地鐵車輛輔助變流器的熱仿真與實驗

丁 杰

(中國南車集團(tuán) 株洲電力機車研究所有限公司 南車電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南 株洲 412001)*

0 引言

地鐵車輛輔助變流器主要用于車載空調(diào)、空氣壓縮機、設(shè)備通風(fēng)機、各室照明、擋風(fēng)玻璃除霜器、方便插座等負(fù)載的供電［1］，對于車輛的安全性和舒適性具有重要的作用.輔助變流器箱體中包含了逆變器模塊、DC/DC模塊、斬波模塊、充電機模塊、三相電抗器等電氣部件，利用風(fēng)機抽風(fēng)的方式進(jìn)行強迫空氣冷卻.由于箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，集成度高，各電氣部件產(chǎn)生的損耗能否順利耗散掉，成為輔助變流器熱設(shè)計工作的重點.早期的熱設(shè)計方法主要是先確定發(fā)熱器件的損耗，再依據(jù)經(jīng)驗確定冷卻方式、散熱片結(jié)構(gòu)、風(fēng)道結(jié)構(gòu)和風(fēng)機等，然后進(jìn)行設(shè)計方案的專家評審，最后通過樣機試驗來驗證設(shè)計方案的可行性［2］.這種方法很難保證產(chǎn)品開發(fā)的一次性成功率，由此可能大大增加研發(fā)成本和時間周期.隨著計算機技術(shù)與熱仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，熱仿真方法已在變流器產(chǎn)品熱設(shè)計中有了較多的成功應(yīng)用［3-6］.

本文利用HyperMesh軟件和FLUENT軟件對某地鐵車輛輔助變流器的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真分析，并通過實驗研究驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.研究結(jié)果可為輔助變流器的熱設(shè)計工作提供指導(dǎo).

1 輔助變流器

圖1為某地鐵車輛輔助變流器的三維結(jié)構(gòu)外形圖，輔助變流器懸掛于車體下部，通過螺栓與車體吊掛緊固相連.輔助變流器箱體中包含逆變器模塊、DC/DC模塊、斬波模塊、充電機模塊、三相電抗器等電氣部件，各變流模塊散熱器的翅片部分和三相電抗器處于風(fēng)道中(見圖2，其余部分已被隱藏).

圖1 模擬熱源的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電氣部件和風(fēng)道

圖3是輔助變流器的電路原理圖與元器件損耗數(shù)值.各變流模塊中使用的元器件主要有IGBT元 件 (FF200R12KT4、 FZ600R12KE4、FZ800R12KE3)和二極管(MDD95-16N1B、MEE250-12DA、RM400HA-24S)，根據(jù)電路中的電氣參數(shù)和半導(dǎo)體器件廠商提供的損耗計算工具(如IPOSIM)，可大致確定損耗的數(shù)值.需要注意的是，斬波模塊的工作方式屬于間歇工作制，僅在網(wǎng)壓超過750V時開始工作，其余電氣部件的工作方式為持續(xù)工作制.

圖3 電路原理與元器件損耗

2 仿真模型

熱仿真分析的步驟主要有:建立幾何模型、網(wǎng)格劃分、仿真參數(shù)設(shè)置、求解計算、后處理等.由于輔助變流器的幾何模型較復(fù)雜，且存在許多影響網(wǎng)格劃分但對傳熱途徑影響較小的特征，如鈑金件的倒角、細(xì)小的縫隙等，因此，需要對幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?三相電抗器的結(jié)構(gòu)中包含了鐵心、線包和絕緣材料等，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且缺乏詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)，為便于劃分高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，以簡單形狀的塊體進(jìn)行代替，損耗作為均勻分布的體積熱源進(jìn)行施加.

