HX D3C型電力機車輔助變流器水冷卻技術的研究與實現

李 新，謝陳剛

（1 中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022；2 武漢鐵路局 機務處，湖北武漢430071）

HXD3C型機車是在6軸大功率交流傳動電力機車技術平臺的基礎上衍生出的具有列車供電功能的交流傳動客貨通用型電力機車。目前主要在北京、上海、武漢、西安、南昌、濟南鐵路局、廣鐵集團公司等擔當客運牽引任務。HXD3C型機車繼承了HXD3型機車的技術體系，具有牽引力大、黏著性能好、恒功率速度范圍寬、效率高等特點。該車輔助變流器的初期設計方案，沿用了風冷卻方案，在運用中發現，受到機車運用區段環境的影響，風冷系統進風口處的濾網和輔助變流器的散熱器經常被灰塵和雜物堵塞，導致冷卻能力下降，影響機車運行，甚至造成機破。

為解決輔助變流器冷卻能力下降的問題，對進風濾網的結構進行改進。通過增加濾網的密度，凈化了冷卻風，延長了散熱器污損的時間，但沒有從根本上解決這一問題。而且夏季在南方地區，由于過于密集的濾網也削減了風冷系統的通風量，有時也無法達到冷卻需求。采用風冷方案需要經常對散熱器進行清洗，在春、夏、秋3個季節中更需要增加清洗的頻次，這項維護工作也給用戶增加了負擔。為了徹底根治輔助變流器風冷系統的問題，大連機車車輛有限公司與大連東芝機車電氣設備有限公司進行了輔助變流器水冷卻技術的研究，在武漢鐵路局HXD3C 0018號機車上完成了裝車試驗，并通過了考核驗證。HXD3C型機車已全面實現了輔助變流器水冷方案，應用情況良好。

1 輔助變流器采用水冷卻技術方案的研究

1.1 技術研究的總體構思

水冷卻技術是通過冷卻液的循環帶走功率元件在工作時所發出的熱量，具有冷卻效率高、體積小、使用清潔、維護簡單、不受環境影響等特點，非常適合機車大功率變流裝置的冷卻使用。目前，國內外交流傳動電力機車的牽引變流器普遍采用水冷卻技術，HXD3C型機車也不例外，其水冷卻系統的主要設備，如水箱、水泵等均安裝在變流柜內。輔助變流器也安裝在此柜內，因此，如果能夠利用牽引變流器的水冷系統，將降低輔助變流器水冷化改進的成本和施工難度，也有利于對既有機車進行輔助變流器的水冷改進。

HXD3C型機車輔助變流器水冷卻改進，要考慮冷卻系統采用與HXD3機車同一平臺上實現的可行性；研究在變流器內取消風冷輔助變流器相關部件，用水冷與其互換，實現風冷、水冷方案變流柜的整體互換；同時提升功率元件的技術標準，減低損耗。

1.2 變流器柜水冷卻系統結構

變流器柜水冷系統結構如圖1所示，水箱（STTANK）中的冷卻液在水泵（WP）的作用下對各個功率元件進行冷卻，冷卻液再通過復合冷卻器，進行強迫通風冷卻。如此反復循環，達到冷卻半導體元件的目的。

輔助變流器水冷改進后直接從原主管路中引出支路作為輔助變流器冷卻水的循環管路，如圖1中的虛線部分。輔助變流器的水冷系統采用了自封閉式的聯軸器的連接方式，保證了在有冷卻液的狀態下插拔聯軸器而不產生漏液問題。

1.3 輔助變流器及水冷卻系統既有主要部件的技術參

圖1 變流柜的水冷卻系統結構圖

1.4 水冷輔助變流器功率元件的選取

輔助變流器從風冷方式改進為水冷方式，散熱器的形式要發生很大的變化，因此單元體的結構也相應發生了很大變化，從原來整流環節和逆變環節兩個獨立的模塊，變更為一個整體模塊。為了降低元件損耗，選用Infineon公司1 700 V／1 000 A的雙單元IGBT。經試驗測得，水冷輔助變流器IGBT的參數與原風冷輔助變流器IGBT的參數對比見表1。

