靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，選取合適的磁芯，針對(duì)高頻變壓器的特性，在高頻高壓變壓器設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上將粒子群與遺傳算法相結(jié)合，以變壓器匝比以及波形的占空比為優(yōu)化變量，以輸出損耗為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用遺傳粒子群算法，即在粒子群算法的基礎(chǔ)上將遺傳算法的選擇算法、交叉操作以及變異操作引入到粒子群算法中，此算法迭代過程簡(jiǎn)單，具有容易理解、易于實(shí)現(xiàn)、收斂速度較快、效率更優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種靜電除塵用高頻高壓變壓器 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于環(huán)保設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景：
[0002] 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，大氣污染日趨嚴(yán)重，人類的環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)，對(duì)工業(yè)除塵 技術(shù)提出了更高要求。其中，高頻高壓靜電除塵器在工業(yè)除塵使用中越來越廣泛。
[0003] 高頻變壓器是靜電除塵設(shè)備非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，變 壓器的整體性能得到了穩(wěn)步的提升，但從目前變壓器使用情況來看，還存在著諸多的問題， 必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)變壓器效率發(fā)揮的最大化。尤其由于其工作在高頻條件下， 運(yùn)行狀態(tài)更加復(fù)雜，高頻損耗增加，因此如何減小損耗提高效率仍然需要更多的研究。
[0004] 粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization-PSO)、遺傳算法（Genetic Algorithm-GA)都是用途很廣的進(jìn)化算法(Evolutionary Algorithm-EA) dPSO算法和GA算 法相似，從隨機(jī)解出發(fā)，通過迭代尋找最優(yōu)解。專利號(hào)為CN 104317979 A和CN 103310055 B 的文獻(xiàn)分別介紹了遺傳算法和粒子群算法來優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)，但粒子群算法由于個(gè)體之間 不直接進(jìn)行信息共享，易陷入局部最優(yōu)，而遺傳算法沒有考慮每一代個(gè)體的情況，易陷入局 部最優(yōu)，因此兩種算法局限。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明的目的在于，提供一種靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為了提 高高頻高壓變壓器的傳輸效率，使其滿足高頻條件的要求，本發(fā)明通過采用遺傳粒子群優(yōu) 化算法，滿足了其各方面的性能要求，輸出效率要求達(dá)到85%以上，并保持變壓器的運(yùn)行狀 態(tài)穩(wěn)定。
[0006] 本發(fā)明的目的主要通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體包括：
[0008] (1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定變壓器技術(shù)參數(shù)；
[0009] (2)諧振參數(shù)分析，諧振參數(shù)的選取應(yīng)滿足fs〈l/2fr，式中fs為開關(guān)頻率，為諧振 固有頻率：
，(^^(^(^/((^(^上為漏感心為分布電容'為串聯(lián)諧振電 容，電源工作于電流斷續(xù)模式；
[0010] (3)根據(jù)功率、頻率等相關(guān)參數(shù)由下式計(jì)算面積積AP值：
[0012]式中K為波形系數(shù)，D為整周期占空比，為了使~值滿足最大要求，取D為最大值，D =1 ;KU為窗口利用系數(shù)，取值范圍為0.2-0.4，J為電流密度，經(jīng)驗(yàn)值為150-400A/cm2; f為工 作頻率;Bm為最大磁通密度，
；AW為整個(gè)磁芯窗口面積;為有效截面積；
[0013] ⑷選擇磁芯材料，為德國(guó)VAC公司型號(hào)為Vitroperm 500的超微晶合金；
[0014]
式中UP-min為一次側(cè)輸入電壓的額定最小值；
[0015] (6)采用遺傳粒子群算法，以變壓器損耗為優(yōu)化目標(biāo)，以匝比和占空比為優(yōu)化變 量，若優(yōu)化結(jié)果與目標(biāo)效率相符，則繼續(xù)下一步，否則重新進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)可由下式簡(jiǎn) 單表示：
