1、 應(yīng)用三維技術(shù)的電力電子設(shè)備的研發(fā) 李凱摘要電力電子行業(yè)中的研發(fā)涉及到電力、電子、電磁兼容等各方面的要求，固定結(jié)構(gòu)對(duì)最終設(shè)的安全穩(wěn)定的作用越來越重要。將原用于機(jī)械行業(yè)的三維技術(shù)運(yùn)用在電力電子設(shè)備的研發(fā)過程，利用其建立虛擬工作平臺(tái)。在這個(gè)電力電子虛擬平臺(tái)上進(jìn)行研發(fā)工作，不但實(shí)現(xiàn)研發(fā)周期的縮短，而且可以在加工生產(chǎn)前即可以對(duì)即將完成的電力電子設(shè)備有了詳細(xì)而準(zhǔn)確的了解。關(guān)鍵詞 三維技術(shù) 立體圖 電力電子虛擬平臺(tái) THE ELETRICALLY ELECTRINIC DEVICE BEING RESEARCH AND DEVELOPMENT BY THREE-DIMENSIONAL TECHOLOGY

2、LiKaiAbstract Research and development come down to electrically、electronic、 Electro Magnetic Compatibility etc any sides of request in electrically and electronic industry, Fastness frame to over of safety factor stabilization from fundamentality into fundamentality. Originally mechanical industry

3、of three-dimensional technology application to electrically electronic device being research and development of course, it upbuild vitual work base. Is being research and development work on the electrical electronic virtual base, as come true research and development period shorten, then to shall f

4、inished electrically electronic device have detail and exact run realize before machining production. key word Three-dimensional technology diorama electrical electronic virtual base 1、 引言：三維技術(shù)對(duì)于物體結(jié)構(gòu)具有實(shí)體可見功能,通過其可能看到未制造出設(shè)備的形狀與內(nèi)部構(gòu)造的間隙。是一種極為有效的研發(fā)工具。但在手工制圖時(shí)代中，用手畫三維圖是困難的，尤其是畫復(fù)雜的機(jī)械體，但在復(fù)雜的大型機(jī)械結(jié)構(gòu)中，其零部件間要求的配

5、合與間隙非常嚴(yán)格，故在計(jì)算機(jī)價(jià)格極為昂貴的時(shí)代，在計(jì)算機(jī)三維繪圖系統(tǒng)已經(jīng)用于航天等超大模型系統(tǒng)中。由于初其三維系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建價(jià)格極其昂貴，三維設(shè)計(jì)技術(shù)未在電力電子行業(yè)中廣泛的應(yīng)用。在隨著電力電子的發(fā)展，電力器件與電子器件的結(jié)合越來越緊密，利用弱電控制強(qiáng)電，采用高壓大功率半導(dǎo)體器件代替笨重的開關(guān)器件，在越來越小電力電子設(shè)備具備有更強(qiáng)大功能的同時(shí)，其本身的散熱性，電磁兼容性，小空間內(nèi)的安裝固定等要求越來越嚴(yán)，一個(gè)成功的電力電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)與復(fù)雜性已經(jīng)與大型復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)類擬，用平面設(shè)計(jì)設(shè)術(shù)已經(jīng)比較吃力。將三維技術(shù)應(yīng)用于電力電子設(shè)備的研發(fā)，通過建立一個(gè)的虛擬工作平臺(tái)，利用三維旋轉(zhuǎn),圖形組件定位的功能，可

