地鐵輔助變流器功率損耗與熱仿真分析*

劉博陽， 劉偉志， 楊　寧

(中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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地鐵輔助變流器功率損耗與熱仿真分析*

劉博陽， 劉偉志， 楊寧

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

輔助變流器功率密度的不斷提高使密閉箱體內的發熱更加嚴重，因此輔助變流器熱設計的重要性隨之顯現出來。以地鐵輔助變流器為例，首先分析計算箱內各主要電氣器件功率損耗，利用FloTHERM流體熱仿真軟件建立仿真模型，設置初始條件并求解計算，得出變流器運行中箱體內部的溫度場和流場分布。之后對輔助變流器的樣機進行了溫升試驗并將多測點實測溫度與仿真結果對應位置進行了對比，對比的結果證明了熱仿真方法對地鐵輔助變流器進行發熱情況分析的可行性與準確性，對輔助變流器的熱設計提供了參考。

地鐵； 輔助變流器； 熱設計； 熱仿真； 功率損耗

隨著我國城市軌道交通的快速發展，對城市軌道交通裝備的需求越來越大，對車輛可靠性、穩定性的要求也不斷提高。輔助變流器作為提供列車各部分所需電力的核心設備，其容量需求日益增加，隨之而來的是器件損耗的增加，這些損耗以熱量的形式傳遞出來。由于變流器體積有限，各器件均集中安裝在同一較為封閉的箱體中，上述熱損耗會導致變流器內溫度升高。對于大部分器件，溫度超過一定限值，輕則影響器件性能、降低器件效率、縮短器件壽命，重則導致變流器設備功能失效，對列車運行的安全性和穩定性造成很大危害[1]。

以地鐵輔助變流器作為研究對象，采用FloTHERM軟件得到準確直觀的熱仿真結果，并將此結果與樣機溫升試驗數據進行對比驗證，驗證結果證明了熱仿真方法可以指導熱設計工作。熱仿真方法就是在制造樣機前就驗證設計的可行性，避免因超溫導致的故障，提高變流器的運行效率[2]。

1　熱分析方法

1.1熱計算

靜態物體由于區域間的溫度差異而引起的熱的流動稱為熱傳遞，所遷移熱能的大小稱為熱量。熱傳遞的方式主要有傳導、對流和輻射3種[1-2]。根據熱傳遞的原理和初始條件，可以搭建模型，用數學計算的方法得到系統的溫度分布。目前主要使用的熱計算方法有等效熱路法、等效熱網絡法、有限差分法、有限體積法等。其中有限體積法適用范圍廣，較容易得到計算結果，并且計算結果較為精確，是當前求解流動和傳熱問題的數值計算中最成熟的方法，被大多數傳熱計算軟件所采用[3]。

1.2熱仿真步驟

利用目前主流熱仿真軟件計算溫度分布的步驟基本相似，主要有：模型建立，設定初始條件，劃分網格，仿真結果的后處理[4]。

熱仿真軟件是采用三維模型的方式對仿真對象進行表示的，首先要在軟件內建立計算對象的三維模型。雖然軟件自帶建模功能，但是功能無法與專業軟件相比，因此通常使用專用三維建模軟件建立模型，并導入熱仿真軟件。對于已有模型的利用可以節省建模的步驟，但此類模型精細程度大多超過了熱仿真精確性的需要，反而會消耗計算資源。所以在導入這類模型時要進行簡化，用盡量簡單的幾何體代替復雜的結構，去除對溫度沒有影響的部分。如果能恰當地完成此步驟，可以在損失極小精度的情況下降低大量計算時間。

模型建立完畢后要設置初始條件，將計算對象的屬性，如材料、表面、發熱功率(器件損耗)、初始溫度、風機風量、熱輻射參數等賦予模型對應部分。初始條件設置得越精細計算結果越接近真實值，其中發熱功率對計算結果的影響很大。由于不同設備的工作參數不同，發熱功率一般需要通過計算獲得，準確計算發熱功率是熱仿真中很重要的一點。

根據有限體積法求解的原理，仿真前須劃分網格。網格的密度與計算精度正相關，與計算時間負相關。劃分網格時要考慮計算對象不同區域的結構復雜程度、是否有發熱器件、是否有流體等，如果網格密度過低可能使計算結果難以收斂。

