30 t大軸重機(jī)車輔助變流柜冷卻性能仿真分析

王　強(qiáng)， 楊　帆， 邢　亮， 曹寒冰， 高生嵐

(中車大同電力機(jī)車有限公司　技術(shù)中心, 山西大同 037038)

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30 t大軸重機(jī)車輔助變流柜冷卻性能仿真分析

王強(qiáng)， 楊帆， 邢亮， 曹寒冰， 高生嵐

(中車大同電力機(jī)車有限公司技術(shù)中心, 山西大同 037038)

對30 t大軸重電力機(jī)車輔助變流柜冷卻性能進(jìn)行了散熱仿真計算，并且分別對正常工作模式和緊急工作模式兩種工況下的輔助變流柜進(jìn)行了熱分析。

電力機(jī)車； 輔助變流器； 散熱分析

隨著國內(nèi)重載鐵路的發(fā)展，對重載鐵路貨運(yùn)機(jī)車的研發(fā)設(shè)計提出了更高的要求，由于機(jī)車內(nèi)的空間有限，且大部分設(shè)備都為大功率電氣設(shè)備，因此設(shè)備的散熱是一個亟需解決的問題。

30 t大軸重機(jī)車的設(shè)計是國家中南通道大軸重貨運(yùn)機(jī)車重點(diǎn)研發(fā)設(shè)計項目，輔助變流柜的國產(chǎn)化自主設(shè)計屬于該項目的子課題，由于輔助變流柜具有內(nèi)部電氣設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱功率大等特點(diǎn)，并且其中的IGBT具有較高的發(fā)熱密度，這些熱量散發(fā)不出去，會使得電氣元件溫度升高，當(dāng)溫度升高到一定程度后，會使得電氣元件失效。致使運(yùn)行過程中的機(jī)車停車，出現(xiàn)機(jī)破甚至更嚴(yán)重的事故。數(shù)值仿真計算方法具有成本低，設(shè)計周期短，可對新產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行快速評價和指導(dǎo)改進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)[1],因此仿真分析技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)單純試驗手段的缺陷。本文對30 t大軸重電力機(jī)車輔助變流柜冷卻性能進(jìn)行了散熱仿真計算，并且分別對正常工作模式和緊急工作模式兩種工況下的輔助變流柜進(jìn)行了熱計算，指導(dǎo)和優(yōu)化變流柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1　仿真模型介紹

1.1三維模型

輔助變流柜內(nèi)部包含IGBT等元器件，工作時常常會出現(xiàn)溫度較高的問題，為了從設(shè)計源頭避免該現(xiàn)象，需在設(shè)計前期對所設(shè)計的輔助變流柜進(jìn)行散熱分析。為了保證整個輔助變流柜模型的完整性和封閉性，將輔助變流柜的進(jìn)口柵格和出口過濾網(wǎng)均簡化為面，為了便于對IGBT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在保證其體積的前提下將其簡化為塊體，另外對散熱器翅片上的微小特征也做了簡

化處理，這么做可以在保證仿真結(jié)果可靠的前提下，減小仿真運(yùn)算量，進(jìn)而縮短仿真周期。

圖1和圖2中所示的是輔助變流柜功率模塊散熱片和風(fēng)道的模型，圖1,圖2中所示的模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以通過wireframe的顯示方式得以展示，見圖3。

1.2網(wǎng)格劃分

根據(jù)后期分期的需要,分別對散熱片，IGBT，自然空氣三部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成整個計算域網(wǎng)格的單元總數(shù)為954 867個，見圖4。散熱片網(wǎng)格質(zhì)量大于0.4，IGBT網(wǎng)格質(zhì)量大于0.9，自然空氣網(wǎng)格質(zhì)量大于0.7。

