基于超级电容储能的电力调车机车电气系统的研究
发布时间：2021-03-18 10:31
在铁路局、工厂或矿山铁路专线及城市轨道交通配置的调车机车,是用于列车编组、解体、摘挂、转线及车辆取送等调车作业的专用机车,它是保障轨道交通正常运营及企业正常生产的重要装备。由于调车作业的线路条件及特殊要求,调车机车一般是内燃机车。而内燃调车机车的原动机是柴油机,在运转过程中要向大气排放大量的废气,据报道我国每年的二氧化碳排放目前已居全球第二,减排二氧化碳的压力越来越大。因此,市场急需新型节能环保的调车机车投入运用。随着超级电容核心技术不断获得突破,超级电容已经成功运用于有轨电车、双源制电力机车、油电混合动力调车机车等轨道交通领域,采用超级电容作为储能装置的电力调车机车同样是调车机车研究发展的方向。因此,本文以某货运装煤车站调车机车运转情况为例,研究设计一款满足该站调车机车运转能力的超级电容调车机车,研究设计整车牵引电力传动系统,并通过仿真及试验验证了其可行性。针对该牵引电力传动系统的研究设计,主要完成了以下研究工作:首先分析了某货运装煤车站的线路条件和调车机车运转条件,利用牵引仿真计算估算了车载超级电容储能装置的容量,通过超级电容单体的串并联组成了超级电容器组模块,得到了超级电容储能系...
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
调车场调车作业我国调车机车广泛采用采用内燃机车，内燃机车机动灵活，不受天气时间影响，
苡形薰┑绲南拗疲?砸虬踩?枰?荒芨哐构┑?的货场企业特别适用，电力机车在此具有局限性调车机车要求具有便于频繁起停换向、有较大的启动牵引力、在较低速度下能通过道岔及半径较小的曲线等特点因此，调车机车通常是单司机室、车身较短、外走廊结构，方便瞭望和换向在蒸汽机车时代，我国没有专门的蒸汽调车机车，一般采用旧型货运机车进行调车作业内燃机车问世以后，随着铁路的发展，我国制造了东风5东风7东风12GK等系列的内燃调车机车和工矿机车，主要由电气间司机室电机间机械间冷却间等几部分组成，其结构如图1-2所示图1-2内燃调车机车根据调车作业的特点，机车柴油机极少在满负荷工况运转，在调车作业过程中调车机车需要经常起、停，即加载卸载频繁交变；同时由于内燃机车启停用时较长，为保证在接到调车任务后能快速执行任务，提高作业效率，通常调车机车都空载（柴油机怠速运转）待命。因此，机车柴油机的平均利用功率只占到其额定功率的30%～50%[30]，图1-3为某货运站一日内专用调车机车在不同功率比下时间的百分占比由图可知内燃调车机车满负荷运行时间仅占4.5%，而低怠速工况运行时间却占到了65%动力潜能得不到充分发挥，加之内燃机车的柴油机工作效率相对较低，燃油浪费严重内燃机车排放污染严重，震动噪声大，工作环境舒适性差以每燃烧1kg柴油产生废气量约为20Nm3计算，全国内燃调车机每年的废气排放量达到1.2×1010Nm3以上，需要130万公顷以上的阔叶林来消化并且调车作业一般处于铁路站尝城市轨道交通区域企业厂区港口码头等工作场所，甚至接近生活区，调车机车所产生的污染物及噪声会对人们的身心健康产生不利影响根据《巴黎协定》《联合国气候变化框架公约》《关于实施国家第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准的公告
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页都对排放提出了非常严格的限制要求2008年10月环境保护部按照国家《环境保护法》和《中环境噪声污染防治法》的要求，重新修订了《铁路边界噪声限值及测量方法》(GB12524-90)，以防治铁路噪声污染，达到保护环境的目的这些都表明随着现代人类文明的进步、人们绿色能源及环保意识的增强，对污染物排放噪声提出了更高的要求很显然传统的内燃机车已经不能满足环保和舒适度方面的要求，需要研究开发新型节能环保的调车机车图1-3调车机不同功率范围工作时间百分比一种新型超级电容储能式调车机车以采用超级电容器组为动力源，启停快速方便，能够实现节能环保的目标，更适合对于排放和噪音的要求高牵引吨位较小的区域，如城市轨道交通港口车站等场所的调车作业；同时随着铁路的快速发展，电气化区段日益增多，这种新型调车机车既可以在电气化区段运用并进行充电整备及维护，还可以运用于非电气化区段的调车作业区，运用灵活方便，节约维修整备成本因此，这种新型调车机车极具研究开发的必要性和广阔的运用前景1.2国内外研究现状由于内燃机车的噪声污染物排放等方面的缺点，近年来国内外了开始研究新型调车机车，新的动力方式的作为研究重点，随着新型超级电容器在能量密度、功率密度、使用寿命、制备技术上的不断突破，超级电容在轨道交通领域应用也取得了较大进展。2010年12月1日，中车株洲电力机车有限公司的双源制电力机车控制装置对外发布这种双源制电力机车控制装置，包含有机车车体牵引蓄电池组牵引变压器集成牵引变流器-三相交流异步牵引电机等部件及控制方式。按照25kV接触网-牵引变压器-集成牵引变流器-三相交流异步牵引电机中央控制单元和牵引模式转换开关的控制方式该新型机车采用的动力能源来自接触网或
