大功率机车牵引变流器液冷装置设计方法及传热性能研究

【摘要】摘要：牵引变流器是大功率交流传动机车电气系统的重要组成部分。在机车运行过程中,如果温度过度升高,变流器将停止工作,机车的安全、稳定运行无法得到保障。随着机车向大功率发展,冷却设计已成为变流器设计过程中非常重要和关键的研究内容。目前对于大功率机车变流器冷却的研究存在一些不足：功率器件损耗的确定方法复杂,液冷装置设计方法不系统及实验方法不适用等,严重制约了高使用性能冷却装置的开发与应用推广。针对目前研究现状,结合中国南车引进的9600kW机车牵引变流器液冷装置国产化项目(项目号：KKX-WLG-00-002),本文对大功率机车牵引变流器液冷装置的设计方法及传热性能进行研究。具体的研究内容如下：首先基于对大功率机车牵引变流器的工作原理及IGBT模块的工作特性的分析,推导了液冷装置工作对象——IGBT模块在通态及快速开关状态时功率损耗的确定方法,建立了基于器件特性参数及特性曲线的功率损耗确定方法；采用该方法对9600kW机车牵引变流器IGBT模块的功率损耗进行了确定,并对结果进行了实验验证；对该方法的优势进行了比较分析。然后采用传热学和流体力学的相关理论,对机车牵引变流器液冷装置的设计进行了研究。给出了变流器的冷却方案及液冷装置的设计要求,建立了液冷装置外部结构的设计方法；对液冷装置的热阻进行了研究,包括热流路径的分析、表面对流换热的机理分析、表面换热关键影响因素的分析,建立了液冷装置基于内部流道参数的热阻确定方法；通过对液冷装置冷却介质流动状态的研究,建立了液冷装置基于内部流道参数的流阻确定方法。上述三方面的研究构建了一套系统的机车牵引变流器液冷装置的设计方法。接着对机车牵引变流器液冷装置数值模型建立及求解方法进行了研究,分别建立了应用几何建模技术生成机车牵引变流器液冷装置三维计算区域的方法；计算区域的网格生成技术；粘性流体三维流动和传热的控制方程；采用有限容积法求解控制方程的方法与过程及数值模拟中采用的边界条件及物理性能参数的处理方法。再接着应用研究的变流器液冷装置设计方法及变流器功率器件损耗确定方法,设计了9600kW机车牵引变流器的液冷装置。采用研究的数值建模及求解方法,对设计的9600kW机车牵引变流器液冷装置进行了仿真分析,获得了该液冷装置的性能指标；同时分析研究了入口流量、冷却介质、扰流柱结构对液冷装置性能的影响规律。最后设计建立了液冷装置的实验系统,对设计的9600kW机车牵引变流器液冷装置进行了传热与流动性能的测试分析,同时对入口流量、冷却介质、耗散功率对液冷装置性能的影响规律进行了测试分析,验证了机车牵引变流器液冷装置设计方法和仿真模型的正确性。通过上述各个方面的研究,基本形成了一套大功率机车牵引变流器液冷装置的设计方法,为机车牵引变流器的冷却设计及冷却技术的进一步发展奠定了理论基础。图73幅,表32个,参考文献139篇。
【作者】张龙燕；
【导师】胡均平；
【作者基本信息】中南大学，机械工程，2014，博士
【关键词】功率损耗；液冷装置；设计方法；数值建模；实验研究；

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