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(1.中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116022;2.動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 大連 116022)
集中式動(dòng)力單元兼?zhèn)浼啥雀摺⒛K化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊和對外接口簡單等優(yōu)勢,因此,深受國內(nèi)外各大車輛制造商的青睞。
某集中式動(dòng)力單元包含了牽引和輔助兩套電氣系統(tǒng)。其中,牽引系統(tǒng)是整車的心臟,為整車提供牽引動(dòng)力,而輔助系統(tǒng)主要為空調(diào)、壓縮機(jī)等其他用電設(shè)備供電,因此動(dòng)力單元內(nèi)部電器件能否可靠運(yùn)行直接影響著整車設(shè)備的正常工作和車輛的安全運(yùn)營。牽引電抗器作為牽引系統(tǒng)中十分重要的電器件,其主要作用是過濾母線電流中的交流成分,提升直流電品質(zhì),進(jìn)而保證牽引系統(tǒng)的輸出特性。牽引電抗器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的熱量,如果不及時(shí)散發(fā),會使電抗器過溫,影響動(dòng)力單元的性能。
本文針對該動(dòng)力單元牽引電抗器溫升過高的問題進(jìn)行了熱仿真分析,發(fā)現(xiàn)了問題根源,并在既有的結(jié)構(gòu)空間下,通過增加導(dǎo)風(fēng)罩有效降低了電抗器溫升,保證了動(dòng)力單元的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。
動(dòng)力單元整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,牽引系統(tǒng)包含:前端輸入模塊、牽引電抗器、牽引功率模塊、制動(dòng)電阻;輔助系統(tǒng)包含:輔助輸入輸出模塊、輔助變壓器、輔助功率模塊、充電機(jī)功率模塊等。為了盡可能減小動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)尺寸,系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷形式進(jìn)行散熱,即牽引和輔助系統(tǒng)均獨(dú)立配備一臺離心風(fēng)機(jī)。此外,整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行通過控制機(jī)箱實(shí)現(xiàn)。
圖1 動(dòng)力單元功能模塊布局
根據(jù)該動(dòng)力單元電氣設(shè)計(jì)要求,牽引電抗器額定工況為:環(huán)境溫度20 ℃,直流電壓750 V,額定電流200 A,表面風(fēng)速3 m/s。在額定工況下,電抗器穩(wěn)定工作后的溫升不超過130 K,即電抗器最高溫度不超過150 ℃。
按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行額定工況試驗(yàn),電抗器在工作1 h左右溫升已達(dá)到130 K,并且溫升曲線呈繼續(xù)上升趨勢,因此判斷電抗器溫升不滿足要求,試驗(yàn)終止。
如圖1所示,在離心風(fēng)機(jī)1的作用下,氣流由牽引入風(fēng)口進(jìn)入系統(tǒng),依次流經(jīng)牽引功率模塊、風(fēng)機(jī)擴(kuò)展盒1、離心風(fēng)機(jī)1、牽引電抗器,最后通過牽引出風(fēng)口排到外界環(huán)境。在進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)時(shí),為了保證風(fēng)機(jī)在葉輪入口處有足夠的擴(kuò)展空間,風(fēng)機(jī)安裝在高度為155 mm的風(fēng)機(jī)擴(kuò)展盒1上,葉輪最低高度為240 mm;而牽引電抗器線包最大高度只有250 mm,即牽引電抗器只有10 mm的高度區(qū)域直接受風(fēng)。除此之外,為了保證足夠的接線空間,圖1中輸出接線盒1的設(shè)計(jì)高度為180 mm,因此線包與風(fēng)機(jī)擴(kuò)展盒1、輸出接線盒1之間形成了閉環(huán)空間,導(dǎo)致該區(qū)域風(fēng)阻急劇增大。
