动车组牵引变流器冷却系统冷却方式研究
牵引变流器中IGBT的水冷实验研究
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人到空
气一 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 结构如 图 １ 示 。 所
冷却散热基板内介质流动如图 ２ 所示。
１ ２ 目的 ．
ＩＢ Ｇ Ｔ产生的热量能否及 时、 高效 的散掉， 表现
在 ＩＢ Ｇ Ｔ与 冷板 接 触 表 面 的壁 温 的 大小 ， 且 是 壁 并 温越 小越好 ， Ｉ Ｂ 即 Ｇ Ｔ的壁温越低 越好 。
由牛顿冷却公式我们知道，
ｎ
将会超过最大值 １５ ＩＢ ２ ￣ Ｇ Ｔ就可能损坏。有统计 Ｃ， 资料表 明， 电子元器件温度每升高 ２ 可靠性下降 ℃， １ ％； ０ 温升 ５ ℃时的寿命只有温升为 ２ ￣ 时的１６ Ｏ ５Ｃ ／，
ｔ Ｊ Ｉｔ
进 口温度 ｔ 出 口温 度 ｔ ， 用 ＝ 利
二
， 到 得
冷 却 液 的温度 ｔ 单 位 ： 发 热 块 的加 热 采 用 直 流 Ｋ；
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， 用公 式 Ｐ＝Ｕ ， 、 利 ＩＱ＝Ｐ ，
受其 他 条件 的限制 ， 以有效 的降低 。 可
所 以， 当表面传热系数最大时 ， 最小 ， 也就是使 得 ＩＢＴ的表 面壁 温最低 ，Ｇ Ｔ的工 作更 安 全 、 可 Ｇ ＩＢ 更
靠。 因此 ， 如何 获得 冷 却散 热 基 板 最 大 的表 面传 热
图 ４ 实 验 系统
该系统主要包括 １ 个恒温水箱 ， 个 电动水泵 ， １ ｌ 套水净化装置及水补 给系统 ， 套 乙二醇补 充系 １ 统 ， 直 流 电源 系统 （ 括 ２个 伏 特 表 ， 安 培 ２套 包 ２个
CRH3动车组牵引变压器冷却系统性能研究
时提供补给 。通过在副 油箱上安装 的可 视液位检测仪 来观
察系统油量变化。 Ｃ Ｒ Ｈ ３ 型高速动车组牵 引变压器冷却 方式将油 的循 环速
压器 是高漏抗 、多绕 组变压器 ，当采用饼 式 、分裂 式绕组
度 比自然对流时提高３ 倍 ，则变压器可增加容量３ ０ ％ 。
９
遇和 挑战 。 目前 以Ｃ Ｒ Ｈ ３ 系列 为代表 的高速 动车组 已经奔驰 在全 国的 高速 铁路上 ，京滓城 际客运专 线、武广客运 专线 为 国产 高速动 车组提供 了广阔的舞 台。 目前 ，高速 电动车组 全部是动 力分散 式交流传 动 电动 车 组 。在 交 流传 动 电动 车组 将 电能 转变 为 机械 能这个 能
３ 冷却 系统构成及原理
３ ． １ 牵 引变压 器冷 却系统 构成
Ｃ Ｒ Ｈ ３ 型高速动车组牵引变压器 （ Ｔ Ｆ ）位于动车 组Ｔ Ｃ ０ ２ ／
Ｔ Ｃ ０ ７ 拖车的地板下，变压器冷却装置 （ Ｃ Ｌ Ｆ ）在每个变压器
的旁边 。牵 引变压器冷却 系统包含过滤 器、热交换器 、油 泵 、冷却风 扇、通风道 、主要框架 、带液位测量仪 的补 偿 水箱和冷却 剂等主要部件 ，过滤器包括 入 口过滤器和污 垢 粗过滤器及精 过滤器 。冷 却系统 的大部 分冷却液和绝缘 介
些热 能主要来 自于 空载损耗和 负载损耗两 个方面 ，变压器
运行 时发热 的同时也在 向外界 散热 ，当发 热量大 于散热量 时设 备的各个 部件 的温 度就会升 高 ，当发热 量与散热 量相 同时 设备温度 保持不变 ，当设备长 时间处 于发热量大 于散 热量 工况 时设 备各部件 会持续升温 ，这需要 冷却装 置的冷 却性 能足够 强才 能将 设备的温升控制在允许 的范 围内。 牵 引变压器 是高速 动车组 的关 键部件 ，其损耗主 要有 空载 损 耗 和 负载 损耗 ，但是 高速 动 车 组所 采用 的牵 引变
高速列车牵引变流器中IGBT的相变冷却实验研究
CRH3型动车组牵引变流器冷却系统RAMS分析
CRH3型动车组牵引变流器冷却系统RAMS分析文章阐述了CRH3型动车组项目牵引变流器冷却系统的系统安全性与系统可靠性、可用性以及可维修性（RAMS）的要求，目的是确保冷却系统的系统保证工作能够与车辆厂保持同步开展，以保证列车的正常运行。
