一种控制柜柜体结构设计及优化

王金荣，潘 毅，孟广松

(东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳 618000)

0 引言

风机的控制是风力发电系统运行中的核心内容之一，风机机舱内部、轮毂内部和塔筒底部都安装有控制柜，以保证风机正常运转。本文阐述了一种安装在塔筒底部的控制柜，根据工程应用经验及计算分析结果，对该控制柜进行了小批量试制。作为风电机组的通用设备，在进行柜体设计时，首先要考虑柜体生产制造的通用性，同时要考虑柜体内电器元件的布置及电源线进线方式。由于整个柜体位于塔筒底部的密闭环境内，需要考虑柜体的防护等级和通风散热条件。在柜体生产和安装过程中，要考虑柜体转运和设备安装在工程使用上的便捷性。

本文结合柜体的试制经验，对上述几个方面的设计分别进行了说明，并给出优化方案，为后续批量生产提出解决方案。

1 控制柜样柜的整体设计

出于柜体制造的通用性考虑，柜体采用常见的ES(五折)结构设计。门板、双侧板及后背板采用2 mm厚优质冷轧钢板折压喷漆而成，柜体顶部为整块冷轧钢板。设备安装后主要靠柜体底部承重，在柜体底部设计整体框型底座。为方便电器元件安装，在柜体内侧底部2根横梁上设计安装支架，安装支架通过螺栓把合在横梁上，方便电器元件安装位置的调整。为防止安装支架两端压力过于集中，在横梁两端各加装一块小钢块，增加横梁与柜体接触面积，分散压力。根据器件进线方位，在柜体侧面深度方向设计安装横梁，用于安装辅助器件、进线端子等，同时为保证柜内走线美观，将柜体进出线绑扎于横梁上，防止电器元件长期工作散热影响柜体侧边横梁上电器件使用寿命，电器元件应尽可能靠近进线口横梁对侧安装。

2 样柜柜体的散热设计

控制柜不安装风扇，采用空气自然冷却散热[1]。在柜体内，电器元件为主要发热部件，所以在柜体设计时要充分考虑电器元件的散热。首先在柜体设计时要保证电器元件的散热空间，根据电器元件的外形尺寸，柜体距主要发热电器元件外形尺寸至少预留100 mm，保证电器元件发出的热量能及时扩散出去。同时柜体采用镂空设计，柜体门板、左右侧板及后背板均开通气孔，保证电器元件发出的热量可以通过通气孔将热量排出去。根据要求柜体防护等级[2]为IP21，所以通气孔直径一般设计为6 mm。

3 样柜柜体进线设计

考虑进线的方便性，控制柜采用底部进线方式。可在框形底座左右两侧的槽钢上开长方形的进线口。在柜体底板设计推拉式活动底板，可以左右活动，引线从进线口穿入后通过推拉式活动底板进入柜体内部[3]，接在接线端子上。在活动底板和固定底板合缝处边缘粘贴泡棉，引线穿入后将活动底板拉上。泡棉有很大的压缩量，既能方便进线，还能起到密封作用，防止灰尘进入柜内。引接线引入控制柜后，用扎带绑于柜体侧梁上，使引线与电器元件之间保持一定的距离，防止电器元件散发的热量引起引接线表面绝缘的快速老化。

4 样柜柜体底座设计及优化

控制柜样柜底部设有框型底座，高度100 mm，两侧开有长方形的进线孔，根据经验，底座选用10#槽钢焊接而成，用于支撑整个设备的重量。样柜底座设计证明槽钢框型底座满足设计需要，但成本偏高。

为降低后期控制柜底座批量生产成本，同时满足使用性能要求，本文对柜体底座进行了优化，并用仿真分析软件SolidWorks Simulation对2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm钢板焊接的框形底座进建模和仿真[4]，并与槽钢焊接底座进行对比，底座模型如图1所示。

图1 底座示意图

控制柜中电器元件重量按500 kg考虑，柜体自身重量约150 kg左右，考虑一定的余量，设置底座受到向下压力为7 600 N，根据软件分析结果，底板的应力、位移和应变如表1所示。

