城际动车牵引变流器周围风速随车速变化研究

罗谦、李华、何凯、陈卓

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

随着区域经济的快速发展和新型城镇化建设步伐的加快，1 小时左右行程的都市圈和区域经济圈应运而生[1]。城际动车作为居民在都市圈日常生活中的重要公共交通工具，其安全稳定地运行具有重要的社会意义，故对城际动车的核心组件牵引变流器有非常高的可靠性要求，应用大功率电子器件的散热方式主要有：水冷、油冷、强迫风冷和走行风冷等[2]。目前城际动车牵引变流器大多采用水冷或强迫风冷的冷却形式[3]。而走行风冷方式相较于水冷或强迫风冷方式，可省去风道和风机[4]，简化牵引变流器的柜体结构，减少风机故障隐患和振动噪声的影响[5]。因此，走行风冷方式将会在城际动车牵引变流器上得到更多应用[6]。

目前，对风速与车速之间的变化关系方面的研究较少，仅有少量研究了阻力系数与车速的关系[7]。理论上城际动车车速越快，其底部风速越大，走行风冷方式的散热能力越强[8]。故明晰城际动车牵引变流器周围风速与车速之间的变化关系有利于IGBT 模块散热设计，通过设计一种测试工装来测量城际动车牵引变流器周围风速随车速的变化情况，量化了城际动车牵引变流器周围风速和车速之间的关系。

1 风速测试方法及设备

1.1 风速测试方法

采用控制变量法进行研究，以获取城际动车车速在5～100km/h 范围内变化时的车底风速变化趋势，保持试验测试过程中仅城际动车车速发生改变，为排除个体性差异，单个车速进行3 次测试试验，每次试验车速保持2min 以上。

1.2 风速测试设备

风速测试设备有测试数据采集仪和风速传感器，测试装备型号为日本加野麦克斯公司（KANOMAX），System6242，Model 1550，量 程为0～9.9m/s 时，精度为0.01m/s，量程为10～50m/s 时，精度为0.1m/s。

2 风速测试工装

底盖板测试工装设计如图1 所示，设置了20mm、40mm 和70mm 三个不同高度的扎线杆，现场测试布置如图2 所示。

图1 底盖板工装和风速探头安装三维示意图

图2 现场测试布置

牵引变流器侧板周围风速传感器布置如图3所示。

图3 牵引变流器侧板周围风速传感器布置

3 测试数据处理及分析

3.1 测试数据处理

图4 为城际动车牵引变流器布置底盖板测试工装时，城际动车车速保持为60km/h 时的风速测试值，图4（a）、图4（b）、图4（c）分别为同一次风速测试试验中不同高度、不同位置处风速随时间的变化趋势，图4（d）为不同次风速测试试验中同一高度、同一位置处风速随时间的变化趋势。由图4 可知，在城际动车车速保持在60km/h 运动时，其底部风速变化波动较大，风速在3.1～6.5m/s 之间波动变化，对其风速变化取平均值可得，在同一次风速测试试验中，20mm 高左侧、中间和右侧扎线杆测量处风速平均值分别为4.76m/s、4.77m/s 和4.71m/s，40mm 高左侧、中间和右侧扎线杆测量处风速平均值分别为4.65m/s、4.84m/s 和4.82m/s，70mm 高左侧、中间和右侧扎线杆测量处风速平均值分别为4.71m/s、4.77m/s 和4.88m/s，不同高度、不同位置处测试得到的风速差距不大，最高不超过5%，可认为在城际动车底部风速相同；在不同次风速测试试验中，第一次、第二次和第三次测试20mm 高左侧扎线杆测量处风速平均值分别为4.76m/s、5.05m/s 和4.87m/s，不同次风速测 试试验中测试得到同一高度、同一位置的测试风速差距不超过10%。因此后续数据处理可采用风速测试试验的总体平均值来表征城际动车在不同车速下的底部牵引变流器周围风速。

图4 城际动车车速为60km/h 的风速测试值

3.2 底盖板工装风速测试

城际动车牵引变流器布置底盖板测试工装时，城际动车牵引变流器底部风速随车速变化趋势，如图5所示。随着城际动车车速的增大，其牵引变流器底部的风速也会呈现明显的增大趋势，在城际动车车速为5～40km/h 变化时，其牵引变流器底部风速与车速的比值随车速的增大而减小，在城际动车车速大于40km/h 后，其牵引变流器底部风速与车速的比值在30%左右波动。

图5 牵引变流器底部风速随车速变化趋势

3.3 牵引变流器侧板周围风速测试

城际动车牵引变流器侧板周围风速随车速变化趋势，如图6 所示。随着城际动车车速增大，牵引变流器侧板周围风速增大，在城际动车车速为5～40km/h 变化时，牵引变流器侧板周围风速与车速的比值，随车速的增大而呈现减小的变化趋势，在城际动车车速大于40km/h 后，牵引变流器侧板周围风速与车速的比值在33%左右波动。

图6 牵引变流器侧板周围风速随车速变化趋势

对比图5、图6 可知，在城际动车车速为5～40km/h 时，牵引变流器侧板周围风速小于底部风速，但在城际动车车速大于40km/h 后，牵引变流器侧板周围风速大于底部风速。

3.4 风速测试数据分析

对城际动车牵引变流器布置底盖板测试工装时得到的底部风速测试值进行数值拟合，得到公式（1）

式（1）中：vd为底面风速，m/s；d为底面风速比例系数，%；V为车速，km/h。该公式可用作指导放置于牵引变流器底部的散热器在风道试验中，基于不同的车速条件下，风道入口处应给予的风速。

对城际动车牵引变流器侧板周围风速测试值进行数值拟合，得到公式（2）：

式（2）中：vs为侧面风速，m/s；s为侧面风速比例系数，%；V为车速，km/h。该公式可用作指导放置于牵引变流器侧部的散热器在风道试验中，基于不同的车速条件下，风道入口处应给予的风速。

4 结论

该试验通过设计试验测试工装来研究城际动车牵引变流器周围风速随车速的变化情况，经过分析试验数据有如下结论：

其一，牵引变流器底面风速在车速为5～40km/h之间时，风速与车速的比值随车速的增大而减小，在车速大于40km/h 后，风速与车速的比值在30%左右波动；牵引变流器侧面风速在车速为5～40km/h 之间时，风速与车速的比值随车速的增大而减小，在车速大于40km/h 后，风速与车速的比值在33%左右波动。

其二，在城际动车车速为5～40km/h 时，牵引变流器侧板周围风速小于底部风速，但在城际动车车速大于40km/h 后，牵引变流器侧板周围风速大于底部风速。

其三，通过数值拟合得出