仿真直接得出的是微分方程的解，為了使結果直觀，需要指定軟件對所得解進行處理，如生成三維模型上的溫度分布圖、流體速度分布圖、測點溫度表格等，這一步驟稱為后處理。

2　變流器構成及損耗計算

2.1變流器組成

地鐵輔助變流器外觀如圖1所示，其主要作用是將1 500 V直流電變換為380 V三相交流電，對地鐵車輛空調、通風、除霜等低壓設備供電[5]，同時也含有提供110 V直流電源的充電機模塊。輔助變流器機箱內主要包含功率模塊、三相變壓器、電抗器、冷卻風機、控制通訊單元等，安裝于車體下部，散熱方式為強迫風冷。

變流器主電路原理如圖2所示，機箱內主要發熱部分是絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Tran-sistor,IGBT)、變壓器、電抗器。而控制單元、電纜、電容器等發熱量相對很小，將它們忽略可以在幾乎不影響仿真結果準確性的前提下大幅提高仿真速度。對熱損耗的研究是在變流器輸入電壓1 500 V、輔助功率模塊開關頻率1.05 kHz、充電機模塊開關頻率10 kHz、總負載82 kW(輔助部分負載64 kW，充電機負載18 kW)的額定工況下進行的。

圖1　地鐵輔助變流器外觀

圖2　變流器主電路原理示意

2.2逆變器IGBT損耗

2.2.1計算方法

IGBT是變流器的核心器件，在每個功率模塊中同時安裝有多個IGBT，其發熱量大，發熱位置集中，本身又對溫度敏感，是熱仿真中最重要的研究對象。IGBT的損耗包括通態損耗和開關損耗，集成的反并聯二極管的損耗包括通態損耗和關斷損耗。

目前計算IGBT的功率損耗的方法有多種。有些是深入分析IGBT器件構造和原理，利用電阻、電感、電容、電流源、電壓源等基本元件建立IGBT的等效電路模型，稱為基于物理結構的IGBT損耗模型[6]。這類模型通常用于結合電路仿真軟件進行單個器件級別的精確計算，如果模型建立得當，可以很好地反映IGBT在各種工況下的特性，準確性高，適用范圍廣。使用這種方法建立模型需要對器件構造有很深入的理解，對工程設計人員來說，熱仿真中通常直接使用一些經過檢驗的經典模型。

一些方法則根據實測數據，利用待定系數等數學工具，推出損耗計算的經驗公式，稱為基于數學方法的IGBT損耗模型[6]。這類模型所得的公式使用非常方便，只需代入對應參數。計算結果精確性取決于公式的準確度、選用公式對待求解器件的適用性。

此外，對于特定類型的電路，還可以通過IGBT工作特點推導損耗近似公式。這種方法通過研究IGBT的工作波形，對單個周期內電壓電流的乘積進行積分，將非線性化的電壓電流關系按線性化折算，結果也可以滿足工程計算需求[7]。

計算IGBT損耗還可以使用IGBT功耗仿真軟件，各大IGBT廠商都開發了仿真軟件，例如英飛凌的IPOSIM、三菱的Melcosim、富士的IGBT simulator等。這類軟件只需輸入IGBT型號和電路類型、工作頻率、電壓等基本參數就可以快速求得IGBT和反并聯二極管的功率損耗。同時還可以用電子電路仿真軟件搭建電路模型，仿真得到IGBT工作參數并用公式計算，適用性更廣。

2.2.2逆變器IGBT損耗計算

本變流器中使用的均是EUPEC的FF300R17KE3型IGBT，其集電極-發射極阻斷電壓VCES=1 700 V，在TC=80℃、Tvj=150℃的條件下集電極額定電流ICnom=300 A，單個封裝包含兩個帶并聯二極管的IGBT。變流器中的輔助功率模塊共含有6顆IGBT封裝，采用上述近似公式的方法對IGBT器件的損耗進行計算[7-8]。

(1)單個IGBT通態損耗

雙極性PWM調制時，通態損耗Pss為：

(1)

式中M為調制比；φ為電壓電流相位差；VCE0為門檻電壓；ICP為電流峰值；rCE為IGBT通態等效電阻，可通過廠家提供的VCE與iC關系曲線獲得。

(2)單個IGBT開關損耗

開關損耗PSW為：

(2)

式中fSW為開關頻率；ESW(on)P為額定電流ICN和額定電壓VCEN時IGBT開通一次損失的能量;ESW(off)P為額定電流ICN和額定電壓VCEN時IGBT關斷一次損失的能量；Vdc為直流母線電壓；ICN為額定工作電流；VCEN為額定工作電壓。

