钟林成

摘要：大功率牵引变流器冷却系统散热能力的好坏，直接关系到牵引变流器性能和牵引系统能否安全稳定地工作。本文从动车组牵引变流器水温过高故障原因分析出发，分析研究滤网风速、变流器水温及风机电流的相互匹配关系，提出适用于水冷系统的在线监测-维护系统，既可用于指导现有车辆的维护，又可以依据具体运行环境，为后续项目的冷却系统选型及维护方案提供参考。

关键词：冷却系统;滤网堵塞;风速;变流器水温;在线监测

中图分類号：U266 文献标识码：A 文章编号：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

在动车组中，牵引变流器是实现电能与机械能转换的关键部件[1～3]。而随着大功率电力电子器件集成化和车辆轻量化的发展要求，功率器件的散热问题已成为影响其可靠性的主要因素[4～7]。牵引变流器热损耗绝大部分是由功率器件（IGBT）的损耗引起，IGBT是高频的开、关功率元件，工作时要消耗电能，把电能转化为热能的形式。功率器件本身对温度比较敏感，温度的变化会影响器件的开通和关断过程，进而影响牵引变流器的工作性能[8～10]。有关资料表明[11]，电子元器件温度每升高20℃，可靠性下降10%，只有快速、及时的将产生的热量散走，才能保证IGBT的正常运行。实践经验表明，牵引变流器冷却系统散热能力的好坏，直接影响到变流器性能和牵引系统安全稳定的工作。

本文将分析变流器水温过高的原因，研究变流器风速、水温、风机电流等与堵塞情况的匹配关系，以期建立一套行之有效的在线故障检测系统，既可应用于指导现有车辆的维护，又可以依据具体运行环境，为冷却系统选型及维护方案提供参考。

2 牵引变流器冷却系统

2.1牵引变流器冷却系统介绍。

（1）冷却系统原理。牵引变流器采用强迫水循环冷却方式。功率元件的热损耗通过冷却液传递到热交换器与外部空气换热;通风回路内的辅助变压器和斩波电阻通过冷却风机进行冷却。控制单元采集进、出主水管上安装的温度传感器信号，对冷却系统进行实时监控及保护。变流器进出口水温由水温传感器采集，当水温过高时，变流器将停止工作。

（2）热交换器及风机选型。冷却系统设计是参照变流器最大牵引功率运行工况，对各主要发热部件（主要为功率模块）进行功率损耗仿真分析，得出系统总损耗功率。参照变流器系统总损耗值，进行热交换器及冷却风机的选型。热交换器及风机选型，参照热交换器及风机特性曲线，评估最恶劣环境（45℃）、一定堵塞（风量）条件下，热交换器的散热能力和风机风量是否满足系统需要。

2.2水温过高故障原因。从系统原理角度，可能导致变流器水温高的因素包括：

（1）环境温度：当环境温度高时，水温可能过高。

（2）水冷系统故障：当水冷系统发生故障时，无法通过水循环带走器件工作时产生的热量，温度可能过高。

（3）通风回路堵塞：当通风回路设备堵塞时，无法提供足够的风量实现热交换器与外部空气的换热，可能导致温度过高。

通过分析以往变流器温度过高故障发现，大多数水温过高故障原因都为通风回路堵塞，因此需要定期清理维护通风回路以减少水温过高故障。

2.3验证试验。为探究动车通风回路堵塞（以滤网风速评估）与环境的关系，不同堵塞程度与风速、风量及风机电流的匹配关系，不同环温、堵塞程度和变流器水温关系。具体试验结果处理如下：

（1）现车滤网堵塞与运行环境关系。通过测试不同天气情况下（晴天和雨天各一周，同为3月份）滤网风速变化情况，发现晴天时，滤网风速变化较快，一周内从4.5m/s下降至1m/s。而雨天时，滤网风速变化较慢，一周内滤网风速从4.5m/s下降至4m/s。说明车辆在不同运行天气条件下，通风回路堵塞情况不同，雨天比晴天堵塞的要慢。

（2）不同环温、堵塞程度和变流器水温关系。分别测试环境温度35℃和45℃条件下，不同堵塞程度情况下的变流器进出口水温情况，结果表明：

①环境温度35℃时，滤网堵塞90%以上，将可能触发变流器超温保护。

②相同环境温度（45℃/35℃），满载时：滤网堵塞程度越高，温升越大。

③相同堵塞程度，满载时，环境温度升高，水温升高，水温升基本不变。

（3）不同堵塞程度与风速、风量及风机电流的匹配关系。分别测试不同堵塞程度下的滤网风速、进风口风量以及风机电流值，得到滤网风速、风量和风机电流与堵塞程度的关系曲线。通过关系曲线，又可以确定不同风量、风速或风机电流下对应的通风回路堵塞程度。结合温升实验，可以得到变流器满足特定环境温度正常应用时，对应的风机风量、风速等。

2.4冷却系统维护。热交换器和滤网需要定期清理维护，清除灰尘及吸入的杂物，以保证风量足够满足变流器正常工作时的散热需求。考虑季节及运行环境等条件不同，清理维护周期也应不同，当前大多是人为凭应用经验制定清理维护周期，并没有可靠的理论计算或监测系统用以指导。

3 建立适用于水冷系统的在线监测

根据动车变流器运行情况，以及滤网风速、变流器水温及风机电流等的相互匹配关系，可以提出一种适用于水冷系统的在线监测/维护系统：

（1）基于变流器水温的在线监测：分析变流器进口水温升与堵塞的对应关系，通过从控制系统监测的变流器水温及水温升，可以准确评估通风回路的堵塞情况以及滤网风速，从而确定清理维护日期。

（2）基于风机电流的在线监测：在变流器损耗功率一定条件下，风机电流大小体现着散热能力（风量），相应地体现堵塞情况。未来变流器的设计，可以增加对风机电流值的数据采集，根据不同堵塞条件下的风机电流曲线，通过监测风机电流评估此时的堵塞情况，从而确定维护日期。

（3）不同季节的散热能力调节：风量越大，风机吸风能力越强，同样地吸尘也越多。在冬季，散热功率可以小些，适当降低风量，既可加长维护周期，亦可降低车辆运行过程中的噪音，可以根据不同季节的环温或者水温升调节风量大小，也可根据堵塞程度调整冷却风机功率。

（4）建立变流器冷却系统维护周期的评估机制。根据车辆具体运行环境（风沙、柳絮、寒热带等）、选择不同的热交换器、滤网以及维护周期。

目前，动车牵引变流器平台化日趋成熟，在现有平台基础上，提出适用于不同运行环境的冷却系统解决方案，建立变流器水冷系统维护周期的评估机制。

4 结论及展望

本文从动车组牵引变流器报水温过高故障原因分析出发，分析研究通风回路堵塞与车辆运行环境的关系、不同滤网堵塞与风速风量及风机电流的匹配关系、不同环温、堵塞程度与变流器水温的关系。根据滤网风速、变流器水温及风机电流的相互匹配关系，提出适用于水冷系统的在线监测/维护系统。该系统既可用于指导现有车辆的维护，又可以依据具体运行环境，为后续项目的冷却系统选型及维护方案提供参考。

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