TRIZ理論在變頻器充電回路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

劉玲 曹巍 喬一倫 于安波 歸柒榮

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

TRIZ 理論（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，發(fā)明問題求解理論）是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，人們?cè)诮鉀Q發(fā)明問題的過程中，所遵循的科學(xué)原理和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則是一種客觀存在[1]。

在經(jīng)典TRIZ中，解決發(fā)明問題的工具和手段有多種：以40個(gè)發(fā)明原理為核心的矛盾矩陣表，以4種分離方法為核心的分離法則，以76個(gè)物場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)解為核心的物場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)，以大約100個(gè)科學(xué)效應(yīng)為核心的實(shí)現(xiàn)功能的效應(yīng)知識(shí)庫查詢系統(tǒng)，以解決非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)明問題為核心的發(fā)明問題解決算法ARIZ，以8個(gè)進(jìn)化法則為核心發(fā)展出來的進(jìn)化潛能分析工具等[2]。本文根據(jù)TRIZ理論及其多種主要問題分析工具對(duì)變頻器充電回路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析優(yōu)化，并對(duì)方案進(jìn)行初步評(píng)價(jià)和應(yīng)用探討。

2 問題描述

通常，采用串入充電電阻的方式來降低變頻器的充電電流，以防止電解電容瞬間產(chǎn)生的大量熱量散發(fā)不出而損壞主回路設(shè)備，對(duì)變頻器內(nèi)部元器件起到重要的保護(hù)作用。在大功率直流變頻器中，三相工頻交流電經(jīng)過整流器整流后，流入充電電阻R。經(jīng)過一段時(shí)間后，該電流趨于穩(wěn)定，接觸器KM1旁路掉充電電阻，變頻器轉(zhuǎn)入主回路工作[3]。

如圖1所示，若變頻器充電回路的KM1觸點(diǎn)粘連，則電流不流經(jīng)充電電阻，在大電流沖擊下，母線電容和由六個(gè)二極管（D1～D6）組成的整流器，以及由六個(gè)IGBT（Q1～Q6）組成的逆變器等功率模塊容易損壞。若KM1的觸點(diǎn)松動(dòng)不閉合，那么充電電阻會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作而燒毀。以上兩種問題均應(yīng)在設(shè)計(jì)充電回路之初時(shí)予以考慮并加以解決。

3 問題分析

如圖2所示為TRIZ應(yīng)用流程圖。在問題分析階段，可運(yùn)用功能分析、因果分析、資源分析等工具。在問題解決階段，可運(yùn)用技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)模型、How-to模型、功能導(dǎo)向搜索、進(jìn)化法則等方法。對(duì)問題進(jìn)行深入剖析，得到最終可行的問題解決方案。

3.1 資源分析

TRIZ對(duì)資源的定義如下：資源介于矛盾與最終理想解（IFR）之間，是從發(fā)現(xiàn)矛盾到消除矛盾獲得理想解之間的一座橋梁。每個(gè)未被利用的具有發(fā)展?jié)摿Φ亩即硪豁?xiàng)資源。對(duì)資源的認(rèn)識(shí)越充分，所獲取的資源就越多，越可能接近IFR。系統(tǒng)由物質(zhì)構(gòu)成，在特定的空間中存在，利用能量或場(chǎng)經(jīng)過一段時(shí)間完成了某個(gè)特定的功能，并反映出特定的狀態(tài)或信息。系統(tǒng)資源最基本的類型為物質(zhì)、空間、能量場(chǎng)、功能、時(shí)間、信息。利用TRIZ對(duì)變頻器的充電回路進(jìn)行資源分析，可得出如表1所示的資源。

3.2 因果分析

通過因果分析可以發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的根本原因，并從因果鏈中發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的“薄弱點(diǎn)”，為解決問題尋找入手點(diǎn)。

從圖1可以看出，充電電阻并聯(lián)在接觸器的兩端，在充電階段，電流流過充電電阻，充電完成后，電流流過接觸器的觸頭。該連接方式存在不足，第一，在變頻器需要頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，接觸器也要頻繁的閉合、斷開，接觸器的壽命會(huì)嚴(yán)重縮短，而且會(huì)因觸頭氧化、觸頭粘連和機(jī)械磨損等原因影響設(shè)備的正常工作[4]。第二，接觸器隨著變頻器的功率增加，其容量也要增加，體積隨之增加，不利于小型化和輕量化。

變頻器內(nèi)充電回路異常，是指組成充電回路的元器件：接觸器、充電電阻、母線電容異常，使得變頻器系統(tǒng)不能切入到主回路正常工作，變頻器不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)都無法正常工作。從圖3可以看出，造成充電回路異常的根本原因是：