6、以在未制作樣機(jī)前，即對(duì)各元件在不同位置，采用不同的連接方式，散熱與相鄰的絕緣有一個(gè)精確的判定，并在樣機(jī)制作前即確定最終設(shè)備的大小，同時(shí)保證其一次安裝成功，不會(huì)有空間相互干涉的現(xiàn)象。在電子計(jì)算機(jī)高度發(fā)展的年代，當(dāng)原來價(jià)格極其昂貴的計(jì)算機(jī)已經(jīng)能進(jìn)行普通行業(yè)時(shí)，對(duì)于電力電子行業(yè)，就應(yīng)利用這種高效率的設(shè)計(jì)與研發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用于電力電子設(shè)備的研發(fā)中，使我國自主創(chuàng)新的道路上再添一個(gè)高速的工具。在本文中，以電力電子中的典型設(shè)備，多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的功率單元分系統(tǒng)為例，介紹三維技術(shù)在電力電子行業(yè)中的具體應(yīng)用。2、建立變頻器功率單元的三維電力電子虛擬平臺(tái)：（1）、選擇建立三維電力電子虛擬平臺(tái)的軟件： 虛擬

7、電子平臺(tái)首先要選擇一種載體，在三維制圖行業(yè)中，最著名的三維制圖軟件分別是AutoCAD、Pro/E、Solidworks。選擇一種軟件作為工作平臺(tái)要從多方面進(jìn)行考慮，利用三維軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用三維技術(shù)研發(fā)產(chǎn)品，其中三維軟件只是一種工具，作為工具，最重要的是要求適用。在以上三款軟件中，在本文中選擇AutoCAD作為三維技術(shù)電力電子虛擬平臺(tái)的載體。其主要的因素是AutoCAD軟件在國內(nèi)應(yīng)用在三維技術(shù)上最早，是在國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維軟件平臺(tái)，在電氣行業(yè)中，其應(yīng)用的最為廣泛。雖然Pro/E和Solidworks的三維功能都比較強(qiáng)大，其主要是面對(duì)于機(jī)械行業(yè)，同時(shí)但是其軟件投資較大，操作應(yīng)用復(fù)雜。在電力電

8、子設(shè)備的研發(fā)是應(yīng)用三維技術(shù)，其目的是利用三維技術(shù)的作做出的實(shí)體模型與實(shí)際中應(yīng)用的元件設(shè)備非常接近的特點(diǎn)，采用其三維旋轉(zhuǎn),圖形組件定位的功能進(jìn)行一些原來只能在樣機(jī)中才能進(jìn)行的工作，達(dá)到縮短開發(fā)周期，提高研發(fā)質(zhì)量的目的。應(yīng)用AutoCAD作為三維電力電子虛擬平臺(tái)，其簡單易學(xué)，不但以前的設(shè)計(jì)相兼容，不必專門安裝二種軟件，最重要的是可以將主要的精力用于電力電子設(shè)備的研發(fā)，而不是用于進(jìn)行軟件操作的學(xué)習(xí)。當(dāng)對(duì)三維技術(shù)應(yīng)用熟練后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)用Pro/E和Solidworks就只是一個(gè)適應(yīng)操作界面的問題了。（2）、根據(jù)功率單元的原理圖，確定基礎(chǔ)器件輸入的采集種類：根據(jù)研發(fā)目標(biāo)，完成功率單元原理圖： 三維電力電

9、子虛擬平臺(tái)是應(yīng)用于電力電子設(shè)備的研發(fā)中后期應(yīng)用，目標(biāo)是縮短樣機(jī)制作間和結(jié)構(gòu)出錯(cuò)造成的延誤。這一切的基礎(chǔ)就是設(shè)備原理圖。根據(jù)研發(fā)的目標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)計(jì)算，仿真，確認(rèn)功率單元的原理圖如下： 圖1 功率單元原理圖 根據(jù)原理圖，確定三維工作的虛擬平臺(tái)的圖元輸入種類：三維技術(shù)制作的是結(jié)構(gòu)，是用于安裝元器件的，對(duì)于外部購買的標(biāo)準(zhǔn)器件，對(duì)于三維虛擬工作平臺(tái)者是獨(dú)立的圖元，在三維虛擬平臺(tái)中，只允許進(jìn)行移動(dòng)，而不允許更改。對(duì)功率單元進(jìn)行解析后，分解出基本元件圖元如下：隔離電源變壓器、控制保險(xiǎn)，主控制，旁路可控硅，旁路整流橋，扼流環(huán)，輸入保險(xiǎn)，輸入整流橋，吸收電容，電容均壓板，電解電容，IGBT。(3)、應(yīng)用Auto

