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高压变频器HIGH-VOLTAGEINVERTER高压变频器运输强度分析Transport Strength Analysis of High Voltage Frequency Converter郭心军（GuoXinjun）北京利德华福电气技术有限公司摘要：高压变频器一般由功率柜、变压器柜和控制柜组成，其中功率单元、变压器通常体积比较大，重量比较重。如何保证变频器在运输过程中机柜的结构不被破坏呢？本文提供一种辅助设计和验证方法，在设计过程中提前判断和预防运输过程中可能产生的损坏。关键词：运输；变频器；辅助设计Abstract:The high voltage frequency converter is generally composed of power cell cabinet,transformer cabinet andcontrol cabinet.The power cell and transformer are usually larger in volume and heavier in weight.How to ensure thatthe structure of the cabinet is not damaged during the transportation?This article provides an auxiliary design andverification method to identify and prevent potential damage during transportation in advance.Key words:Transportation;Frequency converter;Auxiliary design【中图分类号】TN773【文献标识码】B【文章编号】1 56 1-0 330(2 0 2 4)0 3-0 0 8 2-0 51引言高压变频器由于体积比较大，成本比较高，运输过程中如果发生损坏，会带来比较大的成本损失、影响交货日期。所以需要采用计算机辅助设计技术来预防此类事情的发生十分重要。本文通过一个实例来讲解一下运输振动仿真的过程和需要注意的事项，为工程设计人员提供一个思路和方法，提供设计的质量。2辅助设计软件选择静态结构目前计算机设计辅助软件种类非常多，目前应工程数据几何结构用比较广的是AnsysWorkbench。A n s y s Wo r k b e n c h模型设置操作界面简洁，3D建模与网格划分相比经典版更信求解结果方便和人性化。非常适合工程设计人员。其功能静态结构模块也比较丰富，多个模块可以集成到一个窗口中进行交互设计。运输仿真会用到其SCDM模块(SpaceClaimDirectModeler)、静力学分析模块（St a t i c St r u c t u r a l）、模态分析模块（Modal）和冲击模块（Transient Structural），如图1 所示，可以在workbench中清晰的建立数据传递关系。通过静力学模块和模态分析后，将分析后的结果传递给冲击模块，进行机柜强度的仿真分析。3变频器机柜模型前处理变频器机柜设计完三维模型后，需要对机柜进行相关的前处理和优化才能在静力学模块中进行82THEWORLDOFINVERTERS模态工程数据几何结构模型设置求解结果模态图1 运输仿真仿真流程欧瞬态结构工程数据几何结构模型设置求解？结果？瞬态结构XD17瞬态结构2工程数据几何结构模型设置求解？结果？瞬态结构YE瞬态结构工程数据几何结构模型S设置求解结果瞬态结构Z营？第2 7 卷第0 3期变频器世界2 0 2 4年0 3月受力分析，Workbench提供了功能强大的SCDM模块，可以非常方便的对模型进行前处理。首先，对模型中不需要的零件，包括不起支撑强度做的线槽、导轨、密封条等。需要注意的是紧固件也要一起去掉，在模型中用Beam来代替紧固件进行仿真，主要原因是机柜模型比较复杂，带着紧固件进行仿真需要增加大量的计算时间，甚至无法完成计算。然后在文件图设计（D)显示组件测量面片修复准备Workbench仓主视图拼接平面图口缩放至屏幕大小间距口剪裁体积缺失的面分割边定向浏览文件图设计(D)显示组件测量面片修复准备Workbench合主视图点焊按平面分割评面图焊接延伸体积抽取中间面外壳缠绕压印干涉短边间隙轮摩幼定向显示定向分析SCDM中使用“修复”和“准备”工具中的命令对模型进一步优化，优化需要根据模型实际情况选择对应的命令进行，这里不详细讲解。由于高压变频器机柜中使用大量的钣金结构，钣金由于其面积大，厚度比较小的特点，不适合直接进行仿真，所以需要使用“中间面”功能将所有的钣金抽取中间面，提供计算准确性和计算速度。详细钣金工具KeyShot台额外边曲线间隙重复曲线重复拟合曲线一小型曲线合并面非精确边G相切实体化修复图2 修复和准备工具栏小型面拉直简化放松FixCurves（修复曲线）调整详细钣金工具KeyShot圆角山错误面面M锐边移除检测创建一连接立抽取五分割OpenWizard横粱ACT4静力学分析经过前处理后，打开模型（Model），对模型中的每一个零件添加材料。注意需要提前在“工程数据”模块中设置好材料属性，并将材料添加到当前仿真中。