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利用超大容量电容器改善内燃机车柴油澳门新萄京官方网站机组的电启动性能


研究开发利用超大容量电容器改善内燃机车柴油澳门新萄京官方网站机组的电启动性能李凯车启动的工作原理,分析了启动辅助装置的经济效益,并通过内燃机车电启动试验证实,用超大容量电容器辅助蓄电池启动柴油发电机组,技术上可行,效益明显。
1概述目前国内内燃机车是用蓄电池组来启动柴油发电机组,没有使用其他辅助装置。蓄电池组存在充电时间长、寿命短、运行维护费用高、污染环境等方面的问题。
如果用电容器作为电启动的辅助装置,则可以很好地解决这些问题,改善电启动的性能;但传统电容器的容量不能满足内燃机车蓄电池组的要求。80年代,日本开始生产超大容量电容器。这种电容器是用活性碳超微孔纤维材料制成,技术含量很高,一直只有俄、美、日等少数几个国家能批量生产,并且已成功地应用于内燃机车澳门新萄京官方网站机组的电启动。近几年,国内也研制成功超大容量电容器,其性能接近国际水平,而价格仅为国外产品的三分之一,这就为国内内燃机车采用超大容量电容器作为电启动辅助装置创造了很好的条件。
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2电容器辅助内燃机车电启动的工作原理采用超大容量电容器作为内燃机车电启动辅助装置的线路原理如所示。原有启动装置包括蓄电池组XDC、蓄电池闸刀XK、启动接触器QC和启动发电机MG;新增辅助装置包括超大容量电容器组C、二极管VD、晶闸管VT、充电限流电阻R和启动泵接触器QBC.对于东风型内燃机车,蓄电池组由48节462Ah内燃机车用蓄电池组成,充满电时每节电压为2.1V,总电压为0,启动发电机内阻为0.0180.相应辅助装置的超大容量电容器组,可采用4只并联的电压为96V、电容量为7F的电容器。
在没有采用辅助装置的情况下,启动时闭合蓄电池闸刀XK及启动接触器QC,启动电流最大值为2 100A,蓄电池端电压最低值为38V,7s左右启动结束。
在采用辅助装置的情况下,依照柴油澳门新萄京官方网站机组启动的步骤,在闭合蓄电池闸刀XK后,闭合启动泵接触器QBC,启动泵开始工作;同时晶闸管VT触发导通,蓄电池组通过限流电阻R给电容器组充电。电阻的阻值可按发动机正式启动前12min的准备时间内给电容器组充满电为标准来确定。正式启动时,闭合启动接触器QC,蓄电池组与电容器组同时输出所存储的电能,通过启动发电机的电流为蓄电池组输出电流与电容器输出电流之和。启动瞬时最大电流约为3000A,蓄电池端电压最低值约为55V;相应地,蓄电池组的瞬时最大输出电流为1500A,电容器组的最大输出电流为1放电时间为1.11.5s.至此,电启动辅助装置作用于柴油澳门新萄京官方网站机组的启动结束。与没有采用辅助装置的情况相比,在蓄电池组输出最大电流降低28%的情况下,启动发电机的最大输入电流增加了约43%,蓄电池端电压最低值提高了约45%,启动瞬时转矩提高了约100%,启动时间缩短1.01.5s.超大容量电容器作为内燃机车电启动辅助装置的线路原理触器;MG启动发电机;C超大容量电容器组;VD二极管;VT晶闸管;R充电限流电阻;QBC启动泵接触器电容辅助启动装置与充满电的蓄电池组联合启动时,蓄电池组的输出电流与电容器组的输出电流之比约为1:1;但当蓄电池因过放电而其容量降低时,电容器组的输出电流能达到蓄电池组输出电流的1.52倍。
因此,蓄电池技术状态越差,就越能体现出电容器组辅助启动装置的作用。
3内燃机车电启动试验为了检验超大容量电容器作为内燃机车启动辅助装置的实际性能,并且与蓄电池单独启动性能进行对比,北京铁路局北京内燃机务段和石家庄机务段分别在DF12型内燃机车(与DF4型机车装载同样功率的柴油机)和DF4型内燃机车上进行了超大容量电容器辅助电启动的启动柴油机试验。
