動車組牽引變流器冷卻系統冷卻方式研究

摘 要：文章介紹了動車組牽引變流器冷卻系統構成和原理，對影響功率器件IGBT的散熱特性進行了分析，對自然冷卻、強迫風冷、液體冷卻、相變冷卻幾種冷卻方式特點做了一一分析，說明采用相變冷卻方式的優點，即高效率，均勻熱表面溫度，無局部過熱點，可靠安全，適用于動車組牽引變流器的冷卻。

關鍵詞：牽引變流器；冷卻系統；冷卻方式；相變冷卻

1 概述

隨著功率器件小型化、緊湊型發展要求，其功率密度不斷增加，散熱問題已就成為影響功率器可靠運行的主要因素。在動車中，牽引變流器是牽引系統關鍵部件，主要實現電能與機械能轉換。而牽引變流器主要功率元件是IGBT。IGBT是高頻的開、關功率元件，工作時要消耗電能，把電能轉化為熱能的形式。通常流過IGBT的電流較大，IGBT的開、關頻率也較高，故器件的發熱量較大。若產生的熱量不能及時有效散掉，IGBT器件內部的結溫將會超過允許值，IGBT就可能損壞。有關資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時的壽命只有溫升為25℃時的1/6，因此只有快速、及時的將產生的熱量散走，才能保證IGBT的正常運行。實踐經驗表明，牽引變流器冷卻系統散熱能力的好壞，直接影響到變流器性能和牽引系統安全穩定的工作。

由牛頓冷卻公式[1]有：

tw=+tf

其中，Q-IGBT的熱量；h-表面傳熱系數；S-IGBT與冷卻散熱基板接觸的表面積；tw-IGBT與冷卻散熱基板接觸的壁溫；tf-冷卻液體的溫度。

當熱量Q的下降時會引起tw的下降，但在IGBT產生的熱量不會下降太多，所以使tw下降的方法在應用上有限。

表面積S的增加可以引起tw的下降，但是由于實際產品的重量和體積要求等限制，以及動車牽引系統自身需求使得表面積的S增大有限，使tw下降的空間被限制。

冷卻液體的溫度tf的降低可以引起tw的下降，但是冷卻液體的溫度tf的降低也受外界一些因素的影響。

表面傳熱系數h的提高可以引起tw的下降，一般不受其他條件的限制，可以有效的降低tw。因此，解決問題的關鍵是如何獲得冷卻散熱基板最大的表面傳熱系數h，這也是研究的目的。

2 牽引變流器冷卻系統構成及原理

主要介紹牽引變流器水冷系統和相變冷卻系統。動車組典型牽引變流器的水冷卻系統一般由水冷基板、膨脹水箱、冷卻裝置、過濾器、水泵、傳感器、流量計、各種控制閥門及管路等主要部件構成，其中冷卻裝置由散熱器、風機組、空氣過濾器、安裝箱體等部件組成。在動車組上，整套冷卻系統吊裝在車架上。

CHR2動車組牽引變流器相變冷卻系統構成如下：采用熱管原理來冷卻牽引系統，熱管是一個真空密封的管狀體，它的內部設置有管芯，在外部罩一殼體，散熱片上按一定規律設置圓孔，管芯均勻布置在散熱翅片上，所有熱管的同一端穿過散熱翅片，管壁與散熱翅片脹接緊密，以減少接觸熱阻，熱管的管芯內部注有冷卻工質，熱管按工作原理，被劃分成蒸發段、絕熱段和冷凝段三個部分。在蒸發段，變流器電氣元件和管壁緊密接觸，將自身產生的熱量通過管壁傳遞給管芯內部的冷卻工質，冷卻工質吸收熱量后蒸發變成蒸汽并沿管內擴散，蒸汽經過絕熱段后進入冷凝段，冷凝段裝設有大量翅片，外界冷卻空氣受強迫作用吹向散熱翅片，冷凝段的熱量和外界進行熱交換，冷卻風帶走冷凝段內部蒸汽的熱量，蒸汽會冷凝成液體，液體在管芯的毛細力或重力的作用下，重新流回蒸發段，再次進行蒸發冷凝，完成了一個傳熱的循環工作過程。

3 冷卻方式

功率器件冷卻方式主要有自然冷卻、強迫風冷、液體冷卻、相變冷卻等[2]，前三者是傳統的冷卻方式。

自然冷卻是在自然環境中，利用導熱、自然對流和輻射換熱的一種方式或兩種以上換熱方式的組合來冷卻功率器件。自然冷卻優點是成本低，可靠性高，不會因為機械部件的磨損或故障影響系統的穩定。自然冷卻效率低，因此，在冷卻效率要求不高、低熱流密度時可考慮自然冷卻方式。

強迫風冷是一種利用風機或風扇等風源產生一定流量的風帶走熱量從而冷卻器件的方式。強迫風冷一般應用于高熱流密度和溫升較大的場合，另外與液體冷卻相比，強迫風冷具有設備簡單、成本低的特點。強迫通風冷卻系統的缺點是體積和重量大些，對于動車牽引系統來說不是一種理想的冷卻方式。

液體冷卻，一般包括水冷和油冷。由于水的熱容量為空氣的5300倍[3]，其特點在于散熱器的體積較小，易于帶走熱量，可靠性高。特別是它可以采用水-風或水-水換熱的方式將熱量高效地與外界交換，所以也是最節能的冷卻方式應用于體積功率密度較高的元器件，以及在高溫環境下的工況中，液體冷卻方式缺點是管路結構比較復雜，密封接頭多，容易發生泄漏，檢修不方便。

相變冷卻與傳統冷卻方式相比，是一種全新的冷卻技術。傳統冷卻方式主要靠介質的比熱來傳遞熱量，相變冷卻利用介質的相變潛熱來吸收和釋放熱量，其機理與傳統上的完全不同，相變冷卻基于熱平衡原理，是一個實現穩定工況的閉式循環系統。熱源提供工質所需的熱量，冷卻風提供冷卻沸騰工質所需的制冷量。工質在蒸發器中吸收熱源的熱量達到沸點后沸騰，產生的飽和蒸汽進入冷凝器中，冷凝器在冷卻風的作用下，使內部飽和蒸汽凝結為液體，凝結液再流回到蒸發器中，完成循環過程，期間釋放出大量的潛熱，達到冷卻的目的。

表1 空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻三種方式區別

由表1可看出，相變冷卻方式較空氣冷卻方式、液體冷卻方式有很多優點，相變冷卻能力大，而且相變冷卻裝置結構簡單、占用體積小，雖然相變冷卻裝置在維護方面有些不便，但其有較高的冷卻效率，對于大功耗、高熱流密度的功率器件來說是較好的選擇。

4 結束語

隨著未來動車組高速化，牽引變流器冷卻系統必須向更加緊湊、高效、低噪音、安全可靠的方向發展。與傳統的冷卻方式相比，采用相變冷卻方式進行冷卻，冷卻效率高，發熱表面溫度均勻，無局部過熱點，可靠安全，相變方式非常適用于牽引變流器這種大功率器件的冷卻，對于動車牽引系統相變冷卻是一種較好選擇。

參考文獻

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]陳建業，吳文偉.大功率變流器冷卻技術及其進展[J].大功率變流技術，2010，12（1）：15-24.

[3]國建鴻，李振國，傅德平.大功率電力電子器件蒸發冷卻技術研究[J].電力電子技術，2005，39（5）：38-140.

作者簡介：段飛（1985-），男，碩士，主要研究方向：傳熱的強化。