标签：CRH3型动车组；牵引变流器冷却系统；RAMS；可靠性框图（RBD）前言CRH3电动车组在运行过程中，牵引变流器会产生大量的热损耗，而牵引变流器冷却系统的作用就是能够及时将这些热量带走，足见其地位的重要性，因此对其安全性、可靠性、可用性以及可维修性的分析验证，也就变得尤为关键。
1 系统概述电网提供25kv单相工频高压电、高压电经网侧高压电气设备传递给牵引变压器，牵引变压器将高压电降压后的单相工频电流输出给牵引变流器，牵引变流器将输入电流进行整流、滤波和逆变，输出可调频、调压的三相交流电，驱动三相交流异步牵引电机转动，带动车轮转动、列车运行。
在这个能量转化和动力传递过程中，牵引变压器、牵引变流器和牵引电机的电气元件在工作中会产生热损耗，引起电气元件温度上升，如果温度超出元件所能承受的范围，变压器、变流器和电机等将不能正常工作，甚至可能会使电气元件产生绝缘失效、着火等危险。
因此，必须采用合适的冷却系统将变压器、变流器和电机工作时产生的热量带走，这样才能保证牵引变压器、牵引变流器和牵引电机正常工作，从而保证机车安全运行。
以16节车厢的动车组长编组为例，牵引变流器冷却系统共8个，分别悬挂在动力车厢EC01、VC03、IC06、IC08、BC09、IC11、IC14、EC16的车底。
如图1所示。
图1 牵引变流器冷却系统在列车上的分布牵引变流器冷却系统构成及原理：CRH3高速电动车组牵引变流器冷却系统为水冷却系统。
由以下主要部件构成：水冷基板、冷却装置、膨胀水箱、水泵、过滤器、传感器、各种控制阀门及管路等，其中冷却装置由空气过滤器、散热器、风机组、安装箱体等部件组成。
动车组牵引变流器冷却系统检修及散热器服役寿命提升技术研究
动车组牵引变流器冷却系统检修及散热器服役寿命提升技术研究摘要：在动车组进口部件检修技术研究中，对进口某型动车组牵引变流器冷却装置整体设计原理及结构、服役散热器故障模式进行了分析;通过FloEFD仿真分析和散热性能、流量及压力损失性能试验验证，研发了国产化替代散热器;优选了一种提升散热器寿命的表面防腐处理方法。
可实现动车组进口冷却系统自主化检修，并降低散热器泄漏率，延长散热器寿命，为动车组安全可靠运用提供了基本保障。
本文主要分析动车组牵引变流器冷却系统检修及散热器服役寿命提升技术研究。
关键词：冷却系统;散热器;动车组;检修;寿命提升引言随着我国高铁列车保有量的不断扩大和运用里程不断增加，动车组各零部件开始逐渐进入故障多发期，故障情况更加复杂。
保持动车组各部件安全稳定服役和特殊故障处理的精准维护检修已经成为越来越关键的技术问题。
维护检修技术对于动车组的安全性、可靠性、检修效率、维修成本等方面起到至关重要的作用。
牵引变流器冷却装置是动车组牵引系统的关键部件，结构复杂、零部件种类多。
对某型动车组牵引变流器冷却装置检修时发现进入四级修的散热器故障率较高，进一步分析散热器故障模式，提出有针对性的散热器服役能力提升方法，对动车组冷却系统服役能力提升性具有一定参考价值。
1、产品结构某型动车组牵引变流器冷却装置包括空气过滤器、散热器、风机组、中间风筒、膨胀水箱、谐振电感、水泵、进水管、中间水管、出水管和承重梁等几个大部件。
工作时，在风机的作用下，冷却空气从列车侧面进入，经过过滤器、散热器并与散热器内腔中的冷却液进行热交换，一部分高温空气垂直排向车下，另外一部分空气经过中间风筒后与谐振电感进行热交换后排向车下。
冷却装置纵、横梁与动车组车架之间通过减振器连接，风机箱体、水泵分别通过减振器与纵梁和横梁连接，其他各部件通过螺栓刚性连接。
系统运行的组成和原理。
混合动车组牵引变压器的冷却系统由油冷却器、过渡空气导管、风机箱、离心风机和钢结构组成。
CRH3型动车组牵引便变压器冷却系统维护分析
CRH3型动车组牵引便变压器冷却系统维护分析摘要：动车组牵引变压器在工作时产生大量的热，若散热不及时会造成设备温度升高，触发温度保护，限制运行功率，严重的影响设备使用寿命。
牵引冷却系统是主要的散热设备，其散热性能受外界条件影响较大，柳絮期极易发生超温现象。
本文对季节性温度升高进行了分析，并制定了对应的解决方案。
