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摘要：掌握牵引逆变器内器件实际应用时的温度，对于避免器件发生高温失效和保障地铁车辆运行的可靠性具有重要意义。本文介绍了南京宁高城际线牵引逆变器及其主要的发热器件，并对传热过程进行了分析；对三维模型合理简化，建立仿真计算模型；采用Icepak仿真工具，对模型划分网格、仿真计算；分析计算结果，得出了指导逆变器热设计的原则。
关键词：牵引逆变器；器件；对流换热；导热
ThermalAnalysisofUrbanRailVehicleTractionInverterand
SimulatingCalculationofTemperatureField
ZengWenjieWanWeiwei
ZhuzhouCRRCTimesElectricCo.，LtdHunanZhuzhou412001
Abstract：Itisimportanttograspthetemperatureinthepracticalapplicationofthedeviceinthetractioninverter，toavoidthehightemperatureagingofthedeviceandensurethereliabilityoftheoperationofthesubwayvehicle.Inthispaper，theTGN66Dtractioninverteranditsmainheatingdeviceareintroduced，andtheheattransferprocessisanalyzed.Thethreedimensionalmodelofthetractioninverterissimplifiedandthenumericalcalculationmodelisestablished.UsingtheIcepakassimulationtool，themodelisdividedintogrid，andthenthetemperaturefieldiscalculatednumerically.Thecalculationresultsareanalyzedandthethermaldesignprincipleoftheinverterisobtained.
Keywords：Tractioninverter；Device；Convectiveheattransfer；Heatconduction
地鐵车辆是城市轨道交通的一种重要方式，具有快捷、便利、安全等优点。[1]牵引逆变器是地铁车辆电气牵引系统的核心部件，其主要功能是将直流电逆变为可供电机运转的三相交流电，通过调压调频（VVVF）的方式实现对电机转速（功率）的控制。[2]牵引逆变器内的发热器件在通电时会产生热损耗而引起局部温度升高。如果牵引逆变器整体布局不合理，热量在器件局部累积，则可能造成器件失效，影响车辆的正常运行。
目前，学者对器件级的散热研究[39]较多，对系统和部件级的散热研究相对较少。
Icepak仿真软件集成了风机、散热器等器件模块，可自行选择搭建系统完成仿真计算。本文采用对南京宁高城际线牵引逆变器的温度场进行仿真计算，总结了逆变器的热设计原则。
1牵引逆变器热分析
牵引逆变器是牵引电气系统的核心部件，该牵引电气系统所采用的TGN66D型牵引逆变器，是已经成熟应用的平台化产品，三维模型如图1所示（顶板透明化处理）。该牵引逆变器防护等级为IP55，可以认为是封闭腔体。如图2所示，中隔板将逆变器主体空间分成腔A和腔B两部分，中隔板预留用于布线的小缺口。
腔A内的主要发热部件有变流器模块、绕线电阻，电压传感器、电流传感器。腔B内的主要发热部件有传动控制单元和开关电源板。其中，传动控制单元集成了主控板、母板、接口板等发热部件。
变流器模块集成了绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、支撑电容、脉冲分配板、驱动板、热管散热器等部件。其中，热管散热器布置在逆变器外侧，用于IGBT部件散热。车辆运行时，逆变器外侧会产生走行风，加强散热。IGBT产生的热量主要以导热的方式传递给本身的外壳，外壳以导热的方式通过散热器；散热器将大部分热量以对流换热的方式传递给柜外空气，小部分热量以热辐射的方式传递给外部环境。
电阻组件主要由绕线电阻和翅片散热器组成。翅片散热器布置在柜体外侧，主要用于加强的作用绕线电阻的散热。电阻组件的热量传递过程和变流器模块相类似，不再赘述。
