автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Испарительно-воздушное охлаждение инвертора асинхронного тягового привода вагона метрополитена

од

¡ 4

Министерство путей сообщения

российской федерации

петербургский государственный университет путей сообщения

На правах рукописи

НИКОЛЬСКИЕ Дмитрий Валентинович

удк 021.314.5:62-71

ИСПАРИТЕЛЬНО-ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ИНВЕРТОРА АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ПРИВОДА ВАГОНА МЕТРОПОЛИТЕНА

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена на кафедре «Теплотехника и теплосиловые установки» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Игорь Георгиевич КИСЕЛЕВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Виктор Васильевич СТРЕКОПЫТОВ;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сергей Сергеевич ЧЕРНОВ

Ведущая организация — Петербургский метрополитен.

Защита диссертации состоится 24 ноября 1994 года в 13.30 на заседании специализированного совета Д 114.03.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 21 октября 1994 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в совет Университета.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент Б. В. РУДАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тЗмя. Перспективной задачей дальнейшего технического развития метрополитенов является создание электропоезда с асинхронным тяготи приводом. Бесколлекторные двигатели позволяют реализовать большую мощность в заданных габаритах и более надвглы. Управляющий их работой полупроводниковый преобразователь энергии (инвертор) позволяет осуществлять рекуперацию, что особенно важно в связи с ростом цен на энергоносители.

Разрабатываемый инвертор асинхронного тягового привода требует осуществления надежного и эффективного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (СПП). ОсЬбенностьп работы СПП является необратимое разрушение при превышении допустимой температуры, составляющей 140...190 °С для диодов и ПО...125 °С для тиристоров.

Пртэнеклв стандартных цельнометаллических охладителей при существующем уровне тепловыделений СПП' инвертора приводит к неудовлетворительным массо-габаритным показателям.

В мировой практике локомотивостроения нашли широкое применение ток называемые "погружные" системы'эффективного охлаждения, реализующие принцип максимального теплосьома с тепловыделяющих элементов, погруженных в объем промежуточного теплоносителя, за счог изменения агрегатного состояния последнего. Дпльнейиее воздушное охлаэдение теплоносителя с целью переноса выделяющейся теплота в окруяаздую сред? обрззуо? вторичный контур. Даниый способ обладает рядоу достоппств и преимуществ по сравнению с други-ta олегемгге? эффективного охлаждения, по до настоящего времени во использовался lia отечественном келэзаодорезнэм транспорте.

Предлагаемая в настоящей работе двухфазная охлаядающая слоима погружного типа позволяэт обеспечить длительную надежную работу СПП инвертора, что является важной составной частью обеспечения работа асинхронного привода вагона метрополитена.

-Пяль работа. Для разработка систем эффективного охлаждения СПП инвертора необходимо реаение следующих задач.

I. Создание методики расчета испарзтельно-воздуиной погружной системы охлаядения СПП, позволяющей оптимизировать ее массо-

габаритные показателе, учитывая специфику работа инвертора на вагоне метрополитена, которая характеризуется, повторно-кратковременными тепловыми режимами в цикле "разгон - шбаг - электрическое тормоханиа - стоянка".

2. Исследование аэродинамических характеристик воздушного потока в подвагонном пространства при движении поезда в тоннеле метрополитена с целью реализации вторичного контура охлаждения системы путем естественного воздушного охлаздения.

3. Создание и исследование натурного образца яспарителыю-воздушной системы охлаждения СПП инвертора.

4. Определение технико-экономической еффсктивности внесения данной системы охлаждения на вагоне метрополитена, оборудованном асинхронным тяговым приводом.

Научная новизна. Заключается в предлагаемой методике рзс-чета система охлаждения инвертора, позволяющей оптимизировать ее массо-габаритные показателя. Это достигается за счет сочетания значительных теплоинерционгах свойств систем!, работающей в условиях повторно-кратковременных реаатов п особенностей аэро-динашкл движения поезда в тоннеле. Получены а эр одн ц амз чес кп е зависимости скоростей воздушного потока и характер их распределения в подвагонном пространства поозда.

