節能變頻器的產品結構設計方法

沈 瑾， 李巧蓮

(上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海200063)

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，變頻器不但能實現無級調速，而且在負載不同時，始終高效運行，有良好的動態特性，能實現高性能、高可靠性、高精度的自動控制。變頻器節能效果顯著的優點，在實際生產中運用越來越廣泛。由于各個廠家對變頻器的容量要求、功能要求各不相同，在有限的時間內設計、加工、制造出滿足客戶要求的靜止變頻電源及其控制系統對生產廠家來說也是一項耗時、耗力的工程。特別是結構設計，要基于功率規格選擇不同的器件，怎樣合理、高效地進行變頻器的結構設計，研制出結構緊湊、通風、散熱性能良好的變頻器是需要面對的課題。

1 現代工業產品結構設計方法

1.1 系統化設計方法

系統化設計方法的主要特點是:將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。

1.2 結構模塊化設計方法

從規劃產品的角度提出:定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解(如通用零部件等)描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解，這樣，能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產品的成本。結構模塊化設計方法將描述設計任務的功能化產品結構分為四層:(1)產品;(2)功能組成;(3)主要功能組件;(4)功能元件。采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。

1.3 基于產品特征知識的設計方法

基于產品特征知識設計方法的主要特點是:用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機制，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。

1.4 智能化設計方法

智能化設計方法的主要特點是:根據設計方法學理論，借助三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述產品的結構。

2 變頻器的結構設計

2.1 變頻器的分類及特點

從變頻器功能可分為通用變頻器和專用變頻器兩類。變頻器廠家根據市場上的常用電機規格設計一系列通用變頻器供廠家直接選用，通用變頻器的特點是規格多，常用功率最小，從0.75 kW開始到315 kW，這類產品的功能要求相差不大，客戶選擇產品的生產廠家范圍比較廣，所以客戶比較挑剔，客戶選擇產品不僅需滿足性能上的要求，更在乎外觀、體積、價格。生產出性價比高的產品是生產廠家追求的目標。專用變頻器是根據用戶要求設計的變頻器，由于功率大小、輸出要求、功能等無法在市場直接選擇滿足要求的變頻器，必須由廠家為此定制、加工、生產。靜止變頻電源就是一種專用變頻器，這類變頻器的特點是對變頻器輸出品質要求較高，功率、輸出變化很大，每次設計要求都不相同，加上這類項目設計、加工、調試時間有限，所以專用變頻器的結構設計是一項耗時、耗力的工程，如何利用計算機輔助設計提高結構設計的效率顯得尤為重要。

2.2 系統化設計方法在通用變頻器結構設計中的運用

在設計某檔規格的通用變頻器時，可以把產品的整個開發過程概括為“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”三個階段，并且充分利用了現有的CAD尖端技術——虛擬現實技術。(1)產品規劃——構思產品。其任務是確定產品的外部特性，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出來，建立能夠體現整個產品外形的簡單模型，該模型可以在虛擬環境中建立，借助于數據帽和三維鼠標，用戶還可在一定程度上參與到這一環境中，并且能夠迅速生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測外部形狀效果的依據，也是幾何圖形顯示設計變量的依據，同時還是開發過程中各類分析的基礎。(2)開發——設計產品。該階段主要根據“系統合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據設計目標的不同有不同的含義:可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯接等;也可以是復合元素，如機、電、電子部件、控制技術或軟件組成的傳動系統;還可以是要求、特性、形狀等。將實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置(設計模型中解元素間的關系)進行分析，產品配置分析是綜合“產品規劃”和“開發”結果的重要手段。(3)生產規劃——加工和裝配產品。在這一階段中，可利用Pro Enginer的虛擬裝配過程用計算機圖像顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關系，由此發現難點和問題，找出解決問題的方法，并認為將CAD技術綜合應用于產品開發的三個階段，可以使設計過程的綜合與分析在“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”中連續交替進行。因此，可以較早地發現各個階段中存在的問題，使產品在開發進程中不斷的細化和完善。設計通用變頻器的過程就是一個系統化的設計方法。根據市場上的通用變頻器規格分檔，規劃出每檔規格大致的外形尺寸，設計自己公司特有風格的外觀，并用三維軟件如ProEnginer模擬虛擬產品;然后結合產品的內在技術要求進行細化結構設計，在設計過程中進行三維動作模擬、安全距離檢查、裝配檢查等，同時進行修改、確定產品的結構方案，在設計變頻器階段及早發現有可能存在的問題，這是系統化設計方法的典型實例。系統化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯系在一起，使整個設計過程系統化，使設計有規律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現。