【参考文献】：
期刊论文
[1]电液混合动力轨道车的复合制动特性[J]. 蒋越,刘桓龙. 液压与气动. 2018(07)
[2]SL1500机组超级电容备用电源系统替换铅酸蓄电池备用电源系统技术研究[J]. 李锋. 电气技术. 2018(06)
[3]基于级联多电平直流变换器的超级电容储能系统能量自均衡控制策略[J]. 毕恺韬,安群涛,段建东,凡绍桂,孙力. 电工技术学报. 2018(08)
[4]基于列车运行状态的城轨超级电容储能装置控制策略[J]. 夏欢,杨中平,杨志鸿,林飞,李旭阳. 电工技术学报. 2017(21)
[5]基于超级电容的内燃动车组动力包启动方案[J]. 陈爱军,范丽冰,周安德. 机车电传动. 2016(06)
[6]列车属性对城市轨道交通牵引能耗的影响及列车用能效率评价[J]. 陈垚,毛保华,柏赟,贾文峥,李竹君. 中国铁道科学. 2016(02)
[7]储能式现代有轨电车概述[J]. 索建国,邓谊柏,杨颖,柳晓峰,张宇,帅纲要,尚江傲. 电力机车与城轨车辆. 2015(04)
[8]新型混合动力交流传动地铁调车机车[J]. 王平华,刘顺国,孟玉发. 铁道机车与动车. 2015(03)
[9]轨道交通用超级电容器研发概述[J]. 陈宽,阮殿波,傅冠生. 电池. 2014(05)
[10]超级电容储能系统在轨道车辆的应用[J]. 朱波,朴学松,杨建宇. 铁道机车车辆. 2014(02)
博士论文
[1]矿山牵引电机车控制系统的研究[D]. 宗剑.上海大学 2014
硕士论文
[1]磁耦合谐振式电动汽车无线充电的研究[D]. 王洋洋.西安理工大学 2018
[2]电动汽车无线充电补偿网络输出特性研究[D]. 王换民.西安理工大学 2017
[3]有轨电车燃料电池/超级电容混合动力系统建模与仿真[D]. 雷霄.西南交通大学 2015
[4]基于超级电容储能的新型有轨电车供电系统设计研究[D]. 王俊.西南交通大学 2015
[5]混合动力列车复合电源系统的研究[D]. 彭然.西南交通大学 2014
[6]基于超级电容器的城轨再生制动储能仿真研究[D]. 武利斌.西南交通大学 2011
[7]城市轨道交通地面型超级电容储能系统关键技术的研究[D]. 邓文豪.中国铁道科学研究院 2010
[8]城市轨道交通车载超级电容储能系统控制策略的研究[D]. 王迅.北京交通大学 2010
[9]燃料电池与超级电容器混合驱动系统的研究与仿真[D]. 李晶晶.武汉理工大学 2006
本文编号：3088180
【文章来源】：西南交通大学四川省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
调车场调车作业我国调车机车广泛采用采用内燃机车，内燃机车机动灵活，不受天气时间影响，
苡形薰┑绲南拗疲?砸虬踩?枰?荒芨哐构┑?的货场企业特别适用，电力机车在此具有局限性调车机车要求具有便于频繁起停换向、有较大的启动牵引力、在较低速度下能通过道岔及半径较小的曲线等特点因此，调车机车通常是单司机室、车身较短、外走廊结构，方便瞭望和换向在蒸汽机车时代，我国没有专门的蒸汽调车机车，一般采用旧型货运机车进行调车作业内燃机车问世以后，随着铁路的发展，我国制造了东风5东风7东风12GK等系列的内燃调车机车和工矿机车，主要由电气间司机室电机间机械间冷却间等几部分组成，其结构如图1-2所示图1-2内燃调车机车根据调车作业的特点，机车柴油机极少在满负荷工况运转，在调车作业过程中调车机车需要经常起、停，即加载卸载频繁交变；同时由于内燃机车启停用时较长，为保证在接到调车任务后能快速执行任务，提高作业效率，通常调车机车都空载（柴油机怠速运转）待命。因此，机车柴油机的平均利用功率只占到其额定功率的30%～50%[30]，图1-3为某货运站一日内专用调车机车在不同功率比下时间的百分占比由图可知内燃调车机车满负荷运行时间仅占4.5%，而低怠速工况运行时间却占到了65%动力潜能得不到充分发挥，加之内燃机车的柴油机工作效率相对较低，燃油浪费严重内燃机车排放污染严重，震动噪声大，工作环境舒适性差以每燃烧1kg柴油产生废气量约为20Nm3计算，全国内燃调车机每年的废气排放量达到1.2×1010Nm3以上，需要130万公顷以上的阔叶林来消化并且调车作业一般处于铁路站尝城市轨道交通区域企业厂区港口码头等工作场所，甚至接近生活区，调车机车所产生的污染物及噪声会对人们的身心健康产生不利影响根据《巴黎协定》《联合国气候变化框架公约》《关于实施国家第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准的公告
