毕业设计一种矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子的结构分析

一种矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子的结构分析摘要随着计算机技术的高速发展，有限元技术在现代设计中应用越来越广泛。有限元技术具有计算速度快，精度高的特点。通过有限元分析计算，设计人员在设计阶段就能了解到构件的应力、应变及位移，同时可以方便的对构件反复修改，达到优化结构的目的。矿用隔爆滤波型变频器隔爆柜子是放在煤矿井下的电机控制柜。箱体必须有足够的强度和刚度，以防止变频器发生爆炸时，能承受其瞬间产生的强大爆炸力。箱体在传统设计中，多采用类比法或凭经验设计，这样设计出来的产品，其受力情况设计者心中无数，往往造成产品不合格或材料浪费现象。增加了制造成本，延长了制造周期。因此，在某种有限元的支持下，对变频器箱体进行受力分析，检验其强度和刚度是否满足要求，对提高变频器箱体的技术水平，快速响应市场，降低成本具有十分重要的意义。在此背景下，本文以山西防爆电机有限公司电设计的矿用隔爆滤波型变频器防爆柜作为研究对象，对其柜体进行有限元分析。完成的主要工作包括：（1）认真学习研究煤炭安全标准；（2）利用三维建模软件Solidworks对箱体进行实体建模；（3）利用有限元分析软件Simulation对箱体进行静态分析，通过分析计算，显示出箱体的变形情况，同时可以得出箱体任意位置的应力值和位移值。并针对每次计算结果，对箱体进行适时改进。关键词：防爆柜；有限元；应力；应变；优化；AbstractWiththerapiddevelopmentofcomputertechnology,theFiniteElementMethod(FEM)iswidelyusedinmoderndesign.FEMisamethodofhighspeedandhighprecision.Thestress,strainanddisplacementcanbeobtainedwiththeFiniteElementAnalysis(FEA)inthedesignstage.Anditisconvenienttomodifyandoptimizethestructure.Miningflame-prooffilteringtypetransducerexplosion-proofcabinetisusedincoalmine.Theexplosion-proofcabinetshouldhaveenoughstrengthandstiffness,andshouldbeabletoendurethetremendousblast-forceduringthemomentgasblasts.Traditionally,theexplosion-proofcabinetdesignalwaysreliesonanalogyandexperience.Thedesignercan’tknowthedeformationofthetheexplosion-proofcabinet,andwhichmaymaketheproductdisqualification,orwastingmaterialorhighdevelopingcost,andlongerdesigningandmanufacturingcycle.Therefore,ithasgreatsignificancetofindanewapproachtoanalyzeandcalculatethemechanicalmodelofcabinet,checkitsstrengthandstiffnessbasedonacertainFEMsoftware.Thusitcanimprovethetechniqueofcabinetdesign,speeduptheresponsetothemarketrequirementandreducethecost.Thispaperinvestigatedtheexplosion-proofcabinetdesignedbyShanXiExplosionproofmotorcompany.ThecabinetwasanalyzedbyFEM.Themajorworkscompletedmainlyincluded:(1)ThefundamentalsonFEMwerediscussed;(2)Thesolidmodelofthecabinetwascreatedby3DdesignsoftwareSolidWorks.(3)TheNonlinearFiniteElementmodelwasbuiltandcalculatedbyFEMsoftwareSimulation.Throughcalculationandanalysis,thedeformationofthetransformercabinetwasobtained.Meanwhile,thestressanddisplacementofeveryelementwerealsoobtained.Basedontheresultsofeachanalysistherealtimemodificationofthecabinetstructurewasachieved.KeyWords:Explosion-proofcabinet;theFiniteElementMethod;Stress;Strain；Optimization；目录TOC\o"1-3"\h\u引言 1第1章有限元简介 21.1有限元的发展历程 21.2有限元法的基本思路 21.3有限元法的理论基础 31.4有限元的解题步骤： 51.5有限元的发展趋势 7第2章防爆技术的应用与意义 9第3章变频器的工作原理 93.1变频器简介 93.2谐波对供电线路的影响 10第4章变频柜设计时应注意的问题114.1机械负载与电机转矩特性种类 114.2电气设计工程师的设计 124.3电气工艺设计 134.4柜体钣金工艺设计13第5章防爆柜设计的技术要求14第6章变频调速系统结构设计 156.1柜体的布局和器件配置 156.2变频调速系统变频柜设计 156.3变频控制柜内部基本布局 166.4变频器散热及制作 17第7章防爆柜的三维实体模型 187.1Solidworks软件介绍 187.2三维建模步骤 19第8章焊接技术 19第9章有限元分析与Simulation在隔爆柜结构分析中的应用 219.1Simulation简介 219.2Simulation对防爆柜的结构分析步骤 21总结 29参考文献 30附录A山西防爆电机公司防爆柜参考图 33致谢 34引言随着煤矿供电系统不断完善升级,隔爆型干式变压器作为井下的重要供电设备已得到广泛应用。