2011年10月电工技术学报Vol.26 No. 10 第26卷第10期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Oct. 2011高速动车组牵引变流器热容量刘建强郑琼林郭超勇游小杰（北京交通大学电气工程学院北京 100044）摘要在分析高速动车组牵引变流器冷却系统结构及工作原理的基础上，利用ANSYS软件构建了冷却系统中空气—水热交换器的有限元仿真模型，对热交换器温度场及空气流场进行了仿真研究；为了验证更高运行速度下高速动车组牵引变流器冷却系统能否满足散热需求，设计并搭建了牵引变流器热容量测试平台，利用该测试平台在武广客运专线对CRH3型高速动车组牵引变流器温升参数及冷却系统通风量进行了动态测试研究。
试验结果表明在高速运行工况下，牵引变流器冷却系统进风量将减小，但CRH3型高速动车组牵引变流器冷却系统仍然能满足动车组以330km/h高速持续运行的要求，试验测试结果验证了仿真结果的正确性。
在国内首次对高速动车组牵引变流器热容量进行了实车测试研究，为新一代时速380km/h高速动车组的设计奠定了一定的理论和实践基础。
关键词：高速动车组牵引变流器流量测量温升中图分类号：TK414.2；TM922.32Thermal Capacity of Traction Converter ofHigh Speed Electric Multiple UnitsLiu Jianqiang Trillion Q. Zheng Guo Chaoyong You Xiaojie（Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）Abstract Based on the structure parameter and operating principle of the cooling system of traction converter for high-speed electric multiple units (EMUs), a finite element model of air heat exchanger is built. Then the simulation including temperature field and fluid field is done. In order to verify the ability of the cooling system, a thermal capacity test rig for the traction converter is built.With the test rig, the temperature rise of traction converter and supply air volume of cooling system are measured in Wu-Guang high speed railway. The results show that when the high speed EMUs running in high speed, the supply air volume of cooling system will decrease, and the cooling system of traction converter for CRH3 EMUs can meet the requirements when the train continuous running in 330km/h.The simulated results are verified by the test results. The test and investigation on the thermal capacity of traction converter for high speed EMUs are firstly developed in China which makes a contribution to the design of the new generation high speed EMUs.Keywords：High-speed electric multiple units, traction converter, flow measurement, temperature rise1引言随着京津城际铁路和武广客运专线的开通运营，我国高速铁路的建设进入了高速发展期。
到2012年我国将建成高速铁路7000km，同时作为首条连接我国最大两个城市群的高速客运通道—京沪高速铁路，将在2011年率先建成并投入运营。
京沪高速铁路为我国的高速动车组提供了一个广阔的舞台，同时也提出了更高的要求（最高运营速度380km/h）。
国家863计划资助项目（2009AA110303）。
收稿日期 2010-11-09 改稿日期 2011-03-10206 电工技术学报 2011年10月牵引传动系统作为高速动车组的核心系统直接关系到动车组的运行状态，而牵引传动系统能否可靠工作很大程度上又依赖于其冷却系统的性能[1]。
在冷却系统工作过程中，为了加快热量的散发，通常采用冷却风机来加大空气对流速度，提高散热效率。
而高速动车组随着列车运行速度的增大，列车表面负压将加大，这将导致新风难以从变流器及牵引电机冷却系统的风道入口处进入，此时风机所需压头增加，流量减少，情况严重时，牵引变流器及牵引电机会因过热而损坏。
此外高速动车组在高速通过隧道过程中也会造成列车表面压力的剧烈波动，这也将导致冷却风机运行环境的突变，从而对牵引变流器及牵引电机的散热性能造成影响。
