王金榮,潘 毅,孟廣松
(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司,四川 德陽 618000)
風(fēng)機(jī)的控制是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中的核心內(nèi)容之一,風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部、輪轂內(nèi)部和塔筒底部都安裝有控制柜,以保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文闡述了一種安裝在塔筒底部的控制柜,根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算分析結(jié)果,對(duì)該控制柜進(jìn)行了小批量試制。作為風(fēng)電機(jī)組的通用設(shè)備,在進(jìn)行柜體設(shè)計(jì)時(shí),首先要考慮柜體生產(chǎn)制造的通用性,同時(shí)要考慮柜體內(nèi)電器元件的布置及電源線進(jìn)線方式。由于整個(gè)柜體位于塔筒底部的密閉環(huán)境內(nèi),需要考慮柜體的防護(hù)等級(jí)和通風(fēng)散熱條件。在柜體生產(chǎn)和安裝過程中,要考慮柜體轉(zhuǎn)運(yùn)和設(shè)備安裝在工程使用上的便捷性。
本文結(jié)合柜體的試制經(jīng)驗(yàn),對(duì)上述幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了說明,并給出優(yōu)化方案,為后續(xù)批量生產(chǎn)提出解決方案。
出于柜體制造的通用性考慮,柜體采用常見的ES(五折)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。門板、雙側(cè)板及后背板采用2 mm厚優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板折壓噴漆而成,柜體頂部為整塊冷軋鋼板。設(shè)備安裝后主要靠柜體底部承重,在柜體底部設(shè)計(jì)整體框型底座。為方便電器元件安裝,在柜體內(nèi)側(cè)底部2根橫梁上設(shè)計(jì)安裝支架,安裝支架通過螺栓把合在橫梁上,方便電器元件安裝位置的調(diào)整。為防止安裝支架兩端壓力過于集中,在橫梁兩端各加裝一塊小鋼塊,增加橫梁與柜體接觸面積,分散壓力。根據(jù)器件進(jìn)線方位,在柜體側(cè)面深度方向設(shè)計(jì)安裝橫梁,用于安裝輔助器件、進(jìn)線端子等,同時(shí)為保證柜內(nèi)走線美觀,將柜體進(jìn)出線綁扎于橫梁上,防止電器元件長(zhǎng)期工作散熱影響柜體側(cè)邊橫梁上電器件使用壽命,電器元件應(yīng)盡可能靠近進(jìn)線口橫梁對(duì)側(cè)安裝。
控制柜不安裝風(fēng)扇,采用空氣自然冷卻散熱[1]。在柜體內(nèi),電器元件為主要發(fā)熱部件,所以在柜體設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮電器元件的散熱。首先在柜體設(shè)計(jì)時(shí)要保證電器元件的散熱空間,根據(jù)電器元件的外形尺寸,柜體距主要發(fā)熱電器元件外形尺寸至少預(yù)留100 mm,保證電器元件發(fā)出的熱量能及時(shí)擴(kuò)散出去。同時(shí)柜體采用鏤空設(shè)計(jì),柜體門板、左右側(cè)板及后背板均開通氣孔,保證電器元件發(fā)出的熱量可以通過通氣孔將熱量排出去。根據(jù)要求柜體防護(hù)等級(jí)[2]為IP21,所以通氣孔直徑一般設(shè)計(jì)為6 mm。
考慮進(jìn)線的方便性,控制柜采用底部進(jìn)線方式??稍诳蛐蔚鬃笥覂蓚?cè)的槽鋼上開長(zhǎng)方形的進(jìn)線口。在柜體底板設(shè)計(jì)推拉式活動(dòng)底板,可以左右活動(dòng),引線從進(jìn)線口穿入后通過推拉式活動(dòng)底板進(jìn)入柜體內(nèi)部[3],接在接線端子上。在活動(dòng)底板和固定底板合縫處邊緣粘貼泡棉,引線穿入后將活動(dòng)底板拉上。泡棉有很大的壓縮量,既能方便進(jìn)線,還能起到密封作用,防止灰塵進(jìn)入柜內(nèi)。引接線引入控制柜后,用扎帶綁于柜體側(cè)梁上,使引線與電器元件之間保持一定的距離,防止電器元件散發(fā)的熱量引起引接線表面絕緣的快速老化。
控制柜樣柜底部設(shè)有框型底座,高度100 mm,兩側(cè)開有長(zhǎng)方形的進(jìn)線孔,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),底座選用10#槽鋼焊接而成,用于支撐整個(gè)設(shè)備的重量。樣柜底座設(shè)計(jì)證明槽鋼框型底座滿足設(shè)計(jì)需要,但成本偏高。
為降低后期控制柜底座批量生產(chǎn)成本,同時(shí)滿足使用性能要求,本文對(duì)柜體底座進(jìn)行了優(yōu)化,并用仿真分析軟件SolidWorks Simulation對(duì)2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm鋼板焊接的框形底座進(jìn)建模和仿真[4],并與槽鋼焊接底座進(jìn)行對(duì)比,底座模型如圖1所示。
圖1 底座示意圖
