丁 杰

（南车株洲电力机车研究所有限公司 南车电气技术与材料工程研究院，湖南株洲412001）

电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析*

丁 杰

（南车株洲电力机车研究所有限公司 南车电气技术与材料工程研究院，湖南株洲412001）

水冷系统是大功率交流传动电力机车牵引变流器安全可靠运行的基础。因其结构复杂，很难采用经验公式和理论计算进行准确的分析，而采用有限体积法对整个水冷系统进行仿真时需面临计算精度与计算机资源巨大的问题。通过运用FLUENT软件先对水冷系统管道内冷却介质的流动情况进行分析，再以计算得到的各水冷散热器入口平均流速为输入参数，然后对逆变模块和整流模块的水冷散热器温升情况进行研究，得到水冷系统的散热性能仿真结果。仿真方法的可行性和仿真结果的准确性得到了试验验证。研究结果可为牵引变流器水冷系统的热设计提供指导。

交流传动；电力机车；IGBT；水冷系统；热分析

为满足重载的需求，交流传动电力机车变流器的功率迅速提升至7 200 k W和9 600 k W，系统集成度也在不断提高，因此，对变流器的冷却系统提出了更高要求。在风冷、油冷、水冷等冷却方式中，水冷以其散热效果优异、安全、环保和节能等优点，开始在牵引变流器中得到广泛应用［1］。

牵引变流器内部通常有多个水冷散热器和一个换热器，冷却水从主进水管流向各个变流器模块的水冷散热器和换热器，然后汇流到主出水管。虽然同型号水冷散热器的流阻相同，但不同的安装位置和软管长度对冷却水的分流有影响，而且换热器与水冷散热器的流阻不同，对水冷散热器的流量分配也会产生一些影响。因此，为了保证各变流器模块均匀散热和牵引变流器可靠运行，需要解决使冷却水较为均匀地流向各同型号的水冷散热器或尽量流向发热量大的变流器模块水冷散热器的技术难题。然而由于管道的形式各异，流阻难以通过经验公式准确计算，这给水冷系统的热设计与校核带来了较多困难。

随着计算机技术和数值方法的不断发展，CFD（计算流体力学）分析手段能够简便、快速、直观地得到计算结果，并且已经在单个水冷散热器的仿真分析中得到大量应用［2-10］，但在水冷系统中的应用很少，其原因主要在于采用有限体积法对整个水冷系统进行仿真时需面临计算精度与计算机资源巨大的问题。

本文以某大功率交流传动电力机车牵引变流器的水冷系统为分析对象，运用FLUENT软件对水冷系统的管道流量分配和水冷散热器温升情况进行仿真分析，并与试验结果进行对比验证。研究结果可为水冷系统的热设计及优化改进提供指导。

1 牵引变流器的水冷却系统

某大功率交流传动电力机车配置2台牵引变流器，每台变流器作为1台完整的组装设备，所有内部元器件安装于一个柜体内，实物外形见图1所示，每台牵引变流器向1个转向架的3台牵引电机供电。为了获得所期望的电机转矩和转速，变流器根据要求来调节牵引电机接线端的电流和电压波形，完成主电路和牵引电机之间的能量传输，以实现对机车牵引、再生制动等持续控制。

图1 牵引变流器实物

相对于整个电力机车而言，典型的水冷系统一般由循环泵、热交换器、水处理装置、膨胀水箱、被冷却器件的散热器、冷却介质、管路及附件、控制与保护装置、安装机架等部分组成。相对于牵引变流器而言，水冷却系统主要由主水管、软管、变流器模块的水冷散热器、换热器、快速接头、蝶阀、温度传感器、压力传感器和冷却介质组成。图2表示了牵引变流器水冷系统流道区域。

图2 牵引变流器水冷系统流道区域

逆变模块和整流模块使用相同结构的水冷散热器，散热器台面上均安装了8个ABB 5SNA 1200E330100 IGBT元件（V1～V8）。逆变模块的6个IGBT元件同时工作，整流模块的8个IGBT元件同时工作。根据额定工况与极限工况下的电气参数，可以利用ABB公司的Simulation－Tool工具计算出逆变模块、整流模块对应的损耗，如表1所示［1］，其中所列的芯片损耗为单个变流器模块的损耗。

