魏 興，周俊安

(西安中車永電捷通電氣有限公司，西安 710016)

1 牽引輔助變流器的結(jié)構(gòu)方案

1.1 工作原理

牽引輔助變流器通過(guò)牽引變壓器二次側(cè)輸出的三相AC950 V供電，主電路由四象限變流器、中間直流電路、牽引逆變器、輔助逆變器、無(wú)火回送單元組成。主電路原理如圖1所示?？刂齐娫碊C110 V，牽引容量2×851 KVA，輔助額定輸出容量180 KVA。變流器內(nèi)部集成有水冷系統(tǒng)，為產(chǎn)品整流功率模塊、逆變功率模塊、輔助功率模塊及變壓器等發(fā)熱部件提供冷卻。

牽引輔助變流器牽引部分主電路由兩個(gè)供電單元組成，每個(gè)供電單元包含一組四象限PWM整流器和VVVF逆變器，每個(gè)供電單元向一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的兩臺(tái)牽引電機(jī)供電。兩個(gè)整流供電單元的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)，給輔助逆變器供電，直流電源經(jīng)過(guò)逆變、降壓和濾波后輸出三相AC380 V向負(fù)載供電。

圖1 牽引輔助變流器主電路原理圖

1.2 結(jié)構(gòu)布局

牽引輔助變流器設(shè)備外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為：4 000 mm×2 256 mm×638 mm，重量為2 840 kg。牽引部分主要部件有主接觸器、充電接觸器、電流傳感器、功率模塊、過(guò)壓抑制電阻、慢放電阻等，輔助部分主要部件有功率模塊、變壓器、濾波器、電壓傳感器、輸出接觸器等，另外箱內(nèi)集成有水冷系統(tǒng)。牽引輔助變流器外形圖如圖2所示。

牽引輔助變流器結(jié)構(gòu)布局的主要依據(jù)是圖1主電路原理圖，此外還應(yīng)綜合考慮柜體承載結(jié)構(gòu)、各部件冷卻方式、重心分布、爬電距離、EMC、電氣間隙、布線結(jié)構(gòu)、檢修與運(yùn)維等設(shè)計(jì)因素。柜體框架采用Q345E材質(zhì)折彎、焊接成型，結(jié)合電氣部件的耐低溫選型，可保證產(chǎn)品在-40℃～+40℃穩(wěn)定存儲(chǔ)與工作。牽引輔助變流器內(nèi)部布局如圖3所示。

圖2 牽引輔助變流器外形圖

圖3 牽引輔助變流器內(nèi)部布局圖

1.3 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該牽引輔助變流器采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，柜內(nèi)發(fā)熱部件共有整流功率模塊×2，逆變功率模塊×2，輔助功率模塊×1，變壓器×1。其中5個(gè)功率模塊均采用水冷卻方式，變壓器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷卻方式。水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。水冷系統(tǒng)中集成有外部散熱器、水泵、風(fēng)機(jī)、管路、傳感器等部件，整機(jī)通過(guò)水泵加壓，將低溫冷卻介質(zhì)壓入功率模塊水冷基板入水口，冷卻介質(zhì)與發(fā)熱器件之間進(jìn)行熱交換，冷卻介質(zhì)溫度上升并流入外部散熱器，在風(fēng)機(jī)及外部散熱器的作用下，冷卻介質(zhì)釋放熱量、溫度下降，循環(huán)工作。管路與水冷基板、分水器通過(guò)快插插頭連接[1]。

風(fēng)機(jī)選型為無(wú)外殼離心風(fēng)機(jī)，從散熱器外側(cè)吸風(fēng)后，繼續(xù)將風(fēng)排向變壓器，為其進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷卻，具體如圖5所示。

圖4 牽引輔助變流器外形圖

圖5 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)

2 水冷系統(tǒng)熱流場(chǎng)計(jì)算

水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各器件散熱需求且不超過(guò)設(shè)計(jì)溫升。其中，整流模塊發(fā)熱功率12 kW，逆變模塊發(fā)熱功率7.4 kW，輔助模塊發(fā)熱功率8.1 kW?？紤]水泵發(fā)熱量及箱內(nèi)空氣的散熱，通過(guò)水冷散熱的總功率約為50 kW。為了適應(yīng)-40 ℃環(huán)境的低溫，冷卻介質(zhì)采用乙二醇水溶液。

