TRIZ理论在变频器充电回路设计中的应用研究

2020-10-09刘玲曹巍乔一伦于安波归柒荣

家电科技 2020年5期

刘玲曹巍乔一伦于安波归柒荣

珠海格力电器股份有限公司广东珠海 519070

1 引言

TRIZ 理论（拉丁文：Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch，发明问题求解理论）是由前苏联发明家阿奇舒勒在1946年创立的，阿奇舒勒发现，人们在解决发明问题的过程中，所遵循的科学原理和技术系统进化法则是一种客观存在[1]。

在经典TRIZ中，解决发明问题的工具和手段有多种：以40个发明原理为核心的矛盾矩阵表，以4种分离方法为核心的分离法则，以76个物场标准解为核心的物场标准解系统，以大约100个科学效应为核心的实现功能的效应知识库查询系统，以解决非标准发明问题为核心的发明问题解决算法ARIZ，以8个进化法则为核心发展出来的进化潜能分析工具等[2]。本文根据TRIZ理论及其多种主要问题分析工具对变频器充电回路的设计进行了分析优化，并对方案进行初步评价和应用探讨。

2 问题描述

通常，采用串入充电电阻的方式来降低变频器的充电电流，以防止电解电容瞬间产生的大量热量散发不出而损坏主回路设备，对变频器内部元器件起到重要的保护作用。在大功率直流变频器中，三相工频交流电经过整流器整流后，流入充电电阻R。经过一段时间后，该电流趋于稳定，接触器KM1旁路掉充电电阻，变频器转入主回路工作[3]。

如图1所示，若变频器充电回路的KM1触点粘连，则电流不流经充电电阻，在大电流冲击下，母线电容和由六个二极管（D1～D6）组成的整流器，以及由六个IGBT（Q1～Q6）组成的逆变器等功率模块容易损坏。若KM1的触点松动不闭合，那么充电电阻会因长时间工作而烧毁。以上两种问题均应在设计充电回路之初时予以考虑并加以解决。

3 问题分析

如图2所示为TRIZ应用流程图。在问题分析阶段，可运用功能分析、因果分析、资源分析等工具。在问题解决阶段，可运用技术矛盾、物理矛盾、物场模型、How-to模型、功能导向搜索、进化法则等方法。对问题进行深入剖析，得到最终可行的问题解决方案。

3.1 资源分析

TRIZ对资源的定义如下：资源介于矛盾与最终理想解（IFR）之间，是从发现矛盾到消除矛盾获得理想解之间的一座桥梁。每个未被利用的具有发展潜力的都代表一项资源。对资源的认识越充分，所获取的资源就越多，越可能接近IFR。系统由物质构成，在特定的空间中存在，利用能量或场经过一段时间完成了某个特定的功能，并反映出特定的状态或信息。系统资源最基本的类型为物质、空间、能量场、功能、时间、信息。利用TRIZ对变频器的充电回路进行资源分析，可得出如表1所示的资源。

3.2 因果分析

通过因果分析可以发现问题产生的根本原因，并从因果链中发现问题产生的“薄弱点”，为解决问题寻找入手点。

从图1可以看出，充电电阻并联在接触器的两端，在充电阶段，电流流过充电电阻，充电完成后，电流流过接触器的触头。该连接方式存在不足，第一，在变频器需要频繁启动的场合，接触器也要频繁的闭合、断开，接触器的寿命会严重缩短，而且会因触头氧化、触头粘连和机械磨损等原因影响设备的正常工作[4]。第二，接触器随着变频器的功率增加，其容量也要增加，体积随之增加，不利于小型化和轻量化。

变频器内充电回路异常，是指组成充电回路的元器件：接触器、充电电阻、母线电容异常，使得变频器系统不能切入到主回路正常工作，变频器不能驱动电机运转，整个系统都无法正常工作。从图3可以看出，造成充电回路异常的根本原因是：

（1）流过接触器触头的电流过大，发热厉害，触头氧化。

（2）接触器的触头过载、触头接触面积不足、触头发生电弧熔焊，导致接触器触头粘连，无法正常分断电路。

（3）接触器的电磁线圈通电后产生的电磁吸力小，不能将动铁芯迅速吸向静铁芯，造成接触器吸合缓慢或吸合不紧。

（4）接触器的弹簧压力不足，造成接触器吸合不正常。

图1 变频器工作原理拓扑图

图2 TRIZ应用流程图

图3 充电回路异常的因果链分析图

图4 变频器功能分析

图5 裁剪掉接触器后的变频器拓扑结构

表2 充电回路的组件分析超系统组件系统组件子系统组件电接触器接触器线圈电机接触器接触器触头整流器充电电阻 ——逆变器母线电容 ——电抗器铜排 ——

表3 运用裁剪得到的解题方案方案裁剪组件裁剪规则解决方案模型可行性1 接触器规则C用小功率二极管组成充电整流器，用晶闸管组成主回路整流器。☆☆☆☆☆

（5）接触器弹簧的反作用力过大，造成吸合缓慢。

（6）接触器弹簧压力超程过大，使铁芯不能完全闭合；弹簧释放压力过大，造成触头不能完全闭合。

（7）接触器的触头长期碰撞，铁芯板面不平整，并沿叠片厚度向外扩张。

（8）流过充电电阻的电流大，电阻发热厉害，电阻丝烧断。

（9）母线电容的端电压过高、纹波电流过大、引脚反接，都会导致母线电容破裂。

3.3 组件分析

组件分析是从系统的具体组件入手来分析系统，分清层级，建立组件之间的联系，明确组件之间的功能关系，构造系统功能模型的过程。充电回路的系统组件分析如表2所示。

3.4 功能分析

功能分析的主要目的是将抽象的系统具体化，以便于设计者了解产品所需具备的功能与特征。功能分析是改善系统实现创新过程中非常重要的步骤，要对系统中的所有元件加以完整定义并识别元件间的功能关系，找出系统有害的、不足的和过度的功能，以便找出系统的问题所在，进而把存在的问题彻底解决掉。