在前处理过程中已经将所有紧固件都移除，但紧固件是保证整体强度的必备要素，在Model中使用梁文件放米坐标系口评论咖载面复制Q求解分析风远程点山图表日注释轮摩解在变频器中安装的变压器、功率单元等需要进行简化处理，变压器和功率单元在运输仿真过程中只有它们的重量是需要的参数，不对变压器和功率单元本身的强度进行考核，所以再仿真中将变压器和功率单元简化为“质量点”。根据实际安装的重心位置调整质量点的位置，并赋予对应的质量。然后对变频（Be a m）命令来替代紧固件，对每一个紧固件位置建立一个Beam。然后，查看所有零件直接的接触方式是否正确，是否有缺失，根据实际情况对接触面的接触形式进行修改。连接显示选择自动化雪命名选择配命令窗图像连接组弹寶血焊点插入连接图3连接梁工具栏A:static StructiuralTrpe-Eaualetdon-Miey Ssen-Top/BotomFigureUnitMPs2020/2/27135in1513170.21Max4.9529e-5Min梁部释放级间轴承几何体交互AM键合包接触工具接触国求解方案信息接触器机柜进行网格划分。在求解之前添加“标准地球重力”，并变频器机柜安装底座设置为固定支撑，添加“等效应力（von-mises)”，并进行求解分析。静力学仿真结果如图4所示，最大的应力为1 7 0 MPa，和0.00设计机柜所选材料的屈服强度进行对比分析，当材料屈服强度大于1 7 0 MPa时，证明材料强度在在静力学情况下是合格的。1000:0050.00图4静力学仿真结果WWW.CA168.COM83200.0(m)1500.00高压变频器HIGH-VOLTAGEINVERTER5模态分析模态分析是在静力学分析结果的基础上进行，模态分析的目的主要是考察等效质量，等效质量合格后才能为后面做冲击振动提供相对准确的参数。限制频率搜索范围（limit searchtorange）中需填写需求的频率范围，对于高压变频器需要参考IEC60721-3-2中的Table5中对应要求进行选择，见附表。本文按照公路运输评估，将环境参数选择为2 M1，频率范围最小设置为5Hz，最大设置50 0 Hz。在仿真结果中查看下面三个参数：*PARTICIPATION FACTOR CALCULATION*X DIRECTION,RATIO EFF.MASS*PARTICIPATION FACTOR CALCULATION*Y DIRECTION,RATIO EFF.MASS*PARTICIPATION FACTOR CALCULATION*Z DIRECTION,RATIO EFF.MASS在X、Y、Z三个方向上RATIOEFF.MASS的数值需要大于0.9 5以上，特别复杂的模型RATIOEFF.MASS达到0.9 以上。The mechanical conditions given apply to items placed on the floor of the transportcompartment.Environmentalparametera)Stationaryvibrationsinusoidall):displacementamplitudeaccelerationamplitudefrequency rangeb)Stationaryvibration,random!):acceleration spectraldensityfrequencyrangec)Non-stationaryvibrationincludingshock2):Shock response spectrumtypel,peak accelerationaShockresponse spectrumtype Il,peakaccelerationa84THEWORLDOFINVERTERS6冲击分析冲击振动分析就是模仿运输过程中道路的颠簸、车辆加速、车辆减速等产生的冲击。根据IEC60721-3-2Table5中选择Shock response spectrum type I,如附图所示。TypeI冲击周期参考Figure1的要求，如图5所示，持续1 1 ms。1.81.60.80.60.40,2在冲击模块设置参数，添加“加速度（acceleration）”并选择BoundaryCondition为ALLFixed Supports,Magnitude设置为“=1 0 0 0 0 0*sin（1 8 0/0.0 1 1*t i me)”，如图6 所示。附表结构条件分类Table 5-Classification of mechanical conditionsUnitmm3,5m/s210Hz2-99-200m2/s31Hz10-200m/s2m/s252M13,515200-5002-90,31200-200010-200100No10Exemplededureesdune impulsion semi-sinusoidale:SpectretypelSpectre typell:duree6ms图5冲击振动波形和持续时间Class2M210159-200200-5002-80,33200-200010-2001003002060100duree11ms7,5208-200200-5001200-2000300100020050010002000FrequenceHzCEL487912M340第2 7 卷第0 3期变频器世界2 0 2 4年0 3月DetailsofAccelerationScopeBoundary ConditionDefinitionBase ExcitationAbsoluteResultMagnitudeDirectionSuppressed设置好后会生成半周期正弦波图形，如图7 所示。