（1）流過接觸器觸頭的電流過大，發(fā)熱厲害，觸頭氧化。

（2）接觸器的觸頭過載、觸頭接觸面積不足、觸頭發(fā)生電弧熔焊，導(dǎo)致接觸器觸頭粘連，無法正常分?jǐn)嚯娐贰?/p>

（3）接觸器的電磁線圈通電后產(chǎn)生的電磁吸力小，不能將動(dòng)鐵芯迅速吸向靜鐵芯，造成接觸器吸合緩慢或吸合不緊。

（4）接觸器的彈簧壓力不足，造成接觸器吸合不正常。

圖1 變頻器工作原理拓?fù)鋱D

圖2 TRIZ應(yīng)用流程圖

圖3 充電回路異常的因果鏈分析圖

圖4 變頻器功能分析

圖5 裁剪掉接觸器后的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2 充電回路的組件分析超系統(tǒng)組件 系統(tǒng)組件 子系統(tǒng)組件電接觸器 接觸器線圈電機(jī) 接觸器 接觸器觸頭整流器 充電電阻 ——逆變器 母線電容 ——電抗器 銅排 ——

表3 運(yùn)用裁剪得到的解題方案方案 裁剪組件 裁剪規(guī)則 解決方案模型 可行性1 接觸器 規(guī)則C用小功率二極管組成充電整流器，用晶閘管組成主回路整流器。☆☆☆☆☆

（5）接觸器彈簧的反作用力過大，造成吸合緩慢。

（6）接觸器彈簧壓力超程過大，使鐵芯不能完全閉合；彈簧釋放壓力過大，造成觸頭不能完全閉合。

（7）接觸器的觸頭長(zhǎng)期碰撞，鐵芯板面不平整，并沿疊片厚度向外擴(kuò)張。

（8）流過充電電阻的電流大，電阻發(fā)熱厲害，電阻絲燒斷。

（9）母線電容的端電壓過高、紋波電流過大、引腳反接，都會(huì)導(dǎo)致母線電容破裂。

3.3 組件分析

組件分析是從系統(tǒng)的具體組件入手來分析系統(tǒng)，分清層級(jí)，建立組件之間的聯(lián)系，明確組件之間的功能關(guān)系，構(gòu)造系統(tǒng)功能模型的過程。充電回路的系統(tǒng)組件分析如表2所示。

3.4 功能分析

功能分析的主要目的是將抽象的系統(tǒng)具體化，以便于設(shè)計(jì)者了解產(chǎn)品所需具備的功能與特征。功能分析是改善系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新過程中非常重要的步驟，要對(duì)系統(tǒng)中的所有元件加以完整定義并識(shí)別元件間的功能關(guān)系，找出系統(tǒng)有害的、不足的和過度的功能，以便找出系統(tǒng)的問題所在，進(jìn)而把存在的問題徹底解決掉。

如圖4所示，對(duì)變頻器內(nèi)部器件建立功能模型。圖4中，帶箭頭的粗實(shí)線表示過度功能，帶箭頭的細(xì)實(shí)線表示正常功能，帶箭頭的虛線表示不足功能，帶箭頭的曲線表示有害功能。從圖4中可以看出，當(dāng)有大電流流過充電回路的元器件，元器件會(huì)發(fā)熱、燒壞，同時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)逆變器有害，影響整個(gè)變頻器的可靠性。

4 解決方案

如圖2所示，利用TRIZ理論解決問題的方案有：技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)模型、ARIZ算法等。ARIZ算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，發(fā)明問題解決算法）是TRIZ理論中分析問題、解決問題的一個(gè)重要方案，其目標(biāo)是為了解決問題的物理矛盾。在ARIZ算法中，包括以下工具：用39個(gè)通用的工程參數(shù)將矛盾進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和處理、歸類，采用40個(gè)發(fā)明原理解決技術(shù)矛盾。包含物理矛盾和4個(gè)分離法則，用物場(chǎng)模型定義問題并建立對(duì)應(yīng)的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解[5]。

4.1 裁剪

通過裁剪，將問題功能所對(duì)應(yīng)的元件刪除，改善整個(gè)功能模型。裁剪的規(guī)則有三：

（1）裁剪規(guī)則A：如果功能對(duì)象的有用功能可被移除，功能載體可被裁剪。

（2）裁剪規(guī)則B：如果功能對(duì)象自身執(zhí)行有用的功能，功能載體可被裁剪。

（3）裁剪規(guī)則C：如果另外一個(gè)組件執(zhí)行其有用的功能，功能載體可被裁剪。

如圖5所示，將容易發(fā)生粘連的接觸器裁剪掉，用小功率的二極管組成整流電路，用晶閘管組成主電路的整流器。上電初期，電流經(jīng)過VD1～VD6整流后流過充電電阻，給母線電容充電，當(dāng)電容電量達(dá)到一定幅值，觸發(fā)晶閘管VT1～VT6導(dǎo)通，主回路正常工作，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此方案省去了接觸器，減少了故障點(diǎn)，總成本有所下降，有更好的應(yīng)用前景。

