大型养路机械加装辅助电源研究

董 鸿 上海铁路局上海大机运用检修段

大型养路机械加装辅助电源研究

董 鸿 上海铁路局上海大机运用检修段

对大型养路机械加装辅助电源，在其电源系统出现故障时提供应急启动、辅助供电和辅助充电，可以保证其电源系统正常供电，确保大机设备正常、安全运用。

大型养路机械；电源系统；辅助电源；充电机

大型养路机械（以下简称“大机”）是铁路工务线路大维修施工的主要生产工具。电源系统是大机的重要组成部分，由两组串联的12 V200 Ah铅酸蓄电池和三台并联的直流发电机组成，其中发电机为主电源，向全车用电设备供电，同时给蓄电池充电。蓄电池的主要作用是发动机启动时向启动机供电，同时辅助发电机向用电设备供电。

1 大机电源系统存在的缺陷和安全风险

现场应用发现，大机电源供电系统存在以下几个方面缺陷和安全风险点。

1.1 蓄电池馈电严重，发动机无法启动

大机蓄电池因车载电气设备放电时间较长，或蓄电池本身性能下降，蓄电池馈电严重，导致发动机启动困难，在冬季寒冷天气条件下，严重时甚至发动机无法启动。

1.2 应急泵工作耗电严重，影响应急起复

部分大机应急系统应急泵采用的是直流电机泵，由蓄电池直接供电。在日常应急演练中发现，应急泵工作时，蓄电池电量损耗快，导致应急泵工作后期动力明显不足，作业装置无法全部收复到位，而且还影响发动机的下次启动。

1.3 发电机故障，系统供电不足。

发电机故障时，蓄电池无法正常充电，耗电严重，尤其是主发电机故障时，系统供电不足，严重影响现场大机施工质量和安全。

以上缺陷，直接威胁大机的正常运用和生产安全。对此，本文提出加装辅助电源的设计方案，以解决上述问题。

2 加装辅助电源的设计方案

2.1 设计思路

利用大机随机交流发电机组提供电源，选装充电设备，将380/220 V交流电转换成24 V直流电，作为辅助电源对蓄电池组进行辅助充电和系统应急供电。

2.2 辅助电源要实现的功能目标和性能要求

大机电源系统通过加装辅助电源预期可以实现以下功能目标和要求：

（1）应急启动发动机；

（2）应急泵辅助供电；

（3）电源系统应急辅助供电；

（4）蓄电池辅助充电；

（5）不影响电源系统原有性能。

2.3 辅助电源充电设备参数设计

2.3.1 满足应急启动发动机的要求

大机动力系统采用的是道依茨BF12L513风冷发动机，配备0117 6177启动电机，功率：6 kW，额定电流：250 A，启动电流为额定电流的4～7倍，即：1 000 A～1750 A，因此，辅助电源应具备瞬间电流达到1 750 A左右。

2.3.2 满足应急辅助供电的要求

从电源系统原理图分析可知：大机电气系统负载总共有6路：加热器激光系统、工作系统、空调系统作业照明系统、ALC记录仪系统、安全系统和应急泵系统。电源供电系统为三台直流发电机和蓄电池辅助供电，三台直流发电机分别是：1m8输出电流120 A，1m9输出电流55 A和1m21输出电流55 A，正常作业状态下，三台直流发电机完全可以满足全车的供电需求。考虑最不利情况，假定1m8故障，辅助电源需提供120 A电流。

启动应急泵通常是在发动机故障情况下直流发电机不工作，由蓄电池供电。应急泵功率：2.5 kW,额定电流：104 A，因此，辅助电源提供120 A左右电流辅助蓄电池对应急泵供电，可以保证应急泵供电充足，且大大减少对蓄电池电量的损耗，不影响蓄电池的启动性能。

智能楼宇应用根据系统功能的不同可以分为安全防护、绿色节能和高效便捷三大类[6]：①安全防护包括视频监控、入侵监测、火灾探测及报警、（车辆及人员）出入口控制以及应急响应等；②绿色节能包括制冷制热、电器照明控制、环境监测和能耗统计分析等；③高效便捷包括公共广播、智能会议、访客管理、信息引导及发布、资产管理等。