10、CAD ，建立功率單元的三維電力電子虛擬平臺(tái)： 首先在AutoCAD軟件中建立起一個(gè)名為“功率單元”文件： 圖2 在CAD中新建文件 在建立文件完成后,將其存為“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(tǒng)的工作空間建立完成。 對(duì)基本圖元器件進(jìn)行測(cè)繪，輸入功率單元的虛擬平臺(tái)的基本圖元：在原理圖中，分解出的對(duì)外進(jìn)行購買和已經(jīng)是標(biāo)件的最小零件，就是虛擬工作平臺(tái)所定義的基本圖元，其必須需按實(shí)物進(jìn)行全比例輸入，其輸入結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性影響整個(gè)虛擬平臺(tái)的精確性。對(duì)于基本圖元件，參考其說明書，并用卡尺等工具對(duì)器件外形測(cè)量與校對(duì)，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，繪制出三維圖。輸入完成后如圖： 圖3 輸

11、入功率單元的基本圖元 完成虛擬工作平臺(tái)的建立：在基本圖元輸入完成后，根據(jù)研發(fā)預(yù)案結(jié)合原理，分析出功率單元分系統(tǒng)零件的組成，將每一種零件建立起一個(gè)相應(yīng)和圖層。在圖層建立完成后，將輸入的基本圖元分配到相應(yīng)的圖層，并存入工作空間，這時(shí)表明利用三維技術(shù)進(jìn)行功率單元研發(fā)的虛擬工作平臺(tái)建立完成。3、 在虛擬工作平臺(tái)上進(jìn)行功率單元的研發(fā)進(jìn)程：（1）、功率單元器件布置原則： 功率單元器件布放的基本原則：電力電子設(shè)備的第一要素就是穩(wěn)定，從這一要素出發(fā)，功率單元器件的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用經(jīng)典的立式結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)合理性，又可以縮

12、小功率單元的體積。電容陣列：電容陣列是在所用的子系統(tǒng)中體積最大的，同時(shí)也是最重的。按照布放原則將六只電解電容進(jìn)行垂直，同時(shí)功率單元從散熱結(jié)構(gòu)出發(fā)，狹長形結(jié)構(gòu)更為合理，故將電解電容進(jìn)行三橫二縱方式排列，可以用簡單的銅帶連接即可實(shí)現(xiàn)三串兩并的電氣要求。 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(shí)其有大功率母線與電容陣列連接，故其采用平面順序形式布置。從電磁兼容角度出發(fā)，并結(jié)合功率單元輸入輸出為前部下側(cè)保險(xiǎn)輸入，前部上側(cè)端了輸出，故將整流橋在前，IGBT在后的結(jié)構(gòu)形式。 主控板的布置：在全部器件中，主控板的位表面積是最大的，同時(shí)從電力電子器件的電磁兼容要求出發(fā)，從主控板的驅(qū)動(dòng)

13、到IGBT的控制端子的引線應(yīng)為最短，故將主控板的位置放在IGBT的前側(cè)。（2）、用體積最大的基本圖元進(jìn)行擺放確定功率單元的基本外形：根據(jù)布置原則在虛擬平臺(tái)上選擇決定外形的圖元：在全部圖元中，電解電容，整流器，IGBT，主控板是其中體積最大的，功率單元的形狀必須首先滿足這些元件的技術(shù)要求要求。利用圖層屏蔽功率，將小的圖元蔽屏，只用這幾個(gè)體積最大的圖元，進(jìn)行功率單元體積設(shè)計(jì)。 利用大體圖元確定功率單元基本大小：在幾個(gè)大圖元基本擺放確定后，對(duì)功率單元進(jìn)行熱計(jì)算，選擇型材散熱器的結(jié)構(gòu)。在功率單元的散熱指標(biāo)要求下，散熱器的長度已經(jīng)長于最長的圖元主控板，這時(shí)功率單元的長即為散熱器的長度。根據(jù)功率單元的運(yùn)行

