南京寧高城際線牽引逆變器的熱仿真

曾文杰 萬偉偉

摘要：掌握牽引逆變器內器件實際應用時的溫度，對于避免器件發生高溫失效和保障地鐵車輛運行的可靠性具有重要意義。本文介紹了南京寧高城際線牽引逆變器及其主要的發熱器件，并對傳熱過程進行了分析；對三維模型合理簡化，建立仿真計算模型；采用Icepak仿真工具，對模型劃分網格、仿真計算；分析計算結果，得出了指導逆變器熱設計的原則。

關鍵詞：牽引逆變器；器件；對流換熱；導熱

ThermalAnalysisofUrbanRailVehicleTractionInverterand

SimulatingCalculationofTemperatureField

ZengWenjieWanWeiwei

ZhuzhouCRRCTimesElectricCo.，LtdHunanZhuzhou412001

Abstract：Itisimportanttograspthetemperatureinthepracticalapplicationofthedeviceinthetractioninverter，toavoidthehightemperatureagingofthedeviceandensurethereliabilityoftheoperationofthesubwayvehicle.Inthispaper，theTGN66Dtractioninverteranditsmainheatingdeviceareintroduced，andtheheattransferprocessisanalyzed.Thethreedimensionalmodelofthetractioninverterissimplifiedandthenumericalcalculationmodelisestablished.UsingtheIcepakassimulationtool，themodelisdividedintogrid，andthenthetemperaturefieldiscalculatednumerically.Thecalculationresultsareanalyzedandthethermaldesignprincipleoftheinverterisobtained.

Keywords：Tractioninverter；Device；Convectiveheattransfer；Heatconduction

地鐵車輛是城市軌道交通的一種重要方式，具有快捷、便利、安全等優點。[1]牽引逆變器是地鐵車輛電氣牽引系統的核心部件，其主要功能是將直流電逆變為可供電機運轉的三相交流電，通過調壓調頻（VVVF）的方式實現對電機轉速（功率）的控制。[2]牽引逆變器內的發熱器件在通電時會產生熱損耗而引起局部溫度升高。如果牽引逆變器整體布局不合理，熱量在器件局部累積，則可能造成器件失效，影響車輛的正常運行。

目前，學者對器件級的散熱研究[39]較多，對系統和部件級的散熱研究相對較少。

Icepak仿真軟件集成了風機、散熱器等器件模塊，可自行選擇搭建系統完成仿真計算。本文采用對南京寧高城際線牽引逆變器的溫度場進行仿真計算，總結了逆變器的熱設計原則。

1牽引逆變器熱分析

牽引逆變器是牽引電氣系統的核心部件，該牽引電氣系統所采用的TGN66D型牽引逆變器，是已經成熟應用的平臺化產品，三維模型如圖1所示（頂板透明化處理）。該牽引逆變器防護等級為IP55，可以認為是封閉腔體。如圖2所示，中隔板將逆變器主體空間分成腔A和腔B兩部分，中隔板預留用于布線的小缺口。

腔A內的主要發熱部件有變流器模塊、繞線電阻，電壓傳感器、電流傳感器。腔B內的主要發熱部件有傳動控制單元和開關電源板。其中，傳動控制單元集成了主控板、母板、接口板等發熱部件。

變流器模塊集成了絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）、支撐電容、脈沖分配板、驅動板、熱管散熱器等部件。其中，熱管散熱器布置在逆變器外側，用于IGBT部件散熱。車輛運行時，逆變器外側會產生走行風，加強散熱。IGBT產生的熱量主要以導熱的方式傳遞給本身的外殼，外殼以導熱的方式通過散熱器；散熱器將大部分熱量以對流換熱的方式傳遞給柜外空氣，小部分熱量以熱輻射的方式傳遞給外部環境。

電阻組件主要由繞線電阻和翅片散熱器組成。翅片散熱器布置在柜體外側，主要用于加強的作用繞線電阻的散熱。電阻組件的熱量傳遞過程和變流器模塊相類似，不再贅述。

柜內的其他發熱器件，如電壓傳感器、電流傳感器、電源板以及傳動控制單元上主控板、母板、接口板等，所產生的熱量有三種傳遞方式：[10]（a）以熱傳導的方式傳遞給柜體；（b）以對流換熱的方式傳遞給空氣，進而傳遞給柜體；（c）以熱輻射的方式直接傳遞給柜體。三種方式所傳遞的熱量最終都作用在柜體上，柜體進而將熱量以對流換熱方式傳遞給柜外空氣，以熱輻射的方式傳遞給柜外環境。

2牽引逆變器數值計算

2.1物理模型

利用ProE三維建模軟件對計算模型進行初步的簡化處理，而后將模型導入ANSYSWorkBench（WB）平臺下的DesignMolder（DM），進一步簡化處理后，如圖2所示。與實際模型相比，簡化后的最終模型，主要是刪除了一些對傳熱過程影響不大的吊耳、安裝螺栓、扎線桿、圓角、倒角等結構。

有必要說明的是，熱管內同時存在沸騰傳熱和凝結傳熱，熱管傳熱量的計算較為復雜。熱管外側還布置有鋁翅片加強散熱，外側有車輛的走形風，空氣流場復雜。為減小整柜仿真計算的工作量，本文對其簡化處理。IGBT部件與散熱器臺面直接接觸以導熱的方式傳熱，而熱管散熱器臺面的材質為鋁型材，導熱系數為205W/（m·K），導熱性能非常好，因此可以認為散熱器臺面的溫度是均勻一致。在模型簡化時，不必考慮散熱器復雜的結構，將散熱器對強化散熱的效果等效為，恒溫面作用在散熱器臺面。恒溫面溫度的計算公式如下：

