地鐵車輛牽引逆變器的熱管散熱器性能的計算和分析

馬洪崗

摘 要 為解決復雜工況下地鐵車輛的瞬態計算問題，在地鐵車輛牽引逆變器中相鄰的絕緣柵雙級型晶體管模塊間布置PT100熱電阻器，通過溫升試驗得到計算熱仿真的輸入條件的試驗數值，經CFD穩態類仿真分析將得到的對流換熱系數在有限元粗糙網格模型中分布插值，其與仿真模型邊界條件一致。之后與有限元法與模型降價法聯合運用得到快速計算程序，待仿真與試驗對比分析結果顯示：在保證仿真模型邊界條件一致下，有限元法與模型降價法聯合運用得到的仿真計算要比單一采用有限元法計算更快速、準確，且各測溫點的仿真結果誤差不超過5%。

關鍵詞 地鐵車輛;牽引逆變器;熱管散熱器;性能

引言

為了準確、快速分析地鐵車輛牽引逆變器熱管散熱器的性能，對某一工況穩態溫升的計算時，由于無法正確評估熱管散熱器的性能，由此對其瞬態溫升計算與仿真分析具有非常重要的實際意義[1]。

1地鐵車輛牽引逆變器的溫升試驗

1.1 試驗條件

本次試驗以某地鐵車輛牽引逆變器為研究對象，其主電路參數如表1所示。對地鐵車輛兩種狀態情況下采用的方法是直接轉矩控制，其中，列車處于牽引狀態下，直流電經高壓電器箱與濾液電氣箱之后，對兩個變流模塊（型號IBCM60GI）進行供電，后經牽引逆變器輸出交流電，最后供電與4臺異步牽引電機。當列車處于再生制動狀態下，牽引逆變器輸出的交流電變為直流電，并根據情況直接反饋給回電網[2]。模塊采用絕緣柵雙級型晶體管模塊，型號是FZ1600R176C-B2。通過布置PT100熱敏電阻器于熱管散熱器上測量模塊溫度。

1.2 試驗結果

基于以上試驗準備條件，進行溫升試驗，在此試驗中按照步驟依次進行：首先在熱管散熱器上布置6個測溫點，具體為1#-6#，然后重點研究熱管散熱器的溫升情況，該試驗基于減小變流模塊1的輸入電流下進行，在此過程中只有一臺牽引電機作為負載。經直接轉矩控制方式后得出風罩入口與出口處的風速數值，具體如圖1所示。

通過以上數值的計算，得出入口處平均風速為5.7m.s-1。從圖中可以看出風罩內的空氣流動十分復雜。

試驗開始后30min內，我們可以看出溫度上升速度較快，30min之后隨著時間推移變緩。當風罩入口空氣溫度為31.10℃，試驗220min后溫度可達到33.8℃。伴隨時間推移各測溫點溫度與風罩入口處空氣溫度差值趨于平衡，熱管散熱器的溫升變化不大。測溫點1#-6#中，溫度最高的是4#，3#次之，6#最低，風罩入口處空氣溫度在允許誤差范圍內。

2CFD穩態熱仿真與快速瞬態熱仿真分析

基于以上熱管散熱器溫升試驗，其數值模擬比較困難，可采用實體棒桿，其中可假設熱管軸向導熱系數很高，徑向導熱系數為熱管材料導熱系數。在進行CFD仿真時，模型中網格尺寸為2.0mm，流體區域網格尺寸為5.0mm。利用軟件HyperMesh，以風罩為參照依據，建立高質量網格，共3862萬個，其中2520萬個是流體區域網格。為便于對比熱仿真結果，熱仿真計算的輸入條件以溫升條件代替，為簡化其參數設置，可根據以上試驗結果的數值，假設在風道內的冷卻空氣流動狀態為完全湍流，根據風罩入口處平均風速為5.7m.s-1，溫度為33.8℃，以k--ε模型模擬。經相關軟件計算得到變流模塊的熱管散熱器溫度場分布云圖，分析得出1#-6#的溫度為39.7、45.8、49.0、48.6、45.6及39.5。對比結果與試驗數據，得到各測溫點的仿真結果，其誤差在允許范圍內（不超過5%），這說明仿真結果比較準確。

在保證計算精度的條件下，為實現熱管散熱器瞬態導熱問題的快速計算，可將對流換熱系數在有限元模型中分布插值，保證其與CFD仿真模型邊界條件一致，利用Krylow子空間法程序開發。其物理模型的大規模狀態空間投影到地位空間后，有效降低矩陣維度，通過降低計算規模而提高計算效率。

3快速計算程序

根據以上問題，對快速計算程序進行改進，對不同的絕緣柵雙級型晶體管模塊，根據試驗將芯片設置不同熱源參數，并提取對應的矩陣文件，對降價后矩陣使用常微分方程求解，在原有模型上將結果投影。經時間步與循環功能步驟后自動實現瞬態計算，其中時間步改為變步長，減少荷載子步計算量，為簡化程序復雜度可使用Matlab軟件實現程序自動化，可由GRUS稀疏矩陣求解器算法代替矩陣分解算法，以此提高結果計算效率。

4對比觀察仿真與試驗結果

對高質量網格建立，可應用軟件HyperMesh，根據要求網格設置為8mm，有限元粗糙網格單元數目為212125個，而節點數目達165560個，在有限元的流固耦合面上將對流換熱系數分布插值，根據以上試驗條件數據，經仿真后結果與穩態溫度場結果比較，發現1#-6#的溫度為39.7、45.8、49.0、48.6、45.6及39.5，與上述結果保持一致，說明快速計算程序方法可行，并且在同一時間范圍條件下，該程度計算結果準確且快速。

總之，在保證仿真模型邊界條件一致下，有限元法與模型降價法聯合運用得到的仿真計算要比單一采用有限元法計算更快速、準確，且各測溫點的仿真結果誤差不超過5%。

參考文獻

[1] 解翔翔.地鐵車輛變頻空調對輔助變流器濾波電容的影響分析[J].技術與市場，2020，27（4）：22-24，27.

[2] 周芳.地鐵車輛牽引變流器的熱管散熱器的數值模擬[J].科技風，2018（31）：228.