没有“辫子”的城轨车辆 到底是怎样跑起来的?

2021-03-05 09:38:34|来源:四川日报|编辑:

 全国首台新型无线供电制式城轨车辆近日成功下线 核心技术来自西南交大电气工程学院何正友教授团队——

  你知道吗?

  架在城轨列车四周的电缆叫作弓网系统,是由受电弓和接触网组成的系统,是高速列车获取电能的关键系统。但弓网系统引起的安全故障占高铁供电系统故障约90%,且易出现磨损、磨耗、电火花等情况……

  四川日报全媒体记者 邓翔沣

  你可曾想过,当你的新能源汽车需要充电时,你只需开车停进停车场,无需手动扯下重重的充电插头插入充电口即可充电?依靠轨道交通非接触供电技术,这样的场景或将成为现实。

  近日,全国首台新型无线供电制式城轨车辆在中车唐山厂成功下线,标志着国内首次实现城轨车辆供电制式由“有线”到“无线”的突破,而其核心技术“轨道交通非接触供电技术”来自西南交通大学电气工程学院何正友教授团队。

  无线供电如何实现?未来又有哪些应用场景?对此,记者采访了何正友团队。

  起步虽晚

  但技术已和国际接轨甚至赶超

  众所周知,城轨列车最大的特点便是有一条长长的“辫子”,这条“辫子”通过“攀附”在架在列车上空的电缆上为列车供电。从外观上来看,全国首台新型无线供电制式城轨车辆最大的改变便是摆脱了这条“辫子”,和城市景观融为一体,达到更加美观的效果。

  何正友告诉记者,架在城轨列车四周的电缆叫作弓网系统,是由受电弓和接触网组成的系统,是高速列车获取电能的关键系统。“但弓网系统引起的安全故障占高铁供电系统故障约90%。”何正友表示,易出现磨损、磨耗、电火花等情况。

  事实上,无线供电并不是最近才被炒火的热词。早在19世纪90年代,发明家特斯拉就曾发明出无线磷光照明灯,向世人展示了在没有导线连接情况下灯泡依旧能够被点亮的场景。后来,特斯拉又先后在科罗拉多斯普林斯和沃登克里夫建设高塔,并在长岛点亮了25英里(40多千米)外的氖气探照灯。但近年来,无线供电才真正走进老百姓的日常生活,例如,无线充电电饭煲、无线充电搅拌机等家电用品,苹果手机就推出了无线充电器,即把手机放在充电台上无需插线便能实现充电。

  那么,轨道交通非接触供电技术新在哪里?何正友表示,轨道交通非接触供电技术的本质也是无线供电,但具有功率大、移动供电的特点,也相应带来了技术难点和广阔的应用空间。据了解,2011年,韩国道路研究协会和韩国科学技术院开始研究轨道交通非接触供电技术,于2015年实现了128米长的导轨示范线。2013年,加拿大庞巴迪公司研发出在行驶和停止时都能对轨道机车充电,实现静态充电和动态充电相结合,10厘米传输功率最高达250千瓦,效率为92%。

  “我们虽然起步相对晚,但目前技术已经和国际上接轨,甚至赶超。”何正友表示,该团队研发的轨道交通非接触供电技术为国内首套500千瓦动态无线供电系统的原理样机,在15厘米间隙下,实现系统传输效率大于90%。

  大胆创新

  秘密就在车辆的底部和钢轨之间

  1月14日,记者在西南交通大学(交通)能源互联网研究中心内见到了无线供电制式城轨车辆的“迷你版”。从外观上看,眼前这辆城轨车辆与此前大家熟知的城轨车辆并无太大不同,但实现无线供电的关键藏匿在车辆的底部和钢轨之间。

  “不要小看这一个个线圈,是它们实现了供电。”何正友口中的线圈是用利兹线(编者注:一根导体是由多根独立绝缘的导体绞合或编织而成。)做成,具有高频特性好等特点,线圈的形状可由具体需求而定。记者在现场看到,无线供电制式城轨车辆的线圈造型接近罗马数字八(Ⅷ)的模样,一个个有规则地分布在钢轨之间。何正友介绍说,在列车行进过程中,钢轨之间的线圈负责发射能量,车辆底部的线圈负责接收能量,两者之间的距离在15厘米左右。