[0017] 式中PlQSS(n，D)為變壓器的損耗表達(dá)式;η為變壓器原副邊匝比；D為波形的占空 比；
[0018] (7)利用(6)中優(yōu)化得到的變壓器原副邊匝比，確定原副邊匝數(shù) 112 = 11\111，111、112為原副邊阻數(shù)；
[0019] (8)主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用油浸式變壓器，其主絕緣采用變壓器油作為絕緣材料， 采用油屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)；
求出變壓器鐵芯的窗口 寬度Lw，以及變壓器的體積V。;其中U為原邊繞組與磁芯之間的絕緣距離，L2為原邊繞組每 層厚度，L3為變壓器原邊副邊絕緣距離，L4為副邊繞組每層厚度，n2。為副邊的繞組層數(shù)，。為 變壓器副邊到副邊的絕緣距離，A。為變壓器的幾何截面積，hi表示磁芯窗口高度；
[0020] (9)計(jì)算繞組線規(guī)，原邊繞組的裸導(dǎo)線截面積SP = IP/J，原邊的銅箱的高度
，副邊繞組的裸導(dǎo)線截面積
次級(jí)導(dǎo)線線徑，其中Is為副邊電流;原 邊電流IP = IsXn;dP為銅箱厚度；
[0021] (10)驗(yàn)證磁芯窗口面積能否滿足式SPm+Ssn2<0.2Di 2要求，若滿足，繼續(xù)下一步， 否則回到(9)重新計(jì)算;其中Di表示磁芯窗口寬度；
[0022] (11)計(jì)算繞組繞組銅損，由式
[0023]
Pcu = 2(Pp-CU+PS-cu)計(jì)算繞組銅損； 其中kP-s、kP-x分別表示原邊繞組的集膚效應(yīng)系數(shù)與鄰近效應(yīng)系數(shù)，k s-s、ks-x分別表示副邊繞 組的集膚效應(yīng)系數(shù)與鄰近效應(yīng)系數(shù)，p為電阻率，S為集膚效應(yīng)穿透深度，r〇為導(dǎo)線半徑，r〇= dP/l · 772，ri = ds/2, Δ 〇 = (1Ρ/δ，Δ i = ds/5，la-p、la-s表示原副邊繞組的平均阻長(zhǎng)，R ac-p、Rac-s 分別表示原副邊繞組的交流電阻，匕^^匕^分別表示原副邊繞組的銅耗^^為繞組銅損；
[0024]
;式中磁芯密度 Pcore = 7 · 2g/cm3，V。為 變壓器體積，k、a、β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，D1/2為半周期的占空比；
[0025]
-驗(yàn)證效率η是否大于等于80%，若滿足，繼續(xù)下一步， 否則回到⑴重新計(jì)算，其中Ρ。為輸出功率，ΡΣ為總損耗，Pj： = pcu+pFe;
[0026] (14)確定變壓器的分布參數(shù)以及串聯(lián)諧振電容，判斷其是否滿足(2)中的頻率要 求，若滿足，則繼續(xù)下一步，否則回到（1)重新計(jì)算；
[0027] (15)變壓器溫升及散熱計(jì)算
，若滿足，則繼續(xù)下一步，否則 回到（1)重新計(jì)算;其中Ρ?為變壓器總損耗;Kk為傳熱系數(shù)，St為變壓器的總表面積；
[0028] (16)短路阻抗計(jì)算，
，在9%- 10.5%，則滿足要求，若滿足，則繼續(xù)下一步，否則回到（1)重新計(jì)算；其中W初級(jí)繞組總匝 數(shù)，I為初級(jí)繞組額定電流，K為附加電抗系數(shù)，可查表得，P為洛氏系數(shù)，et為高低壓繞組每 匝電壓，SD指漏磁的等效面積，H k為兩個(gè)繞組得平均電抗高度。
[0029] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)：
[0030] 前述靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中步驟(3)中，當(dāng)輸入波形為正 弦波時(shí)，K = 4.44;當(dāng)輸入波形為方波時(shí)，K = 4，KU取0.4;J取150A/cm2;Bm取值0.4T。
[0031] 前述靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中步驟(6)的遺傳粒子群優(yōu)化 算法，其具體步驟如下：
[0032] (1)粒子群初始化:初始化粒子群的迭代次數(shù)G，粒子維數(shù)η，群體規(guī)模m;
[0033] (2)初始化粒子的位置和速度:創(chuàng)建m行η列的位置矩陣pop，并將其賦值在0到1之 間，每一行代表一個(gè)粒子，第一列代表匝比，第二列代表占空比，第三列代表變壓器損耗，并 使MinX( j)彡pop(i，j)彡MaxX( j)，其中1彡i彡m，1彡j彡n，MinX( j)為第j列變量對(duì)應(yīng)的最小 值，MaxX(j)為第j列變量對(duì)應(yīng)的最大值;同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)m行η列的速度矩陣v，值為[0，0.02 ]; 并將粒子的當(dāng)前位置p〇p(i，j)初始化為粒子自身的最優(yōu)位置ibest，根據(jù)粒子的初始位置 用適應(yīng)度函數(shù)求出所有粒子的適應(yīng)度值，找出適應(yīng)度最優(yōu)的粒子位置，將其作為粒子群全 局最優(yōu)位置的初值gbest;
