摘要:动车组变流器大多采用水冷的水冷方式,水冷系统的性能直接影响变流器的可靠性。动车组变流器若发生水冷系统低压报警故障,则会影响动车组的正常运行。本文在介绍高速动车组变流器水冷系统运行原理的基础上,对高速动车组变流器水冷系统进行设计。
关键词:水冷系统;变流器;高速动车组
1 高速动车组变流器水冷系统的原理
变流模块IGBT元件水冷采用强迫水冷内部热循环的方式,IGBT元件的热量通过水冷板传递到水冷系统中的水冷液,水泵驱动水冷液在管道中流动,把热量传递到热交换器。水冷系统中集成了膨胀水箱,膨胀水箱对整个水冷系统起定压作用,变流器水冷系统原理如图1所示。
图1 牵引变流器水冷系统检测及控制原理图
如图1左侧部分所示,一次水循环回路通过水泵驱动,经热交换器降温后,分别流经变流器的整流柜,制动斩波柜,以及U、V、W三相逆变柜,然后回到一次水箱,再次进入循环;循环其间若检测到一次水电导率高,则流经去离子装置的阀门打开,对一次水进行去离子。
如图1右侧部分所示,二次循环水通过水泵驱动,进入室外的空调压缩机制冷机组;二次循环水在蒸发器中和压缩机中的低压、低温气液混合制冷剂进行热交换,二次水温得到降低。制冷剂吸热变为低压气体,经过压缩机绝热压缩变成高温高压气态,送入冷凝器向环境放热后冷凝为高压液体,再经过膨胀阀节流后进入蒸发器,如此循环往复。
压缩机组不仅能够提高水冷效率,使得二次循环水温快速降低,而且能够准确控制二次水温。根据一次水温度的高低,二次水通过三位置阀(三通)控制进入热交换器水量,来控制一次水的温度。一次循环的水压须大于二次循环水压,避免热交换器有漏点时,二次水通过漏点污染一次水。
2 高速动车组变流器水冷系统的设计
2.1水冷系统方案介绍
牵引变流器中功率元件产生的废热经导热硅胶传导至变流器底部的水冷基板中,基板内嵌入若干组环路热管的蒸发器,毛细芯表面处的液体工质在这里吸收由基板传输而来的热量后蒸发,经由蒸气槽道汇集至蒸气管线中。在毛细力的驱动下,蒸气工质循环至冷凝散热器中,被散热器冷边的环境空气所水冷,放出热量后重新凝结为液态并返回蒸发器中。
2.2 蒸发器的结构和布置
动车组牵引变流器的功率模块占整个牵引变流器的1/4,其尺寸大约为626×460×192(mm)。模块的底部是一整块水冷基板,牵引变流器中IGBT等电子元件紧密装贴、固定在水冷基板的外表面,两者之间涂有导热硅脂,以减小元件和水冷基板的温差。
当牵引变流器工作时,IGBT元件中由于功率损耗产生的废热将通过导热的方式,传输至水冷基板。在水冷系统中,水冷基板内设有液体流道,功率元件的废热由水冷水带走;而在基于环路热管的水冷系统中,液体流道被环路热管的蒸发器以及一小段蒸气管线所取代。其中,蒸发器嵌入水冷基板中,管内液体工质在这里吸收热量后蒸发,经蒸气槽道汇集后流向外回路的蒸气管线。
根据功率模块的实际尺寸,计划采用8根环路热管对称布置,蒸发器长度设定为Leva=230mm,不能直接受热的储液器与水冷基板边缘留有20mm的安全距离;两组对称的环路热管蒸发器末端留有40mm的空间,用于蒸气管线的引出。蒸发器管径设定为20×1mm。由于蒸发器管壳非常薄,蒸发器内的蒸气温度和外壳温度相差很小,因此工程上通常可以将蒸发器壳体外的温度作为环路热管的工作温度,即:Tsat=60℃。
2.3 毛细芯的参数和性能
环路热管的蒸发器从外向内的结构依次是蒸发器管壳、毛细芯体、液体干道。其中,毛细芯是蒸发器乃至环路热管的核心部件,它为工质循环提供所需的动力。由于毛细芯外壁紧贴蒸发器管壳,毛细芯外径和蒸发器内径相等,即do,w=18mm。毛细芯厚度同时影响了系统的毛细极限和沸腾极限,通常毛细芯越厚,流体在芯内的阻力和压降越大,但蒸发器热载荷经毛细芯体向液体干道的漏热却相应减少,毛细芯肋中心下部的液体达到核态沸腾所需的过热度稍有增大,因此毛细芯厚度的设计必须综合 考虑两方面的因素。考虑到动车组牵引变流器水冷系统的热载荷较大,本例中取δw=8mm,则毛细芯体的内径为di,w=10mm。
2.4 冷凝散热器的参数和结构设计
根据设计,环路热管的蒸气管线从水冷基板引出后,在冷凝器入口处分成十根并联的冷凝管线。冷凝管线沿+x轴方向进入换热器,管内两相工质被管外空气水冷,随后继续沿+x轴方向离开换热器,并在散热器出口外重新合并为一根液体管线返回蒸发器。考虑到整个水冷系统吊装在车架下,散热器的深度不能太厚,另一方面由于空气在散热器中沿流经方向温度不断升高,为了保证水冷效果,散热器中的管线排数也不宜过多,一般以4-8排管路为宜,因此本设计中计划采用5排管线的布置。
初设迎面风速uy,air=7.04m/s,冷凝管选用3×0.4mm的柔性不锈钢管,横向管排距设计为srow=9.6mm,纵向管列距设计为scol=10.8mm。由于冷凝管线沿气流方向的排数为nrow=5,而每组环路热管采用10根并联冷凝管线,至少需要占据两列的空间,因此换热器垂直于气流方向的管列数应为ncol=60。翅片采用厚度为δf=0.2mm的薄铝片,翅片间距sf=1.6mm,翅片导热系数λf=236W/(mk)。根据上述结构设计,可计算散热器的有效长度、高度、深度分别为:
LHT =Lcond=960mm
HHT=ncolscol=691.2mm
δHT=nrowsrow=48.0mm
由于该冷凝散热器采用顺排套片式结构,需要将预先冲孔的肋片用套片机套在管束上,肋片根部带有双翻边,用以确保套装后的肋片间距以及与基管的 紧密贴合。套片后翅片间冷凝管的实际基管外径为:
Db,cond=do,cond+2δf=3.4mm
3 结论
本文介绍了动车组牵引变流器水冷系统的设计过程,包括水冷系统的工作原理和结构布局,系统散热功率及温控要求、环路热管及冷凝散热器各部件参数的确定。结果表明,所设计的水冷系统可以满足现有动车组牵引变流器的水冷功率需求和实际尺寸限制,同时还预留了一定的裕度。此外,水冷系统的设计基础为散热功率71.4kW、热沉温度40℃的极端情况,由于绝大多数条件下动车组牵引功率小于71.4kW,环境温度一般也低于40℃,可知本水冷系统可以满足目前大部分动车组的实际需求。
参考文献
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[2]陆嘉骁.风电机组变流器发电机系统的共模研究[J].科技创新导报,2019,16(01):53-61.
作者简介:郑旭阳,性别:女,出生年月日:1987年12月24日,籍贯:山西省临汾市,现职称:工程师,学历:硕士研究生,从事工作:变流器产品设计
论文作者:郑旭阳,赵一洁,黄超,孙湘漪,田勇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签:水冷论文; 变流器论文; 蒸发器论文; 车组论文; 系统论文; 环路论文; 管线论文; 《电力设备》2019年第19期论文;