电力机车牵引变流器水冷系统的热仿真分析

水冷系统是大功率交流传动电力机车牵引变流器安全可靠运行的基础。因其结构复杂,很难采用经验公式和理论计算进行准确的分析,而采用有限体积法对整个水冷系统进行仿真时需面临计算精度与计算机资源巨大的问题。通过运用FLUENT软件先对水冷系统管道内冷却介质的流动情况进行分析,再以计算得到的各水冷散热器入口平均流速为输入参数,然后对逆变模块和整流模块的水冷散热器温升情况进行研究,得到水冷系统的散热性能仿真结果。仿真方法的可行性和仿真结果的准确性得到了试验验证。研究结果可为牵引变流器水冷系统的热设计提供指导。

管式IGBT水冷散热器性能的数值模拟研究

为避免平板式水冷散热器可能因虚焊而存在泄漏的风险,设计了一款管式水冷散热器。以管式水冷散热器为研究对象,利用HyperMesh软件建立仿真分析用的网格模型,再采用FLUENT软件对流速分布、压力分布和温度场分布进行了分析,对比研究了流量、管材和底板厚度对IGBT芯片最高温度的影响。研究结果表明,压降基本上呈流量的二次方关系增长,芯片最高温度降低趋势随着流量增加由快速变为缓慢,芯片最高温度随管材的导热系数提高而降低,底板厚度对芯片最高温度的影响很小,采用单根管路的水冷散热器均温性不佳。通过对压力损失的分析,提出了单根管路改为双根管路的优化改进方案,管路压降较改进之前降低约80%,且温度均匀性更好。该研究结果可为管式水冷散热器的设计提供指导。

牵引网宽频域谐波与振荡抑制技术应用研究

针对大功率、高密度、多种类的机车群在小容量牵引供电网中带来的宽频域谐波和谐振问题,从交流机车的拓扑和调制出发对宽频域谐波产生的机理进行了分析,并结合对两种典型车型,对不同类型机车混跑线路的谐波分布多样性进行了分析.为此提出了基于H桥级联的有源电力滤波器(HCAPF)和高通滤波器(HPF)相结合的谐波抑制方案,利用HCAPF对无功功率进行控制并对低次谐波进行抑制,利用高通滤波器对高次进行吸收.结合示范工程,对参数设计、HCAPF性能测试进行了详细介绍,最后对整个补偿系统投入前、后24 h的电压畸变率等参数进行对比测试,结果表明补偿后电压总畸变率平均值从4.324%下降到2.934%,满足国标,其中各次谐波电压都有较大下降.同时电网电压的最大波动率从14.5%下降到10.7%.

地铁车辆牵引逆变器热管散热器的温升试验及热仿真

为快速、准确地计算和分析地铁车辆牵引逆变器的热管散热器性能及其绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块的瞬态温度场分布,在牵引逆变器中相邻的IGBT模块间布置PT100热电阻进行温升试验,得到用于热仿真计算的输入条件和验证仿真结果准确性的试验数据;采用计算流体动力学仿真软件FLUENT对热管散热器和IGBT模块的冷却空气流场、温度场和对流换热系数的分布进行稳态热仿真;将仿真得到的对流换热系数分布插值到有限元粗糙网格模型中,以保持与仿真模型的边界条件一致,并联合采用有限元法和模型降阶法开发能够实现热管散热器和IGBT模块瞬态热仿真的快速计算程序。与试验结果的对比表明:各测温点的仿真结果误差不超过5%,仿真结果的准确性高;在保证仿真模型边界条件一致的条件下,与单纯采用有限元法相比,有限元法与模型降阶法相结合进行仿真计算,可以在保持有限元法计算准确性的基础上,通过模型降阶提升计算效率。

IGBT水冷散热器实验与仿真

水冷散热器是保证大功率交流传动电力机车变流装置正常工作的有效散热装置,其散热性能与流动阻力是一直研究的热点。因水冷散热器内的流速较低,Re数处于层流和湍流之间,导致内部流动状态的确定非常困难。为此,对某大功率交流传动电力机车变流装置中的2种方案IGBT水冷散热器进行研究。考虑到IGBT元件不能长时间工作在极限工况,损耗特性与结温相互影响等问题,实验中采用了自制的模拟热源代替IGBT元件。探讨了层流模型、标准k-ε模型和6种低Re数湍流模型(Abid、Lan-Bremhorst、Launder Shorma、Yang-Shih、Abe-Kondoh-Nagano、Chang-Hsich-Chen)对仿真结果的影响。通过仿真结果与实验数据的对比可知,层流和标准k-ε模型可以表示温度和压降结果的上下限,Lan-Bremhorst低Re湍流模型得到的温度和压降与实验数据较为吻合,其余5种低Re数湍流模型的温度结果与标准k-ε模型基本接近。