14、電壓和保護(hù)限值，確認(rèn)各器件單間的絕緣距離。將最高的主控板與電解電容的絕緣距離，內(nèi)部預(yù)測(cè)的走線空間余量后，確定了功率單元的高度。電解電容為三串兩并，是所中的小系統(tǒng)中最大的，確定電解電容兩并的寬度即為功率單元的寬度。進(jìn)行確認(rèn)完成后，將圖元在虛擬電力電子平臺(tái)中相應(yīng)的位置固成，這時(shí)功率單元的基本體積完成。如圖所示： 圖4 功率單元在虛擬平臺(tái)的基本體積（3）、在虛擬平臺(tái)中構(gòu)建功率單元的殼體：利用虛擬技術(shù)進(jìn)行外殼研發(fā)的特點(diǎn):在虛擬工作平臺(tái)了上進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是不必進(jìn)行實(shí)物生產(chǎn),利用其三維功能,畫出應(yīng)設(shè)計(jì)的外殼實(shí)體。就可以進(jìn)行與實(shí)物一樣的間距與結(jié)構(gòu)觀察。并根據(jù)研發(fā)工作的要求，對(duì)其進(jìn)行任意的修改，達(dá)到預(yù)先要

15、求的標(biāo)準(zhǔn)。這樣，無論進(jìn)行多少種外殼結(jié)構(gòu)與內(nèi)部元件的多種位調(diào)整，都不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)行實(shí)物生產(chǎn)的龐大費(fèi)用。在這種虛擬平臺(tái)下的結(jié)構(gòu)研發(fā)，其最主要的就是研發(fā)人員的想象能力，而不是對(duì)實(shí)際物體的熟悉能力。只要是能夠創(chuàng)新出一種新的外殼結(jié)構(gòu)形式，那么就能在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，就可以檢測(cè)出其合理性，電氣間隙，電磁干擾，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等一系列原來只能在實(shí)物中觀察出的數(shù)據(jù)。 制作出虛擬外殼基本形狀：根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算,利用1.5mm的鍍鋅板制作外殼。用一個(gè)盒形板的形狀將體體積最大的元件包含在內(nèi)，這樣，功率單元最初殼體的形狀即出現(xiàn)了，如圖所示： 圖5 基本殼體形狀 構(gòu)建需要在殼件過孔零件：充分利用虛擬空間中各元件的獨(dú)立空間功能，

16、將需要功率單元內(nèi)外之間通過的線束，銅帶等過孔的位置確定可以采用先將元件通過元件畫出，再進(jìn)行過孔設(shè)計(jì)。并根據(jù)預(yù)案，電磁兼容，結(jié)構(gòu)布線等方面的要求，確定通過殼體的線束與銅帶的結(jié)構(gòu)，其虛擬器件建立完成后如圖所示： 圖6 功率單元內(nèi)外的走線 完成外殼結(jié)構(gòu)的過孔：根據(jù)線束與銅排的位置，加入相應(yīng)絕緣距離的要求，在殼體做出相應(yīng)輸入電纜過孔，輸出銅排過孔。在銅排過孔制作完成后，將功率保險(xiǎn)、控制保險(xiǎn)、變壓器、磁環(huán)等固定于殼體的圖元放置到相應(yīng)位置，依照其安裝結(jié)構(gòu)完成在殼體上的零件安裝孔。制作散熱結(jié)構(gòu)，完成殼體主結(jié)構(gòu)在殼體過孔研發(fā)完成后，根據(jù)熱設(shè)計(jì)的方案，將散熱片的散熱過孔做出，并做出一個(gè)主控板的信號(hào)過孔。在全部完

