有軌電車地面充電裝置內循環散熱系統優化方案*

陳修強

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展,一種新型的城市軌道交通工具——無接觸網儲能式有軌電車,受到了越來越多的市場認可[1-2]。由于該種有軌電車采用站臺室外的大功率變流地面充電裝置進行充電作業,因此其地面充電裝置需在做好柜體防護的基礎上實現快速有效的系統散熱功能。

基于此,針對密閉柜體整體內循環的散熱系統散熱效率低的問題,本文提出一種基于空調冷卻的有軌電車地面充電裝置內循環散熱系統(以下簡稱“內循環散熱系統”)優化方案,利用FLOTHERM軟件仿真計算原方案與優化方案下的風速與溫度,并進行散熱系統試驗。通過仿真與試驗驗證,所提優化方案能夠滿足內循環散熱系統的溫升要求,大幅降低大功率集中發熱器件的溫升,有效提升散熱系統的散熱性能。本文研究可為大功率集中發熱裝置散熱系統設計提供工程經驗與技術指導。

1 內循環散熱系統

1.1 充電裝置組成

有軌電車地面充電裝置由機柜、機柜空調、功率模塊及電抗器等部件構成,如圖1所示。其中:柜體起到了承載及固定作用;機柜空調是自帶蒸發器與冷凝器的空調一體機,安裝于柜體前后門板上部;4個功率模塊安裝于柜體中部,內置獨立風道,由安裝于風道進風口頂部的風機通過散熱片將功率模塊內部的熱量帶出;4個電抗器安裝于柜體底部,位于功率模塊正下方。

圖1 地面充電裝置組成示意圖

1.2 散熱原理

有軌電車地面充電裝置的內部發熱單元包括功率模塊與電抗器,其發熱功率為5.8 kW,考慮到散熱系統的散熱余量,選用4臺制冷量為1.5 kW的機柜空調進行空調冷卻,空調總制冷量為6.0 kW,與發熱功率相匹配。

當充電裝置啟動后,電抗器與功率模塊開始工作并產生熱量;空調啟動制冷工作,從空調出風口發出制冷風;功率模塊內置風機在吸入空調發出冷風的同時,帶動功率模塊產生的熱量向柜體下部流動,對電抗器進行散熱;空調上部回風口的回風風機將柜內熱風吸入空調蒸發器后,冷卻下來的空氣再通過空調下部出風口吹出,形成內循環散熱系統。在第一臺樣機制作完成后,對其進行溫升試驗測試。測試結果表明,功率模塊出現了高溫報警。

1.3 散熱效率低的原因分析

為了查明高溫報警的原因,對上述充電裝置再次進行溫升試驗測試,并在功率模塊、電抗器及柜體內部中間位置布置了溫度檢測點,利用溫度記錄儀實時檢測柜體內部及發熱器件的溫升狀況。

檢測結果表明:①功率模塊溫升為48.7 ℃,這是由于空調出風口與功率模塊進風口之間存在風道短路現象導致的,由空調出風口發出的冷風沒有完全進入功率模塊;②電抗器溫升為85.1 ℃,已接近溫升上限,由功率模塊風機帶出來的熱量與電抗器產生的熱量集中在柜體底部,無法及時進入空調回風口而導致熱量累積;③柜內環境溫度溫升為21.1 ℃,柜體底部熱量的積聚導致柜內環境溫度逐漸升高,導致空調出風口溫度有所升高,進而形成溫升累積循環。

2 內循環散熱系統優化方案

2.1 優化方案

針對柜內風道短路導致熱量累積無法及時散出的問題,在空調出風口與功率模塊進風口之間增加風道一,同時在柜體底部與頂部中間增加風道二及風道風機,將底部熱量通過風道二引至空調回風口附近[3]。內循環散熱系統優化方案示意圖如圖2所示。風道二進風口位于電抗器底部,設定兩種進風口方案,其參數對比如表1所示。

表1 兩種進風口方案參數對比

圖2 內循環散熱系統優化方案示意圖

2.2 原方案與優化方案仿真計算結果對比

方案二中,由于電抗器底部風口遠離風道二,其進風口風量會小于近側風口的風量,進而導致電抗器兩側風量不一致,電抗器內部溫度不均勻。因此,本文將方案一作為優化方案進行研究,并對其進行溫升試驗驗證。利用FLOTHERM軟件搭建仿真計算模型,采用六面體結構化網格進行模型離散[4-5],對原方案及優化方案進行仿真計算分析,兩種方案的風速云圖對比如圖3所示。由圖3可知:原方案中,最大風速位于功率模塊進風口處,而從電抗器至空調回風口處幾乎無風向運動;優化方案中,在增加風道一后,空調出風口處的風完全進入功率模塊內部風道,后經電抗器及風道二回到空調回風口。

a) 原方案

2.3 優化方案試驗驗證

利用溫度記錄儀分別記錄4組功率模塊內部、電抗器內部及柜體中心測定點處(見圖1)的溫度變化。溫升試驗數據如表2所示。經過5.1 h試驗后,柜體中心測定點在1.0 h內的溫升小于1 ℃,功率模塊溫升小于50 ℃,電抗器溫升小于90 ℃。由此可知,優化方案能夠滿足內循環散熱系統的溫升要求。通過對柜體內部散熱系統散熱風道進行優化設計后,柜內的環境溫度及器件溫度明顯有所降低,使內循環散熱系統最終達到穩定狀態。

表2 溫升試驗數據

3 結論

1) 基于空調冷卻整體內循環散熱系統無法有效解決大功率高熱損耗集中發熱器件的散熱問題,通過溫升試驗發現,其與制冷系統的制冷量大小無關,而與散熱系統的風道回路有關。

2) 通過FLOTHERM軟件進行仿真計算,并對風道進行優化設計,所提優化方案能夠滿足內循環散熱系統的溫升要求。

3) 優化后散熱系統的電抗器溫升降低率約為20.1%。優化方案的內循環散熱系統在空調出風口、電抗器及空調回風口之間形成閉環風道回路,大幅降低了大功率集中發熱器件的溫升,有效提升了散熱系統的散熱性能。