地鐵輔助變流器功率損耗與熱仿真分析*

劉博陽(yáng)， 劉偉志， 楊　寧

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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地鐵輔助變流器功率損耗與熱仿真分析*

劉博陽(yáng)， 劉偉志， 楊寧

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

輔助變流器功率密度的不斷提高使密閉箱體內(nèi)的發(fā)熱更加嚴(yán)重，因此輔助變流器熱設(shè)計(jì)的重要性隨之顯現(xiàn)出來(lái)。以地鐵輔助變流器為例，首先分析計(jì)算箱內(nèi)各主要電氣器件功率損耗，利用FloTHERM流體熱仿真軟件建立仿真模型，設(shè)置初始條件并求解計(jì)算，得出變流器運(yùn)行中箱體內(nèi)部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。之后對(duì)輔助變流器的樣機(jī)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)并將多測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度與仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果證明了熱仿真方法對(duì)地鐵輔助變流器進(jìn)行發(fā)熱情況分析的可行性與準(zhǔn)確性，對(duì)輔助變流器的熱設(shè)計(jì)提供了參考。

地鐵； 輔助變流器； 熱設(shè)計(jì)； 熱仿真； 功率損耗

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，對(duì)城市軌道交通裝備的需求越來(lái)越大，對(duì)車輛可靠性、穩(wěn)定性的要求也不斷提高。輔助變流器作為提供列車各部分所需電力的核心設(shè)備，其容量需求日益增加，隨之而來(lái)的是器件損耗的增加，這些損耗以熱量的形式傳遞出來(lái)。由于變流器體積有限，各器件均集中安裝在同一較為封閉的箱體中，上述熱損耗會(huì)導(dǎo)致變流器內(nèi)溫度升高。對(duì)于大部分器件，溫度超過(guò)一定限值，輕則影響器件性能、降低器件效率、縮短器件壽命，重則導(dǎo)致變流器設(shè)備功能失效，對(duì)列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性造成很大危害[1]。

以地鐵輔助變流器作為研究對(duì)象，采用FloTHERM軟件得到準(zhǔn)確直觀的熱仿真結(jié)果，并將此結(jié)果與樣機(jī)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果證明了熱仿真方法可以指導(dǎo)熱設(shè)計(jì)工作。熱仿真方法就是在制造樣機(jī)前就驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，避免因超溫導(dǎo)致的故障，提高變流器的運(yùn)行效率[2]。

1　熱分析方法

1.1熱計(jì)算

靜態(tài)物體由于區(qū)域間的溫度差異而引起的熱的流動(dòng)稱為熱傳遞，所遷移熱能的大小稱為熱量。熱傳遞的方式主要有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種[1-2]。根據(jù)熱傳遞的原理和初始條件，可以搭建模型，用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得到系統(tǒng)的溫度分布。目前主要使用的熱計(jì)算方法有等效熱路法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法、有限差分法、有限體積法等。其中有限體積法適用范圍廣，較容易得到計(jì)算結(jié)果，并且計(jì)算結(jié)果較為精確，是當(dāng)前求解流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算中最成熟的方法，被大多數(shù)傳熱計(jì)算軟件所采用[3]。

1.2熱仿真步驟

利用目前主流熱仿真軟件計(jì)算溫度分布的步驟基本相似，主要有：模型建立，設(shè)定初始條件，劃分網(wǎng)格，仿真結(jié)果的后處理[4]。

熱仿真軟件是采用三維模型的方式對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行表示的，首先要在軟件內(nèi)建立計(jì)算對(duì)象的三維模型。雖然軟件自帶建模功能，但是功能無(wú)法與專業(yè)軟件相比，因此通常使用專用三維建模軟件建立模型，并導(dǎo)入熱仿真軟件。對(duì)于已有模型的利用可以節(jié)省建模的步驟，但此類模型精細(xì)程度大多超過(guò)了熱仿真精確性的需要，反而會(huì)消耗計(jì)算資源。所以在導(dǎo)入這類模型時(shí)要進(jìn)行簡(jiǎn)化，用盡量簡(jiǎn)單的幾何體代替復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，去除對(duì)溫度沒(méi)有影響的部分。如果能恰當(dāng)?shù)赝瓿纱瞬襟E，可以在損失極小精度的情況下降低大量計(jì)算時(shí)間。

