丁 杰

（南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 南車電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南株洲412001）

電力機(jī)車牽引變流器水冷系統(tǒng)的熱仿真分析*

丁 杰

（南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 南車電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南株洲412001）

水冷系統(tǒng)是大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難采用經(jīng)驗(yàn)公式和理論計(jì)算進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，而采用有限體積法對(duì)整個(gè)水冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)需面臨計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)資源巨大的問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用FLUENT軟件先對(duì)水冷系統(tǒng)管道內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)情況進(jìn)行分析，再以計(jì)算得到的各水冷散熱器入口平均流速為輸入?yún)?shù)，然后對(duì)逆變模塊和整流模塊的水冷散熱器溫升情況進(jìn)行研究，得到水冷系統(tǒng)的散熱性能仿真結(jié)果。仿真方法的可行性和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果可為牽引變流器水冷系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

交流傳動(dòng)；電力機(jī)車；IGBT；水冷系統(tǒng)；熱分析

為滿足重載的需求，交流傳動(dòng)電力機(jī)車變流器的功率迅速提升至7 200 k W和9 600 k W，系統(tǒng)集成度也在不斷提高，因此，對(duì)變流器的冷卻系統(tǒng)提出了更高要求。在風(fēng)冷、油冷、水冷等冷卻方式中，水冷以其散熱效果優(yōu)異、安全、環(huán)保和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，開始在牽引變流器中得到廣泛應(yīng)用［1］。

牽引變流器內(nèi)部通常有多個(gè)水冷散熱器和一個(gè)換熱器，冷卻水從主進(jìn)水管流向各個(gè)變流器模塊的水冷散熱器和換熱器，然后匯流到主出水管。雖然同型號(hào)水冷散熱器的流阻相同，但不同的安裝位置和軟管長(zhǎng)度對(duì)冷卻水的分流有影響，而且換熱器與水冷散熱器的流阻不同，對(duì)水冷散熱器的流量分配也會(huì)產(chǎn)生一些影響。因此，為了保證各變流器模塊均勻散熱和牽引變流器可靠運(yùn)行，需要解決使冷卻水較為均勻地流向各同型號(hào)的水冷散熱器或盡量流向發(fā)熱量大的變流器模塊水冷散熱器的技術(shù)難題。然而由于管道的形式各異，流阻難以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確計(jì)算，這給水冷系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)與校核帶來(lái)了較多困難。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的不斷發(fā)展，CFD（計(jì)算流體力學(xué)）分析手段能夠簡(jiǎn)便、快速、直觀地得到計(jì)算結(jié)果，并且已經(jīng)在單個(gè)水冷散熱器的仿真分析中得到大量應(yīng)用［2-10］，但在水冷系統(tǒng)中的應(yīng)用很少，其原因主要在于采用有限體積法對(duì)整個(gè)水冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)需面臨計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)資源巨大的問(wèn)題。

本文以某大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器的水冷系統(tǒng)為分析對(duì)象，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)水冷系統(tǒng)的管道流量分配和水冷散熱器溫升情況進(jìn)行仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。研究結(jié)果可為水冷系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 牽引變流器的水冷卻系統(tǒng)

某大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車配置2臺(tái)牽引變流器，每臺(tái)變流器作為1臺(tái)完整的組裝設(shè)備，所有內(nèi)部元器件安裝于一個(gè)柜體內(nèi)，實(shí)物外形見圖1所示，每臺(tái)牽引變流器向1個(gè)轉(zhuǎn)向架的3臺(tái)牽引電機(jī)供電。為了獲得所期望的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，變流器根據(jù)要求來(lái)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)接線端的電流和電壓波形，完成主電路和牽引電機(jī)之間的能量傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車牽引、再生制動(dòng)等持續(xù)控制。

圖1 牽引變流器實(shí)物

相對(duì)于整個(gè)電力機(jī)車而言，典型的水冷系統(tǒng)一般由循環(huán)泵、熱交換器、水處理裝置、膨脹水箱、被冷卻器件的散熱器、冷卻介質(zhì)、管路及附件、控制與保護(hù)裝置、安裝機(jī)架等部分組成。相對(duì)于牽引變流器而言，水冷卻系統(tǒng)主要由主水管、軟管、變流器模塊的水冷散熱器、換熱器、快速接頭、蝶閥、溫度傳感器、壓力傳感器和冷卻介質(zhì)組成。圖2表示了牽引變流器水冷系統(tǒng)流道區(qū)域。

