城轨列车牵引变流器箱体热仿真设计方法.pdf

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1、第35卷第3期铁道机车车辆Vo1．35No．32015年6月RAILWAYLOCOMOTIVE&CARJun．2015零零爨地铁-9轻轨露}s《文章编号：1008—7842(2015)03—0091—05城轨列车牵引变流器箱体热仿真设计方法杨宁，李岩磊，马颖涛(中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京100081)摘要箱体热设计是变流器结构设计的重点和难点。以热仿真设计方法作为箱体设计的指导思想，根据热仿真设计需要，重点分析计算箱体内主要发热器件损耗，并给出计算公式。以北京地铁13号线牵引变流器为例，计算得到主要发热器件的损耗，并采用计算机辅助求解软件FLOTHERM，在满载工况下，

2、对设计变流器模型进行了整个机组的稳态工况热仿真计算，电气与电子器件仿真结果满足温升设计预期。并依据此研究成果试制样机，机组实测参数与仿真结果一致，验证了箱体热仿真设计方法的科学性和实用性。关键词变流器箱体设计；热仿真；损耗计算；走行风冷；热管冷却中图分类号：U239．5文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1008—7842．2015．03．23变流器的箱体结构直接影响着变流器电气与电子关功率损耗以及IGBT中反并联二极管的功率损耗。器件的发热，关系着变流器运行的可靠性，因此变流器功率损耗的计算方法多使用近似公式，因其计算方便、箱体设计是变流器结构设计的重点，也是其技

3、术难通用性强被广泛使用]。采用软件仿真与公式相结合点l1]。传统的设计方法是基于经验和成熟的案例对箱的计算方法，能够使计算结果具有较高的准确度、计算体进行设计，存在良费成本、设计周期长、设计风险大、方法贴近IGBT的真实参数。过分依赖经验等弊端。以北京地铁13号线牵引变流器IGBT导通损耗：箱体热设计为实例试制样机，通过研究给出主要部件的P：：M?srPV⋯J—1一．：!：FeeIz(1)损耗计算方法，并采用Flotherm软件¨2]热仿真计算，结式中M为调制度，cosq9为功率因数；、／r⋯为门槛电压；I。合样机带电机的温升试验，验证了箱体热仿真设计方法的科学性和实用性。电流峰值

4、为IGBT通态等效电阻。和可以通1箱体结构模型过IGBT手册的参数计算得出。北京地铁13号线采用交流传动。一台牵引变流器IGBT开关损耗：内有两个相同的功率模块，每个功率模块驱动两台电P一1兀Xf(E0n+E0ff)×惫×(2)机。功率模块采用热管散热，走形风冷的冷却方式。牵式中-厂。为开关损耗；a为输入直流电压；E。为在额定引变流器箱体内结构简单，功率器件选用绝缘栅双极型电流I和额定电压V⋯下，IGBT开通一次损失的能晶体管(IGBT)。除IGBT外，主电路无功率损耗较大量；E。为在额定电流工和额定电压下，IGBT关断的变压器与电感部件。一次损失的能量。2功耗计算反并联二极管(V

5、D)的功率损耗也包括VD导通损对于发热器件，需要添加其功率损耗，这是热仿真耗和关断的反向恢复损耗。计算的初始条件。器件功率损耗计算的正确与否，决定VD导通损耗：着热仿真结果是否对箱体设计具有指导意义。Pd。一(1MsP)Vf01+(12Mc牵引变流器箱体内的主要发热器件有IGBT、直流一—osg~)rfZ(3)cp丌4‘437【亡支撑电容器、功率母排。牵引变流器分为两个单元，每个单元参数相同。其中为VD门槛电压，rf为VD通态等效电阻。V。2．1IGBT损耗和rf可以通过IGBT手册的参数计算得出。IGBT的功率损耗分为IGBT的通态功率损耗和开VD关断反向恢复损耗：杨宁(1983

6、)男，工程师(修回日期：2015—02—10)92铁道机车车辆第35卷Pss===×厂。×E×Icp×Vac(4)式中为逆变器输入电流有效值。由方程组：式中E。为在额定电流j和额定电压V⋯a下VD关断一一次损失的能量。急一㈩2．2功率母排损耗【Xc一赢功率母排损耗计算公式为其中tan为功率损耗角；P为电容有功功率；Q为电Pbb==：Rb一P(5)容的无功功率；X为电容的容抗。可以得到ESR的式中J为等效电流；R为等效电阻；L为等效长度；值。S为等效横截面积；pc为电阻率。Pc可以根据GB／T输入直流侧电容为3个并联，可得到每个电容的损5585．1—2005中铜和铜合金母线的电阻率得

7、到。通过耗为：铜排尺寸估算和电阻率可以由式(5)得到功率母排的损P一()。XESR(8)耗。将。与ESR的值带入式(8)可得每个电容器的2．3电容器损耗损耗。功率单元中电解电容的损耗主要是纹波电流引起发热产生的，电解电容内部可等效成串联一个电阻，其2．4其他损耗牵引变流器的功率损耗除去主要电器件的损耗，还发热可近似等效成电阻发热。根据电阻的损耗可得计包括功率电缆、杂散电感、接触器触点等的损耗，因其所算公式：一般来说，电容的损耗P，一×ESR。占比例较小且不用考核，仿真