劉曦程，王婷，黃啟釗，孫保濤

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，株洲 412001）

引言

變流器作為電源系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，它可以改變電源系統(tǒng)中的電壓、頻率、相數(shù)或是其他特性來(lái)滿足不同的需求。變流器一般包括整流器（交流電流變直流電流）、逆變器（直流電流變交流電流）、交流變流器和直流變流器。在變流器中，功率模塊是其核心組件，不僅承擔(dān)著將電機(jī)側(cè)低頻交流電整流成直流，并承擔(dān)著在電網(wǎng)側(cè)將直流逆變?yōu)楣ゎl正弦波并網(wǎng)的作用。由于大功率模塊的體積相對(duì)龐大，同時(shí)重量也較大，并且安裝及維護(hù)起來(lái)較為困難，因此當(dāng)功率模塊發(fā)生故障時(shí)，受功率模塊自身特點(diǎn)和變流器單元柜體空間有限的雙重限制，在不將模塊拆裝下柜的情況下，幾乎無(wú)法對(duì)模塊進(jìn)行維護(hù)，嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)行，而將模塊拆裝下柜維護(hù)，又會(huì)耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。

為了克服模塊維護(hù)困難的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低、有利于降低售后維護(hù)難度且可裝于變流器柜體上的功率模塊維護(hù)用裝置。

1 功率模塊維護(hù)用裝置結(jié)構(gòu)描述[1]

功率模塊維護(hù)用裝置由下滑軌組件和上滑軌組件組成，如圖1 所示。上、下滑軌組件之間通過(guò)螺栓固定，當(dāng)拆除固定螺栓后，拉動(dòng)上滑軌組件或下滑軌組件，上、下滑軌組件能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 維護(hù)用裝置

上滑軌組件是由上滑軌鈑金折彎件、中間滑動(dòng)層（2塊3 mm 厚的聚四氟乙烯板）和上滑軌限位件組成，如圖2 所示。上滑軌鈑金折彎件是由3 mm 厚的304 不銹鋼鈑金折彎而成，一共折彎了6 道，有效加強(qiáng)了上滑軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；中間滑動(dòng)層由2 塊聚四氟乙烯板組成，由沉頭螺釘固定在上滑軌折彎鈑金件上，長(zhǎng)度和上滑軌鈑金折彎件等長(zhǎng)；上滑軌限位件為3 mm 厚的L 型304 不銹鋼鈑金折件，由螺栓固定在上滑軌鈑金折彎件的后端。

圖2 上滑軌組件

下滑軌組件是由下滑軌鈑金折彎件、中間滑動(dòng)層（2塊聚四氟乙烯板）和下滑軌限位件組成，如圖3 所示。下滑軌鈑金折彎件也是由3 mm 厚的304 不銹鋼鈑金折彎而成，一共折彎了8 道，加強(qiáng)了下滑軌的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；中間滑動(dòng)層由2 塊聚四氟乙烯板組成，由沉頭螺釘固定在下滑軌折彎鈑金件上，長(zhǎng)度和下滑軌鈑金折彎件等長(zhǎng)；下滑軌限位件為3 mm 厚的L 型不銹鋼鈑金折件，由螺栓固定在下滑軌鈑金折彎件的前端。

圖3 下滑軌組件

從圖1 可以看出，上滑軌組件和下滑軌組件左右兩側(cè)留有4 mm 的間隙，底部留有1 mm 的間隙。左右兩側(cè)的間隙，是為了防止上滑軌組件和下滑軌組件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上、下滑軌組件發(fā)生過(guò)大的左右偏差，起到一定的限位作用。由于功率模塊安裝在上滑軌組件上，當(dāng)上滑軌組件和下滑軌組件產(chǎn)生較大的相對(duì)位移時(shí)，上、下滑軌形成懸臂狀態(tài)，模塊安裝在上滑軌組件上，過(guò)大的重量會(huì)導(dǎo)致上滑軌組件向下傾斜，底部的間隙能夠讓下滑軌組件對(duì)上滑軌組件起到一定的支撐作用。

上滑軌組件和下滑軌組件之間由安裝在上、下滑軌組件上的中間滑動(dòng)層（聚四氟乙烯板）形成接觸面，避免了上、下滑軌鈑金折彎件直接接觸，當(dāng)上、下滑軌組件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，聚四氟乙烯板之間產(chǎn)生摩擦力，摩擦力相對(duì)較小，使上、下滑軌組件更容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)也不會(huì)對(duì)鈑金件表面造成破壞。

當(dāng)維護(hù)用裝置安裝在變流器單元柜內(nèi)時(shí)，下滑軌組件通過(guò)螺栓與單元柜骨架固定，上滑軌組件與功率模塊之間通過(guò)螺栓連接固定。在功率模塊正常工作無(wú)需維護(hù)的情況下，上滑軌組件和下滑軌組件通過(guò)螺栓連接固定，防止功率模塊在變流器單元柜內(nèi)滑動(dòng)，如圖4 中的A 狀態(tài)所示。當(dāng)功率模塊發(fā)生故障需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，拆卸上滑軌組件和下滑軌組件之間的螺栓，將功率模塊向變流器單元柜外部拉動(dòng)，由于功率模塊和上滑軌組件通過(guò)螺栓固定在一起，故上滑軌組件也將隨功率模塊一起被拉動(dòng)，如圖4 中的B 狀態(tài)所示，從而實(shí)現(xiàn)功率模塊發(fā)生故障時(shí)不拆裝下柜即可進(jìn)行維護(hù)。

