1、1大功率逆变器柜体的结构强度及热设计分析摘要：本文主要对大功率逆变器柜体的结构特点进行了简要阐述，大功率逆变器柜对框架结构形式、材料选用、承重、散热和防护等都有很高的要求。本文利用有限元分析软件将大功率逆变器柜生成力学模型，并进行强度计算验证逆变器柜的可靠性。最后，根据逆变器柜内的发热量对柜体的散热进行了理论计算，为逆变器柜的设计的人员提供参考。 关键词：逆变器；结构设计；承重；散热；有限元分析 Abstract: In this paper, reviewed for high-power inverter cabinet body structure characteristics. hi
2、gh-power inverter cabinet have a very high demand for from frame structure form material select、loading、Cooling and protection. This paper，using finite element analysis software to generate high-power inverter cabinet mechanical model，Strength calculation and verify the reliability of the inverter c
3、abinet，at last， according to the inverter cabinet heat dissipation for the cabinet a theoretical calculation，in order to provide reference for the inverter cabinet designer. Key words: inverter, structural design; load bearing, radiating, finite Element Analysis 中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(201
4、3) 21.引言 随着全世界人口急剧的增长、社会经济的发展和人民生活水平不断的提高，全球能源的消耗量正在不断增加，世界上的煤炭、石油、天然气等不可再生能源总有一天将开发达到极限。同时，由于工业和生活燃烧大量矿物，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和发展构成了很大的威胁。太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国政府正在大力推动太阳能光伏发电产业的发展。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有资源丰富、可再生且清洁等优点,是非常理想的可替代能源，而光伏并网发电是太阳能利用的主要发展趋势,其中光伏逆变器是光伏发电原理的中间环节,有着至关重要的作用。逆变器柜体作为逆变器的保护屏障，柜体
5、的可靠性、IP 防护性、以及散热性能直接影响着逆变器的稳定性以及使用寿命，因此做好逆变器柜体的结构设计是非常必要的。 2.大功率逆变器机柜的结构设计 光伏逆变器机柜应用在环境恶劣的沙漠、高原、海岛或偏远山区，对其机械性能、防腐和防护等都有较高的要求，内部主要布置功率模块、电抗器、散热器、滤波器、电容、空开和接触器等元器件组成。其国内外的应用形式基本一致，框架普遍采用型钢焊接式框架，能有效提高框架的刚性和可加工性能，产品由于成本问题，柜型体现越来越紧凑，其空间布局充分优化，这样无可避免的对小型化的柜体承重压力和通风散热方面有很高的要求。九折型钢框架形式广泛应用于国内光伏逆变器行3业，横梁和立柱统
6、一为 25mm 模数孔，产品通用性和互换性强，此柜体的结构特点如图 1 所示： 图 1 逆变器柜具体结构设计细节需要注意以下几点： 2.1 框架结构形式：立柱和横梁均为封闭式、一次滚压成型焊接式型钢，加工精密，使得整个框架强度高、刚性好，稳定性强； 2.2 柜体材料选用：框架选用镀锌板，避免型腔内部喷涂不到位存在防腐性能隐患，柜体门板、侧板、顶板和底板一般采用优质 SPCC 表面喷塑，吊梁和底座一般采用槽钢形式，内部件花梁和屏蔽板由于开孔数量较多采用冷板蓝白锌环保电镀，其他零部件一般采用覆铝锌板，覆铝锌板比冷板喷塑成本低，表面防腐性能高且环保，便于产品出口；也有部分零件为减轻产品重量降低产品出
7、口费用采用铝板； 2.3 柜体的承重设计：大功率逆变器柜对柜体的承重有很高的要求，该产品一般应用在沙漠、高原、海岛或偏远山区，产品总装后经过长时间的运输，对产品的抗震和抗冲击要求较高；重量主要集中在电抗器和功率模块上，电抗器较重一般应安装在柜体底部或者直接安装在底座上，功率模块安装在承重横梁上，考虑并柜柜体的承重较大，所以底座以槽钢焊接形式为主，这样槽钢底座便于产品起吊和转运时平衡支撑受力，避免由于重力分布不均衡导致框架变形，影响元器件的使用。 2.4 柜体通风散热设计：柜体温升集中在电抗器和功率单元模块，4电抗器散热主要采用是自然冷却，依靠门板中下部进风，顶部可适当安装轴流风机出风，功率单元
