地鐵車(chē)輛牽引逆變器的熱管散熱器性能的計(jì)算和分析

馬洪崗

摘 要 為解決復(fù)雜工況下地鐵車(chē)輛的瞬態(tài)計(jì)算問(wèn)題，在地鐵車(chē)輛牽引逆變器中相鄰的絕緣柵雙級(jí)型晶體管模塊間布置PT100熱電阻器，通過(guò)溫升試驗(yàn)得到計(jì)算熱仿真的輸入條件的試驗(yàn)數(shù)值，經(jīng)CFD穩(wěn)態(tài)類(lèi)仿真分析將得到的對(duì)流換熱系數(shù)在有限元粗糙網(wǎng)格模型中分布插值，其與仿真模型邊界條件一致。之后與有限元法與模型降價(jià)法聯(lián)合運(yùn)用得到快速計(jì)算程序，待仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果顯示：在保證仿真模型邊界條件一致下，有限元法與模型降價(jià)法聯(lián)合運(yùn)用得到的仿真計(jì)算要比單一采用有限元法計(jì)算更快速、準(zhǔn)確，且各測(cè)溫點(diǎn)的仿真結(jié)果誤差不超過(guò)5%。

關(guān)鍵詞 地鐵車(chē)輛;牽引逆變器;熱管散熱器;性能

引言

為了準(zhǔn)確、快速分析地鐵車(chē)輛牽引逆變器熱管散熱器的性能，對(duì)某一工況穩(wěn)態(tài)溫升的計(jì)算時(shí)，由于無(wú)法正確評(píng)估熱管散熱器的性能，由此對(duì)其瞬態(tài)溫升計(jì)算與仿真分析具有非常重要的實(shí)際意義[1]。

1地鐵車(chē)輛牽引逆變器的溫升試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)以某地鐵車(chē)輛牽引逆變器為研究對(duì)象，其主電路參數(shù)如表1所示。對(duì)地鐵車(chē)輛兩種狀態(tài)情況下采用的方法是直接轉(zhuǎn)矩控制，其中，列車(chē)處于牽引狀態(tài)下，直流電經(jīng)高壓電器箱與濾液電氣箱之后，對(duì)兩個(gè)變流模塊（型號(hào)IBCM60GI）進(jìn)行供電，后經(jīng)牽引逆變器輸出交流電，最后供電與4臺(tái)異步牽引電機(jī)。當(dāng)列車(chē)處于再生制動(dòng)狀態(tài)下，牽引逆變器輸出的交流電變?yōu)橹绷麟姡⒏鶕?jù)情況直接反饋給回電網(wǎng)[2]。模塊采用絕緣柵雙級(jí)型晶體管模塊，型號(hào)是FZ1600R176C-B2。通過(guò)布置PT100熱敏電阻器于熱管散熱器上測(cè)量模塊溫度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于以上試驗(yàn)準(zhǔn)備條件，進(jìn)行溫升試驗(yàn)，在此試驗(yàn)中按照步驟依次進(jìn)行：首先在熱管散熱器上布置6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，具體為1#-6#，然后重點(diǎn)研究熱管散熱器的溫升情況，該試驗(yàn)基于減小變流模塊1的輸入電流下進(jìn)行，在此過(guò)程中只有一臺(tái)牽引電機(jī)作為負(fù)載。經(jīng)直接轉(zhuǎn)矩控制方式后得出風(fēng)罩入口與出口處的風(fēng)速數(shù)值，具體如圖1所示。

通過(guò)以上數(shù)值的計(jì)算，得出入口處平均風(fēng)速為5.7m.s-1。從圖中可以看出風(fēng)罩內(nèi)的空氣流動(dòng)十分復(fù)雜。

試驗(yàn)開(kāi)始后30min內(nèi)，我們可以看出溫度上升速度較快，30min之后隨著時(shí)間推移變緩。當(dāng)風(fēng)罩入口空氣溫度為31.10℃，試驗(yàn)220min后溫度可達(dá)到33.8℃。伴隨時(shí)間推移各測(cè)溫點(diǎn)溫度與風(fēng)罩入口處空氣溫度差值趨于平衡，熱管散熱器的溫升變化不大。測(cè)溫點(diǎn)1#-6#中，溫度最高的是4#，3#次之，6#最低，風(fēng)罩入口處空氣溫度在允許誤差范圍內(nèi)。

