高速动车组牵引变流器的压力特性及温升计算.pdf
《高速动车组牵引变流器的压力特性及温升计算.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高速动车组牵引变流器的压力特性及温升计算.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI:10.11985/2023.02.030 高速动车组牵引变流器的压力特性及温升计算*丁 杰 尹 亮(湖南文理学院机械工程学院 常德 415000)摘要:为分析高速动车组运行过程中列车表面压力对牵引变流器进出风口的影响以及牵引变流器的冷却散热效果,首先建立列车明线运行的空气动力学模型,通过数值模拟得到高速动车组以速度 350 km/h 明线运行时的压力分布特性,结果表明牵引变流器的进出风口均为负压,出风口与进
2、风口平均压差值为负值,这有利于牵引变流器的通风散热;然后根据牵引变流器的结构特点分别建立了液冷子系统和风冷子系统的仿真模型,得到主逆变组件、整流组件和辅助逆变组件的绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)元件温升,以及变压器、电抗器等电气部件的温升;最后通过温升试验验证仿真计算结果的准确性和牵引变流器的散热效果。牵引变流器的压力特性及温升计算,对于高速动车组的开发研制具有一定意义。关键词:高速动车组;牵引变流器;空气动力学;压力特性;温升计算 中图分类号:U270 Pressure Characteristics and Tempera
3、ture Rise Calculation of Traction Converter for High Speed EMU DING Jie YIN Liang(School of Mechanical Engineering,Hunan University of Arts and Science,Changde 415000)Abstract:In order to analyze the influence of the surface pressure of the train on the air inlet and outlet of the traction converter
4、 and the cooling effect of the traction converter during the operation of the high-speed electric multiple units(EMU),the aerodynamic model of the open line operation of the train is established.The pressure distribution characteristics of the high-speed EMU running at the speed of 350 km/h are obta
5、ined by numerical simulation.The results show that the air inlet and outlet of the traction converter are all negative pressure,the average pressure difference between the air outlet and inlet is negative,which is conducive to the ventilation and heat dissipation of the traction converter.Then,accor
6、ding to the structure characteristics of the traction converter,the simulation models of the liquid cooling subsystem and the air cooling subsystem are established respectively,and the insulated gate bipolar transistor(IGBT)component temperature rise of the main inverter assembly,rectifier assembly
7、and auxiliary inverter assembly,as well as the temperature rise of the electrical components such as transformer and reactor are obtained.Finally,the accuracy of the simulation results and the cooling effect of the traction converter are verified by the temperature rise test.The calculation of press
8、ure characteristics and temperature rise of the traction converter has certain significance for the development of high speed EMU.Key words:High speed EMU;traction converter;aerodynamics;pressure characteristics;temperature rise calculation 1 引言 牵引变流器作为高速动车组的关键设备之一,利用 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管(Insulated gat
