城轨车辆辅助逆变器设计研究

2020-10-13李志杰王明罗嗣棂

现代城市轨道交通 2020年9期

李志杰王明罗嗣棂

摘要：为解决城市轨道交通车辆辅助逆变器存在的振动噪声等问题，文章介绍一种自然冷却的辅助逆变器。首先简要介绍该辅助逆变器的研究背景、主电路及技术参数;然后详细介绍该产品的结构设计及散热设计，并进行结构仿真分析;最后通过试验验证结构仿真结果的准确性。

关键词：城市轨道交通;辅助逆变器;结构设计;计算机仿真;自然冷却

中图分类号：U264.5+6;TP391.9

1 研究背景

现有城市轨道交通车辆（以下简称“城轨车辆”）上的辅助逆变器通常安装在车体底部，其安装空间非常有限，尤其是进风空间非常小，但是车辆负载的功率需求又比较大，因此对辅助逆变器的散热要求非常高。

辅助逆变器通常采用强迫风冷的方式进行散热，主要存在以下技术问题。

（1）由于利用风机散热，因此需配备高速风机提供一定流量的冷却空气带走热量而冷却器件，从而增加了产品的振动源、噪声源及故障源。

（2）需设计符合要求的整体散热风道以提高风速和风压，结构设计复杂;并需将散热器件及模块的散热器布置于风道内部，而密闭的风道不利于器件的维护。

因此，无风机的自然冷却技术在变流器领域越来越得到工程技术人员的青睐。针对现有技术存在的上述问题，本文将介绍一种自然冷却的城轨车辆辅助逆变器，其具有结构简单紧凑、振动及噪声小、散热效果好等特点。

2 主电路及技术参数

辅助逆变器采用两电平绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变电路（DC/AC），其主电路原理如图1所示，包括输入滤波单元（由FL及FC组成）、电容器充放电单元（由KM1、KM2、Rb及Rc组成）、IGBT逆变器模块、输出滤波单元（由TR1、ACC及Z1组成）、输出隔离单元（由KMA组成）及控制单元等。

直流输入电压（DC1500V）首先经过LC滤波单元及电容器充放电单元，滤波后的直流电压由IGBT逆变器模块逆变成交流电压（AC640V），再经过三相变压器（TR1）进行电压隔离，降压成AC380V，最终经三相输出滤波单元滤波后得到低谐波含量的三相准正弦380 V电压，从而为城轨车辆的空调、空气压缩机、照明等提供稳定的三相四线制交流电压。

辅助逆变器的主要技术参数如表1所示。

3 结构设计

辅助逆变器的总体结构尺寸为2700mm （长）×800mm（宽）×650 mm（高），采用模块化设计理念，将箱体内部的散热器件分别布置于相應的散热腔体内，如图2和图3所示。柜体分别设有电抗器腔、逆变模块腔和变压器腔3个腔室，各个腔室相互独立，可保证各个散热器件的热量互不干扰;并且各个腔体的面板上开有多个通风散热部，以使3个腔室均独立形成与外界贯通对流的通风散热风路。散热时，外界的空气不断通过各个通风散热部分别进入3个腔室内，在带走腔室内器件的热量后，再通过通风散热部流出腔室外，从而完成热量交换达到自然冷却散热的目的。

通过以上特殊的结构设计，该辅助逆变器具有以下优点：

（1）无须配置风机进行强迫风冷散热，使得成本降低，且无风机运行时的噪声及振动，提高了产品的可靠性和舒适性;

（2）由于取消了使用风机的密闭风道，使得维护简单，结构紧凑。

柜体采用框架式的结构设计并按照图1将器件合理布置分配。在柜体中部布置IGBT逆变器模块，并安装于柜体的承重框架梁上，这样既可以确保柜体的重心居中，又可以保证柜体的结构强度。逆变模块的散热器采用部分嵌入柜体内部的设计，与传统的自冷型散热器完全伸出柜体外部的安装方式相比，这种部分嵌入的特殊设计有以下2个优点：

（1）减少了对箱体的外形尺寸要求，使得箱体更加紧凑，方便车下布局;

（2）由于一部分散热片单元凸出装设于逆变模块腔室外，在列车运行过程中，能够利用车辆的走行风对凸出的散热片单元进行强迫自然风冷，散热效果更佳。

4 散热设计

IGBT逆变器模块是辅助逆变器的核心部件，集成了散热器、IGBT元件、直流电容器、电流传感器、温度继电器等部件，提高了产品的模块化程度。目前，强迫风冷的模块一般采用铝散热器，散热效率不高且需配备风机。该辅助逆变器的IGBT逆变器模块采用热管散热器，可以在省去风道和风机的情况下进行良好的自然冷却，其外形如图4所示。

