動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)冷卻方式研究

摘 要：文章介紹了動(dòng)車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)構(gòu)成和原理，對(duì)影響功率器件IGBT的散熱特性進(jìn)行了分析，對(duì)自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻、相變冷卻幾種冷卻方式特點(diǎn)做了一一分析，說(shuō)明采用相變冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)，即高效率，均勻熱表面溫度，無(wú)局部過(guò)熱點(diǎn)，可靠安全，適用于動(dòng)車組牽引變流器的冷卻。

關(guān)鍵詞：牽引變流器；冷卻系統(tǒng)；冷卻方式；相變冷卻

1 概述

隨著功率器件小型化、緊湊型發(fā)展要求，其功率密度不斷增加，散熱問(wèn)題已就成為影響功率器可靠運(yùn)行的主要因素。在動(dòng)車中，牽引變流器是牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件，主要實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換。而牽引變流器主要功率元件是IGBT。IGBT是高頻的開、關(guān)功率元件，工作時(shí)要消耗電能，把電能轉(zhuǎn)化為熱能的形式。通常流過(guò)IGBT的電流較大，IGBT的開、關(guān)頻率也較高，故器件的發(fā)熱量較大。若產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效散掉，IGBT器件內(nèi)部的結(jié)溫將會(huì)超過(guò)允許值，IGBT就可能損壞。有關(guān)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6，因此只有快速、及時(shí)的將產(chǎn)生的熱量散走，才能保證IGBT的正常運(yùn)行。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，牽引變流器冷卻系統(tǒng)散熱能力的好壞，直接影響到變流器性能和牽引系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作。

由牛頓冷卻公式[1]有：

tw=+tf

其中，Q-IGBT的熱量；h-表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；S-IGBT與冷卻散熱基板接觸的表面積；tw-IGBT與冷卻散熱基板接觸的壁溫；tf-冷卻液體的溫度。

當(dāng)熱量Q的下降時(shí)會(huì)引起tw的下降，但在IGBT產(chǎn)生的熱量不會(huì)下降太多，所以使tw下降的方法在應(yīng)用上有限。

表面積S的增加可以引起tw的下降，但是由于實(shí)際產(chǎn)品的重量和體積要求等限制，以及動(dòng)車牽引系統(tǒng)自身需求使得表面積的S增大有限，使tw下降的空間被限制。

冷卻液體的溫度tf的降低可以引起tw的下降，但是冷卻液體的溫度tf的降低也受外界一些因素的影響。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的提高可以引起tw的下降，一般不受其他條件的限制，可以有效的降低tw。因此，解決問(wèn)題的關(guān)鍵是如何獲得冷卻散熱基板最大的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，這也是研究的目的。

2 牽引變流器冷卻系統(tǒng)構(gòu)成及原理

主要介紹牽引變流器水冷系統(tǒng)和相變冷卻系統(tǒng)。動(dòng)車組典型牽引變流器的水冷卻系統(tǒng)一般由水冷基板、膨脹水箱、冷卻裝置、過(guò)濾器、水泵、傳感器、流量計(jì)、各種控制閥門及管路等主要部件構(gòu)成，其中冷卻裝置由散熱器、風(fēng)機(jī)組、空氣過(guò)濾器、安裝箱體等部件組成。在動(dòng)車組上，整套冷卻系統(tǒng)吊裝在車架上。

CHR2動(dòng)車組牽引變流器相變冷卻系統(tǒng)構(gòu)成如下：采用熱管原理來(lái)冷卻牽引系統(tǒng)，熱管是一個(gè)真空密封的管狀體，它的內(nèi)部設(shè)置有管芯，在外部罩一殼體，散熱片上按一定規(guī)律設(shè)置圓孔，管芯均勻布置在散熱翅片上，所有熱管的同一端穿過(guò)散熱翅片，管壁與散熱翅片脹接緊密，以減少接觸熱阻，熱管的管芯內(nèi)部注有冷卻工質(zhì)，熱管按工作原理，被劃分成蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三個(gè)部分。在蒸發(fā)段，變流器電氣元件和管壁緊密接觸，將自身產(chǎn)生的熱量通過(guò)管壁傳遞給管芯內(nèi)部的冷卻工質(zhì)，冷卻工質(zhì)吸收熱量后蒸發(fā)變成蒸汽并沿管內(nèi)擴(kuò)散，蒸汽經(jīng)過(guò)絕熱段后進(jìn)入冷凝段，冷凝段裝設(shè)有大量翅片，外界冷卻空氣受強(qiáng)迫作用吹向散熱翅片，冷凝段的熱量和外界進(jìn)行熱交換，冷卻風(fēng)帶走冷凝段內(nèi)部蒸汽的熱量，蒸汽會(huì)冷凝成液體，液體在管芯的毛細(xì)力或重力的作用下，重新流回蒸發(fā)段，再次進(jìn)行蒸發(fā)冷凝，完成了一個(gè)傳熱的循環(huán)工作過(guò)程。

