節(jié)能變頻器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

沈 瑾， 李巧蓮

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海200063)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器不但能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，而且在負(fù)載不同時(shí)，始終高效運(yùn)行，有良好的動(dòng)態(tài)特性，能實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動(dòng)控制。變頻器節(jié)能效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用越來越廣泛。由于各個(gè)廠家對變頻器的容量要求、功能要求各不相同，在有限的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)、加工、制造出滿足客戶要求的靜止變頻電源及其控制系統(tǒng)對生產(chǎn)廠家來說也是一項(xiàng)耗時(shí)、耗力的工程。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要基于功率規(guī)格選擇不同的器件，怎樣合理、高效地進(jìn)行變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出結(jié)構(gòu)緊湊、通風(fēng)、散熱性能良好的變頻器是需要面對的課題。

1 現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是:將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。

1.2 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法

從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出:定義設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引用已有的產(chǎn)品解(如通用零部件等)描述設(shè)計(jì)任務(wù)，即分解任務(wù)時(shí)就考慮每個(gè)分任務(wù)是否存在對應(yīng)的產(chǎn)品解，這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設(shè)計(jì)任務(wù)中可能存在的矛盾，早期預(yù)測生產(chǎn)能力、費(fèi)用，以及開發(fā)設(shè)計(jì)過程中計(jì)劃的可調(diào)整性，由此提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)也降低新產(chǎn)品的成本。結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法將描述設(shè)計(jì)任務(wù)的功能化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為四層:(1)產(chǎn)品;(2)功能組成;(3)主要功能組件;(4)功能元件。采用面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化特征目錄，對功能元件進(jìn)行更為具體的定性和定量描述。

1.3 基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)方法

基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是:用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識(shí)庫及推理機(jī)制，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。

1.4 智能化設(shè)計(jì)方法

智能化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是:根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)理論，借助三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及多媒體、超媒體工具進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、表達(dá)產(chǎn)品的構(gòu)思、描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。

2 變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 變頻器的分類及特點(diǎn)

從變頻器功能可分為通用變頻器和專用變頻器兩類。變頻器廠家根據(jù)市場上的常用電機(jī)規(guī)格設(shè)計(jì)一系列通用變頻器供廠家直接選用，通用變頻器的特點(diǎn)是規(guī)格多，常用功率最小，從0.75 kW開始到315 kW，這類產(chǎn)品的功能要求相差不大，客戶選擇產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家范圍比較廣，所以客戶比較挑剔，客戶選擇產(chǎn)品不僅需滿足性能上的要求，更在乎外觀、體積、價(jià)格。生產(chǎn)出性價(jià)比高的產(chǎn)品是生產(chǎn)廠家追求的目標(biāo)。專用變頻器是根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)的變頻器，由于功率大小、輸出要求、功能等無法在市場直接選擇滿足要求的變頻器，必須由廠家為此定制、加工、生產(chǎn)。靜止變頻電源就是一種專用變頻器，這類變頻器的特點(diǎn)是對變頻器輸出品質(zhì)要求較高，功率、輸出變化很大，每次設(shè)計(jì)要求都不相同，加上這類項(xiàng)目設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試時(shí)間有限，所以專用變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)耗時(shí)、耗力的工程，如何利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率顯得尤為重要。

2.2 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法在通用變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