隔爆壳体是矿用隔爆型干式变压器的主要防爆型式,不仅要具有一定的机械强度,又要有良好的冷却效果,隔爆壳体的设计、制造水平直接影响到隔爆变压器的技术性能和使用寿命。矿用隔爆型外壳是电气设备的一种防爆型式,能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙渗透到外壳内部的可燃性混合物在内部爆炸而不损坏,并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性环境的点燃。根据GB3836.2-2000《爆炸性气体环境用电气设备第2部分:隔爆型“D”》[3]第15.1条规定,箱壳设计必须经过压力为1MPa,加压时间为10+20s的静压试验,试验时若外壳既未发生损坏,也未发生永久变形,则认为试验合格,此外,在接合面的任何部位都不应有永久性的增大。因此外壳必须有足够的强度和刚度。根据箱体法兰形状来看,箱体大多为矩形和圆形,而以矩形类设计对壳体强度校核计算较为复杂。很多结构设计工程师多采用结构比较法或凭经验进行模糊设计,但是这种粗放型设计对隔爆类产品结构无法进行优化,不可避免地造成材料浪费或强度不够造成产品失爆。随着生产技术的发展和科技的进步,对隔爆型产品的设计质量要求越来越高,产品更新换代的速度也越来越快,这就要求设计人员掌握更加科学的工程设计方法和设计工具,以适应新的设计要求。在此提出Simulation软件对矩形类隔爆箱体强度进行有限元分析,优化设计方案。目前，生产变频柜的厂家有很多。例如：北京鼎盛恒巨自动化技术有限公司生产的变频柜就不错，上海凯威电气设备有限公司，北京宇恒恒业电气自动控制有限公司。南阳凯达防爆电机电器有限公司位于我国防爆电气技术科研生产基地--河南南阳，专业从事防爆电机、防爆电器科研、开发和生产。公司依托南阳防爆行业的资源优势，集全国知名防爆电机电气专家技术实力于一身，开发生产各种防爆电机、防爆电器、防爆仪表、防爆电气控制柜及其他防爆电气设备，同时承接各类防爆电器设备及成套系统的设计开发和横向技术合作。第1章有限元简介1.1有限元的发展历程有限元法的发展历程可以分为提出(1943)、发展(1944一1960)和完善(1961-二十世纪九十年代)三个阶段。有限元法是受内外动力的综合作用而产生的。1943年，柯朗发表的数学论文《平衡和振动问题的变分解法》和阿格瑞斯在工程学中取得的重大突破标志着有限元法的诞生。有限元法早期(1944一1960)发展阶段中，得出了有限元法的原始代数表达形式，开始了对单元划分、单元类型选择的研究，并且在解的收敛性研究上取得了很大突破。1960年，克劳夫第一次提出了“有限元法”这个名称，标志着有限元法早期发展阶段的结束。有限元法完善阶段(1961一二十世纪九十年代)的发展有国外和国内两条线索。在国外的发展表现为:第一，建立了严格的数学和工程学基础;第二，应用范围扩展到了结构力学以外的领域;第三，收敛性得到了进一步研究，形成了系统的误差估计理论;第四，发展起了相应的商业软件包。在国内，我国数学家冯康在特定的环境中独立于西方提出了有限元法。1965年，他发表论文《基于变分原理的差分格式》，标志着有限元法在我国的诞生。冯康的这篇文章不但提出了有限元法，而且初步发展了有限元法。他得出了有限元法在特定条件下的表达式，独创了“冯氏大定理”并且初步证明了有限元法解的收敛性。虽然冯康创造的有限元法不成熟，但他能在当时的条件下独立提出有限元法已十分不易。对于他的这项成就，国内外专家学者和国家领导人都有很高的评价。1.2有限元法的基本思路有限元法的基本思路是将计算域划分为有限个互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式,便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构[1]力学,后来随着计算机的发展逐渐用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中,将计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元,在每个单元内选择基函数,用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解,整个计算域上总体的基函数可以看作是由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。xy1.3有限元法的理论基础xy（1）模型的选取力学平面问题，平面应变问题，平面应力问题，轴对称问题，空间问题，板，梁，杆或组合体等，对称或反对称等。例如图1.1：图1.1力学模型图1.21/4模型由于是对称模型，所以只需要选取其1/4模型进行分析（图1.2）。对于对称结构，选取一部分分析，可以减少数据的计算量，节约时间和电脑资源。（2）单元的选取、结构的离散化根据题目的要求，可选择适当的单元把结构离散化。对于平面问题可用三角元，四边元等。例如图1.3：图1.3划分单元（3）选择单元的位移模式结构离散化后，要用单元内结点的位移通过插值来获得单元内各点的位移。在有限元法中，通常都是假定单元的位移模式是多项式，一般来说，单元位移多项式的项数应与单元的自由度数相等。它的阶数至少包含常数项和一次项。至于高次项要选取多少项，则应视单元的类型而定。——单元内任一点的位移列阵；——单元内任一点的位移列阵；——单元的结点位移列阵；——单元的结点位移列阵；————单元的形函数矩阵,(它的元素是任一点位置坐标的函数） （4）单元的力学特性分析把（1-1）式代入几何方程可推导出用单元结点位移表示的单元应变表达式：——单元内任一点应变列阵；式中：——单元内任一点应变列阵；再把（1－２）式代入物理方程，可导出用单元结点位移列阵表示的单元应力表达式：——单元内任一点的应力列阵；式中：——单元内任一点的应力列阵；——单元的弹性矩阵——单元的弹性矩阵,(它与材料的特性有关）最后利用弹性体的虚功方程建立单元结点力阵与结点位移列阵之间的关系，即形成单元的刚度方程式：式中：（5）建立整体结构的刚度方程用直接刚度法将单刚[K]e组集成总纲[K]e，并将{R}e组集成总载荷列阵{R}，形成总体结构的刚度方程：（6）求解修改后的整体结构刚度方程考虑整体结构的约束情况，修改整体刚度方程之后，（1-6）式就变成以结点位移为未知数的代数方程组。解此方程组可求出结点位移。（7）由单元的结点位移列阵计算单元应力解出整体结构的结点位移列阵后，再根据单元结点的编号找出对应于单元的位移列阵，将代入（1-3）式就可求出各单元的应力分量值。（8）计算结果输出求解出整体结构的位移和应力后，可有选择地整理输出某些关键点的位移值和应力值，特别要输出结构的变形图、应力图、应变图、结构仿真变形过程动画图及整体结构的弯矩、剪力图等等。1.4有限元的解题步骤：有限元分析包括三个步骤：前处理，求解，后处理。

