应费用 , 存储在电容器( )。

拓扑结构的优化可以被视为一个等价的机械问题:权力传递给等效阻尼R_l(负载电阻)必须优化。

图中描述的动态系统的行为10是由(5);质量、阻尼和刚度矩阵的定义,分别M, D, K。 电产生共鸣系统弱阻尼电阻以来线圈通常最小化以减少内部损失。

R_l仅适用于在次级线圈,所以比例阻尼的假设并不完全验证:根据尤25]时比例阻尼矩阵D可以表示为一个矩阵的线性组合米(惯性)K(弹性)。然而,对于弱阻尼系统,比例阻尼的假设可以应用大约产生微不足道的错误。

提出了应用程序,初级和次级线圈= (=; )。

阻尼矩阵D根据(分解6)在两个贡献D_P和D_N: 系统研究了作为一个近似成比例,在非比例术语(矩阵的贡献D_n)是被忽视的。

根据over-cited假说,获得最大效率功率传输系统兴奋时最优输入频率(7)。 ,的总电感线圈,根据定义 共同的( )和分散( )电感计算质量因数的定义(9): 补偿电容器的最优值(10(计算)8)自和已知: R_选择的最优值是R_l,效率最大化。最优加权阻尼系数时验证效率(11)有一个统一的价值。 被定义为一个函数的模态阻尼系数 , (12)和相应的固有频率 , (13)。 优化程序上面的描述是一个近似与比例阻尼系统上执行。

为了验证提出的行为优化,一些数值模拟over-cited上执行一个精确的模型简化应用(全阻尼矩阵的近似假设,不考虑比例阻尼)。数值模型使用Matlab-Simulink™。

有些结果如图11和12。

效率的行为关于这两个频率和如图11:最优效率大幅达到在相同条件下(单一的价值和频率等于 用比例阻尼)规定的近似模型。名义条件转移权力是大约15 kW,约95 - 96%的效率。

为了提高系统的传输速率30千瓦,输出负载应该增加为了获得更高的价值与对最优(翻了一倍 )。

在这种情况下,同样的价值翻了一倍(= 2),但是效率还是很高的(约94 - 95%)。

因此,权力交接应该有限的调制影响效率。

效率高是有限的损失(约1.5 kW 30千瓦的电力传输):考虑线圈尺寸,可以轻松地管理这些损失而不需要额外的冷却系统。所以,适当的冷却,系统可以进一步过载。

图12显示转移权力的行为比例对输入电压的平方值。

选择操作条件对应于一个相对较低的价值转移权力对输入电压。

然而,应该注意到,权力转移取决于输入电压的平方值。

因此,提高有限的输入电压产生一个高转移权力的增加。

的特点提出了系列补偿非常有趣。

然而,有一个重要的缺点:性能限制负载电阻的精确值。

应该执行一个适当的负载匹配采用变压器或静态转换器等可控整流器。

这些额外的组件介绍进一步的成本和损失,惩罚系统。

5.2。补偿的LCC拓扑

优化系列补偿涉及到负载电阻的精确值这应该等于相应的最优值计算征收接近统一的价值 。

LCC拓扑应该是一个有效的解决方案来优化最佳负载匹配通过引入有限数量的简单的无源元件。

LCC拓扑等价的机械系统在图表示13:介绍了额外的自由度在两个线圈模型附加电感和电容元件;导致系统有四个自由度。

系统动力学行为的图所示13是所描述的 每个电路(中小学)优化通过施加机械阻抗之间的等价系列拓扑和LCC。

特别是,和优化考虑图的两个自由度的模型吗13:系统可以作为特定情况下的谐波研究阻尼器(28,29日)为机械工程师是一种常见的技术问题。

和必须调整以模仿的行为的最佳阻抗系列在输入频率补偿布局吗 。

这样的研究作为一个经典问题仿真的机械阻抗:这也是一个典型的机械工程师的主题处理悬架系统的优化,如示例中,铁路的受电弓(4]。

为了正确地设计系统,谐波阻尼器(图(14日))在频率产生共鸣 ,所以关系(15)必须验证: 集总谐波阻尼器连接在系列的元素,也关系16)已经得到证实。 两个系统的等效阻抗相等(17): 合并关系(17)和(16)和(15)关系(18)计算: 解决(18),最优值(19),(20.)评估。 初级线圈同样的分级原则,所以可以定义,分别(21),(22),(23): 从上面描述的关系应该很容易认为LCC补偿对系列的主要优势:系统可以为价值而设计的这对有很大不同只使用被动组件。

