一种变流器功率模块维护用装置

刘曦程，王婷，黄启钊，孙保涛

（株洲中车时代电气股份有限公司，株洲 412001）

引言

变流器作为电源系统中的重要电气设备，它可以改变电源系统中的电压、频率、相数或是其他特性来满足不同的需求。变流器一般包括整流器（交流电流变直流电流）、逆变器（直流电流变交流电流）、交流变流器和直流变流器。在变流器中，功率模块是其核心组件，不仅承担着将电机侧低频交流电整流成直流，并承担着在电网侧将直流逆变为工频正弦波并网的作用。由于大功率模块的体积相对庞大，同时重量也较大，并且安装及维护起来较为困难，因此当功率模块发生故障时，受功率模块自身特点和变流器单元柜体空间有限的双重限制，在不将模块拆装下柜的情况下，几乎无法对模块进行维护，严重影响设备的运行，而将模块拆装下柜维护，又会耗费大量的人力和时间。

为了克服模块维护困难的问题，本文设计了一种结构简单、使用方便、成本低、有利于降低售后维护难度且可装于变流器柜体上的功率模块维护用装置。

1 功率模块维护用装置结构描述[1]

功率模块维护用装置由下滑轨组件和上滑轨组件组成，如图1 所示。上、下滑轨组件之间通过螺栓固定，当拆除固定螺栓后，拉动上滑轨组件或下滑轨组件，上、下滑轨组件能发生相对运动。

图1 维护用装置

上滑轨组件是由上滑轨钣金折弯件、中间滑动层（2块3 mm 厚的聚四氟乙烯板）和上滑轨限位件组成，如图2 所示。上滑轨钣金折弯件是由3 mm 厚的304 不锈钢钣金折弯而成，一共折弯了6 道，有效加强了上滑轨的结构强度；中间滑动层由2 块聚四氟乙烯板组成，由沉头螺钉固定在上滑轨折弯钣金件上，长度和上滑轨钣金折弯件等长；上滑轨限位件为3 mm 厚的L 型304 不锈钢钣金折件，由螺栓固定在上滑轨钣金折弯件的后端。

图2 上滑轨组件

下滑轨组件是由下滑轨钣金折弯件、中间滑动层（2块聚四氟乙烯板）和下滑轨限位件组成，如图3 所示。下滑轨钣金折弯件也是由3 mm 厚的304 不锈钢钣金折弯而成，一共折弯了8 道，加强了下滑轨的结构强度；中间滑动层由2 块聚四氟乙烯板组成，由沉头螺钉固定在下滑轨折弯钣金件上，长度和下滑轨钣金折弯件等长；下滑轨限位件为3 mm 厚的L 型不锈钢钣金折件，由螺栓固定在下滑轨钣金折弯件的前端。

图3 下滑轨组件

从图1 可以看出，上滑轨组件和下滑轨组件左右两侧留有4 mm 的间隙，底部留有1 mm 的间隙。左右两侧的间隙，是为了防止上滑轨组件和下滑轨组件产生相对运动时，上、下滑轨组件发生过大的左右偏差，起到一定的限位作用。由于功率模块安装在上滑轨组件上，当上滑轨组件和下滑轨组件产生较大的相对位移时，上、下滑轨形成悬臂状态，模块安装在上滑轨组件上，过大的重量会导致上滑轨组件向下倾斜，底部的间隙能够让下滑轨组件对上滑轨组件起到一定的支撑作用。

上滑轨组件和下滑轨组件之间由安装在上、下滑轨组件上的中间滑动层（聚四氟乙烯板）形成接触面，避免了上、下滑轨钣金折弯件直接接触，当上、下滑轨组件发生相对运动时，聚四氟乙烯板之间产生摩擦力，摩擦力相对较小，使上、下滑轨组件更容易产生相对运动。同时也不会对钣金件表面造成破坏。