8、模块由于发热量较大，核心元器件 IGBT 安装在此位置，必须通过强迫风冷方式散热。门板一般散热形式有两种，一种采用卡固的塑料通风过滤网，另一种为直接在门板开蜂窝散热孔内部装过滤棉，保证柜体的通风。 2.5 防护等级设计：防护等级要求相对较高，门板、侧板、顶板和底板密封条为专用点胶设备进行点胶，提升产品的抗老化性能，并能提升产品的防护性能，与框架起到很好的密封，柜体并柜时考虑柜体与柜体间的密封和连接方式，保证并柜柜体整体的强度和刚性，使产品达到防护等级 IP54。 2.6 柜体内部安装设计：第一、根据产品需求配置深度标准横梁，横梁按照标准 25mm 模数孔配置，加强整体框架的强度同时满足元器件各
9、种安装要求；第二、门板形式为优质 SPCC 折弯成型，为增加强度要求，门板内侧配置有起加强作用的镀锌方钢框架，并提升产品外观性能，方钢具有 25mm 尺寸模数孔方便安装加强筋和电气走线。 2.7 柜体紧固件设计要求：组装采用全部 8.8 级别环保要求标准件螺母加弹簧垫圈组装，增加其产品抗压、抗震性能，钢结构加强，并要求防腐要求达到 96 小时的盐雾试验，保证其耐腐蚀性。 2.8 柜体正门内部一般设置有网孔板，作用一是起到屏蔽作用，二是起到人员在开门时不直接接触带高电压的元器件，三能有效的保证柜体的通风散热，起到安全保护作用。 2.9 柜体的接地一般采用 M8*16 镀铜焊接螺栓，导电性和防锈性
10、能5好，保证导通要求同时增加强度，能承受使用过程中的机械扭力。 3.柜体的承重力学分析 3.1 力学模型的建立 对逆变器柜进行力学简化模型以及网格划分模型分别如图 2 和图 3所示： 图 2 逆变器柜力学模型图 3 逆变器柜网格划分 3.2 分析结果 根据实际情况将载荷施加到逆变器柜的力学模型上，得到计算结果分别如图 4 和图 5 所示： 图 4 位移云图 图 5 应力云图 图 4 表明：逆变器柜的最大位移为 0.91539mm，图 5 表明逆变器柜的最大应力为 130MPa，大部分位置的应力为 30MPa 左右，符合强度的设计要求。 4.柜体的整体热设计分析 4.1 热量传递的基本方式 热量
11、传递有三种基本方式：传导、对流和辐射。对于不同的散热系统，一般有一种或两种换热方式起主导作用，其它方式的换热量很小，为简化计算，可以忽略不计。在进行系统的热分析时，宜根据实际情况6考虑采用以下散热方式： 自然冷却系统，一般需要同时考虑上述三种传热方式； 强迫对流冷却系统，只需考虑传导和对流，辐射散热可以忽略不计；对于没有太阳辐射防护的室外设备，应考虑太阳辐射。 针对温升要求不同的设备，也可以根据热流密度和温升关系选择适用的冷却方法，如图 6 所示： 图 6 热流密度与温升关系图 柜体的元气件发热区主要在电抗器和功率单元两个重要部位，功率单元模块由于发热量较大，发热量大约为 3000W,且核心元
12、器件 IGBT 安装在此位置，必须通过强迫风冷方式散热。 4.2 风机风量计算 风量计算： 计算实际所须风量： q=Q/(0.335T) （4-1） 式中:q实际所需要的风量，m3/h； Q逆变器柜内总热量为 3000W。 T柜内外的温升：10 将以上数据代人公式 得 q=895 m3。 按经验公式：取 1.5-2 倍的裕量选择风机的最大风量： 7q=1.5x895=1343 m3 5.结论 太阳能的利用是人类开发、利用可再生能源的主要形式之一。然而，光伏逆变器是光伏发电原理的中间环节,有着至关重要的作用。逆变器柜体作为逆变器的保护屏障，柜体的可靠性、IP 防护性、以及散热性能直接影响着逆变器
13、的稳定性以及使用寿命。基于此，本文对逆变器柜的结构设计进行了详细的叙述，并通过有限元分析软件对其强度进行了计算分析。最后，根据逆变器柜内的发热量，对逆变器柜进行了风机散热设计，为今后设计逆变器柜的设计人员提供参考。 参考文献: 1余建组等主编.电子设备热设计及分析技术.北京航空航天大学出版社.2008 2陈炳生主编.电子设备可靠性技术M.北京科技出版社.1983 3陈超祥，叶修梓.Solid Works Simulation 高级教程(2011 版)J机械工业出版社. 作者简介： 窦辉（1980-）男，河南新乡人， 2004 年毕业于河南工业大学机械系，助理工程师。毕业后在许继集团工作，负责钣金结构产品的设计工作。 严华（1984-）男，浙江兰溪人，2011 年毕业于新疆大学机械工程学8院，助理工程师，负责仿真分析及新产品开发。 闫建华（1980-） ，男，汉族，河南许昌人，毕业于河南工业大学机械设计制造及其自动化专业，大学本科学历，助理工程师。现在国家电网许继集团有限公司主要负责风力及光伏发电产品的结构研究及研发设计工作。