模型建立完畢后要設(shè)置初始條件，將計(jì)算對(duì)象的屬性，如材料、表面、發(fā)熱功率(器件損耗)、初始溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、熱輻射參數(shù)等賦予模型對(duì)應(yīng)部分。初始條件設(shè)置得越精細(xì)計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)值，其中發(fā)熱功率對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大。由于不同設(shè)備的工作參數(shù)不同，發(fā)熱功率一般需要通過(guò)計(jì)算獲得，準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)熱功率是熱仿真中很重要的一點(diǎn)。

根據(jù)有限體積法求解的原理，仿真前須劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的密度與計(jì)算精度正相關(guān)，與計(jì)算時(shí)間負(fù)相關(guān)。劃分網(wǎng)格時(shí)要考慮計(jì)算對(duì)象不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、是否有發(fā)熱器件、是否有流體等，如果網(wǎng)格密度過(guò)低可能使計(jì)算結(jié)果難以收斂。

仿真直接得出的是微分方程的解，為了使結(jié)果直觀，需要指定軟件對(duì)所得解進(jìn)行處理，如生成三維模型上的溫度分布圖、流體速度分布圖、測(cè)點(diǎn)溫度表格等，這一步驟稱為后處理。

2　變流器構(gòu)成及損耗計(jì)算

2.1變流器組成

地鐵輔助變流器外觀如圖1所示，其主要作用是將1 500 V直流電變換為380 V三相交流電，對(duì)地鐵車輛空調(diào)、通風(fēng)、除霜等低壓設(shè)備供電[5]，同時(shí)也含有提供110 V直流電源的充電機(jī)模塊。輔助變流器機(jī)箱內(nèi)主要包含功率模塊、三相變壓器、電抗器、冷卻風(fēng)機(jī)、控制通訊單元等，安裝于車體下部，散熱方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷。

變流器主電路原理如圖2所示，機(jī)箱內(nèi)主要發(fā)熱部分是絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Tran-sistor,IGBT)、變壓器、電抗器。而控制單元、電纜、電容器等發(fā)熱量相對(duì)很小，將它們忽略可以在幾乎不影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下大幅提高仿真速度。對(duì)熱損耗的研究是在變流器輸入電壓1 500 V、輔助功率模塊開(kāi)關(guān)頻率1.05 kHz、充電機(jī)模塊開(kāi)關(guān)頻率10 kHz、總負(fù)載82 kW(輔助部分負(fù)載64 kW，充電機(jī)負(fù)載18 kW)的額定工況下進(jìn)行的。

圖1　地鐵輔助變流器外觀

圖2　變流器主電路原理示意

2.2逆變器IGBT損耗

2.2.1計(jì)算方法

IGBT是變流器的核心器件，在每個(gè)功率模塊中同時(shí)安裝有多個(gè)IGBT，其發(fā)熱量大，發(fā)熱位置集中，本身又對(duì)溫度敏感，是熱仿真中最重要的研究對(duì)象。IGBT的損耗包括通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗，集成的反并聯(lián)二極管的損耗包括通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗。

目前計(jì)算IGBT的功率損耗的方法有多種。有些是深入分析IGBT器件構(gòu)造和原理，利用電阻、電感、電容、電流源、電壓源等基本元件建立IGBT的等效電路模型，稱為基于物理結(jié)構(gòu)的IGBT損耗模型[6]。這類模型通常用于結(jié)合電路仿真軟件進(jìn)行單個(gè)器件級(jí)別的精確計(jì)算，如果模型建立得當(dāng)，可以很好地反映IGBT在各種工況下的特性，準(zhǔn)確性高，適用范圍廣。使用這種方法建立模型需要對(duì)器件構(gòu)造有很深入的理解，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，熱仿真中通常直接使用一些經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的經(jīng)典模型。

一些方法則根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用待定系數(shù)等數(shù)學(xué)工具，推出損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，稱為基于數(shù)學(xué)方法的IGBT損耗模型[6]。這類模型所得的公式使用非常方便，只需代入對(duì)應(yīng)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果精確性取決于公式的準(zhǔn)確度、選用公式對(duì)待求解器件的適用性。