Практическая ценность работа. Создана погрукная испарлтель-но-воздукная система охлаздекия полу провод; ¡¿косого преобразователя энергии, не вмевдая аналогов па омчостеонкотл подвлано:.? составе. Методика ее расчета с кеподьзозалпегл 2Е! поззоякат определять конструкционные параметры. Предложена коиструпдея и методика расчета на ЭНЛ дискового охлаздовдаго вясмзнта дай'СПП. Аэродинамические исследования воздушного потока в подаагонаодг пространстве при движении поезда в тоаколэ погзоястт принять кои-поновочныо решения по расположению инвертора под вагоном без использования вспомогательного электрооборудования для принудительного воздуиного охла-здешш. Экономический еф$ект от внедрения предлагаемой системы охлаждения по сразнешш с воздушным охлаждением на базе стандартных цельнометаллически: охладителей составит 18,6 млн. руб. в ценах на февраль 1994 г. на парк из 100 вагонов, без учета общей а|фвктиваости внедрения асинхронного привода.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались автором на I советско-польском се«.'инах;е "Проблем развития

магистрального и внутригородского'рельсового транспорта в условиях городских агломераций" в 1990 г., Ленинград; на Всесоюзной конференции по секции "Транспорт, связь и строительство" в МИИТе в 1991 г..Москва; на конференции Дорожного правления Всероссийского НТО железнодорожников Октябрьской железной дороги з 199Й г., Санкт-Легербург; на научно-технических конференциях "Недоля Науки" в ПГУПС в 1389-1994 гг., Санкт-Петербург.

Публикации. По результатам исследований, выполненных в диссертации,- опубликовано 7 печатных работ.

Объом пяботн. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и чатарах приложений. Материал диссертации излонен на 142 с. основного машинописного текста, содержит 46 рис. Список использованной литературы включает 98 наименований.

содагантз рабош

Ввоцение. Обоснована актуальность тот. Изложены основные цели я задачи, методика исследования. Указаны научная новизна л практическая ценность работа, публикации.

I. Состояние вопроса я ростадовка, задачи исследования

Вопросам разработки эффективных систем охлаждения СПП транспортных энергетических установок посвящены труда многих ученых. Необходимо'отметить работе В.М.Бабайлова, А.Б.Вуянова, В.И.Иванова, а.и.Исекеава, И.Г.Киоелвва, А.Т.'йника, В.В.Филатова. Вздутая организациями, разрабатавеющямя подобные систеш, являются ВЭИ, ШУПС (ШПО, завод "Элактровыпрямитель" (г. Саранск), а также Таллиннский электротехнический завод (Атония).

В результата обзора я класскфгпшцш существующих систем охлаждения СПП транспортных преобразователей для инвертора поезда с асинхронным тягоеым приводом предлагается использовать групповое охладденпо о погружением тепловыделяющих элементов в герметичный объем, заполненный промежуточным теплоносителем, с последующи воздувшм охлаждением последнего. Теплотехнические данные теплоносителя подбираются для организации испарительно-кон-денсационного цикла внутри сйстеш охлаждения. Таким образом, реализуются .преимущества данного типа охлаждения за счет кипения теплоносителя^ обесточивается ого максимально интенсивный теплообмен с СПП. Герметичность системы, с одной стороны, позволяет

екслдуатировагь инвертор без применения активных средств очистки охлаздаидего воздуха, используя воздушный поток подвагонного пространства, С другой стороны, становится возмшшм применение бескорцусных СШ1, что значительно уменьшит термпчоскоэ сопротивление схемы и улучшит условия охлаждения, а также снизит массо-габаритные показатели систеш. Основной недостаток данной системы охлаждения - низкая ремонтопригодность (необходимость разгерметизации для замены неисправного СПП). которая может быть повышена путта блочно-модульной компоновки инвертора.

Погружные системы охлаждения преобразователей шздоко применяет французская фирма Atsbom - rtttaatlibuç,1 как в подвагонном пространстве (элекгровагоа MI0024), так и внутри локомотива (высокоскоростной поезд TGV). Ими оборудована электропоезда магистральных железных дорог (ВВ 10003 с асинхронной тягой, ЕВ 10004 о синхронной тягой) и метрополитенов ( MF77, MI0G24, М30029). Они распространены таккз в ФРГ, Австрии, Швейцарки, Японии, Испаши и ОНА. На отечественном подвягном составе погружные системы охлаждения не применялись.

