一种通用变流器柜的强度分析和改进设计

何 峋

通用变流器柜是用于光伏发电的电力设备，里面装有4个电抗器和4个发电模组，每个电抗器的质量约 250kg，4个共 1000kg，每个模组的重量为80kg，4个共320kg，都是并列布置，加上其他电气元件和结构件，总质量将近1800kg。常规的布局是：电抗器重量比较重，将其固定在柜体的底部，发电模组比较轻，固定在上部，这样整体柜子的重心可以稳定一点。这种结构虽有其利，但必有其弊。因为电抗器散热比较大，热流向上升，都传递给了上部的模组，模组本身也在发热，本身热值小于电抗器。所有的热量综合在模组上，然后再上升，往顶部的通风孔流出，这时的模组已吸收了更多的外界热量后，不能快速发散热量，影响功效和寿命，并且散热慢，使得整个柜子温升在加剧，不利于电器柜的运行。

本案例改进思路，翻新了柜体结构设计。为了散热更良好，有意将4个电抗器安装在柜体的上部，直接将热量散发到柜子顶部，模组安装在柜子的底部，避免模组吸收大量的热值。这样散热效果是改善了，但是结构上变得头重脚轻，重心显得非常不稳定。新产品的特点是载荷大，跨度大，重心高，运输稳定性也会有点困难（如图1通用变流器柜设计雏形）。

设计和制造这个产品的过程需要解决的新问题是，跨度大、载荷大，如何使得柜体强度能承受更苛刻的挑战，尤其是横梁和立柱，因为电抗器质量大，如何保证在1400mm的跨度上，1600mm的高度上，使1000kg的载荷得到可靠的固定支撑，让运输过程的重心稳定。

1 分析受力

本文重点阐述翻新设计中的强度解决方案和改进过程，运输稳定性将会有其他措施解决，不在此赘述。

初始设计方案：材料选用截面为63mm规格的槽钢，作为横梁（如图1所示，序2）；160mm规格的槽钢作为侧面梁（如图1所示，序3）。从采购便利上考虑，都属标准型材。

图1 通用变流器柜设计雏形

装配工艺为：160号槽钢做的侧梁先固定在立柱上，63号槽钢做的横梁和4个电抗器同时固定后，宽度尺寸为 1150mm，柜体立柱间内尺寸为1230mm，尺寸 1150＜1230，所以 4个电抗器可以用叉车一起推进入柜内，加载到侧梁上，然后固定。

安装后在力学结构上预计会产生以下效果。载荷示意如图2所示。

图2 载荷示意

1）63号槽钢承受重力载荷和引起的弯矩。

2）侧梁承受压应力F1、F2，因为还有悬臂结构的存在，造成的弯矩M，这是很差的受力状态。因为跨度大，转接点多，总的变形量更容易被放大。

3）立柱承受重力载荷的传递，引起的不仅是压力，更有忌讳的弯矩M，因为重心高，立柱稳定性受弯矩危害很大。

进一步论证，经过仿真计算，很明显，63号槽钢无法承受如此大的载荷而严重弯曲。同时立柱和侧梁受弯矩后，工作状态相当差，造成潜在失效模式，立柱扭曲。其仿真分析结果如图3所示。

图3 仿真分析结果

按照此方案，在实物制造后，实际验证中也确实发生了明显的变形，这确实是不可靠的设计。

2 改进方案

为此改进设计方案，从3个薄弱点找出解决思路。

1）放弃使用槽钢，槽钢显得粗糙笨重。本案中采用的材料是2mm的覆铝锌板，设计成封闭形，加大横梁高度尺寸，增加惯性矩和抗弯性能，同时兼顾工艺性和美观。覆铝锌板作为免处理板材，不需要额外的外协喷涂工序，节省了制造周期；它的钣金加工工艺性比较好，外观精致，与柜体风格协调统一；综合计算材料成本和加工成本也比槽钢低，尤其在批量生产中，数控钣金设备加工的工艺优势更明显，质量也更稳定。而且，设计成U形折弯强度要明显高于L形折弯，封闭形则更佳，但操作工艺会很有限制。图4为横梁3D设计图。图5为横梁加强梁3D设计图。

图4 横梁3D设计图

图5 横梁加强梁3D设计图

将上述2种梁组合装配，其设计目的是，封闭后可增加截面稳定性和惯性矩。没有直接设计成一体的形状，是因为折弯工艺的操作性受到限制，所以采用合适的工艺，先分体折弯，再用铆钉连接组合的方式。为了现场装配更高效，有意在横梁的 2端设计了辅助的挂钩，这样不仅增加了连接可靠性，而且装配工艺变得轻松简单。操作工只要把横梁往侧梁上一挂即可解脱双手，然后舒适地操作紧固件，不需要额外的人辅助托着沉重的横梁进行安装。所以在设计过程不仅要解决产品的功能性问题，更要同时兼顾工艺性，一个小小的工艺改进，往往在生产和维护上会带来很大的便利和经济性。横梁组合后的3D剖视图如图6所示。