[0034] (3)粒子適應(yīng)度計(jì)算:隨著粒子群更新迭代的進(jìn)行，用適應(yīng)度函數(shù)求出更新之后粒 子的適應(yīng)度值，將適應(yīng)度值的優(yōu)劣作為粒子更新的依據(jù)；
[0035] (4)輪盤賭選擇：隨機(jī)生成一個(gè)行數(shù)則將pop矩陣的第r行選擇生成新 的m行η列的矩陣newpop中進(jìn)行下面的交叉變異等操作；
[0036] (5)交叉操作:選擇一個(gè)交叉概率pc，取值范圍為[0.4,0.9]，當(dāng)隨機(jī)生成的概率小 于pc時(shí)則進(jìn)行交叉操作，矩陣newpop的第m行賦值為全局最優(yōu)值gbest;
[0037] (6)變異操作:選擇合適的變異概率pm，取值范圍為[0.01，0.1 ]，當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的概 率小于此概率時(shí)則粒子進(jìn)行變異，即將其值變?yōu)殡S機(jī)值，矩陣newpop的第m行賦值為全局最 優(yōu)值gbest;
[0038] (7)更新粒子自身的最優(yōu)位置ibest和粒子群全局最優(yōu)位置gbest:計(jì)算并判斷更 新之后粒子的適應(yīng)度值，若其值優(yōu)于粒子在自身最優(yōu)位置ibest處所取得的適應(yīng)度值，則將 ibest更新為當(dāng)前粒子的位置，否則不更新;若其值優(yōu)于在粒子群全局最優(yōu)位置gbest處所 取得的適應(yīng)度值，則將gbest更新為當(dāng)前粒子位置，否則不更新。
[0039] (8)更新粒子位置和速度:按照下列的粒子群的速度和位置更新公式，更新粒子的 速度和位置，并將其值約束在限值范圍之內(nèi)；
[0040] v(i,:)=w*v(i,:)+cl*ri*(ibest(i,:)-pop(i,:))+c2*r2*(gbest-pop(i,:)) [0041 ] pop( i , :) =pop( i ,:)+0.3*v( i ,:)
[0042] 其中w為慣性權(quán)重因子，用來控制當(dāng)前粒子速度對(duì)下一代粒子更新的影響，w越大， 影響越大，粒子的更新的速度越快，群體較活躍，有利于全局尋優(yōu);反之，速度更新慢，有利 于局部尋優(yōu);cl、c2為[0,2]上的常數(shù)，稱為正的加權(quán)常數(shù)，用來控制粒子向自身最優(yōu)位置 ibest以及全局最優(yōu)位置gbest靠近的速度，一般取cl = c2 = 2 ;rl、r2為[0,1]上的常數(shù)，每 次迭代時(shí)都會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生;式中的？〇?(1:)、^(1， ：）分別為?〇?矩陣和￥矩陣第1行的所有元 素，Ki彡m;
[0043] (9)判斷是否滿足終止條件，滿足則停止迭代，否則繼續(xù)。
[0044] 前述靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中交叉概率pc取值為0.8。
[0045] 前述靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中變異概率pm，取值為0.04。
[0046] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:針對(duì)高頻變壓器的特性，在高頻高壓變壓 器設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上將粒子群與遺傳算法相結(jié)合，以變壓器匝比以及波形的占空比為優(yōu)化 變量，以輸出損耗為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用遺傳粒子群算法，即在粒 子群算法的基礎(chǔ)上將遺傳算法的選擇算法、交叉操作以及變異操作引入到粒子群算法中， 遺傳粒子群算法在基本粒子群算法的基礎(chǔ)上加入慣性權(quán)重，對(duì)算法的全局和局部尋優(yōu)能力 得到改進(jìn)，并且與遺傳算法相結(jié)合，加入了交叉變異因子彌補(bǔ)粒子群算法的缺陷和不足。此 算法迭代過程簡(jiǎn)單，具有容易理解、易于實(shí)現(xiàn)、收斂速度較快、效率更優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】：
[0047] 圖1是靜電除塵用高頻高壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0048] 圖2是基于遺傳粒子群算法的靜電除塵用高頻高壓變壓器設(shè)計(jì)流程圖；
[0049]圖3是遺傳粒子群優(yōu)化算法設(shè)計(jì)流程圖；
[0050]圖4變壓器簡(jiǎn)化模型。
【具體實(shí)施方式】：
