WO2016045184A1 - 牵引变流器冷却单元 - Google Patents

牵引变流器冷却单元 Download PDF

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刘俊杰
孔丽君
陈朝春
李永富
贾洪洋
郭华仲
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中国北车集团大连机车研究所有限公司
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases

Definitions

  • the technical problem solved by the present invention is to provide a traction converter cooling unit with higher heat dissipation capability, lower auxiliary power consumption, and more reliable and safe structure.
  • the heat sink assembly comprises a cooling core body, a water chamber at two ends of the core body, an inlet and outlet water flange on the water chamber, and a lifting seat.
  • the heat sink is fixed to the top load-bearing mounting frame by a lifting seat, wherein the cooling core body is assembled
  • the heat dissipating units are superimposed in a certain order and regularity and then joined together by welding to form an air flow passage and a water flow passage; the heat dissipating unit is composed of an air side seal, an air side heat dissipating fin, a partition, a water side seal, and a water side heat dissipating fin. Composition.
  • the filter assembly employs two stages of triple filtration, including a primary filter and a secondary filter.
  • the primary filter comprises a steel mesh and a fiber filter.
  • the diameter of the fiber filter mesh is smaller than that of the wire mesh.
  • the fiber filter is combined with the wire mesh with the locking function and the wire mesh with the frame.
  • the bottom of the primary filter is specially designed.
  • the slot is clamped in the slot, and the slot is fixed at the bottom of the secondary filter; the upper part of the primary filter is fixed by the quick lock and the secondary filter; the handle of the primary filter is provided with the handle for disassembly.
  • the secondary filter is fixed by the frame, the mounting plate and the labyrinth filter core or the labyrinth filter core by riveting and welding.
  • the two-stage filter of the primary filter mainly realizes the dust filtering function, the secondary filter also has the function of dust filtering and water filtering.
  • the centrifugal impeller adopts a circular arc-shaped back-bend fan impeller with large flow, moderate pressure, low noise and high efficiency area.
  • the noise reduction layer is arranged on the inner wall of the wind turbine assembly.
  • the noise reduction layer is fixed to the inner wall of the wind casing through a porous steel mesh or a porous steel mesh. Absorb the noise generated by the fan to achieve noise reduction. Under the same heat dissipation capacity, the fan noise can be reduced by 2 to 3 decibels.
  • the L-shaped anti-pushing plate solution is as shown in FIG. 11.
  • the front bottom plate, the rear bottom plate and the side bottom plate of the cooling unit are connected with the load-bearing column through the tail bolts, and then the bolts are locked in the tail holes of the bolts to avoid the bolts. Fall off.

Abstract

牵引变流器冷却单元，包括防护底板装配、垂直承重立柱装配、顶部承重安装框架装配、过滤器装配、散热器装配、风机风道装配、风机组装配、膨胀水箱装配、串联谐振电感装配、水泵装配、水系统副循环管路装配、水系统主循环管路装配、电连接器或接线盒装配、温度传感器和压力变送器。顶部承重安装框架包括长主梁、短主梁、短副梁；防护底板包括前底板、散热器底平面板、风机底板、边底板、后底板；垂直承重立柱连接顶部承重安装框架和防护底板；过滤器采用两级三重过滤。

