基于TRIZ理論電容器的分析優(yōu)化

江蘇龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司 許國(guó)寶

作為風(fēng)電輸送系統(tǒng)中的重要元器件，電容器主要是用來(lái)儲(chǔ)存能量和電能，因此被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)控制設(shè)備、通訊設(shè)備和新能源研發(fā)等[1]。

目前，關(guān)于電容器的優(yōu)化，已經(jīng)有很多學(xué)者展開了研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)各復(fù)合物電極材料的制備方法和性能的對(duì)比分析，指出石墨烯基復(fù)合物作為超級(jí)電容器的電極材料的未來(lái)研究?jī)?nèi)容是開發(fā)低成本、高比容量和高循環(huán)穩(wěn)定性的復(fù)合物。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)電容器種類及其結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)影響其功能的要素中，電極材料起到了至關(guān)重要的作用，這為進(jìn)一步研究電容器的功能提供理論支持。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)電容器材料的合成和性能的協(xié)同效應(yīng)來(lái)控制電容器的參數(shù)和形貌，提出了適用氧化鋁（AI2O3）和多壁碳納米管（MWCNT）復(fù)合材料作為有應(yīng)用前景的電容器材料。

本文引入TRIZ理論，首先系統(tǒng)性的分析風(fēng)電輸送系統(tǒng)中的問(wèn)題，然后發(fā)現(xiàn)相關(guān)電容器的問(wèn)題或者矛盾，確定研究方向，最后通過(guò)技術(shù)求解來(lái)解決問(wèn)題或者矛盾。這不僅能夠幫助我們根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)，更好的預(yù)測(cè)電容器的優(yōu)化改進(jìn)方向，還能幫助我們改進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化原有的思維，創(chuàng)新出更高質(zhì)量的電容器產(chǎn)品。

1 TRIZ理論

TRIZ首先是由根里奇阿奇舒勒提出的，他在多年的工作中發(fā)現(xiàn)如果僅僅是從心理學(xué)角度來(lái)分析和研究發(fā)明創(chuàng)造的一般規(guī)律，這是不準(zhǔn)確的，因?yàn)閺母旧蟻?lái)說(shuō)，發(fā)明創(chuàng)造依然是技術(shù)系統(tǒng)的變化，所以應(yīng)該把研究的重心放在技術(shù)分析研究上。

阿奇舒勒經(jīng)過(guò)科學(xué)的分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)之后，結(jié)合多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的原理和規(guī)則，這樣的一個(gè)難度高、耗費(fèi)時(shí)間的辛苦工作為TRIZ理論的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為日后解決各種疑難問(wèn)題提供了科學(xué)系統(tǒng)性的技術(shù)方法。自此，TRIZ理論誕生了[5]。

TRIZ理論是經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)處理所總結(jié)出來(lái)的，所以在一定程度上揭示了發(fā)明創(chuàng)造的規(guī)則和原理，為解決矛盾提供了科學(xué)系統(tǒng)性的技術(shù)方法，但是面對(duì)科學(xué)技術(shù)的日益快速進(jìn)步，TRIZ理論也要緊跟科技的步伐，不斷創(chuàng)新，不斷進(jìn)步。

目前，TRIZ理論愈加規(guī)范化，主要是40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理，39個(gè)通用工程參數(shù)[6]，但是因?yàn)檫@些發(fā)明原理和工程參數(shù)是研究人員經(jīng)過(guò)翻閱大量的文獻(xiàn)資料和總結(jié)不同領(lǐng)域中的創(chuàng)新成果才得到的，所以TRIZ理論只是提供了解決實(shí)際問(wèn)題或者矛盾的思想，而不能直接應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題或者矛盾。

