变频器整机结构设计工艺规范[1].doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流变频器整机结构设计工艺规范1.精品文档.变频器整机工艺规范变频器的结构设计要注意：布局合理，减少耦合电感，保证器件散热均匀，相互间电磁影响小简介 变频器作为一个电力电子产品，它集计算机软件控制，电力电子、结构设计等多方面的知识于一体。结构设计作为实现其预定功能的载体，其设计优良与否，不但决定其能否稳定可靠的工作，而且直接决定其在市场上是否有良好的竞争力。 对于变频器整机设计，通常按以下几个步骤进行。设计需求器件选型整机设计零件设计及图纸绘制加工生产。 一、设计需求 设计之先应先通过市场调研搜集相关设计需求。通过市场意见反馈，结合早期产品的缺陷，对整机设计提出设计目标。 1.设计规格 变频器整机通常以电压等级、功率范围来划分每款整机。明确设计电压等级，设计功率。 2.外观设计 a.外形尺寸要求 因成本降低，节省安装空间，超越竞争对手等市场需求，对整机外形尺寸要求越来越小。通过调研应明确设计的目标尺寸。 b.安装形式 通常安装形式有两种，一种是壁挂式安装，一种是柜式安装。 c.外观要求 外观设计应新颖、独特、美观，可通过专业的美工设计对外观进行造型设计。 3.材料选用 通用变频器的整机结构设计通常选用两种材料（见“附一常用材料列表”）：塑胶和钣金。塑胶材料通常用在15kW（也有设计30kW)及以下功率，钣金常用在18kW及以上功率。 4.进出线方式 目前通用变频器常见的进出线方式有两种： a.下进下出 较为传统的进线方式， 特点是输入输出线均在变频器下端，用户接线方便，对于大功率而言，输入线在内部占据一定空间，且影响整机布局。 b.上进下出 目前设计应用较多，特点是输入线在变频器上端，输出线在下端。用户接线稍有不便，但整机布局较合理，能节省一定空间。 二、器件选型 在明确设计要求后，由硬件工程师对该款机型用到的所有电气元件进行选型，确定该器件的品牌、厂家、价格、采用渠道等。 结构工程师收集已确定的元器件的资料。 三、整机设计 在相关资料准备好后即可开始整机设计，整机设计分两条线：一是PCB板设计，二是结构设计。两条线同时开展工作。 1.建立模型 对于已确定的采购件，标准件等，先建立其3D或2D模型。建模遵循以下原则： a.对于公司标准库已有的模型，应直接调用； b.对于公司标准库没有的模型，建立其准确的3D或2D模型。建模完成后应经相关工程师确认，且对该模型给予新的编码并存入标准库。 2.装配图设计 装配图设计应综合考虑各设计需求，经相关计算后分部件设计。 a.装配图设计考虑事项： 各部件设计应能满足其使用功能； 整体布局应首先保证功率器件、电容等散热满足整机散热性能要求； 整机各零部件间走线：强弱电尽可能分开走线，各零部件排布应尽可能使走线最短，考虑导线在机壳表面行走时固定。 结构件设计：装配、拆卸应方便（考虑公司目前使用工具），易损件（主要是电气元件）的便于更换性，考虑各零件的加工工艺性等。 b.底板设计 中小功率机型多是壁挂式安装，该功能主要靠底板完成。故底板设计时主要考虑两个因素：一是安装孔设计，二是强度设计。下表是传统设计安装孔大小及底板板厚。功率（kW)1.53.75.515184555132160280安装孔直径57101214底板厚度（mm)1.52222 c.柜式安装形式 柜式安装如需同壁挂式兼容，可设计专门的底座，底座可拆卸，加装即为柜式，拆掉即为壁挂式。如式直接柜式，可设计为落地式，轻型柜还可加工安装支撑地脚，重型可设计落地安装式底座。 d.散热设计 散热设计是整个结构设计的重点，也是关乎整机性能的关键。散热形式分为三种：自冷、风冷、水冷。 自冷 根据散热器及整机功率，自冷又分为两种形式。 小功率自冷 常见于0.75kW以下，散热器设计为铝型材或压铸铝。 大功率自冷 可不受功率限制，散热器设计为热管形式。这种方式多用在特殊场合，像防爆变频器设计等，成本高。 风冷 通用变频器设计当中最为常见。设计简单，成本低。要求设计要有独立的风道。风机选型按功率配置。