马洪岗

摘 要 为解决复杂工况下地铁车辆的瞬态计算问题，在地铁车辆牵引逆变器中相邻的绝缘栅双级型晶体管模块间布置PT100热电阻器，通過温升试验得到计算热仿真的输入条件的试验数值，经CFD稳态类仿真分析将得到的对流换热系数在有限元粗糙网格模型中分布插值，其与仿真模型边界条件一致。之后与有限元法与模型降价法联合运用得到快速计算程序，待仿真与试验对比分析结果显示：在保证仿真模型边界条件一致下，有限元法与模型降价法联合运用得到的仿真计算要比单一采用有限元法计算更快速、准确，且各测温点的仿真结果误差不超过5%。

关键词 地铁车辆;牵引逆变器;热管散热器;性能

引言

为了准确、快速分析地铁车辆牵引逆变器热管散热器的性能，对某一工况稳态温升的计算时，由于无法正确评估热管散热器的性能，由此对其瞬态温升计算与仿真分析具有非常重要的实际意义[1]。

1地铁车辆牵引逆变器的温升试验

1.1 试验条件

本次试验以某地铁车辆牵引逆变器为研究对象，其主电路参数如表1所示。对地铁车辆两种状态情况下采用的方法是直接转矩控制，其中，列车处于牵引状态下，直流电经高压电器箱与滤液电气箱之后，对两个变流模块（型号IBCM60GI）进行供电，后经牵引逆变器输出交流电，最后供电与4台异步牵引电机。当列车处于再生制动状态下，牵引逆变器输出的交流电变为直流电，并根据情况直接反馈给回电网[2]。模块采用绝缘栅双级型晶体管模块，型号是FZ1600R176C-B2。通过布置PT100热敏电阻器于热管散热器上测量模块温度。

1.2 试验结果

基于以上试验准备条件，进行温升试验，在此试验中按照步骤依次进行：首先在热管散热器上布置6个测温点，具体为1#-6#，然后重点研究热管散热器的温升情况，该试验基于减小变流模块1的输入电流下进行，在此过程中只有一台牵引电机作为负载。经直接转矩控制方式后得出风罩入口与出口处的风速数值，具体如图1所示。

通过以上数值的计算，得出入口处平均风速为5.7m.s-1。从图中可以看出风罩内的空气流动十分复杂。

试验开始后30min内，我们可以看出温度上升速度较快，30min之后随着时间推移变缓。当风罩入口空气温度为31.10℃，试验220min后温度可达到33.8℃。伴随时间推移各测温点温度与风罩入口处空气温度差值趋于平衡，热管散热器的温升变化不大。测温点1#-6#中，温度最高的是4#，3#次之，6#最低，风罩入口处空气温度在允许误差范围内。

2CFD稳态热仿真与快速瞬态热仿真分析

基于以上热管散热器温升试验，其数值模拟比较困难，可采用实体棒杆，其中可假设热管轴向导热系数很高，径向导热系数为热管材料导热系数。在进行CFD仿真时，模型中网格尺寸为2.0mm，流体区域网格尺寸为5.0mm。利用软件HyperMesh，以风罩为参照依据，建立高质量网格，共3862万个，其中2520万个是流体区域网格。为便于对比热仿真结果，热仿真计算的输入条件以温升条件代替，为简化其参数设置，可根据以上试验结果的数值，假设在风道内的冷却空气流动状态为完全湍流，根据风罩入口处平均风速为5.7m.s-1，温度为33.8℃，以k--ε模型模拟。经相关软件计算得到变流模块的热管散热器温度场分布云图，分析得出1#-6#的温度为39.7、45.8、49.0、48.6、45.6及39.5。对比结果与试验数据，得到各测温点的仿真结果，其误差在允许范围内（不超过5%），这说明仿真结果比较准确。

在保证计算精度的条件下，为实现热管散热器瞬态导热问题的快速计算，可将对流换热系数在有限元模型中分布插值，保证其与CFD仿真模型边界条件一致，利用Krylow子空间法程序开发。其物理模型的大规模状态空间投影到地位空间后，有效降低矩阵维度，通过降低计算规模而提高计算效率。

3快速计算程序

根据以上问题，对快速计算程序进行改进，对不同的绝缘栅双级型晶体管模块，根据试验将芯片设置不同热源参数，并提取对应的矩阵文件，对降价后矩阵使用常微分方程求解，在原有模型上将结果投影。经时间步与循环功能步骤后自动实现瞬态计算，其中时间步改为变步长，减少荷载子步计算量，为简化程序复杂度可使用Matlab软件实现程序自动化，可由GRUS稀疏矩阵求解器算法代替矩阵分解算法，以此提高结果计算效率。

4对比观察仿真与试验结果

对高质量网格建立，可应用软件HyperMesh，根据要求网格设置为8mm，有限元粗糙网格单元数目为212125个，而节点数目达165560个，在有限元的流固耦合面上将对流换热系数分布插值，根据以上试验条件数据，经仿真后结果与稳态温度场结果比较，发现1#-6#的温度为39.7、45.8、49.0、48.6、45.6及39.5，与上述结果保持一致，说明快速计算程序方法可行，并且在同一时间范围条件下，该程度计算结果准确且快速。

总之，在保证仿真模型边界条件一致下，有限元法与模型降价法联合运用得到的仿真计算要比单一采用有限元法计算更快速、准确，且各测温点的仿真结果误差不超过5%。

参考文献

[1] 解翔翔.地铁车辆变频空调对辅助变流器滤波电容的影响分析[J].技术与市场，2020，27（4）：22-24，27.

[2] 周芳.地铁车辆牵引变流器的热管散热器的数值模拟[J].科技风，2018（31）：228.