С учетом особенностей электрической схеш и принятого подвагонного размещения инвертора, в настоящей работе предлагается двухфазная охяавдаюаад система погружного типа (ДОСПТ) инвертора, при которой последний компонуется четырьмя взаимозаменяемыми блоками-модулями, представлотда® собой три фазы инвертора и тормозной блок. Внутри каядого блока располагается 4 тиристора ТБ-253-IOOQ и 2 диода ДЧ-143-1000, а такге элементы вспомогательных коммутирующих цепей и цепей защиты. Блоки имеют прямоугольную форму, верхняя оребрэнпая крышка, охлаждаемая воздушным потоком, выполняет роль конденсатора в испарительно-конденсационном цикле. В качества промежуточного теплоносителя, заполняющего модуль, могут быть использована следующие кидкие синтетические дв-електршш: хладон-НЗ, хладон-122А, ВДЗФ.

Анализ существующих методик расчета погружных систем охлаждения позволил сформулировать основные задачи настоящего исследования.

За счет заполнения блоков-модулей жидкость» ДОСПТ обладает . значительной тепловой инерцией в свойством термостабилизировать пиковые нагрузки СПП. йлзотв с тем, электрооборудование работает в условиях цикличных повторно-кратковременных режимов "разбег -

выбег - электрическое торможение - стоянка", что отличает метрополитен от магистрального транспорта. Это обусловливает задачу расчета параметров ДОСПТ с целья минимизировать во массо-габаритные характеристики.

В связи с подвагонным располояением инвертора, необходимо исследовать набэгаиздй воздушный поток при движении поезда с точки зрения ого достаточности для естественного охлаждения вторичного контура. Анализ литературах источников показал, что характер движения воздуха в подвагонном пространство поезда при движении в тоннеле практически малоизучен.

На основании теоретических расчетов и аэродинамических исследований необходимо создание и испытание натурного образца ДОСПТ и определение технико-экономической эффективности ого внедрения.

2. Теоретическое, исследовании процессов таплопяреноса п спстот.тя охлаждения инпоптоппмс.погружением сплоя.оЯ.схе^-В объем диэлектрической жидкости

Ввиду того, что СПП каждого модуля по техническим условиям соединяются стяякой и саабгенц ошиновкой, наиболее тепдовздаляп-щи о торцевые части внутренних СПП лишены непосредственного контакта о кидкям теплоносителем. Поэтому для развитая торцевых поверхностей СПП мевд ними целесообразно применить охлаждающие элементы, представляющие собой медную дисковуэ конструкцию. Проведанный эксперимент показал, что дополна то льшм способом улучшения теплоотвода метет слукить наличие продольных прорезей в толе диета, которые, незначительно уменьшая плоцадь контакта СПП с охладителем, увеличивают суммарную паоцадь омываемой топлоноситолом поверхности, создавая подобие оребренияп обоспечявают непоерзд-ствоиный контакт торцевых поверхностей СПП с жидкости);

При проведении расчета конструкции ставилась задача определения оптимальных размеров дискового охладителя, а тэта в паличия и величины прорезей для определения, степени их влияния на температурное поле СПП.

Токопроводящио пицц внутри ДОСПТ токае выполняют функции дополнительных робэр дискового элемента и мо1ут осуществлять некоторый теплоотток за счет игхэда за прздага блока. Наличие оазшов-ки также учитывалось в расчетной схеме.

Анализ температурного поля внутри СПП является достаточно

олоаной задачей в сяду.многослойной внутренней структуры. Так, расчетная модель тиристора ТБ 253-ЮСО ко.^ат быть представлена в виде многослойного цилиндрического тала, имеющего 12 слоев с различной теплопроводностью и соответствующая контактным! термическими сопротивлениями. Елзсто с там, температура кремниевой структуры СПП определяется по его нюлакаяшо* дашшм а температуре его поверхности. При шборо расчетной схе:.а наличие СПП учитывалось заданием граничных условий П рода. Таким .образом, создавалось таете возмоапоегь расчета охлаждения баскорпускых СПП.

В силу приведенных соображений была сформулирована задача теплопроводности, описываемая прп постоянных тецдофиззчвииа характерце тиках однородных тал охлавдаацзго диска ктокопроводядих елн, пренебрегая их внутренним теллозццзлонием, для стационарного процесса уравнением Лапласа в двухмерной постановка (рас. I):

Б,

'в.