控制柜中電器元件重量按500 kg考慮,柜體自身重量約150 kg左右,考慮一定的余量,設(shè)置底座受到向下壓力為7 600 N,根據(jù)軟件分析結(jié)果,底板的應(yīng)力、位移和應(yīng)變?nèi)绫?所示。
表1 底座應(yīng)力、位移和應(yīng)變
從表1中數(shù)據(jù)可以看到,當(dāng)鋼板厚度2 mm時(shí),底座的最大應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度值,會(huì)引起底座的塑性變形;采用3mm厚鋼板時(shí),底座最大應(yīng)力和鋼板屈服強(qiáng)度數(shù)量級(jí)相同,底座承力余量較小,電器元件安裝梁與底座結(jié)合處受力變形量超過1 mm;當(dāng)材料厚度大于等于4 mm時(shí),最大應(yīng)力數(shù)量級(jí)與槽鋼底座最大應(yīng)力數(shù)量級(jí)相同,底座的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值,電器元件安裝梁與底座結(jié)合處受力最大,且變形量均小于1 mm,變形量較小,隨著鋼板厚度增加,應(yīng)力減小幅度不明顯。從材料成本和性能要求考慮,采用4 mm厚鋼板經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好。
為了通風(fēng)散熱的需要,樣柜柜體采用鏤空設(shè)計(jì),柜體門板、左右側(cè)板及后背板均開有通氣孔,柜體鏤空設(shè)計(jì)滿足了散熱的要求,但也降低了柜體強(qiáng)度。當(dāng)柜體內(nèi)的電器元件設(shè)備沒有安裝時(shí),可以在柜體頂部安裝吊裝螺栓采用頂部起吊的方式,方便柜體的起吊轉(zhuǎn)運(yùn)。當(dāng)電器元件安裝后,采用頂部起吊時(shí)柜體頂部受力,柜體強(qiáng)度不足以支撐變控制柜體和柜體內(nèi)電器元件的重量,柜體存在變形風(fēng)險(xiǎn),因此考慮在框形底座上設(shè)計(jì)吊攀,采用底部起吊的方式,同時(shí)配合頂部吊環(huán)控制吊帶方向。
常規(guī)做法是:底座前后共設(shè)計(jì)4個(gè)吊攀,吊攀不能伸出柜體太短,也不能伸出太長(zhǎng)。伸出太短在起吊時(shí)吊繩會(huì)勒到柜體引起柜體變形,伸出太長(zhǎng)需要大的安裝空間,同時(shí)也妨礙操作人員工作。因此在底板上焊接吊攀安裝支座,通過螺栓將吊攀把合,這樣在起吊時(shí)將吊攀把上,吊裝完成后可以把吊攀拆下來,結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 把合式吊攀
通過吊攀把合的方式雖然可以滿足工程使用要求,但是存在不足之處。首先吊攀把合在安裝支座上,起吊前后須手工拆卸螺栓,增加了現(xiàn)場(chǎng)安裝人員工作量;其次,由于風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜,拆掉的吊攀和螺栓不方便保存,容易遺失。因此,本文總結(jié)了樣柜底座吊攀設(shè)計(jì)的不足之處,提出后續(xù)批量生產(chǎn)吊攀設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。
在框形底座的鋼板上設(shè)計(jì)吊點(diǎn)的位置焊4塊厚鋼板增加底板吊點(diǎn)處的厚度,然后在小鋼板和底座中間開圓通孔,在通孔插入抽拉式圓鋼,圓鋼的兩端焊接圓擋片。起吊時(shí)將圓鋼抽出,吊帶掛在圓鋼外側(cè),結(jié)構(gòu)如圖3所示。在吊裝完畢可將圓鋼縮回框形底板內(nèi),不占用安裝空間,這樣既解決了吊攀長(zhǎng)度不足的問題,也解決了吊攀的拆卸和保存問題。
圖3 推拉式吊攀
本文通過小批量樣柜試制,對(duì)柜體散熱、進(jìn)線方式和柜體起吊等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述,總結(jié)控制柜試制經(jīng)驗(yàn),并對(duì)柜體底座和吊攀進(jìn)行優(yōu)化,并給出設(shè)計(jì)方案,為后續(xù)大批量生產(chǎn)作準(zhǔn)備。在進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí),要注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。
1)通用性要求??刂乒褡鳛轱L(fēng)電機(jī)組的通用設(shè)備,柜體采用ES(五折)結(jié)構(gòu)。
2)柜體散熱設(shè)計(jì)。為滿足電器元件散熱及防護(hù)要求,柜體采用鏤空設(shè)計(jì),柜體門板、左右側(cè)板及后背板開直徑6 mm的通氣孔。
3)柜體進(jìn)線設(shè)計(jì)??刂乒癫捎玫撞窟M(jìn)線方式,在框型底板左右兩側(cè)開長(zhǎng)方形的進(jìn)線孔,并在進(jìn)線位置粘貼泡棉進(jìn)行防護(hù)。
4)柜體底座設(shè)計(jì)。從成本和滿足使用性能要求綜合考慮,根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果,柜體底板采用4 mm鋼板折壓焊接的方式。
5)控制柜的起吊。柜體頂部設(shè)計(jì)吊環(huán),方便柜體的起吊轉(zhuǎn)運(yùn),底板上采用優(yōu)化過的推拉式吊攀結(jié)構(gòu),用于安裝元器件后控制柜的起吊,同時(shí)也解決了柜體安裝空間布局及吊攀存放問題。