以下以1.5280kW某系列为例列出各功率风机配置型号。功率1.53.75.57.5111518303745风机型号D06K-24TUD06K-24TUD08K-24PUA2V12C38TBLA2V15C51TBT-1C风量(m3/min)0.631.262.3846功率557593132160200220280风机型号A2V15C51TBT-1CA2V15C51TBT-1CA2V15C51TBT-1CA2V15C51TBT-1C风量(m3/min)12182436 对于风冷散热，一般要设计独立的散热风道。所谓独立风道是指风所经过的通道与整机其他部件相隔离。风机如安放在进风端就是平时说的吹风方式，如放在出风口就是抽风方式。两种方式对散热效果影响不大，可按实际情况灵活选用。 水冷 超大功率或特殊场合用，设计相对复杂，设计及维护成本高。 对于散热设计是否合理可以通过两种方式进行验证：一是软件仿真，二是通过样机测试。对于样机成本较低者，可以通过制作样机的方式进行验证，以提高准确度及效率。对于样机成本较高者，可通过软件仿真,仿真后在对设计进行优化。 e.端子设计 对于端子设计主要遵循以下两个原则： 如有成型的标准品端子，应优先直接选取，以降低成本； 无适合的标准品端子，可自行设计，设计材料见附表。 f.防护等级设计 通用变频器防护等级一般设计为IP20。 四、零件设计及图纸绘制 整机装配图设计完成之后即可开始零件设计。因装配图设计时仅是功能性、概念性设计，对零件而言只是提出了功能需求及限制，具体零件设计时在满足上述要求的同时着重应考虑加工工艺、成本等因素。 1.零件设计 a.从装配图中拆分零件，设计零件外形； b.考虑零件的加工工艺，优先考虑现有的工、夹、治具； C.尽可能降低成本，从工艺、材料两个方面使零件的成本降到最低。 2.图纸绘制 a.图纸绘制应按照“结构工程师工作规范”进行标准绘图； b.对设计中出现的一些不合工艺要求的尺寸进行调整，圆整。 3.装配验证 在零件设计时因工艺、成本等要求，使的零件的外形、安装等已与最初装配图中零件不符。因此在零件图设计完成后必须进行装配验证。装配验证时，对不能满足装配要求的零件再进行调整，使其满足装配要求。调整后再进行装配，此过程可反复进行，最后一次装配时没有任何调整，才可进行下一步工作。 五、加工生产 加工生产对整机设计而言，是一个再验证的过程。因设计考虑不周，设计失误等在所难免，通过实际加工，对设计、工艺进行全面验证，对从在问题进行登记整理，对设计更改升级，再投入生产。整机设计至此全面结束。 附一常用材料表名称用途特点备注A3冷轧钢板 变频器机壳设计主要材料，主要用于18kW及以上功率。 量大，成本低，易于加工，可加工成所需要的各种形状。表面可做喷塑或电镀处理，但喷塑后使得钣金各零件间导电性不连续，不利于变频器机壳接地。 喷塑颜色可选择需要的各种颜色。电解板 变频器机壳设计主要材料，主要用于18kW及以上功率。 量大，成本比冷轧板高，加工特性同冷轧板。表面无需喷塑或电镀，机壳各零件间导电性好，利于机壳接地。 外观面可喷塑以适应外观颜色要求。镀锌板 变频器机壳设计辅助材料 成本接近电解板，颜色同电解板不同，可用于屏蔽设计等，用于替换电解板。ABS 变频器机壳设计主要材料，主要用于15kW及以下功率。 塑胶零件采用模具设计，便于外观造型。整机零件个数较少，但单个零件复杂程度较高。该材料用量广泛，成本低。ABS在一定温度范围内具有良好的抗冲击强度和表面硬度，有较好的尺寸稳定性、一定的耐化学药品性和良好的电气绝缘性。它不透明，一般呈浅象牙色，能通过着色而制成具有高度光泽的其它任何色泽制品。 变频器设计通常使用阻燃级材料，阻燃等级为V0级。ABS塑料的主体是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共混物或三元共聚物，是一种坚韧而有刚性的热塑性塑料PC/ABS 变频器机壳设计主要材料，主要用于15kW及以下功率。 与单纯的ABS比较，PC/ABS具有两者的共同特性。如ABS的易加工特性和PC的优良机械特性和热稳定性。二者的比率将影响PC/ABS材料的热稳定性。