高壓變頻器功率單元采用虛擬空間技術的研發

1 概述

國際上的大型跨國公司在各種新技術、新產品的推廣中，常常標明是應用虛擬空間設計技術，數字化工作平臺開發出來的。這些描述常常讓人感覺其產品開發平臺昂貴，技術難以學習，并且難以應用。

而在實際中，虛擬空間設計技術，數字化工作平臺都是對三維技術的一種具體應用，是通過應用三維軟件對設計的產品制作出各部分零件的立體的軟件圖形。通過零件的立體軟件圖形，觀察到將要制造出設備的具體形狀與內部構造及各零件的布置與配合間隙，能夠實現二維繪圖所實現不了的功能。

資料顯示，跨國公司的研發設計已經全部采用虛擬空間技術進行，研發產品從設計初期即用三維技術進行，其設計效果與二維技術進行的設計有著本質上的不同。而我國對虛擬空間設計技術的應用并不廣泛，這主要是因為對三維技術的認識不足，本文以應用三維技術對復雜電力電子產品的研發，說明虛擬空間設計技術的應用與產生的效果。

2 虛擬空間設計技術在電力電子行業中的應用

2.1 虛擬空間設計技術在電氣行業中的發展

在電氣行業中，由于電氣組件的特性，其結構復雜性低，傳統采用二維制圖技術即可滿足應用。

三維技術在電氣行業中的應用沒有在機械行業中的應用早，也由于早期能運行完成三維制作性能的計算機價格極為昂貴，只有在大型機械系統設計中，因對零部件間的配合與間隙要求非常嚴格，如軍工、航天等超大型項目的研制中，方能有足夠的資金應用虛擬空間設計技術。但隨著計算機性能的提高，價格的下降，原來只能在大型機應用的三維軟件在通用計算機上也能運行，這為虛擬空間設計技術在電力電子行業的應用提供了條件。

2.2 電力電子行業對虛擬空間設計技術的需求電力電子技術是新興的電氣技術，主要的特征是電力器件與電子器件的相互結合與相互滲透，利用弱電控制強電。采用新型高壓大功率半導體器件代替笨重的開關器件，使原來體積龐大的電氣設備體積縮小，這就對器件本身的散熱性、電磁兼容性及在小空間內的安裝固定等的要求越來越嚴。

現代電力電子設備的結構與復雜性已經與大型復雜機械結構接近，由于在將不同等級，不同要求的元器件集中在一個設備時，就對每個組件的空間位置，相互作用，布置排放有很高的要求。由于二維設計技術對于組件相互干涉，特別是空間的電氣干涉表達的不夠明確，常常出現將實物樣機制作完成后，才發現各種與要求不符的情況，這樣不但浪費了大量的人力物力，而且極大地加長了研發完成的時間。

對于電力電子設備的研發而言，虛擬空間設計技術平臺是電力電子設備研發的中期應用，是在完成電力電子設備原理之后，進行結構與樣機設計時進行的應用。在電力電子設備研發中，制作出符合要求的結構與樣機是研發過程中占用時間最長的階段，也是出現錯誤最多、最嚴重的階段。

將虛擬空間設計技術應用于電力電子設備的研發，通過建立一個的虛擬工作平臺，利用三維設計的圖形組件定位功能，可以在未制作樣機前，即對各組件在不同位置，采用不同的連接方式，對散熱與相鄰的絕緣等狀況作精確的判定，并在樣機制作前即可確定最終設備的大小，空間的相互排布，敏感器件的空間環境等情況。這樣可極大地減小出錯率，節約大量的人力、物力與時間。

2.3 選擇建立虛擬空間設計技術平臺的軟件

建立虛擬電子平臺首先要選擇一種載體，在三維制圖中，最著名的三維制圖軟件分別是AutoCAD、Pro/E、Solidworks。要選擇一種軟件作為研發產品的虛擬工作平臺，應從多方面進行考慮，三維軟件只是一種工具，而作為工具，最重要的是要求適用。

在以上三款軟件中，本文選擇AutoCAD作為三維技術中的虛擬空間設計技術平臺的載體。主要原因是AutoCAD 軟件在國內應用在三維技術上最早，是在國內具有自主知識產權的三維軟件平臺，在電氣行業中，其應用最為廣泛。雖然Pro/E 和Solidworks的三維功能都比較強大，但主要是面對于機械行業，同時其軟件投資較大，且操作復雜。

利用虛擬空間設計技術進行電力電子設備的研發，是利用三維技術做出的實體模型與實際中應用的設備非常接近的特點，采用三維旋轉使圖形組件定位的功能進行一些原來只能在樣機中才能進行的工作，達到了縮短開發周期，提高研發質量的目的。應用AutoCAD作為三維電力電子虛擬平臺，簡單易學，不但與以前的設計相兼容，不必專門安裝兩種軟件，最重要的是可以將主要的精力用于電力電子設備的研發，而不是用于對軟件操作的學習。當對AutoCAD的三維技術應用熟練后，就會發現轉用Pro/E和Solidworks 就只是一個適應操作界面的問題了。