1

<14

Лг

Рис. I. Постановка задачи теплопроводности для охлаздакцого Елэмента

дгТ

+

гт

о

дхг ' Зн1

гд8 Т - температура; х , Ъ - координаты, • . с граничными условиями П, Ш и 1У рода соответственно:

(1)

(2)

(3)

где - плотность теплового потока, Вт/м*-;

- ко официант теплообмена, Вт/О/Чс);

(( - теплопроводность, Вт/(м-К);

Ть ,7$ - температуры поверхности охладителя и теплоносителя, °С.

Теплообмен с кипящей средой учитивается заданием граничных условия Ш рода по зависимости (3) во всех точках расчетной схемы, за исключенном двух случаев (см. рис. I):

1) в месте контакта СИП с охладителем задаются граничные условия ¡1 рода (2); для цельного охладителя:

при г б [ я1 , Ая] для прорезного охладителя:

при гб{ГЛ1,А13,[я31Л«(],...[Лп.11 Да1)

2) в месте контакта охладителя с точоводущей тиной эадоятся граничные условия 1У рода (4):

при "Е, X 6 [ В4 , Вг1

Начальными условиями задачи теплопроводности охлаждающего элемента слукат температуры ¡сипящего теплоносителя и окружающей среда, а также плотность тепловыделений СПП:

Рте<*^ , Вт/м2, (5)

Р

где Ргр(лк-) ~ тепловая мощность СПП, Зт;

Р - площадь омываемой теплоносителем поверхности, м".

Величины коэффициентов теплообмена для различных режимов кипения теплоносителя, включая рожи,-я неразвитого и развитого пузырькового кипения, пленочного кипения, учет гистерезиса при по-роходе от естественной конвекции к кипению и обратно, определялись путем введения опытных значений коэффициентов эмпирической зависимости вида

^С.д." , Вт/(М2-К), (6)

где , ш. - коэффициент, зависящие от свойств зеидкости,

температуры насыщения и размеров нагревателя.

Задача рэиалась на ЭВМ методом коночных разностей с примана-шюм метода улучшенных итераций Зойделя.

Результаты расчетов подтвердили, что наилучшие условия охлаждения имеет бескорпусный СПП, и позволили получить количественную оценку сравнения различных охлаждающих элементов (рис. 2), а также позволили проработать геометрические размеры элементов.

FfA3) , £¡a

Ркс. 2. Расчетная аавяспыость вагрзьа структура!

СПП от кощлосга топлокас потерь в объсиэ кипяцаго теплэиосатеяя: I - СШ без еивд^юи; 2 — СПЛ с цэлыям даскоши охлэдзхекзм; 3 - СШ1 с npopssHiai дасковкм охладогоавд; 4 - бсскорлус&Ш СПП

Отвод теплоти от источников Б ncrpyaysíi с£сго:,:о происходи? в двух контурах: от СШ к иро^е^усчис:,« теплоиосг.ияя и от про-меауточного теплоноелголя к ззоэдгу. ■ Тсг-тарзгуршо'градиента в обоих контурах предпочтительно Е2.:ать сшдохашго вежошто при соблюдения условия

Ъ < Т>Ю«с , . W

где Tj - температура креашювоЗ садкирз СПЛ. Следовательно, на первой ступьщя ашэдгшя тсглслатурз гашшо-сителя требуется низкая, а на зторои - текшая.

Для минимизации габоратоз бдола-иадуая, оарадогяегдзе размера!,я конденсаторной части, бала расст.:отрзна' нестационарная задача теплопроводности для конденсатора в едноморяоЁ постановка прл переменном воздушном потока, оооггвтегвдвщеу разикам двйгвния поезда метрополитена (рис. 3). При отсутствии внутренних источников тепловыделения в конденсаторе она описывается уравнение!,: фурье:

ЗГ \ ?

ГД8 а, - коэффициент температуропроводности, к'"/с; Т - время, с.