PC/ABS这种混合材料还显示了优异的流动特性。 变频器设计通常使用阻燃级材料，阻燃等级为V0级。PC 聚碳酸酯紫铜板变频器主回路用主要导电材料。 有优良的导电性能，加工性能。表面常作电镀处理，镀镍、镀锡等，也有做本色氧化处理。铝 散热器设计主要用材料 有良好的散热性能，性价比高。易于加工，适合于模具及机械加工等多种方法加工。 散热器表面粗糙度、平面度要达到一定要求，以适应模块安装需求。杜邦NOMEX410 主回路母线铜排绝缘用主要材料。 有优异的耐压性能（1840KV/mm），强度高，韧性好，抗撕裂性及磨蚀性良好，200以下电气性能及机械性能所受的影响极小，耐低温性好，阻燃。灰色PVC 端子材料、铜排支撑固定，绝缘用材料。 成本低廉，易于加工。可加工成所需要的各种形状。硬度好，韧性较差。颜色灰色，外观不美观。尼龙66 端子材料、铜排支撑固定，绝缘用材料。 有良好的强度和刚度,易于加工，韧性好。色泽均匀，一致性好。成本较PVC高。电木 端子、工装、绝缘用材料 有良好的机械强度，电绝缘性好，耐热，耐腐蚀。成本较PVC及尼龙高。环氧板绝缘用材料 有良好的机械强度，易于加工，价格低廉，多用于大面积的绝缘需求玻璃槽钢绝缘用材料 有很好的机械强度和刚度，能承受较强的剪切力。常用于有绝缘要求的支撑部件。六方钢支撑用零件 用于空间要求较小的地方，常用于PCB支撑、钣金支撑等。 表面电镀一 变频器定义 通常所指的变频器是指将固定频率、固定电压的工频电源变换为变频、变压电源提供给电动机来改变电动机转速，从而提高电机传动系统运行效率和控制能力，从而满足工艺要求和实现节能降耗的目的装置。二 变频器分类按照输入变频器的电网电压等级分类,变频器可以分为低压(110V、220V、380V  等)、中压(690V、1140V、2300V 等)和高压(3kV、3.3kV、6kV、6.6kV、10kV 等)；目前我们有6KV、10KV两种电压等级的高压变频器。低压变频器目前一般直接购买，然后再进行改造，对结构来说，主要是做个机柜，把低压变频器还有其它的电器件装到这个柜里。三 高压变频器构成 由功率单元柜、变压器柜、旁路柜（用户根据情况选购）和远控箱四个部分组成。 功率单元柜主要包括 功率单元、旁路单元、HVF-TEMP组件、电压霍尔单元、柜顶风机组件 和控制部分（对于结构来说，主要是单元控制器和主控制器和HMI单元）和照明灯。 变压器柜主要有变压器、电源切换模块、预充电组件、柜顶风机组件和照明灯等。旁路柜属于一种开关柜，它的里面主要安装的是隔离开关或真空短路器，它的作用是电机电源开关转换的作用，是通过变频器到电机还是不通过变频器支架到电机。旁路柜根据实际情况，种类比较多，主要分为手动和自动两种。变频器很多非标工程项目主要是旁路柜的重新设计制造。远控箱结构相对简单，但是种类繁多，目前结构部分还没有蓝图。四 高压变频器结构设计概述 1. 单元控制器，主控制器 （1）对于结构来说，比较成型，外形基本固定，目前都已成蓝图，以后再设计新的控制器，基本上就是在蓝图的基础上改变； （2）机箱内部是低电压，爬电距离和电气间隙以小于5；（3）机箱壳体材料为不锈钢钢板；插件面板材料为冷轧钢板，印字面及相邻四周侧面喷冷灰（样板色）氨基烘漆（亚光），其余不喷；（4）机箱高度为n*U-0.9(如6U高的机箱，高度为265.9)；机箱深度根据实际情况定。插件面板的宽度为n*5.08-0.3；高度为n*U-1.9。插件上的插头上的插针和母线板对应的插座的插针孔一定要对中；（5）母线板一定要固定牢靠，在插件插拔时，不产生变形。 2. 功率单元 (1) 绝缘距离功率单元内部的电压为690V，我们按1千伏考虑，一般爬电距离最小为12，电气间隙最小为10（该尺寸有待进一步确认，这些尺寸如果有空间，能做大的时候，尽量大一些，不要做到极限尺寸。（2）铜排载流量 铜排一定要满足载流量，并有适当的余量，但也不要余量过大，造成浪费；输出铜排要考虑铜排上的螺栓孔造成的载流量下降，现在一般采用铜排下面垫铜垫圈来弥补；铜排能用母排做的，就尽量不用铜板做；同一功率单元内的铜排厚度尽量一致，便于加工下料。 （3）散热器 散热器一定要满足功率器件的散热，这是最基本的要求。散热器上的器件排布要合理；散热器的关键尺寸要经过模拟分析，不要随意确定。（4）箱体 材料为镀锌钢板，前面板为冷轧钢板加喷涂粉末，厚度为1.5； 箱体的结构要保证结构的强度，不易变形； 在满足电气性能和结构性能的前提下，尽量尺寸缩小，减少机柜的尺寸。（5）设计要考虑加工工艺的可能性和方便性，如零件上的圆孔和长圆孔要考虑现有冲头的规格；板材的厚度也尽可能一致；钣金折弯边的最小高度要考虑；（6）设计要考虑装配工艺的可能性和方便性，如减少螺钉的种类；较大较重的功率单元设计成组件的形式，如电容组件、散热器组件便于装配的流水化作业；（7）设计要考虑以后功率单元的维护，便于拆装等。3. 功率单元柜 （1）功率单元柜有6KV和10KV之分，6KV的绝缘距离：爬电距离125；电气间隙 90；10KV的绝缘距离：爬电距离 160，电气间隙130。 （2）目前的功率单元柜按单元的摆放分为两种，单排式和双排式，如单元电流不大于49A的为单排，机柜深度为1200，大于49A的为双排，机柜深度为1500。 （3）单排的高压小室和控制部分在机柜后下部，双排的高压小室和控制部分在机柜前右部。 （4）功率单元柜的外形尺寸在确定时，要和变压器柜整体考虑，因为大容量的变压器尺寸较大。一般来说，功率单元柜的高度尺寸由功率单元的高度尺寸决定；功率单元柜的深度尺寸基本上由变压器的深度尺寸决定；功率单元柜的宽度尺寸由功率单元的宽度和控制部分的宽度决定。 同一相的功率单元之间的间距一般为30左右；功率单元到其上面的绝缘槽钢的间距一般为30左右； （6）框架立柱是KS型材，厚度2.5，前门和后门厚度2.0，侧门和顶盖厚1.5；底座是10号槽钢焊接而成。 （7）6KV机柜一般用120绝缘槽钢,10KV机柜一般用160绝缘槽钢； 绝缘槽钢上的螺栓过孔可适当大一些，因为机柜安装误差较大；绝缘槽钢上开的走线孔要考虑电缆的外径，开孔不要距离太近，保证槽钢的强度，防止槽钢出现裂纹。 （8）旁路单元和其上面的功率单元是高电压对高电压，它们之间的绝缘隔离要一定保证，现在一般是在功率单元下面加绝缘垫板来保证； （9）功率单元柜门上面的通风窗在可能的情况下尽量做的大一点，便于进入的风量大； 通风后挡板上的通风孔一定要和对于功率单元上的散热孔相对应； 柜顶风机的排布要合理，尽量使柜内的功率单元散热效果均匀； （10）霍尔单元上的三相电阻之间也是高压，结构设计时一定要考虑绝缘距离，现在安装板上的设计是电阻之间开槽来保证爬电距离；（11）高压小室内属于高电压，一定要考虑和机柜之间的绝缘，有时空间很小，可以考虑加绝缘隔板的方法来保证；（12）控制部分的排布要合理，要考虑线路是从哪里来，到哪里去，尽量不要来回走线；高压部分和低压部分要分开排布；电线是用固定弯角来固定还是放到行线槽里面；两个导轨（端子排）之间的距离不小于150；行线槽的大小选择和它内部走线的数量有关；（13）HMI上的液晶在门上的高度在1600左右；4. 变压器柜（1）变压器柜的高度和深度尺寸和功率单元柜的相应尺寸一致，宽度尺寸由变压器本身来决定；一般情况下，变压器两侧到柜体的间距不小于100；（2）电源切换模块安装在机柜的前左上部，设计时要考虑安装底板后面和变压器直接的绝缘距离；（3）预充电组件安装在机柜的前左下部，其内部是低电压，要和变压器保持一定的绝缘距离；（4）机柜右侧板上的走线孔要和功率单元柜上的相应穿线孔对中，并且单边大15；5. 旁路柜(1) 旁路柜没有分6KV和10KV，柜内的绝缘距离都按10KV电压计算；（2）旁路柜前后门都装电磁锁和机械锁，要求更安全；（3）铜排的设计要考虑制造车间的加工工艺；（4）6. 远控箱 箱内属于低电压7. 散热 散热对于高压变频器很重要，尤其对于大功率的变频器，已经成为瓶颈。常见的散热方式有：（1） 风道开放式冷却 （2） 空调密闭冷却（3） 环境水冷系统对于功率单元的散热器类型有 单纯的铝型材类型；热管散热器；水冷散热器；我们现在的散热方式属于最简单的方式。从电气方法考虑散热，在有些情况下可以增加功率单元的数量；每个功率单元内部用多个IGBT并联，降低单个IGBT的功耗。