前处理包括产生一个有限元模型的几何体的全过程，输入物理特性，描述边界条件和载荷，以及检查模型。

求解过程在模型求解模块中进行，或在一个外部有限元分析程序中进行。求解能够解答线性和非线性的，静态的，动态的，屈曲，热传导和势位能分析问题。至于其它类型的分析，有限元模型信息对于一个外部有限元求解问题可写成所要求的格式。

后处量包括标绘出偏移和应力，利用失效准则，诸如允许的最大偏移，材质的静态和疲劳强度等等来比较这些结果，假如我们仅仅想知道零件是否能经受住载荷试验。所有我们需要看到的只是一个是或否的答案，这不是通常那种情况。我们喜欢有能力去看到不同形式显示的结果，这样我们以判断力来判断为什么零件失效和怎样去改进设计。

在你的模型中，可能有许多错误的根源，例如，有限元网格的粗糙，所用单元的类型，或材料性质的不准确性。这就是为什么后期处理将包括检查那些在建立模型时不可能发觉的错误。你必须进行的一个基本的检查是用某些人工的计算法使你确信在譬如在输入材料性质时，小数点的位置不会发生任何显著的错误，也建议你在观察应力前标绘出位移，因为位移通常比应力更为直观。采用有限元法进行工程分析的一般流程如图1.4所示：图1.4有限元法工程分析的一般流程1.5有限元的发展趋势随着有限元技术应用的不断扩大,其发展呈现如下特点:（1）单一场计算向多物理耦合场问题的求解发展有限元分析技术应用在装备产品的设计制造中,主要是求解线性的结构问题,但根据火电、风电、核电等装备产品的极端性、复杂性、多场性特点,结构非线性,流体动力学和耦合场问题的应用迫在眉睫,如汽轮机叶片、风机桨叶的流体动力学问题、流固耦合问题,重型装备产品热加工过程的热、结构、电磁多场耦合的问题。随着有限元技术的深层次应用,需要解决的工程问题也越来越复杂,耦合场的计算求解必定成为有限元软件开发的发展方向。（2）由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。(3)与CAD/CAM等软件的集成有限元分析软件的一个发展趋势是与通用计算机辅助工程软件的集成使用,即数据信息在整个产品设计制造过程中的无缝多向流通,实现新产品开发中三维设计、有限元分析优化、数控加工等过程的快速响应,满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求,提高设计水平和效率。(4)提高自动化的网格处理能力应用有限元技术求解问题过程中,产品几何模型离散后的有限元网格质量直接影响着计算量的大小和分析结果的正确性。各软件公司在网格处理方面的投入也在加大,划分网格的效率和质量都有所提高,但在实际工业生产中,尤其是专业领域复杂产品的分析中还存在问题,如网格划分的自动化、网格质量检查的标准化。要想摆脱装备产品分析中繁重的网格处理任务,就必须突破自动六面体网格功能的技术瓶颈,实现可循环的网格自动优化功能。(5)软件面向专业用户的开放性有限元软件应用的技术领域多,用户需求各不相同,因此开放的软件环境对用户而言至关重要,用户可根据企业产品的特点对软件进行二次开发,实现单元属性、材料参数、复杂边界、疲劳寿命规律的自定义和产品专家系统的自开发。(6)软件开发强强联合根据有限元软件在装备行业的应用情况,有限元软件之间的强强联合必将更加有效推进有限元技术的应用,随着数值模拟软件的商业化和软件公司开发方向的专业化,各数值模拟软件公司将会出现强强联合的局面,以解决复杂装备产品的设计制造难题。第2章防爆技术的应用与意义随着我国工业的发展，特别是石化、冶金、煤矿工业的发展。对隔爆型电柜的设计及制造技术的要求越来越高。国内国外的企业政府对此都非常重视，因为它涉及到了工人的生命安全，一旦发生爆炸，后果不堪设想。同时，由于隔爆技术的广泛应用，它的发展也得到了很大的提高。隔爆型防爆电气设备主要是通过隔爆外壳来达到防爆目的。隔爆外壳既要承受爆炸性气体混合物所产生的压力不被损坏，还要防止火焰沿隔爆外壳结合面传播至周围爆炸性气体环境。隔爆型电气设备具有良好的隔爆和耐爆性能，被广泛的应用于煤矿井下等爆炸性环境场所。隔爆型电气设备的标志为‘d’，为了实现隔爆外壳耐爆和隔爆性能，对隔爆外壳的形状、材质、容积，结构等均有特殊的要求。变频器的外壳的各隔爆结合面，间隙、长度、表面粗糙度的设计应严格按照GB3836.2—2010的相关规定进行；隔爆外壳应能承受GB3836.2—2010[3]规定的相关实验；变频器外壳不应有尖锐的棱角。外边应涂有能耐受煤矿井下温度与湿度的CO4-42醇酸磁漆。里边应涂有1321耐弧漆，且漆层表面美观，附着牢固。变频器所选用的原材料，标准紧固件，外购元器件应符合国家有关标准和行业标准的规定。变频器的观察窗应符合GB3836.2—2010的规定。透明件应有抗冲压性能，能承受GB3836.1—2010[4]规定的冲击能量的冲击，观察窗透明件应具有抗温度急剧变化的能力，应符GB3836.1—2010的热巨变规定。变频器应设有专门的内接地螺栓，所有螺栓螺母都具有自动放松措施。第3章变频器的工作原理3.1变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电源变成电压、频率都可调的交流电源[2]。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机[5]。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。变频器可分为通用型和专用型，一般的机械负载和要求高过载情况，选择通用型变频器。专用型变频器又可分为风泵专用型、电梯专用型、张力控制专用型等。根据自身应用环境加以选择。图3.1交—直—交变频器主回路图3.2谐波对供电线路的影响变频器属于非线性负荷，它从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，它既是一个谐波源，又是一个谐波接收者。作为谐波源，它对各种电气设备，自动装置、计算机、计量仪器以及通信系统均有不同程度的影响。对于供电线路来说，由于谐波的作用，恶化了电网质量指标，降低了电网的可靠性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命。其产生的主要危害有：

