李志杰 王明 羅嗣欞

摘 要：為解決城市軌道交通車輛輔助逆變器存在的振動(dòng)噪聲等問題，文章介紹一種自然冷卻的輔助逆變器。首先簡要介紹該輔助逆變器的研究背景、主電路及技術(shù)參數(shù);然后詳細(xì)介紹該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱設(shè)計(jì)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析;最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;輔助逆變器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)仿真;自然冷卻

中圖分類號(hào)：U264.5+6;TP391.9

1 研究背景

現(xiàn)有城市軌道交通車輛（以下簡稱“城軌車輛”）上的輔助逆變器通常安裝在車體底部，其安裝空間非常有限，尤其是進(jìn)風(fēng)空間非常小，但是車輛負(fù)載的功率需求又比較大，因此對(duì)輔助逆變器的散熱要求非常高。

輔助逆變器通常采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱，主要存在以下技術(shù)問題。

（1）由于利用風(fēng)機(jī)散熱，因此需配備高速風(fēng)機(jī)提供一定流量的冷卻空氣帶走熱量而冷卻器件，從而增加了產(chǎn)品的振動(dòng)源、噪聲源及故障源。

（2）需設(shè)計(jì)符合要求的整體散熱風(fēng)道以提高風(fēng)速和風(fēng)壓，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜;并需將散熱器件及模塊的散熱器布置于風(fēng)道內(nèi)部，而密閉的風(fēng)道不利于器件的維護(hù)。

因此，無風(fēng)機(jī)的自然冷卻技術(shù)在變流器領(lǐng)域越來越得到工程技術(shù)人員的青睞。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本文將介紹一種自然冷卻的城軌車輛輔助逆變器，其具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、振動(dòng)及噪聲小、散熱效果好等特點(diǎn)。

2 主電路及技術(shù)參數(shù)

輔助逆變器采用兩電平絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）逆變電路（DC/AC），其主電路原理如圖1所示，包括輸入濾波單元（由FL及FC組成）、電容器充放電單元（由KM1、KM2、Rb及Rc組成）、IGBT逆變器模塊、輸出濾波單元（由TR1、ACC及Z1組成）、輸出隔離單元（由KMA組成）及控制單元等。

直流輸入電壓（DC1500V）首先經(jīng)過LC濾波單元及電容器充放電單元，濾波后的直流電壓由IGBT逆變器模塊逆變成交流電壓（AC640V），再經(jīng)過三相變壓器（TR1）進(jìn)行電壓隔離，降壓成AC380V，最終經(jīng)三相輸出濾波單元濾波后得到低諧波含量的三相準(zhǔn)正弦380 V電壓，從而為城軌車輛的空調(diào)、空氣壓縮機(jī)、照明等提供穩(wěn)定的三相四線制交流電壓。

輔助逆變器的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輔助逆變器的總體結(jié)構(gòu)尺寸為2700mm （長）×800mm（寬）×650 mm（高），采用模塊化設(shè)計(jì)理念，將箱體內(nèi)部的散熱器件分別布置于相應(yīng)的散熱腔體內(nèi)，如圖2和圖3所示。柜體分別設(shè)有電抗器腔、逆變模塊腔和變壓器腔3個(gè)腔室，各個(gè)腔室相互獨(dú)立，可保證各個(gè)散熱器件的熱量互不干擾;并且各個(gè)腔體的面板上開有多個(gè)通風(fēng)散熱部，以使3個(gè)腔室均獨(dú)立形成與外界貫通對(duì)流的通風(fēng)散熱風(fēng)路。散熱時(shí)，外界的空氣不斷通過各個(gè)通風(fēng)散熱部分別進(jìn)入3個(gè)腔室內(nèi)，在帶走腔室內(nèi)器件的熱量后，再通過通風(fēng)散熱部流出腔室外，從而完成熱量交換達(dá)到自然冷卻散熱的目的。

通過以上特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該輔助逆變器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無須配置風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，使得成本降低，且無風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲及振動(dòng)，提高了產(chǎn)品的可靠性和舒適性;

（2）由于取消了使用風(fēng)機(jī)的密閉風(fēng)道，使得維護(hù)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。

柜體采用框架式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并按照圖1將器件合理布置分配。在柜體中部布置IGBT逆變器模塊，并安裝于柜體的承重框架梁上，這樣既可以確保柜體的重心居中，又可以保證柜體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。逆變模塊的散熱器采用部分嵌入柜體內(nèi)部的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的自冷型散熱器完全伸出柜體外部的安裝方式相比，這種部分嵌入的特殊設(shè)計(jì)有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少了對(duì)箱體的外形尺寸要求，使得箱體更加緊湊，方便車下布局;

（2）由于一部分散熱片單元凸出裝設(shè)于逆變模塊腔室外，在列車運(yùn)行過程中，能夠利用車輛的走行風(fēng)對(duì)凸出的散熱片單元進(jìn)行強(qiáng)迫自然風(fēng)冷，散熱效果更佳。

4 散熱設(shè)計(jì)

IGBT逆變器模塊是輔助逆變器的核心部件，集成了散熱器、IGBT元件、直流電容器、電流傳感器、溫度繼電器等部件，提高了產(chǎn)品的模塊化程度。目前，強(qiáng)迫風(fēng)冷的模塊一般采用鋁散熱器，散熱效率不高且需配備風(fēng)機(jī)。該輔助逆變器的IGBT逆變器模塊采用熱管散熱器，可以在省去風(fēng)道和風(fēng)機(jī)的情況下進(jìn)行良好的自然冷卻，其外形如圖4所示。