(В)

Рас. 3. Постановка задача теплопроводности для кондепса-торо блока-модуля при пери.кашогл воздушном потокэ: I - корпус блока-иодуяя; 2 - ктаетяй теплоноситель', 3 - плр; 4 - кондоисог; 5 - кэндавозгор

Грзнвчпыэ уолскпя со огорож воздусаого потока п со стороны парогазовой сг-псп зпрздзяяяась по зязлсямостй (3). Для определения звачсякЗ кос-й'Г'цизата тгплсобиснз в порвем сяучао использовалась известная Лоргдг.а дат продольного окашгая плоской по-гэпхвосгл потохсм с гзр5?яеу№д.|' погоягстсяш слоем:

/^«ода-С-^-Г^/Рг,,)0'85

(9)

гдо На ,?г

чкскэ подобия, соогпзтотзйнно, Иуссэльта, ГзЯкэяьпса, Пргндтля. -Еэ вторегл стзчаэ длл 'кездйвеащга гояаопооятвяя па внугрен-коЗ поззрияоегя койг.Ьаозгррз пепояьзоззяпоь завзелмоегь

ур-к-си-иг

, Вт/оАк), (10)

где

•Й'-.-.-яолоЕЯга «йгрЬйзрлмч) пространства, 'м; ^ $с::ср:?!з;10 сгсЗггшзгз падения, м/О о - пяотизогь плдисстя, кг/м3; .

д тн»я*з«ша'воо®п1швят вязкости, Н-с/м ; • ..К •«•шсота-рсЗра, »;..•. /*н - югасратзра люсып;зш?я,' °С.

■Задача рзетлась на ЭШ--кэтолом 'конечных разностей по неявной разисстноЛ схсмв'методеи/уяучыеаю« итераций ЬоМделя.

Опасашшв исто проггаот.чав. модуля были объединены в единый пакет. ПослодияЙ блок позволяет определять конструктивные пара-

метры конденсатора по известной зависимости для теплового потока плоского робра, с учетом,коэффициента эффективности ребра.

Таким образом, пакет программ позволяет рассчитать необходимые парами три системы охлаждения, включая конструкционные размеры. Определяющими исходными данными расчота служат мощность тепловых потерь СПП и требуемые габаритные размори системы их охлаждения, а такг.е скоростно-временнно характеристики работы инвертора.

3. Экспаппмелтплыие исследования характера движения воздушных потоков в подвагонном пространстве поезда при движении в тоннеле метрополитена

При проведения расчетов параметров ДОСПТ необходимо знать скорости воздушного потока. Характер воздушных потоков под вагоном определяется особенностями движения поэзда в тоннеле и компоновкой подвагонного оборудования. Первый из этих факторов не позволяет однозначно принимать скорость воздушного потока равной скорости движения поезда. Второй фактор может привести к завихрениям воздушного потока и созданию застойных зон, что затруднят использование естественного охлаждения блока-{«оду ля.

Экспериментальные натурные азродинамичоские исследования ставили цель определить скорости воздуха при движении поезда по высоте, ширина и длине подвагонного пространства, а такие влияние расположения вагона в-составе поезда на набегающий воздушный поток.

Испытания проводились на составе из вагонов серии ЕМ в процессе обычной эксплуатации, без изменения графика работы метрополитена. Аородянамячоскив измерения проводились манометрическим способом, ко трзбукэдм специального источника энергии. Составляэ-щая скорости воздушного потока в направлении продольной оси вагона Ух, воспринималась комбинированным насадком I, установленным на жестком кронатойне под вагоном 2'(рис. 4). Разность скоростного напора И и статического давления Я , передаваемых манометрическими шлангами 3, регистрировалась I/ -образным вертикальным водяным манометром 4, установлошшм в кабине машиниста. Наседок в процессе эксперимэнта передвигался по длине 6 вагона, высоте к и ширине 6 подвагонного, пространства в местах 5, указанных на рис. 4.

Эксперимент показал, что при двихонии поозда с постоянной скоростью величина Ух находится а прямой пропорциональной за-

- ТО -г

И 1 -.....1

!

5. 1 1

[ _ Ис о _ &

Г* ь » г

Рпо. Расположение измерительной аппаратуры при аэродинамическом эксперименте: I - манометрический насадок; 2 - вагон; 3 - манометрические шланга; 4 - водяной манометр; 5 - моста замэров; 6 - станка электрооборудования

вясшоотп от скорости движения и возрастает по мера увеличения последней. Скорости потока воздуха под вагоном нижа скоростей движения поезда, однако предположение о том, что в подвагонном пространства но будат наблюдаться интенсивный поток вследствие выталкивания поездом массц воздуха (подобно работе поршня в цилиндре) па подтвердилось.