(1)增加了电网中发生谐振的可能性，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。

(2)增加附加损耗，输电及用电设备的效率和设备利用率。

(3)使电气设备(旋转电机、电容器、变压器等)运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。

(4)使测量和计量仪器、仪表、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常或者不能正常动作或操作。

(5)干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。

(6)某些情况下，它不仅产生谐波，而且还引起供电电压波动和闪变，甚至引起三相电压不平衡，会危及电网安全经济运行，并影响电气设备的正常用电和周边用户。要降低谐波的影响程度，可以采取各种措施，但对于变频器来说，主要是在其回路中加装交流电抗器。

在交流电机调试方式中，变频器调速既能实现无极调速又能节能，在工业生产中应用十分广泛。然而变频器常处在一个比较复杂的环境中，本身输入则是一个非线性的整流电路，外接电源含有谐波，还有别的设备的高次谐波等等。因此，尽管选择性能优良的变频器，但组建的系统中变频器运行效果不是令人满意的。大量工程实践证明，为了防止电网和其他干扰源对变频器的干扰，同时减少变频器对其他设备的和电网的影响，常在变频器的输入、输出端配置滤波器、交流电抗器等抗干扰设备。滤波器的作用是抑制由变频器带来的无线电电波干扰。有的变频器内置电抗器，有的场合也可不装电抗器。一般，多大功率变频器配多大电抗器，变频器厂商提供参数。选择电抗器的参数，可由下面公式计算：

L=(2%~5%)V/6.18*F*I

V-额定电压V

I-额定电流A

F-最大频率HZ

LBI/LBO输入输出滤波器，一般应根据频率进行配置

R-制动电阻计算较复杂，应在变频器柜制造商指导下配置。第4章变频柜设计时应注意的问题4.1机械负载与电机转矩特性种类变频控制系统设计前，一定要了解系统配制，工作方式，环境，控制方式，客户具体要求具体系统分新设计系统还是旧设备改造系统。目前，机械负载与电机转矩特性有许多种类，常用有三种。1．恒转矩负载。如传送带，

升降机等用公式表式为

P=T*N/975

P-电机的功率

T-电机转矩

N-电机转速对恒转矩，系统设计应注意：（1）

电机应选变频器专用电机（2）

变频柜应加装专用冷却风扇（3）

增大电机容量，降低负载特性（4）

增大变频器的容量（5）

变频器的容量与电机的容量关系应根据品牌，一般为1.1~1.5电机的容量2．平方转矩负载。如风机，水泵类用公式表式为

T=K1*N2

，P=K2*N3

P-电机的功率

T-电机转矩

N-电机转速一般，风机，水泵，采用变频节能，理论与实际证明节能为40~50%左右，此类应用占变频器应用30~40%左右。对平方转矩负载，系统设计应注意：（1）

电机通常选异步交流电机。（2）

根据环境需要，选电机防护等级和方式。（3）

大于7.5KW变频柜,应加装通风散热设施

（4）

电机与变频器容量关系。3．恒功率负载。如卷扬机，机床主轴。

公式：P=T*N/975=CONT。一般达到特定速度段时，按恒转矩，超过特定速度时，按恒功率运转。恒功率机械特性较复杂。4.2电气设计工程师的设计对于每个变频控制柜，设计是整个系统重点，最能体现产品质量关键环节。对于变频控制柜，电气设计工程师应在如下设计方面入手。1.

变频控制系统的原理图设计2.