9、e bipolar *湖南省教育厅科学研究重点(21A0416)、湖南文理学院科学研究重点(22ZD02)和湖南文理学院科技创新团队(校办通202026 号)资助项目。20220109 收到初稿,20220520 收到修改稿 transistor,IGBT)元件进行电能变换,为整车运行提供动力1。IGBT 元件芯片体积小,而工作过程中产生的损耗大,必须采用合适的冷却方式进行散热才能确保其可靠运行。由于高速动车组运行过程中不同部位会呈现出不同的压力分布2-4,直接影响到车体底部牵引变流器进出风口的压力特性,从而对其内部通风冷却系统的稳定工作产生不利影响,严重时会出现车体外部空气向牵引变流器出风口
10、倒灌的情况5,因 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 288 此,有必要对高速动车组运行工况下的牵引变流器进出风口压力特性及 IGBT 元件温升开展深入研究。国内外对列车交会、隧道通过等运行工况引起的空气动力学问题进行了大量研究,研究方法主要有试验研究(包括实车试验6-8、风洞试验9和动模型试验10)和仿真计算。韩运动等11仿真分析了动车组在明线会车工况下的设备舱内气流组织,通过计算得出随着交会速度的提高,设备舱各进出风口的流量变化幅值增大,通风性能出现明显波动,由于交会持续时间为 12 s,对设备舱整体通风性能不会产生较大影响。代玉博12利用 FLUENT 软件分析了高速动车组
11、在明线有无横风的环境下设备舱的通风散热性能,发现出风口处在迎风侧时设备舱的通风效果较差。刘楠等13对某动车组 400 km/h 明线运行时空调冷凝器的进出口压力进行了数值模拟,在对比三种设计方案的基础上提出了增加扰流罩的优化方案。史永达等14针对高速动车组列车前端区域进行空气动力学仿真,考虑了开闭罩缝隙对其内部流场的影响。通过文献分析可知,高速动车组的设备舱进出风口压力主要受明线运行的影响,隧道通过、交会、横风等情况会造成设备舱进出风口压力在很短时间内发生更加剧烈的变化。本文以某高速动车组牵引变流器为研究对象,建立列车明线运行的空气动力学模型,分析高速动车组以速度350 km/h明线运行时牵引
12、变流器的进出风口压力分布特性及对通风的影响。根据牵引变流器的结构特点分别建立液冷子系统和风冷子系统的仿真模型,分析 IGBT 元件、变压器和电抗器等部件的温升,并用温升试验验证牵引变流器的散热设计及效果,为高速动车组牵引变流器的开发研制提供指导。2 高速动车组的空气动力学数值计算 2.1 空气动力学问题的控制方程 高速动车组的空气动力学数值计算属于计算流体动力学范畴,利用数值计算方法求解高速动车组周围空气流场的流动控制方程,得到流速和压力等信息。压缩性是流体的基本属性之一,然而当流体密度的变化对流动的影响可忽略时,可以采用不可压缩流动的假设,认为密度为常数。一般而言,马赫数 Ma0.3 或研究
13、列车交会、列车隧道通过等问题时,应考虑为可压缩黏性流体。针对高速动车组牵引变流器,冷却系统具备一定的安全裕量,列车交会或隧道通过的时间短,大部分时间内为速度 350 km/h 的明线运行,此时的Ma 数为 0.286,因此,可采用不可压缩非定常流动的基本控制方程进行描述15。连续方程为 ()div0=U (1)x、y 和 z 三个方向的动量方程分别为 ()()1divdivgradupuutx+=U (2)()()1divdivgradvpvvty+=U (3)()()1divdivgradupwwtz+=U(4)能量方程为 ()divdivgradTpSTTTtc+=+U(5)式中,U为流体
14、速度矢量;u、v和w分别为直角坐标系x、y和z方向的速度分量;t为时间;div表示散度;grad表示梯度;为流体密度;为流体的运动黏度;p为压力;T为温度;为流体导热系数;cp为流体比热容;ST为流体的内热源及流体机械能因黏性作用而转换为热能的部分(简称黏性耗散项)。方程(1)(4)包含了u、v、w和p共四个未知量,层流情况下的方程组是封闭的。能量方程中包含T和两个未知量,因此需要补充联系压力和密度的状态方程。对于理想气体,状态方程为pRT=,其中R为摩尔气体常数。不可压缩流动模型中的能量方程与连续方程、动量方程不耦合,如果需要了解因黏性耗散引起的流场温度分布的变化,可在计算出速度分量后代入能
15、量方程求解温度分布;若不关注流场中的温度分布时,可以不考虑能量方程。与高速动车组相关的流动绝大部分属于湍流,尤其是列车周围的附面层分离、尾流等具有明显的分离特征。湍流的数值模拟方法主要有湍流模型(包括涡黏性模型和雷诺应力模型)、大涡模拟和直接数值模拟。大涡模拟要求网格尺度非常小,网格规模大,对计算机资源的要求非常高,重点关注尾涡和分离区域时可以采用。直接数值模拟的时间离散步长在100 s以下,难以适用于复杂的列车外流场问题。湍流模型中,标准k-模型应用非常广泛,采用直角坐标中张量形式表示的湍流动能k方程和湍流耗散率方程分别为 月 2023 年 6 月 丁 杰等:高速动车组牵引变流器的压力特性及
16、温升计算 289 tjjjkjjiitjjikkkutxxxuuuxxx+=+(6)212tkkkkjtiijjiutxxxuCuuCkxxxk+=+(7)式中,和t分别为层流和湍流的黏性系数;k和分别为脉动动能和耗散率的Prandtl数;C1和C2为经验常数。2.2 空气动力学计算模型 高速动车组采用8节车编组,牵引变流器位于2、3、6和7号车的底部,其中6、7号车的牵引变流器布置与2、3号车的布置沿列车中间对称。图1为2、3号车牵引变流器进出风口的位置说明。图 1 牵引变流器进出风口在车底的布置 考虑到列车及安装部件的几何结构非常复杂,网格划分难度很大,因此需要对几何模型进行适当简化。主要