為了能準(zhǔn)確地捕捉流場信息，需要劃分足夠數(shù)量的網(wǎng)格，此外，為避免較差的網(wǎng)格質(zhì)量導(dǎo)致計算收斂困難，將模型劃分成以六面體為主、少量棱柱體的高質(zhì)量網(wǎng)格.IGBT元件的仿真建模方法參照文獻(xiàn)［7-8］，結(jié)合IGBT元件各層材料的尺寸和整個模型的復(fù)雜程度，仿真模型中的網(wǎng)格尺寸取1 mm，遠(yuǎn)離散熱片區(qū)域的網(wǎng)格尺寸逐步增大至5 mm.利用HyperMesh軟件建立整個仿真模型的網(wǎng)格數(shù)目為2830萬，可直接導(dǎo)出至FLUENT軟件進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置和求解計算等.

仿真模型中的各元器件損耗設(shè)置為體積熱源.輔助變流器中選擇了德國 ebmpapst公司R4D450-AD12-06型號的風(fēng)機，隨流量變化的壓降特性曲線可利用FLUENT軟件中的指定壓力跳躍方式進(jìn)行簡化處理.進(jìn)風(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界條件，冷卻空氣的溫度取40℃.假設(shè)冷卻空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動狀態(tài)為完全湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬流動狀態(tài).假設(shè)輔助變流器一直處于額定工況運行，對仿真模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算.

求解計算使用了DELL T7600臺式工作站(32CPU、256GB內(nèi)存)和Windows 7 64位操作系統(tǒng)，F(xiàn)LUENT軟件的求解計算設(shè)置為8CPU并行，將收斂殘差準(zhǔn)則設(shè)置由默認(rèn)的10-3改為10-6，計算1 600步耗時40余小時后，可得到收斂的仿真結(jié)果.

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 流場

圖4是截面的流速分布云圖，可以看出冷卻空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動情況，風(fēng)道不同部位以及風(fēng)機處的流速分布不均勻，風(fēng)機附近的流速最高，為14.1 m/s.部分區(qū)域的流速為0，可表示該區(qū)域有元器件而阻止空氣流動，還可表示某些區(qū)域盡管沒有物體存在，但該區(qū)域處于轉(zhuǎn)折區(qū)域的角落，空氣很難流動起來.從空氣流經(jīng)散熱器翅片的流速基本均勻的情況來看，說明流速分布較為合理.

圖4 截面流速分布

對壓力分布情況進(jìn)行分析可知，為迫使空氣在風(fēng)道內(nèi)流動，處在抽風(fēng)狀態(tài)的風(fēng)機產(chǎn)生了369.5Pa的負(fù)壓.根據(jù)這一數(shù)值并結(jié)合風(fēng)機的特性曲線，可確定風(fēng)機的工作狀態(tài)點處于推薦范圍之內(nèi).

3.2 溫度場

圖5是截面的溫度場分布，圖6是各變流模塊的溫度場分布，圖中標(biāo)示了實驗測溫點的位置(3#～17#)，以便于后續(xù)仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比.結(jié)合兩圖可看出斬波模塊V1元件芯片的溫度最高，為 121.67℃，溫升為 81.67℃.該處溫度最高的原因是斬波模塊V1元件的損耗為503W，V2元件的損耗為316 W，損耗的數(shù)值均較大，由于電壓波動情況是隨機性的，仿真時假設(shè)V1和V2元件一直處于工作狀態(tài)，并且斬波模塊處于冷卻空氣的下游，冷卻空氣被前端的逆變器模塊和DC/DC模塊加熱.當(dāng)假設(shè)斬波模塊V1和V2不工作時，13#測溫點的溫度則變?yōu)?7.6℃，與V1和V2元件一直工作時的溫度(94.4℃)相比，有了大幅度降低.

圖5 截面溫度場分布

圖6 變流模塊溫度場分布

4 實驗研究

為驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了輔助變流器溫升實驗的研究工作.在變流模塊組裝之前，按照圖7所示的測溫點位置進(jìn)行PT100和熱電偶的布置，粘貼牢固并采取電氣絕緣措施，避免實驗過程中造成電氣性能的損壞.1#和2#測溫點分別用于測量進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的溫度，3#～15#測溫點布置在各變流模塊上，16#和17#測溫點分別位于三相電抗器V相的線包外和線包內(nèi).圖中未示出的18#測溫點位于輔助變流器3 m遠(yuǎn)的位置，用于測量環(huán)境溫度.

