一種緊湊型柜式地鐵能饋裝置的散熱研究

張中勝 劉 彬 高 彪 賁安然

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102）

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，軌道交通的建設(shè)成為各個(gè)城市大力發(fā)展的方向。目前，城市軌道交通普遍采用交流傳動(dòng)（Variable Voltage and Variable Frequency，VVVF）動(dòng)車(chē)組列車(chē)。它的制動(dòng)一般分為電制動(dòng)（即再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)）和空氣制動(dòng)兩級(jí)。在地鐵高速運(yùn)行時(shí)，使用電制動(dòng)；當(dāng)?shù)罔F減速到電制動(dòng)不起作用時(shí)，使用空氣制動(dòng)。由于地鐵站間距短，列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量占比較高，往往可以達(dá)到牽引能量的40%以上。部分再生制動(dòng)能量可以被線路上同一供電區(qū)相鄰的車(chē)輛和自身的輔助系統(tǒng)吸收。當(dāng)列車(chē)車(chē)次較少時(shí)，再生制動(dòng)能量被其他車(chē)輛吸收的概率將大大降低。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)列車(chē)發(fā)車(chē)間隔大于10min時(shí)，再生制動(dòng)能量被吸收的概率明顯降低，制動(dòng)能量將以熱能的形式向四處散發(fā)，從而造成能量浪費(fèi)。地鐵能饋裝置則可以有效控制散熱器溫升低于預(yù)定目標(biāo)，減少能量損耗[1]。以某地鐵能饋裝置系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并開(kāi)展熱仿真計(jì)算，最后利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性，其研究結(jié)果對(duì)能饋裝置的熱設(shè)計(jì)具備一定的指導(dǎo)作用。

1 地鐵能饋裝置系統(tǒng)介紹

地鐵能饋裝置是由電力電子器件構(gòu)成的大功率晶閘管三相逆變器。當(dāng)?shù)罔F列車(chē)制動(dòng)使直流電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，地鐵能饋裝置將開(kāi)啟脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制功率器件IGBT工作，通過(guò)快速調(diào)節(jié)電流，將直流母線側(cè)因列車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的能量快速回收到電網(wǎng)中，同時(shí)穩(wěn)定直流母線的電壓，確保地鐵直流供電系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)裝置檢測(cè)到直流電流小于規(guī)定值時(shí)，能饋裝置將退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，且IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖[2]。地鐵能饋裝置一次電氣主拓?fù)鋱D如圖1所示。

在工程產(chǎn)品中，地鐵能饋裝置一般分為啟動(dòng)柜、功率柜和直流柜3種柜體，如圖2所示。

控制啟動(dòng)柜包含控制保護(hù)裝置、監(jiān)控后臺(tái)和交流預(yù)充電回路等設(shè)備，主要功能是控制保護(hù)能饋系統(tǒng)及啟動(dòng)交流順控。

功率柜由電抗器和功率單元等設(shè)備組成，主要功能是變換交直流電能PWM。功率柜內(nèi)部功率單元中的IGBT模塊是控制整個(gè)能饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交直流電能PWM變換的核心器件。地鐵運(yùn)行時(shí)，IGBT模塊會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，是地鐵能饋裝置系統(tǒng)損耗的主要來(lái)源。因此，功率柜的散熱設(shè)計(jì)是整個(gè)能饋產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

直流柜由直流預(yù)充電回路和隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備組成，主要功能是啟動(dòng)直流順控，在設(shè)備檢修時(shí)提供安全的電氣間隔。

2 能饋裝置結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)描述

能饋散熱器熱源分布如圖3所示，其中6個(gè)IGBT模塊安裝在散熱器上組成散熱器組件。散熱器組件和電容、電阻、離心風(fēng)機(jī)和控制板卡等共同組成地鐵能饋功率單元，如圖4所示。

圖5為功率柜結(jié)構(gòu)，4個(gè)功率單元放置在功率柜下部，4個(gè)電抗器放置在柜體上部。整個(gè)柜體從柜門(mén)正面進(jìn)風(fēng)，從柜體頂部出風(fēng)。

2.2 工況介紹

地鐵能饋功率采用脈沖式工作模式，如圖6所示，為單個(gè)IGBT熱源功耗變化。30s運(yùn)行1030W，然后90s運(yùn)行0W，每120s為一個(gè)周期。散熱器單體熱仿真計(jì)算時(shí)，以此為邊界條件。

