動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)在線監(jiān)測研究

鐘林成

摘要：大功率牽引變流器冷卻系統(tǒng)散熱能力的好壞，直接關(guān)系到牽引變流器性能和牽引系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定地工作。本文從動車組牽引變流器水溫過高故障原因分析出發(fā)，分析研究濾網(wǎng)風(fēng)速、變流器水溫及風(fēng)機電流的相互匹配關(guān)系，提出適用于水冷系統(tǒng)的在線監(jiān)測-維護(hù)系統(tǒng)，既可用于指導(dǎo)現(xiàn)有車輛的維護(hù)，又可以依據(jù)具體運行環(huán)境，為后續(xù)項目的冷卻系統(tǒng)選型及維護(hù)方案提供參考。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);濾網(wǎng)堵塞;風(fēng)速;變流器水溫;在線監(jiān)測

中圖分類號：U266?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）05-0071-02

Abstract：The?heat?dissipation?ability?of?the?high-power?traction?converter?cooling?system?is?directly?related?to?the?performance?of?the?traction?converter?and?whether?the?traction?system?can?work?safely?and?stably.?This?article?from?the?emu?traction?converter?water?temperature?too?high?analysis?the?cause?of?the?problem?and?the?analysis?filter?wind?speed，water?temperature?and?the?fan?current?mutual?matching?relationship?of?the?converter，is?suitable?for?the?water?cooling?system?of?on-line?monitoring?and?maintenance?system，not?only?can?be?used?to?guide?the?existing?vehicle?maintenance，can?according?to?the?specific?operating?environment，selection?and?maintenance?of?cooling?system?for?follow-up?project?plan?to?provide?the?reference.

Key?words：cooling?system;The?filter?is?blocked;The?wind?speed;Water?temperature?of?the?converter;On-line?monitoring

1?引言

在動車組中，牽引變流器是實現(xiàn)電能與機械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件[1～3]。而隨著大功率電力電子器件集成化和車輛輕量化的發(fā)展要求，功率器件的散熱問題已成為影響其可靠性的主要因素[4～7]。牽引變流器熱損耗絕大部分是由功率器件（IGBT）的損耗引起，IGBT是高頻的開、關(guān)功率元件，工作時要消耗電能，把電能轉(zhuǎn)化為熱能的形式。功率器件本身對溫度比較敏感，溫度的變化會影響器件的開通和關(guān)斷過程，進(jìn)而影響牽引變流器的工作性能[8～10]。有關(guān)資料表明[11]，電子元器件溫度每升高20℃，可靠性下降10%，只有快速、及時的將產(chǎn)生的熱量散走，才能保證IGBT的正常運行。實踐經(jīng)驗表明，牽引變流器冷卻系統(tǒng)散熱能力的好壞，直接影響到變流器性能和牽引系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作。

本文將分析變流器水溫過高的原因，研究變流器風(fēng)速、水溫、風(fēng)機電流等與堵塞情況的匹配關(guān)系，以期建立一套行之有效的在線故障檢測系統(tǒng)，既可應(yīng)用于指導(dǎo)現(xiàn)有車輛的維護(hù)，又可以依據(jù)具體運行環(huán)境，為冷卻系統(tǒng)選型及維護(hù)方案提供參考。

2?牽引變流器冷卻系統(tǒng)

2.1牽引變流器冷卻系統(tǒng)介紹。

（1）冷卻系統(tǒng)原理。牽引變流器采用強迫水循環(huán)冷卻方式。功率元件的熱損耗通過冷卻液傳遞到熱交換器與外部空氣換熱;通風(fēng)回路內(nèi)的輔助變壓器和斬波電阻通過冷卻風(fēng)機進(jìn)行冷卻。控制單元采集進(jìn)、出主水管上安裝的溫度傳感器信號，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控及保護(hù)。變流器進(jìn)出口水溫由水溫傳感器采集，當(dāng)水溫過高時，變流器將停止工作。