圖7 測溫點

輔助變流器組裝好之后，結(jié)合電路原理圖進(jìn)行系統(tǒng)實驗的接線工作，連接相應(yīng)的電源、負(fù)載、功率分析儀和溫度巡檢儀等，如圖8所示.功率分析儀用于記錄實驗過程中的電氣參數(shù)，溫度巡檢儀與計算機連接，每5 min自動記錄各測溫點的數(shù)據(jù).由于輔助變流器的出風(fēng)口位于箱體底部，將輔助變流器墊起懸空放置，保證出風(fēng)口能夠順利排風(fēng).

圖8 實驗裝置

按照試驗大綱和測試流程，得到了如圖9所示隨時間變化的溫度曲線.由圖可知，試驗開始時刻的環(huán)境溫度(18#測溫點)為31.1℃，試驗進(jìn)行5 h后的環(huán)境溫度變?yōu)?7.5℃，原因在于:盡管輔助變流器的試驗是在一個較為空曠的實驗室中進(jìn)行，但輔助變流器產(chǎn)生的熱量會使周圍的環(huán)境溫度有所上升，且外界大氣環(huán)境溫度從試驗起始時刻至試驗結(jié)束亦有了上升.1#進(jìn)風(fēng)口溫度比18#環(huán)境溫度高出約1℃的原因是輔助變流器底部為出風(fēng)口，溫度較高的出風(fēng)會對距離較近的進(jìn)風(fēng)口產(chǎn)生一定的影響.從溫升曲線的變化趨勢來看，三相電抗器的熱容量較大，需要約3h的時間才能達(dá)到溫度平衡.各變流模塊的熱容量較小，達(dá)到溫度平衡的時間要小一些.

圖9 溫度變化曲線

為便于仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比分析，將各測溫點的數(shù)據(jù)列于表1，其中的實驗溫升是以1#進(jìn)風(fēng)口溫度為參照.可以看出，逆變器模塊的溫升差別很小，這與三相逆變橋臂損耗可以較為準(zhǔn)確地計算有關(guān).DC/DC模塊和充電機模塊涉及軟開關(guān)技術(shù)，其損耗計算較為困難，估算出的損耗數(shù)值相對誤差較大，導(dǎo)致仿真溫升比實驗溫升高出3～15℃，也使得出風(fēng)口的仿真溫升比實驗溫升偏高.斬波模塊屬于間歇工作制，電壓高出750 V時會產(chǎn)生導(dǎo)通和開關(guān)動作，因電壓波動具有較大的隨機性，斬波模塊的V1、V2元件工作方式屬于瞬態(tài)問題，難以在本文進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)仿真中體現(xiàn)出來.通過V1、V2一直工作和V1、V2不工作兩種方式的仿真，實驗溫升處于兩種方式仿真溫升之間，表明仿真結(jié)果能夠反映實驗中的變化趨勢.三相電抗器的仿真溫升與實驗溫升偏差在13℃左右，與三相電抗器的仿真模型過于簡化有關(guān).從各測溫點數(shù)據(jù)對比情況可以看出，仿真溫升變化趨勢與實驗溫升基本相同，可以說明仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性.

表1 仿真與實驗數(shù)據(jù)對比分析

5 結(jié)論

本文對某地鐵車輛輔助變流器的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱仿真，由風(fēng)道內(nèi)的空氣流速分布可以直觀地了解冷卻空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動情況，由各變流模塊和三相電抗器的溫度場分布可以查看IGBT元件和二極管的芯片結(jié)溫、散熱器溫度等.實驗研究中布置了18個測溫點，得到了隨時間變化的溫度曲線.通過仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比分析表明損耗數(shù)值較為準(zhǔn)確的情況下，仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，盡管DC/DC模塊和充電機模塊的溫升偏差在3～15℃，但仿真結(jié)果的變化趨勢與實驗數(shù)據(jù)吻合.因此，仿真分析的方法是可在輔助變流器方案設(shè)計階段提供參考依據(jù)的，有利于提高實際樣機溫升試驗的一次性成功率，從而縮短研制周期和降低研發(fā)成本.

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