此外，對(duì)于特定類型的電路，還可以通過(guò)IGBT工作特點(diǎn)推導(dǎo)損耗近似公式。這種方法通過(guò)研究IGBT的工作波形，對(duì)單個(gè)周期內(nèi)電壓電流的乘積進(jìn)行積分，將非線性化的電壓電流關(guān)系按線性化折算，結(jié)果也可以滿足工程計(jì)算需求[7]。

計(jì)算IGBT損耗還可以使用IGBT功耗仿真軟件，各大IGBT廠商都開(kāi)發(fā)了仿真軟件，例如英飛凌的IPOSIM、三菱的Melcosim、富士的IGBT simulator等。這類軟件只需輸入IGBT型號(hào)和電路類型、工作頻率、電壓等基本參數(shù)就可以快速求得IGBT和反并聯(lián)二極管的功率損耗。同時(shí)還可以用電子電路仿真軟件搭建電路模型，仿真得到IGBT工作參數(shù)并用公式計(jì)算，適用性更廣。

2.2.2逆變器IGBT損耗計(jì)算

本變流器中使用的均是EUPEC的FF300R17KE3型IGBT，其集電極-發(fā)射極阻斷電壓VCES=1 700 V，在TC=80℃、Tvj=150℃的條件下集電極額定電流ICnom=300 A，單個(gè)封裝包含兩個(gè)帶并聯(lián)二極管的IGBT。變流器中的輔助功率模塊共含有6顆IGBT封裝，采用上述近似公式的方法對(duì)IGBT器件的損耗進(jìn)行計(jì)算[7-8]。

(1)單個(gè)IGBT通態(tài)損耗

雙極性PWM調(diào)制時(shí)，通態(tài)損耗Pss為：

(1)

式中M為調(diào)制比；φ為電壓電流相位差；VCE0為門檻電壓；ICP為電流峰值；rCE為IGBT通態(tài)等效電阻，可通過(guò)廠家提供的VCE與iC關(guān)系曲線獲得。

(2)單個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)關(guān)損耗PSW為：

(2)

式中fSW為開(kāi)關(guān)頻率；ESW(on)P為額定電流ICN和額定電壓VCEN時(shí)IGBT開(kāi)通一次損失的能量;ESW(off)P為額定電流ICN和額定電壓VCEN時(shí)IGBT關(guān)斷一次損失的能量；Vdc為直流母線電壓；ICN為額定工作電流；VCEN為額定工作電壓。

2.2.3反并聯(lián)二極管損耗計(jì)算

(1)單個(gè)反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗

雙極性PWM調(diào)制時(shí)，通態(tài)損耗PD·SS為：

(3)

式中VF0為二極管門檻電壓；rF為二極管通態(tài)等效電阻，可通過(guò)廠家提供的VF與iC關(guān)系曲線獲得。

(2)單個(gè)反并聯(lián)二極管關(guān)斷損耗

二極管的開(kāi)通損耗可以忽略不計(jì)，關(guān)斷損耗Prr為：

(4)

式中EDiode(off)P為在額定電流ICN和額定電壓VCEN下二極管關(guān)斷一次損失的能量[7]。

綜上所述，單個(gè)IGBT封裝模塊總損耗為P1=PSS+PSW+PD·SS+Prr，代入數(shù)據(jù)得額定工況下輔助功率模塊的IGBT總損耗PIT=1 020 (W)。

2.3主變壓器損耗

變壓器體積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由鐵芯和銅繞組構(gòu)成，其發(fā)熱量在變流器中也占很大比例。變壓器的損耗包括鐵損和銅損。實(shí)際變壓器交變磁通在鐵芯中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，統(tǒng)稱為變壓器鐵損PFe。鐵損又稱空載損耗，其值與鐵芯材質(zhì)有關(guān)，而與負(fù)荷大小無(wú)關(guān)，是基本不變的。通常變壓器廠家提供的參數(shù)都標(biāo)明了鐵損，計(jì)算時(shí)直接使用即可。變壓器的一次和二次繞組中都有一定的電阻，當(dāng)電流流過(guò)繞組時(shí)，產(chǎn)生的變壓器損耗，稱為變壓器銅損Pcu。銅損與負(fù)荷電流平方成正比，負(fù)載電流為額定值時(shí)的銅損又稱短路損失。廠家提供的參數(shù)給出了在額定電流下的銅損，為求得實(shí)際工作中的銅損需要使用式(5)進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式中PCu·N為額定下的銅損;Ir為額定電流，I1為實(shí)際工況電流。