圖2 牽引變流器水冷系統(tǒng)流道區(qū)域

逆變模塊和整流模塊使用相同結(jié)構(gòu)的水冷散熱器，散熱器臺(tái)面上均安裝了8個(gè)ABB 5SNA 1200E330100 IGBT元件（V1～V8）。逆變模塊的6個(gè)IGBT元件同時(shí)工作，整流模塊的8個(gè)IGBT元件同時(shí)工作。根據(jù)額定工況與極限工況下的電氣參數(shù)，可以利用ABB公司的Simulation－Tool工具計(jì)算出逆變模塊、整流模塊對(duì)應(yīng)的損耗，如表1所示［1］，其中所列的芯片損耗為單個(gè)變流器模塊的損耗。

表1 變流器模塊在不同功能與工況下的參數(shù)和損耗

牽引變流器柜體內(nèi)部安裝有接觸器、電阻、母排、接線端子、電容等電氣部件，將產(chǎn)生一定的熱量使柜體內(nèi)部空氣溫度升高。風(fēng)機(jī)迫使柜體內(nèi)部空氣的流動(dòng)，空氣中的熱量將被換熱器中的冷卻介質(zhì)帶走，從而降低了柜體內(nèi)部的空氣溫升。由于各電氣部件的損耗很難準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，且牽引變流器柜體內(nèi)部有大量的孔和縫隙，導(dǎo)致柜體內(nèi)部空氣區(qū)域非常復(fù)雜，故本文未考慮電氣部件的熱量耗散和換熱器的熱交換過(guò)程。

210 dm3/min（額定值）～286 dm3/min（最大設(shè)計(jì)值）流量的冷卻介質(zhì)從主水管的入口進(jìn)入，流向6個(gè)變流器模塊的水冷散熱器和1個(gè)換熱器，然后匯流到主水管流出。整個(gè)水冷系統(tǒng)的高度約有2 m，重力將產(chǎn)生一定的影響。

為了適應(yīng)－40℃的低溫使用環(huán)境，冷卻介質(zhì)采用Clariant公司的Antifrogen N型冷卻液。圖3為冷卻液的防凍特性，可以看出Antifrogen N體積百分比為52%時(shí)，能夠滿足低溫環(huán)境下的使用要求。

圖3 冷卻液防凍特性

進(jìn)行水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定冷卻液的入口溫度?？紤]到我國(guó)南方的高溫氣候條件，冷卻液的入口最高溫度取55℃。圖4為Antifrogen N型冷卻液的熱物理特性曲線，可以看出不同Antifrogen N體積百分比的冷卻液熱物理參數(shù)有區(qū)別，同一Antifrogen N體積百分比的冷卻液在不同溫度下的熱物理參數(shù)亦有區(qū)別。溫度差別較大時(shí)，需要特別注意熱物理參數(shù)的變化。

2 仿真模型

由于IGBT元件內(nèi)部包含了AlSiC基板、焊料層、銅層、Al N層、芯片、絕緣材料等，各層材料的厚度不一，某些層的材料厚度僅為幾百微米。水冷散熱器內(nèi)部槽道寬度為4 mm。因此，相對(duì)于整個(gè)牽引變流器水冷系統(tǒng)，網(wǎng)格尺度不能過(guò)大，否則難以有效捕捉流場(chǎng)的信息，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大；網(wǎng)格尺度不能過(guò)小，否則會(huì)超出現(xiàn)有臺(tái)式工作站的計(jì)算能力。通過(guò)網(wǎng)格劃分的實(shí)踐可知，對(duì)圖2所示的流道區(qū)域劃分為1 mm尺寸的網(wǎng)格時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量在2 700萬(wàn)左右，難以再對(duì)固體區(qū)域（水冷散熱器的鋁材料實(shí)體、水管不銹鋼材料實(shí)體和IGBT元件的各層材料）劃分網(wǎng)格。

