高速列车牵引变流器冷却系统散热特性研究

　　随着电力电子器件功率密度的不断增加和设备小型化的发展要求，功率器件的散热问题已成为影响其可靠性的主要因素。在高速动车组中，牵引变流器是实现电能与机械能转换的关键部件。变流器热损耗绝大部分是由功率器件的损耗引起，而功率器件本身对温度比较敏感，温度的变化会影响器件的开通和关断过程，进而影响牵引变流器的工作性能。实践经验表明，牵引变流器冷却系统散热能力的好坏，直接影响到变流器能否长时间安全稳定的工作。

 

　　本文研究的对象是CRH3型动车组牵引变流器冷却系统，模型仿真所需的尺寸及边界条件均由实际测量和动态试验测试得到，保证了仿真分析的真实性。应用ANSYS/FLOTRAN对牵引变流器冷却系统热交换器的流场和温度场进行了三维模拟，与以往的经验简化公式方法或实验测量方法相比，避免了计算精度差、测量困难等问题，可以简便清晰的得到冷却系统热交换器的风速、压强、温度等分布状况。通过比较冷却液进出管道的温度变化，计算得到了变流器冷却系统的散热功率，为CRH3型动车组牵引变流器冷却系统的性能评价和结构改进提供了可靠依据。

 

　　牵引变流器冷却系统工作原理，为冷却介质由水泵泵往主变流器外的热交换器，部分冷却介质从热交换器流到膨胀水箱，剩余部分冷却介质经由热交换器冷却后流回主变流器，流入并联连接的8个相构件模块，与功率器件进行热量交换；然后由水泵泵出，再由水泵泵往热交换器，如此循环往复。由牵引变流器冷却系统的工作原理可知，整个牵引变流器冷却系统的性能主要取决于热交换器散热的效果。

 

　　按照实际情况设置空气、冷却液和管壳的材料属性，在流体边界设置速度或者压力边界条件，同时为求解温度场需施加入口温度边界条件。依据热交换器的实车动态试验结果设置模型相关边界条件，施加空气入口速度为4.64m/s，冷却液入口温度为48℃，空气入口温度为26℃。由冷却液流量和模型尺寸数据计算得出冷却液的实际流速为0.52m/s，为达到此速度通过流体力学计算得冷却液入口与出口压强差为2500Pa。故施加冷却液入口压强为2500Pa，冷却液和空气出口相对压强均设置为0Pa，将所有边界条件换算到国际单位制设置到模型中。

 

　　结果后处理与分析

　　通过获取流场与温度场分布图可以直观的了解散热管路的场分布情况，通过ANSYS的线路径提取信息功能可以得到具体位置上的流速或温度数值。对中间管冷却液出口面划分多个区域并近似计算出各区域的散热功率，将各区域散热功率相加即可得单根散热管路的散热功率。

 

　　流场的线路径提取与分析

　　为了进一步了解空气和冷却液的流速情况，分别截取中间管中心的冷却液流速VZ在Z轴方向上的分布和模型中部空气流速VX在Y轴方向分布分别如图8、图9所示。

　　可知，截取的线路径上冷却液流速是0.544m/s。

 

　　本文基于CRH3型高速列车牵引变流器冷却系统的基本工作原理，对冷却系统的关键部分——热交换器进行了建模仿真分析，并据此考察流速和温度等条件对冷却系统散热功率的影响。通过ANSYS有限元分析的方法，得到了热交换器的流场、温度场分布，进而由仿真结果的后处理，近似计算得出单根管路及整个热交换器的散热功率。仿真计算得出在空气流速为4.64m/s，进风口温度为26℃，冷却液入口温度为48℃的情况下，单管散热功率为1583.006W，整个热交换器的散热功率为58.571kW。通过多种边界条件下的仿真计算，考察了增大通风量以却液与空气的温度差值对热交换器散热功率的提升效果，以此来指导对牵引变流器冷却系统的功能验证和结构改进。用光电耦合器TL181和可编程精密基准源TL431构成误差放大器，利用光耦对UCC2808的1脚控制，使主控电路的输出脉冲宽度敏感于输出电压的改变，从而实现输出电压的精确调。