（2）熱交換器及風(fēng)機選型。冷卻系統(tǒng)設(shè)計是參照變流器最大牽引功率運行工況，對各主要發(fā)熱部件（主要為功率模塊）進(jìn)行功率損耗仿真分析，得出系統(tǒng)總損耗功率。參照變流器系統(tǒng)總損耗值，進(jìn)行熱交換器及冷卻風(fēng)機的選型。熱交換器及風(fēng)機選型，參照熱交換器及風(fēng)機特性曲線，評估最惡劣環(huán)境（45℃）、一定堵塞（風(fēng)量）條件下，熱交換器的散熱能力和風(fēng)機風(fēng)量是否滿足系統(tǒng)需要。

2.2水溫過高故障原因。從系統(tǒng)原理角度，可能導(dǎo)致變流器水溫高的因素包括：

（1）環(huán)境溫度：當(dāng)環(huán)境溫度高時，水溫可能過高。

（2）水冷系統(tǒng)故障：當(dāng)水冷系統(tǒng)發(fā)生故障時，無法通過水循環(huán)帶走器件工作時產(chǎn)生的熱量，溫度可能過高。

（3）通風(fēng)回路堵塞：當(dāng)通風(fēng)回路設(shè)備堵塞時，無法提供足夠的風(fēng)量實現(xiàn)熱交換器與外部空氣的換熱，可能導(dǎo)致溫度過高。

通過分析以往變流器溫度過高故障發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)水溫過高故障原因都為通風(fēng)回路堵塞，因此需要定期清理維護(hù)通風(fēng)回路以減少水溫過高故障。

2.3驗證試驗。為探究動車通風(fēng)回路堵塞（以濾網(wǎng)風(fēng)速評估）與環(huán)境的關(guān)系，不同堵塞程度與風(fēng)速、風(fēng)量及風(fēng)機電流的匹配關(guān)系，不同環(huán)溫、堵塞程度和變流器水溫關(guān)系。具體試驗結(jié)果處理如下：

（1）現(xiàn)車濾網(wǎng)堵塞與運行環(huán)境關(guān)系。通過測試不同天氣情況下（晴天和雨天各一周，同為3月份）濾網(wǎng)風(fēng)速變化情況，發(fā)現(xiàn)晴天時，濾網(wǎng)風(fēng)速變化較快，一周內(nèi)從4.5m/s下降至1m/s。而雨天時，濾網(wǎng)風(fēng)速變化較慢，一周內(nèi)濾網(wǎng)風(fēng)速從4.5m/s下降至4m/s。說明車輛在不同運行天氣條件下，通風(fēng)回路堵塞情況不同，雨天比晴天堵塞的要慢。

（2）不同環(huán)溫、堵塞程度和變流器水溫關(guān)系。分別測試環(huán)境溫度35℃和45℃條件下，不同堵塞程度情況下的變流器進(jìn)出口水溫情況，結(jié)果表明：

①環(huán)境溫度35℃時，濾網(wǎng)堵塞90%以上，將可能觸發(fā)變流器超溫保護(hù)。

②相同環(huán)境溫度（45℃/35℃），滿載時：濾網(wǎng)堵塞程度越高，溫升越大。

③相同堵塞程度，滿載時，環(huán)境溫度升高，水溫升高，水溫升基本不變。

（3）不同堵塞程度與風(fēng)速、風(fēng)量及風(fēng)機電流的匹配關(guān)系。分別測試不同堵塞程度下的濾網(wǎng)風(fēng)速、進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量以及風(fēng)機電流值，得到濾網(wǎng)風(fēng)速、風(fēng)量和風(fēng)機電流與堵塞程度的關(guān)系曲線。通過關(guān)系曲線，又可以確定不同風(fēng)量、風(fēng)速或風(fēng)機電流下對應(yīng)的通風(fēng)回路堵塞程度。結(jié)合溫升實驗，可以得到變流器滿足特定環(huán)境溫度正常應(yīng)用時，對應(yīng)的風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)速等。