电动汽车变流器用IGBT水冷散热器热仿真分析

以某电动汽车变流器用IGBT水冷散热器为研究对象,考虑到IGBT水冷散热器内部各槽道平均雷诺数(Re)处于过渡区,利用FLUENT软件分别采用层流、标准k-?湍流模型和6种低Re数湍流模型计算IGBT水冷散热器的稳态结果。运用自主开发的模型降阶计算程序对IGBT水冷散热器进行瞬态问题快速计算,在验证模型降阶方法准确性的基础上,对基于中国典型城市道路工况的瞬态热仿真进行快速计算,得到IGBT元件各芯片在不同时刻的温度变化曲线。研究结果表明:该水冷散热器的散热性能满足中国典型城市道路工况的需求。

永磁同步电机的冷却结构优化设计及温度场仿真

根据电动汽车用高功率密度永磁同步电机螺旋水路的结构特点,分析了进出水管布置方式对压力损失的影响,结果表明进出水管切向于水路方式比进出水管法向于水路的压降降低了10.7%。对改变水槽和隔板尺寸的水冷机座进行散热能力与压力损失的仿真计算,通过压降、表面散热系数与散热面积的综合分析,机座水路结构以水槽宽度30 mm、隔板宽度5 mm的方案最佳。基于选定的螺旋水路结构,对电机的流场和温度场进行耦合仿真计算,通过仿真结果与试验数据的对比,验证了电机冷却结构设计的合理性与仿真结果的准确性。

矿用隔爆一体化变频电机的三维流场温度场耦合计算

针对矿用隔爆一体化变频电机几何结构不完全对称、封闭结构严重制约散热的问题,提出了对完整变频电机进行流场温度场耦合计算的方法。首先基于基本假设,建立完整三维流动与传热耦合求解的数学模型,并给出相应的边界条件,然后采用多参考坐标系模型与有限体积法进行耦合计算。对变频电机内部的流体流动性能、整体温度场、电机定转子温度场、变频器功率模块温度场以及对流换热系数分布进行了分析。计算结果表明:变频电机的几何结构不对称表现出定子和机座的温度场分布并不沿转轴中心线对称,对变频奠基完整模型进行仿真分析可以全面了解温度场的分布;变频电机在额定工况和1.2倍过载工况下的最高温度出现在转子导条上,最高温度小于绝缘条件所允许的极限温度。通过对计算结果与实验数据的比较分析,验证了计算方法的正确性。

电机控制器用IGBT风冷散热器的热仿真与实验

电机控制器是电动汽车中的核心部件之一,而IGBT风冷散热器是保证电机控制器乃至电动汽车安全可靠运行的关键。为分析散热器与风机的性能,利用Hyper Mesh软件划分高质量的网格,采用FLUENT软件计算出5种型号风机在吹风和抽风方式下的流速分布与温度场分布。仿真结果表明:两种方式下的空气流动特点有较大差别,导致散热器上的IGBT元件温度各不相同;采用BUM9-0型号风机时,抽风方式的芯片最高温度比吹风方式低4.8℃。对开发的样机进行温升实验,得到的温升曲线验证了仿真结果的准确性。

输出频率对IGBT元件结温波动的影响

为分析输出频率对结温波动的影响,开发了基于模型降阶方法的程序,运用该程序对IGBT元件的热模型进行了计算,将得到的温度计算结果与ANSYS稳态计算结果进行比较,结果的一致性证明该方法是有效的。在此基础上,利用该程序计算得到了不同输出频率下IGBT元件的结温波动曲线。通过瞬态温度与基于平均损耗计算的稳定温度对比可知：1 Hz输出频率时半正弦波损耗产生的温度波动范围为-7.2%～7.6%,方波损耗产生的温度波动范围为-3.9%～6.5%,输出频率对温度波动的影响显著；50 Hz输出频率时对温度波动的影响较小,可以忽略；半正弦波损耗产生的温度波动大于方波损耗。分析结果可为IGBT元件瞬态温度计算提供参考,基于模型降阶的程序可以进一步运用于其他电力电子器件瞬态温度的计算。

晶闸管水冷散热器的热仿真与实验

为协调散热性能与流动阻力的矛盾关系,开发了一款基于阿基米德螺旋流道结构的晶闸管水冷散热器。分别利用Hyper Mesh和FLUENT软件划分高质量网格与求解计算,得到了流速分布与温度场分布,可以看出冷却水在水冷散热器中间部位出现流速不均,导致中心部位的温度最高。通过分析冷却水流量、温度和发热量等因素对温升与压降的影响可知:入口流量不变时,温升随发热量增大而提高;发热量不变时,温升随入口流量增大而降低,流量增大至一定程度,温升受入口流量的影响很小;入口流量不变时,温升随冷却水温度升高略有下降;压降随入口流量增大而急剧上升;压降随冷却水温度提高而小幅度下降。建立了样品测试环境,测量了不同入口流量下的试验数据,对比分析可知仿真结果的准确性。对水冷散热器中间部位的流道进行改进后,最高温度降低了7.8%。

