2018年04月09日 | 基于ANSYS WORKBENCH的光伏逆变器新型挂墙支架轻量化研究

1. 背景介绍

轻量化，顾名思义就是在保证零组件(或整机)的强度和结构安全的前提下，尽可能的降低质量。由于CAE的广泛使用，轻量化设计在汽车行业已取得了显著成效。组串型光伏逆变器将光伏组件产生的直流电直接转变为交流电汇总后升压、并网。由于其自身特点，在使用现场通常是挂墙安装，如图1。逆变器的质量大头是散热器和外壳(包括箱体和挂墙钣金件)。之前，组串型逆变器功率大多在20KW下，质量一般不超过20kg，单人尚可安装与维护。近期，随着技术进步，组串型逆变器功率等级和质量逐步提高，已出现质量70kg型号。安装、维护和包装运输都面临更大的挑战。散热器的减重研究在笔者之前的论文《基于ICEPAK热仿真的的光伏逆变器结构优化》和《利用响应面优化评估150kw逆变器散热方案》已有详细论述。针对挂墙支架，利用ANSYS  WORKBENCH有限元分析，本文提出一种“分体式二次承载”结构，并制作了样机验证。

某型15kw压铸箱体光伏逆变器如图2和图3，质量20kg，”墙面钣金支架(标记B处，壁厚3mm)+逆变器钣金支架(标记A处，壁厚2mm)”质量为0.7kg。

挂墙前，逆变器钣金支架预先固定在逆变器背面。挂墙状态下，墙面钣金支架在上下2端与逆变器接触。根据力学原理，上下2个接触点距离越大，则上接触点承受的横向拉力和下接触点承受的横向压力越小，墙面钣金支架有可能采用更薄的钣金材料和更小尺寸。但距离越大墙面钣金支架轮廓尺寸越大，进而越重和成本更高。经有限元分析，中间部分(图4中标记B)的钣金材料对承载贡献很小，存在优化空间。

某型50kw钣金箱体光伏逆变器如图5，质量48kg，单体结构墙面支架(壁厚2mm)如图6，”墙面支架+逆变器上下支架”质量为3kg。理想的挂墙状态应为逆变器上支架和逆变器下支架在重力竖直方向同时接触墙面支架。但因为钣金件的制造公差和安装误差产生的间隙如图7，逆变器下支架往往并没有在重力竖直方向接触墙面支架的下部钣金。因此，墙面支架的下部钣金并没有承担逆变器的重量，只起到了限制逆变器底部前后摆动的作用。标准规定的4倍逆变器重量需要全部由墙面支架的上部钣金承受，因此墙面支架的上部钣金必须粗大厚实。上部钣金和下部钣金之间还需要1根连接钣金如图6，这进一步增加了重量和成本。

又如某型35kw钣金箱体光伏逆变器如图8，质量50kg，单体结构墙面支架(壁厚2mm)如图9，”墙面支架+逆变器上下支架”质量为5.31kg。同样由于间隙如图10，墙面支架的下部钣金并没有承担逆变器的重量，2个螺钉只起到了限制逆变器底部前后摆动的作用。

为减轻重量并充分利用钣金材料，拟将墙面钣金支架拆分为2件“分体式”结构。注意到IEC  62109-1(光伏电力系统用电力变流器的安全)的挂墙安装实验要求：“安装支架除了承受设备自重，还要再加上大小等于设备重量三倍的力。力的方向沿重心处垂直向下。试验力在5s至10s内从零逐渐增加到预定大小，然后维持1分钟。”载荷分2次施加，为使墙面支架的下部钣金充分发挥承载作用，墙面支架也可以设计成“二次承载”结构。第一步载荷为逆变器自重，第二步载荷为逆变器4倍重量。

某型48kg钣金箱体逆变器挂墙支架方案(详细模型仿真)

前述48kg钣金箱体逆变器详细3D模型如图11(电感罩和散热器罩隐藏)，墙面支架为“分体式”，逆变器支架和墙面支架钣金厚度均为1.5mm。图12为“二次承载”实现方法示意图。二次承载用螺钉，事先安装在墙面下支架上但不拧紧，逆变器刚挂好时并不接触逆变器下支架;旋转二次承载用螺钉使其向上运动直到接触逆变器下支架，此时可确保墙面下支架与墙面上支架一起承受标准规定的4倍逆变器重量。

为简化计算，钣金箱体(硬件部分)、电感、散热器、风扇模块都设为刚体如图13。其余钣金件抽中面后采用壳单元SHELL281。钣金材料使用系统自带的非线性不锈钢。计算时考虑非线性。为体现标准规定的加载要求，施加标准地球重力载荷。3倍重量采用含2个载荷步的远程力施加，第一步大小为0，第二步3*48kgf。利用生死单元，二次承载用螺钉与逆变器下支架的摩擦接触(interface  treatment需设为adjust to  touch)在第二个载荷步生效，第一个载荷步时被杀死，如图14。几何建模时，螺钉端面和下支架之间需存在间隙。此间隙值需要试算，以保证第一个载荷步结束时螺钉与下支架没有干涉而且间隙足够小，第二个载荷步开始计算后，螺钉与下支架的接触单元数和接触面积可以很快达到稳定值。

需计算3种工况：(1)实验条件下挂墙安装承受4倍自身重量，(2)使用现场挂墙安装只承受自身重量，(3)平放地面时，承受自身重量。

承受4倍自重时，计算所得最大等效应力为235.36MPa如图15，最大变形为3.334mm如图16，逆变器上下支架和墙面上下支架质量仅为1.3kg如图17。

如图18查看墙面上支架的竖直方向支反力，第一载荷步结束时为444.82N，第二载荷步结束时为626.43N。如图19查看墙面下支架的竖直方向支反力，第一载荷步结束时为0N，第二载荷步结束时为1207.9N。可见第二载荷步增加的3倍逆变器质量，确实大部分被分配给了墙面下支架。

平放地面时工况，最大等效应力如图20为54.02MPa，最大变形如图21为0.36mm。挂墙只承担逆变器自重时工况，最大等效应力如图22为182.82MPa，最大变形如图23为0.998mm。

某型50kg钣金箱体逆变器挂墙支架方案(详细模型仿真)

前述50kg钣金箱体逆变器详细3D模型如图24(电感罩和箱体把手隐藏)，墙面支架为“分体式”，逆变器支架和墙面支架钣金厚度均为1.5mm。二次承载的实现方法、载荷设置、钣金材料、计算时考虑非线性的设置、二次承载用螺钉和逆变器下支架的接触设置均同前述第2节。同样计算3种工况：(1)实验条件下挂墙安装承受4倍自身重量，(2)使用现场挂墙安装只承受自身重量，(3)平放地面时，承受自身重量。

承受4倍自重时，计算所得最大等效应力为236.23MPa如图25，最大变形为2.32mm如图26，逆变器上下支架和墙面上下支架质量仅为1.7kg如图27。

如图28查看墙面上支架的竖直方向支反力，第一载荷步结束时为442.25N，第二载荷步结束时为911.74N。如图29查看墙面下支架的竖直方向支反力，第一载荷步结束时为0N，第二载荷步结束时为976.91N。可见第二载荷步增加的3倍逆变器质量，确实大部分被分配给了墙面下支架。