由散熱理論可知,離心風(fēng)機(jī)的靜壓-風(fēng)量曲線與風(fēng)道流阻曲線的交點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)[1]。當(dāng)風(fēng)道流阻增大時(shí),離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量會減小,風(fēng)速也會相應(yīng)降低,進(jìn)而導(dǎo)致散熱能力下降。此外,電抗器線包與風(fēng)機(jī)擴(kuò)展盒1、輸出接線盒1之間形成的閉環(huán)空間極易導(dǎo)致氣流短路,即大部分氣流可能直接流經(jīng)電抗器上方通過牽引出風(fēng)口排到外界環(huán)境,沒有起到冷卻作用。
如前所述,相對于風(fēng)機(jī)支撐盒1、輸出接線盒1,電抗器的線包高度太低,導(dǎo)致冷卻風(fēng)無法覆蓋線包,最直接的解決辦法就是抬高電抗器。
考慮到柜體已加工完成,無法對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改,因此只能通過增加墊塊的方式抬高電抗器。為了達(dá)到理想的散熱效果,墊塊高度至少需100 mm。此方案驗(yàn)證較為簡單,經(jīng)加工4塊100 mm高的墊塊,將電抗器抬高后重新進(jìn)行試驗(yàn),溫升雖有所降低,但仍未達(dá)到試驗(yàn)要求。另外,牽引電抗器質(zhì)量為102 kg,抬高后極有可能無法滿足振動(dòng)沖擊要求。
因?yàn)樘Ц唠娍蛊鞯姆桨覆豢尚?,故從離心風(fēng)機(jī)本身找到突破口。抬高電抗器的目的是增大線包的受風(fēng)面積,那么改變離心風(fēng)機(jī)甩風(fēng)路徑也是一種可行辦法。
此方案依然不能改變既有的空間結(jié)構(gòu),因此借用風(fēng)機(jī)支撐盒1上的4個(gè)風(fēng)機(jī)安裝點(diǎn),在風(fēng)機(jī)外圍增加導(dǎo)風(fēng)罩,迫使所有冷卻風(fēng)均直接吹向線包表面,如圖1所示。此方法無法直接進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,加工導(dǎo)風(fēng)罩的周期較長,因此借助熱仿真軟件ICEPAK,對比增加導(dǎo)風(fēng)罩前后電抗器溫升的變化。
如圖1所示,動(dòng)力單元的牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)具有獨(dú)立的散熱通道,因此針對牽引電抗器溫升過高的問題,僅需對牽引系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析即可。牽引系統(tǒng)熱源主要包括牽引功率模塊和牽引電抗器,下面分別對兩者的理論熱功率進(jìn)行計(jì)算,作為數(shù)值仿真的邊界條件。
牽引功率模塊的損耗主要由IGBT和并聯(lián)反向二極管的損耗組成,而二者的損耗均包括通態(tài)損耗與開關(guān)損耗。在PWM正弦脈寬調(diào)制的情況下[2],IGBT的通態(tài)損耗為:
(1)
IGBT的開關(guān)損耗為:
(2)
反向二極管的通態(tài)損耗為:
(3)
反向二極管的開關(guān)損耗為:
(4)
式中:M為幅值調(diào)制比;θ為電流與電壓的相位角;rce為IGBT的通態(tài)等效電阻;IP為逆變器正弦波輸出電流峰值;VCEO為IGBT通態(tài)壓降;fsw為器件開關(guān)頻率;Eon、Eoff分別為IGBT額定條件下的導(dǎo)通、關(guān)斷損耗;Vref、Iref分別為IGBT模塊參考電壓、參考電流;VFO為二極管門檻電壓;rd為二極管通態(tài)等效電阻;Erec為二極管額定條件下的關(guān)斷損耗;Vdc為橋臂電壓。
因此,牽引功率模塊每個(gè)半橋臂的功耗為:
P′=Pcond_IGBT+Psw_IGBT+Pcond_Diode+Psw_Diode
(5)
需要說明的是,本牽引系統(tǒng)包含兩個(gè)逆變單元,通過軸控的方式驅(qū)動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2臺電機(jī)和2路制動(dòng)電阻,其中每臺電機(jī)需要3個(gè)雙橋臂IGBT,一路制動(dòng)電阻需要配1個(gè)雙橋臂IGBT,即該牽引系統(tǒng)包含8個(gè)雙橋臂IGBT。
