高壓變頻器功率單元采用虛擬空間技術(shù)的研發(fā)

1 概述

國際上的大型跨國公司在各種新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣中，常常標(biāo)明是應(yīng)用虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)，數(shù)字化工作平臺(tái)開發(fā)出來的。這些描述常常讓人感覺其產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)昂貴，技術(shù)難以學(xué)習(xí)，并且難以應(yīng)用。

而在實(shí)際中，虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)，數(shù)字化工作平臺(tái)都是對(duì)三維技術(shù)的一種具體應(yīng)用，是通過應(yīng)用三維軟件對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品制作出各部分零件的立體的軟件圖形。通過零件的立體軟件圖形，觀察到將要制造出設(shè)備的具體形狀與內(nèi)部構(gòu)造及各零件的布置與配合間隙，能夠?qū)崿F(xiàn)二維繪圖所實(shí)現(xiàn)不了的功能。

資料顯示，跨國公司的研發(fā)設(shè)計(jì)已經(jīng)全部采用虛擬空間技術(shù)進(jìn)行，研發(fā)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)初期即用三維技術(shù)進(jìn)行，其設(shè)計(jì)效果與二維技術(shù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)有著本質(zhì)上的不同。而我國對(duì)虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用并不廣泛，這主要是因?yàn)閷?duì)三維技術(shù)的認(rèn)識(shí)不足，本文以應(yīng)用三維技術(shù)對(duì)復(fù)雜電力電子產(chǎn)品的研發(fā)，說明虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用與產(chǎn)生的效果。

2 虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)在電力電子行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)在電氣行業(yè)中的發(fā)展

在電氣行業(yè)中，由于電氣組件的特性，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性低，傳統(tǒng)采用二維制圖技術(shù)即可滿足應(yīng)用。

三維技術(shù)在電氣行業(yè)中的應(yīng)用沒有在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用早，也由于早期能運(yùn)行完成三維制作性能的計(jì)算機(jī)價(jià)格極為昂貴，只有在大型機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因?qū)α悴考g的配合與間隙要求非常嚴(yán)格，如軍工、航天等超大型項(xiàng)目的研制中，方能有足夠的資金應(yīng)用虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)。但隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，價(jià)格的下降，原來只能在大型機(jī)應(yīng)用的三維軟件在通用計(jì)算機(jī)上也能運(yùn)行，這為虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)在電力電子行業(yè)的應(yīng)用提供了條件。

2.2 電力電子行業(yè)對(duì)虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)的需求電力電子技術(shù)是新興的電氣技術(shù)，主要的特征是電力器件與電子器件的相互結(jié)合與相互滲透，利用弱電控制強(qiáng)電。采用新型高壓大功率半導(dǎo)體器件代替笨重的開關(guān)器件，使原來體積龐大的電氣設(shè)備體積縮小，這就對(duì)器件本身的散熱性、電磁兼容性及在小空間內(nèi)的安裝固定等的要求越來越嚴(yán)。

現(xiàn)代電力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)與復(fù)雜性已經(jīng)與大型復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)接近，由于在將不同等級(jí)，不同要求的元器件集中在一個(gè)設(shè)備時(shí)，就對(duì)每個(gè)組件的空間位置，相互作用，布置排放有很高的要求。由于二維設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于組件相互干涉，特別是空間的電氣干涉表達(dá)的不夠明確，常常出現(xiàn)將實(shí)物樣機(jī)制作完成后，才發(fā)現(xiàn)各種與要求不符的情況，這樣不但浪費(fèi)了大量的人力物力，而且極大地加長了研發(fā)完成的時(shí)間。

對(duì)于電力電子設(shè)備的研發(fā)而言，虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)是電力電子設(shè)備研發(fā)的中期應(yīng)用，是在完成電力電子設(shè)備原理之后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)與樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行的應(yīng)用。在電力電子設(shè)備研發(fā)中，制作出符合要求的結(jié)構(gòu)與樣機(jī)是研發(fā)過程中占用時(shí)間最長的階段，也是出現(xiàn)錯(cuò)誤最多、最嚴(yán)重的階段。

將虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于電力電子設(shè)備的研發(fā)，通過建立一個(gè)的虛擬工作平臺(tái)，利用三維設(shè)計(jì)的圖形組件定位功能，可以在未制作樣機(jī)前，即對(duì)各組件在不同位置，采用不同的連接方式，對(duì)散熱與相鄰的絕緣等狀況作精確的判定，并在樣機(jī)制作前即可確定最終設(shè)備的大小，空間的相互排布，敏感器件的空間環(huán)境等情況。這樣可極大地減小出錯(cuò)率，節(jié)約大量的人力、物力與時(shí)間。

