高速动车组牵引变流器冷却系统控制设计

高速动车组牵引变流器冷却系统控制设计

现代的大型引水变流器采用了冷热交换器的方法。牵引变流器的功率开关器件通常安装在水冷却散热极板上,水冷却散热极板将功率开关器件的功率损耗转换成热能量传递给极板附近的冷却介质。冷却循环装置与牵引变流器的冷却管路连接,冷却管路中冷却介质流动将牵引变流器冷却极板的热能量传递给外界,实现功率损耗与热能量的转换,确保牵引变流器的安全、可靠运行。冷却循环装置分为车载式和地面式2种。为了进行CRH3和CRH350牵引变流器机组例行的试验和型式试验,开展了与试验配套的地面水冷却循环装置的研制,如图1所示。1地面水冷却循环装置主要设计技术指标地面水冷却循环装置的主要设计依据为CRH3高速动车组牵引变流器冷却循环系统技术指标,见表1。综合分析CRH3动车组牵引变流器冷却系统的技术指标,同时考虑未来试验能力的扩展,地面水冷却循环装置主要设计技术指标如下:入口最高温度为60℃;出口最高温度为50℃;散发的最大热量为150kW;流量为0～350L·min-1。2地面式水冷却循环装置地面式水冷却循环装置由板式换热器、内循环系统、外循环系统和电控柜构成。板式换热器将冷却循环装置分为内循环系统和外循环系统;内循环系统是板式换热器冷却液侧的循环系统,工作介质是冷却液,主要由内侧循环泵、电动调节阀、电动执行器、流量计、球阀和高位开放式储液箱构成;外循环系统是板式换热器冷却水侧的循环系统,工作介质是冷却水,主要由外侧循环泵、冷却塔、球阀等构成;电控柜主要由PLC控制器、通讯模块、空气开关和交流接触器等构成。与牵引变流器内部冷却管路相连接的循环系统是内循环系统。内侧循环泵为冷却液的循环提供压力,采用交流电源驱动。冷却液的循环流量由电动调节阀控制。开放式高位储液箱为内循环系统提供冷却液。在内循环管路上安装有涡轮流量计,用于计量循环管路中流过冷却液的流量。外循环系统由外侧循环泵为冷却水提供压力,循环的冷却水通过板式换热器将内循环系统冷却液的热量带走,使冷却液温度降低,而温度升高的冷却水循环进入冷却塔后其热量被散发,实现内循环系统的散热。板式换热器是新型高效的换热器,它由不锈钢板片、密封垫片、固定压紧板和活动压紧板等关键部件组成。板式换热器是地面式水冷却循环装置的核心部件,它是由不锈钢板和橡胶垫分割出许多冷介质和热介质相间隔的流道,热介质通过不锈钢板片将热量传递给冷介质。内循环侧冷却液的热量通过板式换热器传递给外循环侧冷却水中,实现热量的交换。电控柜包含供电和控制单元,供电单元通过控制空气开关和交流接触器实现地面水冷却循环装置的供电;控制单元具有控制冷却系统流量和通讯监控的功能。地面式水冷却循环装置的主要特点:①在循环管路上设置了电动调节阀和电动执行器,能调节循环流量;②内循环管路的入水口和出水口设置了温度和水压监控传感器和仪表;③控制柜增设了控制器和通信卡,能实现设备的自动控制和远程通信;④实现了远程上位计算机的远程监控。地面式水冷却循环装置结构原理如图2所示。3开发3.1减少传热效果不锈钢板片为板式换热器的传热元件,密封垫片为密封元件。将粘贴好密封垫片的不锈钢板片按一定顺序组装成各种流程的板束流道,板的一侧是热流体,另一侧是冷流体,热流体和冷流体逆向流动,进行充分热交换。板式换热器的主要特点:①传热系数高:板片的波纹能使流体在较小的流速下产生明显的湍流,改善传热效果;②对数平均温差大:板式换热器可实现冷热2种流体的纯逆流,能够实现温度交叉,末端对数平均温差能达到1℃;③占地面积小:由于板式换热器换热效率高,故在相同换热量的前提下所需不锈钢板片的面积也小;④重量轻、体积小:板式换热器的板片厚度仅为0.6～0.8mm,管壳式换热器的传热管厚度约为2.0～2.5mm,故在换热量相同时,其重量约为管壳式的1/5。