电气装备优化-浙大

1、电气装备优化方法纲要电气装备优化方法纲要 浙江大学浙江大学 叶云岳叶云岳目 录1.概 述2. 电气装备的优化方法2.1 电磁设计优化2.2 材料应用的优化2.3 结构设计的优化2.4 制造方法与选用的优化2.5 电气装备的优化方法讨论讨论它包括：装备电磁设计的优化方法装备材料应用的优化方法装备结构设计的优化方法装备制造工艺和运行过程的优化基本了解和掌握电气装备的优化方法课程目标1参考书目：参考书目：1.计算机辅助电机优化设计与制造计算机辅助电机优化设计与制造叶云岳编著,浙江大学出版社,1998年2. 电气装备优化纲要电气装备优化纲要.ppt叶云岳 第1章 概 述 1.1 电气装备的分类 电气装

2、备发电机变压器、电抗器高低压电器电动机其他各种电器第2章 电气装备的优化方法2.1 电磁设计的优化2.2 材料应用的优化2.3 结构设计的优化2.4 制造工艺和选用的优化 1 ) 电气装备CAD内容 2) 电气装备CAD一般过程 3) 电气装备CAD常用的数学方法 4) 电气装备CAD中一些问题的处理方法 电气装备CAD基础电气装备CAD内容与问题* 计算机辅助电气装备设计* 计算机辅助电气装备工程图的绘制 * 计算机辅助电气装备电磁场、温度场和 应力场的计算 * 电气装备的计算机仿真 * 计算机辅助电气装备制造 1、改进以半经验为依据的计算公式 建立更加严格精确的，更符合实际的数学模型 2、

3、除电磁计算外， 还需进行通风计算、热计算、机械计算以及振动、噪声计算等 3、建立一个包括制造、试验和管理在内的系统和完整的信息数据库 4、建立一个图形处理系统 5、建立一个计算机辅助工艺、制造 测试、管理为一体的智能化系统 电气装备CAD一般过程 机辅电气装备设计的发展过程机辅电气装备设计的发展过程：三个阶段： “优化设计” “综合设计” “校核设计”所谓“校核设计”：就是该设计程序是按设计人员预先估计好的若干设计参量，依一定程序步骤来确定产品运行性能的计算值，如果不符合要求时，人工将一些输入参量加以变化再校算之。“校核设计”相当于以计算机演算来代替手算。“综合设计综合设计”：是根据已知的性能

4、要求，决定电机各设计参数的程序 “综合设计”实质上就是不依赖人工而自动修改方案并重复校核计算，直至最终得到符合要求的方案为止 算出一大批可行方案，经比较后，由人工选出较优方案。 “优化设计优化设计”： 始于六十年代初期，计算机直接找出最优设计方案始于六十年代初期，计算机直接找出最优设计方案内容有二：内容有二：将实际问题抽象为最优数学模型；将实际问题抽象为最优数学模型；选择最优化的计算方法选择最优化的计算方法 1. 线性规划 2. 整数规划 3. 无约束极值问题的解法 4. 非线性规划 5. 模拟退火算法 6. 遗传算法 7. 多目标优化方法 优化技术及其数学方法2.1 电磁设计优化例：电机电磁

5、优化设计例：电机电磁优化设计 电机的优化设计的数学模型是一个具有不等式约束的非线性规划问题，有不同于其它简单机械优化设计的特点一、多目标的优化问题一、多目标的优化问题 单目标问题的任意两个解都可以比较其优劣，或称为可比的；多目标问题的两个解不一定都是可比出其优劣的。 F XfXfXfXtT12,min, ,F XRX gXjmX Rj012 向量函数 多目标寻优问题 XR*XRfXfXitii*, , 12 X*(1)若对于所有均存在则称为多目标规划问题的最优解XRX*(2)若对于所有均存在则称为多目标规划问题的非劣解 XRfXfXitii, ,12 将多目标优化问题转化为单目标优化问题来求解