熱管是一種高效能的傳熱元件，它利用相變原理和毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)超常的傳熱效果，傳熱效率比鋁高出上百倍。熱管的一端為蒸發(fā)段（熱端） ，另一端為冷凝段（冷端）。每根熱管的熱端均嵌入散熱器基板內(nèi)，使IGBT元件的熱量可借助基板迅速地傳入熱管的熱端。熱管的冷端均插入散熱片單元內(nèi)，從而使傳遞到熱管冷端的熱量通過散熱片得以及時(shí)疏散。由于逆變器模塊的散熱量很大，因此本模塊采用的熱管均設(shè)計(jì)為特殊的L 形。L形熱管的一端完全嵌入散熱器基板內(nèi)，這樣能夠增大熱管和散熱器基板的接觸面積，將散熱器基板上的熱量更加快速、均勻地散發(fā)到散熱片單元，從而可提高散熱效率。

為驗(yàn)證散熱器設(shè)計(jì)方案的可行性及散熱效果，按GB/T 25122.1-2018《軌道交通機(jī)車車輛用電力變流器第1部分：特性和試驗(yàn)方法》第4.5.3.13條，對(duì)輔助逆變器進(jìn)行溫升試驗(yàn)。在散熱器臺(tái)面上的不同位置提前埋設(shè)好若干個(gè)溫度探頭，并在額定負(fù)載工況下運(yùn)行輔助逆變器，當(dāng)溫升達(dá)到穩(wěn)定后，測量出各個(gè)點(diǎn)的溫度。在試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)過計(jì)算得出散熱器的最大溫升值為35.6 K，其小于允許的溫升值45 K，表明該輔助逆變器的散熱設(shè)計(jì)滿足要求。

5 結(jié)構(gòu)仿真

該輔助逆變器的質(zhì)量為1 050 kg，由鈑金件焊接和螺栓緊固而成，吊裝在車體底部。由于柜體的強(qiáng)度對(duì)列車行車安全至關(guān)重要，因此，需要對(duì)柜體進(jìn)行靜強(qiáng)度和隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，首先需要建立有限元力學(xué)模型，采用Hyper Mesh軟件對(duì)鈑金件抽取中面并劃分成殼單元，電氣元器件劃分為體單元，焊接與螺栓連接通過剛性單元實(shí)現(xiàn);在有限元模型建立好之后，再導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算。有限元模型如圖5所示。

根據(jù)TB/T 3548-2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范總則》規(guī)定的載荷對(duì)輔助逆變器進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析，即按縱向3g、橫向1g、垂向3g（包括重力）的標(biāo)準(zhǔn)，其中g(shù)為重力加速度。不同載荷下的靜強(qiáng)度仿真結(jié)果如表2所示，由表可知，不同載荷下所產(chǎn)生的3 個(gè)方向的最大應(yīng)力為296.5 MPa，小于Q345材料的屈服強(qiáng)度（345 MPa），靜強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;最大位移為2.51mm，其位置都出現(xiàn)在變壓器的端部。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析一般分2步進(jìn)行：①對(duì)有限元模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，計(jì)算模型傳遞函數(shù)，得到單位載荷激勵(lì)下模型在各階頻率上的應(yīng)力分布情況，因此計(jì)算1σ應(yīng)力是分析結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析的主要任務(wù)之一，可通過ANSYS軟件的隨機(jī)振動(dòng)分析得到該結(jié)果;②在得到最大1σ應(yīng)力的基礎(chǔ)上，再通過材料P-S-N曲線，根據(jù)Steinberg理論和Miner線性疲勞累計(jì)損傷理論對(duì)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估。

隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析仿真結(jié)果如下：橫向、垂向和縱向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的最大1σ應(yīng)力分別為21.77 MPa、44.28MPa、29.27 MPa，都小于材料的屈服強(qiáng)度，且位置都出現(xiàn)在變壓器的安裝螺栓處，因此可以說明柜體其余部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裕量都較大。通過進(jìn)一步計(jì)算，可以得出3個(gè)方向的疲勞損傷之和小于1，由此可得該輔助逆變器的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，按照GB/T 21563-2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》第8～10條，對(duì)輔助逆變器分別進(jìn)行功能隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、模擬長壽命試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。將輔助逆變器固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)位上，采用1類A級(jí)長壽命試驗(yàn)加速度頻譜密度（ASD）量級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，輔助逆變器應(yīng)能承受縱向、橫向和垂向3個(gè)互相垂直方向總共15 h的試驗(yàn)。在沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)柜體進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)緊固件松動(dòng)、外殼變形及裂紋等故障;并隨即進(jìn)行電性能試驗(yàn)，要求輔助逆變器在額定工況下連續(xù)工作2min，輸出未發(fā)現(xiàn)異常，電壓、電流波形也無畸變，從而表明可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的相關(guān)功能。因此，試驗(yàn)判定為合格，試驗(yàn)結(jié)果表明柜體的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

本文介紹的自然冷卻式城軌車輛輔助逆變器，具有電路成熟、性能穩(wěn)定、可靠性高、維護(hù)簡便等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)已達(dá)到國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的先進(jìn)水平。其解決了強(qiáng)迫風(fēng)冷輔助逆變器的振動(dòng)噪聲難題，以其獨(dú)特的優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用，目前已在重慶地鐵、印尼巨港輕軌等項(xiàng)目車輛中批量推廣應(yīng)用，且運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

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收稿日期 2020-03-27

責(zé)任編輯 黨選麗