本變流器使用的三相變壓器，由數(shù)據(jù)表格得PFe=700 (W)，在額定工況下由式(5)得Pcu=1 350 (W)。

2.4直流電抗器損耗

輔助變流器中使用的是直流電抗器，結(jié)構(gòu)與變壓器相似。由于電抗器工作在接近直流狀態(tài)下，交流分量很小，因此鐵損可以忽略。銅損通過(guò)規(guī)格數(shù)據(jù)表格給出的參數(shù)得到，本變流器使用的直流電抗器，在額定工況下其銅損為PCu·L=300 (W)。

2.5充電機(jī)模塊損耗

充電機(jī)模塊中主要考慮IGBT和變壓器的損耗。對(duì)于IGBT利用仿真軟件得到總損耗PCIT480 W。充電機(jī)中使用的高頻變壓器的功率損耗包括一次繞組與二次繞組的銅損以及變壓器磁芯的鐵損。對(duì)大功率高頻變壓器損耗的計(jì)算方法是在變壓器損耗構(gòu)成的基礎(chǔ)上，利用電磁學(xué)原理建立由磁滯損耗、渦流損耗和繞組損耗組成的損耗模型[9]。這種模型中涉及的變量與變壓器設(shè)計(jì)制造中的詳細(xì)物理參數(shù)有關(guān)，如磁芯截面積、線圈匝數(shù)等。根據(jù)廠家資料，充電機(jī)變壓器總損耗取PCT=900 (W)。

3　熱仿真與驗(yàn)證

本文仿真使用的FloTHERM是目前主流的電子電氣三維熱仿真軟件，含有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, EDA)接口、熱仿真求解、可視化后處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation, CAD)接口等模塊，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、航空航天、軍工、通信等行業(yè)。仿真在上文所述額定工況下進(jìn)行。

3.1熱仿真

3.1.1建立模型

本文所研究地鐵輔助變流器模型已在SolidWorks三維繪圖軟件中繪制建立，為便于在熱仿真中使用，需要利用FloTHERM的FloMCAD功能進(jìn)行模型的導(dǎo)入和處理。使用軟件帶有的簡(jiǎn)化、分解功能把復(fù)雜的模型轉(zhuǎn)換為由簡(jiǎn)單幾何體組成的模型，使模型復(fù)雜度大幅降低，處理后的模型如圖3所示。

圖3　簡(jiǎn)化處理完成的模型

3.1.2初始條件與仿真參數(shù)

輸入的初始條件包括環(huán)境溫度、模型中所有幾何體的材料、上文得到的功率損耗、熱輻射參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)等。FloTHERM支持使用壓力-流量曲線描述風(fēng)機(jī)特性，在仿真中得到風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，所得結(jié)果比使用恒定流量描述更為準(zhǔn)確。

設(shè)置仿真參數(shù)目的是對(duì)仿真過(guò)程本身進(jìn)行調(diào)整，包括：仿真類型為穩(wěn)態(tài)仿真、仿真步數(shù)、停止條件、誤差場(chǎng)等。

3.1.3網(wǎng)格劃分

FloTHERM的網(wǎng)格為六面體，在X,Y,Z3個(gè)方向分別投影為二維顯示，在設(shè)定求解域整體網(wǎng)格的情況下可以再對(duì)求解對(duì)象幾何體或指定體積區(qū)域設(shè)定獨(dú)立的區(qū)域網(wǎng)格。輔助變流器內(nèi)發(fā)熱器件、幾何體復(fù)雜度、風(fēng)道分布不是均勻的，控制單元、繼電器等所在的獨(dú)立艙室對(duì)整體溫度分布的影響很小，可以用稀疏的網(wǎng)格對(duì)其描述，而對(duì)于包含散熱片、電抗器、變壓器、風(fēng)道等的復(fù)雜區(qū)域則要將網(wǎng)格加密。

3.1.4求解及后處理

求解收斂后生成溫度場(chǎng)及流場(chǎng)三維分布，如圖4、圖5所示。從流場(chǎng)分布可以看出風(fēng)道中風(fēng)速較高的位置是從功率模塊散熱片出口到風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的部分。

