基于TRIZ解决变频器晃电时的停机问题

谌云临　彭英　刘映帆　李长胜

1 问题描述

变频器被广泛应用于石油、化工、冶金、钢铁等各行各业，为企业的生产控制、节能降耗等做出了重要贡献。下图所示为变频器的一次供电回路图：

变频器正常工作的条件如下：

（1）接触器通电工作，为变频器主回路提供工作电源。

（2）启/停继电器通电工作，为变频器提供起动运转命令。

（3）变频器无故障信号闭锁。

当电网发生“晃电”时（即电网电压瞬时降低或中断又立即恢复正常），虽然只有短短的几百毫秒至几秒钟，但是变频器很容易受电网电压波动的影响而跳闸停机，导致生产工艺流程中断，尤其是对于连续性生产要求高的企业而言，可能会导致整套装置非计划停工，给企业造成巨大的经济损失，严重时还会发生人身安全等次生事故。

目前常用的几种变频器抗晃电方案，要么因现场条件应用受限，要么效果不佳。变频器晃电时的停机问题成为行业内亟待解决的难题。

电网“晃电”时引起变频器停机的原因主要有以下几点，这也是本课题需要用TRIZ来解决的几个主要问题。

（1）接触器跳闸，变频器因主电源丢失而停机;

（2）起/停继电器跳闸，变频器因起动运转命令丢失而停机;

（3）变频器检测到直流回路电压低，“低电压”保护动作而停机，需人工进行故障复位才能再次起动。

2 功能建模

定义技术系统为变频器，其功能是改变交流电频率，因此定义系统作用对象为交流电。建立功能模型如下：

3 裁剪

对技术系统中的各组件进行价值度分析，将价值度最低的交流接触器进行裁剪，其功能由系统内组件空气断路器和启/停信号继电器实现。通过裁剪得到：

方案一：新的变频器一次供电回路模型

4 因果分析

由功能模型可知，系统中功能不足的部分有：CPU驱动指令不足、起动命令继电器输入信号不足等。用因果分析对两个关键问题进行深层次的原因分析，寻找解决问题的入手点。

1. CPU驱动指令不足问题的因果分析

通过因果分析，找到CPU驱动指令不足的根本原因有：（1）低电压保护过度;（2）故障复位信号不足;（3）整流器输入电压不足;（4）控制电源电压不足。

2. 起动命令继电器输入信号不足问题的因果分析

5 问题求解

问题1：如何改善起动继电器线圈电压不足？

基于物理矛盾分析，运用时间分离原理得到的方案：

方案二：双电源继电器

方案三：储能继电器

问题2：如何增强变频器故障信号复位功能的不足？

基于物理矛盾分析，運用时间分离原理得到的方案：

方案四：变频器“晃电”自动复位装置

问题3：如何消除变频器低电压保护的过度作用？

基于技术矛盾分析，运用发明原理得到的方案：

方案五：采用导热相变材料散热

方案六：采用铝碳化硅复合材料散热

方案七：采用石墨烯高导热复合材料散热

方案八：外旁路自供电源

方案九：限流电抗器

问题4：如何改善CPU控制电源的不足？

基于物场分析，运用76个标准解得到的方案：

方案十：采用UPS不间断控制电源

方案十一：采用直流控制电源

方案十二：采用双控制电源切换装置

6 方案评价及实施

对12个方案进行价值度评价，得到价值度最高的几个方案为：方案一 新的变频器一次供电回路模型、方案二 双电源继电器、方案四 变频器“晃电”自动复位装置、方案十二 双控制电源切换装置。

在方案实施过程中，通过将多种方案进行整合，创新设计出一种变频器防电压波动装置，并获得实用新型专利。该装置能识别电网是否“晃电”，并且在晃电情况下自动对变频器进行故障复位，再发出起动变频器指令，确保变频器可靠实现再起动。

7 应用及推广

该成果自2017年开始在几个炼油装置应用以来，因变频器非正常停机造成的装置停工事故降为0。为企业带来的经济效益以一个千万吨炼油厂为例，每减少一次装置停工，能减少直接经济损失几百甚至上千万元不等。该成果施工改造方便，投入资金少，应用领域非常广泛。

责编/魏晓文