動車組牽引變流器冷卻系統在線監測研究

鐘林成

摘要：大功率牽引變流器冷卻系統散熱能力的好壞，直接關系到牽引變流器性能和牽引系統能否安全穩定地工作。本文從動車組牽引變流器水溫過高故障原因分析出發，分析研究濾網風速、變流器水溫及風機電流的相互匹配關系，提出適用于水冷系統的在線監測-維護系統，既可用于指導現有車輛的維護，又可以依據具體運行環境，為后續項目的冷卻系統選型及維護方案提供參考。

關鍵詞：冷卻系統;濾網堵塞;風速;變流器水溫;在線監測

中圖分類號：U266?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）05-0071-02

Abstract：The?heat?dissipation?ability?of?the?high-power?traction?converter?cooling?system?is?directly?related?to?the?performance?of?the?traction?converter?and?whether?the?traction?system?can?work?safely?and?stably.?This?article?from?the?emu?traction?converter?water?temperature?too?high?analysis?the?cause?of?the?problem?and?the?analysis?filter?wind?speed，water?temperature?and?the?fan?current?mutual?matching?relationship?of?the?converter，is?suitable?for?the?water?cooling?system?of?on-line?monitoring?and?maintenance?system，not?only?can?be?used?to?guide?the?existing?vehicle?maintenance，can?according?to?the?specific?operating?environment，selection?and?maintenance?of?cooling?system?for?follow-up?project?plan?to?provide?the?reference.

Key?words：cooling?system;The?filter?is?blocked;The?wind?speed;Water?temperature?of?the?converter;On-line?monitoring

1?引言

在動車組中，牽引變流器是實現電能與機械能轉換的關鍵部件[1～3]。而隨著大功率電力電子器件集成化和車輛輕量化的發展要求，功率器件的散熱問題已成為影響其可靠性的主要因素[4～7]。牽引變流器熱損耗絕大部分是由功率器件（IGBT）的損耗引起，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。功率器件本身對溫度比較敏感，溫度的變化會影響器件的開通和關斷過程，進而影響牽引變流器的工作性能[8～10]。有關資料表明[11]，電子元器件溫度每升高20℃，可靠性下降10%，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。

本文將分析變流器水溫過高的原因，研究變流器風速、水溫、風機電流等與堵塞情況的匹配關系，以期建立一套行之有效的在線故障檢測系統，既可應用于指導現有車輛的維護，又可以依據具體運行環境，為冷卻系統選型及維護方案提供參考。

2?牽引變流器冷卻系統

2.1牽引變流器冷卻系統介紹。

（1）冷卻系統原理。牽引變流器采用強迫水循環冷卻方式。功率元件的熱損耗通過冷卻液傳遞到熱交換器與外部空氣換熱;通風回路內的輔助變壓器和斬波電阻通過冷卻風機進行冷卻。控制單元采集進、出主水管上安裝的溫度傳感器信號，對冷卻系統進行實時監控及保護。變流器進出口水溫由水溫傳感器采集，當水溫過高時，變流器將停止工作。

（2）熱交換器及風機選型。冷卻系統設計是參照變流器最大牽引功率運行工況，對各主要發熱部件（主要為功率模塊）進行功率損耗仿真分析，得出系統總損耗功率。參照變流器系統總損耗值，進行熱交換器及冷卻風機的選型。熱交換器及風機選型，參照熱交換器及風機特性曲線，評估最惡劣環境（45℃）、一定堵塞（風量）條件下，熱交換器的散熱能力和風機風量是否滿足系統需要。

2.2水溫過高故障原因。從系統原理角度，可能導致變流器水溫高的因素包括：

（1）環境溫度：當環境溫度高時，水溫可能過高。

（2）水冷系統故障：當水冷系統發生故障時，無法通過水循環帶走器件工作時產生的熱量，溫度可能過高。

（3）通風回路堵塞：當通風回路設備堵塞時，無法提供足夠的風量實現熱交換器與外部空氣的換熱，可能導致溫度過高。

通過分析以往變流器溫度過高故障發現，大多數水溫過高故障原因都為通風回路堵塞，因此需要定期清理維護通風回路以減少水溫過高故障。

2.3驗證試驗。為探究動車通風回路堵塞（以濾網風速評估）與環境的關系，不同堵塞程度與風速、風量及風機電流的匹配關系，不同環溫、堵塞程度和變流器水溫關系。具體試驗結果處理如下：