在設(shè)計(jì)某檔規(guī)格的通用變頻器時(shí)，可以把產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程概括為“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”三個(gè)階段，并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。(1)產(chǎn)品規(guī)劃——構(gòu)思產(chǎn)品。其任務(wù)是確定產(chǎn)品的外部特性，如色彩、形狀、表面質(zhì)量、人機(jī)工程等，并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表示出來，建立能夠體現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品外形的簡單模型，該模型可以在虛擬環(huán)境中建立，借助于數(shù)據(jù)帽和三維鼠標(biāo)，用戶還可在一定程度上參與到這一環(huán)境中，并且能夠迅速生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測外部形狀效果的依據(jù)，也是幾何圖形顯示設(shè)計(jì)變量的依據(jù)，同時(shí)還是開發(fā)過程中各類分析的基礎(chǔ)。(2)開發(fā)——設(shè)計(jì)產(chǎn)品。該階段主要根據(jù)“系統(tǒng)合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同有不同的含義:可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯(lián)接等;也可以是復(fù)合元素，如機(jī)、電、電子部件、控制技術(shù)或軟件組成的傳動(dòng)系統(tǒng);還可以是要求、特性、形狀等。將實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產(chǎn)品的配置(設(shè)計(jì)模型中解元素間的關(guān)系)進(jìn)行分析，產(chǎn)品配置分析是綜合“產(chǎn)品規(guī)劃”和“開發(fā)”結(jié)果的重要手段。(3)生產(chǎn)規(guī)劃——加工和裝配產(chǎn)品。在這一階段中，可利用Pro Enginer的虛擬裝配過程用計(jì)算機(jī)圖像顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關(guān)系，由此發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)和問題，找出解決問題的方法，并認(rèn)為將CAD技術(shù)綜合應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的三個(gè)階段，可以使設(shè)計(jì)過程的綜合與分析在“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”中連續(xù)交替進(jìn)行。因此，可以較早地發(fā)現(xiàn)各個(gè)階段中存在的問題，使產(chǎn)品在開發(fā)進(jìn)程中不斷的細(xì)化和完善。設(shè)計(jì)通用變頻器的過程就是一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)市場上的通用變頻器規(guī)格分檔，規(guī)劃出每檔規(guī)格大致的外形尺寸，設(shè)計(jì)自己公司特有風(fēng)格的外觀，并用三維軟件如ProEnginer模擬虛擬產(chǎn)品;然后結(jié)合產(chǎn)品的內(nèi)在技術(shù)要求進(jìn)行細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行三維動(dòng)作模擬、安全距離檢查、裝配檢查等，同時(shí)進(jìn)行修改、確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方案，在設(shè)計(jì)變頻器階段及早發(fā)現(xiàn)有可能存在的問題，這是系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的典型實(shí)例。系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)任務(wù)由抽象到具體(由設(shè)計(jì)的任務(wù)要求到實(shí)現(xiàn)該任務(wù)的方案或結(jié)構(gòu))進(jìn)行層次劃分，擬定出每一層欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機(jī)地聯(lián)系在一起，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化，使設(shè)計(jì)有規(guī)律可循，有方法可依，易于設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)。

2.3 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法在用變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)用

結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法可以把具有某種功能的實(shí)現(xiàn)看作為一個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，通過結(jié)構(gòu)模塊的組合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。對于特定種類的機(jī)械產(chǎn)品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)模塊的劃分比較容易，因此，采用結(jié)構(gòu)模塊化方法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)較為合適。由于實(shí)體與功能之間并非是一一對應(yīng)的關(guān)系，一個(gè)實(shí)體通?？梢詫?shí)現(xiàn)若干種功能，一個(gè)功能往往又可通過若干種實(shí)體予以實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)靜止變頻電源時(shí)，根據(jù)其內(nèi)部功能將其分成逆變單元、整流單元、制動(dòng)單元、控制單元、鈑金箱體等，每個(gè)單元做成獨(dú)立的模塊，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速定位、組合，以便從宏觀上規(guī)劃結(jié)構(gòu)布局、機(jī)箱尺寸。逆變單元主要由逆變模塊和散熱器組成，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)功率大小選擇逆變模塊的規(guī)格和數(shù)量，由于三維造型的直觀性，借鑒個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)直接調(diào)整散熱器的尺寸，以滿足每款靜止變頻電源的要求。鈑金箱體滿足逆變、整流、制動(dòng)、控制等所有單元的安裝要求，安裝不僅要滿足電器絕緣、抗干擾等要求，而且要方便安裝、拆卸。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用三維軟件干涉和間距檢查功能進(jìn)行校核，模擬安裝。靜止變頻電源中的每個(gè)單元又由多種元器件組成，而每個(gè)模塊又由多個(gè)子模塊組成，所以模塊由一層層子模塊組成，在設(shè)計(jì)時(shí)必須分清層的關(guān)系才能提高設(shè)計(jì)效率，同時(shí)必須要理清通用件和非標(biāo)件。由于每次設(shè)計(jì)時(shí)細(xì)節(jié)要求還是有所不同，所以針對每個(gè)項(xiàng)目要求進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，避免不必要的浪費(fèi)。作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，靈活運(yùn)用三維計(jì)算軟件工具才能做到最經(jīng)濟(jì)、有效的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