2 風(fēng)電輸送系統(tǒng)中電容器的問(wèn)題描述

近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)電的需求量的也是日益增多，電力企業(yè)不得不在一些風(fēng)電輸送的設(shè)備上進(jìn)行技術(shù)上的調(diào)整，例如整流技術(shù)、變頻變相技術(shù)，以此增加電力輸送量，這就導(dǎo)致風(fēng)電系統(tǒng)一直在高負(fù)荷運(yùn)行，使得風(fēng)電輸送過(guò)程中無(wú)功功率過(guò)高，同時(shí)諧波干擾問(wèn)題也是越來(lái)越明顯[7]。根據(jù)查閱資料和大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)電輸送中，很多電氣設(shè)備在工作中都會(huì)產(chǎn)生5次或者7次諧波，甚至有一些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生11次和13次諧波，極大的降低了風(fēng)電輸送的效率[8]。

電容器是一種諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，被廣泛的應(yīng)用于風(fēng)電輸送系統(tǒng)中。但是，目前所使用的電容器雖然可以在一定程度上對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提高風(fēng)電輸送的穩(wěn)定性，但還是會(huì)出現(xiàn)所承受環(huán)境溫度變化能力較差，工作時(shí)長(zhǎng)較短的問(wèn)題。因此，能否找到一種既能耐高溫，容量高，又能穩(wěn)定可靠運(yùn)行的電容器，這里涉及到的主要問(wèn)題有：電容器的選型選材、外觀大小、穩(wěn)定性等。

3 基于TRIZ電容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 已采取的措施

隨著風(fēng)電輸送中，無(wú)功功率和諧波等問(wèn)題的出現(xiàn)，電容器的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，電容器就是一種諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，增強(qiáng)了電氣設(shè)備在風(fēng)電輸送中的安全穩(wěn)定性，極大地提高了傳輸效率，而且成本低，電力損失少，適用設(shè)備多，下面以薄膜電容器和陶瓷電容器為例。

3.1.1 薄膜電容器

薄膜電容器因?yàn)槠浣^緣阻抗高，電容量大，工作范圍很寬，電解質(zhì)以塑料薄膜為主，所以主要應(yīng)用于模擬電路中，能夠減少模擬電路中失真現(xiàn)象的產(chǎn)生，增強(qiáng)信號(hào)接收率。

薄膜電容器缺點(diǎn)就是可接受電流的范圍較小，導(dǎo)致其高壓側(cè)被擊穿，破壞其絕緣性能。其次，在電容器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下，容量可能會(huì)丟失導(dǎo)致電容量減少或者電容器自愈之后也可能會(huì)出現(xiàn)這種情況，因此薄膜

電容器只適用于容量穩(wěn)定度不高的振蕩電路中。3.1.2 陶瓷電容器

陶瓷電容器因?yàn)槠淠统毙阅芎?，容量大，電容溫度系?shù)選擇范圍廣，電解質(zhì)主要是以陶瓷材料為主，所以陶瓷電容器在高頻、高壓電路中得到了廣泛的使用。

同樣，陶瓷電容器的缺點(diǎn)就是電容較小，等效串聯(lián)電阻也相比其他電容器而言較低。因?yàn)殡娫词峭ㄟ^(guò)互連電感連接負(fù)載，所以當(dāng)陶瓷電容器被用作電源的輸入濾波器時(shí)，負(fù)載會(huì)通過(guò)開關(guān)運(yùn)行，這時(shí)，負(fù)載和電容器會(huì)很容易跟隨輸入互連電感諧振，產(chǎn)生振蕩，破壞電路運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

3.2 存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)上面的分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)薄膜電容器和陶瓷電容器雖然可以在一定程度上對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提高風(fēng)電輸送的安全穩(wěn)定性，但還是會(huì)出現(xiàn)電流擊穿和諧振的問(wèn)題。因此，能否有一種電容器，既能耐高溫，承受電流大，其內(nèi)部電容值又高。此電容器主要問(wèn)題是：電容器的材料要選哪種；電容器的外觀大小需要怎么改；電容器是否適應(yīng)大功率電力輸送設(shè)備。

