HX D3C型電力機(jī)車輔助變流器水冷卻技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

李 新，謝陳剛

（1 中國北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連116022；2 武漢鐵路局 機(jī)務(wù)處，湖北武漢430071）

HXD3C型機(jī)車是在6軸大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上衍生出的具有列車供電功能的交流傳動(dòng)客貨通用型電力機(jī)車。目前主要在北京、上海、武漢、西安、南昌、濟(jì)南鐵路局、廣鐵集團(tuán)公司等擔(dān)當(dāng)客運(yùn)牽引任務(wù)。HXD3C型機(jī)車?yán)^承了HXD3型機(jī)車的技術(shù)體系，具有牽引力大、黏著性能好、恒功率速度范圍寬、效率高等特點(diǎn)。該車輔助變流器的初期設(shè)計(jì)方案，沿用了風(fēng)冷卻方案，在運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，受到機(jī)車運(yùn)用區(qū)段環(huán)境的影響，風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口處的濾網(wǎng)和輔助變流器的散熱器經(jīng)常被灰塵和雜物堵塞，導(dǎo)致冷卻能力下降，影響機(jī)車運(yùn)行，甚至造成機(jī)破。

為解決輔助變流器冷卻能力下降的問題，對(duì)進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通過增加濾網(wǎng)的密度，凈化了冷卻風(fēng)，延長(zhǎng)了散熱器污損的時(shí)間，但沒有從根本上解決這一問題。而且夏季在南方地區(qū)，由于過于密集的濾網(wǎng)也削減了風(fēng)冷系統(tǒng)的通風(fēng)量，有時(shí)也無法達(dá)到冷卻需求。采用風(fēng)冷方案需要經(jīng)常對(duì)散熱器進(jìn)行清洗，在春、夏、秋3個(gè)季節(jié)中更需要增加清洗的頻次，這項(xiàng)維護(hù)工作也給用戶增加了負(fù)擔(dān)。為了徹底根治輔助變流器風(fēng)冷系統(tǒng)的問題，大連機(jī)車車輛有限公司與大連東芝機(jī)車電氣設(shè)備有限公司進(jìn)行了輔助變流器水冷卻技術(shù)的研究，在武漢鐵路局HXD3C 0018號(hào)機(jī)車上完成了裝車試驗(yàn)，并通過了考核驗(yàn)證。HXD3C型機(jī)車已全面實(shí)現(xiàn)了輔助變流器水冷方案，應(yīng)用情況良好。

1 輔助變流器采用水冷卻技術(shù)方案的研究

1.1 技術(shù)研究的總體構(gòu)思

水冷卻技術(shù)是通過冷卻液的循環(huán)帶走功率元件在工作時(shí)所發(fā)出的熱量，具有冷卻效率高、體積小、使用清潔、維護(hù)簡(jiǎn)單、不受環(huán)境影響等特點(diǎn)，非常適合機(jī)車大功率變流裝置的冷卻使用。目前，國內(nèi)外交流傳動(dòng)電力機(jī)車的牽引變流器普遍采用水冷卻技術(shù)，HXD3C型機(jī)車也不例外，其水冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)備，如水箱、水泵等均安裝在變流柜內(nèi)。輔助變流器也安裝在此柜內(nèi)，因此，如果能夠利用牽引變流器的水冷系統(tǒng)，將降低輔助變流器水冷化改進(jìn)的成本和施工難度，也有利于對(duì)既有機(jī)車進(jìn)行輔助變流器的水冷改進(jìn)。

HXD3C型機(jī)車輔助變流器水冷卻改進(jìn)，要考慮冷卻系統(tǒng)采用與HXD3機(jī)車同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的可行性；研究在變流器內(nèi)取消風(fēng)冷輔助變流器相關(guān)部件，用水冷與其互換，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷、水冷方案變流柜的整體互換；同時(shí)提升功率元件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，減低損耗。

1.2 變流器柜水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變流器柜水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，水箱（STTANK）中的冷卻液在水泵（WP）的作用下對(duì)各個(gè)功率元件進(jìn)行冷卻，冷卻液再通過復(fù)合冷卻器，進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻。如此反復(fù)循環(huán)，達(dá)到冷卻半導(dǎo)體元件的目的。

輔助變流器水冷改進(jìn)后直接從原主管路中引出支路作為輔助變流器冷卻水的循環(huán)管路，如圖1中的虛線部分。輔助變流器的水冷系統(tǒng)采用了自封閉式的聯(lián)軸器的連接方式，保證了在有冷卻液的狀態(tài)下插拔聯(lián)軸器而不產(chǎn)生漏液?jiǎn)栴}。

1.3 輔助變流器及水冷卻系統(tǒng)既有主要部件的技術(shù)參

圖1 變流柜的水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 水冷輔助變流器功率元件的選取

輔助變流器從風(fēng)冷方式改進(jìn)為水冷方式，散熱器的形式要發(fā)生很大的變化，因此單元體的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生了很大變化，從原來整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)兩個(gè)獨(dú)立的模塊，變更為一個(gè)整體模塊。為了降低元件損耗，選用Infineon公司1 700 V／1 000 A的雙單元IGBT。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，水冷輔助變流器IGBT的參數(shù)與原風(fēng)冷輔助變流器IGBT的參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 水冷化改進(jìn)前后功率元件的技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