Description

牵引变流器冷却单元 技术领域
本发明涉及动车组冷却系统技术领域。
背景技术
目前我国电力动车组牵引变流器冷却单元存在以下缺点：
(1)现有冷却单元承重构架中，顶部承重安装框架与垂直承重立柱焊接在一起，因全部部件都采用薄板件，多个长杆状部件焊接在一起后变形较大，很难保证垂直承重立柱上各安装孔的尺寸。当底板与垂直承重立柱安装后，极易对各被连接部件形成预应力，影响整体强度。
(2)冷却单元过滤器采用的FSA过滤器同流量下空气阻力较高，且过滤效果欠佳。也就是说在同样的散热能力下需要消耗更高的辅助功率，即能耗高。另外，春秋季节，柳絮、树叶经常堵塞空气过滤器进气通道，需要频繁清洗过滤器，现有冷却单元过滤器拆装困难，给用户带来极大不便。
(3)冷却单元防护底板直接作为动车组车下设备舱底板，防护底板与风道装配、垂直承重立柱装配之间采用常规的螺栓连接。一旦因异常振动等特殊原因造成防护底板上安装螺栓全部脱落后，防护底板将脱落进入轨道，这对列车的安全运行造成严重威胁。
(4)冷却单元风机箱体和集流器安装板局部部位开裂，降低冷却单元可靠性，造成安全隐患。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种散热能力更高、辅助功率消耗更低、结构更可靠安全的牵引变流器冷却单元。
本发明采用的技术方案是一种牵引变流器冷却单元，包括防护底板装配、垂直承重立柱装配、顶部承重安装框架装配，过滤器装配、散热器装配、风机风道装配、风机组装配、膨胀水箱装配、串联谐振电感装配、水泵装配、水系统副循环管路装配、水系统主循环管路装配、电连接器或接线盒装配、PT100温度传感器和压力变送器。
所述顶部承重安装框架装配设置2根长主梁、2根短主梁和2根短副梁，短主梁、短副梁均与长主梁相焊接固定；在2根短主梁上分别设置各2个安装座和1个哈芬槽；顶部承重安装框架装配上依次固定有过滤器装配、散热器装配、风机风道装配、膨胀水箱装配、串联谐振电感装配和水泵装配；风机组装配通过紧固件安装在风机风道装配上；
所述防护底板装配按由前至后依次设置有在同一平面内的前底板、散热器底平面板、风 机底板、边底板、后底板；
所述垂直承重立柱装配共设置一组拉制或折弯焊接型材，并通过紧固件分别与顶部承重安装框架装配、防护底板装配连接固定；与前底板固定的2个立柱下部各安装1个支架板，与后底板后侧固定的2个立柱下部各安装1个支架板；
所述过滤器装配采用两级三重过滤，包括一级过滤器和二级过滤器；一级组合过滤器包括钢丝网和纤维过滤网，其中纤维过滤网通过带锁紧功能的胶条与带边框的钢丝网组合，一级过滤器底部插在经特殊设计的插槽内卡紧，该卡槽固定在二级过滤器底部；一级过滤器上部通过快速锁紧锁与二级过滤器相固定；一级过滤器上设置拆装用手柄；二级过滤器由边框、安装板和迷宫型过滤芯材以铆接、焊接方式固定在一起；
所述散热器装配包括冷却芯体、芯体两端的水室、水室上的进出水法兰、吊装座，散热器通过吊装座固定于所述顶部承重安装框架装配，其中冷却芯体由散热单元按按顺序加后通过焊接在一起，形成空气流道和水流道；该散热单元由空气侧封条、空气侧散热翅片、隔板、水侧封条、水侧散热翅片构成。
所述散热器装配包括冷却芯体、芯体两端的水室、水室上的进出水法兰、吊装座，散热器通过吊装座固定于所述顶部承重安装框架装配，其中冷却芯体由多个散热单元按一定顺序和规律叠加后通过焊接连接在一起，形成空气流道和水流道；该散热单元由空气侧封条、空气侧散热翅片、隔板、水侧封条、水侧散热翅片构成。
所述过滤器装配采用两级三重过滤，包括一级过滤器和二级过滤器。一级过滤器包括钢丝网和纤维过滤网，纤维过滤网孔直径小于钢丝网，纤维过滤网通过带锁紧功能的胶条与带边框的钢丝网组合，一级过滤器底部插在经特殊设计的插槽内卡紧，该卡槽固定在二级过滤器底部；一级过滤器上部通过快速锁紧锁与二级过滤器固定；一级过滤器上设置拆装用手柄。二级过滤器由边框、安装板和迷宫型过滤芯材或迷宫型过滤芯材经铆接、焊接方式固定在一起。一级过滤器的两重过滤主要实现滤尘功能，二级过滤器兼滤尘和滤水功能。
所述冷却单元采用新型迷宫式过滤芯材与一级过滤器配合，在提高过滤器滤尘、滤水效率的同时降低空气阻力，从而降低辅助功率消耗。与传统的FSA过滤器相比，在相同的空气流速条件下，新型过滤器装配的空气阻力比FSA过滤器低约30～40％流速6m/s；配用相同的冷却单元，即系统空气阻力相同的条件下，冷却单元冷却空气流量可提高约11％，极大地提高了冷却单元散热能力。