电路主路设计。3.

电路控制路设计。

PLC控制接口电路，

变频器联网等。6.

变频控制柜的工艺设计。包括电气工艺设计。7.

柜体板金工艺设计。原理图设计根据以上所述的原理规则，参照变频控制柜的原理图，根据实际需要，画出原理图。8.电路主路设计。按如下顺序选择主回路电器件。（1）

确定机械负载特性：a.功率

b.扭矩

c.转速（2）

确定电机特性:a.额定电压

b.额定功率

c.额定电流（3）

根据以上条件和实际客户的需要，对下列电器元件取舍:a.TR-变压器为可选项，根据电压等级标准，选配。b.FU-熔断丝，一般要，选择为2.5-4倍额定变频器电流。注意熔断丝选速熔类。c.QA-空开，一般要选择为1.2倍额定变频器电流。4.3电气工艺设计电气工程师变频电路设计出来，下一步就是电气工艺设计，包括：a.

多大功率变频器b.

配什么类型电缆c.

多大的线径d.

配多远。一般可以查表格或计算。e.

接地配线。f.

抗干扰布线。是非常重要的,一般强电电缆用带屏蔽电缆，电缆及屏蔽层用金属卡固定安装底板上，也有的加装屏蔽金属环，抗干扰。g.

进出线的电缆管接头配置。4.4柜体钣金工艺设计应根据以下原则设计1．

变频器的环境温度：变频器环境温度为-10度-50度，一定要考虑通风散热。气体：有无暴炸，腐蚀性气体2．

柜体承载重量。3．

运输方便性。加装吊装挂钩。

搬运安全。5．

柜体的铭牌。6．

制造商的CI标识。结论：一个质量较高的变频控制柜，从设计，工艺，制作制造，运输，包装，是实际要求较高的产品，要求各个环节质量保障，才能作出较高质量和水平的控制柜。第5章防爆柜设计的技术要求1.投标产品（包括所选用的器件）必须符合中国电工产品认证委员会的安全认证要求，其电气设备上应带有安全认证保证；必须符合国家现行技术标准的规定[12]，并应提供合格证书等。2.柜内主要器件采用ABB[7]或者施耐得产品（具体见元器件的技术要求）。3.本次投标产品所选用的元器件必须保证是正品、新品。每天工作时间是24h，全年连续工作。4.箱体（柜体）的钢板厚度不应小于2.0mm的冷轧板；箱体的尺寸要求180（高）*75（宽）*65（厚），尽可能要求规格尺寸设计，若该尺寸不满足设计要求，柜体的尺寸可以相应的改动，并报出箱体的实际尺寸，但安装的固定支架必须严格安装提供的尺寸设计，并提供安装示意图。5.箱体采用喷塑，箱体颜色采用银白色，采用相应的防腐蚀措施。6.变频控制柜必须有铭牌。7.变频控制柜的内部布置结构必须严格按系统图，国家标准以及地方规范执行；内部接线应排列整齐，清晰和美观，绑扎成束或敷于专用塑料槽内卡在安装架上；配线应考虑足够的余量。所选用的导线、尼龙扎带塑料线槽等都为阻燃性。8.电箱柜门内侧必须贴有电气系统图，采用透明胶布防水密封。9.中性线母排和接地母排的电流容量必须经过计算并且足够大；箱内电器元件的上方必须标有元件符号，各电路的导线端头也应标志相应的文字符号。第6章变频调速系统结构设计6.1柜体的布局和器件配置传统的布局设计方法是以经验总结为基础，通过长期设计实践而形成的设计依据。传统的布局设计很大程度上是凭借设计人员的直接的或间接的经验，同时拟订几种布局设计方案;然后进行计算、绘图、比较、返工;最终获得设计方案。本文采用计算机辅助设计的方法，利用Solidworks软件生成元器件并布局，建立模型。(l)明确设计要求。了解设计任务，应用的环境、性能指标以及相关的国家标准和设计规范；(2)根据经验设计多种方案；(3)根据所设计的方案绘出图纸；(4)看所绘出图纸是否符合GB12668中国调速电气传动系统等国家标准；(5)是否满足散热、排风要求，器件有没有挡住散热通道；(6)结构设计的紧凑与否，器件之间间隙要合理不要过大；(7)导线布置。要考虑在一个平面内的导线布局更要兼顾整个箱体的布局，使主电路、控制电路以及信号线之间的干扰降低，减小电磁干扰；(8)确定方案并制作。6.2变频调速系统变频柜设计在变频柜设计时主要考虑电磁兼容、在柜子内部电容组和散热片摆放、布线、通风散热等，再利用501记works把各个器件装配到一起时要考虑电气间隙和爬电距离。电磁干扰主要有电源产生的干扰，如开关动作时的冲击电流、电路逻辑状态变换时的电流变化和电压变化、温度变化时的雷电浪涌、直流脉动、接通或断开较大负载时线路中产生的冲击浪涌等;公共配线上的阻抗干扰;接地线线干扰;静电放电对集成电路器件的干扰;电缆导线较长距离的平行配线产生的串联干扰等等。为抑制上述各种干扰，一般应在设计阶段就注意输入输出线路的隔离和配线方式，注意器件的选择和布局、地线的敷设方式等问题。对于电源，应该力求稳定可靠，并装设线路滤波器、隔离变压器和自动电压调节器等。还要仔细研究和处理各部分的接地，包括电线电缆的屏蔽层接地。此外，还应该考虑采用某些软件抗干扰手段，如输入数据滤波处理软件和防止失控等。变频柜设计完成后就要安装配线。在配线配线之前必须检查各种电缆的线径，看是否符合国家标准。要将主电路和控制电路的配线分开，而且要走不同的线路，不能长距离平行走线。尽量避免交叉走线，在不能避免交叉时，可以交叉但绝对不要相互并行走线。