（株洲中车时代电气股份有限公司轨道交通技术中心，湖南 株洲 412001）
摘要：变流器冷却系统是整个变流器的关键部件之一，是变流器正常工作的保证。本文以某强迫风冷牵引变流器为研究对象，通过理论分析、数值仿真相结合方法，对整冷却系统的结构布局及系统阻力进行研究，为冷却风机的选型提供指导，以提高冷却系统的效率，保证其可靠性。
关键词：牵引变流器、强迫风冷、冷却系统、数值仿真
引言
强迫风冷变流器其模块采用翅片形式进行散热，受限于体积和重量的限制，因此需要适当的风速来保证其散热。当风机风量偏小时，散热能力不足，导致模块温度过高，引起模块超温故障；当风机风量偏大时，一方面造成风量浪费，另一方面会引起噪声过大及重量偏重。因此选择合适的风量对整个变流器的设计是十分必要的。
既有项目中设计人员一直在开展变流器相关的研究工作。通过对既有变流器的风量、温升测试数据积累和分析，获取了变流器冷却系统的主要特性，目前已成功运用于多个变流器产品项目。本文的目的是基于fluent平台，通过数值仿真的方法，获得冷却系统的阻力特性曲线和内部流场状态，为冷却风机的选型提供更加准确的指导，同时为风道结构优化提供建议，并通过实验数据来验证设计的合理性和精确性。
1 数值仿真
1.1仿真模型
变流器风道仿真模型如左图1所示：风冷散热器翅片位于风道内，一个模块侧为整流模块散热翅片，另一侧分别为充电机模块和辅变模块散热翅片，离心风机位于中间位置。
图1 仿真模型
根据空气动力学理论，在马赫数低于Ma=0.3时不考虑空气的可压缩的，此牵引变流器中空气的最大速度为10.67 m/s，空气的声速在40 ℃时为350 m/s，经计算，马赫数Ma=0.08。因此，本研究中将空气视为饱和的不可压缩的流体，控制方程采用稳态方程，湍流模型采用标准k-ɛ方程。
仿真边界条件为：速度入口，开放出口：outflow。
1.2 仿真结果
为了得到整个冷却系统的阻力特性曲线，选取多个不同的速度入口条件（v=2,4,8,10,12,14m/s）。本文截取v=8m/s仿真结果进行分析。
左图2为空气流动迹线图：空气经风道入口流入，经过模块散热翅片后，汇入中间风道，通过离心风机将空气排出。整个空气流动平滑，没有出现涡流等情况。
图2 空气动迹线图
图3分别为辅变和充电机侧散热翅片内空气速度云图。由图可知，整个散热翅片内部风速较为均匀，只有局部位置风速较高，说明整个风道结构较为合理，不会出现局部温度过高点，模块能够均匀散热。
图3散热翅片内空气速度云图
通过数值仿真，可以得到不同风速下冷却系统的阻力大小，进风面积为0.0496m2，换算成风量，如下表1所示。
表1 不同风量下冷却系统阻力
根据表1数据，绘制出整个冷却系统风量-阻力曲线，如下图5所示。
图4 冷却系统阻力特性曲线
2 数据分析
变流器冷却风从车体顶部窗口进入，经过过滤装置（△P1）、散热翅片（△P2）、再从底部出风，考虑车外运行负压（△P3）以及风道损失压力（△P4），得到冷却系统压力损失：
△P=△P1+△P2+△P3+△P4+△P5 =100+300+200+200=800Pa
图6是某变流器风机风量-风压曲线及风量-噪声曲线。
图5 离心风机风量-风压曲线
将离心风机的风量-风压曲线和冷却系统的阻力曲线拟合，得到两条曲线的交点，即系统实际工作点。由图可知，风机高速状态下工作点为1.85m3/s@688Pa, 风机低速状态下工作点为0.95m3/s@180Pa.
图6 离心风机实际工作点
3 试验验证
在环境试验箱内进行模拟环境温度40 ℃条件下整机温升试验。牵引变流器内部布置了多个温度探头，包括整流逆变模块、辅助逆变器模块、母排、电容等；将各点布好后，关闭变流器柜门，将环境试验箱温度调节到40℃稳定后，启动牵引变流器，调节到额定工况下运行，连续运行3 h，温度记录仪以0.2 Hz的频率记录温度数据。
表2各功率器件表面平均温度
由表3可知，在环境温度40 ℃、变流器额定工况条件下，牵引变流器内循环系统中，模块最高台面温度为75.9 ℃，最大温升35.3 ℃，最高温度小于其温度保护阈值（85 ℃）；可见，该变流器在最恶劣的环境条件（40 ℃）下长期工作，冷却系统仍能很好地满足系统的散热要求，变流器能够长期稳定地工作。
4 结论
(1)通过数值仿真指导冷却系统风机选型，保证冷却系统的可靠性 和经济性。
(2)通过优化改进变流器结构设计，优化风道结构，提高了牵引变流器设计一次成功率。
(3)模块台面最高温度为75.9 ℃，小于其温度保护阈值85℃，牵引变流器能正常工作，验证了冷却系统设计的合理性。
参考文献
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[2]孙世梅,张红.热管换热器流动与传热CFD模拟及试验[J].南京工业大学学报，2004, 26(2)：62-65.
论文作者:陈锦
论文发表刊物:《知识-力量》2018年8月中
论文发表时间:2018/7/30
标签：变流器论文; 风量论文; 系统论文; 风机论文; 风道论文; 模块论文; 曲线论文; 《知识-力量》2018年8月中论文;