陳修強(qiáng)

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,一種新型的城市軌道交通工具——無接觸網(wǎng)儲(chǔ)能式有軌電車,受到了越來越多的市場(chǎng)認(rèn)可[1-2]。由于該種有軌電車采用站臺(tái)室外的大功率變流地面充電裝置進(jìn)行充電作業(yè),因此其地面充電裝置需在做好柜體防護(hù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速有效的系統(tǒng)散熱功能。

基于此,針對(duì)密閉柜體整體內(nèi)循環(huán)的散熱系統(tǒng)散熱效率低的問題,本文提出一種基于空調(diào)冷卻的有軌電車地面充電裝置內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)”)優(yōu)化方案,利用FLOTHERM軟件仿真計(jì)算原方案與優(yōu)化方案下的風(fēng)速與溫度,并進(jìn)行散熱系統(tǒng)試驗(yàn)。通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證,所提優(yōu)化方案能夠滿足內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)的溫升要求,大幅降低大功率集中發(fā)熱器件的溫升,有效提升散熱系統(tǒng)的散熱性能。本文研究可為大功率集中發(fā)熱裝置散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)

1.1 充電裝置組成

有軌電車地面充電裝置由機(jī)柜、機(jī)柜空調(diào)、功率模塊及電抗器等部件構(gòu)成,如圖1所示。其中:柜體起到了承載及固定作用;機(jī)柜空調(diào)是自帶蒸發(fā)器與冷凝器的空調(diào)一體機(jī),安裝于柜體前后門板上部;4個(gè)功率模塊安裝于柜體中部,內(nèi)置獨(dú)立風(fēng)道,由安裝于風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口頂部的風(fēng)機(jī)通過散熱片將功率模塊內(nèi)部的熱量帶出;4個(gè)電抗器安裝于柜體底部,位于功率模塊正下方。

圖1 地面充電裝置組成示意圖

1.2 散熱原理

有軌電車地面充電裝置的內(nèi)部發(fā)熱單元包括功率模塊與電抗器,其發(fā)熱功率為5.8 kW,考慮到散熱系統(tǒng)的散熱余量,選用4臺(tái)制冷量為1.5 kW的機(jī)柜空調(diào)進(jìn)行空調(diào)冷卻,空調(diào)總制冷量為6.0 kW,與發(fā)熱功率相匹配。

當(dāng)充電裝置啟動(dòng)后,電抗器與功率模塊開始工作并產(chǎn)生熱量;空調(diào)啟動(dòng)制冷工作,從空調(diào)出風(fēng)口發(fā)出制冷風(fēng);功率模塊內(nèi)置風(fēng)機(jī)在吸入空調(diào)發(fā)出冷風(fēng)的同時(shí),帶動(dòng)功率模塊產(chǎn)生的熱量向柜體下部流動(dòng),對(duì)電抗器進(jìn)行散熱;空調(diào)上部回風(fēng)口的回風(fēng)風(fēng)機(jī)將柜內(nèi)熱風(fēng)吸入空調(diào)蒸發(fā)器后,冷卻下來的空氣再通過空調(diào)下部出風(fēng)口吹出,形成內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)。在第一臺(tái)樣機(jī)制作完成后,對(duì)其進(jìn)行溫升試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,功率模塊出現(xiàn)了高溫報(bào)警。

1.3 散熱效率低的原因分析

為了查明高溫報(bào)警的原因,對(duì)上述充電裝置再次進(jìn)行溫升試驗(yàn)測(cè)試,并在功率模塊、電抗器及柜體內(nèi)部中間位置布置了溫度檢測(cè)點(diǎn),利用溫度記錄儀實(shí)時(shí)檢測(cè)柜體內(nèi)部及發(fā)熱器件的溫升狀況。