改為水冷后，因采用了更好的開關(guān)元件，一組輔助變流器滿功率運(yùn)行時(shí)，其總功率損耗為6 627 W，降低了12.5%。

1.5 輔助變流器水冷系統(tǒng)及其對(duì)牽引變流器冷卻的影響分析

如果將輔助變流器功率元件的熱量也通過牽引水冷系統(tǒng)進(jìn)行消耗，勢(shì)必會(huì)增加水散熱器的負(fù)荷，甚至影響牽引變流器的正常冷卻。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，我們根據(jù)相關(guān)部件的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)水散熱器的功率、牽引變流器功率元件的溫升變化進(jìn)行了核算，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。

1.5.1 水散熱器的負(fù)荷分析

整車的設(shè)計(jì)是一個(gè)水散熱器冷卻一個(gè)變流器柜，當(dāng)機(jī)車一組輔助變流器出現(xiàn)故障時(shí)，另一組輔助變流器將驅(qū)動(dòng)機(jī)車所有的輔助電動(dòng)機(jī)，達(dá)到滿功率運(yùn)行，此時(shí)對(duì)相應(yīng)的水散熱器的功率要求最高，是其運(yùn)行條件最苛刻的情況，因此按此情況核算水散熱器的功率。

機(jī)車在運(yùn)行過程中，隨著速度的變化，牽引變流器中功率元件的損耗也發(fā)生變化，這與所實(shí)現(xiàn)的功能和開關(guān)頻率有關(guān)。前期試驗(yàn)測(cè)得牽引變流器中整流器（Converter）和逆變器（Inverter）的損耗。在此基礎(chǔ)上再加上水冷輔助變流器的損耗6 627 W（按7 k W計(jì)算），水冷卻的功率元件損耗與機(jī)車速度的關(guān)系，如圖2所示。

由圖2可知，在負(fù)荷條件最苛刻時(shí)，水散熱器實(shí)際負(fù)載功率最大為75 k W，設(shè)計(jì)值為100 k W，所以用牽引冷卻系統(tǒng)冷卻輔助變流器，不會(huì)超過水散熱器的冷卻能力。

圖2 功率元件損耗與機(jī)車速度的分布情況

1.5.2 APU水冷及其對(duì)CI功率元件散熱影響的分析

（1）輔助變流器功率元件的溫升

為了確定功率元件的工作溫度T j，按公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：T為環(huán)境溫度；ΔT水為冷卻液溫升；ΔT散熱器為元件散熱器的溫升；ΔT器件為器件自身的溫升。

按公式（1）依次確定輔助變流器功率元件溫升的各個(gè)參數(shù)。

① 環(huán)境溫度T為40℃；

② 冷卻水的溫升ΔT水為前期試驗(yàn)測(cè)得，水散熱器滿負(fù)荷100 k W時(shí)的溫升為18 K；

③ 元件散熱器的溫升ΔT散熱器為通過對(duì)輔助變流器的水冷散熱器進(jìn)行試驗(yàn)，為了確保該散熱器的冷卻能力，通過該水冷散熱器的流量設(shè)定為13.0 d m3／min，據(jù)此測(cè)得散熱器的熱阻為0.003 5 K／W，那么該散熱器的溫度上升為 ΔT散熱器＝ 6 627 W ×0.003 5 K／W＝23.2 K，取24 K；

④ 器件內(nèi)部的溫升ΔT器件按公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

其中P損為器件的損耗功率；為器件的熱阻；為接觸熱阻。

在水冷輔助變流器中整流器的損耗最高為4 182 W，平均每個(gè)IGBT元件的損耗為1 045.5 W，器件內(nèi)部的最高溫升為ΔT器件＝1 045.5×（0.009＋0.011）＝20.91 K，取21 K；

因此，按公式（1）計(jì)算出輔助變流器中功率元件最高的工作溫度T j為103℃。

與其所選用元件的最大允許工作溫度（150℃）相比，有充分的裕量。

（2）牽引變流器功率元件溫升的變化

同理按公式（1）計(jì)算牽引變流器中功率元件的工作溫度。因?yàn)樵鋮s系統(tǒng)中的設(shè)備均沒有變化，只是冷卻水分配了一部分給輔助變流器，所以只有ΔT水發(fā)生了變化。

冷卻水分配給輔助變流器后，牽引變流器中每個(gè)元件散熱器的流量由9.5 d m3／min減少到8.9 d m3／min，對(duì)應(yīng)的元件散熱器的熱阻也由0.003 5 K／W上升到0.003 7 K／W，相應(yīng)的溫升也就由原19 K提高到20 K。牽引變流器中IGBT的工作溫度由原來106.7℃提高到107.7℃。