17、保留车体侧面、车顶和底部的基本外形轮廓特征,而忽略受电弓和车体底部安装设备等部件的细节特征。确定计算区域时,长度方向尺寸的选取是使计算区域下游边界尽可能远离列车尾部,避免出口截面受到列车尾流的影响,便于给定出口边界条件;宽度方向尺寸的选取是需要避免阻塞效应影响。针对某高速动车组,车身的长度lc、宽度wc和高度hc分别为201.90 m、3.36 m和4.006 m,计算区域的进口长度L1和出口长度L2分别为20hc和50hc,计算区域的宽度W和高度H分别为30hc和15hc。计算区域的边界条件定义如下:流体域的顶面及侧面设置为对称边界;列车表面设置为无滑移壁面条件;地面设置为滑移边界条件,给定
18、与车速大小相等、方向相反的速度,以体现与列车之间的相对运动;速度入口给定法线方向、车速大小的速度;压力出口设置静压为零。计算区域的尺寸及坐标定义如图2所示,其中x为列车长度方向,y为列车宽度方向,z为高度方向。图 2 计算区域及边界条件 计算模型的网格划分需要足够精细,尤其是边界层、剪切层、大漩涡结构、回流区和尾迹区等区域的压力或速度梯度大,该区域的网格需要采取局部加密的方式,以确保网格无关性。采用HyperMesh软件划分非结构化网格,物体表面为三角形网格,空间采用四面体网格。采用FLUENT软件进行求解计算,差分格式选择QUICK格式,这是一种改进的离散方程截差方法,可得到比中心格式和二阶
19、迎风格式更精确的计算结果。非定常流动的收敛准则设置为流场参数和湍流模型参数的标准化残差值数量级分别降低到104和103,并关注监控点的曲线变化趋势。2.3 列车表面压力计算结果分析 图3为高速动车组以速度350 km/h明线运行时的车体表面压力分布。由图3可以看出高速动车组除车头鼻端部等少数部位,其车身及车体底部大部分区域基本为负压,牵引变流器进出风口位置均处在负压区域。图 3 列车表面压力分布 计算区域的y坐标原点在列车车体宽度的中心 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 290 线上,如图4所示提取y坐标分别为0.783 m、0.783 m和0的车体底部压力数据,得到如图5a所
20、示的列车底部压力曲线。计算区域的z坐标原点在地面(即轨面),提取距离地面0.565 m处列车车体左侧的压力数据,得到如图5b所示的列车裙板压力曲线。由图5a和图5b对比可知,沿列车纵向的裙板外侧压力在鼻端处位置最大,转向架及风挡位置次之,列车车身处最小;位于2、3号车的牵引变流器进出风口与车辆前端转向架(以列车运行方向定义)距离较近,而位于6、7号车的牵引变流器进出风口位置与车辆后端转向架距离较近,因转向架对列车底部流场的影响,使得2、3号车与6、7号车的牵引变流器进出风口位置压力有所不同。图 4 列车底部压力数值的提取部位 图 5 列车不同位置的压力曲线 表1为2、3、6和7号车不同部位的压
21、力平均值。可以看出尽管牵引变流器进风口压力为负值,但是牵引变流器出风口的负压值大于进风口,2、3、6和7号车的牵引变流器出风口与进风口平均压力的差值分别为70.0 Pa、187.0 Pa、222.0 Pa和197.5 Pa,出风口与进风口平均压差值为负值有利于牵引变流器的通风散热,不会出现列车车体外部空气向牵引变流器出风口倒灌的情况。表 1 列车不同部位的进出风口位置压力平均值 Pa 位置 2 号车 3 号车 6 号车 7 号车 进风口 1 97 140 61 65 进风口 2 101 136 68 66 出风口 1 185 355 307 277 出风口 2 173 347 353 321
22、出风口 3 161 318 274 253 出风口 4 157 280 212 201 进风口平均值 99.0 138.0 64.5 65.5 出风口平均值 169.0 325.0 286.5 263.0 出风口与进风口差值70.0 187.0 222.0 197.5 3 牵引变流器的温升计算 3.1 牵引变流器的温升计算模型 图6为某高速动车组的牵引变流器三维结构示意图,主要包括主逆变组件、整流组件、辅助逆变组件、变压器和电抗器。根据主电路参数可以计算出以上部件在额定条件下的损耗分别为11 850 W、15 104 W、5 472 W、11 975 W和1 200 W。主逆变组件、整流组件和
23、辅助逆变组件的热量主要来自于IGBT模块,采用水冷散热的方式将IGBT模块的热量带至热交换器。变压器和电抗器的热量主要通过强迫风冷的方式带至热交换器。为了实现冷却液和牵引变流器柜体内部空气的温度保持在使用范围内,通过双叶轮的轴流风机从牵引变流器两侧的进风口1和进风口2抽风,经热交换器换热后,再从牵引变流器底部的出风口14流出,进、出风口的相对位置如图1所示。图 6 牵引变流器的三维结构 由于整个牵引变流器的模型非常大,超出了现有台式工作站的计算能力,因此需要采用一定的简化策略与仿真建模方法。考虑到热交换器的结构复月 2023 年 6 月 丁 杰等:高速动车组牵引变流器的压力特性及温升计算 29
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高速 车组 牵引 变流器 压力 特性 计算
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。