表1 底座应力、位移和应变

从表1中数据可以看到，当钢板厚度2 mm时，底座的最大应力大于材料的屈服强度值，会引起底座的塑性变形；采用3mm厚钢板时，底座最大应力和钢板屈服强度数量级相同，底座承力余量较小，电器元件安装梁与底座结合处受力变形量超过1 mm；当材料厚度大于等于4 mm时，最大应力数量级与槽钢底座最大应力数量级相同，底座的最大应力远小于材料的屈服强度值，电器元件安装梁与底座结合处受力最大，且变形量均小于1 mm，变形量较小，随着钢板厚度增加，应力减小幅度不明显。从材料成本和性能要求考虑，采用4 mm厚钢板经济指标最好。

5 样柜的起吊及优化

为了通风散热的需要，样柜柜体采用镂空设计，柜体门板、左右侧板及后背板均开有通气孔，柜体镂空设计满足了散热的要求，但也降低了柜体强度。当柜体内的电器元件设备没有安装时，可以在柜体顶部安装吊装螺栓采用顶部起吊的方式，方便柜体的起吊转运。当电器元件安装后，采用顶部起吊时柜体顶部受力，柜体强度不足以支撑变控制柜体和柜体内电器元件的重量，柜体存在变形风险，因此考虑在框形底座上设计吊攀，采用底部起吊的方式，同时配合顶部吊环控制吊带方向。

常规做法是：底座前后共设计4个吊攀，吊攀不能伸出柜体太短，也不能伸出太长。伸出太短在起吊时吊绳会勒到柜体引起柜体变形，伸出太长需要大的安装空间，同时也妨碍操作人员工作。因此在底板上焊接吊攀安装支座，通过螺栓将吊攀把合，这样在起吊时将吊攀把上，吊装完成后可以把吊攀拆下来，结构如图2所示。

图2 把合式吊攀

通过吊攀把合的方式虽然可以满足工程使用要求，但是存在不足之处。首先吊攀把合在安装支座上，起吊前后须手工拆卸螺栓，增加了现场安装人员工作量；其次，由于风电现场情况较为复杂，拆掉的吊攀和螺栓不方便保存，容易遗失。因此，本文总结了样柜底座吊攀设计的不足之处，提出后续批量生产吊攀设计改进方案。

在框形底座的钢板上设计吊点的位置焊4块厚钢板增加底板吊点处的厚度，然后在小钢板和底座中间开圆通孔，在通孔插入抽拉式圆钢，圆钢的两端焊接圆挡片。起吊时将圆钢抽出，吊带挂在圆钢外侧，结构如图3所示。在吊装完毕可将圆钢缩回框形底板内，不占用安装空间，这样既解决了吊攀长度不足的问题，也解决了吊攀的拆卸和保存问题。

图3 推拉式吊攀

6 结语

本文通过小批量样柜试制，对柜体散热、进线方式和柜体起吊等结构设计进行阐述，总结控制柜试制经验，并对柜体底座和吊攀进行优化，并给出设计方案，为后续大批量生产作准备。在进行批量生产时，要注意以下几个方面的内容。

1)通用性要求。控制柜作为风电机组的通用设备，柜体采用ES(五折)结构。

2)柜体散热设计。为满足电器元件散热及防护要求，柜体采用镂空设计，柜体门板、左右侧板及后背板开直径6 mm的通气孔。

3)柜体进线设计。控制柜采用底部进线方式，在框型底板左右两侧开长方形的进线孔，并在进线位置粘贴泡棉进行防护。

4)柜体底座设计。从成本和满足使用性能要求综合考虑，根据仿真计算结果，柜体底板采用4 mm钢板折压焊接的方式。

5)控制柜的起吊。柜体顶部设计吊环，方便柜体的起吊转运，底板上采用优化过的推拉式吊攀结构，用于安装元器件后控制柜的起吊，同时也解决了柜体安装空间布局及吊攀存放问题。