另外，由于插槽+90度旋转快速紧固锁的配合使用，使过滤器能够实现5min快速更换，纤维过滤网可清洗反复使用，极大的方便了的使用和维护，提高了维护工作效率，也降低了用户的维护费用。
风机组装配采用无蜗壳离心风机，包括电机、电机安装板、离心叶轮和集流器，风机组通过电机安装板与风机箱体连接，集流器与风机箱体螺栓连接，风机箱体内部设有多块加强筋板，加强筋板位于风机箱体折弯处；集流器与箱体之间设有圆环形加强板。这种特殊设计的强化型风机风道装配，解决了一直困扰运用部门的冷却单元风机箱体和集流器安装板局部部位开裂的惯性质量问题，排除了动车组安全隐患。
离心叶轮采用圆弧形后弯式风机叶轮，流量大、压力适中、噪音低、高效区域宽；为了降低动车组运行时风机噪因，风机风道装配的风机箱体内壁上设有降噪层，降噪层通过多孔钢板网或多孔钢丝网固定于风机箱体内壁。吸收风机所产生的噪声，达到降噪目的。在散热能力相同的条件下，风机噪音可降低2～3分贝。
本发明对牵引变流器冷却单元的冷却空气流动特性、水流动特性进行仿真分析，确定空气过滤器、散热器、风机箱体的阻力特性，提出冷却空气流动动力源—风机的特性需求；确定阀门、管路、散热器、IGBT功率模块水冷基板的阻力特性，提出水流动的动力源—水泵的特性需求。通过匹配技术，保证冷却空气系统风机工作在高效工作区，同时冷却水系统工作在水泵高效工作区，从而实现换热能力、辅助功率消耗、噪音之间的最优化匹配，达到在同样的空间尺寸限制、同样的重量限制范围内散热能力提高16.4％。
冷却单元防护底板采用双重防脱落结构。可防止因异常振动等特殊原因造成防护底板上螺栓脱落，防护紧固锁或防脱板将防止冷却单元底板脱落进入轨道，有效保证了列车的安全运行。
本发明的有益效果是，通过空气过滤器、散热器、风机和水泵，实现变流器冷却系统优化匹配和集成，在满足冷却系统的换热要求的同时，满足重量、噪音、辅助功率消耗、可靠性等要求，即使风机、水泵用辅助电源由440V 60Hz三相交流电改为380V 50Hz三相交流电、风机电机水泵转速由原来的3500r/min(高速)降低到2900r/min(高速)的情况下，仍然满足牵引变流器冷却系统的换热要求；在提高过滤器滤尘、滤水效率的同时降低空气阻力，从而降低辅助功率消耗；采用安全措施防止冷却单元底板脱落，提高冷却单元风机箱体强度，从而提高冷却单元可靠性和安全性；降低冷却单元噪声。
附图说明
图1为本发明的冷却单元结构。
图2为本发明的冷却单元的防护底板装配1(配防脱锁方案)结构。
图3为本发明的冷却单元的垂直承重立柱装配2(配防脱锁方案)结构。
图4为本发明的冷却单元的防护底板装配1(配L形防脱板方案)结构。
图5为本发明的冷却单元的垂直承重立柱装配2(配L形防脱板方案)结构。
图6为本发明的冷却单元的顶部承重安装框架装配3结构。
图7为本发明的冷却单元的过滤器装配4结构。
图8为本发明的冷却单元的过滤器装配4二级过滤器的迷宫型型材结构。
图9为本发明的冷却单元的散热器装配5的1个散热单元结构。
图10为本发明的冷却单元底板装配1的防脱紧固锁防脱方案结构。
图11为本发明的冷却单元底板装配1的L形防脱板方案结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
为了实现时速350公里动车组安全运行，依据时速350公里中国标准动车组总体技术条件、水冷式变流器及冷却单元6500V IGBT技术条件等要求，并根据现有动车组牵引变流器冷却单元出现的常见故障，对牵引变流器冷却单元进行了创新设计。
一种牵引变流器冷却单元(如图1所示)，包括防护底板装配1、垂直承重立柱装配2、顶部承重安装框架装配3，过滤器装配4、散热器装配5、风机风道装配6、风机组装配7、膨胀水箱装配9、串联谐振电感装配10、水泵装配11、水系统副循环管路装配8、水系统主循环管路装配13、电连接器或接线盒装配12、PT100温度传感器14和压力变送器15等部件：
所述顶部承重安装框架装配3(如图6所示)设置2根长主梁302、2根短主梁301和2根短副梁303、304，短主梁301、短副梁303和304均与长主梁302相焊接固定；在2根短主梁301上分别设置各2个安装座305和1个哈芬槽306。顶部承重安装框架装配3上依次固定有过滤器装配4、散热器装配5、风机风道装配6、膨胀水箱装配9、串联谐振电感装配10、水泵装配11；风机组装配7通过紧固件安装在风机风道装配6上。
