1、 應用三維技術的電力電子設備的研發 李凱摘要電力電子行業中的研發涉及到電力、電子、電磁兼容等各方面的要求，固定結構對最終設的安全穩定的作用越來越重要。將原用于機械行業的三維技術運用在電力電子設備的研發過程，利用其建立虛擬工作平臺。在這個電力電子虛擬平臺上進行研發工作，不但實現研發周期的縮短，而且可以在加工生產前即可以對即將完成的電力電子設備有了詳細而準確的了解。關鍵詞 三維技術 立體圖 電力電子虛擬平臺 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：三維技術對于物體結構具有實體可見功能,通過其可能看到未制造出設備的形狀與內部構造的間隙。是一種極為有效的研發工具。但在手工制圖時代中，用手畫三維圖是困難的，尤其是畫復雜的機械體，但在復雜的大型機械結構中，其零部件間要求的配

5、合與間隙非常嚴格，故在計算機價格極為昂貴的時代，在計算機三維繪圖系統已經用于航天等超大模型系統中。由于初其三維系統平臺的構建價格極其昂貴，三維設計技術未在電力電子行業中廣泛的應用。在隨著電力電子的發展，電力器件與電子器件的結合越來越緊密，利用弱電控制強電，采用高壓大功率半導體器件代替笨重的開關器件，在越來越小電力電子設備具備有更強大功能的同時，其本身的散熱性，電磁兼容性，小空間內的安裝固定等要求越來越嚴，一個成功的電力電子設備的結構與復雜性已經與大型復雜機械結構類擬，用平面設計設術已經比較吃力。將三維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，利用三維旋轉,圖形組件定位的功能，可

6、以在未制作樣機前，即對各元件在不同位置，采用不同的連接方式，散熱與相鄰的絕緣有一個精確的判定，并在樣機制作前即確定最終設備的大小，同時保證其一次安裝成功，不會有空間相互干涉的現象。在電子計算機高度發展的年代，當原來價格極其昂貴的計算機已經能進行普通行業時，對于電力電子行業，就應利用這種高效率的設計與研發平臺，應用于電力電子設備的研發中，使我國自主創新的道路上再添一個高速的工具。在本文中，以電力電子中的典型設備，多電平單元串聯電壓源型變頻器的功率單元分系統為例，介紹三維技術在電力電子行業中的具體應用。2、建立變頻器功率單元的三維電力電子虛擬平臺：（1）、選擇建立三維電力電子虛擬平臺的軟件： 虛擬

7、電子平臺首先要選擇一種載體，在三維制圖行業中，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要從多方面進行考慮，利用三維軟件實現應用三維技術研發產品，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作為三維技術電力電子虛擬平臺的載體。其主要的因素是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，其應用的最為廣泛。雖然Pro/E和Solidworks的三維功能都比較強大，其主要是面對于機械行業，同時但是其軟件投資較大，操作應用復雜。在電力電

8、子設備的研發是應用三維技術，其目的是利用三維技術的作做出的實體模型與實際中應用的元件設備非常接近的特點，采用其三維旋轉,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，其簡單易學，不但以前的設計相兼容，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備的研發，而不是用于進行軟件操作的學習。當對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。（2）、根據功率單元的原理圖，確定基礎器件輸入的采集種類：根據研發目標，完成功率單元原理圖： 三維電力電

9、子虛擬平臺是應用于電力電子設備的研發中后期應用，目標是縮短樣機制作間和結構出錯造成的延誤。這一切的基礎就是設備原理圖。根據研發的目標，結合數據計算，仿真，確認功率單元的原理圖如下： 圖1 功率單元原理圖 根據原理圖，確定三維工作的虛擬平臺的圖元輸入種類：三維技術制作的是結構，是用于安裝元器件的，對于外部購買的標準器件，對于三維虛擬工作平臺者是獨立的圖元，在三維虛擬平臺中，只允許進行移動，而不允許更改。對功率單元進行解析后，分解出基本元件圖元如下：隔離電源變壓器、控制保險，主控制，旁路可控硅，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)、應用Auto

10、CAD ，建立功率單元的三維電力電子虛擬平臺： 首先在AutoCAD軟件中建立起一個名為“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的工作空間建立完成。 對基本圖元器件進行測繪，輸入功率單元的虛擬平臺的基本圖元：在原理圖中，分解出的對外進行購買和已經是標件的最小零件，就是虛擬工作平臺所定義的基本圖元，其必須需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平臺的精確性。對于基本圖元件，參考其說明書，并用卡尺等工具對器件外形測量與校對，在數據準確的前提下，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 完成虛擬工作平臺的建立：在基本圖元輸入完成后，根據研發預案結合原理，分析出功率單元分系統零件的組成，將每一種零件建立起一個相應和圖層。在圖層建立完成后，將輸入的基本圖元分配到相應的圖層，并存入工作空間，這時表明利用三維技術進行功率單元研發的虛擬工作平臺建立完成。3、 在虛擬工作平臺上進行功率單元的研發進程：（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中體積最大的，同時也是最重的。按照布放原則將六只電解電容進行垂直，同時功率單元從散熱結構出發，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。 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，并結合功率單元輸入輸出為前部下側保險輸入，前部上側端了輸出，故將整流橋在前，IGBT在后的結構形式。 主控板的布置：在全部器件中，主控板的位表面積是最大的，同時從電力電子器件的電磁兼容要求出發，從主控板的驅動