柜内的其他发热器件，如电压传感器、电流传感器、电源板以及传动控制单元上主控板、母板、接口板等，所产生的热量有三种传递方式：[10]（a）以热传导的方式传递给柜体；（b）以对流换热的方式传递给空气，进而传递给柜体；（c）以热辐射的方式直接传递给柜体。三种方式所传递的热量最终都作用在柜体上，柜体进而将热量以对流换热方式传递给柜外空气，以热辐射的方式传递给柜外环境。
2牵引逆变器数值计算
2.1物理模型
利用ProE三维建模软件对计算模型进行初步的简化处理，而后将模型导入ANSYSWorkBench（WB）平台下的DesignMolder（DM），进一步简化处理后，如图2所示。与实际模型相比，简化后的最终模型，主要是删除了一些对传热过程影响不大的吊耳、安装螺栓、扎线杆、圆角、倒角等结构。
有必要说明的是，热管内同时存在沸腾传热和凝结传热，热管传热量的计算较为复杂。热管外侧还布置有铝翅片加强散热，外侧有车辆的走形风，空气流场复杂。为减小整柜仿真计算的工作量，本文对其简化处理。IGBT部件与散热器台面直接接触以导热的方式传热，而热管散热器台面的材质为铝型材，导热系数为205W/（m·K），导热性能非常好，因此可以认为散热器台面的温度是均匀一致。在模型简化时，不必考虑散热器复杂的结构，将散热器对强化散热的效果等效为，恒温面作用在散热器台面。恒温面温度的计算公式如下： T=Ta+P·R（1）
其中：Ta为环境温度，P为IGBT的热损耗，R为散热器的热阻，通常取风速为6m/s时，厂家提供的实测热阻值（00062K/W），确保了计算的准确性。经过对比试验数据和查阅文献资料[8]发现，该简化对于部件级的热仿真分析，是完全适用的。
2.2计算模型及边界条件
考虑走行风的作用，将变流器模块散热器的散热效果可等效为恒温面作用于散热器台面。逆变器内外的空气对流均按自然对流处理，计算模型采用零方程湍流模型，同时考虑重力作用和辐射换热，并假设：各器件的材料属性参数均为常数；空气为不可压缩流体；环境温度为45℃。各器件的热损耗如下：
IGBT损耗：666W，用英飞凌官方软件IPOSIM仿真计算所得。
散热器台面热传递模型如图5所示，结合公式（1），即可得出所简化的恒温面，即台面温度计算如下：
Th=Ta+P·R=45℃+666W×6×0.0062K·W1=70℃
固定放电电阻电路如图4所示。损耗计算如下：
P=I·U=UC2R·UC2=15002×8000×15002=70.31W，取71W计算；
其他器件损耗通过查找相关产品资料，结合实际工况以及应用经验数据计算所得，各器件损耗如表1所示。
2.3计算结果
考虑柜体外侧与空气的对流换热，将计算区域往外延伸500mm～1000mm。对计算模型划分网格，得到網格数量为19，366，193。通过数值计算，所得柜体及各器件温度示意图如图5、图6和表3所示。柜体两侧及底部温度较低，顶部和中间隔板温度较高。温度较高的器件为固定放电电阻、电阻散热器、模块的电源和电源散热器等。
水平方向横截面的温度分布示意图如图7所示。腔A的平均温度为66℃，腔B平均温度为60℃。
竖直方向横截面的温度分布示意图如图8所示。腔A上方的平均温度约为70℃，下方的平均温度为62℃。腔B上方的平均温度约为63℃，下方的平均温度约为57℃。
2.4结果分析
对3.3计算结果进行分析：
（1）上、下侧发热功率相同的驱动板，其温度相差4℃左右。不同位置处的电流传感器，其温度分布也有较大差异，最大的温差有6℃左右。说明，各器件温度除了受自身发热功率和材料导热系数影响外，受周围空气和其他器件的影响。
（2）中隔板将变流器空间分为两部分，腔A和腔B。腔A的平均温度比腔B的平均温度大6℃左右，这是由于变流器模块周围区域发热器件多，总的热损耗大。
（3）柜体空间上方温度高于下方温度。这是因为，在重力作用下，空气受热膨胀，密度减小，会受到向上的浮升力，热气流在变流器上部空间汇集。
（4）电流传感器1、2、3的温度比较接近，电流传感器4的温度较低。其主要原因在于电流传感器4通过支撑板所接触的壁面（柜体两侧）温度较低，金属的导热能力远大于空气的自然对流。
3结论
通过数值计算得到温度场，能较为准确的掌握牵引逆变器内各器件实际使用时的温度分布，这对于后续热设计和器件使用寿命的计算有一定的指导意义。总结本文，得出以下两条热设计规范，后续可以用于指导逆变器的设计。
（1）对温升敏感的器件，应尽量避免布置在逆变器的上部空间，尤其是发热元件（如变流器模块）的上方。
（2）若柜体材料为金属或其他导热性能优良的材料，对温升敏感的电气元件布置在柜体两侧，并与柜体保持良好的接触，能有效地加强器件的散热。
参考文献：
[1]翁星方，邹档兵.城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术发展[J].机车电传动，2012（1）：4751.