[0051] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0052] 如圖1所示，為靜電除塵用高頻高壓電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)主電路主要包括：380V 三相交流電1、電力線濾波器2、三相整流電路3、濾波電容4、第一全橋逆變電路5、第一緩沖 電路6、第二全橋逆變電路7、第二緩沖電路8、諧振電路9、高頻變壓器10、高壓整流硅堆11、 阻尼電阻12、等效負(fù)載13。系統(tǒng)控制回路主要包括:模擬信號(hào)調(diào)理電路14、主控電路15、數(shù)字 信號(hào)調(diào)理電路16、驅(qū)動(dòng)板17、iFIX上位機(jī)監(jiān)控單元18。
[0053] 380V三相交流電1先經(jīng)過串聯(lián)的電力線濾波器2除噪，再依次通過串聯(lián)的三相整流 電路3以及濾波電容4轉(zhuǎn)變?yōu)?30V直流電，再通過串聯(lián)的第一全橋逆變電路5、第一緩沖電路 6、第二全橋逆變電路7、第二緩沖電路8、諧振電路9將530V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0kHz的高頻交流 電，并送至高頻變壓器10升壓，最后經(jīng)過高壓整流硅堆11整流后，輸出72kV高壓直流電。在 此過程中，控制回路采集主回路及其他相關(guān)信號(hào)，采集的信號(hào)依次經(jīng)過模擬信號(hào)調(diào)理電路 14、主控電路15、數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路16后再送入驅(qū)動(dòng)板17和iFIX上位機(jī)監(jiān)控單元18,驅(qū)動(dòng)板 17根據(jù)采集的信號(hào)輸出相應(yīng)頻率的PWM波至第一全橋逆變電路5和第二全橋逆變電路7， iFIX上位機(jī)監(jiān)控單元18則將各個(gè)信號(hào)的運(yùn)行狀況進(jìn)行顯示與故障處理等，共同實(shí)現(xiàn)電源的 輸出控制。
[0054]如圖4所示為變壓器簡(jiǎn)化模型。如圖2、圖3所示:基于遺傳粒子群算法的靜電除塵 用高頻高壓變壓器設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下：
[0055] (1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定各原始技術(shù)要求，如工作頻率f = 20kHZ，一次側(cè)輸入電壓1^ 在510V~530V范圍，二次側(cè)輸出電壓US = 80V，二次側(cè)輸出電流IS = 1.07A，輸出功率P〇 = 85KVA，效率η彡80%，溫升 Δ t<45°C等。
[0056] (2)諧振參數(shù)分析，諧振參數(shù)的選取應(yīng)滿足f s〈 l/2f r，式中f s為開關(guān)頻率，f r為諧振 固有頻率，/: = 1/(2G = (CPCS)/(CS+CP)，Ls為漏感，C P為分布電容，Cs為串聯(lián)諧振電 容，選取合適的參數(shù)使電源工作于電流斷續(xù)模式。
[0057] (3)跟據(jù)功率，頻率等相關(guān)參數(shù)由下式計(jì)算AP值。
[0059] (4)選擇磁芯材料，跟據(jù)AP值選和實(shí)際需求選擇其尺寸。采用選擇德國(guó)VAC公司型 號(hào)為Vitroperm 500的超微晶合金。采用雙向磁化狀態(tài)，采用對(duì)高頻損耗小、高導(dǎo)磁的納米 超微晶圓形截面口字形磁芯，采取特殊的高壓線包繞制工藝，縮小了窗口尺寸，減小了鐵芯 損耗。采用不銹鋼蓋板，避免了高頻渦流的產(chǎn)生。
[0061] (6)采用遺傳粒子群算法，以變壓器損耗為優(yōu)化目標(biāo)，以匝比和占空比為優(yōu)化變 量，若優(yōu)化結(jié)果與目標(biāo)損耗相符，則繼續(xù)下一步，否則重新進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)可由下式簡(jiǎn) 單表示：
[0063] 式中Ρι_(η，?)為變壓器的損耗表達(dá)式；
[0064] η為變壓器原副邊匝比；
[0065] D為波形的占空比；
[0066]優(yōu)化的具體的方法如下：
[0067] 1)粒子群初始化:初始化粒子群的迭代次數(shù)G，粒子維數(shù)η，群體規(guī)模m等。
[0068] 2)初始化粒子的位置和速度:創(chuàng)建m行η列的位置矩陣pop，并將其賦值在0到1之 間，每一行代表一個(gè)粒子，第一列代表匝比，第二列代表占空比，第三列代表變壓器損耗，包 括銅損和鐵損，并使MinX( j) <pop( i，j) <MaxX( j)，其中1彡i彡m，1彡j彡n，MinX( j)為第j 列變量對(duì)應(yīng)的最小值，MaxX(j)為第j列變量對(duì)應(yīng)的最大值。同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)m行n列的速度矩 陣v，值為[0,0.02]。并將粒子的當(dāng)前位置pop(i，j)初始化為粒子自身的最優(yōu)位置ibest，根 據(jù)粒子的初始位置用適應(yīng)度函數(shù)求出所有粒子的適應(yīng)度值，找出適應(yīng)度最優(yōu)的粒子位置， 將其作為粒子群全局最優(yōu)位置的初值gbest。
