城軌車輛輔助逆變器設計研究

李志杰 王明 羅嗣欞

摘 要：為解決城市軌道交通車輛輔助逆變器存在的振動噪聲等問題，文章介紹一種自然冷卻的輔助逆變器。首先簡要介紹該輔助逆變器的研究背景、主電路及技術參數(shù);然后詳細介紹該產品的結構設計及散熱設計，并進行結構仿真分析;最后通過試驗驗證結構仿真結果的準確性。

關鍵詞：城市軌道交通;輔助逆變器;結構設計;計算機仿真;自然冷卻

中圖分類號：U264.5+6;TP391.9

1 研究背景

現(xiàn)有城市軌道交通車輛（以下簡稱“城軌車輛”）上的輔助逆變器通常安裝在車體底部，其安裝空間非常有限，尤其是進風空間非常小，但是車輛負載的功率需求又比較大，因此對輔助逆變器的散熱要求非常高。

輔助逆變器通常采用強迫風冷的方式進行散熱，主要存在以下技術問題。

（1）由于利用風機散熱，因此需配備高速風機提供一定流量的冷卻空氣帶走熱量而冷卻器件，從而增加了產品的振動源、噪聲源及故障源。

（2）需設計符合要求的整體散熱風道以提高風速和風壓，結構設計復雜;并需將散熱器件及模塊的散熱器布置于風道內部，而密閉的風道不利于器件的維護。

因此，無風機的自然冷卻技術在變流器領域越來越得到工程技術人員的青睞。針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，本文將介紹一種自然冷卻的城軌車輛輔助逆變器，其具有結構簡單緊湊、振動及噪聲小、散熱效果好等特點。

2 主電路及技術參數(shù)

輔助逆變器采用兩電平絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變電路（DC/AC），其主電路原理如圖1所示，包括輸入濾波單元（由FL及FC組成）、電容器充放電單元（由KM1、KM2、Rb及Rc組成）、IGBT逆變器模塊、輸出濾波單元（由TR1、ACC及Z1組成）、輸出隔離單元（由KMA組成）及控制單元等。

直流輸入電壓（DC1500V）首先經(jīng)過LC濾波單元及電容器充放電單元，濾波后的直流電壓由IGBT逆變器模塊逆變成交流電壓（AC640V），再經(jīng)過三相變壓器（TR1）進行電壓隔離，降壓成AC380V，最終經(jīng)三相輸出濾波單元濾波后得到低諧波含量的三相準正弦380 V電壓，從而為城軌車輛的空調、空氣壓縮機、照明等提供穩(wěn)定的三相四線制交流電壓。

輔助逆變器的主要技術參數(shù)如表1所示。

3 結構設計

輔助逆變器的總體結構尺寸為2700mm （長）×800mm（寬）×650 mm（高），采用模塊化設計理念，將箱體內部的散熱器件分別布置于相應的散熱腔體內，如圖2和圖3所示。柜體分別設有電抗器腔、逆變模塊腔和變壓器腔3個腔室，各個腔室相互獨立，可保證各個散熱器件的熱量互不干擾;并且各個腔體的面板上開有多個通風散熱部，以使3個腔室均獨立形成與外界貫通對流的通風散熱風路。散熱時，外界的空氣不斷通過各個通風散熱部分別進入3個腔室內，在帶走腔室內器件的熱量后，再通過通風散熱部流出腔室外，從而完成熱量交換達到自然冷卻散熱的目的。

通過以上特殊的結構設計，該輔助逆變器具有以下優(yōu)點：

（1）無須配置風機進行強迫風冷散熱，使得成本降低，且無風機運行時的噪聲及振動，提高了產品的可靠性和舒適性;

（2）由于取消了使用風機的密閉風道，使得維護簡單，結構緊湊。

柜體采用框架式的結構設計并按照圖1將器件合理布置分配。在柜體中部布置IGBT逆變器模塊，并安裝于柜體的承重框架梁上，這樣既可以確保柜體的重心居中，又可以保證柜體的結構強度。逆變模塊的散熱器采用部分嵌入柜體內部的設計，與傳統(tǒng)的自冷型散熱器完全伸出柜體外部的安裝方式相比，這種部分嵌入的特殊設計有以下2個優(yōu)點：

（1）減少了對箱體的外形尺寸要求，使得箱體更加緊湊，方便車下布局;

（2）由于一部分散熱片單元凸出裝設于逆變模塊腔室外，在列車運行過程中，能夠利用車輛的走行風對凸出的散熱片單元進行強迫自然風冷，散熱效果更佳。

4 散熱設計

IGBT逆變器模塊是輔助逆變器的核心部件，集成了散熱器、IGBT元件、直流電容器、電流傳感器、溫度繼電器等部件，提高了產品的模塊化程度。目前，強迫風冷的模塊一般采用鋁散熱器，散熱效率不高且需配備風機。該輔助逆變器的IGBT逆變器模塊采用熱管散熱器，可以在省去風道和風機的情況下進行良好的自然冷卻，其外形如圖4所示。