2.4 設(shè)計(jì)方法的綜合運(yùn)用

機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)通常無法采用純數(shù)學(xué)演算的方法進(jìn)行，也難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完整的描述，而需根據(jù)產(chǎn)品特征進(jìn)行形式化的描述，借助于設(shè)計(jì)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和決策。因此，欲實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)，必須解決計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)和專家設(shè)計(jì)決策等有關(guān)方面的問題，由此形成基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)方法。

目前，智能化設(shè)計(jì)方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，直觀性較好，開發(fā)初期用戶可以在一定程度上直接參與到設(shè)計(jì)中，但系統(tǒng)性較差，且零部件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者參與。

值得一提的是:上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯(lián)系，如結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法中，劃分結(jié)構(gòu)模塊時(shí)就蘊(yùn)含有系統(tǒng)化思想，建立產(chǎn)品特征及設(shè)計(jì)方法知識(shí)庫和推理機(jī)時(shí)，通常也需運(yùn)用系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)模塊化方法，此外，基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)同時(shí)又是方案智能化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一。在機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)中，視能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的通用零件、部件或常用機(jī)構(gòu)為結(jié)構(gòu)模塊，并將其應(yīng)用到系統(tǒng)化設(shè)計(jì)有關(guān)層次的具體設(shè)計(jì)中，即將結(jié)構(gòu)模塊化方法融于系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法中，不僅可以保證設(shè)計(jì)的規(guī)范化，而且可以簡化設(shè)計(jì)過程，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本。

靜止變頻電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的工業(yè)設(shè)計(jì)。靜止變頻電源是一種工業(yè)產(chǎn)品，除了滿足工業(yè)產(chǎn)品特有的功能以外，靜止變頻電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要人性化，符合人機(jī)工程要求。例如在設(shè)計(jì)靜止變頻電源機(jī)柜的柜門時(shí)需考慮指示燈和把手的安裝高度。研發(fā)初始時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的箱體前柜門是分上下兩扇的，為防止操作人員安裝起身時(shí)被撞，從安全角度考慮，改成整體一扇，并且采用帶長連桿的鎖具。此外由于部分靜止變頻電源的現(xiàn)場空間有限，為了減少過道的空間，不做后側(cè)開門，將箱體后側(cè)做成數(shù)塊活動(dòng)封板，安裝彈出鎖具可快速開起。此外，一套合理的靜止變頻電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)也滿足好的結(jié)構(gòu)工藝性，結(jié)構(gòu)工藝性包括零件機(jī)械加工結(jié)構(gòu)工藝性和產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)工藝性。因此，在做靜止變頻電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到結(jié)構(gòu)工藝性的要求，使產(chǎn)品盡可能加工簡單易行、拆裝方便。例如靜止電源的直流母線在箱體上部，為了便于現(xiàn)場銅排安裝方便，箱體頂蓋做成可拆卸，并將頂蓋分割成若干塊，減輕每塊頂蓋的重量，并安裝彈出鎖具，便于快速開起。

3 結(jié)語

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，我國由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)自行開發(fā)的工具軟件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件基本被國外大公司壟斷。綜合運(yùn)用文中四種類型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到理想設(shè)計(jì)目標(biāo)的有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí)，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)必須努力的方向。近年來我國的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展迅速，在企業(yè)內(nèi)的普及程度相當(dāng)廣泛，國內(nèi)的變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨向合理、緊湊也是一個(gè)很好的例證，但智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造等方面與國外比較還有明顯的差距。國家“十二五”計(jì)劃提出增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，提高產(chǎn)業(yè)核心競爭力，相信通過若干年的努力，我國產(chǎn)品制造業(yè)會(huì)有很好的發(fā)展。

［1］GAGAN J，VOGEL C M.創(chuàng)造實(shí)破性產(chǎn)品:從產(chǎn)品策略到項(xiàng)目定案的創(chuàng)新［M］.辛向陽，潘龍 譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］林清龍.Pro/ENGINEER動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.