内燃机车干阻负载试验系统设计及试验研究

摘要

机车负载试验的作用是机车在非走行状态下进行进一步的检查与调整，是铁路机务段和机车工厂等部门对内燃机车的检修质量的一个重要判断的标准与检验手段。目前，主要有两种负载方式，一种为水阻，另一种为干阻。干阻对环境无污染，占地面积小，有着极好的发展前景。但是，传统的干阻负载试验系统在负载控制及调节、风机电机的控制、自动化技术发面存在着一系列困难，限制其推广应用。本文具体针对原江岸机务段干阻试验系统进行技术改造，主要研究并解决大功率半导体器件IGBT在机车干阻负载试验台中的应用问题，并设计出新型的干阻负载试验系统。本文的主要研究内容如下： 1．研究干阻负载试验系统中直流大电流的开通与关断问题，并根据IGBT的特性讨论并研究多只IGBT并联使用中的均流问题，以及IGBT在直流大电流工况下的驱动与保护技术。 2．基于机车恒功率负载试验的要求，研究适合于DF<,7>A、DF<,7>B、DF<,7>C、DF<,4>A和DF<,4>B等型号的内燃机车全负载试验范围内的电阻带串、并联形式和控制方式以及恒功率电流连续调节的实现； 3．研究电阻带的散热直流风机电机在宽电压变化范围内的恒流调速控制技术；并根据机车负载试验的要求，研究基于干阻负载试验系统的计算机测控技术，以及干阻负载的调节控制算法。 4．根据实际的IGBT的工作状况，研究多IGBT热阻耦合模型和传热分析方法，采用数值计算分析的方法对IGBT的散热系统进行进行理论分析，为IGBT的热保护提供理论依据。 基于本文的主要研究内容，本文的主要研究成果如下： 1．首次提出采用IGBT作为负载电路的开关元件。由于负载电路中电流过大，深入研究多只IGBT并联工作情况下电流均流的问题，研究结果认为：IGBT正的温度系数有助于消除或者抑制电流不均的现象产生。设计了IGBT的保护缓冲电路，并根据其电路模型研究分析了缓冲电路的参数选择。 2．首次提出采用数字电路中AD的权电阻网络模型应用于干阻负载试验系统中，从原理上解决困扰干阻试验的技术难题，并提出了负载电路的设计方案。理论和试验证明其调节精度满足机车恒功率负载试验要求，达到水阻调节精度，为干阻负载方式的推广使用奠定坚实的基础。 3．采用IGBT和PWM为核心的控制技术，实现电阻带散热风机电机在电压大幅变化的情况下恒流调速，使风机电机安全，平稳的运行，研究讨论了风机电机拖动模型，并计算运行中因斩波而引起的脉动电流。 4．设计并介绍了干阻负载试验的计算机测控方案，建立了机车负载试验系统，实现了试验过程的全程监控，自动采集存储、分析和处理试验数据、故障报警和机车自动卸载。设计了模糊算法和对分算法相结合的控制算法，实现对负载快速准确的调节。 5．基于流体的相似原理，研究了强迫风冷散热中换热系数与风速的关系。利用数值计算的方法，计算了IGBT的散热器的温度场分布，并基本与实验数据相吻合。通过散热器的温度反推IGBT的结温，实现对IGBT的热保护，使系统安全稳定运行。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1机车负载试验的意义

1.2机车负载试验的现状

1.2.1水阻负载试验

1.2.2干阻负载试验

1.3IGBT的应用及其热问题的研究

1.3.1 IGBT的特点

1.3.2 IGBT热保护的意义

1.3.3电力电子器件的冷却方式

1.3.4传热的研究分析方法

1.3.5 IGBT散热问题研究现状

1.4论文支撑和论文的主要工作

第2章干阻负载设计及IGBT应用研究

2.1机车干阻负载试验技术要求

2.2IGBT应用技术研究

2.2.1 IGBT结构及工作特性

2.2.2 IGBT的并联运行

2.2.3 IGBT温度系数特性对并联均流的影响

2.2.4 IGBT驱动技术研究

2.3 IGBT缓冲电路的研究

2.3.1缓冲电容选择计算

2.3.2缓冲电阻选择计算

2.3.3缓冲二极管容量计算

2.3.4缓冲电路的仿真

2.4干阻负载连续调节的实现

2.4.1权电阻的电路模型

2.4.2干阻负载连续调节方式

2.4.3干阻负载电路的设计

本章小节

第3章干阻负载试验测控系统研究及设计

3.1电阻带冷却方式

3.2风机电机的拖动模型及仿真研究

3.2.1风机电机的拖动模型

3.2.2风机电机的拖动仿真

3.3风机电机PWM调速系统研究及设计

3.3.1风机电机PWM控制的提出

3.3.2 PWM专用控制器SG3525

3.3.3 SG3525闭环控制原理

3.3.4风机电机电流的脉动及连续

3.4干阻负载测控系统的设计

3.4.1柴油机转速的测量

3.4.2干阻负载试验底层接口电路

3.4.3计算机测控系统软件研究及设计

3.5干阻试验负载的调节控制

3.5.1基于模糊算法的主负载调节

3.5.2权电阻的对分算法调节

本章小节

第4章多IGBT传热与换热的研究

4.1多IGBT传热的物理模型

4.2IGBT接触热阻的耦合模型简化

4.2.1 IGBT接触热阻的耦合模型

4.2.2接触热阻的耦合模型简化

4.2.3辐射换热的影响

4.2.4散热风机的核算

4.2.5散热器底部的换热系数

4.3IGBT强迫风冷散热的基本方程

4.3.1质量守恒方程

4.3.2动量守恒方程

4.3.3能量守恒方程

4.3.4湍流基本方程

4.4传热学中的有限元方法

4.4.1固体传热的有限元格式

4.4.2流体传热的有限元方法

本章小结

第5章IGBT散热系统温度场的数值仿真研究

5.1有限元分析软件及ANSYS概述

5.2 IGBT散热器温度场的数值仿真

5.2.1实体模型的建立

5.2.2网格的划分

5.2.3边界条件的确定

5.3仿真结果及分析

本章小结

第6章干阻负载试验系统试验研究

6.1风机电机PWM试验研究

6.1.1风机电机PWM试验条件

6.1.2风机电机PWM试验内容及方法

6.1.3风机电机PWM试验结果及分析

6.2电阻带开关试验研究

6.3IGBT散热系统试验

6.4干阻负载试验系统整机试验测试

本章小节

第7章全文总结及研究展望

7.1全文总结

7.2研究展望

致 谢

攻读博士期间发表的主要论文

攻读博士期间参加的科研项目

参考文献

附录