2.1 模塊仿真計(jì)算

由于IGBT原件內(nèi)部一般包含襯底(AlSiC)、芯片焊接層、芯片層(IGBT和二極管芯片)。因此，為準(zhǔn)確計(jì)算水冷板表面的溫度，模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖6所示[2]。根據(jù)IGBT結(jié)殼溫升核算，基板表面最高溫度不得超過(guò)85 ℃。以發(fā)熱功率最高的整流模塊為例(逆變、輔助模塊基板溫升均低于整流模塊)，通過(guò)Icepak軟件進(jìn)行熱流場(chǎng)仿真[3]，結(jié)果如圖7所示?；灞砻嫦鄬?duì)于入水溫度的溫升小于16 K，進(jìn)出口水溫溫差小于5 K。因此，水冷系統(tǒng)的最高水溫應(yīng)小于74 ℃。

圖6 整流模塊簡(jiǎn)化模型

圖7 整流模塊冷板溫度分布(入水溫度64 ℃)

圖8 變壓器線圈溫度分布

2.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷仿真計(jì)算

由1.3可知，空氣經(jīng)由濾網(wǎng)和散熱器后進(jìn)入風(fēng)機(jī)，然后對(duì)變壓器等部件進(jìn)行冷卻。對(duì)風(fēng)道進(jìn)行仿真，變壓器仿真結(jié)果如圖8所示，最高溫升為93 K，表面平均溫升63 K。

2.3 系統(tǒng)流阻計(jì)算

水冷系統(tǒng)管路阻力由沿程阻力損失及局部阻力損失計(jì)算獲得。根據(jù)各部件流阻及水泵揚(yáng)程流量曲線，核算出水冷系統(tǒng)的壓力分布(表1)及各支路流量(表2)，支路流量根據(jù)各支路散熱功率進(jìn)行分配。

表1 系統(tǒng)壓力分布

表2 各支路流量(總流量160 L/min)

2.4 系統(tǒng)溫升核算

根據(jù)不同的濾網(wǎng)堵塞率、運(yùn)行海拔、進(jìn)口負(fù)壓和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速核算基板最高溫度如下表3所示。當(dāng)濾網(wǎng)堵塞50%，海拔為1.5 km時(shí)，基板表面溫度仍滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 不同工況下基板表面溫度

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

牽引輔助變流器通過(guò)頂部12個(gè)吊耳垂直吊裝在動(dòng)車組車體下部，柜體框架除了承受自身重力外，還需承受來(lái)自軌道面?zhèn)鬟f的隨機(jī)振動(dòng)加速度。為保證變流器在此工況下正常工作，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真及模態(tài)分析，以驗(yàn)證柜體強(qiáng)度、固有頻率是否滿足相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。本節(jié)通過(guò)對(duì)牽引輔助變流器建立簡(jiǎn)化模型、約束加載，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到其結(jié)構(gòu)特性。

3.1 仿真計(jì)算條件

首先對(duì)柜體的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，生成幾何模型，柜體各部位所用的材質(zhì)為碳鋼Q345E，密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.28，材料屈服強(qiáng)度345 Mpa，許用應(yīng)力按300 MPa設(shè)計(jì)。柜體主要結(jié)構(gòu)為鈑金件，使用殼單元進(jìn)行離散，殼網(wǎng)格尺寸為10 mm，共計(jì)約47萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。門蓋和質(zhì)量較大的部件均簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)。對(duì)柜體剛度影響較小的質(zhì)量點(diǎn)使用deformable連接，對(duì)柜體剛度影響較大的質(zhì)量點(diǎn)使用rigid連接。邊界條件為：柜體通過(guò)12個(gè)吊耳安裝孔與車體連接，使用完全固定約束，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12663-1要求，施加靜強(qiáng)度分析所用的工況。仿真分析軟件為：ANSYS Mechanical 18.2。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

模態(tài)分析主要是計(jì)算產(chǎn)品的固有頻率并確定其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式[4]，進(jìn)而判定產(chǎn)品的固有頻率與車輛、軌道是否存在共振點(diǎn)或共振范圍重疊。通過(guò)模態(tài)仿真計(jì)算，產(chǎn)品第一階到第六階振型對(duì)應(yīng)的固有頻率分別為34.1 Hz、35 Hz、35.5 Hz、36.1 Hz、37.2 Hz、38.1 Hz。本產(chǎn)品一階振型如圖9所示。柜體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求最低階的固有頻率為30 Hz，本模態(tài)分析最低階固有頻率約為34.1 Hz，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。產(chǎn)品靜力學(xué)仿真分析計(jì)算結(jié)果如圖10所示，結(jié)果表明，柜體最大應(yīng)力出現(xiàn)在EN12663-1標(biāo)準(zhǔn)工況5下，即受垂向向下3 g加速度時(shí)，柜體與吊耳焊接處最大應(yīng)力約為170 MPa，安全系數(shù)為1.76，滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖9 模態(tài)仿真分析計(jì)算結(jié)果