图6 横梁组合后的3D剖视图

2）把160号槽钢取消，新横梁直接与新的侧梁对接，没有悬臂结构，所以侧梁上的弯矩为零，使横梁两端侧面和侧梁都直接承受拉应力和剪应力。连接螺钉强度为 4.8级，即使弯钩的拉应力承载时效，螺钉强度经过载荷计算，也足以满足剪切力的要求。横梁组合后的安装如图7所示。

图7 横梁组合后的安装

3）削弱载荷对立柱的弯矩影响，使立柱100%只承受垂直方向的力。

立柱材料同样是 2mm的覆铝锌板，截面是 8折型材兼有双重折边工艺，这种源于国外开关柜厂家的钣金工艺为：先将板材折弯后压平，再将上下层一起折弯成 90°，这种工艺使得 2mm的钢板具备了4mm钢板的抗弯强度，在垂直方向上它的强度和稳定性足以抗衡载荷的重力。而且适合后续的拉铆工艺，压铆工艺操作，工序操作机动灵活，钣金件外观整洁平整，双重折边在高压开关柜中已普及，是经过长期验证的成功案例。

装配工艺为：横梁先固定在侧梁上，因为新的横梁长度已超过柜体立柱的内尺寸空间，所以电抗器逐一安装在横梁上，不再与横梁整体进入柜内，经论证分析，这在装配工艺上是简单可行的。

3 方案可靠性验证

为验证新结构的可靠性，需要做梁的强度计算和分析。载荷示意如图8所示。

图8 载荷示意图

转化为单跨度简支架力学模型图。力学模型图如图9所示。

图9 学模型图

先计算最大变形量，以获得直观的判断。在水平位移l1＜x＜l1+l3的最薄弱的中点处，计算最大挠度y：

质量 1000kg，载荷约为 10000N，因为有 2根横梁承担载荷，所以单根载荷为q=5000N。

其中弹性模量E查阅机械手册得出，弹性模量E=206GPa。

惯性矩I：因为其截面是非标几何尺寸，机械设计手册无法查阅，可用 3D软件模拟其截面形状，自动计算得出，设定惯性轴在截面居中位置，惯性矩I=2.38×106mm4。惯性矩截图如图10所示。

图10 惯性矩截图

上述参数和结构是改进设计后的方案，将上述参数调入公式中，计算挠度 y，最大为 y=0.32mm,这个形变量在1400mm的跨度上，是个微小的弹性变形值，可忽略。再根据仿真软件同步分析验算，得到变形量为0.4mm，这与理论计算结果非常接近。仿真结果分析如图11所示。

再来验证该梁的屈服强度。

计算后在663mm处最大弯矩M=1066Nm。

计算后的截面受力为F=M/h=6346N。

截面应力为F/S=7.8MPa。

图11 仿真结果分析

材料选用的是 Q235-A类钢，许用应力大于实际屈服强度，因此，该结构符合设计意图，能满足实际使用要求。附改进设计方案后的实物结构，如图12所示。

图12 实物结构

4 模拟运输时的动态冲击分析

为进一步论证在动态条件下的柜体结构强度可靠性，模拟在公路上长途运输，将柜体固定在CNAS认可实验室的平台上进行破坏性试验。试验标准按照GB/T 4857.23—2000（包装运输随机振动试验方法）执行。在垂直方向上振动3h，水平振动方向上振动3h，扫频共振条件下振动3h，加速度和频率一直在随机变换。

其中扫频振动的破坏性是最大的，设备初始运行阶段在逐步变化各种频率，以扫描到试验样品的共振频率，随后在合适的频率进行共振。这也是放在最后做的原因。实验室运输振动应力曲线如图13所示。

图13 CNAS实验室运输振动应力曲线

试验后，包装结构完好无损，电气部分一次回路，二次回路接线可靠，元件正确牢固、电阻、耐压，绝缘性能均没有出现明显的下降。结构件不松脱，机构各活动部分运转一切正常。表明柜体结构可以承受剧烈颠簸的公路运输条件而完好无损。

5 结论

在电气柜结构设计中，所用的材料为90%以上薄板材料，考虑的是经济性和良好的工艺性，而钣金结构和材料的机械性能中，拉伸强度要强于抗压强度，过大的压应力会导致截面变形失效，或者不稳定。在结构设计空间受到限制时，不妨分析一下力系分布，转换受力方式，改压应力为拉应力，或将集中载荷改为均布载荷，或增加折弯边数，或改截面形状，都可以取得简洁明快的结构，良好稳定的效果。而且充分、综合地利用计算机有限元自动分析软件，能提高产品可靠性，加速产品开发过程。

[1] 闻邦椿. 机械设计手册[M]. 5版. 北京： 机械工业出版社, 2010.

[2] 李建基. 新型高中压开关设备选型及新技术手册[M]. 北京： 中国水利水电出版社, 2010.

[3] 魏国柱. 高压电气设备安装[M]. 北京： 中国电力出版社, 2000.

[4] GB/T 14548—93. 船用半导体变流器通用技术条件[S].

[5] GB/T 4857.23—2000. 包装运输随机振动试验方法[S].

[6] 储能光伏混合通用型变流器[Z]. 北京四方继自动化股份有限公司, 2010.