通过研究，确定增加滤棉的方案可靠，并且借结合设备温度确定了更合理的维护时间，实现了降低温度升高故障率的同时，又避免了过渡维修，降低了维护成本。
关键词：CRH3型动车组冷却系统清网周期温度升高牵引系统作为动车组的动力系统关系到动车组的运行状态，而牵引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。
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。
而随着季节的变化，冷却系统的温度升高现象呈现显著的规律性。
一、动车组冷却系统概述CRH3C和CRH380B(L)型动车组高压系统冷却单元采用FSA型空气过滤器，该结构对于过滤水、砂尘颗粒的综合效果较好，被广泛采用。
但该结构过滤柳絮、短纤维等外物的效果较差，柳絮等纤维物能够通过过滤设备，直接附着在冷却器表面，容易造成冷却器散热性能不佳。
夏初冷却器滤网表面易附着杨柳絮等杂物，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，此时风量减少，情况严重时，牵引变流器及牵引变压器会因过热而停止工作，威胁运行秩序。
每年4、5月前后，在京津城际、京广和京沪高铁运营的CRH3C和CRH380B(L)动车组，经常发生牵引变流器、变压器冷却液温度过高的现象，列车诊断系统自动降低牵引功率，导致车组降速运行。
现场检查后发现冷却单元空气过滤网表面、散热器表面柳絮污染严重，如图1所示。
经过调查确定，在日常维护过程中，车组均严格按照正常的清网周期进行清网，清网质量符合要求，不存在漏检漏修、作业质量不达标现象。
因此有必要对季节性温度升高问题进行研究，确定合理的可靠的冷却系统滤网维护方案，既要达到预期的清网效果，避免冷却系统超温，又要避免“过度维修”、“成本浪费”、“次生灾害”等问题或隐患。
CRH3型动车组牵引冷却系统季节性超温的原因及优化方案武旭博
CRH3型动车组牵引冷却系统季节性超温的原因及优化方案武旭博发布时间：2021-09-14T03:43:54.168Z 来源：《中国科技人才》2021年第16期作者：武旭博王蒙孙鹏飞[导读] 本文阐述了CRH3型动车组牵引变压器、牵引变流器、牵引电机冷却系统功能的实现方式及空气过滤器工作原理，牵引冷却系统是主要的散热设备，其散热性能受外界条件影响较大，柳絮期极易发生超温现象，列车诊断系统自动降低整车牵引功率，导致动车组降速运行，影响正常的运营秩序，通过对季节性温度升高进行了分析，并制定了对应的解决方案，保证牵引冷却系统正常工作，确保列车的正常运行。
中国中车集团唐山机车车辆有限公司总装配一厂河北唐山 063035摘要：本文阐述了CRH3型动车组牵引变压器、牵引变流器、牵引电机冷却系统功能的实现方式及空气过滤器工作原理，牵引冷却系统是主要的散热设备，其散热性能受外界条件影响较大，柳絮期极易发生超温现象，列车诊断系统自动降低整车牵引功率，导致动车组降速运行，影响正常的运营秩序，通过对季节性温度升高进行了分析，并制定了对应的解决方案，保证牵引冷却系统正常工作，确保列车的正常运行。
关键词：动车组；牵引冷却系统；清网；防杨柳絮一、牵引冷却系统的组成1.牵引变压器的散热装置布置在主变压器旁边，通过法兰与主变压器连通，主变压器冷却液通过法兰进入散热装置，油泵为油的循环提供充足的动力，将变压器顶层高温油送入冷却管内，使其产生的热量传送给冷却管内壁和翅片，再由管壁和翅片将热量传到空气中。
同时，使用冷却风机通过空气过滤器沿垂直于车辆的走行方向从外部抽入冷却空气，将冷空气吹入冷却器管束内，带走从冷却器管束放出的热量，热空气在穿过冷却器后朝着道床向下吹出，使热油加速冷却，冷却后的油从冷却器下端进入变压器下部油箱内，达到降低主变压器冷却剂温度的效果，实现主变压器器身的冷却。
为了取得最大的冷却效益，通过介质循环泵和风扇使得冷却介质和空气以设定好的速度和压力流动。
动车组冷却系统维护策略分析
动车组冷却系统维护策略分析发布时间：2021-08-10T15:41:04.580Z 来源：《工程建设标准化》2021年第36卷第8期作者：付云强1 孙鹏帅2[导读] 本文阐述了CRH3型动车组主要设备（牵引变压器、牵引变流器、牵引电机）冷却系统的工作方式及工作原理。