（1）現車濾網堵塞與運行環境關系。通過測試不同天氣情況下（晴天和雨天各一周，同為3月份）濾網風速變化情況，發現晴天時，濾網風速變化較快，一周內從4.5m/s下降至1m/s。而雨天時，濾網風速變化較慢，一周內濾網風速從4.5m/s下降至4m/s。說明車輛在不同運行天氣條件下，通風回路堵塞情況不同，雨天比晴天堵塞的要慢。

（2）不同環溫、堵塞程度和變流器水溫關系。分別測試環境溫度35℃和45℃條件下，不同堵塞程度情況下的變流器進出口水溫情況，結果表明：

①環境溫度35℃時，濾網堵塞90%以上，將可能觸發變流器超溫保護。

②相同環境溫度（45℃/35℃），滿載時：濾網堵塞程度越高，溫升越大。

③相同堵塞程度，滿載時，環境溫度升高，水溫升高，水溫升基本不變。

（3）不同堵塞程度與風速、風量及風機電流的匹配關系。分別測試不同堵塞程度下的濾網風速、進風口風量以及風機電流值，得到濾網風速、風量和風機電流與堵塞程度的關系曲線。通過關系曲線，又可以確定不同風量、風速或風機電流下對應的通風回路堵塞程度。結合溫升實驗，可以得到變流器滿足特定環境溫度正常應用時，對應的風機風量、風速等。

2.4冷卻系統維護。熱交換器和濾網需要定期清理維護，清除灰塵及吸入的雜物，以保證風量足夠滿足變流器正常工作時的散熱需求。考慮季節及運行環境等條件不同，清理維護周期也應不同，當前大多是人為憑應用經驗制定清理維護周期，并沒有可靠的理論計算或監測系統用以指導。

3?建立適用于水冷系統的在線監測

根據動車變流器運行情況，以及濾網風速、變流器水溫及風機電流等的相互匹配關系，可以提出一種適用于水冷系統的在線監測/維護系統：

（1）基于變流器水溫的在線監測：分析變流器進口水溫升與堵塞的對應關系，通過從控制系統監測的變流器水溫及水溫升，可以準確評估通風回路的堵塞情況以及濾網風速，從而確定清理維護日期。

（2）基于風機電流的在線監測：在變流器損耗功率一定條件下，風機電流大小體現著散熱能力（風量），相應地體現堵塞情況。未來變流器的設計，可以增加對風機電流值的數據采集，根據不同堵塞條件下的風機電流曲線，通過監測風機電流評估此時的堵塞情況，從而確定維護日期。

（3）不同季節的散熱能力調節：風量越大，風機吸風能力越強，同樣地吸塵也越多。在冬季，散熱功率可以小些，適當降低風量，既可加長維護周期，亦可降低車輛運行過程中的噪音，可以根據不同季節的環溫或者水溫升調節風量大小，也可根據堵塞程度調整冷卻風機功率。

（4）建立變流器冷卻系統維護周期的評估機制。根據車輛具體運行環境（風沙、柳絮、寒熱帶等）、選擇不同的熱交換器、濾網以及維護周期。

目前，動車牽引變流器平臺化日趨成熟，在現有平臺基礎上，提出適用于不同運行環境的冷卻系統解決方案，建立變流器水冷系統維護周期的評估機制。

4?結論及展望

本文從動車組牽引變流器報水溫過高故障原因分析出發，分析研究通風回路堵塞與車輛運行環境的關系、不同濾網堵塞與風速風量及風機電流的匹配關系、不同環溫、堵塞程度與變流器水溫的關系。根據濾網風速、變流器水溫及風機電流的相互匹配關系，提出適用于水冷系統的在線監測/維護系統。該系統既可用于指導現有車輛的維護，又可以依據具體運行環境，為后續項目的冷卻系統選型及維護方案提供參考。

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