摘要：本文分析了现有牵引变流器散热结构在毛絮灰尘较多地区运用存在的问题，并提出优化方案，以及未来的工作方向
关键词：散热器；热交换器；IGBT
一、前言
牵引变流器作为列车牵引系统最重要的组成部分，是列车的关键部件之一。其主要功能是转换直流和交流，通过调压、调频实现对牵引电机的控制。在电能的转换过程中，IGBT会耗散一部分电能为热能，如果散热不及时就会导致IGBT烧毁，所以牵引变流器的散热系统就显得尤为重要。
二、问题描述及原因分析
在一些运行环境比较恶劣的地区（飞絮，羽毛，沙尘等较多），牵引变流器热交换器经常严重堵塞，这些堵塞物吸附在热交换器表面或进入并堵塞在热交换器内部，导致牵引变流器热交换器严重堵塞，造成热交换器散热能力大大降低，造成牵引变流器进水口水温过高从而导致TCMS显示屏报变流器水温过高保护。散热器三维爆炸图和热交换器堵塞情况请看图一，图二。
图一：散热器三维爆炸图
图二：热交换器堵塞情况
三、改进措施
为了系统的解决散热器在恶劣环境（飞絮，羽毛，沙尘等）情况下容易堵塞，造成牵引变流器水温过高保护的问题，对散热器结构进行改进并根据当地的情况制定清灰维护周期：
1、设计结构改进优化
将原方案中的粗网格替换为多层絮状滤网。采用多层絮状滤网（防石击、阻挡树叶、过滤丝状物、絮状物）+迷宫式过滤器（过滤雨水、细小灰尘）+热交换器（液-气能量对外传递），见图三所示。多层絮状滤网主要由四层组成：最外层为粗网格进行支撑防护，可以有效粗滤树叶、大石子等；第二层为多层絮状钢丝交织网，可以有效地将丝状物、絮状物、蚊虫等阻挡在该层内；第三层为钢丝护网进行细滤，滤除空气中的绒毛状物；最内层为粗网格起支撑防护作用。
图三：新设计散热器三维爆炸图
2、装车验证
将优化后的滤网加装在冷却系统进风口前端，用于滤除列车运行途中的各种丝毛絮沙尘等堵塞物，通过对比验证发现，原过滤网的牵引变流器热交换器上吸附有大量堵塞物，优化过滤网的牵引变流器上没有或仅有极少量的堵塞物。试验表明：加装优化方案的滤网能有效滤除线路环境中的丝状物、动物羽毛、植物毛絮、沙尘、塑料袋残片等易于堵塞热交换器的物质，有效解决了由于热交换器堵塞造成的变流器水温超高报警，极大的简化了变流器过滤器清理工作，达到了预期的过滤效果。
图四：热交换器表面状况（实际运营累计20天）
3、滤网清灰维护周期的制定
通过改进型过滤网的现场充分验证，并结合当地线路条件（灰尘、雨水、木棉、柳絮等）制定过滤网的清灰维护周期，可以满足一般恶劣环境的运营需要。
图五：清灰作业现场
4、延长滤网清灰维护周期的措施
一些环境特别恶劣的情况，存在清灰维护周期过短、增加运营维保工作量的问题，针对这种情况，考虑提高水温保护阈值。
IGBT散热器仿真
水温阈值从55℃提高到61℃，根据最大运行工况、20%额定风量，进行变流器冷却系统热仿真，下图为IGBT散热仿真结果
图六：IGBT散热仿真结果
IGBT热阻等效计算及分析
图七：功率模块热阻等效电路
其中， 、 、 ：桥式二极管（1个模块）； 、 、 ：IGBT（各元件）； 为半导体器件结—外壳间的热阻， 外壳与散热器间的热阻， 散热器的热阻，： 为水温。再根据功率模块热阻等效电路可以计算出IGBT的结温最高为103.5℃，见图七。
目前所选用IGBT最高结温为125℃，为确保IGBT的可靠性和稳定性，推荐使用的平均结温为110℃以下。根据以上仿真，最大工况下元件平均结温为103.5℃，满足厂家推荐的使用要求。考虑到长期服役后元件散热性能有所变化，且温度对器件寿命及可靠性有一定影响，设计需留一定裕量，因此将进水口温度保护设定值调整为61℃。由于后端辅助变压器为H级绝缘，耐受180℃，水温保护门槛提升对其无影响。
四、未来工作方向
对于复杂的运营环境，散热器的结构设计要有针对性，特别是对于毛絮多的地区，要求滤网便于拆卸清灰；对于热交换器，调整芯体尺寸，增加翅片间距使其通过性提升，不易积灰且容易清理。最终的目标是使散热器免维护。
参考文献：
[1]王兆安 刘进军.电力电子技术第5版.机械工业出版社，2013
[2]那日沙 周凯 王旭东.电力电子、电机控制系统的建模及仿真.机械工业出版社，2016
论文作者:马辉,吕会宾
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：热交换器论文; 变流器论文; 散热器论文; 滤网论文; 絮状论文; 水温论文; 过滤网论文; 《基层建设》2019年第4期论文;