圖4 功率模塊柜上維護(hù)示意

當(dāng)柜內(nèi)功率模塊處于維護(hù)狀態(tài)時(shí)，維護(hù)用裝置的上滑軌組件和下滑軌組件的相對(duì)位置如圖5 所示。將功率模塊抽出至最大位置，上滑軌組件有647mm 的長(zhǎng)度處于懸空狀態(tài)，上滑軌組件與下滑軌組件之間的重疊長(zhǎng)度為223 mm。由于下滑軌組件是和柜體骨架固定在一起的，所以功率模塊的大部分都是由上滑軌組件承受了，故本文主要對(duì)上滑軌組件的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算。

圖5 模塊維護(hù)時(shí)上、下滑軌相對(duì)位置示意

2 維護(hù)用裝置抽出狀態(tài)下靜載荷有限元分析

2.1 靜強(qiáng)度理論

根據(jù)第四強(qiáng)度理論，當(dāng)在計(jì)算復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)時(shí)，可以應(yīng)用當(dāng)量計(jì)算應(yīng)力來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解及校核[2]，其計(jì)算公式為：

式中：

σe—當(dāng)量應(yīng)力，MPa；

σi—主應(yīng)力（i=1，2，3），MPa。

在判斷該結(jié)構(gòu)能否滿足靜強(qiáng)度時(shí)，可以引入屈服安全系數(shù)，計(jì)算公式如下[3]：

式中：

R—材料屈服點(diǎn)（Rel）或0.2 %的實(shí)際彈性極限應(yīng)力Rp0.2，單位：N/m2；

σc—計(jì)算應(yīng)力，N/m2。

其中在僅計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)S1應(yīng)取1.15，故當(dāng)所計(jì)算的屈服安全系數(shù)S 不小于1.15 時(shí)，該結(jié)構(gòu)才能滿足靜強(qiáng)度要求[4]。

2.2 結(jié)構(gòu)仿真及結(jié)果分析

當(dāng)在對(duì)功率模塊進(jìn)行維護(hù)時(shí)，為了驗(yàn)證維護(hù)用裝置是否滿足強(qiáng)度要求，本文針對(duì)維護(hù)用裝置在功率模塊維護(hù)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析。

表1 給出了該維護(hù)用裝置的結(jié)構(gòu)屬性。

表1 維護(hù)用裝置結(jié)構(gòu)屬性

在仿真分析中，對(duì)于不必要的復(fù)雜特征可以進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)維護(hù)用裝置的影響較小，因此刪除功率模塊仿真模型，并引入質(zhì)量點(diǎn)單元來(lái)等效功率模塊對(duì)維護(hù)用裝置結(jié)構(gòu)造成的影響，在笛卡爾坐標(biāo)系中指定該質(zhì)量點(diǎn)的位置，輸入功率模塊的實(shí)際重量來(lái)作為質(zhì)量點(diǎn)的仿真參數(shù)，在設(shè)置約束時(shí)，考慮了功率模塊和維護(hù)用裝置的實(shí)際安裝情況，將質(zhì)量點(diǎn)與上滑軌組件上的四個(gè)連接孔進(jìn)行耦合，將上、下滑軌組件之間的連接設(shè)定為固定約束，約束模型和有限元網(wǎng)格模型分別如圖6 和圖7所示。

圖6 有限元約束模型

圖7 有限元網(wǎng)格模型

維護(hù)用裝置的靜強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，維護(hù)用裝置在功率模塊維護(hù)狀態(tài)下所受到的最大應(yīng)力達(dá)到了113 MPa，該數(shù)值要小于其材料的屈服強(qiáng)度205 MPa。另外，根據(jù)計(jì)算公式得到其屈服安全系數(shù)為1.81，其值明顯大于1.15，故此維護(hù)用裝置滿足功率模塊在維護(hù)時(shí)的靜強(qiáng)度要求。

圖8 靜強(qiáng)度應(yīng)力分析結(jié)果

3 總結(jié)

1）本文針對(duì)變流器功率模塊重量重、體積大、安裝及維護(hù)困難等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的維護(hù)用裝置，可以保證當(dāng)功率模塊發(fā)生故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)在不將功率模塊拆裝下柜的情況下完成模塊器件維護(hù)。

2）本文針對(duì)功率模塊處于維護(hù)狀態(tài)時(shí)，對(duì)維護(hù)用裝置進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元仿真分析計(jì)算，求得該結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度仿真計(jì)算的最大應(yīng)力值為113 MPa，小于不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合屈服安全系數(shù)方法，計(jì)算得維護(hù)用裝置的屈服安全系數(shù)為1.81，其值明顯大于1.15，故此功率模塊維護(hù)用裝置在維護(hù)狀態(tài)時(shí)滿足靜強(qiáng)度要求。