[0069] 3)粒子適應(yīng)度計(jì)算：隨著粒子群更新迭代的進(jìn)行，用適應(yīng)度函數(shù)求出更新之后粒 子的適應(yīng)度值，將適應(yīng)度值的優(yōu)劣作為粒子更新的依據(jù)。
[0070] 4)輪盤賭選擇:隨機(jī)生成一個(gè)行數(shù)則將pop矩陣的第r行選擇生成新的 m行η列的矩陣newpop中進(jìn)行下面的交叉變異等操作。
[0071] 5)交叉操作:選擇一個(gè)交叉概率pc，一般取[0.4,0.9]，取值為0.8最佳，當(dāng)隨機(jī)生 成的概率小于pc時(shí)則進(jìn)行交叉操作，交叉方法采取方法為:第一行與第m行交換，第二行與 第m-Ι行交換，以此類推。矩陣newpop的第m行賦值為全局最優(yōu)值gbest。
[0072] 6)變異操作:選擇合適的變異概率pm，一般取[0.01，0.1 ]，取值為0.04最佳，當(dāng)隨 機(jī)產(chǎn)生的概率小于此概率時(shí)則粒子進(jìn)行變異，即將其值變?yōu)樵趨?shù)范圍內(nèi)的隨機(jī)值。矩陣 newpop的第m行賦值為全局最優(yōu)值gbest。
[0073] 7)更新粒子自身的最優(yōu)位置ibest和粒子群全局最優(yōu)位置gbest。
[0074] 8)更新粒子位置和速度:按照下列的粒子群的速度和位置更新公式，更新粒子的 速度和位置，并將其值約束在限值范圍之內(nèi)。速度更新公式及位移更新公式如下：
[0075] v(i,:)=w*v(i,:)+cl*ri*(ibest(i,:)-pop(i,:))+c2*r2*(gbest-pop(i,:))
[0076] pop( i , :) =pop( i ,:)+0.3*v( i ,:)
[0077] 式中cl、c2為正的加權(quán)常數(shù)，用來調(diào)節(jié)粒子向粒子自身以及整個(gè)種群最優(yōu)位置靠 近的速度，一般取cl = c2 = 2。
[0078] w為慣性權(quán)重因子。
[0079] rl、r2為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。
[0080] i表示行數(shù)，l$i彡m。
[0081] 9)判斷是否滿足終止條件，本文中終止條件為要求迭代的總次數(shù)，滿足則停止迭 代，否則繼續(xù)。
[0082] 10)輸出結(jié)果得匝比n = 156,占空比D = 0.69,可以看出匝比的理論值與優(yōu)化值非 常接近，損耗也滿足要求。則利用優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行一下計(jì)算。
[0083] (7)利用(6)中優(yōu)化得到的變壓器原副邊匝比，確定原副邊匝數(shù)，
[0085] (8)主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明采用油浸式變壓器，其主絕緣采用變壓器油作為絕緣
材料，采用油屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)， 計(jì)算得Lw = 1 · 7cm，Vc = 3 · 196 X 103cm3〇
[0086] (9)計(jì)算繞組線規(guī)，原邊繞組的裸導(dǎo)線截面積SP = IP/J=167 X 102/150 = lllmm，原 邊的銅箱的高度hP = SP/dP = 111/0 · 5 = 222mm，副邊繞組的裸導(dǎo)線截面積Ss = Is/J= 1 · 07 X 102/150 = 0· 713mm2，
。其中Is為副邊電流； 原邊電流]^ = 15\11=1.07\156 = 167六;(11)為銅箱厚度。
[0087] (10)驗(yàn)證磁芯窗□面積能否滿足式SPm+Ssn 2<0.2Di2要求，若滿足，繼續(xù)下一步， 否則回到（9)重新計(jì)算。帶入本發(fā)明中的數(shù)據(jù)帶得（111 X 7+0.713 X 1092 = 1555.6)<(0.2 X 1702 = 5780)，證明滿足要求。
[0088] (11)計(jì)算繞組銅損，由下式
[0090]
得到原副邊繞 組的銅耗，最后計(jì)算得繞組銅損為 P? = 2(PP-CU+PS-。11)=2\(68.64+3468.6) = 7074.481，其 中kP-s、kP-x分別表示原邊繞組的集膚效應(yīng)系數(shù)與鄰近效應(yīng)系數(shù)，k s-s、ks-x分別表示副邊繞組 的集膚效應(yīng)系數(shù)與鄰近效應(yīng)系數(shù)，P為電阻率，δ為集膚效應(yīng)穿透深度，r Q為導(dǎo)線半徑，r〇 = dP/l .772，ri = ds/2, Δ 〇 = (1Ρ/δ，Δ ：L = ds/5，la-p、la-s表示原副邊繞組的平均阻長(zhǎng)，R ac-p、Rac-s 分別表示原副邊繞組的交流電阻，匕^^匕^分別表示原副邊繞組的銅耗。。
[0091] (12)由下式計(jì)算磁芯損耗
[0092]
中磁芯密度口^二了義/^^為變壓器體積汰&^為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以^為半周期的占空比油 (6)步優(yōu)化結(jié)果取0.345。
[0093] (13)依據(jù)效率公式.