13、到IGBT的控制端子的引線應為最短，故將主控板的位置放在IGBT的前側。（2）、用體積最大的基本圖元進行擺放確定功率單元的基本外形：根據布置原則在虛擬平臺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要求要求。利用圖層屏蔽功率，將小的圖元蔽屏，只用這幾個體積最大的圖元，進行功率單元體積設計。 利用大體圖元確定功率單元基本大小：在幾個大圖元基本擺放確定后，對功率單元進行熱計算，選擇型材散熱器的結構。在功率單元的散熱指標要求下，散熱器的長度已經長于最長的圖元主控板，這時功率單元的長即為散熱器的長度。根據功率單元的運行

14、電壓和保護限值，確認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，內部預測的走線空間余量后，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。進行確認完成后，將圖元在虛擬電力電子平臺中相應的位置固成，這時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的基本體積（3）、在虛擬平臺中構建功率單元的殼體：利用虛擬技術進行外殼研發的特點:在虛擬工作平臺了上進行設計的主要優點是不必進行實物生產,利用其三維功能,畫出應設計的外殼實體。就可以進行與實物一樣的間距與結構觀察。并根據研發工作的要求，對其進行任意的修改，達到預先要

15、求的標準。這樣，無論進行多少種外殼結構與內部元件的多種位調整，都不會產生進行實物生產的龐大費用。在這種虛擬平臺下的結構研發，其最主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，就可以檢測出其合理性，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。 制作出虛擬外殼基本形狀：根據結構強度的計算,利用1.5mm的鍍鋅板制作外殼。用一個盒形板的形狀將體體積最大的元件包含在內，這樣，功率單元最初殼體的形狀即出現了，如圖所示： 圖5 基本殼體形狀 構建需要在殼件過孔零件：充分利用虛擬空間中各元件的獨立空間功能，

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

17、成后，根據機械加工的要求，盒形體分拆成可加工的結構，考慮組裝的入簡易性，將所有的元件固成面形成一個可加工的U形的結構，作為元件固定殼體的主結構，完成后如圖： 圖7 殼體主結構構建完成完成主殼體研發：將形成風道的側板構建完成，并在后部做出風道伸出結構，將相關的側邊固定孔構建完成，此時，功率單元殼體的研發完成，完成后的殼體如圖： 圖8 功率單元虛擬殼體完成圖（3）、在虛擬平臺上完成功率元器件固定與內部布線：進行元器件的固定：在殼體制作完在后，根據預先設計的方案，將電容陣列用框架進行固定、將變壓器，輸入功率保險，輸入控制保險裝于殼體結構上，在固定完成后如圖： 圖9 元件固定完成圖 功率單元內部布線原

18、則：根據原理圖，對主要器件進行線束與銅排設計。在設計中，按照以下的原則進行： 功率回路盡量采用銅排結構，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構。 整流橋輸出線與IGBT線束分開。 銅帶結構用整體制作，不作中間連接。 吸收電容直接壓于元件上。 構建功率單元內部電氣連接:功率單元內部的電氣連接是屬于多電壓,多信號的復合連接,其布線的結構直接形響著功率單元的最終穩定性，故在虛擬工作平臺中，允分發揮平臺的虛擬與外形仿真的特點，使用電磁兼容原則，對回路進行多種連接的測試與比較。在未用三維技術時，其連接的相互干涉只能用實物驗證，當發現再更改

19、需要很長的周期與資源，常常由于時間與資金的限制，降低電磁兼容標準。在應用虛擬平臺進行三維技術研發時，其優點完全體現出來，應用電磁兼容的原則，在進行連接構建中，經常出現布不通和相互干涉的情況，發現即可改正。其中最嚴重的時候常常需重新調整元件位置，結構組架形狀，在未用三維技術時相當于一個重新研發，而在本次研發中，只是構建過程中的一個調整。在虛擬平臺上，可以在研發的過程中發揮創造與想象能力，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，內部連接結構完成后如圖所示： 圖10 內部電氣連接結構完成圖(4)、虛擬功率單元完成：在內部虛擬布線完成后，將主控板的屏蔽板設計完成。將最后的主控板與電容均壓板的圖元的固定位置排好。這時全部結構完成。將需要的相應標識與說明在