[2]翁星方，忻力，胡加喜，等.简统化地铁车辆IGBT牵引逆变[J].机车电传动，2011（3）：4448.
[3]韩冬，何闻.基于ANSYS的大功率晶体管散热器的研究[J].机电工程，2007（24）：1012.
[4]熊辉，邵云，颜骥，等.基于Fluent的6英寸晶闸管水冷散热器的设计及优化[J].大功率变流技术，2013（4）：2227.
[5]丁杰，唐玉兔.地铁车辆牵引变流器的热管散热器的数值模拟[J].大功率变流技术，2012（4）：3133.
[6]刘衍平，高霞新.大功率电子器件散热系统的数值模拟[J].电子器件，2007，30（2）：608611.
[7]贺荣，龚曙光，李纯，等.基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究[J].流体机械，2010，38（2）：5760.
[8]张舟云，徐国卿，沈洋林，等.牵引逆变器散热系统的分析与设计[J].同济大学学报（自然科学版），2004（32）：775778.
[9]丁杰，李江红，陈燕平，等.流动状态与热源简化方程式对IGBT水冷板仿真结果的影响[J].机车电传动，2011（5）：2125.
[10]杨世铭，陶文栓.传热学（第四版）[J].北京：高等教育出版社，2006.
作者简介：曾文杰（1991），男，汉族，湖南宁乡人，硕士，初级工程师，从事城轨牵引变流器设计工作。
关键词：牵引逆变器；器件；对流换热；导热
ThermalAnalysisofUrbanRailVehicleTractionInverterand
SimulatingCalculationofTemperatureField
ZengWenjieWanWeiwei
ZhuzhouCRRCTimesElectricCo.，LtdHunanZhuzhou412001
Abstract：Itisimportanttograspthetemperatureinthepracticalapplicationofthedeviceinthetractioninverter，toavoidthehightemperatureagingofthedeviceandensurethereliabilityoftheoperationofthesubwayvehicle.Inthispaper，theTGN66Dtractioninverteranditsmainheatingdeviceareintroduced，andtheheattransferprocessisanalyzed.Thethreedimensionalmodelofthetractioninverterissimplifiedandthenumericalcalculationmodelisestablished.UsingtheIcepakassimulationtool，themodelisdividedintogrid，andthenthetemperaturefieldiscalculatednumerically.Thecalculationresultsareanalyzedandthethermaldesignprincipleoftheinverterisobtained.