驗(yàn)證效率η是否大于等于80%，若滿足，繼續(xù)下一 步，否則回到（1 )重新計(jì)算；本發(fā)明中將各參數(shù)帶入得
[0094] (14)確定變壓器的分布參數(shù)以及串聯(lián)諧振電容，判斷其是否滿足(2)中的頻率要 求，若滿足，則繼續(xù)下一步，否則回到（1)重新計(jì)算。本發(fā)明中變壓器繞組產(chǎn)生的漏感L s = 13 μΗ，分布電容CP = 6μΗ，串聯(lián)諧振電容Cs = ΙμΗ，經(jīng)計(jì)算fr = 47HZ，滿足要求。
[0095] (15)變壓器溫升及散熱計(jì)算，假設(shè)磁芯和繞組產(chǎn)生的熱量均勻消散，則溫升近似 為：
[0097] 其中，At為允許溫升;Ρ?為變壓器總損耗;Kk為傳熱系數(shù)，對(duì)油浸式變壓器，K k = 5 X10-3W/(°C · cm2);對(duì)于干式變壓器，Kk=1.25X10-3W/(°C · cm2);St為變壓器的總表面積。
[0098] (16)短路阻抗計(jì)算，短路阻抗的計(jì)算公式可化簡(jiǎn)為下式：
[0100]其中uk( %)為短路阻抗Uk的電抗分量百分值，f為變壓器工作頻率，w初級(jí)繞組總匝 數(shù)，I為初級(jí)繞組額定電流，K為附加電抗系數(shù)，可查表得，P為洛氏系數(shù)，et為高低壓繞組每 匝電壓，SD指漏磁的等效面積，H k為兩個(gè)繞組得平均電抗高度。
[0101] 本發(fā)明算法與變壓器具體參數(shù)得關(guān)系為:根據(jù)公式推導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)，即適應(yīng)度函 數(shù)，公式包含優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)，通過算法迭代可以計(jì)算出最優(yōu)參數(shù)。
[0102] 除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形 成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括W下步驟： (1) 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定變壓器技術(shù)參數(shù)； (2) 諧振參數(shù)分析，諧振參數(shù)的選取應(yīng)滿足fs<l/2fr，式中fs為開關(guān)頻率，fr為諧振固有 頻率，X二1/(2 Jy僅），Ce = (CpCs)/(Cs+Cp)，Ls為漏感，Cp為分布電容，Cs為串聯(lián)諧振電容， 電源工作于電流斷續(xù)模式； (3) 根據(jù)功率、頻率等相關(guān)參數(shù)由下式計(jì)算面積積Ap值：式中K為波形系數(shù)，D為整周期占空比，為了使Ap值滿足最大要求，取D為最大值，D = 1; Ku 為窗口利用系數(shù)，取值范圍為0.2-0.4，J為電流密度，經(jīng)驗(yàn)值為150-400A/cm2;f為工作頻 率;Bm為最大磁通密度，取A, =-;Aw為整個(gè)磁忍窗口面積;Ae為有效截面積； (4) 選擇磁忍材料，為德國(guó)VAC公司型號(hào)為Vitroperm 500的超微晶合金； (5) 計(jì)算應(yīng)比理論值巧中Up-min為一次側(cè)輸入電壓的額定最小值； (6) 采用遺傳粒子群算法，W變壓器損耗為優(yōu)化目標(biāo)，W應(yīng)比和占空比為優(yōu)化變量，若 優(yōu)化結(jié)果與目標(biāo)效率相符，則繼續(xù)下一步，否則重新進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化函數(shù)可由下式簡(jiǎn)單表 示：式中PiDss(n，D)為變壓器的損耗表達(dá)式;η為變壓器原副邊應(yīng)比;D為波形的占空比； (7) 利用(6)中優(yōu)化得到的變壓器原副邊應(yīng)比，確定原副邊應(yīng)數(shù)：，Π 2 = η Χηι，ηι、Π2為原副邊應(yīng)數(shù)； (8) 主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用油浸式變壓器，其主絕緣采用變壓器油作為絕緣材料，采用 油屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)；由??