热管是一种高效能的传热元件，它利用相变原理和毛细作用实现超常的传热效果，传热效率比铝高出上百倍。热管的一端为蒸发段（热端），另一端为冷凝段（冷端）。每根热管的热端均嵌入散热器基板内，使IGBT元件的热量可借助基板迅速地传入热管的热端。热管的冷端均插入散热片单元内，从而使传递到热管冷端的热量通过散热片得以及时疏散。由于逆变器模块的散热量很大，因此本模块采用的热管均设计为特殊的L 形。L形热管的一端完全嵌入散热器基板内，这样能够增大热管和散热器基板的接触面积，将散热器基板上的热量更加快速、均匀地散发到散热片单元，从而可提高散热效率。

为验证散热器设计方案的可行性及散热效果，按GB/T 25122.1-2018《轨道交通机车车辆用电力变流器第1部分：特性和试验方法》第4.5.3.13条，对辅助逆变器进行温升试验。在散热器台面上的不同位置提前埋设好若干个温度探头，并在额定负载工况下运行辅助逆变器，当温升达到稳定后，测量出各个点的温度。在试验结束后，经过计算得出散热器的最大温升值为35.6 K，其小于允许的温升值45 K，表明该辅助逆变器的散热设计满足要求。

5 结构仿真

该辅助逆变器的质量为1 050 kg，由钣金件焊接和螺栓紧固而成，吊装在车体底部。由于柜体的强度对列车行车安全至关重要，因此，需要对柜体进行静强度和随机振动疲劳分析，以验证其结构强度是否满足设计要求。计算机仿真时，首先需要建立有限元力学模型，采用Hyper Mesh软件对钣金件抽取中面并划分成壳单元，电气元器件划分为体单元，焊接与螺栓连接通过刚性单元实现;在有限元模型建立好之后，再导入ANSYS软件进行计算。有限元模型如图5所示。

根据TB/T 3548-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》规定的载荷对辅助逆变器进行静强度仿真分析，即按纵向3g、横向1g、垂向3g（包括重力）的标准，其中g为重力加速度。不同载荷下的静强度仿真结果如表2所示，由表可知，不同载荷下所产生的3 个方向的最大应力为296.5 MPa，小于Q345材料的屈服强度（345 MPa），静强度满足设计要求;最大位移为2.51mm，其位置都出现在变压器的端部。

随机振动疲劳分析一般分2步进行：①对有限元模型进行频率响应分析，计算模型传递函数，得到单位载荷激励下模型在各阶频率上的应力分布情况，因此计算1σ应力是分析结构随机振动疲劳分析的主要任务之一，可通过ANSYS软件的随机振动分析得到该结果;②在得到最大1σ应力的基础上，再通过材料P-S-N曲线，根据Steinberg理论和Miner线性疲劳累计损伤理论对疲劳寿命进行预估。

随机振动疲劳分析仿真结果如下：横向、垂向和纵向随机振动时的最大1σ应力分别为21.77 MPa、44.28MPa、29.27 MPa，都小于材料的屈服强度，且位置都出现在变压器的安装螺栓处，因此可以说明柜体其余部分的结构设计裕量都较大。通过进一步计算，可以得出3个方向的疲劳损伤之和小于1，由此可得该辅助逆变器的疲劳强度满足设计要求。

6 试验验证

为验证结构设计的可行性和仿真数据的准确性，按照GB/T 21563-2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》第8～10条，对辅助逆变器分别进行功能随机振动试验、模拟长寿命试验和冲击试验。将辅助逆变器固定在振动试验台位上，采用1类A级长寿命试验加速度频谱密度（ASD）量级进行试验，辅助逆变器应能承受纵向、横向和垂向3个互相垂直方向总共15 h的试验。在冲击和振动试验结束后，對柜体进行外观检查，未发现紧固件松动、外壳变形及裂纹等故障;并随即进行电性能试验，要求辅助逆变器在额定工况下连续工作2min，输出未发现异常，电压、电流波形也无畸变，从而表明可以实现产品的相关功能。因此，试验判定为合格，试验结果表明柜体的结构满足设计要求。

7 结语

本文介绍的自然冷却式城轨车辆辅助逆变器，具有电路成熟、性能稳定、可靠性高、维护简便等特点，各项性能指标已达到国内外同类型产品的先进水平。其解决了强迫风冷辅助逆变器的振动噪声难题，以其独特的优势得到广泛的应用，目前已在重庆地铁、印尼巨港轻轨等项目车辆中批量推广应用，且运行可靠稳定。

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