Keywords：Tractioninverter；Device；Convectiveheattransfer；Heatconduction
地鐵车辆是城市轨道交通的一种重要方式，具有快捷、便利、安全等优点。[1]牵引逆变器是地铁车辆电气牵引系统的核心部件，其主要功能是将直流电逆变为可供电机运转的三相交流电，通过调压调频（VVVF）的方式实现对电机转速（功率）的控制。[2]牵引逆变器内的发热器件在通电时会产生热损耗而引起局部温度升高。如果牵引逆变器整体布局不合理，热量在器件局部累积，则可能造成器件失效，影响车辆的正常运行。
目前，学者对器件级的散热研究[39]较多，对系统和部件级的散热研究相对较少。
Icepak仿真软件集成了风机、散热器等器件模块，可自行选择搭建系统完成仿真计算。本文采用对南京宁高城际线牵引逆变器的温度场进行仿真计算，总结了逆变器的热设计原则。
1牵引逆变器热分析
牵引逆变器是牵引电气系统的核心部件，该牵引电气系统所采用的TGN66D型牵引逆变器，是已经成熟应用的平台化产品，三维模型如图1所示（顶板透明化处理）。该牵引逆变器防护等级为IP55，可以认为是封闭腔体。如图2所示，中隔板将逆变器主体空间分成腔A和腔B两部分，中隔板预留用于布线的小缺口。
腔A内的主要发热部件有变流器模块、绕线电阻，电压传感器、电流传感器。腔B内的主要发热部件有传动控制单元和开关电源板。其中，传动控制单元集成了主控板、母板、接口板等发热部件。
变流器模块集成了绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、支撑电容、脉冲分配板、驱动板、热管散热器等部件。其中，热管散热器布置在逆变器外侧，用于IGBT部件散热。车辆运行时，逆变器外侧会产生走行风，加强散热。IGBT产生的热量主要以导热的方式传递给本身的外壳，外壳以导热的方式通过散热器；散热器将大部分热量以对流换热的方式传递给柜外空气，小部分热量以热辐射的方式传递给外部环境。
电阻组件主要由绕线电阻和翅片散热器组成。翅片散热器布置在柜体外侧，主要用于加强的作用绕线电阻的散热。电阻组件的热量传递过程和变流器模块相类似，不再赘述。
柜内的其他发热器件，如电压传感器、电流传感器、电源板以及传动控制单元上主控板、母板、接口板等，所产生的热量有三种传递方式：[10]（a）以热传导的方式传递给柜体；（b）以对流换热的方式传递给空气，进而传递给柜体；（c）以热辐射的方式直接传递给柜体。三种方式所传递的热量最终都作用在柜体上，柜体进而将热量以对流换热方式传递给柜外空气，以热辐射的方式传递给柜外环境。
2牵引逆变器数值计算
2.1物理模型
利用ProE三维建模软件对计算模型进行初步的简化处理，而后将模型导入ANSYSWorkBench（WB）平台下的DesignMolder（DM），进一步简化处理后，如图2所示。与实际模型相比，简化后的最终模型，主要是删除了一些对传热过程影响不大的吊耳、安装螺栓、扎线杆、圆角、倒角等结构。
有必要说明的是，热管内同时存在沸腾传热和凝结传热，热管传热量的计算较为复杂。热管外侧还布置有铝翅片加强散热，外侧有车辆的走形风，空气流场复杂。为减小整柜仿真计算的工作量，本文对其简化处理。IGBT部件与散热器台面直接接触以导热的方式传热，而热管散热器台面的材质为铝型材，导热系数为205W/（m·K），导热性能非常好，因此可以认为散热器台面的温度是均匀一致。在模型简化时，不必考虑散热器复杂的结构，将散热器对强化散热的效果等效为，恒温面作用在散热器台面。恒温面温度的计算公式如下： T=Ta+P·R（1）
其中：Ta为环境温度，P为IGBT的热损耗，R为散热器的热阻，通常取风速为6m/s时，厂家提供的实测热阻值（00062K/W），确保了计算的准确性。经过对比试验数据和查阅文献资料[8]发现，该简化对于部件级的热仿真分析，是完全适用的。
2.2计算模型及边界条件
考虑走行风的作用，将变流器模块散热器的散热效果可等效为恒温面作用于散热器台面。逆变器内外的空气对流均按自然对流处理，计算模型采用零方程湍流模型，同时考虑重力作用和辐射换热，并假设：各器件的材料属性参数均为常数；空气为不可压缩流体；环境温度为45℃。各器件的热损耗如下：