干式電抗器的熱源來自各包封繞組的電阻損耗。各包封層的電阻損耗Pi的計(jì)算公式為:
(6)
式中:Ii為第i層包封的電流大小;Ri為第i層包封總電阻。
綜上所述,器件的發(fā)熱功率如表1所示。
表1 器件熱功率統(tǒng)計(jì)表 /W
為了快速驗(yàn)證增加導(dǎo)風(fēng)罩方案的可行性,建立牽引系統(tǒng)熱仿真模型。
牽引系統(tǒng)的熱源主要包括牽引功率模塊和牽引電抗器兩部分,為了加快運(yùn)算速度,將牽引系統(tǒng)散熱路徑從系統(tǒng)中抽離,得到簡化模型。刪除對散熱影響較小的驅(qū)動(dòng)板、電容、扎線架、圓角、圓孔等結(jié)構(gòu)特征;抽取IGBT與散熱器接觸面作為牽引功率模塊熱源;提取電抗器鐵芯作為電抗器熱源。散熱風(fēng)機(jī)采用ICEPAK自帶的離心風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行替代。ICEPAK軟件可以采用面代替體,大大減小了網(wǎng)格數(shù)量,加快運(yùn)算速度。簡化后的有限元模型如圖2所示。對于無導(dǎo)風(fēng)罩的工況,取消激活導(dǎo)風(fēng)罩模型即可。
圖2 簡化后的有限元模型
仿真參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、調(diào)用求解器進(jìn)行求解、后處理顯示是CFD軟件進(jìn)行仿真分析的主要步驟[3-5]。設(shè)置仿真參數(shù)包括邊界條件設(shè)置和求解器的基本設(shè)置,邊界條件即為牽引系統(tǒng)仿真工況,包括環(huán)境溫度設(shè)置、進(jìn)出風(fēng)口設(shè)置、加載風(fēng)機(jī)PG曲線、根據(jù)表1中的熱功率設(shè)置相應(yīng)模型屬性等。最后對求解器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,通過估算系統(tǒng)雷諾數(shù)可知流場為湍流流動(dòng)形態(tài),故選擇雙方程的湍流模型進(jìn)行求解計(jì)算。
網(wǎng)格劃分作為數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié),可直接決定求解計(jì)算的準(zhǔn)確性。通常情況下,進(jìn)行網(wǎng)格加密可以在一定程度上提升網(wǎng)格質(zhì)量,但是網(wǎng)格并不是越密越好,過密的網(wǎng)格會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量倍增,計(jì)算效率低,不易收斂。綜合網(wǎng)格劃分原則,對于主要發(fā)熱及散熱部件,如IGBT、電抗器線包、散熱器基板與翅片等采用非連續(xù)性網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,對于含曲面結(jié)構(gòu)的部件,如離心風(fēng)機(jī)、導(dǎo)風(fēng)罩、柜門門板等采用多級網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以達(dá)到貼體效果。背景網(wǎng)格則采用ICEPAK推薦的網(wǎng)格大小。最終計(jì)算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)為:3 012 215,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為:3 306 227。
由圖1所示,冷卻空氣由牽引入風(fēng)口進(jìn)入牽引系統(tǒng),依次流經(jīng)牽引功率模塊、風(fēng)機(jī)擴(kuò)展盒1、離心風(fēng)機(jī)1、牽引電抗器,最后通過牽引出風(fēng)口排到外界環(huán)境。由此看來,流經(jīng)牽引電抗器的空氣溫度并不是環(huán)境溫度,而是冷卻牽引功率模塊散熱器后有一定溫升的空氣。因此為了對比增加導(dǎo)風(fēng)罩前后牽引電抗器的溫升差異,有必要考察牽引功率模塊散熱器的溫升情況。
(1)牽引功率模塊散熱器溫度分布
通過考察牽引功率模塊散熱器的溫度分布云圖可知,增加導(dǎo)風(fēng)罩前后牽引功率模塊溫度分布基本一致,因此可判定兩種情況下牽引電抗器的冷卻空氣溫度相同。
(2)牽引電抗器溫度分布