表1 变流器模块在不同功能与工况下的参数和损耗

牵引变流器柜体内部安装有接触器、电阻、母排、接线端子、电容等电气部件，将产生一定的热量使柜体内部空气温度升高。风机迫使柜体内部空气的流动，空气中的热量将被换热器中的冷却介质带走，从而降低了柜体内部的空气温升。由于各电气部件的损耗很难准确计算出来，且牵引变流器柜体内部有大量的孔和缝隙，导致柜体内部空气区域非常复杂，故本文未考虑电气部件的热量耗散和换热器的热交换过程。

210 dm3/min（额定值）～286 dm3/min（最大设计值）流量的冷却介质从主水管的入口进入，流向6个变流器模块的水冷散热器和1个换热器，然后汇流到主水管流出。整个水冷系统的高度约有2 m，重力将产生一定的影响。

为了适应－40℃的低温使用环境，冷却介质采用Clariant公司的Antifrogen N型冷却液。图3为冷却液的防冻特性，可以看出Antifrogen N体积百分比为52%时，能够满足低温环境下的使用要求。

图3 冷却液防冻特性

进行水冷系统的设计时，需要确定冷却液的入口温度。考虑到我国南方的高温气候条件，冷却液的入口最高温度取55℃。图4为Antifrogen N型冷却液的热物理特性曲线，可以看出不同Antifrogen N体积百分比的冷却液热物理参数有区别，同一Antifrogen N体积百分比的冷却液在不同温度下的热物理参数亦有区别。温度差别较大时，需要特别注意热物理参数的变化。

2 仿真模型

由于IGBT元件内部包含了AlSiC基板、焊料层、铜层、Al N层、芯片、绝缘材料等，各层材料的厚度不一，某些层的材料厚度仅为几百微米。水冷散热器内部槽道宽度为4 mm。因此，相对于整个牵引变流器水冷系统，网格尺度不能过大，否则难以有效捕捉流场的信息，导致计算结果误差较大；网格尺度不能过小，否则会超出现有台式工作站的计算能力。通过网格划分的实践可知，对图2所示的流道区域划分为1 mm尺寸的网格时，网格数量在2 700万左右，难以再对固体区域（水冷散热器的铝材料实体、水管不锈钢材料实体和IGBT元件的各层材料）划分网格。

鉴于此，可以先对流体区域划分1 mm尺寸的网格，通过单独计算流场（求解质量守恒方程和动量守恒方程）得到流向各水冷散热器的流量，然后对如图5所示的单个变流器模块的水冷散热器（包含流体区域、固体区域）和安装在上面的IGBT元件各层材料（固体区域）划分0.5 mm尺寸的网格（得到的网格数量为1 900万），最后利用前面计算出的流量作为输入条件，进行流场和温度场的耦合计算（求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程），从而获得准确的温度场分布。

图4 冷却液的热物理特性曲线

图5 变流器模块

水冷系统中采用了Staubli公司SPT10型号快速接头，用于连接软管和水冷散热器水嘴。图6是水（密度为998 kg/m3、运动黏度为1.08×10－6m2/s）从快速接头的插头流向插座时的压降曲线。入口流量30 dm3/min时的压降约为19 kPa，说明快速接头产生的压降在水冷系统中的作用不可忽略。由于快速接头内部结构复杂，很难建立详细的流体仿真模型，因此，可采用FLUENT软件中的多孔介质模型来模拟快速接头的压力损失特性，相关参数根据图6中的数据进行拟合得到。

入口温度55℃冷却液的热物理参数按照图4选取，根据入口流量可以简单地估算出水冷散热器内部槽道中流速相同时的Re数在4 500左右，并未处于完全湍流状态。因此，本文采用FLUENT软件提供的Lan－Bremhorst低Re数湍流模型进行流动状态的模拟。

图6 快速接头的压降特性

3 仿真结果及分析

3.1 水冷系统的流场分析

图7是210 dm3/min入口流量下的流速计算结果。由于速度的云图或矢量图需要使用截面来显示，难以清楚表示不在同一平面内的整个水冷系统的冷却介质流动情况，因此，使用了迹线图方式进行表达。从图中可以大致看出冷却介质在主水管中的流速大小和分配情况。冷却介质在主水管中的流速并非均匀，最大流速（3.34 m/s）出现在管路的转折处，最小流速出现在管路末端封闭处。