所述防护底板装配1(如图2、图3、图4、图5所示)按前后顺序分别设置前底板101、散热器底平面板102、风机底板103、边底板104、后底板105，5块底板底平面基本在同一平面内。
所述垂直承重立柱装配2(如图3、图5所示)共设置6个独立的拉制或折弯焊接型材，通过紧固件分别与顶部承重安装框架装配3、防护底板装配2(风机底板除外)连接固定。与前底板101固定的2个立柱201和202下部各安装1个支架板210，与后底板105后侧固定的2个立柱204和206下部各安装1个支架板205。
所述防护底板装配1与所述垂直承重立柱装配2、风机风道装配6之间设有双重防脱落结构(如图2、图3、图4、图5所示)。一种方案是(如图2、图3所示)：第一重为所述前底板101与立柱201、立柱202之间，边底板104与立柱208之间，后底板105与立柱203、204、206、207之间采用头部带孔的螺栓固定，再用钢丝穿过两个或多个螺栓头部的孔连接 固定，第二重防脱落结构是分别设置防脱紧固锁(209)，前底板(101)、边底板(104)、后底板(105)与立柱之间，风机底板(103)与风机风道装配(6)之间设置防脱紧固锁(209)。。第二种方案是(如图4、图5所示)：所述前底板101与立柱201、立柱202之间，边底板104与立柱208之间，后底板105与立柱203、204、206、207之间采用尾端带孔的螺栓连接固定，螺栓尾孔内再插销钉防脱落；风机底板103与风机风道装配6之间设置防脱板106和107，防脱板106和107固定在风机风道装配6立板底部。
所述防脱紧固锁209方案如图10所示，防脱紧固锁209由钢栓、主体部分、锁紧螺母、锁紧螺栓、密封垫组成。防脱紧固锁在受到振动的情况下，仍具有良好的自锁功能。
所述防脱紧固锁的安装方案是，底板上开有带圆弧的方形孔，防止防脱紧固锁209转动，锁紧螺母带有防松功能，将防脱紧固锁209固定在底板上，同时下方带有密封垫，防止雨水灰尘渗透。当防脱紧固锁209固定在底板上后，使用多边形的钥匙推动钢栓向上移动一小段距离，旋转90度，然后由于锁内弹簧的作用向下移动至设计高度，此时，可以保证钢栓完全处于安装槽内，安装槽铆接于冷却单元承重立柱或风机风道装配的立板底部，该结构在垂直方向锁紧底板，还可以防止防脱紧固锁沿动车组横向、纵向窜动。在螺栓正常工作时，防脱紧固锁不受力，当螺栓脱落时，该结构可以防止底板脱落，起到良好的防脱效果。
防脱紧固锁在整个冷却单元的分布如图2、图3所示。其中前底板使用2个防脱紧固锁固定，风机底板使用4个防脱紧固锁固定，边底板使用2个防脱紧固锁固定，后底板使用4个防脱紧固锁固定。
所述L型防托板方案如图11所示，冷却单元的前底板、后底板、边底板，通过尾部带孔螺栓与承重立柱连接，再在螺栓尾部孔中插销钉锁死，可避免螺栓脱落。
所述冷却单元的风机底板防脱落结构：风机底板通过螺栓与风机风道装配6中的风机箱体连接。为防止风机底板在行车过程中出现螺栓脱落，在风机箱体的两侧立板底部固定L形托板，L形托板一侧与风机箱体固定，另一侧位于风机底板下方，在风机组电机侧留有拆装的空间，L型托板的结构可以保证，即使螺栓失效，风机底板也不会直接掉落，避免安全事故，保证行车安全。
本发明防脱落结构可经变形设计后可形成其它锁、板、柱等结构。
所述过滤器装配4采用两级三重过滤，包括一级过滤器401和二级过滤器403。一级组合过滤器401包括钢丝网和纤维过滤网，其中纤维过滤网通过带锁紧功能的胶条与带边框的钢丝网组合，一级过滤器底部插在经特殊设计的插槽405内卡紧，该卡槽固定在二级过滤器403底部；一级过滤器401上部通过快速锁紧锁402与二级过滤器403固定；一级过滤器上设置拆装用手柄406。二级过滤器403由边框、安装板和迷宫型过滤芯材经铆接、焊接方式 固定在一起。
所述散热器装配5包括冷却芯体、芯体两端的水室、水室上的进出水法兰、吊装座，散热器通过吊装座固定于所述顶部承重安装框架装配3，其中冷却芯体由多个散热单元按一定顺序和规律叠加后通过焊接连接在一起，形成空气流道和水流道；该散热单元由空气侧封条501、空气侧散热翅片502、隔板503、水侧封条504、水侧散热翅片505构成。