2.2.3反并聯二極管損耗計算

(1)單個反并聯二極管通態損耗

雙極性PWM調制時，通態損耗PD·SS為：

(3)

式中VF0為二極管門檻電壓；rF為二極管通態等效電阻，可通過廠家提供的VF與iC關系曲線獲得。

(2)單個反并聯二極管關斷損耗

二極管的開通損耗可以忽略不計，關斷損耗Prr為：

(4)

式中EDiode(off)P為在額定電流ICN和額定電壓VCEN下二極管關斷一次損失的能量[7]。

綜上所述，單個IGBT封裝模塊總損耗為P1=PSS+PSW+PD·SS+Prr，代入數據得額定工況下輔助功率模塊的IGBT總損耗PIT=1 020 (W)。

2.3主變壓器損耗

變壓器體積大、結構簡單，由鐵芯和銅繞組構成，其發熱量在變流器中也占很大比例。變壓器的損耗包括鐵損和銅損。實際變壓器交變磁通在鐵芯中會產生渦流損耗和磁滯損耗，統稱為變壓器鐵損PFe。鐵損又稱空載損耗，其值與鐵芯材質有關，而與負荷大小無關，是基本不變的。通常變壓器廠家提供的參數都標明了鐵損，計算時直接使用即可。變壓器的一次和二次繞組中都有一定的電阻，當電流流過繞組時，產生的變壓器損耗，稱為變壓器銅損Pcu。銅損與負荷電流平方成正比，負載電流為額定值時的銅損又稱短路損失。廠家提供的參數給出了在額定電流下的銅損，為求得實際工作中的銅損需要使用式(5)進行計算。

(5)

式中PCu·N為額定下的銅損;Ir為額定電流，I1為實際工況電流。

本變流器使用的三相變壓器，由數據表格得PFe=700 (W)，在額定工況下由式(5)得Pcu=1 350 (W)。

2.4直流電抗器損耗

輔助變流器中使用的是直流電抗器，結構與變壓器相似。由于電抗器工作在接近直流狀態下，交流分量很小，因此鐵損可以忽略。銅損通過規格數據表格給出的參數得到，本變流器使用的直流電抗器，在額定工況下其銅損為PCu·L=300 (W)。

2.5充電機模塊損耗

充電機模塊中主要考慮IGBT和變壓器的損耗。對于IGBT利用仿真軟件得到總損耗PCIT480 W。充電機中使用的高頻變壓器的功率損耗包括一次繞組與二次繞組的銅損以及變壓器磁芯的鐵損。對大功率高頻變壓器損耗的計算方法是在變壓器損耗構成的基礎上，利用電磁學原理建立由磁滯損耗、渦流損耗和繞組損耗組成的損耗模型[9]。這種模型中涉及的變量與變壓器設計制造中的詳細物理參數有關，如磁芯截面積、線圈匝數等。根據廠家資料，充電機變壓器總損耗取PCT=900 (W)。

3　熱仿真與驗證

本文仿真使用的FloTHERM是目前主流的電子電氣三維熱仿真軟件，含有計算機輔助設計(Computer Aided Design, EDA)接口、熱仿真求解、可視化后處理、優化設計、電子設計自動化(Electronic Design Automation, CAD)接口等模塊，廣泛應用于計算機、航空航天、軍工、通信等行業。仿真在上文所述額定工況下進行。

3.1熱仿真

3.1.1建立模型

本文所研究地鐵輔助變流器模型已在SolidWorks三維繪圖軟件中繪制建立，為便于在熱仿真中使用，需要利用FloTHERM的FloMCAD功能進行模型的導入和處理。使用軟件帶有的簡化、分解功能把復雜的模型轉換為由簡單幾何體組成的模型，使模型復雜度大幅降低，處理后的模型如圖3所示。

圖3　簡化處理完成的模型

3.1.2初始條件與仿真參數

輸入的初始條件包括環境溫度、模型中所有幾何體的材料、上文得到的功率損耗、熱輻射參數、風機參數等。FloTHERM支持使用壓力-流量曲線描述風機特性，在仿真中得到風機工作點，所得結果比使用恒定流量描述更為準確。