T=Ta+P·R（1）

其中：Ta為環境溫度，P為IGBT的熱損耗，R為散熱器的熱阻，通常取風速為6m/s時，廠家提供的實測熱阻值（00062K/W），確保了計算的準確性。經過對比試驗數據和查閱文獻資料[8]發現，該簡化對于部件級的熱仿真分析，是完全適用的。

2.2計算模型及邊界條件

考慮走行風的作用，將變流器模塊散熱器的散熱效果可等效為恒溫面作用于散熱器臺面。逆變器內外的空氣對流均按自然對流處理，計算模型采用零方程湍流模型，同時考慮重力作用和輻射換熱，并假設：各器件的材料屬性參數均為常數；空氣為不可壓縮流體；環境溫度為45℃。各器件的熱損耗如下：

IGBT損耗：666W，用英飛凌官方軟件IPOSIM仿真計算所得。

散熱器臺面熱傳遞模型如圖5所示，結合公式（1），即可得出所簡化的恒溫面，即臺面溫度計算如下：

Th=Ta+P·R=45℃+666W×6×0.0062K·W1=70℃

固定放電電阻電路如圖4所示。損耗計算如下：

P=I·U=UC2R·UC2=15002×8000×15002=70.31W，取71W計算；

其他器件損耗通過查找相關產品資料，結合實際工況以及應用經驗數據計算所得，各器件損耗如表1所示。

2.3計算結果

考慮柜體外側與空氣的對流換熱，將計算區域往外延伸500mm～1000mm。對計算模型劃分網格，得到網格數量為19，366，193。通過數值計算，所得柜體及各器件溫度示意圖如圖5、圖6和表3所示。柜體兩側及底部溫度較低，頂部和中間隔板溫度較高。溫度較高的器件為固定放電電阻、電阻散熱器、模塊的電源和電源散熱器等。

水平方向橫截面的溫度分布示意圖如圖7所示。腔A的平均溫度為66℃，腔B平均溫度為60℃。

豎直方向橫截面的溫度分布示意圖如圖8所示。腔A上方的平均溫度約為70℃，下方的平均溫度為62℃。腔B上方的平均溫度約為63℃，下方的平均溫度約為57℃。

2.4結果分析

對3.3計算結果進行分析：

（1）上、下側發熱功率相同的驅動板，其溫度相差4℃左右。不同位置處的電流傳感器，其溫度分布也有較大差異，最大的溫差有6℃左右。說明，各器件溫度除了受自身發熱功率和材料導熱系數影響外，受周圍空氣和其他器件的影響。

（2）中隔板將變流器空間分為兩部分，腔A和腔B。腔A的平均溫度比腔B的平均溫度大6℃左右，這是由于變流器模塊周圍區域發熱器件多，總的熱損耗大。

（3）柜體空間上方溫度高于下方溫度。這是因為，在重力作用下，空氣受熱膨脹，密度減小，會受到向上的浮升力，熱氣流在變流器上部空間匯集。

（4）電流傳感器1、2、3的溫度比較接近，電流傳感器4的溫度較低。其主要原因在于電流傳感器4通過支撐板所接觸的壁面（柜體兩側）溫度較低，金屬的導熱能力遠大于空氣的自然對流。

3結論

通過數值計算得到溫度場，能較為準確的掌握牽引逆變器內各器件實際使用時的溫度分布，這對于后續熱設計和器件使用壽命的計算有一定的指導意義。總結本文，得出以下兩條熱設計規范，后續可以用于指導逆變器的設計。

（1）對溫升敏感的器件，應盡量避免布置在逆變器的上部空間，尤其是發熱元件（如變流器模塊）的上方。

（2）若柜體材料為金屬或其他導熱性能優良的材料，對溫升敏感的電氣元件布置在柜體兩側，并與柜體保持良好的接觸，能有效地加強器件的散熱。

參考文獻：

[1]翁星方，鄒檔兵.城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術發展[J].機車電傳動，2012（1）：4751.

[2]翁星方，忻力，胡加喜，等.簡統化地鐵車輛IGBT牽引逆變[J].機車電傳動，2011（3）：4448.

[3]韓冬，何聞.基于ANSYS的大功率晶體管散熱器的研究[J].機電工程，2007（24）：1012.

[4]熊輝，邵云，顏驥，等.基于Fluent的6英寸晶閘管水冷散熱器的設計及優化[J].大功率變流技術，2013（4）：2227.

[5]丁杰，唐玉兔.地鐵車輛牽引變流器的熱管散熱器的數值模擬[J].大功率變流技術，2012（4）：3133.

[6]劉衍平，高霞新.大功率電子器件散熱系統的數值模擬[J].電子器件，2007，30（2）：608611.

[7]賀榮，龔曙光，李純，等.基于Fluent的水冷板式散熱器數值模擬與試驗研究[J].流體機械，2010，38（2）：5760.

[8]張舟云，徐國卿，沈洋林，等.牽引逆變器散熱系統的分析與設計[J].同濟大學學報（自然科學版），2004（32）：775778.

[9]丁杰，李江紅，陳燕平，等.流動狀態與熱源簡化方程式對IGBT水冷板仿真結果的影響[J].機車電傳動，2011（5）：2125.

[10]楊世銘，陶文栓.傳熱學（第四版）[J].北京：高等教育出版社，2006.

作者簡介：曾文杰（1991），男，漢族，湖南寧鄉人，碩士，初級工程師，從事城軌牽引變流器設計工作。