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軌道交通
發布時間：
2023-06-10 11:11
近幾年，國家的鐵路事業加速發展，取得了可喜的成果，特別在高速列車方面。為了更進一步達到發達國家軌道交通技術的水平，還有許多技術需進一步研究。
由于電氣牽引有著傳統內燃機牽引或者蒸汽機牽引無可比擬的優點——功率大，速度快，能源利用率高，環境污染少等原因。現在，無論內燃機車、電力機車、高速列車的牽引系統均采用電傳動。目前電傳動有兩種牽引傳動方式：(1)交—直傳動方式，在該傳動方式中，牽引變流器的主要功能是將交流電通過四象限整流器整流輸出直流電，通過調整直流電電壓來控制每臺直流電機，屬于電壓型調速。(2)交—直—交傳動方式，在該傳動方式中，牽引變流器的主要功能是將交流電經四象限整流器整流輸出直流電，直流電再經逆變器輸出為電壓、頻率均可調的交流電來控制每臺交流電動機，屬于變頻型調速。直流電機的特點是：有電流的換向問題，體積大、重量大、壽命短，消耗的有色金屬較多，設備復雜，造價高，運行中的維護檢修也比較麻煩，用直流電機調速的列車速度提升空間有限。交流電機的特點是：體積小、重量小、壽命長，結構簡單，運行可靠，成本相對較低，維護檢修也簡單。由于采用交流電機牽引的列車調速快、且能達到較高的速度。所以，高速列車牽引傳動多采用交—直—交調速的方式。
在交—直—交調速中，牽引變流器使用的主要電器元件是IGBT。IGBT是個高頻的開、關功率元器件，工作時要消耗電能，它把電能轉化為熱能的形式。通常流過IGBT的電流較大，IGBT的開、關頻率也較高，故器件的能量損耗較大。若產生的熱量不能及時散掉，IGBT內部的結溫將會超過最大值125℃，IGBT就可能損壞。有統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%;溫升50℃時的壽命只有溫升為25℃時的1/6，因此，只有快速、及時的將產生的熱量散走，才能保持IGBT的正常運行。
IGBT散熱的種類有以下幾種：風冷，熱管，液體冷卻。本研究主要研究沒相變的液體(水)冷卻形式。
IGBT水冷原理：水冷散熱是一個密閉的液體循環裝置，通過冷卻系統管路中的水乙二醇混合劑循環流過功率電子元件的安裝基板，功率模塊產生的熱量被循環水帶走，然后水泵將此混合劑抽入到空氣-水熱交換器中，將熱量散發到周圍空氣環境中，達到冷卻的效果。
冷卻系統結構圖，如下圖1所示：
圖1 高速列車牽引逆變器中IGBT水冷系統結構圖
1 散熱器 2 風機 3 電子元件 4 冷卻散熱基板(內含介質及微槽道)
冷卻散熱基板內介質流動如下圖所示。
目的
IGBT產生的熱量能否及時、高效的散掉，表現在IGBT與冷板接觸表面的壁溫的大小，并且是壁溫越小越好，即IGBT的壁溫越低越好。
由牛頓冷卻公式我們知道，
(1)
其中，Q為IGBT的熱流量
h為表面傳熱系數
s為IGBT與冷卻散熱基板接觸側的表面積
tw為IGBT與冷卻散熱基板接觸側的壁溫
為冷卻液體的溫度
熱流量Q的減小可以引起tw的下降，但在IGBT功率不變的情況下，使得tw下降的空間十分有限。
表面s積的增加可以引起tw的下降，但是由于實際物體重量、體積空間等的限制，以及高速列車自身需求的要求使得表面積的s增大很有限，使得tw下降的空間被極大的束縛。
冷卻液體的溫度的降低可以引起tw的下降，但是冷卻液體的溫度的降低受地域，氣候，以及外界氣溫變化的影響;受熱交換器和風機之間熱量與空氣的熱交換的影響;使得散熱器的散熱效果波動較大，不利于有效的降低tw。
表面傳熱系數的h提高可以引起tw的下降，并且不受其他條件的限制，可以有效的降低tw。
所以，當表面傳熱h系數最大時，tw最小，也就是使得IGBT的表面壁溫最低，IGBT的工作更安全、更可靠!
因此，如何獲得冷卻散熱基板最大的表面傳熱系數h成為問題的關鍵，也是本研究的目的。
實驗原理：
為了獲得表面傳熱系數h，需要測發熱塊(IGBT用發熱塊來代替)與冷卻散熱基板接觸側的表面積s，測出單位：m²;測發熱塊的溫度 ;測冷卻液體的進口溫度tw ，出口溫度tfout，利用
，得到冷卻液的溫度 ，單位：K ;發熱塊的加熱采用直流穩壓電源通電的方式實現，用安培表、伏特表分別測得電路中的電流I、電壓U，利用公式 P=UI，Q=P ，得到加熱功率Q，單位：W。最后，應用牛頓冷卻公式：
(2)計算可得表面傳熱系數h 。
為了獲得最大的表面傳熱系數 ，冷卻液的流通通道我們采用微槽道，微槽道內部結構如圖3所示：
圖3
實驗系統如圖4所示：
圖4：實驗系統圖
該系統主要包括1個恒溫水箱，1個電動水泵，1套水凈化裝置及水補給系統，1套乙二醇補充系統，2套直流電源系統(包括2個伏特表，2個安培表，2個滑動電阻，2個燈泡，及導線若干)，2個發熱塊，1套冷卻散熱基板(內含介質及微槽道)，2套數據采集板，1臺計算機。