鑒于此，可以先對(duì)流體區(qū)域劃分1 mm尺寸的網(wǎng)格，通過(guò)單獨(dú)計(jì)算流場(chǎng)（求解質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程）得到流向各水冷散熱器的流量，然后對(duì)如圖5所示的單個(gè)變流器模塊的水冷散熱器（包含流體區(qū)域、固體區(qū)域）和安裝在上面的IGBT元件各層材料（固體區(qū)域）劃分0.5 mm尺寸的網(wǎng)格（得到的網(wǎng)格數(shù)量為1 900萬(wàn)），最后利用前面計(jì)算出的流量作為輸入條件，進(jìn)行流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算（求解質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程），從而獲得準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)分布。

圖4 冷卻液的熱物理特性曲線

圖5 變流器模塊

水冷系統(tǒng)中采用了Staubli公司SPT10型號(hào)快速接頭，用于連接軟管和水冷散熱器水嘴。圖6是水（密度為998 kg/m3、運(yùn)動(dòng)黏度為1.08×10－6m2/s）從快速接頭的插頭流向插座時(shí)的壓降曲線。入口流量30 dm3/min時(shí)的壓降約為19 kPa，說(shuō)明快速接頭產(chǎn)生的壓降在水冷系統(tǒng)中的作用不可忽略。由于快速接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難建立詳細(xì)的流體仿真模型，因此，可采用FLUENT軟件中的多孔介質(zhì)模型來(lái)模擬快速接頭的壓力損失特性，相關(guān)參數(shù)根據(jù)圖6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到。

入口溫度55℃冷卻液的熱物理參數(shù)按照?qǐng)D4選取，根據(jù)入口流量可以簡(jiǎn)單地估算出水冷散熱器內(nèi)部槽道中流速相同時(shí)的Re數(shù)在4 500左右，并未處于完全湍流狀態(tài)。因此，本文采用FLUENT軟件提供的Lan－Bremhorst低Re數(shù)湍流模型進(jìn)行流動(dòng)狀態(tài)的模擬。

圖6 快速接頭的壓降特性

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 水冷系統(tǒng)的流場(chǎng)分析

圖7是210 dm3/min入口流量下的流速計(jì)算結(jié)果。由于速度的云圖或矢量圖需要使用截面來(lái)顯示，難以清楚表示不在同一平面內(nèi)的整個(gè)水冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)情況，因此，使用了跡線圖方式進(jìn)行表達(dá)。從圖中可以大致看出冷卻介質(zhì)在主水管中的流速大小和分配情況。冷卻介質(zhì)在主水管中的流速并非均勻，最大流速（3.34 m/s）出現(xiàn)在管路的轉(zhuǎn)折處，最小流速出現(xiàn)在管路末端封閉處。

圖7 流速分布

圖8是210 dm3/min入口流量下的壓力計(jì)算結(jié)果，可以看出冷卻介質(zhì)在管路內(nèi)的壓力損失情況，壓力損失的大小為64.06 kPa。冷卻介質(zhì)流經(jīng)6個(gè)變流器模塊的水冷散熱器時(shí)，壓力分布的趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明水冷系統(tǒng)中并未出現(xiàn)明顯的阻塞現(xiàn)象。入口流量為286 dm3/min時(shí)，壓力損失的大小為103.7 k Pa，相較入口流量210 dm3/min，流量增加了36%，壓力損失增加了62%，說(shuō)明水冷系統(tǒng)的壓力損失將隨入口流量的增加而明顯增大。

圖8 壓力分布

上面的跡線圖可以直觀地表示不同部位的流動(dòng)情況，卻不利于具體數(shù)值的對(duì)比分析。為此，將210 dm3/min和286 dm3/min入口流量情況下，1～6號(hào)變流器模塊水冷散熱器和換熱器入口的平均流速列于表2。由表2可知1～6號(hào)變流器模塊水冷散熱器入口平均流速因安裝位置和軟管長(zhǎng)度而產(chǎn)生的差別在2%之內(nèi)。1～3號(hào)逆變模塊中的3號(hào)具有最小的入口平均流速，1號(hào)的入口平均流速最大。4～6號(hào)整流模塊中的6號(hào)具有最小的入口平均流速，5號(hào)的入口平均流速最大。