17、成后，根據(jù)機(jī)械加工的要求，盒形體分拆成可加工的結(jié)構(gòu)，考慮組裝的入簡易性，將所有的元件固成面形成一個(gè)可加工的U形的結(jié)構(gòu)，作為元件固定殼體的主結(jié)構(gòu)，完成后如圖： 圖7 殼體主結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成完成主殼體研發(fā)：將形成風(fēng)道的側(cè)板構(gòu)建完成，并在后部做出風(fēng)道伸出結(jié)構(gòu)，將相關(guān)的側(cè)邊固定孔構(gòu)建完成，此時(shí)，功率單元?dú)んw的研發(fā)完成，完成后的殼體如圖： 圖8 功率單元虛擬殼體完成圖（3）、在虛擬平臺(tái)上完成功率元器件固定與內(nèi)部布線：進(jìn)行元器件的固定：在殼體制作完在后，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的方案，將電容陣列用框架進(jìn)行固定、將變壓器，輸入功率保險(xiǎn)，輸入控制保險(xiǎn)裝于殼體結(jié)構(gòu)上，在固定完成后如圖： 圖9 元件固定完成圖 功率單元內(nèi)部布線原

18、則：根據(jù)原理圖，對(duì)主要器件進(jìn)行線束與銅排設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，按照以下的原則進(jìn)行： 功率回路盡量采用銅排結(jié)構(gòu)，且同一回路布置做成層疊位置，使其圈起的面積盡量的小。 高電壓與低壓的線束分別布置，控制線采用雙絞線的結(jié)構(gòu)。 整流橋輸出線與IGBT線束分開。 銅帶結(jié)構(gòu)用整體制作，不作中間連接。 吸收電容直接壓于元件上。 構(gòu)建功率單元內(nèi)部電氣連接:功率單元內(nèi)部的電氣連接是屬于多電壓,多信號(hào)的復(fù)合連接,其布線的結(jié)構(gòu)直接形響著功率單元的最終穩(wěn)定性，故在虛擬工作平臺(tái)中，允分發(fā)揮平臺(tái)的虛擬與外形仿真的特點(diǎn)，使用電磁兼容原則，對(duì)回路進(jìn)行多種連接的測(cè)試與比較。在未用三維技術(shù)時(shí)，其連接的相互干涉只能用實(shí)物驗(yàn)證，當(dāng)發(fā)現(xiàn)再更改

19、需要很長的周期與資源，常常由于時(shí)間與資金的限制，降低電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用虛擬平臺(tái)進(jìn)行三維技術(shù)研發(fā)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)完全體現(xiàn)出來，應(yīng)用電磁兼容的原則，在進(jìn)行連接構(gòu)建中，經(jīng)常出現(xiàn)布不通和相互干涉的情況，發(fā)現(xiàn)即可改正。其中最嚴(yán)重的時(shí)候常常需重新調(diào)整元件位置，結(jié)構(gòu)組架形狀，在未用三維技術(shù)時(shí)相當(dāng)于一個(gè)重新研發(fā)，而在本次研發(fā)中，只是構(gòu)建過程中的一個(gè)調(diào)整。在虛擬平臺(tái)上，可以在研發(fā)的過程中發(fā)揮創(chuàng)造與想象能力，嘗試各種形式的布線方法，將最終完全貫徹電磁兼容的要求原則，內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)完成后如圖所示： 圖10 內(nèi)部電氣連接結(jié)構(gòu)完成圖(4)、虛擬功率單元完成：在內(nèi)部虛擬布線完成后，將主控板的屏蔽板設(shè)計(jì)完成。將最后的主控板與電容均壓板的圖元的固定位置排好。這時(shí)全部結(jié)構(gòu)完成。將需要的相應(yīng)標(biāo)識(shí)與說明在