基于TRIZ解决变频器晃电时的停机问题

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  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
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