3 冷卻方式

功率器件冷卻方式主要有自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液體冷卻、相變冷卻等[2]，前三者是傳統(tǒng)的冷卻方式。

自然冷卻是在自然環(huán)境中，利用導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的一種方式或兩種以上換熱方式的組合來(lái)冷卻功率器件。自然冷卻優(yōu)點(diǎn)是成本低，可靠性高，不會(huì)因?yàn)闄C(jī)械部件的磨損或故障影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。自然冷卻效率低，因此，在冷卻效率要求不高、低熱流密度時(shí)可考慮自然冷卻方式。

強(qiáng)迫風(fēng)冷是一種利用風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇等風(fēng)源產(chǎn)生一定流量的風(fēng)帶走熱量從而冷卻器件的方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷一般應(yīng)用于高熱流密度和溫升較大的場(chǎng)合，另外與液體冷卻相比，強(qiáng)迫風(fēng)冷具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的缺點(diǎn)是體積和重量大些，對(duì)于動(dòng)車牽引系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不是一種理想的冷卻方式。

液體冷卻，一般包括水冷和油冷。由于水的熱容量為空氣的5300倍[3]，其特點(diǎn)在于散熱器的體積較小，易于帶走熱量，可靠性高。特別是它可以采用水-風(fēng)或水-水換熱的方式將熱量高效地與外界交換，所以也是最節(jié)能的冷卻方式應(yīng)用于體積功率密度較高的元器件，以及在高溫環(huán)境下的工況中，液體冷卻方式缺點(diǎn)是管路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，密封接頭多，容易發(fā)生泄漏，檢修不方便。

相變冷卻與傳統(tǒng)冷卻方式相比，是一種全新的冷卻技術(shù)。傳統(tǒng)冷卻方式主要靠介質(zhì)的比熱來(lái)傳遞熱量，相變冷卻利用介質(zhì)的相變潛熱來(lái)吸收和釋放熱量，其機(jī)理與傳統(tǒng)上的完全不同，相變冷卻基于熱平衡原理，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工況的閉式循環(huán)系統(tǒng)。熱源提供工質(zhì)所需的熱量，冷卻風(fēng)提供冷卻沸騰工質(zhì)所需的制冷量。工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱源的熱量達(dá)到沸點(diǎn)后沸騰，產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入冷凝器中，冷凝器在冷卻風(fēng)的作用下，使內(nèi)部飽和蒸汽凝結(jié)為液體，凝結(jié)液再流回到蒸發(fā)器中，完成循環(huán)過(guò)程，期間釋放出大量的潛熱，達(dá)到冷卻的目的。

表1 空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻三種方式區(qū)別

由表1可看出，相變冷卻方式較空氣冷卻方式、液體冷卻方式有很多優(yōu)點(diǎn)，相變冷卻能力大，而且相變冷卻裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用體積小，雖然相變冷卻裝置在維護(hù)方面有些不便，但其有較高的冷卻效率，對(duì)于大功耗、高熱流密度的功率器件來(lái)說(shuō)是較好的選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著未來(lái)動(dòng)車組高速化，牽引變流器冷卻系統(tǒng)必須向更加緊湊、高效、低噪音、安全可靠的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的冷卻方式相比，采用相變冷卻方式進(jìn)行冷卻，冷卻效率高，發(fā)熱表面溫度均勻，無(wú)局部過(guò)熱點(diǎn)，可靠安全，相變方式非常適用于牽引變流器這種大功率器件的冷卻，對(duì)于動(dòng)車牽引系統(tǒng)相變冷卻是一種較好選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]陳建業(yè)，吳文偉.大功率變流器冷卻技術(shù)及其進(jìn)展[J].大功率變流技術(shù)，2010，12（1）：15-24.

[3]國(guó)建鴻，李振國(guó)，傅德平.大功率電力電子器件蒸發(fā)冷卻技術(shù)研究[J].電力電子技術(shù)，2005，39（5）：38-140.

作者簡(jiǎn)介：段飛（1985-），男，碩士，主要研究方向：傳熱的強(qiáng)化。