电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析.pdf

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1、第34卷第4期铁道机车车辆Vo1．34NO．42O14年8月RAILWAYLOCOM0T1VE＆CARAug．2014文章编号：1008—7842(2014)04—0008—06电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析丁杰(南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院，湖南株洲412001)摘要水冷系统是大功率交流传动电力机车牵引变流器安全可靠运行的基础。凶其结构复杂，很难采用经验公式和理论计算进行准确的分析，而采用有限体积法对整个水冷系统进行仿真时需面临计算精度与计算机资源巨大的问题。通过运用FLUENT软件先对水

2、冷系统管道内冷却介质的流动情况进行分析，再以计算得到的各水冷散热器入口平均流速为输人参数，然后对逆变模块和整流模块的水冷散热器温升情况进行研究，得到水冷系统的散热性能仿真结果。仿真方法的可行性和仿真结果的准确性得到了试验验证。研究结果可为牵引变流器水冷系统的热设计提供指导。关键词交流传动；电力机车；IGBT；水冷系统；热分析中图分类号：U264．37；TB657．5文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1008—7842．2Ol4．04．02为满足重载的需求，交流传动电力机车变流器的功真分析，并与试验结果进行对比验

3、证。研究结果可为水率迅速提升至7200kW和9600kw，系统集成度也在冷系统的热设计及优化改进提供指导。不断提高，因此，对变流器的冷却系统提出了更高要求。1牵引变流器的水冷却系统在风冷、油冷、水冷等冷却方式中，水冷以其散热效果优某大功率交流传动电力机车配置2台牵引变流器，异、安全、环保和节能等优点，开始在牵引变流器中得到每台变流器作为1台完整的组装设备，所有内部元器件广泛应用¨。安装于一个柜体内，实物外形见图1所示，每台牵引变流牵引变流器内部通常有多个水冷散热器和一个换器向1个转向架的3台牵引电机供电。为r获得所期望热器，冷却

4、水从主进水管流向各个变流器模块的水冷散的电机转矩和转速，变流器根据要求来调节牵引电机接热器和换热器，然后汇流到主出水管。虽然同型号水冷线端的电流和电压波形，完成主电路和牵引电机之问的散热器的流阻相同，但不同的安装位置和软管长度对冷能量传输，以实现对机车牵引、再生制动等持续控制。却水的分流有影响，而且换热器与水冷散热器的流阻不相对于整个电力机车而言，典型的水冷系统一般由同，对水冷散热器的流量分配也会产生一些影响。因循环泵、热交换器、水处理装置、膨胀水箱、被冷却器件此，为了保证各变流器模块均匀散热和牵引变流器可靠的散热器、冷却介质、

5、管路及附件、控制与保护装置、安运行，需要解决使冷却水较为均匀地流向各同型号的水装机架等部分组成。相对于牵引变流器而言，水冷却系冷散热器或尽量流向发热量大的变流器模块水冷散热统主要由主水管、软管、变流器模块的水冷散热器、换热器的技术难题。然而由于管道的形式各异，流阻难以通器、快速接头、蝶阀、温度传感器、压力传感器和冷却介过经验公式准确计算，这给水冷系统的热设计与校核带来了较多困难。随着计算机技术和数值方法的不断发展，CFD(计算流体力学)分析手段能够简便、快速、直观地得到计算结果，并且已经在单个水冷散热器的仿真分析中得到大量应用。

6、。]，但在水冷系统中的应用很少，其原因主要在于采用有限体积法对整个水冷系统进行仿真时需面临计算精度与计算机资源巨大的问题。本文以某大功率交流传动电力机车牵引变流器的水冷系统为分析对象，运用FLUENT软件对水冷系统的管道流量分配和水冷散热器温升情况进行仿图1牵引变流器实物*湖南省自然科学省市联合基金重点项目资助(12JJ802o)丁杰(1979)男，高级工程师(修回Et期：2014—01—02)第4期电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析Clariant公司的AntifrogenN型冷却液。图3为冷却液的防冻特性，可以看出Ant

7、ifrogenN体积百分比为52时，能够满足低温环境下的使用要求。0：．．．●。。_'．-．—10＼＼一2o＼●、液态《-30●’崮-一ix：·的分碎冰化＼-40图2牵引变流器水冷系统流道区域-50＼O102O3O4O5O6OAntifrogenN冷却液的体积百分比质组成。图2表示了牵引变流器水冷系统流道区域。图3冷却液防冻特性逆变模块和整流模块使用相同结构的水冷散热器，散热器台面上均安装了8个ABB5SNA1200E330100进行水冷系统的设计时，需要确定冷却液的入口温IGBT元件(V～V)。逆变模块的6个IGBT元件同度。

8、考虑到我国南方的高温气候条件，冷却液的入口最时工作，整流模块的8个IGBT元件同时工作。根据额高温度取55℃。图4为AntifrogenN型冷却液的热物定工况与极限工况下的电气参数，可以利用ABB公司理特性曲线，可以看出不同AntifrogenN体积百分比的Si