Исследования по высота подвагонного пространства таксе опровергли предположения о том, что в силу специфики движения в тоннеле.воздушные массы будут захватываться вагоном и двигаться вмэстэ с ним, создавая застойную зону..Так, при увеличении расстояния от днища вагона составляющая увеличивается и при скорости движения поезда. = 90 км/ч достигает при Ь£ = К V,; = 16,3 м/с. При этом на наблюдается резкого изменения скорости, воздуг.а по маре приближения к днищу вагона (рис. 5).

-Дс

м

0,4 М

К

и чз

£= 0,!

Рис. 5. Изменение скорости воздушного потока в подвагонном пространстве вблизи стенки электрооборудования по

еа высоте

- ТТ -

С той яо точки зрения характерен профиль относительной скорости воздушного потока

- ^-^Г . <п>

по нормали к стенке электрооборудования. ■.-."''

При Ъ = 0,-5 и К- = 0,6 подвагонного пространства па расстоянии й .'= 0,3 скорость воздуплого потока под вагоном достигает II к/с при- - 90 км/ч (рис.. 6).

Результат .измерений по

I ■ ад

П.5

ОА 0.1

Ь-О.Т

■ длине подвагонного пространства показали, что наличие, аэродинамических препятствий, ка-и-С,{> . . ходягухся шшо по точения потока, существенно влияет на ско-^-1—.—I—«с. рость набагавцого воздуха. Так,

" ОД ОД 0,5 СР Уз; кра I- величина \'х на

йю. 6. Профиль относительной Ю'1/ чю в средней.чос-скоростк потока воздуха по нор- заГ0"а* глади к.стзнке электрооборудования

Вместе с тем расположении вагона в составе мало влияет на скорость воздуха. Прл прпйлпшнпп к концу состава Ущ увеличивается незначительно, что !-,:огщо садтауь спецвфдкоЗ движения в тоннеле.

По результате:.: проведений: исследований было принято реше-., пае о целесообразности' расподсаопия итортора'.в средней • части подвагонного пространства вблизя бохошх стопок вагона.

В соогоекшак с про?р&«>ой и ко^одпкой исшганяй' тягового -слектропрпвода с ссяшфашгллд дазигагоа&пг, установленного ка созданном в'-ПО "ВагокЕш"якеперпкзитаашем поезде на серийной -сняпвдгоЗ. части, утверг;детш дагропоааювем, бия проводов патур-шй эксперимент для гарадодэдая осродвн&£часких;П«рачетров вентиляционного канала инвертора,'.-образованного поверхности блок-кодуяей инвертора в давйса-вамвв' к кмзащого размеры 2ШхЗШ ш при длина Ши кл. - ■ -'

Для этого бшш' произведены, предварительные статичесхие на- . турные, аэродинамические испытавая воздуховода списанным шше ка- . неметрическим способом. Воздушной поток моделировался' ра иеподвиа-ном вагона вентилятором. Шли определена фулкциональныо зависимос-

Tir скорости охлаздавщего воздуха мозду ребрами коццепсауохчр-сс частей охлаждающей систем инвертора, средней скорость» воздуха во входном сечонии воздушного канала и скорости воздуха в реперной точке, в качество которой была принята точка пересечения диагоналей входного сечения канала, от потерь даьления воздушного канала, а тыгхо величина коэффициента аэродинамического сопротивления капала.

Используя полученные результаты, аэродинамический эксперимент повторялся на мерном участке линии метрополитена мсгхду 218 И 235 пикетам:; I путл I линии Петербургского метрэподитанп. Подученные дашио обрабатывались на основе имеющихся функциональных зависимостей па ЭК.1 с помэ^ью разработанного пакета программ.

Проведение аэрэдянсмячоские исследования позволяет утверждать, что набегающий эоздусный поток в подвагонном пространство могло использовать для организации вторичного контура охлаждения ЛОСПТ без принудительного обдува вентилятором. Па основании полученных количественных данных стало возможным проведение уточненного конструкторского расчета погружной системы охлаждения инвертора.