  事实上,无线供电的背后藏匿着一个看不见的电场和磁场。据介绍,无线供电,是指不经过电缆将电能从发电装置传送到接收端的技术。简单说就是电流的周围可以形成磁场,之后所形成的磁场的中线再形成电场,这样成周期性交替,将能量向空间中的某一方向传播出去。

  在无接触状态下,实现大功率供电即500千瓦供电是无线导电城轨列车的第一个技术难点。何正友表示,如果把一个发射线圈比作一位提供电能的小兵,所有线圈组成了一支供电队伍,那么这支队伍首先要做的事就是如何提供足够大功率的电能。“虽然一个发电单元功率小,但多个发电单元在一起就能产生较大的功率。”何正友表示,此前的无线供电大多为一个发射线圈,一个接收线圈。但该技术大胆创新,通过级联和并联将多个发电单元联系在一起,进行同时发射和接收,从而实现大功率供电。

  步调一致

  轨道两旁安装“总指挥官”

  组成“供电”队伍仅是实现无线供电的第一步。何正友表示,只有这支“队伍”齐心协力工作才能保证平稳和安全供电。

  “大家都玩过两人三足的游戏,一定要步调一致才能顺利向前行走。”何正友表示,此前无线供电的情况多为一个发射线圈,一个接收线圈,大家都是稳定的一对一关系,之间的能量流动一目了然。但当多个发电单元同时发射和接收时,容易产生内部环流和交叉耦合的情况,从而产生功率不平衡导致无法稳定供电。

  何正友举例说,例如将10个线圈比作10个发电工人,在多个发电单元同时发射和接收的情况下,易出现明明该10个线圈“工人”做的工作由1个线圈“工人”完成,这个超负荷工作的线圈就会出现“超载”现象,换言之该线圈就会烧掉,所以这支由线圈组成的发电队伍必须做到全体“成员”步调一致。

  一位“发号施令”的“总指挥官”必不可少。这位“总指挥官”就是安装在轨道两旁的高频逆变电源,负责将直流电能转变成定频定压或调频调压交流电。何正友表示,在多个电感线圈同时发射和接收的情况下,易出现多个发射线圈但仅有少量接收线圈能接收到能量的情况,总体功率便大打折扣。虽然,高频逆变电源并不是新鲜事物,但该团队通过参数设计和系统设置使其能功率均分,从而实现每个线圈同等发射和接收,保证稳定供电。

  记者了解到,当列车靠近发射线圈时,这位“总指挥官”能检测到各个发电单元的工作情况,从而通过该团队设计的算法计算出“工作量分配”方案,让每个发电单元实现均能发电。

  传好“交接棒”

  在移动过程中保证稳定供电

  在城轨列车的行驶途中,上一秒发射线圈和接收线圈刚刚彼此成为“熟人”,下一秒这两个搭档就将分离,并迎来新的发射线圈形成新磁场。

  “整个行驶过程中的供电就像一次接力赛,若在交接棒过程中出现掉链子的情况,极易出现行驶安全问题。”何正友也坦言,在磁场切换中,交接不成功的情况是极易出现的,如何在移动过程中保证稳定供电是本技术的另一难题。

  一方面是线圈与谐振拓扑结构的设计,该团队通过合理设计发射与接收线圈的形状与安放结构,降低车辆移动过程中的参数变化,从而实现稳定供电。另一方面,要保证列车行进途中不能产生过大的能量损耗,保证90%的能量不损耗是该团队提出的指标。

  “就像大家谈恋爱,只有同频共振才能来感觉。”何正友表示,接收能量和发射能量也需要找到一个最佳频点,两者在这个频点上进行工作时产生的电阻最小,才能达到能量损耗最低。“这个频点并不难找,难的是如何在整个移动过程中维持该频点。”何正友表示,该团队研究出一套控制技术,让高频逆变电源可全程跟踪频点的变化,若出现变化及时进行调整。

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