西南交通大学硕士研究生学位论文第3页都对排放提出了非常严格的限制要求2008年10月环境保护部按照国家《环境保护法》和《中环境噪声污染防治法》的要求，重新修订了《铁路边界噪声限值及测量方法》(GB12524-90)，以防治铁路噪声污染，达到保护环境的目的这些都表明随着现代人类文明的进步、人们绿色能源及环保意识的增强，对污染物排放噪声提出了更高的要求很显然传统的内燃机车已经不能满足环保和舒适度方面的要求，需要研究开发新型节能环保的调车机车图1-3调车机不同功率范围工作时间百分比一种新型超级电容储能式调车机车以采用超级电容器组为动力源，启停快速方便，能够实现节能环保的目标，更适合对于排放和噪音的要求高牵引吨位较小的区域，如城市轨道交通港口车站等场所的调车作业；同时随着铁路的快速发展，电气化区段日益增多，这种新型调车机车既可以在电气化区段运用并进行充电整备及维护，还可以运用于非电气化区段的调车作业区，运用灵活方便，节约维修整备成本因此，这种新型调车机车极具研究开发的必要性和广阔的运用前景1.2国内外研究现状由于内燃机车的噪声污染物排放等方面的缺点，近年来国内外了开始研究新型调车机车，新的动力方式的作为研究重点，随着新型超级电容器在能量密度、功率密度、使用寿命、制备技术上的不断突破，超级电容在轨道交通领域应用也取得了较大进展。2010年12月1日，中车株洲电力机车有限公司的双源制电力机车控制装置对外发布这种双源制电力机车控制装置，包含有机车车体牵引蓄电池组牵引变压器集成牵引变流器-三相交流异步牵引电机等部件及控制方式。按照25kV接触网-牵引变压器-集成牵引变流器-三相交流异步牵引电机中央控制单元和牵引模式转换开关的控制方式该新型机车采用的动力能源来自接触网或
【参考文献】：
期刊论文
[1]电液混合动力轨道车的复合制动特性[J]. 蒋越,刘桓龙. 液压与气动. 2018(07)
[2]SL1500机组超级电容备用电源系统替换铅酸蓄电池备用电源系统技术研究[J]. 李锋. 电气技术. 2018(06)
[3]基于级联多电平直流变换器的超级电容储能系统能量自均衡控制策略[J]. 毕恺韬,安群涛,段建东,凡绍桂,孙力. 电工技术学报. 2018(08)
[4]基于列车运行状态的城轨超级电容储能装置控制策略[J]. 夏欢,杨中平,杨志鸿,林飞,李旭阳. 电工技术学报. 2017(21)
[5]基于超级电容的内燃动车组动力包启动方案[J]. 陈爱军,范丽冰,周安德. 机车电传动. 2016(06)
[6]列车属性对城市轨道交通牵引能耗的影响及列车用能效率评价[J]. 陈垚,毛保华,柏赟,贾文峥,李竹君. 中国铁道科学. 2016(02)
[7]储能式现代有轨电车概述[J]. 索建国,邓谊柏,杨颖,柳晓峰,张宇,帅纲要,尚江傲. 电力机车与城轨车辆. 2015(04)
[8]新型混合动力交流传动地铁调车机车[J]. 王平华,刘顺国,孟玉发. 铁道机车与动车. 2015(03)
[9]轨道交通用超级电容器研发概述[J]. 陈宽,阮殿波,傅冠生. 电池. 2014(05)
[10]超级电容储能系统在轨道车辆的应用[J]. 朱波,朴学松,杨建宇. 铁道机车车辆. 2014(02)
博士论文
[1]矿山牵引电机车控制系统的研究[D]. 宗剑.上海大学 2014
硕士论文
[1]磁耦合谐振式电动汽车无线充电的研究[D]. 王洋洋.西安理工大学 2018
[2]电动汽车无线充电补偿网络输出特性研究[D]. 王换民.西安理工大学 2017
[3]有轨电车燃料电池/超级电容混合动力系统建模与仿真[D]. 雷霄.西南交通大学 2015
[4]基于超级电容储能的新型有轨电车供电系统设计研究[D]. 王俊.西南交通大学 2015
[5]混合动力列车复合电源系统的研究[D]. 彭然.西南交通大学 2014
[6]基于超级电容器的城轨再生制动储能仿真研究[D]. 武利斌.西南交通大学 2011
[7]城市轨道交通地面型超级电容储能系统关键技术的研究[D]. 邓文豪.中国铁道科学研究院 2010
[8]城市轨道交通车载超级电容储能系统控制策略的研究[D]. 王迅.北京交通大学 2010
[9]燃料电池与超级电容器混合驱动系统的研究与仿真[D]. 李晶晶.武汉理工大学 2006
本文编号：3088180
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