2.3 選擇建立虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的軟件

建立虛擬電子平臺(tái)首先要選擇一種載體，在三維制圖中，最著名的三維制圖軟件分別是AutoCAD、Pro/E、Solidworks。要選擇一種軟件作為研發(fā)產(chǎn)品的虛擬工作平臺(tái)，應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮，三維軟件只是一種工具，而作為工具，最重要的是要求適用。

在以上三款軟件中，本文選擇AutoCAD作為三維技術(shù)中的虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的載體。主要原因是AutoCAD 軟件在國內(nèi)應(yīng)用在三維技術(shù)上最早，是在國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維軟件平臺(tái)，在電氣行業(yè)中，其應(yīng)用最為廣泛。雖然Pro/E 和Solidworks的三維功能都比較強(qiáng)大，但主要是面對(duì)于機(jī)械行業(yè)，同時(shí)其軟件投資較大，且操作復(fù)雜。

利用虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行電力電子設(shè)備的研發(fā)，是利用三維技術(shù)做出的實(shí)體模型與實(shí)際中應(yīng)用的設(shè)備非常接近的特點(diǎn)，采用三維旋轉(zhuǎn)使圖形組件定位的功能進(jìn)行一些原來只能在樣機(jī)中才能進(jìn)行的工作，達(dá)到了縮短開發(fā)周期，提高研發(fā)質(zhì)量的目的。應(yīng)用AutoCAD作為三維電力電子虛擬平臺(tái)，簡單易學(xué)，不但與以前的設(shè)計(jì)相兼容，不必專門安裝兩種軟件，最重要的是可以將主要的精力用于電力電子設(shè)備的研發(fā)，而不是用于對(duì)軟件操作的學(xué)習(xí)。當(dāng)對(duì)AutoCAD的三維技術(shù)應(yīng)用熟練后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)用Pro/E和Solidworks 就只是一個(gè)適應(yīng)操作界面的問題了。

3 虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的建立

3.1 虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)建立的要素

虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)和三維軟件是不同的概念，計(jì)算機(jī)和三維軟件結(jié)合起來，只能稱為三維設(shè)計(jì)室，并不能稱為虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)，只有在對(duì)基本模型建立完成后方能稱之為虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)。在電力電子研發(fā)中，對(duì)于只能購買，不能制作的電力電子器件稱為剛性器件，而只有將剛性器件模型建立完成的工作環(huán)境才能稱之為電力電子虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)。

3.2 根據(jù)變頻單元原理圖確定剛性器件的種類在變頻器單元中，既有強(qiáng)電輸入輸出，同時(shí)有控制電源輸入，僅控制信號(hào)輸入，電流就從幾mA到幾百A不等，所以對(duì)空問距離要求極嚴(yán)。

要建立功率單元的虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)，首先根據(jù)功率單元的原理圖1，將剛性器件采集出來。利用三維技術(shù)制作的是結(jié)構(gòu)，是用于安裝元器件的，對(duì)外部購買的標(biāo)準(zhǔn)器件，在虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)工作平臺(tái)中是獨(dú)立的圖元，只允許進(jìn)行移動(dòng)，而不允許更改。對(duì)功率單元進(jìn)行解析后，分解出基本剛性元器件圖元有：隔離電源變壓器，控制保險(xiǎn)，主控制，旁路晶閘管，旁路整流橋，扼流環(huán)，輸入保險(xiǎn)，輸入整流橋，吸收電容，電容均壓板，電解電容，IGBT。

3.3 利用三維軟件建立電力電子三維設(shè)計(jì)平臺(tái)

首先在AutoCAD 軟件中建立起一個(gè)名為“功率單元三維立體模型”的文件，如圖2 所示。

在建立文件完成后，將其存作名為“功率單元”的CAD文件，并將其放入專用的文件夾，這表明功率單元分系統(tǒng)的工作空間建立完成。

對(duì)從原理圖中分解出的標(biāo)件的剛性組件，必須按實(shí)物進(jìn)行全比例輸入，其輸入結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性影響整個(gè)虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的精確性。