Разрпботдя, ;t, идедпдов.чйяв.иау/ра.огр, цаката^хл/таеж"!

На основания уточненного (в соответствии с полученными аэродинамическими данными) расчета был создан натурный образец фазы инвертора. Силовое оборудование размещалось в сварном алюминиевом корпусе, изготовленном из сплава ЛМГ, с толщиной стенок 12 мм, имениям габариты 490x430x190 мм. Варкияя несъемная крышка корпуса шполпена с оребреннэм. В днище корпуса предусмотрено круглое стверстио, выполнякщээ роль монтажного днка для размещения внутри корпуса электрооборудования. Кршлса люка пмэзт в торцевой части уплотнение из Фреокостойкэ'1 рззпна типа ТКМЦ-М (ГОСТ 7338-77) диаметром 6 га и крепится к корпусу 12 болтами. Силовые выводы электрических цепей выполнены в видо четырех проходных изоляторов в боковой поверхности корпуса. Том же расположены слаботочные я"лзкеритолыпп разъемы. В качестве промегдуточного теплоносителя кз' cootfper*:..:;; экологической безопасности использовалась жидкость ЩЗ-0.

Для проведения испытаний оДрйзца был создан стенд, состоящий из блока-модуля с измерительным-комплексом, выпрямительной установки для имитации 'реальных нагрузок при движении поезда и

- 1.3

осевого вентилятора для создания набвгеющого воддупшоги потока.

Измерения температур проводились термоэлектрическим способом с использованием термопар типа."Ж".

Программа испытаний блока-модуля инвертора включала в себя режима длительного нагрева к остывания, при обдува воздушным потоком п при естественной конвекции. Исследовался такяе эксплуатационный рехшм работы инвертора, представляющий собой цикличные иаграв и остывание при обдува воздушным потоком с переменной скоростью. При этом электрическая нагрузка и создаваемый вентилятором воздушный поток имитировали движение поезда по линии метрополитена.

Результаты испытаний показага, что предлагаемая конструкция блока-уодулн обеспечивает требуемый тепловой режим СПП при работе инвертора в тягов с:,; и тормозном режимах. Система охлаждения обеспечивает термическую стабильность СПП. Локальные перегревы СПП в установившемся режима работы системы но правдоалт 20 °С и полностью поглощаются теплоносителем за время 0,6 цикла работы инвертора по метстанционному перегону метрополитена (рис. 7). Система обладает высокой тепловой инерцией.

Рис. 7. Стационарный цикл работы блока-модуля при моделировании движения поезда в тоннеле метрополитена:

--- скорость воздушного потока;

- температура поверхности диода;

--- температура конденсатора

- И -

Расхождение экспериментальных дапячх с результатами расчета сооташло .3 %, что обусловлено допущениями при постановка расчетной задачи и построении математической модели.

Технико-экономическая эффективность разработанной конструкции блока-модуля определялась по сравнению' с системой воздушного охлаждения па базе серийнпх охладителей типа 0Л-033 или ОА-036. Помимо улучшения более чем в 2 раза массо-габарлтних показателей, экономия определялась уменьшенном стоимости, оборудования охлегдшкчей системы и сокращением расхода меди.

' Заключение

3 результате-проведенных'исследования моьшэ сделать следующие вывода.

1. Погружная' испаритэльно-воздушная система охлаждения сбзс-почивает работоспособность СПП инвертора асинхронного привода вагона метрополитена. Максимальный нагрев СПП на прешкает 80 °С

в режимах разгона а электрического тормоненпя поезда при юяи-ратурэ наружного воздуха 20 °С.

2. Предлагаемую систему охлаждения огличэю? шеокио. показа-тола тврмостабильлости"и тепловой инерция'. Электрооборудование, погруженное.з диэлектрическую едкость, пмсот маккпяальныо локальные перегревы, кэ прзвктающпз 20 °С, под-юстыз поглощающиеся за время 0,6 цикла работа аа иеяетзшсюписм перегоне. Развитое хипеняз гддкостл и ее стационарный лспзрнтзяьно-кондонсациошшй процесс внутри модуля нсблэдаотся посла 20...22 циклов работы инвертора.