图7 流速分布

图8是210 dm3/min入口流量下的压力计算结果，可以看出冷却介质在管路内的压力损失情况，压力损失的大小为64.06 kPa。冷却介质流经6个变流器模块的水冷散热器时，压力分布的趋势大致相同，说明水冷系统中并未出现明显的阻塞现象。入口流量为286 dm3/min时，压力损失的大小为103.7 k Pa，相较入口流量210 dm3/min，流量增加了36%，压力损失增加了62%，说明水冷系统的压力损失将随入口流量的增加而明显增大。

图8 压力分布

上面的迹线图可以直观地表示不同部位的流动情况，却不利于具体数值的对比分析。为此，将210 dm3/min和286 dm3/min入口流量情况下，1～6号变流器模块水冷散热器和换热器入口的平均流速列于表2。由表2可知1～6号变流器模块水冷散热器入口平均流速因安装位置和软管长度而产生的差别在2%之内。1～3号逆变模块中的3号具有最小的入口平均流速，1号的入口平均流速最大。4～6号整流模块中的6号具有最小的入口平均流速，5号的入口平均流速最大。

表2 换热器和各水冷散热器的入口平均流速m/s

3.2 水冷散热器的热分析

从表2中分别选择逆变模块和整流模块水冷散热器入口平均流速的最小值，作为水冷散热器热分析的输入条件，可以分析散热条件最差的水冷散热器温升情况。

逆变模块在工作过程中主要使用到6个IGBT元件（V3～V8），其余2个IGBT元件（V1和V2）用于构成斩波相，由于过流时的斩波工况时间很短，为简化计算，忽略因斩波产生的损耗及其影响。图9是3号逆变模块在1.55 m/s入口流速、额定工况下的温度场分布，IGBT元件芯片的最高温度为100.57℃。该水冷散热器在极限工况下的温度场分布大致相同，IGBT元件芯片的最高温度则增加至112.32℃。

图9 3号逆变模块额定工况的温度场分布

图10是6号整流模块在1.546 m/s入口流速、额定工况下的温度场分布，IGBT元件芯片的最高温度为106.4℃。该水冷散热器在极限工况时，IGBT元件芯片的最高温度为112.5℃。

将3号逆变模块和6号整流模块在不同入口流量（210 dm3/min、286 dm3/min）和工况（额定、极限）下的IGBT元件芯片最高温度列于表3。通过入口流量286 dm3/min与210 dm3/min的对比，可知IGBT元件芯片最高温度大约降低7.1～7.7℃，温升降低13.1%～15.6%。通过逆变模块额定与极限工况的对比，可知IGBT元件芯片最高温度相差11.3～11.7℃。通过整流模块额定与极限工况的对比，可知IGBT元件芯片最高温度相差6.1～6.2℃。

图10 6号整流模块额定工况的温度场分布

表3 不同流量和工况下的IGBT元件芯片最高温度℃

4 试验验证

为测试该牵引变流器的散热性能，进行了整机温升试验。将牵引变流器、循环泵、水塔、管路、阀门等相连，构成水冷测试系统。牵引变流器内部布置了多个热电偶，这些位置主要有电抗器电缆、三重逆变模块安装板、三重逆变模块垂直低感母排、电容、接触器电缆、二重整流模块水冷散热器和二重逆变模块水冷散热器，还测量了离牵引变流器柜体1 m远处的空气温度。布置好热电偶后，关闭牵引变流器的柜门，热电偶的引线从柜门缝隙中引出，并与温度巡检仪和计算机相连。试验时，冷却介质采用210 dm3/min入口流量的纯水，测得初始水温和空气温度为31.3℃，调节输入电源、负载和控制策略，使牵引变流器基本工作在额定工况下进行温升试验，通过温度巡检仪每隔0.5 min自动记录各测量点的温度。