付云强1 孙鹏帅2中国中车集团唐山机车车辆有限公司服务事业部河北唐山 063035摘要：本文阐述了CRH3型动车组主要设备（牵引变压器、牵引变流器、牵引电机）冷却系统的工作方式及工作原理。
主要研究了季节对冷却装置的影响，并制定恰当的滤网清洁方案，达到节约清网成本的同时降低设备高温故障风险。
关键词：CRH3型动车组牵引冷却系统牵引变压器空气过滤器 CRH3型动车组主要牵引高压系统均设置有冷却设备，冷却设备以油、冷却液等为介质，以风冷为主要方式，因此设备均设置有过滤网，为避免冷却器中堆积杂质过多影响冷却效果，需要定期进行清洁。
但是在不同季节，滤网中堆积的杂质成分有很大不同，因此有必要对不同季节的清网问题进行研究，实现在节约清网成本的同时降低设备高温故障风险。
一、冷却系统滤网清洁维护概述电网提供 25kv 50Hz单相工频高压电，经网侧高压电气设备传递给牵引变压器，牵引变压器将高压电降压后的单相工频（1550V50Hz）输出给牵引变流器，牵引变流器将输入电流通过四象限斩波器进行整流、正弦滤波器滤波，脉宽调制逆变器逆变后，输出可以调频、调压的三相交流电，驱动三相交流异步牵引电机转动，通过齿轮箱带动车轮转动，列车运行。
在这个能量转化和动力传递过程中，牵引变压器、牵引变流器和牵引电机的电气元件在工作中会产生大量热损耗，引起电气元件温度上升，如果温度超出元件所能承受的范围，牵引变压器、牵引变流器和牵引电机等将不能正常工作，甚至可能会使电气元件产生绝缘失效、着火等危险。
因此，必须采用合适的冷却系统及时将牵引变压器、牵引变流器和牵引电机工作时产生的热量带走，这样才能保证牵引系统正常工作，从而保证动车组安全运行。
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动车组牵引变流器冷却系统冷却方式研究
文章介绍了动车组牵引变流器冷却系统构成和原理，对影响功率器件IGBT 的散热特性进行了分析，对自然冷却、强迫风冷、液体冷却、相变冷却几种冷却方式特点做了一一分析，说明采用相变冷却方式的优点，即高效率，均匀热表面温度，无局部过热点，可靠安全，适用于动车组牵引变流器的冷却。
标签：牵引变流器；冷却系统；冷却方式；相变冷却
1 概述
随着功率器件小型化、紧凑型发展要求，其功率密度不断增加，散热问题已就成为影响功率器可靠運行的主要因素。
在动车中，牵引变流器是牵引系统关键部件，主要实现电能与机械能转换。
而牵引变流器主要功率元件是IGBT。
IGBT 是高频的开、关功率元件，工作时要消耗电能，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，故器件的发热量较大。
若产生的热量不能及时有效散掉，IGBT器件内部的结温将会超过允许值，IGBT 就可能损坏。
有关资料表明，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，才能保证IGBT的正常运行。
实践经验表明，牵引变流器冷却系统散热能力的好坏，直接影响到变流器性能和牵引系统安全稳定的工作。
由牛顿冷却公式[1]有：
tw=+tf
其中，Q-IGBT的热量；h-表面传热系数；S-IGBT与冷却散热基板接触的表面积；tw-IGBT与冷却散热基板接触的壁温；tf-冷却液体的温度。
当热量Q的下降时会引起tw的下降，但在IGBT产生的热量不会下降太多，所以使tw下降的方法在应用上有限。
表面积S的增加可以引起tw的下降，但是由于实际产品的重量和体积要求等限制，以及动车牵引系统自身需求使得表面积的S增大有限，使tw下降的空间被限制。
冷却液体的温度tf的降低可以引起tw的下降，但是冷却液体的温度tf的降低也受外界一些因素的影响。
表面传热系数h的提高可以引起tw的下降，一般不受其他条件的限制，可以有效的降低tw。
因此，解决问题的关键是如何获得冷却散热基板最大的表面传热系数h，这也是研究的目的。
2 牵引变流器冷却系统构成及原理
主要介绍牵引变流器水冷系统和相变冷却系统。