如图4所示，对变频器内部器件建立功能模型。图4中，带箭头的粗实线表示过度功能，带箭头的细实线表示正常功能，带箭头的虚线表示不足功能，带箭头的曲线表示有害功能。从图4中可以看出，当有大电流流过充电回路的元器件，元器件会发热、烧坏，同时产生的热量对逆变器有害，影响整个变频器的可靠性。

4 解决方案

如图2所示，利用TRIZ理论解决问题的方案有：技术矛盾、物理矛盾、物场模型、ARIZ算法等。ARIZ算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，发明问题解决算法）是TRIZ理论中分析问题、解决问题的一个重要方案，其目标是为了解决问题的物理矛盾。在ARIZ算法中，包括以下工具：用39个通用的工程参数将矛盾进行标准化和处理、归类，采用40个发明原理解决技术矛盾。包含物理矛盾和4个分离法则，用物场模型定义问题并建立对应的76个标准解[5]。

4.1 裁剪

通过裁剪，将问题功能所对应的元件删除，改善整个功能模型。裁剪的规则有三：

（1）裁剪规则A：如果功能对象的有用功能可被移除，功能载体可被裁剪。

（2）裁剪规则B：如果功能对象自身执行有用的功能，功能载体可被裁剪。

（3）裁剪规则C：如果另外一个组件执行其有用的功能，功能载体可被裁剪。

如图5所示，将容易发生粘连的接触器裁剪掉，用小功率的二极管组成整流电路，用晶闸管组成主电路的整流器。上电初期，电流经过VD1～VD6整流后流过充电电阻，给母线电容充电，当电容电量达到一定幅值，触发晶闸管VT1～VT6导通，主回路正常工作，电机运转。此方案省去了接触器，减少了故障点，总成本有所下降，有更好的应用前景。

4.2 技术矛盾

技术矛盾描述的是一个系统中两个参数之间的矛盾，指在改善对象的某个参数A时，同时恶化了参数B，称参数A和参数B构成了一对技术矛盾[6]。

当电动机工作于发电状态，能量将在母线电容上累积，产生泵升电压。如果泵升电压过高，一旦超过电容的耐压值，电容温度会急剧升高。如果减少充电电容两端的电压幅值，那么母线电容温度不会过高，但会导致电机功耗增大。TRIZ理论中，通过查矛盾矩阵表可以快速定位到40个发明原理中所对应的解决方案。查矛盾矩阵表将解决方案全部罗列出，如表4所示，中括号内的数字为TRIZ之父阿奇舒勒总结的该发明原理使用的频次。

如图6所示，在母线上引入一个由电阻R2和功率开关Q7组成的刹车电路与母线电容并联，可泄放掉泵升的母线电压，稳定变频器输出给电机的电流，使电机功耗不增加。运用技术矛盾得到的解题方案，如表5所示。

4.3 物理矛盾

物理矛盾反映的是唯物辩证法中的对立统一规律。当对一个系统的某个参数具有相反的要求时，就出现了物理矛盾。通常采用4个分离法则：时间分离、空间分离、条件分离、系统分离来求解物理矛盾[7]。

从图3所示的因果分析链可知，流过接触器的电流幅值要高是因为需提供足够的电流来驱动电机正常运转，流过接触器的电流幅值要小是因为触头不会因温度过高而粘连。转化成物理矛盾：流过接触器的电流既要大又要小。尝试进行系统分离：将流过电机绕组的电通过充电回路加外部电源来共同承载，使产生电流的系统分离开。

根据发明原理“NO.5组合原理”，在充电阶段，给变频器通入幅值较小的电流，使得整流后流过接触器触头的电流幅值小。同时引入外部直流电源，与整流后的小幅值的直流电相加供给逆变器，逆变器直流电逆变成交流电供给电机运转。运用物理矛盾得到的解题方案如表6所示。

4.4 物场模型

物场模型是一种图形化的系统描述方法，可用来描述技术系统。任意一个技术系统都可用三个基本元素来表示：两个物质S和一个场F。接触器发热对逆变器有害，为有害物场模型，对应到1.2子级标准解。

图6 加入刹车电路后的变频器拓扑结构

图7 物场模型

表4 矛盾矩阵表改善的通用工程参数 22 温度恶化的通用工程参数 27 能量的浪费解决方案35 改变特征（物理或化学参数改变）[1]21 快速通过，减少有害作用的时间[35]24 借助中介物[19]38 加速氧化（强氧化剂）[31]3 局部质量[13]5 合并、组合[37]19 用周期性的行动（作用、脉冲）替代[9]

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如图7所示，变频器内元器件的热量对逆变器有害，影响逆变器的功能。要去除有害作用，通过引入一个隔热材质的夜冷板对逆变器进行散热，保证逆变器乃至变频器工作温度良好。液冷板因其流道可任意设计、接触面积大、换热效果好、生产效率高、耐压与强度好等优点在大功率变频器场合应用广泛。运用物场模型得到的解题方案如表7所示。