曾文杰 萬偉偉

摘要：掌握牽引逆變器內(nèi)器件實(shí)際應(yīng)用時(shí)的溫度，對(duì)于避免器件發(fā)生高溫失效和保障地鐵車輛運(yùn)行的可靠性具有重要意義。本文介紹了南京寧高城際線牽引逆變器及其主要的發(fā)熱器件，并對(duì)傳熱過程進(jìn)行了分析；對(duì)三維模型合理簡化，建立仿真計(jì)算模型；采用Icepak仿真工具，對(duì)模型劃分網(wǎng)格、仿真計(jì)算；分析計(jì)算結(jié)果，得出了指導(dǎo)逆變器熱設(shè)計(jì)的原則。

關(guān)鍵詞：牽引逆變器；器件；對(duì)流換熱；導(dǎo)熱

ThermalAnalysisofUrbanRailVehicleTractionInverterand

SimulatingCalculationofTemperatureField

ZengWenjieWanWeiwei

ZhuzhouCRRCTimesElectricCo.，LtdHunanZhuzhou412001

Abstract：Itisimportanttograspthetemperatureinthepracticalapplicationofthedeviceinthetractioninverter，toavoidthehightemperatureagingofthedeviceandensurethereliabilityoftheoperationofthesubwayvehicle.Inthispaper，theTGN66Dtractioninverteranditsmainheatingdeviceareintroduced，andtheheattransferprocessisanalyzed.Thethreedimensionalmodelofthetractioninverterissimplifiedandthenumericalcalculationmodelisestablished.UsingtheIcepakassimulationtool，themodelisdividedintogrid，andthenthetemperaturefieldiscalculatednumerically.Thecalculationresultsareanalyzedandthethermaldesignprincipleoftheinverterisobtained.

Keywords：Tractioninverter；Device；Convectiveheattransfer；Heatconduction

地鐵車輛是城市軌道交通的一種重要方式，具有快捷、便利、安全等優(yōu)點(diǎn)。[1]牽引逆變器是地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是將直流電逆變?yōu)榭晒╇姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的三相交流電，通過調(diào)壓調(diào)頻（VVVF）的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速（功率）的控制。[2]牽引逆變器內(nèi)的發(fā)熱器件在通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱損耗而引起局部溫度升高。如果牽引逆變器整體布局不合理，熱量在器件局部累積，則可能造成器件失效，影響車輛的正常運(yùn)行。

目前，學(xué)者對(duì)器件級(jí)的散熱研究[39]較多，對(duì)系統(tǒng)和部件級(jí)的散熱研究相對(duì)較少。

Icepak仿真軟件集成了風(fēng)機(jī)、散熱器等器件模塊，可自行選擇搭建系統(tǒng)完成仿真計(jì)算。本文采用對(duì)南京寧高城際線牽引逆變器的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，總結(jié)了逆變器的熱設(shè)計(jì)原則。

1牽引逆變器熱分析

牽引逆變器是牽引電氣系統(tǒng)的核心部件，該牽引電氣系統(tǒng)所采用的TGN66D型牽引逆變器，是已經(jīng)成熟應(yīng)用的平臺(tái)化產(chǎn)品，三維模型如圖1所示（頂板透明化處理）。該牽引逆變器防護(hù)等級(jí)為IP55，可以認(rèn)為是封閉腔體。如圖2所示，中隔板將逆變器主體空間分成腔A和腔B兩部分，中隔板預(yù)留用于布線的小缺口。

腔A內(nèi)的主要發(fā)熱部件有變流器模塊、繞線電阻，電壓傳感器、電流傳感器。腔B內(nèi)的主要發(fā)熱部件有傳動(dòng)控制單元和開關(guān)電源板。其中，傳動(dòng)控制單元集成了主控板、母板、接口板等發(fā)熱部件。