檢測(cè)結(jié)果表明:①功率模塊溫升為48.7 ℃,這是由于空調(diào)出風(fēng)口與功率模塊進(jìn)風(fēng)口之間存在風(fēng)道短路現(xiàn)象導(dǎo)致的,由空調(diào)出風(fēng)口發(fā)出的冷風(fēng)沒有完全進(jìn)入功率模塊;②電抗器溫升為85.1 ℃,已接近溫升上限,由功率模塊風(fēng)機(jī)帶出來的熱量與電抗器產(chǎn)生的熱量集中在柜體底部,無法及時(shí)進(jìn)入空調(diào)回風(fēng)口而導(dǎo)致熱量累積;③柜內(nèi)環(huán)境溫度溫升為21.1 ℃,柜體底部熱量的積聚導(dǎo)致柜內(nèi)環(huán)境溫度逐漸升高,導(dǎo)致空調(diào)出風(fēng)口溫度有所升高,進(jìn)而形成溫升累積循環(huán)。

2 內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化方案

針對(duì)柜內(nèi)風(fēng)道短路導(dǎo)致熱量累積無法及時(shí)散出的問題,在空調(diào)出風(fēng)口與功率模塊進(jìn)風(fēng)口之間增加風(fēng)道一,同時(shí)在柜體底部與頂部中間增加風(fēng)道二及風(fēng)道風(fēng)機(jī),將底部熱量通過風(fēng)道二引至空調(diào)回風(fēng)口附近[3]。內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖如圖2所示。風(fēng)道二進(jìn)風(fēng)口位于電抗器底部,設(shè)定兩種進(jìn)風(fēng)口方案,其參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種進(jìn)風(fēng)口方案參數(shù)對(duì)比

圖2 內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案示意圖

2.2 原方案與優(yōu)化方案仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

方案二中,由于電抗器底部風(fēng)口遠(yuǎn)離風(fēng)道二,其進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量會(huì)小于近側(cè)風(fēng)口的風(fēng)量,進(jìn)而導(dǎo)致電抗器兩側(cè)風(fēng)量不一致,電抗器內(nèi)部溫度不均勻。因此,本文將方案一作為優(yōu)化方案進(jìn)行研究,并對(duì)其進(jìn)行溫升試驗(yàn)驗(yàn)證。利用FLOTHERM軟件搭建仿真計(jì)算模型,采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行模型離散[4-5],對(duì)原方案及優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計(jì)算分析,兩種方案的風(fēng)速云圖對(duì)比如圖3所示。由圖3可知:原方案中,最大風(fēng)速位于功率模塊進(jìn)風(fēng)口處,而從電抗器至空調(diào)回風(fēng)口處幾乎無風(fēng)向運(yùn)動(dòng);優(yōu)化方案中,在增加風(fēng)道一后,空調(diào)出風(fēng)口處的風(fēng)完全進(jìn)入功率模塊內(nèi)部風(fēng)道,后經(jīng)電抗器及風(fēng)道二回到空調(diào)回風(fēng)口。

a) 原方案

2.3 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

利用溫度記錄儀分別記錄4組功率模塊內(nèi)部、電抗器內(nèi)部及柜體中心測(cè)定點(diǎn)處(見圖1)的溫度變化。溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)過5.1 h試驗(yàn)后,柜體中心測(cè)定點(diǎn)在1.0 h內(nèi)的溫升小于1 ℃,功率模塊溫升小于50 ℃,電抗器溫升小于90 ℃。由此可知,優(yōu)化方案能夠滿足內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)的溫升要求。通過對(duì)柜體內(nèi)部散熱系統(tǒng)散熱風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,柜內(nèi)的環(huán)境溫度及器件溫度明顯有所降低,使內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1) 基于空調(diào)冷卻整體內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)無法有效解決大功率高熱損耗集中發(fā)熱器件的散熱問題,通過溫升試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其與制冷系統(tǒng)的制冷量大小無關(guān),而與散熱系統(tǒng)的風(fēng)道回路有關(guān)。

2) 通過FLOTHERM軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,并對(duì)風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),所提優(yōu)化方案能夠滿足內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)的溫升要求。

3) 優(yōu)化后散熱系統(tǒng)的電抗器溫升降低率約為20.1%。優(yōu)化方案的內(nèi)循環(huán)散熱系統(tǒng)在空調(diào)出風(fēng)口、電抗器及空調(diào)回風(fēng)口之間形成閉環(huán)風(fēng)道回路,大幅降低了大功率集中發(fā)熱器件的溫升,有效提升了散熱系統(tǒng)的散熱性能。