一種變流器功率模塊維護用裝置

劉曦程，王婷，黃啟釗，孫保濤

（株洲中車時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龐大，同時重量也較大，并且安裝及維護起來較為困難，因此當(dāng)功率模塊發(fā)生故障時，受功率模塊自身特點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，幾乎無法對模塊進行維護，嚴(yán)重影響設(shè)備的運行，而將模塊拆裝下柜維護，又會耗費大量的人力和時間。

為了克服模塊維護困難的問題，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低、有利于降低售后維護難度且可裝于變流器柜體上的功率模塊維護用裝置。

1 功率模塊維護用裝置結(jié)構(gòu)描述[1]

功率模塊維護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螺栓固定，當(dāng)拆除固定螺栓后，拉動上滑軌組件或下滑軌組件，上、下滑軌組件能發(fā)生相對運動。

圖1 維護用裝置

上滑軌組件是由上滑軌鈑金折彎件、中間滑動層（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，有效加強了上滑軌的結(jié)構(gòu)強度；中間滑動層由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，長度和上滑軌鈑金折彎件等長；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，加強了下滑軌的結(jié)構(gòu)強度；中間滑動層由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，長度和下滑軌鈑金折彎件等長；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)生相對運動時，上、下滑軌組件發(fā)生過大的左右偏差，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)生較大的相對位移時，上、下滑軌形成懸臂狀態(tài)，模塊安裝在上滑軌組件上，過大的重量會導(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)生相對運動時，聚四氟乙烯板之間產(chǎn)生摩擦力，摩擦力相對較小，使上、下滑軌組件更容易產(chǎn)生相對運動。同時也不會對鈑金件表面造成破壞。

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

圖4 功率模塊柜上維護示意

當(dāng)柜內(nèi)功率模塊處于維護狀態(tài)時，維護用裝置的上滑軌組件和下滑軌組件的相對位置如圖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，故本文主要對上滑軌組件的受力情況進行分析計算。

圖5 模塊維護時上、下滑軌相對位置示意

2 維護用裝置抽出狀態(tài)下靜載荷有限元分析

2.1 靜強度理論

根據(jù)第四強度理論，當(dāng)在計算復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)時，可以應(yīng)用當(dāng)量計算應(yīng)力來對結(jié)構(gòu)進行求解及校核[2]，其計算公式為：

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)能否滿足靜強度時，可以引入屈服安全系數(shù)，計算公式如下[3]：

式中：

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

σc—計算應(yīng)力，N/m2。

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

2.2 結(jié)構(gòu)仿真及結(jié)果分析

當(dāng)在對功率模塊進行維護時，為了驗證維護用裝置是否滿足強度要求，本文針對維護用裝置在功率模塊維護狀態(tài)時進行靜強度仿真分析。

表1 給出了該維護用裝置的結(jié)構(gòu)屬性。

表1 維護用裝置結(jié)構(gòu)屬性

在仿真分析中，對于不必要的復(fù)雜特征可以進行簡化。由于功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)對維護用裝置的影響較小，因此刪除功率模塊仿真模型，并引入質(zhì)量點單元來等效功率模塊對維護用裝置結(jié)構(gòu)造成的影響，在笛卡爾坐標(biāo)系中指定該質(zhì)量點的位置，輸入功率模塊的實際重量來作為質(zhì)量點的仿真參數(shù)，在設(shè)置約束時，考慮了功率模塊和維護用裝置的實際安裝情況，將質(zhì)量點與上滑軌組件上的四個連接孔進行耦合，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

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

圖8 靜強度應(yīng)力分析結(jié)果

3 總結(jié)

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

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