IGBT损耗：666W，用英飞凌官方软件IPOSIM仿真计算所得。
散热器台面热传递模型如图5所示，结合公式（1），即可得出所简化的恒温面，即台面温度计算如下：
Th=Ta+P·R=45℃+666W×6×0.0062K·W1=70℃
固定放电电阻电路如图4所示。损耗计算如下：
P=I·U=UC2R·UC2=15002×8000×15002=70.31W，取71W计算；
其他器件损耗通过查找相关产品资料，结合实际工况以及应用经验数据计算所得，各器件损耗如表1所示。
2.3计算结果
考虑柜体外侧与空气的对流换热，将计算区域往外延伸500mm～1000mm。对计算模型划分网格，得到網格数量为19，366，193。通过数值计算，所得柜体及各器件温度示意图如图5、图6和表3所示。柜体两侧及底部温度较低，顶部和中间隔板温度较高。温度较高的器件为固定放电电阻、电阻散热器、模块的电源和电源散热器等。
水平方向横截面的温度分布示意图如图7所示。腔A的平均温度为66℃，腔B平均温度为60℃。
竖直方向横截面的温度分布示意图如图8所示。腔A上方的平均温度约为70℃，下方的平均温度为62℃。腔B上方的平均温度约为63℃，下方的平均温度约为57℃。
2.4结果分析
对3.3计算结果进行分析：
（1）上、下侧发热功率相同的驱动板，其温度相差4℃左右。不同位置处的电流传感器，其温度分布也有较大差异，最大的温差有6℃左右。说明，各器件温度除了受自身发热功率和材料导热系数影响外，受周围空气和其他器件的影响。
（2）中隔板将变流器空间分为两部分，腔A和腔B。腔A的平均温度比腔B的平均温度大6℃左右，这是由于变流器模块周围区域发热器件多，总的热损耗大。
（3）柜体空间上方温度高于下方温度。这是因为，在重力作用下，空气受热膨胀，密度减小，会受到向上的浮升力，热气流在变流器上部空间汇集。
（4）电流传感器1、2、3的温度比较接近，电流传感器4的温度较低。其主要原因在于电流传感器4通过支撑板所接触的壁面（柜体两侧）温度较低，金属的导热能力远大于空气的自然对流。
3结论
通过数值计算得到温度场，能较为准确的掌握牵引逆变器内各器件实际使用时的温度分布，这对于后续热设计和器件使用寿命的计算有一定的指导意义。总结本文，得出以下两条热设计规范，后续可以用于指导逆变器的设计。
（1）对温升敏感的器件，应尽量避免布置在逆变器的上部空间，尤其是发热元件（如变流器模块）的上方。
（2）若柜体材料为金属或其他导热性能优良的材料，对温升敏感的电气元件布置在柜体两侧，并与柜体保持良好的接触，能有效地加强器件的散热。
参考文献：
[1]翁星方，邹档兵.城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术发展[J].机车电传动，2012（1）：4751.
[2]翁星方，忻力，胡加喜，等.简统化地铁车辆IGBT牵引逆变[J].机车电传动，2011（3）：4448.
[3]韩冬，何闻.基于ANSYS的大功率晶体管散热器的研究[J].机电工程，2007（24）：1012.
[4]熊辉，邵云，颜骥，等.基于Fluent的6英寸晶闸管水冷散热器的设计及优化[J].大功率变流技术，2013（4）：2227.
[5]丁杰，唐玉兔.地铁车辆牵引变流器的热管散热器的数值模拟[J].大功率变流技术，2012（4）：3133.
[6]刘衍平，高霞新.大功率电子器件散热系统的数值模拟[J].电子器件，2007，30（2）：608611.
[7]贺荣，龚曙光，李纯，等.基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究[J].流体机械，2010，38（2）：5760.
[8]张舟云，徐国卿，沈洋林，等.牵引逆变器散热系统的分析与设计[J].同济大学学报（自然科学版），2004（32）：775778.
[9]丁杰，李江红，陈燕平，等.流动状态与热源简化方程式对IGBT水冷板仿真结果的影响[J].机车电传动，2011（5）：2125.
[10]杨世铭，陶文栓.传热学（第四版）[J].北京：高等教育出版社，2006.
作者简介：曾文杰（1991），男，汉族，湖南宁乡人，硕士，初级工程师，从事城轨牵引变流器设计工作。