3. Аэродинамические • исследования воздушых потоков в подвагонном пространстве показали везмо-тность пх использования для естественного охла-вдвняя блоков-модулей инвертора при теплопере-иосе от протесту точного сэпяопосятаяя в .скруксячуп среду. При рекомендуемом расположения издззртора скорость набегающего воздушного потока составит но монэо 10...20 м/с пел скорости двзгения поезда 90 н.т/ч. Слстбма охлатдсши по тробузт вспомогательного вентиляторного оборудования и очистка воздуха.

4. При эксплуатации СПП ¡лтзорторэ в Герметичном блоке полностью исключается'вбздвйствгт вноаиоЯ ср?да. Долговечность и надежность работы электрооборудования повыгаотся за счет отсутствия загрязнения и химически активных элементов. Возможно применение бескорпусных.СПП, что приведет к уменьсенип массо-габаритных

показателей инвертора. Герметичность системы и применении экологически безвредного теплоносителя типа МДЗ-Ф или хладон-122А исключают негативное воздействие на овдукяющую среду.

5. Разработанная конструкция система охлаждения инвертора представляет собой 4 блока-модуля, имеющие габаритные размеры 490x430x190 мм и массу 24,5 кг. Блоки взаимозаменяемы, модульная компоновка повышает степень ремонтопригодности инвертора. По сравнению с системой воздушного охлаздения о применением серийно выпускаемых охладителей предлагаемая погрухшая система имеет в 2,4 раза меньший объем и в 2,9 раза меньшую массу.

6. Технико-экономическая эффактиьнооть разработанной конструкции по сравнению с системой воздушного охлаздения на базе оерийных охладителей составляет в ценах февраля 1994 г. 18,6 млн. рублой на парк из 100 вагонов.

Основные полорери^ диссертации опубликованы в работах:

1. Истомин Н.И., Никольский Д.В. Погрукная система охлаждения полупроводникового модуля//Совершенствование систем охлаждения мощных полупроводниковых преобразователей жэлезнодороаного транспорта" Сб. науч. тр./Ленингр. ян-т инж. к.-д. трансп. - Л.: ЛИИЖТ, 1988. - С. 78-86.

2. Болдырев В.Г., Никольский Д.В. Испарительно-воздушная погружная система охлаждения силовой преобразовательной установки вагона метрополитена о асинхронным тягошм приводом//Вопросы совершенствования конструкции и ремонта вагонов: Сб. науч. тр./ Хабаровский ин-т иня. к.-д. трансп. - Хабаровск: ХабИИЖТ, 1989. -С. 80-84.

3. Никольский Д.В. Охлаждение инвертора вагона метрополитена с асинхронным тяговым приводом жидким кипящим диэлектриком// . Zeszyty Waukow» Poliiech.n.iki ^ffshicj . - GEcwice, 1990, Z.1S, s. 197 - 201 .

4. Никольский Д.В. Тепловые испытания яспарлтельно-воз.цушной погружной системы охлаждения инвертора вагона метрополитена с асинхронным тяговым приводом//Тезисы докладов 51-й научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. - Л.: ЛИИКТ, 199I. - С. 18.

5. Никольский Д.В., Соколов A.C. Эффективное охлаждение электрооборудования вагона метрополитена,с асинхронным тяговым приводом//Молодые ученые и аспирант Петербургского института ин-

стигута инженеров аелезнодорожного транспорта: Тезисы докладов/ Всероссийское инж.-техн. общество яэлезнодородников. - СПб, 1992. - С. 18-21.

6. Никольский Д.В. Методы расчета задач теплообмена при исследовании двухфазных охлаждавших систем погруиного типа//Те-зиси докладов 53-й научно-технической конференции молодых ученых н специалистов. - СПб: ПИНТ, 1993. - С. 24.

7. Никольский Д.В., Киселев И.Г. Охлаждение жидким диэлектриком тиристорного преобразователя асинхронного тягового привода вагона метрополятона//Тезисы докладов 54-й научно-технической' конференции молодах ученых и специалистов. - СПб: ПГ/ПС, 1994; -С. 24-25.

Подписано к печати 18.10.94 г. Усл.п.л. 1,06

Печать о'сетная. Aviara для инозит, апп. vopuai 60xtí4 I/ÍG

THpast^oC^KOj.__Заказ J.íJs'é'íi_______________

Тип. ПГУйС 1£>C03I С-Петербург Нооковскнй пр.,9