30 t大轴重机车辅助变流柜冷却性能仿真分析

王　强， 杨　帆， 邢　亮， 曹寒冰， 高生岚

(中车大同电力机车有限公司　技术中心, 山西大同 037038)



30 t大轴重机车辅助变流柜冷却性能仿真分析

王强， 杨帆， 邢亮， 曹寒冰， 高生岚

(中车大同电力机车有限公司技术中心, 山西大同 037038)

对30 t大轴重电力机车辅助变流柜冷却性能进行了散热仿真计算，并且分别对正常工作模式和紧急工作模式两种工况下的辅助变流柜进行了热分析。

电力机车； 辅助变流器； 散热分析

随着国内重载铁路的发展，对重载铁路货运机车的研发设计提出了更高的要求，由于机车内的空间有限，且大部分设备都为大功率电气设备，因此设备的散热是一个亟需解决的问题。

30 t大轴重机车的设计是国家中南通道大轴重货运机车重点研发设计项目，辅助变流柜的国产化自主设计属于该项目的子课题，由于辅助变流柜具有内部电气设备多，结构复杂，热功率大等特点，并且其中的IGBT具有较高的发热密度，这些热量散发不出去，会使得电气元件温度升高，当温度升高到一定程度后，会使得电气元件失效。致使运行过程中的机车停车，出现机破甚至更严重的事故。数值仿真计算方法具有成本低，设计周期短，可对新产品设计产品进行快速评价和指导改进等优点[1],因此仿真分析技术可以很好地弥补单纯试验手段的缺陷。本文对30 t大轴重电力机车辅助变流柜冷却性能进行了散热仿真计算，并且分别对正常工作模式和紧急工作模式两种工况下的辅助变流柜进行了热计算，指导和优化变流柜的结构设计。

1　仿真模型介绍

1.1三维模型

辅助变流柜内部包含IGBT等元器件，工作时常常会出现温度较高的问题，为了从设计源头避免该现象，需在设计前期对所设计的辅助变流柜进行散热分析。为了保证整个辅助变流柜模型的完整性和封闭性，将辅助变流柜的进口栅格和出口过滤网均简化为面，为了便于对IGBT进行网格划分，在保证其体积的前提下将其简化为块体，另外对散热器翅片上的微小特征也做了简

化处理，这么做可以在保证仿真结果可靠的前提下，减小仿真运算量，进而缩短仿真周期。

图1和图2中所示的是辅助变流柜功率模块散热片和风道的模型，图1,图2中所示的模型内部结构可以通过wireframe的显示方式得以展示，见图3。

1.2网格划分

根据后期分期的需要,分别对散热片，IGBT，自然空气三部分进行网格划分，最终生成整个计算域网格的单元总数为954 867个，见图4。散热片网格质量大于0.4，IGBT网格质量大于0.9，自然空气网格质量大于0.7。

图1　风道的模型

图2　功率模块散热片

图3　在wireframe显示模式下的模型

图4　辅助变流器整体网格模型

1.3仿真边界条件设置

辅助变流柜工作时有两种工况：正常模式和紧急模式。不同模式下功率模块的损耗是不一样的。所以分两种工况进行仿真。

在正常模式下的边界条件参数见表1，在紧急模式下的边界条件参数见表2。

仿真时各种材料的参数属性均按照表3中提供的设置。

1.4计算参数设置

仿真采用Ansys软件下的Fluent模块进行，选取基于雷诺平均法的k-ε模型，采用二阶迎风格式离散各对流项和扩散项，激活传热分析模型，实现在模拟流动时耦合计算热量传递过程。求解器采用压力修正算法[2]，能量方程的收敛标准设为1×10-6，其余各项收敛标准采用默认值1×10-3。

表1　工况为正常模式下的边界条件参数表

表2　工况为紧急模式下的边界条件参数表

表3　仿真采用的参数

2　仿真结果及分析

2.1正常模式仿真结果

图5和图6中显示的是在正常工况下仿真模型外表面的温度云图。图7显示的是充电机功率模块，逆变器功率模块和斩波器功率模块的散热器翅片的温度分布云图。图8是在正常模式下辅助变流器风道速度流线图。

图5　在正常模式下外表面温度分布云图

图6　在正常模式下外表面温度分布云图

图7　在正常模式下各功率模块散热翅片温度分布云图

2.2紧急模式仿真结果

图9和图10中显示的是在紧急工况下仿真模型外表面的温度云图。图11显示的是充电机功率模块，逆变器功率模块和斩波器功率模块的散热器翅片的温度分布云图。图12在紧急模式下辅助变流器风道速度流线图。

图8　在正常模式下辅助变流器风道速度流线图

图9　在紧急模式下外表面温度分布云图

图10　在紧急模式下外表面温度分布云图

2.3仿真结果分析

(1) 正常模式下仿真结果分析

表4中给出了在正常模式下主要位置的温度值。

(2) 紧急模式下仿真结果分析

表5中给出了在紧急模式下主要位置的温度值。

图11　在紧急模式下各功率模块散热翅片温度分布云图

图12　在紧急模式下辅助变流器风道速度流线图

整个结构温度最高点空气出口处的平均温度充电机散热器IGBT二极管逆变器散热器IGBT斩波器散热器IGBT二极管最高温度平均温度最高温度平均温度最高温度平均温度最高温度平均温度最高温度平均温度最高温度平均温度最高温度平均温度最高温度平均温度温度/℃66326335514666635744575452404945℃53℃51℃温升/K3953682419393630173027251322182624

注：整个仿真是在假设环境温度(即空气入口处温度)为27℃时得到的，该值是按照机车所处环境的平均温度取得。

表5　紧急模式下仿真结果

注：整个仿真是在假设环境温度(即空气入口处温度)为27℃时得到的，该值是按照机车所处环境的平均温度取得。

3　结　论

对30 t大轴重电力机车辅助变流柜冷却性能进行了散热仿真计算。在环温为27℃的条件下，分别对正常工作模式和紧急工作模式两种工况下的辅助变流柜进行散热能力的仿真，根据仿真结果，结合相关技术要求，可以证明当前的风道尺寸设计，以及风机通风量的选择能够满足散热需求。

[1]王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，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，工程师(

2015-12-18)

U264.5+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.28