牵引变流器冷却单元的发展趋势

摘 要：文章主要以CRH380RL型号动车为研究对象，回顾了我国动车的发展历程，并分析了世界各国动车牵引变流器的发展现状以及我国动车的发展趋势和发展前景，进而通过比较动车的冷却方法分析各个方法的利与弊得出相对科学合理的冷却除噪方法。通过文章初步认清冷却单元发展的重要性，以为进一步研究做回顾性综述。

关键词：动车；发展趋势；牵引变流器；冷却单元

1 冷却单元发展历史及存在问题

1814年，英国人史蒂芬森发明了世界上第一台火车，火车的出现大大的推动了生产发展，提高了人们的生活水平。然而，随着人们生活水平的进一步提高，人们对火车速度、舒适度的要求与日俱增。1903年，德国运行了钢轨供电的动车组，从此人类进入动车时代[ 1 ]。从1958年到1990年，是我国铁路发展的初始阶段，历经30余年。1990年到21世纪初，我国迈进了发展轻轨机车和动车的下一阶段。自此，铁路客运出现了多档次、多品种、多元化、多样性的新局面。而为了迎合人们对速度的要求，短短的七年间，中国铁路实施了5次大提速[ 2 ]。随着经济和运输业的进一步发展，使得各种电子元件在动车机组里面大量应用。在高速动车组中，牵引变流器是动车运行的关键部件[ 3 ]。其中，由IGBT晶体管组成的功率模块是牵引变流器最主要的元件[ 4 ]，伴随其高速发展，设备单位面积的热流密度越来越高。然而，随着其功率密度不断增加、设备体型要求不断严苛，牵引变流器的散热问题已经成为了亟待解决的问题。

牵引变流器有以下两点发展趋势：1）品种趋向多元化；2）向大功率发展。散热效果直接影响到了牵引变流器能否正常工作[ 3 ]。

2 牵引变流器冷却单元的冷却方式

牵引变流器常见的冷却方式有自然冷却、强迫风冷、液体冷却，这三种冷却方法前人已经有了系统彻底的研究；相变冷却属于新型冷却方法[ 5 ]。

2.1 自然冷却方法

自然冷却是在自然环境中，利用空气随温度变化密度变化产生自然对流来冷却功率器件。其优点是成本低。但是效率低，因此在冷却效率要求不高的情况下可考虑自然冷却方式[ 5 ]。李高宝在其文章中详细介绍了在自然冷却条件下，电力设备热设计所要遵循的的基本原则、功耗计算等应该注意的问题[ 6 ]。

2.2 强迫风冷

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[ 5 ]。曹红等人以某强迫风冷电子设备为例，通过比较热测试的试验数据与电子设备结构优化设计支撑软件热分析子系统的模拟结果，验证了强迫风冷的效果[ 7 ]。而吴东华通过详细的计算，对比强制通风与自然冷却的冷却能耗及效果[ 8 ]强迫风冷一般应用于高热流密度和温升较大的场合。而且具有设备简单、成本低的优点。其缺点是体积和重量大，噪音高，随着人们对舒适度要求的不断增加，强迫风冷已经不适合当今的发展趋势。

2.3 液体冷却

液体冷却，一般包括水冷和油冷。由于水的比热容远大于空气，其特点在于散热器的体积较小，易于带走热量，可靠性高[ 7 ]。唐亚男等在文章中详细介绍了直接冷却、热管冷却等几种换热方式的原理和特点[ 9 ]。王希兵在文章中介绍了水冷却系统的设计方法和设计流程，对水冷却系统设计过程中的关键问题进行了详细的描述。但是，液体冷却方式缺点是结构比较复杂，密封接口多，检修不方便，易发生泄漏[ 7 ]。

2.4 相变冷却

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来吸收和释放热量，其机理与传统上的不同，相变冷却是一个实现稳定工况的闭式循环系统[ 5 ]。

3 理论模拟研究方法

王彬采用Fluent仿真软件对冷却单元温度场进行了模拟分析，并在仿真结果分析的基础上，调整冷却系统技术参数，从而改善产品散热效果以及降低研发成本[ 10 ]。

4 结论

通过以上比较可得：相变冷却方式较传统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、所占体积小，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、高热流密度牵引变流器来说是较好的选择。

参考文献：

[1] 李芾，安琪.国内外高速动车组的发展[J].电力机车与城轨车辆，2007，30（5）：1-5.

[2] 乔英忍.我国铁路动车和动车组的发展[J].鐵道机车与动车，2006（3）：1-6.

[3] 杨其林，刘建强，郑琼林.高速列车牵引变流器冷却系统散热特性研究[J].电源世界，2013（2）：25-30.

[4] 田睿.大功率IGBT晶体管牵引变流器[J].国外内燃机车，2011，17（1）：7-14.

[7] 段飞.动车组牵引变流器冷却系统冷却方式研究[J].科技创新与应用，2015（10）：68.

[8] 李高宝.电力电子设备自然冷却热设计[J].质量与可靠性，2006（2）：30-33.

[9] 曹红，吕倩，韩宁.强迫风冷电子设备的热仿真与热测试数据对比分析[J].电讯技术，2008，48（7）：109-112.

[10] 吴冬华.强迫风冷与自然风冷直线电机车辆能耗对比分析[J].铁道机车车辆，2008（S1）：137-140.

[11] 唐亚男，高学农，颜家桃.液体冷却技术研究进展[J].广东化工，2010，37（4）：9-10.

[12] 王彬，罗慧强，孙湘漪.Fluent在大功率牵引变流器冷却系统设计中的应用[J].大功率变流技术，2008（5）：5-7.

基金项目：

吉林建筑大学大学生创业基金（编号：201610191137）

作者简介：

战乃岩（1975-），女，汉族，吉林长春人，教授，工学博士，研究方向：传热、建筑节能。