30 t大軸重機車輔助變流柜冷卻性能仿真分析

王　強， 楊　帆， 邢　亮， 曹寒冰， 高生嵐

(中車大同電力機車有限公司　技術中心, 山西大同 037038)

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30 t大軸重機車輔助變流柜冷卻性能仿真分析

王強， 楊帆， 邢亮， 曹寒冰， 高生嵐

(中車大同電力機車有限公司技術中心, 山西大同 037038)

對30 t大軸重電力機車輔助變流柜冷卻性能進行了散熱仿真計算，并且分別對正常工作模式和緊急工作模式兩種工況下的輔助變流柜進行了熱分析。

電力機車； 輔助變流器； 散熱分析

隨著國內重載鐵路的發展，對重載鐵路貨運機車的研發設計提出了更高的要求，由于機車內的空間有限，且大部分設備都為大功率電氣設備，因此設備的散熱是一個亟需解決的問題。

30 t大軸重機車的設計是國家中南通道大軸重貨運機車重點研發設計項目，輔助變流柜的國產化自主設計屬于該項目的子課題，由于輔助變流柜具有內部電氣設備多，結構復雜，熱功率大等特點，并且其中的IGBT具有較高的發熱密度，這些熱量散發不出去，會使得電氣元件溫度升高，當溫度升高到一定程度后，會使得電氣元件失效。致使運行過程中的機車停車，出現機破甚至更嚴重的事故。數值仿真計算方法具有成本低，設計周期短，可對新產品設計產品進行快速評價和指導改進等優點[1],因此仿真分析技術可以很好地彌補單純試驗手段的缺陷。本文對30 t大軸重電力機車輔助變流柜冷卻性能進行了散熱仿真計算，并且分別對正常工作模式和緊急工作模式兩種工況下的輔助變流柜進行了熱計算，指導和優化變流柜的結構設計。

1　仿真模型介紹

1.1三維模型

輔助變流柜內部包含IGBT等元器件，工作時常常會出現溫度較高的問題，為了從設計源頭避免該現象，需在設計前期對所設計的輔助變流柜進行散熱分析。為了保證整個輔助變流柜模型的完整性和封閉性，將輔助變流柜的進口柵格和出口過濾網均簡化為面，為了便于對IGBT進行網格劃分，在保證其體積的前提下將其簡化為塊體，另外對散熱器翅片上的微小特征也做了簡

化處理，這么做可以在保證仿真結果可靠的前提下，減小仿真運算量，進而縮短仿真周期。

圖1和圖2中所示的是輔助變流柜功率模塊散熱片和風道的模型，圖1,圖2中所示的模型內部結構可以通過wireframe的顯示方式得以展示，見圖3。

1.2網格劃分

根據后期分期的需要,分別對散熱片，IGBT，自然空氣三部分進行網格劃分，最終生成整個計算域網格的單元總數為954 867個，見圖4。散熱片網格質量大于0.4，IGBT網格質量大于0.9，自然空氣網格質量大于0.7。

圖1　風道的模型

圖2　功率模塊散熱片

圖3　在wireframe顯示模式下的模型

圖4　輔助變流器整體網格模型

1.3仿真邊界條件設置

輔助變流柜工作時有兩種工況：正常模式和緊急模式。不同模式下功率模塊的損耗是不一樣的。所以分兩種工況進行仿真。

在正常模式下的邊界條件參數見表1，在緊急模式下的邊界條件參數見表2。

仿真時各種材料的參數屬性均按照表3中提供的設置。

1.4計算參數設置

仿真采用Ansys軟件下的Fluent模塊進行，選取基于雷諾平均法的k-ε模型，采用二階迎風格式離散各對流項和擴散項，激活傳熱分析模型，實現在模擬流動時耦合計算熱量傳遞過程。求解器采用壓力修正算法[2]，能量方程的收斂標準設為1×10-6，其余各項收斂標準采用默認值1×10-3。

表1　工況為正常模式下的邊界條件參數表

表2　工況為緊急模式下的邊界條件參數表

表3　仿真采用的參數

2　仿真結果及分析

2.1正常模式仿真結果

圖5和圖6中顯示的是在正常工況下仿真模型外表面的溫度云圖。圖7顯示的是充電機功率模塊，逆變器功率模塊和斬波器功率模塊的散熱器翅片的溫度分布云圖。圖8是在正常模式下輔助變流器風道速度流線圖。

圖5　在正常模式下外表面溫度分布云圖

圖6　在正常模式下外表面溫度分布云圖

圖7　在正常模式下各功率模塊散熱翅片溫度分布云圖

2.2緊急模式仿真結果

圖9和圖10中顯示的是在緊急工況下仿真模型外表面的溫度云圖。圖11顯示的是充電機功率模塊，逆變器功率模塊和斬波器功率模塊的散熱器翅片的溫度分布云圖。圖12在緊急模式下輔助變流器風道速度流線圖。

圖8　在正常模式下輔助變流器風道速度流線圖

圖9　在緊急模式下外表面溫度分布云圖

圖10　在緊急模式下外表面溫度分布云圖

2.3仿真結果分析

(1) 正常模式下仿真結果分析

表4中給出了在正常模式下主要位置的溫度值。

(2) 緊急模式下仿真結果分析

表5中給出了在緊急模式下主要位置的溫度值。

圖11　在緊急模式下各功率模塊散熱翅片溫度分布云圖

圖12　在緊急模式下輔助變流器風道速度流線圖

整個結構溫度最高點空氣出口處的平均溫度充電機散熱器IGBT二極管逆變器散熱器IGBT斬波器散熱器IGBT二極管最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度最高溫度平均溫度溫度/℃66326335514666635744575452404945℃53℃51℃溫升/K3953682419393630173027251322182624

注：整個仿真是在假設環境溫度(即空氣入口處溫度)為27℃時得到的，該值是按照機車所處環境的平均溫度取得。

表5　緊急模式下仿真結果

注：整個仿真是在假設環境溫度(即空氣入口處溫度)為27℃時得到的，該值是按照機車所處環境的平均溫度取得。

3　結　論

對30 t大軸重電力機車輔助變流柜冷卻性能進行了散熱仿真計算。在環溫為27℃的條件下，分別對正常工作模式和緊急工作模式兩種工況下的輔助變流柜進行散熱能力的仿真，根據仿真結果，結合相關技術要求，可以證明當前的風道尺寸設計，以及風機通風量的選擇能夠滿足散熱需求。

[1]王福軍.計算流體動力學分析CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，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，工程師(

2015-12-18)

U264.5+4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.28