表1 水冷化改進前后功率元件的技術參數對比表

改為水冷后，因采用了更好的開關元件，一組輔助變流器滿功率運行時，其總功率損耗為6 627 W，降低了12.5%。

1.5 輔助變流器水冷系統及其對牽引變流器冷卻的影響分析

如果將輔助變流器功率元件的熱量也通過牽引水冷系統進行消耗，勢必會增加水散熱器的負荷，甚至影響牽引變流器的正常冷卻。在方案設計時，我們根據相關部件的設計和試驗數據，對水散熱器的功率、牽引變流器功率元件的溫升變化進行了核算，并進行了相關的試驗。

1.5.1 水散熱器的負荷分析

整車的設計是一個水散熱器冷卻一個變流器柜，當機車一組輔助變流器出現故障時，另一組輔助變流器將驅動機車所有的輔助電動機，達到滿功率運行，此時對相應的水散熱器的功率要求最高，是其運行條件最苛刻的情況，因此按此情況核算水散熱器的功率。

機車在運行過程中，隨著速度的變化，牽引變流器中功率元件的損耗也發生變化，這與所實現的功能和開關頻率有關。前期試驗測得牽引變流器中整流器（Converter）和逆變器（Inverter）的損耗。在此基礎上再加上水冷輔助變流器的損耗6 627 W（按7 k W計算），水冷卻的功率元件損耗與機車速度的關系，如圖2所示。

由圖2可知，在負荷條件最苛刻時，水散熱器實際負載功率最大為75 k W，設計值為100 k W，所以用牽引冷卻系統冷卻輔助變流器，不會超過水散熱器的冷卻能力。

圖2 功率元件損耗與機車速度的分布情況

1.5.2 APU水冷及其對CI功率元件散熱影響的分析

（1）輔助變流器功率元件的溫升

為了確定功率元件的工作溫度T j，按公式（1）進行計算：

式中：T為環境溫度；ΔT水為冷卻液溫升；ΔT散熱器為元件散熱器的溫升；ΔT器件為器件自身的溫升。

按公式（1）依次確定輔助變流器功率元件溫升的各個參數。

① 環境溫度T為40℃；

② 冷卻水的溫升ΔT水為前期試驗測得，水散熱器滿負荷100 k W時的溫升為18 K；

③ 元件散熱器的溫升ΔT散熱器為通過對輔助變流器的水冷散熱器進行試驗，為了確保該散熱器的冷卻能力，通過該水冷散熱器的流量設定為13.0 d m3／min，據此測得散熱器的熱阻為0.003 5 K／W，那么該散熱器的溫度上升為 ΔT散熱器＝ 6 627 W ×0.003 5 K／W＝23.2 K，取24 K；

④ 器件內部的溫升ΔT器件按公式（2）進行計算：

其中P損為器件的損耗功率；為器件的熱阻；為接觸熱阻。

在水冷輔助變流器中整流器的損耗最高為4 182 W，平均每個IGBT元件的損耗為1 045.5 W，器件內部的最高溫升為ΔT器件＝1 045.5×（0.009＋0.011）＝20.91 K，取21 K；

因此，按公式（1）計算出輔助變流器中功率元件最高的工作溫度T j為103℃。

與其所選用元件的最大允許工作溫度（150℃）相比，有充分的裕量。

（2）牽引變流器功率元件溫升的變化

同理按公式（1）計算牽引變流器中功率元件的工作溫度。因為原冷卻系統中的設備均沒有變化，只是冷卻水分配了一部分給輔助變流器，所以只有ΔT水發生了變化。

冷卻水分配給輔助變流器后，牽引變流器中每個元件散熱器的流量由9.5 d m3／min減少到8.9 d m3／min，對應的元件散熱器的熱阻也由0.003 5 K／W上升到0.003 7 K／W，相應的溫升也就由原19 K提高到20 K。牽引變流器中IGBT的工作溫度由原來106.7℃提高到107.7℃。