表2 換熱器和各水冷散熱器的入口平均流速m/s

3.2 水冷散熱器的熱分析

從表2中分別選擇逆變模塊和整流模塊水冷散熱器入口平均流速的最小值，作為水冷散熱器熱分析的輸入條件，可以分析散熱條件最差的水冷散熱器溫升情況。

逆變模塊在工作過(guò)程中主要使用到6個(gè)IGBT元件（V3～V8），其余2個(gè)IGBT元件（V1和V2）用于構(gòu)成斬波相，由于過(guò)流時(shí)的斬波工況時(shí)間很短，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略因斬波產(chǎn)生的損耗及其影響。圖9是3號(hào)逆變模塊在1.55 m/s入口流速、額定工況下的溫度場(chǎng)分布，IGBT元件芯片的最高溫度為100.57℃。該水冷散熱器在極限工況下的溫度場(chǎng)分布大致相同，IGBT元件芯片的最高溫度則增加至112.32℃。

圖9 3號(hào)逆變模塊額定工況的溫度場(chǎng)分布

圖10是6號(hào)整流模塊在1.546 m/s入口流速、額定工況下的溫度場(chǎng)分布，IGBT元件芯片的最高溫度為106.4℃。該水冷散熱器在極限工況時(shí)，IGBT元件芯片的最高溫度為112.5℃。

將3號(hào)逆變模塊和6號(hào)整流模塊在不同入口流量（210 dm3/min、286 dm3/min）和工況（額定、極限）下的IGBT元件芯片最高溫度列于表3。通過(guò)入口流量286 dm3/min與210 dm3/min的對(duì)比，可知IGBT元件芯片最高溫度大約降低7.1～7.7℃，溫升降低13.1%～15.6%。通過(guò)逆變模塊額定與極限工況的對(duì)比，可知IGBT元件芯片最高溫度相差11.3～11.7℃。通過(guò)整流模塊額定與極限工況的對(duì)比，可知IGBT元件芯片最高溫度相差6.1～6.2℃。

圖10 6號(hào)整流模塊額定工況的溫度場(chǎng)分布

表3 不同流量和工況下的IGBT元件芯片最高溫度℃

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試該牽引變流器的散熱性能，進(jìn)行了整機(jī)溫升試驗(yàn)。將牽引變流器、循環(huán)泵、水塔、管路、閥門等相連，構(gòu)成水冷測(cè)試系統(tǒng)。牽引變流器內(nèi)部布置了多個(gè)熱電偶，這些位置主要有電抗器電纜、三重逆變模塊安裝板、三重逆變模塊垂直低感母排、電容、接觸器電纜、二重整流模塊水冷散熱器和二重逆變模塊水冷散熱器，還測(cè)量了離牽引變流器柜體1 m遠(yuǎn)處的空氣溫度。布置好熱電偶后，關(guān)閉牽引變流器的柜門，熱電偶的引線從柜門縫隙中引出，并與溫度巡檢儀和計(jì)算機(jī)相連。試驗(yàn)時(shí)，冷卻介質(zhì)采用210 dm3/min入口流量的純水，測(cè)得初始水溫和空氣溫度為31.3℃，調(diào)節(jié)輸入電源、負(fù)載和控制策略，使?fàn)恳兞髌骰竟ぷ髟陬~定工況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)，通過(guò)溫度巡檢儀每隔0.5 min自動(dòng)記錄各測(cè)量點(diǎn)的溫度。

圖11是測(cè)量得到的溫升變化曲線。隨著時(shí)間的變化，各測(cè)量點(diǎn)的溫度均在上升，上升的速度和幅值有差別。柜體外部的空氣溫度在試驗(yàn)之前為31.3℃，在試驗(yàn)70 min后變化為36.3℃，上升了5℃，原因在于盡管牽引變流器的試驗(yàn)是在一個(gè)占地面積很大的檢測(cè)試驗(yàn)中心進(jìn)行，但周圍有較多高壓大容量電氣設(shè)備和測(cè)試設(shè)備在工作，且牽引變流器有部分熱量傳遞至柜體外部。二重整流模塊和二重逆變模塊水冷散熱器上的溫度上升速度比其余部位要快，原因在于水冷散熱器采用水冷方式，水的熱容量大，帶走熱量的效率高，溫度容易在較短時(shí)間里趨于平衡。水冷散熱器上的溫度一直在隨著時(shí)間增加而緩慢增加，是由于牽引變流器從容量有限的水塔取水，被加熱的水又被循環(huán)至水塔，導(dǎo)致進(jìn)入牽引變流器的水溫在緩慢增加。在試驗(yàn)70 min后，二重逆變模塊和二重整流模塊水冷散熱器上的溫度分別為44.1℃和48.7℃。圖中還可看出KM3接觸器電纜的溫度最高，試驗(yàn)70 min后為72℃，其次是三重逆變模塊垂直低感母排、KM2接觸器電纜和濾波電抗器電纜的溫度，說(shuō)明大電流通過(guò)電纜與母排時(shí)的溫升問(wèn)題需要予以關(guān)注。