动力电缆、电源电缆、信号电缆、数据电缆要分别排线。按照标准在柜体内的最短距离为20mm，如有必要应采用接地的隔离开关或接地开关。过同一接线口时也要在两种电缆之间设置隔离壁，以防止动力线的干扰噪声侵入控制电路，造成变频器不正常运行。在对控制电路进行布线时应采用屏蔽线或双绞线以避免因干扰信号造成的误动作，影响变频器正常工作。为了抑制噪声和防止干扰，实践证明良好的接地方式在很大程度上可以抑制丙部噪声的祸合，同时还可以防止外部干扰的侵入，使系统的抗干扰能力提高;另外防止由于变频器主电路中的半导体开关器件在工作过程中将进行高速的开闭动作使壳体上有漏电电路产生，引起触电，必须保证变频器的接地端可靠接地。从安全和降低或者接在电器设备的外壳上。要使用较粗的短线一端接到接地极，另一端与接地端子PE端相连，接地线长度不超过20米，接地电阻要在100欧姆以下，接地极的位置要合理。为改善变频器输出电流，减少电动机噪声，可在变频器输出端加装交流电抗器。在进行接地线的布线时，不可以同动力机械、变压器等强电设备共用一个接地电缆或接地极，并且接地电缆布线上也应与强电设备的接地电缆分开，尽可能缩短接地电缆的长度。6.3变频控制柜内部基本布局设计变频控制柜前，既要要考虑变频柜正常运行条件，还要考虑可能发生的故障条件以及随之引起的故障。必须要了解变频控制柜的配置、工作环境、控制方式、工作方式、防护等级等。变频控制柜的布局及器件配置要合理，符合行业和国家标准，便于维护保养。（1）电源侧断路器（2）电源侧真空接触器（3）电源侧交流电抗器（4）电源侧EMI滤波器（5）机侧EMI滤波器（6）电机侧交流电抗器（7）电机侧真空接触器（8）进线开关6.4变频器散热及制作变频器的发热几乎都是由内部功率器件的损耗产生的。温度对任何设备都具有破坏作用，但是变频器和其他设备不同，因为其他设备的破坏作用常常是比较缓慢的，受破坏时的温度通常不是很准确地，唯独变频器的功率器件管IGBT在温度超过某一极限值时，会立即导致逆变管直通而损坏。因此，变频器的散热问题是非常重要地。矿用隔爆一体化电机是应用在煤矿井下存在瓦斯和煤粉尘的易爆危险环境中。所以对于矿用变频器要求是非常严格的，必须具有隔爆及本质安全性能。采用变频器置于隔爆壳体内可以解决对于矿用设备的隔爆要求，但是由于隔爆壳体内都是密封的，空气流通性非常小，在自然的情况下与外界的热交换只有通过壳体的扩散方式来完成。在这种情况变频器本身功率器件所产生的热量是得不到及时散发的。当温度高于某一临界值时变频器将不能正常工作甚至导致损坏。因此矿用隔爆一体化电机的散热问题是至关重要地。变频器的散热有很多方式，如风冷、水冷、强制风冷、热管散热等。但是由于矿用隔爆变频器是置于封闭的隔爆壳体内部，所以不能使用风冷散热，另外热管散热的成本非常高。考虑散热成本以及要适合隔爆变频器的应用环境我设计了一种强制水循环冷板散热。第7章防爆柜的三维实体模型7.1Solidworks软件介绍Solidworks是由美国SolidWorks公司开发的三维机械CAD软件，问世于1995年。因其强大的功能、易用性和创新性，在于同类软件的竞争中逐步确立了市场地位。SolidWorks提供了强大的基于特征的实体建模功能，用户可以通过拉伸特征、旋转特征、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作实现产品的设计，方便地添加特征、更改特征以及将特征重新排列，对特征和草图进行动态修改，并通过拖拽等方式实现实时设计修改。在进行装配设计时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系生成新零件可以动态装配体的所有运动，并对运动零部件进行动态的干涉检查和间隙检查，还可以应用智能零件技术自动完成重复设计，运用智能化装配技术完成自动捕捉并定义装配关系。在进行工程图设计时，可以自动生成详细，准确的工程图样，且这种工程图样是全相关的，即在修改图样时，三维模型，各个视图，装配体都会自动进行更新。SolidWorks还提供了功能强大的全相关的钣金设计和模具设计能力，以及开放的二次开发工具。Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。SolidWorks是一款三维机械CAD软件，具有强大的功能、易用性和创新性。7.2三维建模步骤通过Solidworks三维软件来建造变频器防爆柜的实体。由于防爆柜是一个装配体，主要由主箱体、两个接线腔和一个散热器组成，所以先从零件画起。主箱体由六块钢板焊接而成，每个钢板厚度为16mm。通过拉伸命令就可以完成，比较简单。按照尺寸图把两个接线腔也画出来。最后画出散热器的零件。新建装配体，把零件用配合类型装配到一起。图6.1防爆柜三维模型第8章焊接技术焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。焊接过程中，工件和焊料融化形成熔融区域，熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接。