變流器模塊集成了絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）、支撐電容、脈沖分配板、驅(qū)動(dòng)板、熱管散熱器等部件。其中，熱管散熱器布置在逆變器外側(cè)，用于IGBT部件散熱。車輛運(yùn)行時(shí)，逆變器外側(cè)會(huì)產(chǎn)生走行風(fēng)，加強(qiáng)散熱。IGBT產(chǎn)生的熱量主要以導(dǎo)熱的方式傳遞給本身的外殼，外殼以導(dǎo)熱的方式通過散熱器；散熱器將大部分熱量以對(duì)流換熱的方式傳遞給柜外空氣，小部分熱量以熱輻射的方式傳遞給外部環(huán)境。

電阻組件主要由繞線電阻和翅片散熱器組成。翅片散熱器布置在柜體外側(cè)，主要用于加強(qiáng)的作用繞線電阻的散熱。電阻組件的熱量傳遞過程和變流器模塊相類似，不再贅述。

柜內(nèi)的其他發(fā)熱器件，如電壓傳感器、電流傳感器、電源板以及傳動(dòng)控制單元上主控板、母板、接口板等，所產(chǎn)生的熱量有三種傳遞方式：[10]（a）以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給柜體；（b）以對(duì)流換熱的方式傳遞給空氣，進(jìn)而傳遞給柜體；（c）以熱輻射的方式直接傳遞給柜體。三種方式所傳遞的熱量最終都作用在柜體上，柜體進(jìn)而將熱量以對(duì)流換熱方式傳遞給柜外空氣，以熱輻射的方式傳遞給柜外環(huán)境。

2牽引逆變器數(shù)值計(jì)算

2.1物理模型

利用ProE三維建模軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行初步的簡化處理，而后將模型導(dǎo)入ANSYSWorkBench（WB）平臺(tái)下的DesignMolder（DM），進(jìn)一步簡化處理后，如圖2所示。與實(shí)際模型相比，簡化后的最終模型，主要是刪除了一些對(duì)傳熱過程影響不大的吊耳、安裝螺栓、扎線桿、圓角、倒角等結(jié)構(gòu)。

有必要說明的是，熱管內(nèi)同時(shí)存在沸騰傳熱和凝結(jié)傳熱，熱管傳熱量的計(jì)算較為復(fù)雜。熱管外側(cè)還布置有鋁翅片加強(qiáng)散熱，外側(cè)有車輛的走形風(fēng)，空氣流場(chǎng)復(fù)雜。為減小整柜仿真計(jì)算的工作量，本文對(duì)其簡化處理。IGBT部件與散熱器臺(tái)面直接接觸以導(dǎo)熱的方式傳熱，而熱管散熱器臺(tái)面的材質(zhì)為鋁型材，導(dǎo)熱系數(shù)為205W/（m·K），導(dǎo)熱性能非常好，因此可以認(rèn)為散熱器臺(tái)面的溫度是均勻一致。在模型簡化時(shí)，不必考慮散熱器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，將散熱器對(duì)強(qiáng)化散熱的效果等效為，恒溫面作用在散熱器臺(tái)面。恒溫面溫度的計(jì)算公式如下：

T=Ta+P·R（1）

其中：Ta為環(huán)境溫度，P為IGBT的熱損耗，R為散熱器的熱阻，通常取風(fēng)速為6m/s時(shí)，廠家提供的實(shí)測(cè)熱阻值（00062K/W），確保了計(jì)算的準(zhǔn)確性。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和查閱文獻(xiàn)資料[8]發(fā)現(xiàn)，該簡化對(duì)于部件級(jí)的熱仿真分析，是完全適用的。

2.2計(jì)算模型及邊界條件

考慮走行風(fēng)的作用，將變流器模塊散熱器的散熱效果可等效為恒溫面作用于散熱器臺(tái)面。逆變器內(nèi)外的空氣對(duì)流均按自然對(duì)流處理，計(jì)算模型采用零方程湍流模型，同時(shí)考慮重力作用和輻射換熱，并假設(shè)：各器件的材料屬性參數(shù)均為常數(shù)；空氣為不可壓縮流體；環(huán)境溫度為45℃。各器件的熱損耗如下：