运用于京沪高速铁路的新一代高速动车组运营速度将达到380km/h，这对牵引变流器冷却系统单元提出了更高的要求。
本论文首先针对CRH3型高速动车组牵引变流器冷却系统的结构特点，构建了空气—水热交换器温度场及空气流场的有限元仿真模型，并对热交换器散热性能进行了仿真分析。
同时设计并构建了牵引变流器热容量测试平台，利用所构建的测试平台对牵引变流器温升及冷却系统通风量进行了实车测试研究，仿真及实车测试结果为新一代高速动车组牵引变流器冷却系统的设计提供了重要参考依据。
2牵引变流器冷却系统流场及温度场仿真研究2.1牵引变流器冷却系统结构目前大功率变流器的冷却方式有风冷、油冷和水冷这三种，其中水冷方式散热效率最高，且没有采用油冷所可能带来的污染和易燃问题，所以应用范围最广。
高速动车组牵引变流器绝大部分采用全封闭循环纯水冷却系统，其结构如图1所示。
冷却系统由膨胀水箱、水泵、水—空气热交换器、冷却模块、管路等组成，冷却介质为乙二醇与高纯水混合物。
图1 牵引变流器冷却系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of coolingsystem of traction converter牵引变流器冷却系统工作原理为冷却介质由水泵泵往主变流器外的热交换器，部分冷却介质从热交换器流到膨胀水箱，剩余部分冷却介质经由热交换器冷却后流回主变流器，流入并联连接的八个相构件模块，与功率器件进行热量交换；然后由泵泵出，再由水泵泵往热交换器，如此循环往复。
依据牵引变流器冷却系统的工作原理，整个牵引变流器冷却系统性能主要取决于热交换器散热的效果。
2.2冷却系统热交换器流场及温度场分析以CRH3型高速动车组为研究对象，其牵引变流器冷却系统热交换器的结构示意图如图2所示。
整个热交换器中共有37根矩形散热管路，x轴正方向为空气流入方向，z轴负方向为冷却液流动方向。
冷却液通过矩形散热管路的过程中与空气进行热交换，从而将热量散发出去。
图2 CRH3型动车组变流器冷却系统热交换器结构示意图Fig.2 Structure diagram of air heat exchangerin CRH3 EMUs鉴于热交换器结构的对称性，在仿真模型中，同时仿真3根散热管，而中间那根散热管最接近实际情况下散热器管的工作状态，故分析中间管的流场、温度场分布情况即可[2-8]。
有限元模型如图3所示，在仿真中设置进风口空气速度为7.6m/s，空气的流动方向为x轴正方向，设置冷却液进出口压力差为80kPa，冷却液的流动方向为z轴负方向。
冷却液进口初始温度为48℃（321K），空气入口温度图3 剖分后的散热管模型Fig.3 The mesh of FEA model第26卷第10期刘建强等 高速动车组牵引变流器热容量 207为37℃（310K ）。
仿真所得流场矢量图如图4所示，整个散热管路的温度场如图5所示。
散热管路冷却液进口处温度分布云图如图6所示。
图4 部分流场矢量图 Fig.4Vector diagram of flow field图5 散热管路温度分布示意图Fig.5 The temperature distribution of temperaturefield of air heat exchanger图6 散热管冷却液进口处温度分布示意图 Fig.6 The entry section temperature distribution oftemperature field由节点温度分布云图可以明显的看到在冷却液流动方向即z 轴负方向上，冷却液温度逐渐降低。
根据长方形散热管中各个区域流体速度和温度分布特性，结合式（1）～式（3）可以近似计算得出整个长方形散热管路的散热功率[9-10]。
Q =Cm ΔT （1）m =ρvAt （2） ΔT =T 1−T 2 （3）式中 Q —冷却液散发热量；C —冷却液的比热容； m —冷却液质量；ΔT —冷却液入口和出口温差； v —冷却液流速； t —时间；A —散热管横截面面积； T 1，T 2—入口和出口处冷却液温度。
当进风口空气流速为7.6m/s ，空气入口温度为37℃，冷却液进口初始温度为48℃时，单根散热管的散热功率为1304.796W 。
下表针对冷却气体以不同速度、不同温度通过热交换器的情况以及不同冷却液温度的情况，对热交换器单根散热管路的散热功率进行了比较分析。
从表的计算结果可以看出：随着进风口空气流速的增大，散热管路的散热功率也将增大；在一定的空气流速下，随着进风口空气与冷却液温差的增加，散热管路的散热功率将增大。
仿真结果表明，在高温运行环境条件下，通过提高牵引变流器冷却系统进风口风速增大通风量可以提高冷却系统的散热功率，从而确保牵引变流器的正常工作。
表 不同风速和温度条件下单根散热管散热功率分析 Tab. The heat emission power of heat exchanger in different air speed and temperature conditions空气流速/（m/s ）进风口空气 温度/℃散热管进入端 冷却液温度/℃散热功率/W4.7 37 48 577.975 4.64 29 45.7 830.413 11.4 37 48 2148.28 7.6 24 48 2815.4397.6 3748 1304.7963 牵引变流器热容量测试平台3.1 风量测量方法在CRH3型高速动车组牵引变流器冷却系统中，由于风机实际安装位置及风机前后管道形状、尺寸不满足风机流量测量标准的要求，必须提出适合实车测量风机风速、风量的方法，并对这一方法进行标定。