設置仿真參數目的是對仿真過程本身進行調整，包括：仿真類型為穩態仿真、仿真步數、停止條件、誤差場等。

3.1.3網格劃分

FloTHERM的網格為六面體，在X,Y,Z3個方向分別投影為二維顯示，在設定求解域整體網格的情況下可以再對求解對象幾何體或指定體積區域設定獨立的區域網格。輔助變流器內發熱器件、幾何體復雜度、風道分布不是均勻的，控制單元、繼電器等所在的獨立艙室對整體溫度分布的影響很小，可以用稀疏的網格對其描述，而對于包含散熱片、電抗器、變壓器、風道等的復雜區域則要將網格加密。

3.1.4求解及后處理

求解收斂后生成溫度場及流場三維分布，如圖4、圖5所示。從流場分布可以看出風道中風速較高的位置是從功率模塊散熱片出口到風機進風口的部分。

圖4　整體溫度場分布

圖5　整體流場分布

3.2試驗驗證

3.2.1試驗設計

為了驗證熱仿真的結果，按試驗大綱對輔助變流器樣機進行額定參數下的溫升試驗。溫度測試方法為粘貼熱電偶測點，針對變流器內溫度較高和有代表性的重點位置共設置了22個測點，測量包括功率模塊中IGBT附近散熱片表面、充電機變壓器表面、主變壓器及電抗器的銅繞組、鐵芯不同位置表面和艙室內環境的溫度。溫升試驗共進行4 h，結束時各測點均達到了1 h內溫度變化小于1℃，0.5 h內溫度變化小于0.5℃的穩態標準。

3.2.2結果分析

在試驗測得穩態數據中選擇22個點，在仿真結果中截取相同位置進行對比，如表1所示。

表1　各測點位置溫度對比

對于重點位置，選取主變壓器、電抗器、輔助功率模塊散熱片的仿真結果，對溫度分布分別對比研究：

變壓器是變流器中發熱功率最大、溫度最高的部分，其仿真得到溫度分布如圖6所示，可以看到繞組下側溫度約為55℃至64℃，中間繞組處的溫度最高，與通過實測得到的數據基本符合。

圖6　變壓器仿真溫度分布

電抗器主要發熱部位是銅繞組，相比變壓器其體積較小，發熱集中，也是溫度較高的部位。其仿真得到溫度分布如圖7所示，可以看到繞組處溫度為50℃至52℃，與試驗結果基本符合。

圖7　電抗器仿真溫度分布

圖8　輔助功率模塊IGBT仿真溫度分布

輔助功率模塊中IGBT對溫度的敏感性高，試驗得到IGBT附近散熱片表面溫度約為35℃至42℃，靠近進風口側溫度低，出風口側溫度高，與圖8所示仿真結果基本符合。

從試驗結果可以看出，在額定工況下，仿真與試驗結果的誤差在4.2℃以內，說明仿真結果與實際情況符合較好。

4　結　論

用熱設計方法對地鐵輔助變流器進行研究，分析了主要發熱器件的功率損耗，用熱仿真軟件對變流器進行了熱計算，得到的機箱內三維溫度分布、流場分布，通過分布結果可以直觀地反映變流器運行到穩態時的溫度分布情況和氣流走向。通過樣機的溫升試驗對仿真結果進行驗證，對比了22個測點的溫度，仿真與試驗的誤差在合理范圍內，證明了熱仿真結果可以較為準確地得到熱分布。因此，熱仿真方法對變流器的熱設計具有參考價值，對保證變流器的設計質量、縮短設計周期、降低設計成本有重要的指導意義。參考文獻

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Power Loss and Thermal Simulation Analysis of Auxiliary Converter for Metro Vehicle

LIUBoyang,LIUWeizhi,YANGNing

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The increasing of power density of auxiliary converter exacerbates temperature rise inside the case, and the importance of thermal design of auxiliary converter is revealed. In this paper, using the auxiliary converter for metro vehicle as an example, the power loss of main electrical components in the case is analyzed and calculated firstly. The simulation model is built by FloTHERM fluid thermal simulation software. The initial conditions are set up and the flow field distribution is calculated. Then the temperature rise test of the auxiliary converter prototype is carried out and the results between test and simulation are compared. The feasibility and accuracy of the thermal simulation method of auxiliary converter for metro vehicle are proved by the comparison result, which provides a reference for the thermal design of auxiliary converter.

metro; auxiliary converter; thermal design; temperature rise simulation; power loss

1008-7842 (2016) 04-0072-06

??)男，碩士研究生,(

2016-02-25)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.18

*城市軌道交通車輛關鍵系統研制項目(1451ZH4703)