这一过程中，通常还需要施加压力。焊接的能量来源由很多种，包括气体焰，电弧，激光，电子束，摩擦和超声波等。焊接的出现迎合了金属艺术发展对新工艺手段的需要。而在另一方面，金属在焊接热量作用下所产生的独特美妙的变化也满足了金属艺术对新的艺术表现语言的需求。在今天的金属艺术创作中，焊接可以而且正在被作为一种独特的艺术表现语言而着力加以表现。焊接方法焊接技术主要应用在金属母材上，常用的有电弧焊，氩弧焊，CO2保护焊，氧气-乙炔焊，激光焊接，电渣压力焊等多种，塑料等非金属材料亦可进行焊接。金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。在防爆[11]电频柜的设计中要用到焊接技术，并且对焊接的质量要求很高。由于变频柜是由钢板折叠而成的，所以要用的焊接主要是钢板之间缝隙的焊接。第9章有限元分析与Simulation在隔爆柜结构分析中的应用9.1Simulation简介SolidWorksSimulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorksSimulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析，优化分析，非线性分析，线性动态分析，掉落测试分析，疲劳分析，压力容器分析。SolidWorksSimulation凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能够使用个人计算机快速解决大型问题。SolidWorksSimulation提供了多种捆绑包，可满足您的分析需要。SolidWorksSimulation节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。9.2Simulation对防爆柜的结构分析步骤柜体是电器，电子设备的基础结构。在煤矿中，爆炸引起的振动，冲击是导致电子设备失效的重要原因，所以防爆变频柜的结构设计合理性就相当重要。而Simulation是模拟检验设计合理性最好软件，它可以模拟在外界爆炸力的作用下变频柜发生的最大变形和破坏。Simulation对防爆柜的分析步骤：1.有限元分析的前处理完成箱体几何建模后，就可以将其导入到Simulation有限元分析软件中，建立它的有限元模型。在建立有限元模型前，先要定义工作文件名，指出分析类型，然后进行定义材料属性、设定网格类型、施加约束和载荷、划分网格等前处理，再进行求解。在计算时，对箱体的焊接进行简化处理，即假设各焊接材料属性、焊条材料属性无缺陷，焊接牢固可靠，无虚焊、漏焊、松脱现象，所有焊缝为连续全焊透，且不考虑焊缝材料特性的变化，认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料特性相同，焊接后残余应力较小，不足以影响箱体的计算结果。2.将防爆柜实体简化由于只对防爆柜的主体进行有限元分析，可以将两边的接线腔和后边的散热部件省去。不考虑螺纹孔的受力，将所有螺纹孔压缩。箱体前门的厚度要比四周钢板厚许多，因此分析时可以不考虑前门。图9.1简化后的模型3新建算例-无方钢的防爆柜点击算例顾问，选择新建算例，在名称中输入“无方钢防爆柜”，点击静态，确定。分析类型的选择是由模型载荷条件及要计算的相应确定的，可以分为静态分析、瞬态分析、谐分析、模态分析、谱分析、屈曲分析和子结构分析等。箱体按国家标准在高压状态进行密封试验和防爆试验，采用的试验方法是在箱体内逐步缓慢的施加水压，水压的最大值为1MPa，并在这压力下保持10秒钟。由于施加的水压比较大，同时结合以前水压试验情况，箱体局部零件由可能超过材料的屈服极限，出现塑性变形。因此要考虑塑性变形，采用弹塑性的非线性分析。做水压实验时，箱体承受水压的时间比较长，同碰撞、冲击、震动、爆炸等载荷状态下有着本质的不同，故不能采用动态分析，视为静态分析，即载荷不随时间变化的系统平衡分析。图9.2新建算例4.对防爆柜进行材料应用在材料中选择普通碳素钢Q235A，Q235A的材料特性如下：图9.3Q235A材料属性5.选择夹具由于防爆柜是放在煤矿井下，竖直放置，选择防爆柜底部进行固定约束。为了保证箱体在外力作用下保持平衡，必须进行约束处理，引入边界条件。箱体作水压试验时，在箱体和水的自重作用下，固定箱体底板，使箱体沿高度方向（Z轴）平动自由度及绕X、Y轴转动自由度为零；（2）对于对称面上的所有结点，设置该面上所有结点在其法线方向（Y轴）的平动自由度和绕其他两轴的转动自由度为零。图9.4夹具6.外部载荷用1MPa的水压进行试验，载荷时由1MPa的水压和水的自重两部分组成。1Mpa=1.0×106Pa=10个大气压，相当于103.36m的水柱产生的压强，而此防爆柜的长宽不足1.5m，相对于1MPa的水压可以忽略不计。因此只对防爆柜的内部五个表面施加1Mpa的面压力。有限元的主要目的是检查结构或构件对一定载荷的影响，因此，在分析中指定合适的在和条件是获得高精度计算结果非常关键的一步。箱体主要受两个方面的力，即试验时施加的水压力和水自重产生的压力。