與其選用元件的最大允許工作溫度125℃相比，仍有充分的裕量。

1.5.3 分析結果

通過對冷卻參數的核算，牽引變流器和輔助變流器共用水冷卻系統，在水散熱器的冷卻能力范圍內、能夠滿足輔助變流器自身的冷卻需要，并對牽引變流器的冷卻也不會產生影響。另外，其分析是在一組輔助變流器故障時，冷卻負荷條件最苛刻的情況下進行的，因此在正常工作狀態下，各部分的溫升都會有所下降。

2 水冷輔助變流器的裝車試驗

為了驗證輔助變流器水冷改進后的裝車性能以及是否會對牽引冷卻系統造成影響，我們將配屬武漢鐵路局HXD3C 0018號機車的輔助變流器1更換為水冷輔助變流器，輔助變流器2仍采用風冷方式，進行了兩個變流器柜冷卻系統的狀態對比。

圖3 水冷輔助變流器各監測點的溫度記錄曲線

圖4 牽引變流器各監測點的溫度記錄曲線

試驗在武漢鐵路局管內武漢北至信陽區段內進行，試驗機車編組為：HXD3C 0018＋ HXD1B 0078＋69輛貨物列車。HXD1B 0078機車為負載機車，69輛貨物列車總重為1 552 t。

試驗中，試驗機車以滿功率牽引工況運行，負載機車以定速控制方式及電制動工況運行，使試驗機車能夠達到牽引滿功率運行狀態，使冷卻系統能夠在最大負荷條件下到達溫升平衡。

2.1 試驗時的機車工況

試驗中，將試驗機車的輔助變流器2隔離，使得水冷的輔助變流器1處于滿功率運行狀態。試驗開始后，試驗機車逐步達到牽引滿功率，速度為66 km／h，牽引力為396 k N，并在這個狀態下連續運行了2 h 55 min，機車水冷卻系統達到了平衡狀態。

2.2 功率元件溫升情況

（1）水冷輔助變流器功率元件的溫升數據

試驗過程中記錄的水冷輔助變流器各點相關溫度曲線如圖3所示。

通過數據記錄曲線可以看出，機車滿功率運行了2 h 9 min時，各點的溫度最高，并達到了平衡，此時APU1整流器單元散熱片表面溫度為22.5℃，逆變器單元散熱片表面溫度21℃，進水管表面溫度15.7℃。

因為在機車上所測得的數據是溫度傳感器處的數值，不能準確反映發熱元件表面的溫升變化，因此要根據地面試驗所測得的數據進行推算。

水冷輔助變流器在地面進行型式試驗時，整流器溫度傳感器部位測得的溫升為10.8 K時，元件處的實際溫升為21.4 K；逆變器溫度傳感器部位測得的溫升為8.5 K時，元件處的實際溫升為17.3 K。

機車上元件處的實際溫升推算值為：

水冷輔助變流器中功率元件的最大溫升值為14 K，理論計算值為21 K，在設計范圍內。

（2）牽引變流器功率元件的溫升數據

試驗過程中記錄的牽引變流器各點相關溫度曲線如圖4所示。

通過數據可以看出：機車滿功率運行了2 h 9 min時變流柜1中的CI2的U相整流單元散熱器表面溫度最高為23.5℃，溫升為23.5－14.8＝8.7 K；變流柜2中的CI6的U相整流電源散熱器表面溫度為22.4℃，溫升為22.4－14.3＝8.1 K。

牽引冷卻系統冷卻輔助變流器后，牽引變流器中元件的溫升比原牽引變流器柜中元件的溫升高了0.6 K，理論計算值為1 K，在計算的范圍之內。

3 結束語

針對HXD3C初期設計的風冷輔助變流器，大連機車車輛有限公司從系統設計考慮對IGBT的損耗、水散熱器的冷卻能力、冷卻影響等方面進行核算，并與大連東芝機車電氣設備有限公司一起完成了部件及系統的裝車試驗驗證。

2010—2012 在武漢鐵路局的支持下，在 HXD3C 0018號機車上進行了對比試驗，取得了良好的效果。后期批量生產的HXD3C型機車水冷輔助變流器的應用，驗證了設計方案的可靠性。該系統的設計方案目前已經推廣到HXD2C機車及正在研發的160 km／h交流傳動客運電力機車上。