圖10 靜力學(xué)仿真分析計(jì)算結(jié)果

圖11 牽引輔助變流器裝車照片

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述仿真分析與計(jì)算從理論上驗(yàn)證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及產(chǎn)品的可靠性，在完成產(chǎn)品樣機(jī)的試制后，需要對(duì)牽引輔助變流器樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。研制的牽引輔助變流器產(chǎn)品照片如圖11所示。

4.1 溫升試驗(yàn)

產(chǎn)品輸入電壓為三相AC950 V，輸出帶電機(jī)負(fù)載功率340 kW，輸出頻率115 Hz，輔助負(fù)載180 KVA、過(guò)濾網(wǎng)堵塞15%的工況下連續(xù)工作，通電時(shí)間以各部件的溫度達(dá)到穩(wěn)定(1 h溫度變化不超過(guò)1 K)為準(zhǔn)，環(huán)境溫度38.4 ℃。牽引輔助變流器內(nèi)部布置了多個(gè)熱電偶溫度探測(cè)點(diǎn)以及溫度標(biāo)簽，對(duì)發(fā)熱部件、空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。產(chǎn)品連續(xù)運(yùn)行4 h，熱電偶以0.5 Hz的頻率記錄溫升數(shù)據(jù)。

圖12 牽引輔助變流器溫升曲線

圖12為牽引輔助變流器的溫升曲線。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為溫度值，隨著時(shí)間t的變化，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度均在緩慢上升，因?yàn)槊總€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的發(fā)熱功率不一樣、散熱效率也不同，每條溫升曲線上升的趨勢(shì)也有所不同，當(dāng)冷卻系統(tǒng)的散熱功率與各個(gè)功率器件的發(fā)熱損耗達(dá)到平衡后，溫度上升逐漸趨于平緩，并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。各監(jiān)測(cè)部件溫度詳見(jiàn)表4，其中整流功率模塊水冷基板表面的最終穩(wěn)定溫度為50.5 ℃，溫升為12.1 K，滿足散熱器最大溫升23 K的要求，逆變功率模塊水冷基板表面最終穩(wěn)定溫度為49.7 ℃，溫升為11.3 K，滿足散熱器最大溫升23 K的要求，輔助功率模塊水冷基板表面的最終穩(wěn)定溫度為46.1 ℃，溫升為7.7 K最大溫升23 K的要求。輸出變壓器表面溫度69.3 ℃，溫升30.9 K，均滿足部件設(shè)計(jì)要求。上述試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合，表明該牽引輔助變流器在其最高的環(huán)境溫度(40 ℃)下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，冷卻系統(tǒng)能很好地滿足產(chǎn)品的散熱需求，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

表4 各發(fā)熱部件的實(shí)測(cè)溫度

圖13 牽引輔助變流器振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

4.2 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證牽引輔助變流器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，對(duì)其進(jìn)行沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61373-2010；試驗(yàn)量級(jí)：1類A級(jí)；設(shè)備重量2 840 kg；試驗(yàn)頻率：f1=0.88 Hz，f2=26.4 Hz；將牽引輔助變流器按實(shí)際吊裝狀態(tài)安裝至試驗(yàn)工裝，產(chǎn)品與工裝、工裝與試驗(yàn)臺(tái)均為剛性連接，激振源采用平均控制模式，分別進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、功能隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明柜體結(jié)構(gòu)完全滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

我們研制的城際動(dòng)車組牽引輔助變流器解決了變流裝置發(fā)熱功率大、發(fā)熱部件集中的散熱難題。在重量、體積及功率密度(重量功率密度：0.662 kW/kg，體積功率密度：326.5 kW/m)上也有較大優(yōu)勢(shì)，模塊化的設(shè)計(jì)原則有利于各部件單元的在線更換、檢修和維護(hù)工作。在牽引輔助變流器設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真分析手段可以有效指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及方案優(yōu)化，節(jié)約研發(fā)成本、降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn),最終通過(guò)相關(guān)地面試驗(yàn)驗(yàn)證，表明城際動(dòng)車組水冷牽引輔助變流器滿足各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較高的產(chǎn)品應(yīng)用價(jià)值。目前該系列產(chǎn)品已小批量裝車運(yùn)行。