2.4冷卻系統(tǒng)維護(hù)。熱交換器和濾網(wǎng)需要定期清理維護(hù)，清除灰塵及吸入的雜物，以保證風(fēng)量足夠滿足變流器正常工作時的散熱需求。考慮季節(jié)及運行環(huán)境等條件不同，清理維護(hù)周期也應(yīng)不同，當(dāng)前大多是人為憑應(yīng)用經(jīng)驗制定清理維護(hù)周期，并沒有可靠的理論計算或監(jiān)測系統(tǒng)用以指導(dǎo)。

3?建立適用于水冷系統(tǒng)的在線監(jiān)測

根據(jù)動車變流器運行情況，以及濾網(wǎng)風(fēng)速、變流器水溫及風(fēng)機電流等的相互匹配關(guān)系，可以提出一種適用于水冷系統(tǒng)的在線監(jiān)測/維護(hù)系統(tǒng)：

（1）基于變流器水溫的在線監(jiān)測：分析變流器進(jìn)口水溫升與堵塞的對應(yīng)關(guān)系，通過從控制系統(tǒng)監(jiān)測的變流器水溫及水溫升，可以準(zhǔn)確評估通風(fēng)回路的堵塞情況以及濾網(wǎng)風(fēng)速，從而確定清理維護(hù)日期。

（2）基于風(fēng)機電流的在線監(jiān)測：在變流器損耗功率一定條件下，風(fēng)機電流大小體現(xiàn)著散熱能力（風(fēng)量），相應(yīng)地體現(xiàn)堵塞情況。未來變流器的設(shè)計，可以增加對風(fēng)機電流值的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)不同堵塞條件下的風(fēng)機電流曲線，通過監(jiān)測風(fēng)機電流評估此時的堵塞情況，從而確定維護(hù)日期。

（3）不同季節(jié)的散熱能力調(diào)節(jié)：風(fēng)量越大，風(fēng)機吸風(fēng)能力越強，同樣地吸塵也越多。在冬季，散熱功率可以小些，適當(dāng)降低風(fēng)量，既可加長維護(hù)周期，亦可降低車輛運行過程中的噪音，可以根據(jù)不同季節(jié)的環(huán)溫或者水溫升調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，也可根據(jù)堵塞程度調(diào)整冷卻風(fēng)機功率。

（4）建立變流器冷卻系統(tǒng)維護(hù)周期的評估機制。根據(jù)車輛具體運行環(huán)境（風(fēng)沙、柳絮、寒熱帶等）、選擇不同的熱交換器、濾網(wǎng)以及維護(hù)周期。

目前，動車牽引變流器平臺化日趨成熟，在現(xiàn)有平臺基礎(chǔ)上，提出適用于不同運行環(huán)境的冷卻系統(tǒng)解決方案，建立變流器水冷系統(tǒng)維護(hù)周期的評估機制。

4?結(jié)論及展望

本文從動車組牽引變流器報水溫過高故障原因分析出發(fā)，分析研究通風(fēng)回路堵塞與車輛運行環(huán)境的關(guān)系、不同濾網(wǎng)堵塞與風(fēng)速風(fēng)量及風(fēng)機電流的匹配關(guān)系、不同環(huán)溫、堵塞程度與變流器水溫的關(guān)系。根據(jù)濾網(wǎng)風(fēng)速、變流器水溫及風(fēng)機電流的相互匹配關(guān)系，提出適用于水冷系統(tǒng)的在線監(jiān)測/維護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可用于指導(dǎo)現(xiàn)有車輛的維護(hù)，又可以依據(jù)具體運行環(huán)境，為后續(xù)項目的冷卻系統(tǒng)選型及維護(hù)方案提供參考。

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