一種控制柜柜體結構設計及優化

王金榮，潘 毅，孟廣松

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

風機的控制是風力發電系統運行中的核心內容之一，風機機艙內部、輪轂內部和塔筒底部都安裝有控制柜，以保證風機正常運轉。本文闡述了一種安裝在塔筒底部的控制柜，根據工程應用經驗及計算分析結果，對該控制柜進行了小批量試制。作為風電機組的通用設備，在進行柜體設計時，首先要考慮柜體生產制造的通用性，同時要考慮柜體內電器元件的布置及電源線進線方式。由于整個柜體位于塔筒底部的密閉環境內，需要考慮柜體的防護等級和通風散熱條件。在柜體生產和安裝過程中，要考慮柜體轉運和設備安裝在工程使用上的便捷性。

本文結合柜體的試制經驗，對上述幾個方面的設計分別進行了說明，并給出優化方案，為后續批量生產提出解決方案。

1 控制柜樣柜的整體設計

出于柜體制造的通用性考慮，柜體采用常見的ES(五折)結構設計。門板、雙側板及后背板采用2 mm厚優質冷軋鋼板折壓噴漆而成，柜體頂部為整塊冷軋鋼板。設備安裝后主要靠柜體底部承重，在柜體底部設計整體框型底座。為方便電器元件安裝，在柜體內側底部2根橫梁上設計安裝支架，安裝支架通過螺栓把合在橫梁上，方便電器元件安裝位置的調整。為防止安裝支架兩端壓力過于集中，在橫梁兩端各加裝一塊小鋼塊，增加橫梁與柜體接觸面積，分散壓力。根據器件進線方位，在柜體側面深度方向設計安裝橫梁，用于安裝輔助器件、進線端子等，同時為保證柜內走線美觀，將柜體進出線綁扎于橫梁上，防止電器元件長期工作散熱影響柜體側邊橫梁上電器件使用壽命，電器元件應盡可能靠近進線口橫梁對側安裝。

2 樣柜柜體的散熱設計

控制柜不安裝風扇，采用空氣自然冷卻散熱[1]。在柜體內，電器元件為主要發熱部件，所以在柜體設計時要充分考慮電器元件的散熱。首先在柜體設計時要保證電器元件的散熱空間，根據電器元件的外形尺寸，柜體距主要發熱電器元件外形尺寸至少預留100 mm，保證電器元件發出的熱量能及時擴散出去。同時柜體采用鏤空設計，柜體門板、左右側板及后背板均開通氣孔，保證電器元件發出的熱量可以通過通氣孔將熱量排出去。根據要求柜體防護等級[2]為IP21，所以通氣孔直徑一般設計為6 mm。

3 樣柜柜體進線設計

考慮進線的方便性，控制柜采用底部進線方式。可在框形底座左右兩側的槽鋼上開長方形的進線口。在柜體底板設計推拉式活動底板，可以左右活動，引線從進線口穿入后通過推拉式活動底板進入柜體內部[3]，接在接線端子上。在活動底板和固定底板合縫處邊緣粘貼泡棉，引線穿入后將活動底板拉上。泡棉有很大的壓縮量，既能方便進線，還能起到密封作用，防止灰塵進入柜內。引接線引入控制柜后，用扎帶綁于柜體側梁上，使引線與電器元件之間保持一定的距離，防止電器元件散發的熱量引起引接線表面絕緣的快速老化。

4 樣柜柜體底座設計及優化

控制柜樣柜底部設有框型底座，高度100 mm，兩側開有長方形的進線孔，根據經驗，底座選用10#槽鋼焊接而成，用于支撐整個設備的重量。樣柜底座設計證明槽鋼框型底座滿足設計需要，但成本偏高。

為降低后期控制柜底座批量生產成本，同時滿足使用性能要求，本文對柜體底座進行了優化，并用仿真分析軟件SolidWorks Simulation對2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm鋼板焊接的框形底座進建模和仿真[4]，并與槽鋼焊接底座進行對比，底座模型如圖1所示。

圖1 底座示意圖

控制柜中電器元件重量按500 kg考慮，柜體自身重量約150 kg左右，考慮一定的余量，設置底座受到向下壓力為7 600 N，根據軟件分析結果，底板的應力、位移和應變如表1所示。