2.3.3 满足辅助充电的要求。

一般按照10 h充电率选择充电电流，即充电电流＝蓄电池额定容量/10，所以大机电源蓄电池组充电电流为：400 Ah/ 10 h＝40 A。

大机蓄电池组的容量为400 Ah,合理的充电电流为蓄电池容量的1/10，即40 A，因此，辅助电源只要可以提供40 A电流就可以满足辅助充电的要求。

2.3.4 不影响电源系统原有性能的要求

总电源供电导线采用的是95mm2的铜质导线，最大通过电流（安全载流）为302 A，因此，辅助电源电流不能过大，不能超过30 2A。

强电不得影响弱电系统，不得干扰作业系统。大机作业系统属于精度系统，辅助电源交流部分布线应远离弱电系统，必须做好屏蔽。交流与直流需做好隔离设计。

综上分析可知,辅助电源充电设备应具备瞬间电流达到：1 750 A左右，最大充电电流：120 A左右为宜，最大充电电流不能超过302 A，电流可调。

2.4 辅助电源系统电路设计

图1 辅助电源供电原理图

3 应用实践

3.1 充电设备的选配

根据上述参数分析，经研究，选用万邦WB1800型快速启动充电机（见图2和图3）作为辅助电源的充电设备。

3.1.1 技术参数

输入电源：220/380 V，输出电压：（9～30）V，最大充电电流：120 A，瞬间电流：1 800 A，输出档位：（12～24）V，外形尺寸（mm)：450×370×720，适用电瓶：（30～800）Ah。

3.1.2 功能特点

（1）输出电压12 V，24 V可调；

（2）电流6档可调；

（3）输入电压220 V，380 V自动可调；

3.2 应用要求

根据大机各种应急情况的不同工况特点，经应用实践和探讨研究，制定相应的操作步骤程序和关键点（见表1），以满足相应工况需求。

表1 辅助电源操作程序和关键点

4 效益分析

4.1 安全效益

加装辅助电源，可以提高大机运用的可靠性和安全性。辅助电源可以在大机发动机因电瓶容量不足启动困难或无法启动时，及时提供足够电流快速启动发动机；可以在现场施工中出现因直流发电机故障而导致系统供电不足的情况下提供最大电流120 A的直流电源辅助供电，保证大机电源系统供电正常，顺利完成作业任务，确保施工安全；在应急起复过程中可以给应急泵以最大电流120 A的直流电源辅助供电，保证作业装置能够及时收复。

4.2 经济效益估算 加装辅助电源，有利于大机节能减排，还能产生一定的经济效率。大机在作业等待和附挂转移过程中，可以利用辅助电源给蓄电池进行充电，减少发动机运转时间，从而降低燃油消耗。以维修三队为例，全队10台大机，据日常油耗统计分析，发动机燃油消耗率约为25 l/h，每天作业等待时间约2 h，以每月20个封锁天窗计算，全年全队大机作业等待时发动机启动时间约为：2 h×20天×12月×10台大机=4 800 h，燃油消耗4800 h×25 l/h=120 000 l，以现燃油单价4.25元/l计算，费用约为51万；2015年维修三队大机长途附挂转移296台次，以每次转移时间48 h计算，途中发动机启动时间至少要10 h以上，可以估算出每台大机转移一次燃油消耗约250 l，全年维修三队大机长途转移途中发动机消耗燃油约74 000 l，费用约为31.5万元，全段100多台大机，一年能节约燃油费用约825万元。

电源系统是大机电气控制的核心，其稳定性和可靠性直接影响大机的安全运用，因此，大机电源系统辅助电源的研究具有十分重要的意义。本设计方案充分考虑了大机电源系统故障各种应急工况作业要求，直接选用成熟的充电机作为辅助电源，具有简单、易实现和成本低的特点，可以很好地解决大机电源系统存在的安全缺陷，有利于节能减耗，具有很好的经济效益，可以全面推广应用。

[1]李良仁.电工与电子技术.北京：电子工业出版社,2011.

[2]桂长清.动力电池.北京：机械工业出版社,2009.

[3]方大千,方亚敏.实用电工电子查算手册.北京：化学工业出版社,2011.

[4]韩志青,唐定全.抄平起拨道捣固车.北京：中国铁道出版社,1996.

责任编辑：王华 张建强

来稿日期：2016-08-18

5 结论