大功率機車牽引變流器液冷裝置設(shè)計方法及傳熱性能研究.pdf

1、牽引變流器是大功率交流傳動機車電氣系統(tǒng)的重要組成部分。在機車運行過程中，如果溫度過度升高，變流器將停止工作，機車的安全、穩(wěn)定運行無法得到保障。隨著機車向大功率發(fā)展，冷卻設(shè)計已成為變流器設(shè)計過程中非常重要和關(guān)鍵的研究內(nèi)容。目前對于大功率機車變流器冷卻的研究存在一些不足:功率器件損耗的確定方法復(fù)雜，液冷裝置設(shè)計方法不系統(tǒng)及實驗方法不適用等，嚴重制約了高使用性能冷卻裝置的開發(fā)與應(yīng)用推廣。
　　針對目前研究現(xiàn)狀，結(jié)合中國南車引進的9600

2、kW機車牽引變流器液冷裝置國產(chǎn)化項目（項目號:KKX-WLG-00-002），本文對大功率機車牽引變流器液冷裝置的設(shè)計方法及傳熱性能進行研究。具體的研究內(nèi)容如下:
　　首先基于對大功率機車牽引變流器的工作原理及IGBT模塊的工作特性的分析，推導(dǎo)了液冷裝置工作對象——IGBT模塊在通態(tài)及快速開關(guān)狀態(tài)時功率損耗的確定方法，建立了基于器件特性參數(shù)及特性曲線的功率損耗確定方法;采用該方法對9600kW機車牽引變流器IGBT模塊的功率損耗進

3、行了確定，并對結(jié)果進行了實驗驗證;對該方法的優(yōu)勢進行了比較分析。
　　然后采用傳熱學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)理論，對機車牽引變流器液冷裝置的設(shè)計進行了研究。給出了變流器的冷卻方案及液冷裝置的設(shè)計要求，建立了液冷裝置外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法;對液冷裝置的熱阻進行了研究，包括熱流路徑的分析、表面對流換熱的機理分析、表面換熱關(guān)鍵影響因素的分析，建立了液冷裝置基于內(nèi)部流道參數(shù)的熱阻確定方法;通過對液冷裝置冷卻介質(zhì)流動狀態(tài)的研究，建立了液冷裝置基于內(nèi)部流

4、道參數(shù)的流阻確定方法。上述三方面的研究構(gòu)建了一套系統(tǒng)的機車牽引變流器液冷裝置的設(shè)計方法。
　　接著對機車牽引變流器液冷裝置數(shù)值模型建立及求解方法進行了研究，分別建立了應(yīng)用幾何建模技術(shù)生成機車牽引變流器液冷裝置三維計算區(qū)域的方法;計算區(qū)域的網(wǎng)格生成技術(shù);粘性流體三維流動和傳熱的控制方程;采用有限容積法求解控制方程的方法與過程及數(shù)值模擬中采用的邊界條件及物理性能參數(shù)的處理方法。
　　再接著應(yīng)用研究的變流器液冷裝置設(shè)計方法及變流器

5、功率器件損耗確定方法，設(shè)計了9600kW機車牽引變流器的液冷裝置。采用研究的數(shù)值建模及求解方法，對設(shè)計的9600kW機車牽引變流器液冷裝置進行了仿真分析，獲得了該液冷裝置的性能指標;同時分析研究了入口流量、冷卻介質(zhì)、擾流柱結(jié)構(gòu)對液冷裝置性能的影響規(guī)律。
　　最后設(shè)計建立了液冷裝置的實驗系統(tǒng)，對設(shè)計的9600kW機車牽引變流器液冷裝置進行了傳熱與流動性能的測試分析，同時對入口流量、冷卻介質(zhì)、耗散功率對液冷裝置性能的影響規(guī)律進行了測試