求出變壓器鐵忍的窗口寬 度Lw，W及變壓器的體積Vc;其中^為原邊繞組與磁忍之間的絕緣距離，L2為原邊繞組每層 厚度，L3為變壓器原邊副邊絕緣距離，L4為副邊繞組每層厚度，ri2c為副邊的繞組層數(shù)，Ls為變 壓器副邊到副邊的絕緣距離，A。為變壓器的幾何截面積，hi表示磁忍窗口高度； (9) 計(jì)算繞組線規(guī)，原邊繞組的裸導(dǎo)線截面積Sp = Ip/J，原邊的銅錐的高度//,，=%，副邊 dp 繞組的裸導(dǎo)線截面巧其中Is為副邊電流;原邊電流Ip = Is Xn;dp為銅錐厚度； (10) 驗(yàn)證磁忍窗口面積能否滿足式Spm+Ssn2《0.2Di2要求，若滿足，繼續(xù)下一步，否則 Pcu = 2(Pp-cu + Ps-cu)計(jì)算繞組銅損；其中 回到(9)重新計(jì)算;其中化表示磁忍窗口寬度；(11)計(jì)算繞組繞組銅損，由式\ kp-s、kp-x分別表示原邊繞組的集膚效應(yīng)系數(shù)與鄰近效應(yīng)系數(shù)，ks-s、ks-x分別表示副邊繞組的 集膚效應(yīng)系數(shù)與鄰近效應(yīng)系數(shù)，P為電阻率，δ為集膚效應(yīng)穿透深度，ro為導(dǎo)線半徑，r〇 = dp/ 1.772，;ri = ds/2, Δ 〇 = dp^，Δ 1 =山作，13可、13-3表示原副邊繞組的平均應(yīng)長(zhǎng)，Rac-p、Rac-s分別 表示原副邊繞組的交流電阻，Pp-cu、Ps-cu分別表示原副邊繞組的銅耗，Pcu為繞組銅損； (1 2 )計(jì)算磁忍損耗戈中磁忍密度Pcnre = 7.2g/cm3，Vc為變壓 器體積，k、a、β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Di/2為半周期的占空比； (13) 依據(jù)效率公式驗(yàn)證效率η是否大于等于80%，若滿足，繼續(xù)下一步，否則 回到（1 )重新計(jì)算，其中Ρ。為輸出功率，Ρ?為總損耗，Ρ? = Pcu+PFe ; (14) 確定變壓器的分布參數(shù)w及串聯(lián)諧振電容，判斷其是否滿足(2)中的頻率要求，若 滿足，則繼續(xù)下一步，否則回到（1)重新計(jì)算； (15) 變壓器溫升及散熱計(jì)算，溫升近似為Δ? = ^，若滿足，則繼續(xù)下一步，否則回到 (1)重新計(jì)算;其中Ρ?為變壓器總損耗;Kk為傳熱系數(shù)，St為變壓器的總表面積； (16) 短路阻抗計(jì)算，短路阻抗巧，在9 %-10.5 %， 則滿足要求，若滿足，則繼續(xù)下一步，否則回到（1)重新計(jì)算;其中W初級(jí)繞組總應(yīng)數(shù)，I為初 級(jí)繞組額定電流，K為附加電抗系數(shù)，可查表得，P為洛氏系數(shù)，et為高低壓繞組每應(yīng)電壓，S 時(shí)旨漏磁的等效面積，化為兩個(gè)繞組得平均電抗高度。2. 如權(quán)利要求1所述的靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步 驟(3)中，當(dāng)輸入波形為正弦波時(shí)，K = 4.44;當(dāng)輸入波形為方波時(shí)，K = 4，Ku取0.4; J取150A/ 畑12;8。取值0.41'。3. 如權(quán)利要求1所述的靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步 驟(6)的遺傳粒子群優(yōu)化算法，其具體步驟如下： (1) 粒子群初始化:初始化粒子群的迭代次數(shù)G，粒子維數(shù)η，群體規(guī)模m; (2) 初始化粒子的位置和速度:創(chuàng)建m行η列的位置矩陣pop,并將其賦值在0到1之間，每 一行代表一個(gè)粒子，第一列代表應(yīng)比，第二列代表占空比，第Ξ列代表變壓器損耗，并使 MinX(j)《pop(i，j)《MaxX(j)，其中1《1《111，1《_]'《11，1111乂〇'）為第巧1]變量對(duì)應(yīng)的最小 值，MaxX(j)為第j列變量對(duì)應(yīng)的最大值;同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)m行η列的速度矩陣V，值為[ο，ο. 