與其選用元件的最大允許工作溫度125℃相比，仍有充分的裕量。

1.5.3 分析結(jié)果

通過對(duì)冷卻參數(shù)的核算，牽引變流器和輔助變流器共用水冷卻系統(tǒng)，在水散熱器的冷卻能力范圍內(nèi)、能夠滿足輔助變流器自身的冷卻需要，并對(duì)牽引變流器的冷卻也不會(huì)產(chǎn)生影響。另外，其分析是在一組輔助變流器故障時(shí)，冷卻負(fù)荷條件最苛刻的情況下進(jìn)行的，因此在正常工作狀態(tài)下，各部分的溫升都會(huì)有所下降。

2 水冷輔助變流器的裝車試驗(yàn)

為了驗(yàn)證輔助變流器水冷改進(jìn)后的裝車性能以及是否會(huì)對(duì)牽引冷卻系統(tǒng)造成影響，我們將配屬武漢鐵路局HXD3C 0018號(hào)機(jī)車的輔助變流器1更換為水冷輔助變流器，輔助變流器2仍采用風(fēng)冷方式，進(jìn)行了兩個(gè)變流器柜冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)對(duì)比。

圖3 水冷輔助變流器各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度記錄曲線

圖4 牽引變流器各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度記錄曲線

試驗(yàn)在武漢鐵路局管內(nèi)武漢北至信陽區(qū)段內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)車編組為：HXD3C 0018＋ HXD1B 0078＋69輛貨物列車。HXD1B 0078機(jī)車為負(fù)載機(jī)車，69輛貨物列車總重為1 552 t。

試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)車以滿功率牽引工況運(yùn)行，負(fù)載機(jī)車以定速控制方式及電制動(dòng)工況運(yùn)行，使試驗(yàn)機(jī)車能夠達(dá)到牽引滿功率運(yùn)行狀態(tài)，使冷卻系統(tǒng)能夠在最大負(fù)荷條件下到達(dá)溫升平衡。

2.1 試驗(yàn)時(shí)的機(jī)車工況

試驗(yàn)中，將試驗(yàn)機(jī)車的輔助變流器2隔離，使得水冷的輔助變流器1處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)開始后，試驗(yàn)機(jī)車逐步達(dá)到牽引滿功率，速度為66 km／h，牽引力為396 k N，并在這個(gè)狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行了2 h 55 min，機(jī)車水冷卻系統(tǒng)達(dá)到了平衡狀態(tài)。

2.2 功率元件溫升情況

（1）水冷輔助變流器功率元件的溫升數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程中記錄的水冷輔助變流器各點(diǎn)相關(guān)溫度曲線如圖3所示。

通過數(shù)據(jù)記錄曲線可以看出，機(jī)車滿功率運(yùn)行了2 h 9 min時(shí)，各點(diǎn)的溫度最高，并達(dá)到了平衡，此時(shí)APU1整流器單元散熱片表面溫度為22.5℃，逆變器單元散熱片表面溫度21℃，進(jìn)水管表面溫度15.7℃。

因?yàn)樵跈C(jī)車上所測(cè)得的數(shù)據(jù)是溫度傳感器處的數(shù)值，不能準(zhǔn)確反映發(fā)熱元件表面的溫升變化，因此要根據(jù)地面試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算。

水冷輔助變流器在地面進(jìn)行型式試驗(yàn)時(shí)，整流器溫度傳感器部位測(cè)得的溫升為10.8 K時(shí)，元件處的實(shí)際溫升為21.4 K；逆變器溫度傳感器部位測(cè)得的溫升為8.5 K時(shí)，元件處的實(shí)際溫升為17.3 K。

機(jī)車上元件處的實(shí)際溫升推算值為：

水冷輔助變流器中功率元件的最大溫升值為14 K，理論計(jì)算值為21 K，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

（2）牽引變流器功率元件的溫升數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程中記錄的牽引變流器各點(diǎn)相關(guān)溫度曲線如圖4所示。

通過數(shù)據(jù)可以看出：機(jī)車滿功率運(yùn)行了2 h 9 min時(shí)變流柜1中的CI2的U相整流單元散熱器表面溫度最高為23.5℃，溫升為23.5－14.8＝8.7 K；變流柜2中的CI6的U相整流電源散熱器表面溫度為22.4℃，溫升為22.4－14.3＝8.1 K。

牽引冷卻系統(tǒng)冷卻輔助變流器后，牽引變流器中元件的溫升比原牽引變流器柜中元件的溫升高了0.6 K，理論計(jì)算值為1 K，在計(jì)算的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)束語

針對(duì)HXD3C初期設(shè)計(jì)的風(fēng)冷輔助變流器，大連機(jī)車車輛有限公司從系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮對(duì)IGBT的損耗、水散熱器的冷卻能力、冷卻影響等方面進(jìn)行核算，并與大連東芝機(jī)車電氣設(shè)備有限公司一起完成了部件及系統(tǒng)的裝車試驗(yàn)驗(yàn)證。

2010—2012 在武漢鐵路局的支持下，在 HXD3C 0018號(hào)機(jī)車上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，取得了良好的效果。后期批量生產(chǎn)的HXD3C型機(jī)車水冷輔助變流器的應(yīng)用，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案目前已經(jīng)推廣到HXD2C機(jī)車及正在研發(fā)的160 km／h交流傳動(dòng)客運(yùn)電力機(jī)車上。