4 技術(shù)矛盾

4.1 技術(shù)矛盾分析

在此設(shè)計(jì)中主要存在的技術(shù)矛盾：電容器的材料會(huì)不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性或者導(dǎo)致裝置更加復(fù)雜。電容器更改外觀，其體積改變之后，是否會(huì)影響整體設(shè)備的運(yùn)行。電容器是否適應(yīng)大功率風(fēng)電輸送設(shè)備是本設(shè)計(jì)最難實(shí)現(xiàn)的，需要考慮其穩(wěn)定性以及其電容電阻的選取。

4.2 定位技術(shù)矛盾

將上述的3個(gè)技術(shù)矛盾分別對(duì)照矛盾矩陣表查找發(fā)明原理，查找盡可能多的改善的通用工程參數(shù)和惡化的通用工程參數(shù)并得出解決問(wèn)題的原理。其中監(jiān)控與測(cè)試的苦難程度、靜止物體的體積、形狀這三個(gè)通用工程參數(shù)是需要改進(jìn)的，惡化的通用工程參數(shù)分別是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性及多樣性、裝置的復(fù)雜性。矛盾矩陣表如表1所示。

表1 矛盾矩陣表

所用發(fā)明原理如表2所示。

表2 所用發(fā)明原理

所用通用工程參數(shù)如表3所示。

表3 所用通用工程參數(shù)

4.3 求解技術(shù)矛盾

第一個(gè)問(wèn)題：選用16部分超越原理，由以前的塑料和陶瓷材質(zhì)改為鋁材料。與薄膜電容器相比，鋁電解電容器的優(yōu)點(diǎn)是可承受電壓高、可儲(chǔ)存容量多。與陶瓷電容器相比，其成本低、等效串聯(lián)電阻較高。

第二個(gè)問(wèn)題：選用28機(jī)械系統(tǒng)替代原理。薄膜電容器多為方形，陶瓷電容器多為半圓形，而鋁電解電容器為圓柱形，可以內(nèi)裝一定容量的電解液，儲(chǔ)存容量大，可承受的溫度范圍得到了增強(qiáng)，同時(shí)提高了耐高壓能力。即使鋁電解電容器發(fā)生擊穿現(xiàn)象，只要擊穿的電流不連續(xù)，電容就可以自愈，因?yàn)榻饘傺趸锸强梢宰詣?dòng)生成的，這就很好的解決了薄膜電容器容易電流擊穿的問(wèn)題。

第三個(gè)問(wèn)題：選用35性能轉(zhuǎn)換原理。一般來(lái)說(shuō)，薄膜電容器和塑料電容器耐壓高、紋波電流承受能力強(qiáng)、介質(zhì)損耗小、使用壽命長(zhǎng)，但是其耐熱能力差、容量小、體積大、造價(jià)較高，常用于小巧精密的電力電子設(shè)備；而鋁電解電容器雖然可接受紋波電流的范圍較小，但是容量大、耐熱好、價(jià)格低，更適用于運(yùn)行環(huán)境惡劣的大功率風(fēng)電輸送設(shè)備。

綜上，本文提出了一種基于TRIZ理論電容器的分析優(yōu)化。引入TRIZ理論，準(zhǔn)確把握和選擇電容器創(chuàng)新發(fā)明的方向，綜合考慮了幾種電容器的性能、可靠度、結(jié)構(gòu)等方面，發(fā)現(xiàn)幾種電容器都有其特點(diǎn)和方法，同時(shí)在不同問(wèn)題中的應(yīng)用也存在各自地局限性。但相對(duì)于其他電容器而言，鋁電解電容器適應(yīng)的溫度范圍更廣，工作時(shí)間更長(zhǎng)，可靠度更高，幾乎不受電力電子中電容運(yùn)行情況的限制，而且可以通過(guò)無(wú)功功率的補(bǔ)償和諧波抑制的作用，降低輸送過(guò)程中的電力損耗，減少電氣設(shè)備運(yùn)行中的壓降，提高電能質(zhì)量，增強(qiáng)電力輸送的安全穩(wěn)定。