圖3(a)為無導(dǎo)風(fēng)罩時(shí)某截面風(fēng)速及電抗器溫度分布云圖,圖3(b)為增加導(dǎo)風(fēng)罩后同一截面的風(fēng)速及電抗器溫度分布云圖。
由兩幅圖的對比可知,兩者在入風(fēng)口及牽引功率模塊內(nèi)部的風(fēng)速基本一致,這也可驗(yàn)證散熱器的溫度分布情況。區(qū)別在于:第一,前者電抗器的表面風(fēng)速低于后者,尤其是電抗器與柜體蒙皮板之間的區(qū)域,前者風(fēng)速基本為零,而后者仍然可以達(dá)到3.1 m/s,即前者大部分氣流不會經(jīng)過電抗器下側(cè),而是流經(jīng)電抗器上側(cè)直接排到外界環(huán)境,因此無法起到很好的冷卻效果;第二,由于前者電抗器表面的氣流分布不均,導(dǎo)致內(nèi)側(cè)電抗器線包溫度為180.2 ℃,而由于熱量累計(jì),外側(cè)線包溫度達(dá)到186.5 ℃;相比而言,后者由于導(dǎo)風(fēng)罩的作用,使電抗器全表面均有冷卻氣流,因此每個(gè)線包的溫度均下降到144.6 ℃左右,滿足電抗器不超130 K的溫升要求。綜上,從仿真的角度驗(yàn)證了增加導(dǎo)風(fēng)罩方案的可行性。
圖3 某截面風(fēng)速及電抗器溫度分布云圖
為了驗(yàn)證導(dǎo)風(fēng)罩方案的可行性以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,通過地面交流傳動(dòng)試驗(yàn)平臺,對牽引系統(tǒng)進(jìn)行溫升測試,以獲得牽引電抗器的溫升數(shù)據(jù),與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)采用PT100溫度傳感器采集線包的溫度數(shù)據(jù),PT100由電抗器廠家在線包最熱處進(jìn)行預(yù)埋,試驗(yàn)裝置如圖4所示。
圖4 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)工況為滿載工況,試驗(yàn)時(shí)間約3 h,環(huán)境溫度為20 ℃,試驗(yàn)2 h后溫度基本穩(wěn)定。牽引電抗器每路線包的試驗(yàn)溫度與仿真溫度對比如圖5所示。由圖5可知,對于無導(dǎo)風(fēng)罩的工況,電抗器線包的試驗(yàn)溫度分別為170.2 ℃和163.2 ℃,仿真溫度分別為186.5 ℃和180.2 ℃,兩者最大溫差為17 ℃左右,誤差為10.4%,對于含導(dǎo)風(fēng)罩的工況,試驗(yàn)溫度分別為133 ℃和131.5 ℃,仿真溫度分別為144.7 ℃和144.6 ℃,最大溫差為13.1 ℃左右,誤差統(tǒng)計(jì)為9.9%,均在可信范圍內(nèi),因此可證實(shí)增加導(dǎo)風(fēng)罩方案的可行性以及仿真分析的可靠性。
圖5 試驗(yàn)溫度與仿真溫度對比圖
本研究基于熱損耗理論,計(jì)算了牽引系統(tǒng)功率器件的熱損耗,然后運(yùn)用ICEPAK對系統(tǒng)增加導(dǎo)風(fēng)罩前后的散熱能力進(jìn)行仿真分析,最后,為牽引系統(tǒng)加裝導(dǎo)風(fēng)罩進(jìn)行溫升測試,得到如下結(jié)論:
(1)熱仿真對指導(dǎo)工程實(shí)踐,縮短驗(yàn)證周期具有十分重要的作用。在額定工況下,仿真得到電抗器穩(wěn)態(tài)溫度和試驗(yàn)測量的溫度誤差10%左右,在工程誤差允許范圍之內(nèi),由此驗(yàn)證了ICEPAK在系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)方面的準(zhǔn)確性與可靠性。
(2)通過考察IGBT溫度可知,加裝導(dǎo)風(fēng)罩后,不影響牽引功率模塊的散熱,因此對于系統(tǒng)的運(yùn)行沒有不良影響。
(3)熱仿真結(jié)果表明,導(dǎo)風(fēng)罩可改變出風(fēng)路徑,提高電抗器周圍的風(fēng)量和風(fēng)速,使電抗器溫升下降40 K左右?;谠摲抡娼Y(jié)果加工導(dǎo)風(fēng)罩進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)電抗器實(shí)際溫升為110 K左右,低于130 K的溫升標(biāo)準(zhǔn),并且具有較大余量,保證了牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。