3 虛擬空間設計技術平臺的建立

3.1 虛擬空間設計技術平臺建立的要素

虛擬空間設計技術平臺和三維軟件是不同的概念，計算機和三維軟件結合起來，只能稱為三維設計室，并不能稱為虛擬空間設計技術平臺，只有在對基本模型建立完成后方能稱之為虛擬空間設計技術平臺。在電力電子研發中，對于只能購買，不能制作的電力電子器件稱為剛性器件，而只有將剛性器件模型建立完成的工作環境才能稱之為電力電子虛擬空間設計技術平臺。

3.2 根據變頻單元原理圖確定剛性器件的種類在變頻器單元中，既有強電輸入輸出，同時有控制電源輸入，僅控制信號輸入，電流就從幾mA到幾百A不等，所以對空問距離要求極嚴。

要建立功率單元的虛擬空間設計技術平臺，首先根據功率單元的原理圖1，將剛性器件采集出來。利用三維技術制作的是結構，是用于安裝元器件的，對外部購買的標準器件，在虛擬空間設計技術工作平臺中是獨立的圖元，只允許進行移動，而不允許更改。對功率單元進行解析后，分解出基本剛性元器件圖元有：隔離電源變壓器，控制保險，主控制，旁路晶閘管，旁路整流橋，扼流環，輸入保險，輸入整流橋，吸收電容，電容均壓板，電解電容，IGBT。

3.3 利用三維軟件建立電力電子三維設計平臺

首先在AutoCAD 軟件中建立起一個名為“功率單元三維立體模型”的文件，如圖2 所示。

在建立文件完成后，將其存作名為“功率單元”的CAD文件，并將其放入專用的文件夾，這表明功率單元分系統的工作空間建立完成。

對從原理圖中分解出的標件的剛性組件，必須按實物進行全比例輸入，其輸入結構的準確性影響整個虛擬空間設計技術平臺的精確性。

對于基本圖組件，參考說明書，并用卡尺等工具對器件外形進行測量與校對，在數據準確的前提下，繪制出三維圖，繪制完的每個圖元就是一個剛性組件模型，并建立不同的層，將其放入相應的層中，這樣就形成了一個基本的電力電子三維設計平臺，如圖猿所示。

3.4 完整的虛擬空間設計技術平臺的建立

在電力電子設備研發中，利用三維技術將剛性元器件設計到最佳的空間，之后再與機械加工工藝相結合，才能稱為一個完整的虛擬空間設計技術工作平臺。在初步完成的電力電子設計平臺基礎上，將機械加工設備所備有加工能力的模具圖形加入其中，嵌入功率單元結構設計的全過程，使研發出的設備可以直接加工制作。如圖4 所示。

源應用虛擬空間設計技術平臺的研發進程

4.1 制定研發原則

在虛擬空間設計技術平臺上進行變頻器單元的研發，就要充分利用虛擬空間設計技術平臺上的圖形與實際一致，即所見即為所有的效果。根據三維設計強大的立體空間感，制定符合虛擬空間設計技術平臺的研發原則，以提高研發的效率。

1)在組件結構設計上，以結構本體實現配合為主，減少需要人工保證安裝配合精度的部件。

2)充分考慮設備的加工精度，不要設計出設備加工不出來的組件。

3)強電弱電系統分別布放，不出現強弱電并排布線的問題。

4)組件空間布置符合EMC 標準。

5)在保證技術參數的條件下，盡量縮小體積。

4.2 設定器件空間布置

1)整體布局電力電子設備的第一要素就是穩定，從這一要素出發，功率單元器件的基本拓撲結構采用經典的立式結構，即將電解電容按陣列形式排布，放置于功率單元底部。功率器件放置于電容陣列頂部，這樣即可保證功率單元結構的合理性，又可以縮小功率單元的體積。

2)電容陣列電容陣列是在所用的子系統中體積最大的，同時也是最重的。按照布放原則將6只電解電容進行垂直放置，同時從散熱結構出發，狹長形結構更為合理，故將電解電容進行三橫二縱方式排列，可以用簡單的銅帶連接即可實現三串兩并的電氣要求。

3)功率器件布置功率器件中，整流橋和IGBT都必須裝于散熱器上，同時因有大功率母線與電容陣列連接，故采用平面順序形式布置。從電磁兼容角度出發，并結合功率單元輸入輸出為從前部下側保險輸入，前部上側端子輸出，故采用將整流橋在前，IGBT在后的結構形式。

4)主控板的布置在全部器件中，主控板的表面積最大，同時從電力電子器件的電磁兼容要求出發，從主控板的驅動到IGBT的控制端子的引線應為最短，故將主控板放在IGBT的前側。

在虛擬空間設計技術平臺上，充分發揮實際組件都不能進行懸浮放置的特點，結合研發原則，將所有應用的組件模型在空間中進行調整擺放，并對其進行性能評估，選出最佳的布置方案，如圖5所示。

4.3 設計散熱系統

在這種虛擬平臺下的結構研發，需要的就是研發人員的想象能力，而不是對實際物體的熟悉能力。只要是能夠創新出一種新的外殼結構形式，那么就能在虛擬平臺上進行驗證，以檢測出其合理性，電氣間隙，電磁干擾，結構強度等一系列原來只能在實物中觀察出的數據。

在虛擬工作空間中，對于電力電子器件的散熱，利用空間精確定量設計的功能，將其設計為雙風道散熱系統，是利用強電與弱電間的屏蔽板層與散熱表面形成的，如圖6所示。

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