02 ]; 并將粒子的當(dāng)前位置p〇p(i，j)初始化為粒子自身的最優(yōu)位置化est，根據(jù)粒子的初始位置 用適應(yīng)度函數(shù)求出所有粒子的適應(yīng)度值，找出適應(yīng)度最優(yōu)的粒子位置，將其作為粒子群全 局最優(yōu)位置的初值gbest; (3) 粒子適應(yīng)度計(jì)算:隨著粒子群更新迭代的進(jìn)行，用適應(yīng)度函數(shù)求出更新之后粒子的 適應(yīng)度值，將適應(yīng)度值的優(yōu)劣作為粒子更新的依據(jù)； (4) 輪盤賭選擇:隨機(jī)生成一個(gè)行數(shù)r，則將pop矩陣的第r行選擇生成新的m行 η列的矩陣newpop中進(jìn)行下面的交叉變異等操作； (5) 交叉操作:選擇一個(gè)交叉概率PC，取值范圍為[0.4,0.9]，當(dāng)隨機(jī)生成的概率小于pc 時(shí)則進(jìn)行交叉操作，矩陣newpop的第m行賦值為全局最優(yōu)值gbest; (6) 變異操作:選擇合適的變異概率pm，取值范圍為[0.01，0.1 ]，當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的概率小 于此概率時(shí)則粒子進(jìn)行變異，即將其值變?yōu)殡S機(jī)值，矩陣newpop的第m行賦值為全局最優(yōu)值 gbest； (7) 更新粒子自身的最優(yōu)位置ibest和粒子群全局最優(yōu)位置gbest:計(jì)算并判斷更新之 后粒子的適應(yīng)度值，若其值優(yōu)于粒子在自身最優(yōu)位置ibest處所取得的適應(yīng)度值，則將 ibest更新為當(dāng)前粒子的位置，否則不更新;若其值優(yōu)于在粒子群全局最優(yōu)位置gbest處所 取得的適應(yīng)度值，則將gbest更新為當(dāng)前粒子位置，否則不更新。 (8) 更新粒子位置和速度:按照下列的粒子群的速度和位置更新公式，更新粒子的速度 和位置，并將其值約束在限值范圍之內(nèi)； v(i,:)=w*v(i,:)+cl*ri*(ibest(i,:)_pop(i,:))+c2*r2*(gbest_pop(i,:)) pop(i ,: )=pop(i ,: )+0.3*v(i ,:) 其中W為慣性權(quán)重因子，用來控制當(dāng)前粒子速度對(duì)下一代粒子更新的影響，W越大，影響 越大，粒子的更新的速度越快，群體較活躍，有利于全局尋優(yōu);反之，速度更新慢，有利于局 部尋優(yōu);cl、c2為[0,2]上的常數(shù)，稱為正的加權(quán)常數(shù)，用來控制粒子向自身最優(yōu)位置ibest W及全局最優(yōu)位置gbest靠近的速度，一般取cl = c2 = 2;rl、r2為[0，1]上的常數(shù)，每次迭代 時(shí)都會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生;式中的9〇9(1，：）、巾。，：）分別為9〇9矩陣和巾矩陣第1行的所有元素，1《1 《m; (9) 判斷是否滿足終止條件，滿足則停止迭代，否則繼續(xù)。4. 如權(quán)利要求3所述的靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述交 叉概率pc取值為0.8。5. 如權(quán)利要求3所述的靜電除塵用高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述變 異概率pm，取值為0.04。
【文檔編號(hào)】G06N3/00GK106096106SQ201610390088
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日 公開號(hào)201610390088.1, CN 106096106 A, CN 106096106A, CN 201610390088, CN-A-106096106, CN106096106 A, CN106096106A, CN201610390088, CN201610390088.1
【發(fā)明人】曾慶軍, 魏月
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)