5.3。仿真结果对LCC拓扑

为了核实LCC补偿的表现,作者进行了一些模拟一个完整的Matlab-Simscape™模型中描述的电路的主要参数表5。标准集总模型是由模拟电路的元素复制相应的元素:每个元素被象征性的关系是内部解决由软件生产高效、优化的代码。

作者分析了不同场景的次级线圈优化不同的负载值 。

为了检查的敏感性进行优化,模拟摄动/关设计条件:执行多个执行模拟考虑摄动/容忍值应用的负载对其设计值 。

通过这种方式,作者想验证补偿设计的价值不同于健全对容忍负载吗 。

不同模拟条件如表所示6。

仿真结果的效率和功率传输数据所示15和16:适当的调优 , ,和 ,系统可以为各种不同的负载电阻而设计的有限的影响效率。

如果负载不同于它的设计值(不同于 ),性能灵敏度很低。

有限的权力交接可以调制对系统效率的影响。

在系列拓扑的情况下,效率几乎是常数对电力传输调制15至30千瓦。获得效率只是有点低对系列补偿。这个缺点在很大程度上是由一个更容易和更有效的耦合补偿与负载相连。

图16显示转移权力的行为比例对标称值约为17.5千瓦对/ 和/ 。这种权力转移略有不同的设计值15千瓦的系列。这种微小的区别是由近似的设计模型图中描述14对整个模型在Matlab模拟。

传输功率大约是成正比的/(在额定条件)繁殖行为非常相似的系列拓扑结构之一。

6。结论和进一步发展

在这部作品的作者提出了一个创新应用无线电力传输的铁路“停车”功能(力量集合在停滞条件)。

根据执行分析系列补偿保证最高的表演在效率方面。

然而,LCC拓扑设计提供了更大的灵活性。

在系列拓扑电阻必须仔细调整优化传输效率。

在LCC之一,有一个额外的次级线圈上产生共鸣的分支被调整来提高次级线圈和负载之间的权力交接。显然这一附加自由度有助于使系统更加灵活的对负载变化。

初步计算与谨慎执行规范(气隙值高,低耦合线圈之间)。然而,结果非常令人鼓舞。出于这个原因,作者很有信心,结果甚至是保守的潜力充分优化工业产品以更少的要求规范。特别是,可能减少垫大小对预计输出功率的原因如下:(我)更好的耦合线圈(降低气隙,更复杂的线圈几何图形能够改善磁路设计,和铁磁材料提高通量指导)。(2)增加输入电压(转移权力几乎依赖于输入电压的平方值)。(3)改善冷却(一个更好或更复杂的热设计的系统)。(iv)高级电源转换阶段更灵活的控制整个系统;这个特性是非常重要的为了更好的充电功能适应电池SOC (30.](电荷状态)和SOH [31日)(健康状况)。

以上描述的改进将可能调查的进一步发展这项工作因为作者的一些初步原型管理大会将成为未来对象的出版物。

目前作者注意力关注细化有限元分析一般的线圈(不圆;不是轴向对称)和铁磁屏蔽材料以提高通量指导。对于这些活动从最近的出版物可以在文献[29日,32]。通量的指导是一个非常重要的话题,也考虑带来的后果可能分散的通量和周围环境之间的相互作用(33]。

这项工作的另一个贡献是由机电类比的研究的应用产生共鸣的电路。也在这种情况下提出的方法产生了原始的结果应该容易扩展,扩展到其他拓扑结构的研究。

采用符号

:	喂养交流电压的主要垫
, , :	分散和相互电感的主要和次要垫
, :	初级和次级线圈的内部电阻
和 :	安装补偿能力,分别在初级和次级线圈
, , , :	添加补偿能力和过滤中引入LCC补偿
:	次级线圈上的负载的等效电阻
:	垫之间的价值因素,
:	系统的总效率,获得部分的效率不同阶段的产物
:	主垫逆变器的效率
:	垫的传输效率
:	整流效率
:	斩波器效率(最终荷载传递阶段)。

数据可用性

没有数据限制应用因为所有提供的材料是作者的原创产品。数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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