DF12型内燃机车上的试验采用1组4只并联的电压为96V、电容量为7F的电容器。原车蓄电池为NG462Ah(残存容量80%),同时还准备了1组东方红5型调车机车使用的NG300Ah的蓄电池(残存容量80%)。试验仪器为546008型记忆示波器1台,2000八分流器2只。
DF4型内燃机车上的试验采用1组3只并联的电压为96V、电容量为8.5F的电容器。原车蓄电池为NG420Ah(残存容量80%),同时也准备了1组NG300Ah的蓄电池(残存容量80%)。试验仪器为HP54602A四通道150MHz数字存储示波器1台,1000A分流器4只。
两种机型在以下三种情况下分别进行了启动柴油机试验:将超大容量电容器接入,辅助原车的462Ah将蓄电池换成300Ah,用超大容量电容器辅助。
在这三种情况下,电流最大值和电压最低值等试验数据如表1和表2所示。
表1 DF12型内燃机车启动柴油澳门新萄京官方网站试验数据启动装置电压最低值/V蓄电池输出电流最大值/A电容器输出电流最大值/A启动发电机的最大输入电流/A启动时间附注单独使用蓄电池电容器辅助462Ah蓄电池7次启动试验均顺利成功电容器辅助300Ah蓄电池3次启动试验均顺利成功表2 DF4型内燃机车启动柴油机试验数据启动装置电压最低值/V蓄电池输出电流最大值/A电容器输出电流最大值/A启动发电机的最大输入电流/A启动时间附注单独使用蓄电池3次启动试验均顺利成功电容器辅助420Ah蓄电池3次启动试验均顺利成功电容器辅助300Ah蓄电池4次启动试验均顺利成功DFi2型内燃机车启动柴油机试验的电流曲线如所示。从试验数据可以看出,用超大容量电容器辅助462Ah蓄电池启动,蓄电池端电压最低值比单独使用蓄电池启动提高了60%80%,蓄电池输出电流降低了30%50%,这对蓄电池是有利的;同时,启动瞬时转矩增大,这将有助于缩短启动时间,提高启动可靠性。
容器配合启动,蓄电池的最大输出电流只有670A,低于启动型铅酸蓄电池允许的最大放电电流(35)。的标准。但在超大容量电容器辅助下多次启动试验均顺利成功,说明东风型内燃机车采用超大容量电容器作为电启动辅助装置,可减小现有蓄电池的容量或延长其使用时间。
动的电流曲线图,电压最低值为30V,电流最大值2100A.(b)为将超大容量电容器接入,辅助原车462Ah蓄电池启动的电流曲线图,电压最低值为49V,电容器输出电流最大值为2240A,蓄电池输出电流最大只有1060A.(c)为将蓄电池换成300Ah与超大容量电容器共同启动的电流曲线图,启动2次均成功,电压最低值为40V,蓄电池输出电流最大值670A. 4经济效益分析超大容量电容器作为内燃机车电启动的辅助装置,最适合应用在频繁启动的调车机车上。以往为防止蓄电池亏电,要求在短时待机时不得停机。而在安装启动辅助装置后,待机时就可随时停机,没有任何限制。这样既降低了柴油机的机械磨损,又节省了燃油。
安装电启动辅助装置后,在柴油机启动时,由于30%50%以上的启动电流来自于超大容量电容器,蓄电池的负担要比过去小得多,因此可以大大延长蓄电池的使用寿命,并且还可适当减少现有内燃机车蓄电池的容量,降低成本和重量。
安装电启动辅助装置后,柴油澳门新萄京官方网站启动的可靠性大为提高,特别是在低温以及蓄电池组亏电或电参数变坏时,尤为明显。
由于启动瞬时转矩的增加,柴油机旋转加速度加大,提高了燃油点燃质量,缩短了柴油发电机组的启动时间。
5操作与维护由于电容器是储能器件,在机车的日常操作与维护过程中首要注意的就是人身安全,因此,在辅助装置的电路设计上要考虑安全放电回路。放电回路可以利用机车上既有设备(如电阻制动电路、前照灯电路或电炉电路等),也可以利用电启动辅助装置中的充电限流电阻作为负载。放电控制方式可以人工,也可自动,而以自动更为安全可靠。
6结论超大容量电容器作为内燃机车电启动的辅助装置,可以缩短启动时间,提高启动可靠性,延长蓄电池的使用寿命。将这种辅助装置应用于现有内燃机车上,可以减小现有蓄电池的容量,技术上是可行的,可带来明显的经济效益。建议在国内内燃机车上逐步推广使用这种电启动的辅助装置。
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