2.3 結構模塊化設計方法在用變頻器結構設計的運用

結構模塊化設計方法可以把具有某種功能的實現看作為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現產品的方案設計。對于特定種類的機械產品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。由于實體與功能之間并非是一一對應的關系，一個實體通常可以實現若干種功能，一個功能往往又可通過若干種實體予以實現。

在設計靜止變頻電源時，根據其內部功能將其分成逆變單元、整流單元、制動單元、控制單元、鈑金箱體等，每個單元做成獨立的模塊，便于結構設計的快速定位、組合，以便從宏觀上規劃結構布局、機箱尺寸。逆變單元主要由逆變模塊和散熱器組成，在設計時根據功率大小選擇逆變模塊的規格和數量，由于三維造型的直觀性，借鑒個人的設計經驗直接調整散熱器的尺寸，以滿足每款靜止變頻電源的要求。鈑金箱體滿足逆變、整流、制動、控制等所有單元的安裝要求，安裝不僅要滿足電器絕緣、抗干擾等要求，而且要方便安裝、拆卸。在設計過程中應用三維軟件干涉和間距檢查功能進行校核，模擬安裝。靜止變頻電源中的每個單元又由多種元器件組成，而每個模塊又由多個子模塊組成，所以模塊由一層層子模塊組成，在設計時必須分清層的關系才能提高設計效率，同時必須要理清通用件和非標件。由于每次設計時細節要求還是有所不同，所以針對每個項目要求進行細化設計，避免不必要的浪費。作為一名結構設計人員要不斷總結和積累經驗，靈活運用三維計算軟件工具才能做到最經濟、有效的設計產品。

2.4 設計方法的綜合運用

機械產品的方案設計通常無法采用純數學演算的方法進行，也難以用數學模型進行完整的描述，而需根據產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。因此，欲實現計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。

目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現實技術進行設計，直觀性較好，開發初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，但系統性較差，且零部件的結構、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經驗的設計者參與。

值得一提的是:上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯系，如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想，建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統化和結構模塊化方法，此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中，視能夠實現特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統化設計方法中，不僅可以保證設計的規范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質量，降低設計成本。

靜止變頻電源的結構設計是一項綜合性的工業設計。靜止變頻電源是一種工業產品，除了滿足工業產品特有的功能以外，靜止變頻電源的結構設計還要人性化，符合人機工程要求。例如在設計靜止變頻電源機柜的柜門時需考慮指示燈和把手的安裝高度。研發初始時，產品設計的箱體前柜門是分上下兩扇的，為防止操作人員安裝起身時被撞，從安全角度考慮，改成整體一扇，并且采用帶長連桿的鎖具。此外由于部分靜止變頻電源的現場空間有限，為了減少過道的空間，不做后側開門，將箱體后側做成數塊活動封板，安裝彈出鎖具可快速開起。此外，一套合理的靜止變頻電源的結構設計同時也滿足好的結構工藝性，結構工藝性包括零件機械加工結構工藝性和產品裝配結構工藝性。因此，在做靜止變頻電源的結構設計時，應充分考慮到結構工藝性的要求，使產品盡可能加工簡單易行、拆裝方便。例如靜止電源的直流母線在箱體上部，為了便于現場銅排安裝方便，箱體頂蓋做成可拆卸，并將頂蓋分割成若干塊，減輕每塊頂蓋的重量，并安裝彈出鎖具，便于快速開起。

3 結語

產品結構設計正朝著計算機輔助實現、智能化設計和滿足異地協同設計制造需求的方向邁進，我國由于產品方案設計計算機實現方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計自行開發的工具軟件，結構設計軟件基本被國外大公司壟斷。綜合運用文中四種類型設計方法是達到理想設計目標的有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產品方案設計必須努力的方向。近年來我國的計算機輔助設計發展迅速，在企業內的普及程度相當廣泛，國內的變頻器結構設計更趨向合理、緊湊也是一個很好的例證，但智能化設計和滿足異地協同設計制造等方面與國外比較還有明顯的差距。國家“十二五”計劃提出增強科技創新能力，提高產業核心競爭力，相信通過若干年的努力，我國產品制造業會有很好的發展。

［1］GAGAN J，VOGEL C M.創造實破性產品:從產品策略到項目定案的創新［M］.辛向陽，潘龍 譯.北京:機械工業出版社，2006.

［2］林清龍.Pro/ENGINEER動態機構設計與仿真［M］.北京:電子工業出版社，2007.