求解后，可以分别得到X、Y、Z三个方向的应力情况，分别如图8-1 0 所示。Graph2.035e-21.e+5500000.-50000-1.e+5E-TransientStructuralXEquivalent StressTrpe:Eaualent Con-Mpel Stes-TopBotomUnit:MPaTme:aii2020/2/2713:42723.47Max562.7643.09482.32401.93321.542416160.770.00021628 Min80.386口XAllFixed SupportsYesYes=100000*sin(180/0.011*time)YAxisNo图6 冲击振动设置1.1e-2图7 冲击振动波形Ma通过求解结果看X方向最大应力为7 2 3.47 MPa，Y方向最大应力为2 34.8 4MPa，Z方向最大应力为579.15MPa。找到最大应力点出现的位置，并与该位置所选材料的屈服强度进行对比分析，当材料屈服强度大于对应的最大应力时，表示设计合格，当材料屈服强度小于对应的最大应力时，需要对该位置进行优化设计，换强度更高的材料或添加加强筋来提高强度，并再次进行仿真求解。7试验室数据对比分析4口X通过仿真分析和优化设计后生产出来的变频器，需要在实验室进行振动试验，对结果做进一步验证。实验室的试验台安装X、Y、Z6 个方向的控制监0.11控点，并在变频器机柜上粘贴对应的检测点，通过冲击来得到试验数据，如图1 1-1 9 所示。检制#铺：0.1 457 g回标奶铺满级：0.1 51 0 00.00100d.00500200.0(mm)1500.00图8 X方向应力结果HTransient StructuralyEquivalentStressTypeEtaurvslent(von-Mie)Sres-Top/BotomTme:0.11Unit:MPs2020/2/27 13:4g234.84Max208.75182.65156.56130.47104.3778.28152.18726.094J0.00021009Min0.011500506.0#值：1 5.1 30 1 9回标峰值（满级）：1 2 7 5020Max8010图1 1 X轴向振动试验控制曲线0.82411.090121403.82501.97052034050.773901002000.00图9 Y方向应力结果K:TransientStructuralzEquivalent StressTimeQ1Unit:MPa20202/71613579.15 Max450.45514.83861321.75257.4193.0512870.0039534Mm64.351000.00500.000.00500.00图1 0 Z方向应力结果200.0(mm)1500.00100.00200.00(mm)1500.0000:0000:0.0100:0:0.03图1 2+X轴向冲击试验曲线000.070.90:0000:0:050:0.010WWW.CA168.COM8500.015高压变频器HIGH-VOLTAGE INVERTER0.8241户制#鱼：1 51 1 302.496回标蜂销（满侧：1 2 7 50 0空制4：0 1 43。20500:00:00.001408.014:000:000:00:0.01200.900.0:0.0802010008.018234050200图1 3-X轴向冲击试验曲线图1 7 Z轴向振动试验控制曲线拉制话：0.1 48 9 0自拆特值（满级：0.1 51 0 g:15.539日标值（满编：1.0 00.87262.160401.154Z0200-00.007020图1 4Y轴向振动试验控制曲线0-0.0127407001002000000010000图1 8+Z轴向冲击试验曲线.8241自标时道（满锅：1 2 7 50 0制值：1 50 1 1 8 04210日际鲜量（前级址-1 42 50 02图1 9-Z轴向冲击试验曲线0000.07000100:005图1 5+Y轴向冲击试验曲线02412制格路：1 5.2 0 33g口联精值（满级：-1 2 7 50 000:30.0100-00.01Z701.0.0.0192.46000-0:00.01700:0:0.006.00.0:01图1 6-Y轴向冲击试验曲线通过试验得到的冲击曲线，监测点没有明显失去控制。试验完成后，对变频器机柜进行外观检查，是否有螺钉松动，结构件是否有损坏。变频器上电后正常运行。到此变频器运输验证完成。8结论通过使用AnsysWorkbench在设计阶段对高压变频器进行冲击振动仿真，提前对有潜在风险的结构进行优化设计。避免在实验室进行振动试验失败带来的成本损失，节约采购、组装和再次验证的时间。86THEWORLDOFINVERTERS