圖11 試驗(yàn)溫升曲線

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真分析。入口水流量為210 dm3/min，溫度取32℃，水的熱物理參數(shù)為：密度995 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.621 W/（m·K）、比熱容4 174 J/（kg·K）、動(dòng)力黏度7.719×10－4kg/（m·s）［10］?？梢杂?jì)算出1號(hào)至3號(hào)逆變模塊、4號(hào)至6號(hào)整流模塊和換熱器的入口平均流速分別為1.573，1.566，1.555，1.555，1.58，1.551 m/s和1.818 m/s。再以2號(hào)逆變模塊和5號(hào)整流模塊水冷散熱器入口平均流速作為輸入，進(jìn)行計(jì)算可得到圖12所示的溫度場(chǎng)分布。圖中標(biāo)出試驗(yàn)時(shí)水冷散熱器上測(cè)溫點(diǎn)所在位置，其溫度分別為44.31℃和48.82℃，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常相近，可以說(shuō)明仿真方法的可行性和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，IGBT元件屬于封裝器件，內(nèi)部的芯片結(jié)溫難以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行直接測(cè)量，通過(guò)仿真的方法可以獲得比試驗(yàn)測(cè)試更為豐富的信息。

圖12 水冷散熱器的溫度場(chǎng)分布

5 結(jié)束語(yǔ)

大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜和緊湊，對(duì)整個(gè)水冷系統(tǒng)進(jìn)行熱分析具有很大的難度。通過(guò)先分析管道內(nèi)的冷卻介質(zhì)流動(dòng)情況，再利用計(jì)算得到各水冷散熱器入口平均流速作為輸入條件，對(duì)水冷散熱器的溫升進(jìn)行研究的方法可以有效解決模型復(fù)雜與計(jì)算機(jī)資源巨大的問(wèn)題，為水冷系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)工作提供指導(dǎo)。由分析結(jié)果可知：

（1）6個(gè)變流器模塊水冷散熱器的入口平均流速相差在2%，因安裝位置和軟管長(zhǎng)度產(chǎn)生的影響較小；

（2）286 dm3/min入口流量比210 dm3/min入口流量增加了36%，IGBT元件芯片溫升降低了13.1%～15.6%，而壓力損失增加了62%，表明單純依靠流量的增加，對(duì)整體散熱效果的影響并不是很明顯，提高散熱效果的著重點(diǎn)應(yīng)放在水冷散熱器內(nèi)部槽道的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

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Thermal Analysis of Water-cooling System for Electric Locomotive Traction Converter

DING Jie
（CSR Research Institute of Electrical Technology＆Material Engineering，CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China）

The water-cooling system of high-power AC drive electric locomotive traction converters is the foundation of safe and reliable operation.Because of its complex structure，it is difficult to use the experience formula and theory for accurate analysis，while the finite volume method is adopted to analyze the whole water-cooling system，the problem between calculation accuracy and computer resources will be faced.In this paper，the flow of the cooling medium in the pipeline was analyzed by FLUENT software firstly，and then watercooled radiators of inverter and rectifier module temperature were calculated using the average velocity of the water-cooling radiator entrance as input parameters.The feasibility of the simulation methods and the accuracy of the simulation results are verified by experiment.The research results can provide guidance for the thermal design of cooling system in traction converters.

AC drives；electric locomotive；IGBT；water-cooling system；thermal analysis

U264.3＋7；TB657.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.02

1008－7842（2014）04－0008－06

*湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（12JJ8020）

?）男，高級(jí)工程師（

2014－01－02）