圖4　整體溫度場(chǎng)分布

圖5　整體流場(chǎng)分布

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證熱仿真的結(jié)果，按試驗(yàn)大綱對(duì)輔助變流器樣機(jī)進(jìn)行額定參數(shù)下的溫升試驗(yàn)。溫度測(cè)試方法為粘貼熱電偶測(cè)點(diǎn)，針對(duì)變流器內(nèi)溫度較高和有代表性的重點(diǎn)位置共設(shè)置了22個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量包括功率模塊中IGBT附近散熱片表面、充電機(jī)變壓器表面、主變壓器及電抗器的銅繞組、鐵芯不同位置表面和艙室內(nèi)環(huán)境的溫度。溫升試驗(yàn)共進(jìn)行4 h，結(jié)束時(shí)各測(cè)點(diǎn)均達(dá)到了1 h內(nèi)溫度變化小于1℃，0.5 h內(nèi)溫度變化小于0.5℃的穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2結(jié)果分析

在試驗(yàn)測(cè)得穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)中選擇22個(gè)點(diǎn)，在仿真結(jié)果中截取相同位置進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1　各測(cè)點(diǎn)位置溫度對(duì)比

對(duì)于重點(diǎn)位置，選取主變壓器、電抗器、輔助功率模塊散熱片的仿真結(jié)果，對(duì)溫度分布分別對(duì)比研究：

變壓器是變流器中發(fā)熱功率最大、溫度最高的部分，其仿真得到溫度分布如圖6所示，可以看到繞組下側(cè)溫度約為55℃至64℃，中間繞組處的溫度最高，與通過(guò)實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)基本符合。

圖6　變壓器仿真溫度分布

電抗器主要發(fā)熱部位是銅繞組，相比變壓器其體積較小，發(fā)熱集中，也是溫度較高的部位。其仿真得到溫度分布如圖7所示，可以看到繞組處溫度為50℃至52℃，與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。

圖7　電抗器仿真溫度分布

圖8　輔助功率模塊IGBT仿真溫度分布

輔助功率模塊中IGBT對(duì)溫度的敏感性高，試驗(yàn)得到IGBT附近散熱片表面溫度約為35℃至42℃，靠近進(jìn)風(fēng)口側(cè)溫度低，出風(fēng)口側(cè)溫度高，與圖8所示仿真結(jié)果基本符合。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在額定工況下，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在4.2℃以內(nèi)，說(shuō)明仿真結(jié)果與實(shí)際情況符合較好。

4　結(jié)　論

用熱設(shè)計(jì)方法對(duì)地鐵輔助變流器進(jìn)行研究，分析了主要發(fā)熱器件的功率損耗，用熱仿真軟件對(duì)變流器進(jìn)行了熱計(jì)算，得到的機(jī)箱內(nèi)三維溫度分布、流場(chǎng)分布，通過(guò)分布結(jié)果可以直觀地反映變流器運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布情況和氣流走向。通過(guò)樣機(jī)的溫升試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比了22個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度，仿真與試驗(yàn)的誤差在合理范圍內(nèi)，證明了熱仿真結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地得到熱分布。因此，熱仿真方法對(duì)變流器的熱設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，對(duì)保證變流器的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)

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Power Loss and Thermal Simulation Analysis of Auxiliary Converter for Metro Vehicle

LIUBoyang,LIUWeizhi,YANGNing

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The increasing of power density of auxiliary converter exacerbates temperature rise inside the case, and the importance of thermal design of auxiliary converter is revealed. In this paper, using the auxiliary converter for metro vehicle as an example, the power loss of main electrical components in the case is analyzed and calculated firstly. The simulation model is built by FloTHERM fluid thermal simulation software. The initial conditions are set up and the flow field distribution is calculated. Then the temperature rise test of the auxiliary converter prototype is carried out and the results between test and simulation are compared. The feasibility and accuracy of the thermal simulation method of auxiliary converter for metro vehicle are proved by the comparison result, which provides a reference for the thermal design of auxiliary converter.

metro; auxiliary converter; thermal design; temperature rise simulation; power loss

1008-7842 (2016) 04-0072-06

??)男，碩士研究生,(

2016-02-25)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.18

*城市軌道交通車輛關(guān)鍵系統(tǒng)研制項(xiàng)目(1451ZH4703)