图11是测量得到的温升变化曲线。随着时间的变化，各测量点的温度均在上升，上升的速度和幅值有差别。柜体外部的空气温度在试验之前为31.3℃，在试验70 min后变化为36.3℃，上升了5℃，原因在于尽管牵引变流器的试验是在一个占地面积很大的检测试验中心进行，但周围有较多高压大容量电气设备和测试设备在工作，且牵引变流器有部分热量传递至柜体外部。二重整流模块和二重逆变模块水冷散热器上的温度上升速度比其余部位要快，原因在于水冷散热器采用水冷方式，水的热容量大，带走热量的效率高，温度容易在较短时间里趋于平衡。水冷散热器上的温度一直在随着时间增加而缓慢增加，是由于牵引变流器从容量有限的水塔取水，被加热的水又被循环至水塔，导致进入牵引变流器的水温在缓慢增加。在试验70 min后，二重逆变模块和二重整流模块水冷散热器上的温度分别为44.1℃和48.7℃。图中还可看出KM3接触器电缆的温度最高，试验70 min后为72℃，其次是三重逆变模块垂直低感母排、KM2接触器电缆和滤波电抗器电缆的温度，说明大电流通过电缆与母排时的温升问题需要予以关注。

图11 试验温升曲线

针对上述试验结果进行仿真分析。入口水流量为210 dm3/min，温度取32℃，水的热物理参数为：密度995 kg/m3、导热系数0.621 W/（m·K）、比热容4 174 J/（kg·K）、动力黏度7.719×10－4kg/（m·s）［10］。可以计算出1号至3号逆变模块、4号至6号整流模块和换热器的入口平均流速分别为1.573，1.566，1.555，1.555，1.58，1.551 m/s和1.818 m/s。再以2号逆变模块和5号整流模块水冷散热器入口平均流速作为输入，进行计算可得到图12所示的温度场分布。图中标出试验时水冷散热器上测温点所在位置，其温度分别为44.31℃和48.82℃，与试验测试结果非常相近，可以说明仿真方法的可行性和仿真结果的准确性。此外，IGBT元件属于封装器件，内部的芯片结温难以通过试验进行直接测量，通过仿真的方法可以获得比试验测试更为丰富的信息。

图12 水冷散热器的温度场分布

5 结束语

大功率交流传动电力机车牵引变流器的结构非常复杂和紧凑，对整个水冷系统进行热分析具有很大的难度。通过先分析管道内的冷却介质流动情况，再利用计算得到各水冷散热器入口平均流速作为输入条件，对水冷散热器的温升进行研究的方法可以有效解决模型复杂与计算机资源巨大的问题，为水冷系统的热设计工作提供指导。由分析结果可知：

（1）6个变流器模块水冷散热器的入口平均流速相差在2%，因安装位置和软管长度产生的影响较小；

（2）286 dm3/min入口流量比210 dm3/min入口流量增加了36%，IGBT元件芯片温升降低了13.1%～15.6%，而压力损失增加了62%，表明单纯依靠流量的增加，对整体散热效果的影响并不是很明显，提高散热效果的着重点应放在水冷散热器内部槽道的优化设计上。

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［11］ 杨世铭，陶文铨.传热学（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

Thermal Analysis of Water-cooling System for Electric Locomotive Traction Converter

DING Jie
（CSR Research Institute of Electrical Technology＆Material Engineering，CSR Zhuzhou Institute Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China）

The water-cooling system of high-power AC drive electric locomotive traction converters is the foundation of safe and reliable operation.Because of its complex structure，it is difficult to use the experience formula and theory for accurate analysis，while the finite volume method is adopted to analyze the whole water-cooling system，the problem between calculation accuracy and computer resources will be faced.In this paper，the flow of the cooling medium in the pipeline was analyzed by FLUENT software firstly，and then watercooled radiators of inverter and rectifier module temperature were calculated using the average velocity of the water-cooling radiator entrance as input parameters.The feasibility of the simulation methods and the accuracy of the simulation results are verified by experiment.The research results can provide guidance for the thermal design of cooling system in traction converters.

AC drives；electric locomotive；IGBT；water-cooling system；thermal analysis

U264.3＋7；TB657.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.02

1008－7842（2014）04－0008－06

*湖南省自然科学省市联合基金重点项目资助（12JJ8020）

�）男，高级工程师（

2014－01－02）