使用TL板式换热器专用选型软件为地面式水冷却循环装置的板式换热器选型。计算条件为:冷却液温度从60℃降到50℃,冷却水温度从32℃升到37℃,传热功率为150kW。经选型计算,采用德国萨莫威孚TL90KCCL型板式换热器,共17片不锈钢板片,板片总面积为4.1m2,传热功率为209.9kW。3.2循环泵的选型根据内外循环系统流量和压力的要求,参考泵的特性曲线手册,内侧循环泵选用丹麦格兰富TP50—190/2型水泵,外侧循环泵选用上海凯泉KQL65/110—2.2—2型水泵,其典型流量为20t·h-1,扬程为16m。3.3热交换器却塔选用GBNL—3/20T型冷却塔,该型冷却塔为逆流式冷却塔,由于采用了冷却水和空气逆流接触,因此其热交换效率高。冷却塔由玻璃钢材料制成,安装在室外地面上。冷却塔的储水池安装有浮球阀,浮球阀具有自动控制自来水补水的功能。3.4牵引变流器冷却高位开放式储液箱由312型不锈钢板焊接而成,有效容积为150L,箱体上设有液位计。内侧循环泵从储液箱抽取冷却液输送到循环管路中,对牵引变流器进行冷却后再流回储液箱。储液箱内部有隔板延长流程,使冷却液流动更均匀。3.5电动断裂器控制冷却液流量调节器由电动执行器和电动调节阀构成,电动调节阀通过电动执行器设定和调整冷却液流量。选用西门子SKB62型电动液压阀门执行器,其行程为20mm。选用西门子VVF45.50型调节阀。3.6冷却液和冷却水的控制系统PLC控制器主要控制外侧循环泵和内侧循环泵,实施冷却液流量的自动控制以及内外循环系统冷却液和冷却水的流量、温度、压力远程监控。选用西门子ACX32型控制器,它是西门子公司专为换热工程开发的一款专用可编程控制器,通过专用编程软件SAPRO实行编程。该控制器功能强大,稳定可靠。3.7控制系统软件设计为实现对地面水循环冷却装置远程监控,研制了远程监控系统。该监控系统由上位计算机和组态软件构成。上位计算机为台式计算机或笔记本电脑,操作系统为WindowsXP,且通过RS-232C串口与ACX32控制器通信,通信协议采用MODBUS协议。组态软件采用北京亚控公司的组态软件Kingview6.5。根据冷却循环系统的工艺流程编制了流程图和监控系统的主控界面。主控界面可显示内外循环系统的流量和温度、阀门开度、冷却塔风机、内侧循环泵和外侧循环泵的启停状态等信息,还可以通过界面设置内外循环系统的流量和流量闭环PID调节参数,以及启动或停止冷却塔风机、内侧循环泵、外侧循环泵。3.8控制2种方式控制2种方式地面水冷却循环装置控制方式分本地和远程控制2种方式。2种控制方式均可独立操作地面水冷却循环装置,因此当其中1种控制方式失效时,可用另1种控制方式实现操作。3.8.1电动控制阀控制回路本地控制在地面水冷却循环装置开关柜的控制面板上操作,控制面板设:风机、外侧循环泵和内侧循环泵的启动按钮、停机按钮和工作指示灯。当完成启机后,通过观察流量计,可手动调节电动调节阀至试验规定的冷却液流量值。地面水冷却循环装置状态通过流量计、压力计和温度表进行观测。3.8.2控制方式和监控界面远程控制通过与RS232串口连接的上位计算机进行操作。远程控制分远程自动和手动控制2种方式,其操作和监控人机界面如图3所示。远程自动控制方式根据事先在控制界面上设置的冷却液流量值和PID参数,自动进行操作。远程手动控制方式根据事先在控制界面上设置的PID参数和电动调节阀手动开度值提示,手动控制调节冷却液的流量。通过人机界面观察冷却管路的流量和温度,