Claims (3)

  1. 牵引变流器冷却单元，包括防护底板装配(1)、垂直承重立柱装配(2)、顶部承重安装框架装配(3)，过滤器装配(4)、散热器装配(5)、风机风道装配(6)、风机组装配(7)、膨胀水箱装配(9)、串联谐振电感装配(10)、水泵装配(11)、水系统副循环管路装配(8)、水系统主循环管路装配(13)、电连接器或接线盒装配(12)、PT100温度传感器(14)和压力变送器(15)。
    所述顶部承重安装框架装配(3)设置2根长主梁(302)、2根短主梁(301)和2根短副梁(303、304)，短主梁(301)、短副梁(303、304)均与长主梁(302)相焊接固定；在2根短主梁(301)上分别设置各2个安装座(305)和1个哈芬槽(306)；顶部承重安装框架装配(3)上依次固定有过滤器装配(4)、散热器装配(5)、风机风道装配(6)、膨胀水箱装配(9)、串联谐振电感装配(10)和水泵装配(11)；风机组装配(7)通过紧固件安装在风机风道装配(6)上；
    所述防护底板装配(1)按由前至后依次设置有在同一平面内的前底板(101)、散热器底平面板(102)、风机底板(103)、边底板(104)、后底板(105)；
    所述垂直承重立柱装配(2)设置一组拉制或折弯焊接型材，并通过紧固件分别与顶部承重安装框架装配(3)、防护底板装配(2)连接固定；与前底板(101)固定的2个立柱(201、202)下部各安装1个支架板(210)，与后底板(105)后侧固定的2个立柱(204、206)下部各安装1个支架板(205)；
    所述过滤器装配(4)采用两级三重过滤，包括一级过滤器(401)和二级过滤器(403)；一级过滤器(401)包括钢丝网和纤维过滤网，其中纤维过滤网通过带锁紧功能的胶条与带边框的钢丝网组合，一级过滤器(401)底部插在经特殊设计的插槽(405)内卡紧，该卡槽固定在二级过滤器(403)底部；一级过滤器(401)上部通过快速锁紧锁(402)与二级过滤器(403)相固定；一级过滤器(401)上设置拆装用手柄(406)；二级过滤器(403)由边框、安装板和迷宫型过滤芯材以铆接、焊接方式固定在一起；
    所述散热器装配(5)包括冷却芯体、芯体两端的水室、水室上的进出水法兰、吊装座，散热器通过吊装座固定于所述顶部承重安装框架装配(3)，其中冷却芯体由散热单元按顺序叠加后通过焊接连接在一起，形成空气流道和水流道；该散热单元由空气侧封条(501)、空气侧散热翅片(502)、隔板(503)、水侧封条(504)、水侧散热翅片(505)构成。
  2. 如权利要求1所述的牵引变流器冷却单元，其特征在于：所述防护底板装配(1)与所述垂直承重立柱装配(2)、风机风道装配(6)之间设有双重防脱落结构；第一重防脱落结构是：所述前底板(101)与立柱(201、202)之间、边底板(104)与立柱(208)之间、后底板(105)与立柱(203、204、206、207)之间均采用头部带孔的螺栓固定，再以钢丝穿过 相邻的螺栓头部的孔，将螺栓相互固定；第二重防脱落结构是分别设置防脱紧固锁(209)，前底板(101)、边底板(104)、后底板(105)与立柱之间，风机底板(103)与风机风道装配(6)之间设置防脱紧固锁(209)。
  3. 如权利要求1所述的牵引变流器冷却单元，其特征在于：所述防护底板装配(1)与所述垂直承重立柱装配(2)、风机风道装配(6)之间设有双重防脱落结构；第一重防脱落结构如下，底板(101)与立柱(201、202)之间、边底板(104)与立柱(208)之间、后底板(105)与立柱(203、204、206、207)之间均采用尾端带孔的螺栓连接固定，再在螺栓尾孔内插销钉防脱落；风机底板(103)与风机风道装配(6)之间设置防脱落板(106、107)，防脱落板(106、107)固定在风机风道装配(6)立板底部。
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