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解决方案 |

轨道交通

发布时间:
2018/07/10 09:07
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【摘要】:
近几年,国家的铁路事业加速发展,取得了可喜的成果,特别在高速列车方面。为了更进一步达到发达国家轨道交通技术的水平,还有许多技术需进一步研究。由于电气牵引有着传统内燃机牵引或者蒸汽机牵引无可比拟的优点——功率大,速度快,能源利用率高,环境污染少等原因。现在,无论内燃机车、电力机车、高速列车的牵引系统均采用电传动。目前电传动有两种牵引传动方式:(1)交—直传动方式,在该传动方式中,牵引变流器的主要功能
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  近几年,国家的铁路事业加速发展,取得了可喜的成果,特别在高速列车方面。为了更进一步达到发达国家轨道交通技术的水平,还有许多技术需进一步研究。

  由于电气牵引有着传统内燃机牵引或者蒸汽机牵引无可比拟的优点——功率大,速度快,能源利用率高,环境污染少等原因。现在,无论内燃机车、电力机车、高速列车的牵引系统均采用电传动。目前电传动有两种牵引传动方式:(1)交—直传动方式,在该传动方式中,牵引变流器的主要功能是将交流电通过四象限整流器整流输出直流电,通过调整直流电电压来控制每台直流电机,属于电压型调速。(2)交—直—交传动方式,在该传动方式中,牵引变流器的主要功能是将交流电经四象限整流器整流输出直流电,直流电再经逆变器输出为电压、频率均可调的交流电来控制每台交流电动机,属于变频型调速。直流电机的特点是:有电流的换向问题,体积大、重量大、寿命短,消耗的有色金属较多,设备复杂,造价高,运行中的维护检修也比较麻烦,用直流电机调速的列车速度提升空间有限。交流电机的特点是:体积小、重量小、寿命长,结构简单,运行可靠,成本相对较低,维护检修也简单。由于采用交流电机牵引的列车调速快、且能达到较高的速度。所以,高速列车牵引传动多采用交—直—交调速的方式。

  在交—直—交调速中,牵引变流器使用的主要电器元件是IGBT。IGBT是个高频的开、关功率元器件,工作时要消耗电能,它把电能转化为热能的形式。通常流过IGBT的电流较大,IGBT的开、关频率也较高,故器件的能量损耗较大。若产生的热量不能及时散掉,IGBT内部的结温将会超过最大值125℃,IGBT就可能损坏。有统计资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%;温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6,因此,只有快速、及时的将产生的热量散走,才能保持IGBT的正常运行。

  IGBT散热的种类有以下几种:风冷,热管,液体冷却。本研究主要研究没相变的液体(水)冷却形式。

  IGBT水冷原理:水冷散热是一个密闭的液体循环装置,通过冷却系统管路中的水乙二醇混合剂循环流过功率电子元件的安装基板,功率模块产生的热量被循环水带走,然后水泵将此混合剂抽入到空气-水热交换器中,将热量散发到周围空气环境中,达到冷却的效果。

 

  冷却系统结构图,如下图1所示:

 

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图1 高速列车牵引逆变器中IGBT水冷系统结构图

1 散热器 2 风机 3 电子元件 4 冷却散热基板(内含介质及微槽道)

 

 

  冷却散热基板内介质流动如下图所示。

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目的

IGBT产生的热量能否及时、高效的散掉,表现在IGBT与冷板接触表面的壁温的大小,并且是壁温越小越好,即IGBT的壁温越低越好。

由牛顿冷却公式我们知道,

(1)祥博传热科技

其中,Q为IGBT的热流量

 

h为表面传热系数

 

s为IGBT与冷却散热基板接触侧的表面积

 

tw为IGBT与冷却散热基板接触侧的壁温

 

祥博传热科技 为冷却液体的温度

 

热流量Q的减小可以引起tw的下降,但在IGBT功率不变的情况下,使得tw下降的空间十分有限。

表面s积的增加可以引起tw的下降,但是由于实际物体重量、体积空间等的限制,以及高速列车自身需求的要求使得表面积的s增大很有限,使得tw下降的空间被极大的束缚。

冷却液体的温度祥博传热科技的降低可以引起tw的下降,但是冷却液体的温度的降低受地域,气候,以及外界气温变化的影响;受热交换器和风机之间热量与空气的热交换的影响;使得散热器的散热效果波动较大,不利于有效的降低tw

表面传热系数的h提高可以引起tw的下降,并且不受其他条件的限制,可以有效的降低tw

所以,当表面传热h系数最大时,tw最小,也就是使得IGBT的表面壁温最低,IGBT的工作更安全、更可靠!

因此,如何获得冷却散热基板最大的表面传热系数h成为问题的关键,也是本研究的目的。

 

实验原理:

为了获得表面传热系数h,需要测发热块(IGBT用发热块来代替)与冷却散热基板接触侧的表面积s,测出单位:m²;测发热块的温度 ;测冷却液体的进口温度tw ,出口温度tfout,利用,得到冷却液的温度 ,单位:K ;发热块的加热采用直流稳压电源通电的方式实现,用安培表、伏特表分别测得电路中的电流I、电压U,利用公式 P=UI,Q=P ,得到加热功率Q,单位:W。最后,应用牛顿冷却公式:

(2)计算可得表面传热系数h 。

为了获得最大的表面传热系数 ,冷却液的流通通道我们采用微槽道,微槽道内部结构如图3所示:

 

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图3

 

实验系统如图4所示:

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图4:实验系统图

 

  该系统主要包括1个恒温水箱,1个电动水泵,1套水净化装置及水补给系统,1套乙二醇补充系统,2套直流电源系统(包括2个伏特表,2个安培表,2个滑动电阻,2个灯泡,及导线若干),2个发热块,1套冷却散热基板(内含介质及微槽道),2套数据采集板,1台计算机。

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