熱管是一種高效能的傳熱元件，它利用相變原理和毛細作用實現(xiàn)超常的傳熱效果，傳熱效率比鋁高出上百倍。熱管的一端為蒸發(fā)段（熱端） ，另一端為冷凝段（冷端）。每根熱管的熱端均嵌入散熱器基板內，使IGBT元件的熱量可借助基板迅速地傳入熱管的熱端。熱管的冷端均插入散熱片單元內，從而使傳遞到熱管冷端的熱量通過散熱片得以及時疏散。由于逆變器模塊的散熱量很大，因此本模塊采用的熱管均設計為特殊的L 形。L形熱管的一端完全嵌入散熱器基板內，這樣能夠增大熱管和散熱器基板的接觸面積，將散熱器基板上的熱量更加快速、均勻地散發(fā)到散熱片單元，從而可提高散熱效率。

為驗證散熱器設計方案的可行性及散熱效果，按GB/T 25122.1-2018《軌道交通機車車輛用電力變流器第1部分：特性和試驗方法》第4.5.3.13條，對輔助逆變器進行溫升試驗。在散熱器臺面上的不同位置提前埋設好若干個溫度探頭，并在額定負載工況下運行輔助逆變器，當溫升達到穩(wěn)定后，測量出各個點的溫度。在試驗結束后，經(jīng)過計算得出散熱器的最大溫升值為35.6 K，其小于允許的溫升值45 K，表明該輔助逆變器的散熱設計滿足要求。

5 結構仿真

該輔助逆變器的質量為1 050 kg，由鈑金件焊接和螺栓緊固而成，吊裝在車體底部。由于柜體的強度對列車行車安全至關重要，因此，需要對柜體進行靜強度和隨機振動疲勞分析，以驗證其結構強度是否滿足設計要求。計算機仿真時，首先需要建立有限元力學模型，采用Hyper Mesh軟件對鈑金件抽取中面并劃分成殼單元，電氣元器件劃分為體單元，焊接與螺栓連接通過剛性單元實現(xiàn);在有限元模型建立好之后，再導入ANSYS軟件進行計算。有限元模型如圖5所示。

根據(jù)TB/T 3548-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范總則》規(guī)定的載荷對輔助逆變器進行靜強度仿真分析，即按縱向3g、橫向1g、垂向3g（包括重力）的標準，其中g為重力加速度。不同載荷下的靜強度仿真結果如表2所示，由表可知，不同載荷下所產生的3 個方向的最大應力為296.5 MPa，小于Q345材料的屈服強度（345 MPa），靜強度滿足設計要求;最大位移為2.51mm，其位置都出現(xiàn)在變壓器的端部。

隨機振動疲勞分析一般分2步進行：①對有限元模型進行頻率響應分析，計算模型傳遞函數(shù)，得到單位載荷激勵下模型在各階頻率上的應力分布情況，因此計算1σ應力是分析結構隨機振動疲勞分析的主要任務之一，可通過ANSYS軟件的隨機振動分析得到該結果;②在得到最大1σ應力的基礎上，再通過材料P-S-N曲線，根據(jù)Steinberg理論和Miner線性疲勞累計損傷理論對疲勞壽命進行預估。

隨機振動疲勞分析仿真結果如下：橫向、垂向和縱向隨機振動時的最大1σ應力分別為21.77 MPa、44.28MPa、29.27 MPa，都小于材料的屈服強度，且位置都出現(xiàn)在變壓器的安裝螺栓處，因此可以說明柜體其余部分的結構設計裕量都較大。通過進一步計算，可以得出3個方向的疲勞損傷之和小于1，由此可得該輔助逆變器的疲勞強度滿足設計要求。

6 試驗驗證

為驗證結構設計的可行性和仿真數(shù)據(jù)的準確性，按照GB/T 21563-2018《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》第8～10條，對輔助逆變器分別進行功能隨機振動試驗、模擬長壽命試驗和沖擊試驗。將輔助逆變器固定在振動試驗臺位上，采用1類A級長壽命試驗加速度頻譜密度（ASD）量級進行試驗，輔助逆變器應能承受縱向、橫向和垂向3個互相垂直方向總共15 h的試驗。在沖擊和振動試驗結束后，對柜體進行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)緊固件松動、外殼變形及裂紋等故障;并隨即進行電性能試驗，要求輔助逆變器在額定工況下連續(xù)工作2min，輸出未發(fā)現(xiàn)異常，電壓、電流波形也無畸變，從而表明可以實現(xiàn)產品的相關功能。因此，試驗判定為合格，試驗結果表明柜體的結構滿足設計要求。

7 結語

本文介紹的自然冷卻式城軌車輛輔助逆變器，具有電路成熟、性能穩(wěn)定、可靠性高、維護簡便等特點，各項性能指標已達到國內外同類型產品的先進水平。其解決了強迫風冷輔助逆變器的振動噪聲難題，以其獨特的優(yōu)勢得到廣泛的應用，目前已在重慶地鐵、印尼巨港輕軌等項目車輛中批量推廣應用，且運行可靠穩(wěn)定。

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收稿日期 2020-03-27

責任編輯 黨選麗