高速列车牵引变流器相变冷却系统性能实验研究

摘要

自二十一世纪以来，我国轨道交通行业迅速发展，列车快速化、安全化成为铁路行业发展的主流，其中以交流传动作为牵引传动方式的高速列车占据着重要地位。在交流牵引传动系统中，牵引变流器发挥着重要作用，牵引变流器的核心部件IGBT在列车运行过程中，不断地进行开关切换而产生大量的热，热量随着IGBT开关频率的增加急剧上升，这些热量若不及时有效地散发出去，功率元件IGBT会产生严重热疲劳，甚至由于过热而烧坏，这不仅影响到牵引交流器的正常工作，更是危及整个列车的运行，因此怎样使牵引变流器中功率元件IGBT的工作热量有效、及时地散发出来成为关键问题。
　　本文以CRH2型动车组的牵引变流器冷却系统为研究依据，针对功率元件IGBT的结构特点和实际工况，分析了功率元件IGBT的功率损耗，对比了不同散热方式的利弊，确定了牵引变流器中功率元件IGBT的冷却方案以及冷却功率元件IGBT的系统结构，利用CAD平面制图软件绘制相变冷却系统的零件结构，借助SolidWorks三维造型软件构建相变冷却系统模型，详细介绍了相变冷却系统中所涉及的各种仪器、所需设备以及实验所用制冷剂，最终确定了冷却物理模型，建立了牵引变流器功率元件IGBT相变冷却系统实验台，同时也对相变冷却系统的传热热阻进行了详细分析。
　　实验中，对安装有微槽结构形式冷却基板的圆管散热器充入制冷剂，进行了不同工况下的散热性能测试，测量了风道试验段进出口压力、风道进出口风温、圆管散热器冷板下表面的测点温度、主体试件顶腔腔内压力和温度以及风道内气流速度，给出了风道出口风温、冷板上表面最大温度、风道内气流速度的数据计算方法，获得了不同工况下相变冷却系统的沸腾换热系数和凝结换热系数，得到了冷板上表面在不同风速下的温度变化，有效证明了沸腾表面结构对沸腾换热强度的影响。实验还对相变冷却系统的散热特性进行了比较分析，研究了相变冷却系统的传热规律，计算了相关的传热参数和流体流经圆管散热器的阻力系数，给出了风道空气强制对流换热的Nu数和阻力系数f随风速的变化规律。实验中通过测量各测点的温度，对相变冷却系统中不同传热过程的热阻进行了计算，分析了在不同加热功率条件下各热阻的变化情况以及在不同加热功率条件下风速对沸腾换热热阻、凝结换热热阻、沸腾换热和凝结换热总热阻以及平均沸腾换热系数的影响，为相变冷却系统提供了设计思路，也为乙醇相变产生机理提供了研究依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容及研究方法

1．4 论文拟解决的关键问题

2 CRH2型动车组牵引变流器及其功率元件IGBT

2．1 牵引变流器系统概述

2．1．1 牵引变流器概述

2．1．2 CRH2型动车组牵引变流器冷却系统

2．2 牵引变流器功率元件IGBT概述

2．2．1 IGBT的结构

2．2．2 IGBT的工作特

2．2．3 IGBT的功率损耗分析及计算

3 相变冷却方式及相变冷却实验台设计

3．1 牵引变流器常用的冷却方式

3．2 牵引变流器相变冷却方式

3．2．1 相变冷却方式的实现原理

3．2．2 相变冷却方式的分类

3．2．3 制冷剂的选择

3．3 相变冷却实验台组成及其工作原理

3．4 相变冷却实验台的总体设计

3．4．1 主体试件设计

3．4．2 制冷剂供给系统设计

3．4．3 风冷系统设计

3．4．4 测量系统设计

3．5 相变冷却系统传热过程分析

3．5．1 相变冷却系统热阻分析与简化

5．1．1 相变冷却系统热阻分析

3．5．2 相变冷却系统热阻简化

4 实验步骤及实验数据整理

4．1 实验所用装置

4．2 实验方法与实验步骤

4．3 实验需测量的参数

4．4 实验数据处理方法

4．4．1 冷板表面温度与风速的关系

4．4．2 风道出口温度

4．4．3 风道气流速度

4．4．4 阻力系数与Re数

4．4．5 沸腾换热系数

4．5 实验数据整理与分析

4．5．1 冷板表面温度与风速的关系

4．5．2 沸腾换热系数与过热度的关系

4．5．3 风道内强制对流换热的Nu数和阻力系数?与Re数的关系

4．5．4 系统热阻随加热功率的变化关系

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 今后工作展望

结论

致谢

参考文献

附录A 不同加热功率及不同风速工况下冷板表面温度的变化图

附录B 冷板测点处对应沸腾换热系数的变化图

附录C 主要符号表

攻读学位期间的研究成果