基于TRIZ解決變頻器晃電時的停機問題

諶云臨　彭英　劉映帆　李長勝

1 問題描述

變頻器被廣泛應用于石油、化工、冶金、鋼鐵等各行各業(yè)，為企業(yè)的生產(chǎn)控制、節(jié)能降耗等做出了重要貢獻。下圖所示為變頻器的一次供電回路圖：

變頻器正常工作的條件如下：

（1）接觸器通電工作，為變頻器主回路提供工作電源。

（2）啟/停繼電器通電工作，為變頻器提供起動運轉(zhuǎn)命令。

（3）變頻器無故障信號閉鎖。

當電網(wǎng)發(fā)生“晃電”時（即電網(wǎng)電壓瞬時降低或中斷又立即恢復正常），雖然只有短短的幾百毫秒至幾秒鐘，但是變頻器很容易受電網(wǎng)電壓波動的影響而跳閘停機，導致生產(chǎn)工藝流程中斷，尤其是對于連續(xù)性生產(chǎn)要求高的企業(yè)而言，可能會導致整套裝置非計劃停工，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，嚴重時還會發(fā)生人身安全等次生事故。

目前常用的幾種變頻器抗晃電方案，要么因現(xiàn)場條件應用受限，要么效果不佳。變頻器晃電時的停機問題成為行業(yè)內(nèi)亟待解決的難題。

電網(wǎng)“晃電”時引起變頻器停機的原因主要有以下幾點，這也是本課題需要用TRIZ來解決的幾個主要問題。

（1）接觸器跳閘，變頻器因主電源丟失而停機;

（2）起/停繼電器跳閘，變頻器因起動運轉(zhuǎn)命令丟失而停機;

（3）變頻器檢測到直流回路電壓低，“低電壓”保護動作而停機，需人工進行故障復位才能再次起動。

2 功能建模

定義技術(shù)系統(tǒng)為變頻器，其功能是改變交流電頻率，因此定義系統(tǒng)作用對象為交流電。建立功能模型如下：

3 裁剪

對技術(shù)系統(tǒng)中的各組件進行價值度分析，將價值度最低的交流接觸器進行裁剪，其功能由系統(tǒng)內(nèi)組件空氣斷路器和啟/停信號繼電器實現(xiàn)。通過裁剪得到：

方案一：新的變頻器一次供電回路模型

4 因果分析

由功能模型可知，系統(tǒng)中功能不足的部分有：CPU驅(qū)動指令不足、起動命令繼電器輸入信號不足等。用因果分析對兩個關(guān)鍵問題進行深層次的原因分析，尋找解決問題的入手點。

1. CPU驅(qū)動指令不足問題的因果分析

通過因果分析，找到CPU驅(qū)動指令不足的根本原因有：（1）低電壓保護過度;（2）故障復位信號不足;（3）整流器輸入電壓不足;（4）控制電源電壓不足。

2. 起動命令繼電器輸入信號不足問題的因果分析

5 問題求解

問題1：如何改善起動繼電器線圈電壓不足？

基于物理矛盾分析，運用時間分離原理得到的方案：

方案二：雙電源繼電器

方案三：儲能繼電器

問題2：如何增強變頻器故障信號復位功能的不足？

基于物理矛盾分析，運用時間分離原理得到的方案：

方案四：變頻器“晃電”自動復位裝置

問題3：如何消除變頻器低電壓保護的過度作用？

基于技術(shù)矛盾分析，運用發(fā)明原理得到的方案：

方案五：采用導熱相變材料散熱

方案六：采用鋁碳化硅復合材料散熱

方案七：采用石墨烯高導熱復合材料散熱

方案八：外旁路自供電源

方案九：限流電抗器

問題4：如何改善CPU控制電源的不足？

基于物場分析，運用76個標準解得到的方案：

方案十：采用UPS不間斷控制電源

方案十一：采用直流控制電源

方案十二：采用雙控制電源切換裝置

6 方案評價及實施

對12個方案進行價值度評價，得到價值度最高的幾個方案為：方案一 新的變頻器一次供電回路模型、方案二 雙電源繼電器、方案四 變頻器“晃電”自動復位裝置、方案十二 雙控制電源切換裝置。

在方案實施過程中，通過將多種方案進行整合，創(chuàng)新設(shè)計出一種變頻器防電壓波動裝置，并獲得實用新型專利。該裝置能識別電網(wǎng)是否“晃電”，并且在晃電情況下自動對變頻器進行故障復位，再發(fā)出起動變頻器指令，確保變頻器可靠實現(xiàn)再起動。

7 應用及推廣

該成果自2017年開始在幾個煉油裝置應用以來，因變頻器非正常停機造成的裝置停工事故降為0。為企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益以一個千萬噸煉油廠為例，每減少一次裝置停工，能減少直接經(jīng)濟損失幾百甚至上千萬元不等。該成果施工改造方便，投入資金少，應用領(lǐng)域非常廣泛。

責編/魏曉文