表1 底座應力、位移和應變

從表1中數據可以看到，當鋼板厚度2 mm時，底座的最大應力大于材料的屈服強度值，會引起底座的塑性變形；采用3mm厚鋼板時，底座最大應力和鋼板屈服強度數量級相同，底座承力余量較小，電器元件安裝梁與底座結合處受力變形量超過1 mm；當材料厚度大于等于4 mm時，最大應力數量級與槽鋼底座最大應力數量級相同，底座的最大應力遠小于材料的屈服強度值，電器元件安裝梁與底座結合處受力最大，且變形量均小于1 mm，變形量較小，隨著鋼板厚度增加，應力減小幅度不明顯。從材料成本和性能要求考慮，采用4 mm厚鋼板經濟指標最好。

5 樣柜的起吊及優化

為了通風散熱的需要，樣柜柜體采用鏤空設計，柜體門板、左右側板及后背板均開有通氣孔，柜體鏤空設計滿足了散熱的要求，但也降低了柜體強度。當柜體內的電器元件設備沒有安裝時，可以在柜體頂部安裝吊裝螺栓采用頂部起吊的方式，方便柜體的起吊轉運。當電器元件安裝后，采用頂部起吊時柜體頂部受力，柜體強度不足以支撐變控制柜體和柜體內電器元件的重量，柜體存在變形風險，因此考慮在框形底座上設計吊攀，采用底部起吊的方式，同時配合頂部吊環控制吊帶方向。

常規做法是：底座前后共設計4個吊攀，吊攀不能伸出柜體太短，也不能伸出太長。伸出太短在起吊時吊繩會勒到柜體引起柜體變形，伸出太長需要大的安裝空間，同時也妨礙操作人員工作。因此在底板上焊接吊攀安裝支座，通過螺栓將吊攀把合，這樣在起吊時將吊攀把上，吊裝完成后可以把吊攀拆下來，結構如圖2所示。

圖2 把合式吊攀

通過吊攀把合的方式雖然可以滿足工程使用要求，但是存在不足之處。首先吊攀把合在安裝支座上，起吊前后須手工拆卸螺栓，增加了現場安裝人員工作量；其次，由于風電現場情況較為復雜，拆掉的吊攀和螺栓不方便保存，容易遺失。因此，本文總結了樣柜底座吊攀設計的不足之處，提出后續批量生產吊攀設計改進方案。

在框形底座的鋼板上設計吊點的位置焊4塊厚鋼板增加底板吊點處的厚度，然后在小鋼板和底座中間開圓通孔，在通孔插入抽拉式圓鋼，圓鋼的兩端焊接圓擋片。起吊時將圓鋼抽出，吊帶掛在圓鋼外側，結構如圖3所示。在吊裝完畢可將圓鋼縮回框形底板內，不占用安裝空間，這樣既解決了吊攀長度不足的問題，也解決了吊攀的拆卸和保存問題。

圖3 推拉式吊攀

6 結語

本文通過小批量樣柜試制，對柜體散熱、進線方式和柜體起吊等結構設計進行闡述，總結控制柜試制經驗，并對柜體底座和吊攀進行優化，并給出設計方案，為后續大批量生產作準備。在進行批量生產時，要注意以下幾個方面的內容。

1)通用性要求。控制柜作為風電機組的通用設備，柜體采用ES(五折)結構。

2)柜體散熱設計。為滿足電器元件散熱及防護要求，柜體采用鏤空設計，柜體門板、左右側板及后背板開直徑6 mm的通氣孔。

3)柜體進線設計。控制柜采用底部進線方式，在框型底板左右兩側開長方形的進線孔，并在進線位置粘貼泡棉進行防護。

4)柜體底座設計。從成本和滿足使用性能要求綜合考慮，根據仿真計算結果，柜體底板采用4 mm鋼板折壓焊接的方式。

5)控制柜的起吊。柜體頂部設計吊環，方便柜體的起吊轉運，底板上采用優化過的推拉式吊攀結構，用于安裝元器件后控制柜的起吊，同時也解決了柜體安裝空間布局及吊攀存放問題。