圖1　風(fēng)道的模型

圖2　功率模塊散熱片

圖3　在wireframe顯示模式下的模型

圖4　輔助變流器整體網(wǎng)格模型

1.3仿真邊界條件設(shè)置

輔助變流柜工作時有兩種工況：正常模式和緊急模式。不同模式下功率模塊的損耗是不一樣的。所以分兩種工況進(jìn)行仿真。

在正常模式下的邊界條件參數(shù)見表1，在緊急模式下的邊界條件參數(shù)見表2。

仿真時各種材料的參數(shù)屬性均按照表3中提供的設(shè)置。

1.4計算參數(shù)設(shè)置

仿真采用Ansys軟件下的Fluent模塊進(jìn)行，選取基于雷諾平均法的k-ε模型，采用二階迎風(fēng)格式離散各對流項和擴(kuò)散項，激活傳熱分析模型，實現(xiàn)在模擬流動時耦合計算熱量傳遞過程。求解器采用壓力修正算法[2]，能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1×10-6，其余各項收斂標(biāo)準(zhǔn)采用默認(rèn)值1×10-3。

表1　工況為正常模式下的邊界條件參數(shù)表

表2　工況為緊急模式下的邊界條件參數(shù)表

表3　仿真采用的參數(shù)

2　仿真結(jié)果及分析

2.1正常模式仿真結(jié)果

圖5和圖6中顯示的是在正常工況下仿真模型外表面的溫度云圖。圖7顯示的是充電機(jī)功率模塊，逆變器功率模塊和斬波器功率模塊的散熱器翅片的溫度分布云圖。圖8是在正常模式下輔助變流器風(fēng)道速度流線圖。

圖5　在正常模式下外表面溫度分布云圖

圖6　在正常模式下外表面溫度分布云圖

圖7　在正常模式下各功率模塊散熱翅片溫度分布云圖

2.2緊急模式仿真結(jié)果

圖9和圖10中顯示的是在緊急工況下仿真模型外表面的溫度云圖。圖11顯示的是充電機(jī)功率模塊，逆變器功率模塊和斬波器功率模塊的散熱器翅片的溫度分布云圖。圖12在緊急模式下輔助變流器風(fēng)道速度流線圖。

圖8　在正常模式下輔助變流器風(fēng)道速度流線圖

圖9　在緊急模式下外表面溫度分布云圖

圖10　在緊急模式下外表面溫度分布云圖

2.3仿真結(jié)果分析

(1) 正常模式下仿真結(jié)果分析

表4中給出了在正常模式下主要位置的溫度值。

(2) 緊急模式下仿真結(jié)果分析

表5中給出了在緊急模式下主要位置的溫度值。

圖11　在緊急模式下各功率模塊散熱翅片溫度分布云圖

圖12　在緊急模式下輔助變流器風(fēng)道速度流線圖

整個結(jié)構(gòu)溫度最高點(diǎn)空氣出口處的平均溫度充電機(jī)散熱器IGBT二極管逆變器散熱器IGBT斬波器散熱器IGBT二極管最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度溫度/℃66326335514666635744575452404945℃53℃51℃溫升/K3953682419393630173027251322182624

注：整個仿真是在假設(shè)環(huán)境溫度(即空氣入口處溫度)為27℃時得到的，該值是按照機(jī)車所處環(huán)境的平均溫度取得。

表5　緊急模式下仿真結(jié)果

注：整個仿真是在假設(shè)環(huán)境溫度(即空氣入口處溫度)為27℃時得到的，該值是按照機(jī)車所處環(huán)境的平均溫度取得。

3　結(jié)　論

對30 t大軸重電力機(jī)車輔助變流柜冷卻性能進(jìn)行了散熱仿真計算。在環(huán)溫為27℃的條件下，分別對正常工作模式和緊急工作模式兩種工況下的輔助變流柜進(jìn)行散熱能力的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合相關(guān)技術(shù)要求，可以證明當(dāng)前的風(fēng)道尺寸設(shè)計，以及風(fēng)機(jī)通風(fēng)量的選擇能夠滿足散熱需求。

[1]王福軍.計算流體動力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

Simulation Analysis of Radiating of 30 t Heavy Axle-load Electric Locomotive Auxiliary Converter

WANGQiang，YANGFan，XINGLiang，CAOHanbing，GAOShenglan

(CRRC Datong Electric Locomotive Co.,Ltd, Datong 037038 Shanxi, China)

In this paper, the radiating of 30 t heavy axle-load electric locomotive auxiliary converter is simulated. The analysis of radiating is separately for normal mode and emergency mode.

electric locomotive; auxiliary converter; radiating analysis

1008-7842 (2016) 04-0108-04

男，工程師(

2015-12-18)

U264.5+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.28