對(duì)于基本圖組件，參考說明書，并用卡尺等工具對(duì)器件外形進(jìn)行測(cè)量與校對(duì)，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，繪制出三維圖，繪制完的每個(gè)圖元就是一個(gè)剛性組件模型，并建立不同的層，將其放入相應(yīng)的層中，這樣就形成了一個(gè)基本的電力電子三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，如圖猿所示。

3.4 完整的虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的建立

在電力電子設(shè)備研發(fā)中，利用三維技術(shù)將剛性元器件設(shè)計(jì)到最佳的空間，之后再與機(jī)械加工工藝相結(jié)合，才能稱為一個(gè)完整的虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)工作平臺(tái)。在初步完成的電力電子設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)上，將機(jī)械加工設(shè)備所備有加工能力的模具圖形加入其中，嵌入功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程，使研發(fā)出的設(shè)備可以直接加工制作。如圖4 所示。

源應(yīng)用虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的研發(fā)進(jìn)程

4.1 制定研發(fā)原則

在虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)上進(jìn)行變頻器單元的研發(fā)，就要充分利用虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)上的圖形與實(shí)際一致，即所見即為所有的效果。根據(jù)三維設(shè)計(jì)強(qiáng)大的立體空間感，制定符合虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的研發(fā)原則，以提高研發(fā)的效率。

1)在組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，以結(jié)構(gòu)本體實(shí)現(xiàn)配合為主，減少需要人工保證安裝配合精度的部件。

2)充分考慮設(shè)備的加工精度，不要設(shè)計(jì)出設(shè)備加工不出來的組件。

3)強(qiáng)電弱電系統(tǒng)分別布放，不出現(xiàn)強(qiáng)弱電并排布線的問題。

4)組件空間布置符合EMC 標(biāo)準(zhǔn)。

5)在保證技術(shù)參數(shù)的條件下，盡量縮小體積。

4.2 設(shè)定器件空間布置

1)整體布局電力電子設(shè)備的第一要素就是穩(wěn)定，從這一要素出發(fā)，功率單元器件的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用經(jīng)典的立式結(jié)構(gòu)，即將電解電容按陣列形式排布，放置于功率單元底部。功率器件放置于電容陣列頂部，這樣即可保證功率單元結(jié)構(gòu)的合理性，又可以縮小功率單元的體積。

2)電容陣列電容陣列是在所用的子系統(tǒng)中體積最大的，同時(shí)也是最重的。按照布放原則將6只電解電容進(jìn)行垂直放置，同時(shí)從散熱結(jié)構(gòu)出發(fā)，狹長形結(jié)構(gòu)更為合理，故將電解電容進(jìn)行三橫二縱方式排列，可以用簡單的銅帶連接即可實(shí)現(xiàn)三串兩并的電氣要求。

3)功率器件布置功率器件中，整流橋和IGBT都必須裝于散熱器上，同時(shí)因有大功率母線與電容陣列連接，故采用平面順序形式布置。從電磁兼容角度出發(fā)，并結(jié)合功率單元輸入輸出為從前部下側(cè)保險(xiǎn)輸入，前部上側(cè)端子輸出，故采用將整流橋在前，IGBT在后的結(jié)構(gòu)形式。

4)主控板的布置在全部器件中，主控板的表面積最大，同時(shí)從電力電子器件的電磁兼容要求出發(fā)，從主控板的驅(qū)動(dòng)到IGBT的控制端子的引線應(yīng)為最短，故將主控板放在IGBT的前側(cè)。

在虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)上，充分發(fā)揮實(shí)際組件都不能進(jìn)行懸浮放置的特點(diǎn)，結(jié)合研發(fā)原則，將所有應(yīng)用的組件模型在空間中進(jìn)行調(diào)整擺放，并對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估，選出最佳的布置方案，如圖5所示。

4.3 設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)

在這種虛擬平臺(tái)下的結(jié)構(gòu)研發(fā)，需要的就是研發(fā)人員的想象能力，而不是對(duì)實(shí)際物體的熟悉能力。只要是能夠創(chuàng)新出一種新的外殼結(jié)構(gòu)形式，那么就能在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，以檢測(cè)出其合理性，電氣間隙，電磁干擾，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等一系列原來只能在實(shí)物中觀察出的數(shù)據(jù)。

在虛擬工作空間中，對(duì)于電力電子器件的散熱，利用空間精確定量設(shè)計(jì)的功能，將其設(shè)計(jì)為雙風(fēng)道散熱系統(tǒng)，是利用強(qiáng)電與弱電間的屏蔽板層與散熱表面形成的，如圖6所示。

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