4.2 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾描述的是一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾，指在改善對(duì)象的某個(gè)參數(shù)A時(shí)，同時(shí)惡化了參數(shù)B，稱參數(shù)A和參數(shù)B構(gòu)成了一對(duì)技術(shù)矛盾[6]。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，能量將在母線電容上累積，產(chǎn)生泵升電壓。如果泵升電壓過高，一旦超過電容的耐壓值，電容溫度會(huì)急劇升高。如果減少充電電容兩端的電壓幅值，那么母線電容溫度不會(huì)過高，但會(huì)導(dǎo)致電機(jī)功耗增大。TRIZ理論中，通過查矛盾矩陣表可以快速定位到40個(gè)發(fā)明原理中所對(duì)應(yīng)的解決方案。查矛盾矩陣表將解決方案全部羅列出，如表4所示，中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為TRIZ之父阿奇舒勒總結(jié)的該發(fā)明原理使用的頻次。

如圖6所示，在母線上引入一個(gè)由電阻R2和功率開關(guān)Q7組成的剎車電路與母線電容并聯(lián)，可泄放掉泵升的母線電壓，穩(wěn)定變頻器輸出給電機(jī)的電流，使電機(jī)功耗不增加。運(yùn)用技術(shù)矛盾得到的解題方案，如表5所示。

4.3 物理矛盾

物理矛盾反映的是唯物辯證法中的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律。當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)具有相反的要求時(shí)，就出現(xiàn)了物理矛盾。通常采用4個(gè)分離法則：時(shí)間分離、空間分離、條件分離、系統(tǒng)分離來求解物理矛盾[7]。

從圖3所示的因果分析鏈可知，流過接觸器的電流幅值要高是因?yàn)樾杼峁┳銐虻碾娏鱽眚?qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，流過接觸器的電流幅值要小是因?yàn)橛|頭不會(huì)因溫度過高而粘連。轉(zhuǎn)化成物理矛盾：流過接觸器的電流既要大又要小。嘗試進(jìn)行系統(tǒng)分離：將流過電機(jī)繞組的電通過充電回路加外部電源來共同承載，使產(chǎn)生電流的系統(tǒng)分離開。

根據(jù)發(fā)明原理“NO.5組合原理”，在充電階段，給變頻器通入幅值較小的電流，使得整流后流過接觸器觸頭的電流幅值小。同時(shí)引入外部直流電源，與整流后的小幅值的直流電相加供給逆變器，逆變器直流電逆變成交流電供給電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)用物理矛盾得到的解題方案如表6所示。

4.4 物場(chǎng)模型

物場(chǎng)模型是一種圖形化的系統(tǒng)描述方法，可用來描述技術(shù)系統(tǒng)。任意一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)都可用三個(gè)基本元素來表示：兩個(gè)物質(zhì)S和一個(gè)場(chǎng)F。接觸器發(fā)熱對(duì)逆變器有害，為有害物場(chǎng)模型，對(duì)應(yīng)到1.2子級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解。

圖6 加入剎車電路后的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 物場(chǎng)模型

表4 矛盾矩陣表改善的通用工程參數(shù) 22 溫度惡化的通用工程參數(shù) 27 能量的浪費(fèi)解決方案35 改變特征（物理或化學(xué)參數(shù)改變）[1]21 快速通過，減少有害作用的時(shí)間[35]24 借助中介物[19]38 加速氧化（強(qiáng)氧化劑）[31]3 局部質(zhì)量[13]5 合并、組合[37]19 用周期性的行動(dòng)（作用、脈沖）替代[9]

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如圖7所示，變頻器內(nèi)元器件的熱量對(duì)逆變器有害，影響逆變器的功能。要去除有害作用，通過引入一個(gè)隔熱材質(zhì)的夜冷板對(duì)逆變器進(jìn)行散熱，保證逆變器乃至變頻器工作溫度良好。液冷板因其流道可任意設(shè)計(jì)、接觸面積大、換熱效果好、生產(chǎn)效率高、耐壓與強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)在大功率變頻器場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。運(yùn)用物場(chǎng)模型得到的解題方案如表7所示。

5 結(jié)論

本文通過TRIZ理論對(duì)變頻器充電回路存在的問題，利用資源分析、功能分析、組件分析、因果分析等工具對(duì)其進(jìn)行了分析，定位到了根本原因；利用裁剪、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場(chǎng)分析等工具來解決問題，得出了有效的、合理的應(yīng)用方案，當(dāng)設(shè)計(jì)變頻器的充電回路之初考慮采用這些方案，變頻器可靠性將會(huì)得到提高。