当维护用装置安装在变流器单元柜内时，下滑轨组件通过螺栓与单元柜骨架固定，上滑轨组件与功率模块之间通过螺栓连接固定。在功率模块正常工作无需维护的情况下，上滑轨组件和下滑轨组件通过螺栓连接固定，防止功率模块在变流器单元柜内滑动，如图4 中的A 状态所示。当功率模块发生故障需要进行维护时，拆卸上滑轨组件和下滑轨组件之间的螺栓，将功率模块向变流器单元柜外部拉动，由于功率模块和上滑轨组件通过螺栓固定在一起，故上滑轨组件也将随功率模块一起被拉动，如图4 中的B 状态所示，从而实现功率模块发生故障时不拆装下柜即可进行维护。

图4 功率模块柜上维护示意

当柜内功率模块处于维护状态时，维护用装置的上滑轨组件和下滑轨组件的相对位置如图5 所示。将功率模块抽出至最大位置，上滑轨组件有647mm 的长度处于悬空状态，上滑轨组件与下滑轨组件之间的重叠长度为223 mm。由于下滑轨组件是和柜体骨架固定在一起的，所以功率模块的大部分都是由上滑轨组件承受了，故本文主要对上滑轨组件的受力情况进行分析计算。

图5 模块维护时上、下滑轨相对位置示意

2 维护用装置抽出状态下静载荷有限元分析

2.1 静强度理论

根据第四强度理论，当在计算复杂应力结构时，可以应用当量计算应力来对结构进行求解及校核[2]，其计算公式为：

式中：

σe—当量应力，MPa；

σi—主应力（i=1，2，3），MPa。

在判断该结构能否满足静强度时，可以引入屈服安全系数，计算公式如下[3]：

式中：

R—材料屈服点（Rel）或0.2 %的实际弹性极限应力Rp0.2，单位：N/m2；

σc—计算应力，N/m2。

其中在仅计算验证设计时S1应取1.15，故当所计算的屈服安全系数S 不小于1.15 时，该结构才能满足静强度要求[4]。

2.2 结构仿真及结果分析

当在对功率模块进行维护时，为了验证维护用装置是否满足强度要求，本文针对维护用装置在功率模块维护状态时进行静强度仿真分析。

表1 给出了该维护用装置的结构属性。

表1 维护用装置结构属性

在仿真分析中，对于不必要的复杂特征可以进行简化。由于功率模块内部结构对维护用装置的影响较小，因此删除功率模块仿真模型，并引入质量点单元来等效功率模块对维护用装置结构造成的影响，在笛卡尔坐标系中指定该质量点的位置，输入功率模块的实际重量来作为质量点的仿真参数，在设置约束时，考虑了功率模块和维护用装置的实际安装情况，将质量点与上滑轨组件上的四个连接孔进行耦合，将上、下滑轨组件之间的连接设定为固定约束，约束模型和有限元网格模型分别如图6 和图7所示。

图6 有限元约束模型

图7 有限元网格模型

维护用装置的静强度仿真结果如图8 所示。由图可知，维护用装置在功率模块维护状态下所受到的最大应力达到了113 MPa，该数值要小于其材料的屈服强度205 MPa。另外，根据计算公式得到其屈服安全系数为1.81，其值明显大于1.15，故此维护用装置满足功率模块在维护时的静强度要求。

图8 静强度应力分析结果

3 总结

1）本文针对变流器功率模块重量重、体积大、安装及维护困难等特点，设计了一种使用方便，结构简单、生产成本低的维护用装置，可以保证当功率模块发生故障时，实现在不将功率模块拆装下柜的情况下完成模块器件维护。

2）本文针对功率模块处于维护状态时，对维护用装置进行了静强度有限元仿真分析计算，求得该结构的静强度仿真计算的最大应力值为113 MPa，小于不锈钢材料的屈服强度，同时结合屈服安全系数方法，计算得维护用装置的屈服安全系数为1.81，其值明显大于1.15，故此功率模块维护用装置在维护状态时满足静强度要求。