施加的水压为1MPa，其方向为垂直于各受力表面：水自重形成的压强可以通过计算得出，方向也垂直于各受力表面，计算公式为：P=ρghP——压强ρ——水的比重，1X103kg/m3G——重力加速度，9.8N/kgh——受力位置水的深度图9.5外部载荷7.网格划分对此防爆柜进行网格划分，整个防爆柜都是将钢板焊接起来的，不存在横梁、薄壳等其他结构，并且焊接的结构效果和钢板的整体材料效果相同，所以只需将其看成实体进行网格划分。在网格参数里选择网格大小为50mm，公差为2.5mm。定义边界约束和施加载荷后，下一步就是对箱体划分网格。划分网格是建立箱体有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题比较多，需要的工作量比较大，所划分的网格形式对箱体的计算精度和计算规模将会产生直接影响，影响计算的主要因素包括网格数量和网格密度。网格数量的多少将影响箱体计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格划分的越细，计算精度会有所提高，同时，网格划的越细，产生的单元数，结点数及自由度数越多，计算变得就越复杂，所需的计算机资源，CPU运行时间也越多。在有限元分析中，确定单元类型是很重要的。在结构静立分析中，要用到地典型的单元类型有：线单元、二维单元、三维实体单元等。一般来说，选取单元类型的要点是:采用解决问题所必须的自由度数目最小的单元类型。当然，单元类型的选举取决于分析对象的结构类型和几何形状，还受到载荷类型和作用方向、变形的假设、应变分布及分析所要的精度等诸多因素的影响。一般原则是：一维单元（杆、粱和弹簧等）用于离散“线”类结构（如桁架、梁结构等）；二维单元（平面应力、平面应变轴对称和薄壳等）用于离散“面”类结构（如板壳结构）；三维单元（厚壳和实体等）则用于离散“体”类结构（如块体结构）。这里所谓的一维、二维和三维，并非指单元所适用结构的实际类型，而是它所能得到的结果种类。例如，薄壳单元能离散三维的结构，但其分析的结果却是二维的。在选取单元时，要特别注意不同类型的单元连接处的处理问题。这些连接处的多余的结点自由度必须采取适当的办法加以消除，以保证单元间的协调。综上所述，在本课题中，由于箱体零件少，结构简单，宜采用3D实体单元类型。图9.6网格划分8.结果运行点击运行，获得应力、应变和位移图。图9.7应力图图9.8位移图图9.9应变图9.结果分析并进行优化从应力图中可以明显看出防爆柜整体的普遍应力都大于普通碳钢的屈服强度，所以判定为不合格。从位移图中看出最大位移为6mm，发生在后板的中间。综上分析，可以在后板上面焊接一个30X30方钢来增加后板的强度。优化后的结果:图9.10应力图图9.11位移图图9.12应变图10.结果比较通过加方钢的防爆柜和不加方钢的防爆柜计较，可以发现加方钢的防爆柜要比不加方钢的防爆柜所受的应力和位移要小得多，并且满足屈服强度要求。所以选择加方钢的防爆柜这个方案。总结当今世界市场竞争日趋激烈，用户对产品的性能要求越来越高，同时要求产品的设计和制造周期越来越短。若想在竞争激烈的市场中占有一席之地，依靠传统的设计方法是行不通的，必须采用先进的三维有限元分析技术，在Simulation软件的支撑下，可以即时对设计的结构进行受力分析，并针对分析结果提出修改方案，再计算修改，如此反复，以达到优化设计的目的。大幅度提高设计制造效率，对提高产品的设计技术水平、快速响应市场、降低成本具有十分重要的意义。本文采用了现代设计方法，以山西普松自动化电气分公司设计的防爆柜为研究对象，对该防爆柜的箱体进行有限元分析，找出了箱体受力薄弱环节，并采取了有效的改进措施，取得了显著的成效。根据GB3836.2-83标准进行了样机试验，顺利通过了1MPa的水压强度和隔爆性能测试，达到了很好的效果，验证了理论计算值是正确的、可靠地。通过对变频器防爆柜的有限元分析，可以得出如下结论;有限元可以对三维实体模型进行有效地分析，对复杂零部件的设计和优化提供了重要的技术手段，减少设计的盲目性。有限元可以计算出箱体三维实体上任意节点的应力、应变、位移值，也可以查看各个节点任意方向的应力、应变、位移值。使用有限元法，可以在设计阶段对产品进行验算，预先发现潜在问题，并进行即时的修改，大大增强了设计功能，减少了设计成本。在进行有限元分析时，有些结构形状非常复杂，零部件较多，计算量很大，因此在建模时进行一定的简化处理，略去或简化一些对结构影响不大的零件。有限元改变了传统的“设计——制造——试验——修改设计——再制造——再试验”等设计制造方法，缩短了产品的开发周期。以前用传统的经验设计方法，研制开发一台新型变频器防爆柜需要的周期一般为2年，需要制造4台样机，才能完成水压强度试验和防爆试验，这次采用现代设计方法，从产品的研究、设计、样机的试制，到水压强度试验和防爆试验的顺利通过，只用了4个月的时间，而且一次试制成功，节省了大量的时间和费用，表明这种方法对新产品的开发是特别有效的。参考文献[1]W.I.Winneret.TheRoleofConcurrentEngineeringin