动车组典型牵引变流器的水冷却系统一般由水冷基板、膨胀水箱、冷却装置、过滤器、水泵、传感器、流量计、各种控制阀门及管路等主要部件构成，其中冷却装置由散热器、风机组、空气过滤器、安装箱体等部件组成。
在动车组上，整套冷却系统吊装在车架上。
CHR2动车组牵引变流器相变冷却系统构成如下：采用热管原理来冷却牵引系统，热管是一个真空密封的管状体，它的内部设置有管芯，在外部罩一壳体，散热片上按一定规律设置圆孔，管芯均匀布置在散热翅片上，所有热管的同一端穿过散热翅片，管壁与散热翅片胀接紧密，以减少接触热阻，热管的管芯内部注有冷却工质，热管按工作原理，被划分成蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分。
在蒸发段，变流器电气元件和管壁紧密接触，将自身产生的热量通过管壁传递给管芯内部的冷却工质，冷却工质吸收热量后蒸发变成蒸汽并沿管内扩散，蒸汽经过绝热段后进入冷凝段，冷凝段装设有大量翅片，外界冷却空气受强迫作用吹向散热翅片，冷凝段的热量和外界进行热交换，冷却风带走冷凝段内部蒸汽的热量，蒸汽会冷凝成液体，液体在管芯的毛细力或重力的作用下，重新流回蒸发段，再次进行蒸发冷凝，完成了一个传热的循环工作过程。
3 冷却方式
功率器件冷却方式主要有自然冷却、强迫风冷、液体冷却、相变冷却等[2]，前三者是传统的冷却方式。
自然冷却是在自然环境中，利用导热、自然对流和辐射换热的一种方式或两种以上换热方式的组合来冷却功率器件。
自然冷却优点是成本低，可靠性高，不会因为机械部件的磨损或故障影响系统的稳定。
自然冷却效率低，因此，在冷却效率要求不高、低热流密度时可考虑自然冷却方式。
强迫风冷是一种利用风机或风扇等风源产生一定流量的风带走热量从而冷却器件的方式。
强迫风冷一般应用于高热流密度和温升较大的场合，另外与液体冷却相比，强迫风冷具有设备简单、成本低的特点。
强迫通风冷却系统的缺点是体积和重量大些，对于动车牵引系统来说不是一种理想的冷却方式。
液体冷却，一般包括水冷和油冷。
由于水的热容量为空气的5300倍[3]，其特点在于散热器的体积较小，易于带走热量，可靠性高。
特别是它可以采用水-风或水-水换热的方式将热量高效地与外界交换，所以也是最节能的冷却方式应用于体积功率密度较高的元器件，以及在高温环境下的工况中，液体冷却方式缺点是管路结构比较复杂，密封接头多，容易发生泄漏，检修不方便。
相变冷却与传统冷却方式相比，是一种全新的冷却技术。
传统冷却方式主要靠介质的比热来传递热量，相变冷却利用介质的相变潜热来吸收和释放热量，其机理与传统上的完全不同，相变冷却基于热平衡原理，是一个实现稳定工况的闭式循环系统。
热源提供工质所需的热量，冷却风提供冷却沸腾工质所需的制冷量。
工质在蒸发器中吸收热源的热量达到沸点后沸腾，产生的饱和蒸汽进入冷凝器中，冷凝器在冷却风的作用下，使内部饱和蒸汽凝结为液体，凝结液再流回到蒸发器中，完成循环过程，期间释放出大量的潜热，达到冷却的目的。
表1 空气冷却、液体冷却、相变冷却三种方式区别
由表1可看出，相变冷却方式较空气冷却方式、液体冷却方式有很多优点，相变冷却能力大，而且相变冷却装置结构简单、占用体积小，虽然相变冷却装置在维护方面有些不便，但其有较高的冷却效率，对于大功耗、高热流密度的功率器件来说是较好的选择。
4 结束语
随着未来动车组高速化，牵引变流器冷却系统必须向更加紧凑、高效、低噪音、安全可靠的方向发展。
与传统的冷却方式相比，采用相变冷却方式进行冷却，冷却效率高，发热表面温度均匀，无局部过热点，可靠安全，相变方式非常适用于牵引变流器这种大功率器件的冷却，对于动车牵引系统相变冷却是一种较好选择。
参考文献
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998.
[2]陈建业，吴文伟.大功率变流器冷却技术及其进展[J].大功率变流技术，2010，12（1）：15-24.
[3]国建鸿，李振国，傅德平.大功率电力电子器件蒸发冷却技术研究[J].电力电子技术，2005，39（5）：38-140.
作者简介：段飞（1985-），男，硕士，主要研究方向：传热的强化。