3 散熱仿真計(jì)算

3.1 冷卻方式選擇

對(duì)于地鐵能饋等大功率大損耗系統(tǒng)，自然冷卻無(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求。因強(qiáng)制水冷和油冷成本高且維護(hù)工作量大，現(xiàn)采用強(qiáng)制風(fēng)冷[3]進(jìn)行系統(tǒng)冷卻。

圖1 地鐵能饋裝置拓?fù)鋱D

圖2 地鐵能饋裝置柜體平面圖

圖3 地鐵能饋裝置散熱器熱源分布圖

圖4 地鐵能饋裝置功率單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 IGBT功率時(shí)程圖

考慮功率柜內(nèi)有電抗器、電阻和電容等其他元器件，整個(gè)功率柜若采用一個(gè)離心風(fēng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)道復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化柜體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)采用單個(gè)功率單元配置一個(gè)離心風(fēng)機(jī)的方案，即將離心風(fēng)機(jī)集成到功率單元中。

風(fēng)機(jī)選型和散熱器的設(shè)計(jì)是相互優(yōu)化、相互仿真適配的過(guò)程?？紤]到相對(duì)緊湊的功率結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓風(fēng)量曲線，結(jié)合工程計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)選擇rosenberg廠家的ERAD224-4B風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓曲線如圖7所示。

圖7 R3G-400-AQ23風(fēng)量風(fēng)壓曲線

3.2 熱仿真計(jì)算模型搭建

根據(jù)計(jì)算的損耗結(jié)果，結(jié)合IGBT模塊尺寸和散熱的工程經(jīng)驗(yàn)，散熱器尺寸選定為560mm×260mm×74mm，材質(zhì)選用常規(guī)的6061，單齒厚度1.5mm，相鄰齒中心距為4mm。

在ICEPAK軟件中建立散熱器組件模型和功率柜模型[4]，如圖8和圖9所示。

圖8 ICEPAK軟件中散熱器組件模型

圖9 ICEPAK軟件中地鐵能饋功率柜模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)ICEPAK仿真模型計(jì)算，可以得到功率柜壓降云圖[5]，如圖10所示。功率柜風(fēng)速云圖如圖11所示。

圖10 功率柜壓降云圖

圖11 功率柜風(fēng)速云圖

通過(guò)ICEPAK計(jì)算，各個(gè)散熱器的風(fēng)量如表1所示。

表1 散熱器風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

由表1可知，單個(gè)散熱器的風(fēng)量最小為11.40m3/min，環(huán)境溫度設(shè)定為40℃。利用此邊界條件計(jì)算單個(gè)散熱器的溫升，散熱器仿真計(jì)算結(jié)果溫度分布如圖12所示。可見(jiàn)，散熱器的最高溫度為69.7℃，滿足風(fēng)機(jī)和散熱器規(guī)格設(shè)計(jì)需求。

圖12 散熱器仿真計(jì)算結(jié)果溫度分布云圖

4 試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證地鐵能饋功率實(shí)際運(yùn)行的散熱設(shè)計(jì)是否滿足要求，需要在滿功率運(yùn)行時(shí)測(cè)試溫升，以評(píng)估仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。具體試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)布置光纖測(cè)溫傳感器獲得散熱器表面溫度，共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。仿真溫度則直接由ICEPAK計(jì)算獲取。

采集時(shí)環(huán)境溫度為22℃。仿真溫升與系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫升對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 仿真溫升與系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫升對(duì)比表

分析試驗(yàn)和仿真溫升存在差距的原因，主要有：功率柜內(nèi)電抗器等其他元器件存在發(fā)熱現(xiàn)象，仿真未考慮此因素；功率柜內(nèi)有較多的一次銅排和二次接線，對(duì)風(fēng)速有一定的影響；測(cè)量工具存在一定的誤差。

實(shí)測(cè)溫升與仿真溫升的誤差在3℃以?xún)?nèi)，即誤差在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明仿真數(shù)據(jù)可靠，并且證明針對(duì)IGBT損耗的熱設(shè)計(jì)也是可靠、準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)熱、熱仿真以及試驗(yàn)測(cè)試等工作，完成了整個(gè)地鐵能饋裝置產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）推導(dǎo)計(jì)算出的IGBT器件損耗是正確的；

（2）仿真計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差在±10%范圍內(nèi)，因此仿真計(jì)算結(jié)果可以有效指導(dǎo)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品研發(fā)效率；

（3）所設(shè)計(jì)的散熱器可有效控制IGBT模塊的溫升，滿足地鐵能饋裝置散熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)。