2CFD穩(wěn)態(tài)熱仿真與快速瞬態(tài)熱仿真分析

基于以上熱管散熱器溫升試驗(yàn)，其數(shù)值模擬比較困難，可采用實(shí)體棒桿，其中可假設(shè)熱管軸向?qū)嵯禂?shù)很高，徑向?qū)嵯禂?shù)為熱管材料導(dǎo)熱系數(shù)。在進(jìn)行CFD仿真時(shí)，模型中網(wǎng)格尺寸為2.0mm，流體區(qū)域網(wǎng)格尺寸為5.0mm。利用軟件HyperMesh，以風(fēng)罩為參照依據(jù)，建立高質(zhì)量網(wǎng)格，共3862萬(wàn)個(gè)，其中2520萬(wàn)個(gè)是流體區(qū)域網(wǎng)格。為便于對(duì)比熱仿真結(jié)果，熱仿真計(jì)算的輸入條件以溫升條件代替，為簡(jiǎn)化其參數(shù)設(shè)置，可根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值，假設(shè)在風(fēng)道內(nèi)的冷卻空氣流動(dòng)狀態(tài)為完全湍流，根據(jù)風(fēng)罩入口處平均風(fēng)速為5.7m.s-1，溫度為33.8℃，以k--ε模型模擬。經(jīng)相關(guān)軟件計(jì)算得到變流模塊的熱管散熱器溫度場(chǎng)分布云圖，分析得出1#-6#的溫度為39.7、45.8、49.0、48.6、45.6及39.5。對(duì)比結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各測(cè)溫點(diǎn)的仿真結(jié)果，其誤差在允許范圍內(nèi)（不超過(guò)5%），這說(shuō)明仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確。

在保證計(jì)算精度的條件下，為實(shí)現(xiàn)熱管散熱器瞬態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題的快速計(jì)算，可將對(duì)流換熱系數(shù)在有限元模型中分布插值，保證其與CFD仿真模型邊界條件一致，利用Krylow子空間法程序開(kāi)發(fā)。其物理模型的大規(guī)模狀態(tài)空間投影到地位空間后，有效降低矩陣維度，通過(guò)降低計(jì)算規(guī)模而提高計(jì)算效率。

3快速計(jì)算程序

根據(jù)以上問(wèn)題，對(duì)快速計(jì)算程序進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)不同的絕緣柵雙級(jí)型晶體管模塊，根據(jù)試驗(yàn)將芯片設(shè)置不同熱源參數(shù)，并提取對(duì)應(yīng)的矩陣文件，對(duì)降價(jià)后矩陣使用常微分方程求解，在原有模型上將結(jié)果投影。經(jīng)時(shí)間步與循環(huán)功能步驟后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)計(jì)算，其中時(shí)間步改為變步長(zhǎng)，減少荷載子步計(jì)算量，為簡(jiǎn)化程序復(fù)雜度可使用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化，可由GRUS稀疏矩陣求解器算法代替矩陣分解算法，以此提高結(jié)果計(jì)算效率。

4對(duì)比觀察仿真與試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)高質(zhì)量網(wǎng)格建立，可應(yīng)用軟件HyperMesh，根據(jù)要求網(wǎng)格設(shè)置為8mm，有限元粗糙網(wǎng)格單元數(shù)目為212125個(gè)，而節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)165560個(gè)，在有限元的流固耦合面上將對(duì)流換熱系數(shù)分布插值，根據(jù)以上試驗(yàn)條件數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真后結(jié)果與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)1#-6#的溫度為39.7、45.8、49.0、48.6、45.6及39.5，與上述結(jié)果保持一致，說(shuō)明快速計(jì)算程序方法可行，并且在同一時(shí)間范圍條件下，該程度計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確且快速。

總之，在保證仿真模型邊界條件一致下，有限元法與模型降價(jià)法聯(lián)合運(yùn)用得到的仿真計(jì)算要比單一采用有限元法計(jì)算更快速、準(zhǔn)確，且各測(cè)溫點(diǎn)的仿真結(jié)果誤差不超過(guò)5%。

參考文獻(xiàn)

[1] 解翔翔.地鐵車(chē)輛變頻空調(diào)對(duì)輔助變流器濾波電容的影響分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2020，27（4）：22-24，27.

[2] 周芳.地鐵車(chē)輛牽引變流器的熱管散熱器的數(shù)值模擬[J].科技風(fēng)，2018（31）：228.