动车组牵引变流器冷却系统冷却方式研究

动车组牵引变流器冷却系统冷却方式研究

文章介绍了动车组牵引变流器冷却系统构成和原理，对影响功率器件IGBT 的散热特性进行了分析，对自然冷却、强迫风冷、液体冷却、相变冷却几种冷却方式特点做了一一分析，说明采用相变冷却方式的优点，即高效率，均匀热表面温度，无局部过热点，可靠安全，适用于动车组牵引变流器的冷却。

标签：牵引变流器；冷却系统；冷却方式；相变冷却

1 概述

随着功率器件小型化、紧凑型发展要求，其功率密度不断增加，散热问题已就成为影响功率器可靠運行的主要因素。在动车中，牵引变流器是牵引系统关键部件，主要实现电能与机械能转换。而牵引变流器主要功率元件是IGBT。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。通常流过IGBT的电流较大，IGBT的开、关频率也较高，故器件的发热量较大。若产生的热量不能及时有效散掉，IGBT器件内部的结温将会超过允许值，IGBT 就可能损坏。有关资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6，因此只有快速、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。

由牛顿冷却公式[1]有：

tw=+tf

其中，Q-IGBT的热量；h-表面传热系数；S-IGBT与冷却散热基板接触的表面积；tw-IGBT与冷却散热基板接触的壁温；tf-冷却液体的温度。

当热量Q的下降时会引起tw的下降，但在IGBT产生的热量不会下降太多，所以使tw下降的方法在应用上有限。

表面积S的增加可以引起tw的下降，但是由于实际产品的重量和体积要求等限制，以及动车牵引系统自身需求使得表面积的S增大有限，使tw下降的空间被限制。

冷却液体的温度tf的降低可以引起tw的下降，但是冷却液体的温度tf的降低也受外界一些因素的影响。

表面传热系数h的提高可以引起tw的下降，一般不受其他条件的限制，可以有效的降低tw。因此，解决问题的关键是如何获得冷却散热基板最大的表面传热系数h，这也是研究的目的。

2 牵引变流器冷却系统构成及原理

主要介绍牵引变流器水冷系统和相变冷却系统。动车组典型牵引变流器的水冷却系统一般由水冷基板、膨胀水箱、冷却装置、过滤器、水泵、传感器、流量计、各种控制阀门及管路等主要部件构成，其中冷却装置由散热器、风机组、空气过滤器、安装箱体等部件组成。在动车组上，整套冷却系统吊装在车架上。

CHR2动车组牵引变流器相变冷却系统构成如下：采用热管原理来冷却牵引系统，热管是一个真空密封的管状体，它的内部设置有管芯，在外部罩一壳体，散热片上按一定规律设置圆孔，管芯均匀布置在散热翅片上，所有热管的同一端穿过散热翅片，管壁与散热翅片胀接紧密，以减少接触热阻，热管的管芯内部注有冷却工质，热管按工作原理，被划分成蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分。在蒸发段，变流器电气元件和管壁紧密接触，将自身产生的热量通过管壁传递给管芯内部的冷却工质，冷却工质吸收热量后蒸发变成蒸汽并沿管内扩散，蒸汽经过绝热段后进入冷凝段，冷凝段装设有大量翅片，外界冷却空气受强迫作用吹向散热翅片，冷凝段的热量和外界进行热交换，冷却风带走冷凝段内部蒸汽的热量，蒸汽会冷凝成液体，液体在管芯的毛细力或重力的作用下，重新流回蒸发段，再次进行蒸发冷凝，完成了一个传热的循环工作过程。

3 冷却方式

功率器件冷却方式主要有自然冷却、强迫风冷、液体冷却、相变冷却等[2]，前三者是传统的冷却方式。

自然冷却是在自然环境中，利用导热、自然对流和辐射换热的一种方式或两种以上换热方式的组合来冷却功率器件。自然冷却优点是成本低，可靠性高，不会因为机械部件的磨损或故障影响系统的稳定。自然冷却效率低，因此，在冷却效率要求不高、低热流密度时可考虑自然冷却方式。

强迫风冷是一种利用风机或风扇等风源产生一定流量的风带走热量从而冷却器件的方式。强迫风冷一般应用于高热流密度和温升较大的场合，另外与液体冷却相比，强迫风冷具有设备简单、成本低的特点。强迫通风冷却系统的缺点是体积和重量大些，对于动车牵引系统来说不是一种理想的冷却方式。

液体冷却，一般包括水冷和油冷。由于水的热容量为空气的5300倍[3]，其特点在于散热器的体积较小，易于带走热量，可靠性高。特别是它可以采用水-风或水-水换热的方式将热量高效地与外界交换，所以也是最节能的冷却方式应用于体积功率密度较高的元器件，以及在高温环境下的工况中，液体冷却方式缺点是管路结构比较复杂，密封接头多，容易发生泄漏，检修不方便。

相变冷却与传统冷却方式相比，是一种全新的冷却技术。传统冷却方式主要靠介质的比热来传递热量，相变冷却利用介质的相变潜热来吸收和释放热量，其机理与传统上的完全不同，相变冷却基于热平衡原理，是一个实现稳定工况的闭式循环系统。热源提供工质所需的热量，冷却风提供冷却沸腾工质所需的制冷量。

工质在蒸发器中吸收热源的热量达到沸点后沸腾，产生的饱和蒸汽进入冷凝器中，冷凝器在冷却风的作用下，使内部饱和蒸汽凝结为液体，凝结液再流回到蒸发器中，完成循环过程，期间释放出大量的潜热，达到冷却的目的。

表1 空气冷却、液体冷却、相变冷却三种方式区别

由表1可看出，相变冷却方式较空气冷却方式、液体冷却方式有很多优点，相变冷却能力大，而且相变冷却装置结构简单、占用体积小，虽然相变冷却装置在维护方面有些不便，但其有较高的冷却效率，对于大功耗、高热流密度的功率器件来说是较好的选择。

4 结束语

随着未来动车组高速化，牵引变流器冷却系统必须向更加紧凑、高效、低噪音、安全可靠的方向发展。与传统的冷却方式相比，采用相变冷却方式进行冷却，冷却效率高，发热表面温度均匀，无局部过热点，可靠安全，相变方式非常适用于牵引变流器这种大功率器件的冷却，对于动车牵引系统相变冷却是一种较好选择。

参考文献

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[2]陈建业，吴文伟.大功率变流器冷却技术及其进展[J].大功率变流技术，2010，12（1）：15-24.

[3]国建鸿，李振国，傅德平.大功率电力电子器件蒸发冷却技术研究[J].电力电子技术，2005，39（5）：38-140.

作者简介：段飞（1985-），男，硕士，主要研究方向：传热的强化。