Internal air thermal management strategies for high performance railway converters = Estrategias de gestión térmica del aire interno para convertidores ferroviarios del alto rendimiento

Resumen

In the current climate crisis situation, the development and wide operating range of electric mobility is of great importance, with electric rail traction being the main form of electric transport over medium-long distances. In this sense, electric traction converters are undergoing a deep modifcation, moving towards more powerful, more compact converters with a wider operating range.

This project addresses the problem of overheating of the internal air of a railway electric traction converter when it operates in extreme environments with high temperatures, around 50oC or 60oC. In these cases, the existing cooling system, which uses external air at ambient temperature as the coolant fuid, is not enough to ensure safe operation of the converter.

This limits the operating range of electric trains with high power density converters, which cannot operate in hot climates. Furthermore, it poses a risk for other operating ranges in the near future, where the development of converters with higher current levels and thus higher power losses will again challenge conventional cooling systems.

This project uses the MITRAC/TC1500TM traction converter developed by Alstom as a basis for proposing diferent additional cooling systems that complement the conventional one, with the use of diferent cooling technologies, including forced air convection, heat pipes, liquid-cooled cold plates and Peltier cells, also called thermoelectric coolers.

The implementation of the diferent technologies is evaluated based on mathematical models developed in MATLAB® and computational fuid dynamics simulations in StarCCM+®.

The results obtained allow to conclude that the use of heat pipes and Peltier cells is the most recommendable for the development of thermal management systems for electric traction converters, provided that they are implemented with a good external heat dissipation medium, preferably ambient temperature air fows already that already exist in the converter. Furthermore, it is shown that the same cooling technology can provide very diferent results depending on its implementation.

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En la situación de crisis climática actual, el desarrollo y la amplitud de rango de operaión de la movilidad eléctrica adquiere gran importancia, siendo la tracción eléctrica ferroviaria la principal forma de transporte eléctrico en las medias-largas distancias. En este sentido, los convertidores de tracción eléctrica están surfendo una profunda modifcación, yendo hacia convertidores más potentes, más compactos y con mayor rango de operación.

Este proyecto aborda el problema de sobrecalentamiento del aire interno de un convertidor de tracción eléctrica ferroviario cuando éste opera en ambientes extremos con altas temperaturas, en torno a 50oC o 60oC. En estos casos, el sistema de refrigeración existente, que utiliza aire externo a temperatura ambiente como fuido refrigerante, no es sufciente para garantizar una operación segura del mismo.

Esto limita el rango de operación de los trenes eléctricos con convertidores de alta densidad de potencia, que no pueden operar en climas cálidos. Además, supone un riesgo para otros rangos de operación en un futuro próximo, donde el desarrollo de convertidores con mayores niveles de corriente y, por tanto, mayores pérdidas de potencia, rete de nuevo a los sistemas de refrigeración convencionales.

En este proyecto se utiliza el convertidor de tracción MITRAC/TC1500TM desarrollado por Alstom como base para proponer diferentes sistemas de refrigeración adicionales que complementan al convencional y emplean distintas tecnologías de refrigeración, entre las que se incluyen convección forzada de aire, tubos de calor, placas frías de refrigeración líquida y células de Peltier, también denominadas refrigeradores termoeléctrictos.

La implementacion de las diferentes tecnologías se evalúa en base a modelos matemáticos desarrollados en el software MATLAB® y a simulaciones de dinámica de fuidos computacional en StarCCM+®.

Los resultados obtenidos permiten concluir que el uso de los tubos de calor y las células de Peltier es el más recomendable para el desarrollo de los sistemas de gestión térmica de los convertidores de tracción eléctrica, siempre que se implementen con un buen medio de disipación de calor externo, preferiblemente fujos de aire a temperatura ambiente ya existentes en el convertidor. Además, se demuestra que una misma tecnología de refrigeración puede aportar resultados muy diferentes dependiendo de su implementación.