翅柱式IGBT水冷散热器的热仿真与实验

为分析翅柱式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)水冷散热器的换热性能,利用Hyper Mesh软件对IGBT元件和完整散热器建立高质量的网格,通过FLUENT软件计算得到了水冷散热器内部槽道的流速分布、IGBT元件与水冷散热器的温度场分布。为验证仿真方法的可行性,建立了水冷测试系统进行温升实验。考虑到IGBT元件不能长时间工作在极限工况,损耗特性与结温互相影响以及内部芯片结温不便测量等问题,实验中采用了自制的模拟热源代替IGBT元件。以实验条件作为输入参数,建立模拟热源与水冷散热器的网格模型并求解计算,对比分析表明水冷散热器安装面上测温点仿真结果与实验数据的相对误差在4%以内。

基于HyperMesh和Sysweld软件的变流器柜体吊耳焊接性能分析

为了研究变流器柜体吊耳的焊缝性能,提高吊耳焊接可靠性,采用数值模拟技术对其焊接过程进行模拟。利用Hyper Mesh软件建立吊耳有限元模型,以双椭球体热源作为输入,运用Sysweld软件对吊耳进行了热循环、残余应力和变形分析,并对不同速度下的焊接性能进行了比较。分析结果表明,焊缝之间热循环相互影响,焊缝性能与焊接速度有关,5 mm/s焊接速度下获得的焊缝性能最佳。

基于Ansys二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发

为解决现有随机振动分析中存在的结构各节点的振动频率计算、三个方向振动结果的叠加、全域可视化显示等问题,进行了基于Ansys软件的二次程序开发。通过程序在某变流装置中的应用,表明了二次开发的程序可以更加快速、全面、有效地进行虚拟样机的疲劳寿命分析,为产品结构的优化设计提供理论指导。

电动汽车电机控制器的结构仿真与实验验证

为研究电动汽车电机控制器的疲劳可靠性,首先利用HyperMesh软件建立精确的有限元模型,在ANSYS软件中进行模态分析,得到关心的模态阶数与振型特征,再以振动试验标准为基础,采用ANSYS nCode DesignLife软件建立正弦扫频疲劳仿真模板,分析X、Y和Z三方向的振动疲劳损伤,得出结构薄弱部位的疲劳寿命结果.最后通过对电机控制器样机的振动试验检测,验证了仿真分析方法的可行性.

基于结构仿真的振动夹具校核与疲劳寿命预估

动车组和城轨车辆车体下部安装的电气装置种类繁多,结构尺寸各异,导致振动试验夹具的设计工作量大,设计开发适用范围广的通用型夹具具有重大意义.以某通用型夹具为研究对象,对夹具和被试设备综合进行模态、瞬态动力学和随机振动疲劳分析,仿真结果表明可以对夹具进行校核和疲劳寿命预估.研究方法与结果可为夹具的设计和振动试验结果评价提供理论依据.

一种SVPWM NPC三电平变频器损耗计算的改进方法

功率器件的导通和开关特性与温度相互影响,损耗计算时应考虑散热条件的影响。通过Matlab循环调用功率器件损耗计算程序和ANSYS温度场计算程序的方法,实现了空间矢量脉宽调制(SVPWM)中点钳位式(NPC)三电平变频器的损耗改进计算。分析了不同调制度和负载阻抗角对损耗特性与结温特性的影响,结果表明反并联快速恢复二极管芯片结温受邻近绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片的影响很大,导致结温特性与损耗特性分布趋势不同。该方法可为三电平变频器功率器件损耗的准确计算和散热器的优化设计提供依据。

翅柱式IGBT水冷散热器的数值模拟

翅柱的细节特征尺寸很小,限制了网格的尺寸,制约了对水冷散热器进行完整模型的仿真分析。采取先对流体区域进行流场计算,再利用对称性来建立热仿真模型进行散热性能仿真的方法,得到了水冷散热器在不同入口流量下的芯片最高温度和IGBT元件安装面最高温度变化结果。同时通过对比分析有、无泄压槽对3个支路流量分配的情况,发现泄压槽方式可以有效调节3个支路的压力和流量,使得3个支路的流量基本上相等。研究方法可以有效解决和实现复杂问题的仿真计算,研究结果可为IGBT水冷散热器的设计工作提供指导。

地铁车辆高压电器箱的设计与结构仿真

高压电器箱的设计需要考虑电气功能与安装维修的便利性,还需对箱体的疲劳寿命进行校核。以地铁牵引系统用高压电器箱为例,介绍电气原理与功能、关键器件选型与计算、内部器件布置和对外连接,并运用ANSYS软件进行了随机振动疲劳寿命分析,试验验证了仿真结果的准确性。研究方法与结果对高压电器箱的产品开发有一定的指导意义。

地铁车辆辅助变流器的热仿真与实验

利用HyperMesh软件建立辅助变流器风冷系统的热仿真模型并利用FLUENT软件进行求解计算,得到流速分布和温度场分布.通过实验研究中的多个测温点数据与仿真结果进行对比,表明仿真结果具有较高的可信度.热仿真分析方法可为辅助变流器的热设计提供参考.