IGBT損耗：666W，用英飛凌官方軟件IPOSIM仿真計(jì)算所得。

散熱器臺(tái)面熱傳遞模型如圖5所示，結(jié)合公式（1），即可得出所簡化的恒溫面，即臺(tái)面溫度計(jì)算如下：

Th=Ta+P·R=45℃+666W×6×0.0062K·W1=70℃

固定放電電阻電路如圖4所示。損耗計(jì)算如下：

P=I·U=UC2R·UC2=15002×8000×15002=70.31W，取71W計(jì)算；

其他器件損耗通過查找相關(guān)產(chǎn)品資料，結(jié)合實(shí)際工況以及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得，各器件損耗如表1所示。

2.3計(jì)算結(jié)果

考慮柜體外側(cè)與空氣的對(duì)流換熱，將計(jì)算區(qū)域往外延伸500mm～1000mm。對(duì)計(jì)算模型劃分網(wǎng)格，得到網(wǎng)格數(shù)量為19，366，193。通過數(shù)值計(jì)算，所得柜體及各器件溫度示意圖如圖5、圖6和表3所示。柜體兩側(cè)及底部溫度較低，頂部和中間隔板溫度較高。溫度較高的器件為固定放電電阻、電阻散熱器、模塊的電源和電源散熱器等。

水平方向橫截面的溫度分布示意圖如圖7所示。腔A的平均溫度為66℃，腔B平均溫度為60℃。

豎直方向橫截面的溫度分布示意圖如圖8所示。腔A上方的平均溫度約為70℃，下方的平均溫度為62℃。腔B上方的平均溫度約為63℃，下方的平均溫度約為57℃。

2.4結(jié)果分析

對(duì)3.3計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析：

（1）上、下側(cè)發(fā)熱功率相同的驅(qū)動(dòng)板，其溫度相差4℃左右。不同位置處的電流傳感器，其溫度分布也有較大差異，最大的溫差有6℃左右。說明，各器件溫度除了受自身發(fā)熱功率和材料導(dǎo)熱系數(shù)影響外，受周圍空氣和其他器件的影響。

（2）中隔板將變流器空間分為兩部分，腔A和腔B。腔A的平均溫度比腔B的平均溫度大6℃左右，這是由于變流器模塊周圍區(qū)域發(fā)熱器件多，總的熱損耗大。

（3）柜體空間上方溫度高于下方溫度。這是因?yàn)?，在重力作用下，空氣受熱膨脹，密度減小，會(huì)受到向上的浮升力，熱氣流在變流器上部空間匯集。

（4）電流傳感器1、2、3的溫度比較接近，電流傳感器4的溫度較低。其主要原因在于電流傳感器4通過支撐板所接觸的壁面（柜體兩側(cè)）溫度較低，金屬的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于空氣的自然對(duì)流。

3結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算得到溫度場(chǎng)，能較為準(zhǔn)確的掌握牽引逆變器內(nèi)各器件實(shí)際使用時(shí)的溫度分布，這對(duì)于后續(xù)熱設(shè)計(jì)和器件使用壽命的計(jì)算有一定的指導(dǎo)意義?？偨Y(jié)本文，得出以下兩條熱設(shè)計(jì)規(guī)范，后續(xù)可以用于指導(dǎo)逆變器的設(shè)計(jì)。

（1）對(duì)溫升敏感的器件，應(yīng)盡量避免布置在逆變器的上部空間，尤其是發(fā)熱元件（如變流器模塊）的上方。

（2）若柜體材料為金屬或其他導(dǎo)熱性能優(yōu)良的材料，對(duì)溫升敏感的電氣元件布置在柜體兩側(cè)，并與柜體保持良好的接觸，能有效地加強(qiáng)器件的散熱。

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作者簡介：曾文杰（1991），男，漢族，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士，初級(jí)工程師，從事城軌牽引變流器設(shè)計(jì)工作。