6、，对电机的优化设计还比较适用。转化方法通常有以下几种： a)从t个目标中选择一个最主要的目标（或目标的重点）来寻优。将其他目标均转化为约束条件了。这种方法可称之为降（低目标）维数法，或简称降维法 b)对于多目标函数式建立一个综合的评价函数。 U Xw fXiiit1minU XX R多目标优化问题变成求c)先对各个单目标分别求出最优的目标值，然后构造一个新的评价函数U XfXffiiiit*21minU XX R求 二、多峰的目标函数 电机优化设计时，其目标函数与变量之间的关系相当复杂，无法写成显式表达式。这样的函数往往不是凸函数，对应的规划不是凸规划，而是个多峰函数，并且到底有几个峰，如何分

7、布均为未知数。这给优化设计带来不少困难。许多情况求得的解很可能不是全局最优解，而仅仅是局部最优解。 随机搜索法是个有力工具 三、变量和约束 1.确定设计变量原则 设计变量应是独立的。 变量选取的合理与否，对优化质量影响甚大。 2.变量取值范围 电机中许多尺寸由于结构和工艺的限制，都有一定取值范围。一个有经验的工程技术人员凭藉经验可以大大缩小变量的寻优区间。对于有把握的变量，其变化区间可取得小些；对于把握不大的，区间就应放宽。 由于结构工艺要求，电机中许多结构尺寸都不是连续的变量 。对于离散量应该先离散后进行优化， 而不应倒过来先按连续量作优化后再离散。3.设计变量的标准化处理 工程设计中，各设

8、计变量的数量级常常相差很大 4.约束条件的处理 电机优化设计中的约束，可分为结构约束和性能约束两类 结构约束结构型式、各种尺寸限制性能约束:cosTmTstIst效率功率因数最大转矩倍数起动转矩倍数起动电流倍数热负荷（或温升） 四、电机优化设计中的罚函数 由于SUMT法在处理不等式约束条件时，比较方便和灵活 电机中的一些性能约束就是属于这一类。罚函数法的增广目标函数中的罚函数项的正确选取，对优化设计的效果影响很大。 XXjjm1jjjjXgXk gXgX000当当(1)jjjjXgXk gXgX0000当当(2)jjjjjXk gXgXk gXgX1000当当(3)(4) jjjjjjXkgg

9、XXggggXk gXgX1020000当当当局部优化技术 因为电机优化设计中可变参数太多了，目标函数和约束条件的形成也非常复杂， 全部考虑进去几乎是不可能，作必要的简化是不可避免的。局部优化技术就是把目标函数、变量和约束条件限制在某些局部域里，局部优化技术就是把目标函数、变量和约束条件限制在某些局部域里，使其最优化便于实现。使其最优化便于实现。 局部优化看作是全局优化的一个组成部分。 一、自动优选绕组线规 线规选择的原则可定为在槽满率不大于给定值的条件下，选出导线截面最大的一组线规。也就是求如下规划问题：目标：从标准线规中选出导线截面最大的一组。 约束：槽满率小于给定值。a)先根据槽满率及槽

10、有效面积Se初步确定一个最大并联根数N， 选取线规表最细一挡导线。b)开始时不考虑两挡导线的组合，并绕根数初值取为N，线规开始逐次加大，找到满足槽满率 要求的最粗一挡线规止。c)然后考虑该挡导线与比它粗的相邻挡导线相并的情况。逐次减少细线根数k，满足槽满率为 前提条件，找出导线截面S 为最大的一组线规。 d)并绕根数逐次减少，并重复以上过程，将选出的线规总截面与前面选出的进行比较，最后 确定线规直径及其相应的并绕根数和为止。 二、定子槽形的优选 定子槽形可按下列两条原则选优： 力求使定子齿部与轭部压降 之和为最小； 力求使空载铁耗值 为最小。FCp0三、转子槽形优选 在异步电动机主要尺寸及定子

11、绕组已经确定后，启动性能主要受转子槽形影响； 而转子槽形在一定范围内变化，只对启动性能有较大影响，对运行性能的影响则较小。故在一般情况下，可以通过调节转子槽形的某些尺寸（例如槽宽、槽高等）使启动电流或启动转矩达到最佳值。 假定电磁设计中主要矛盾是启动电流太大，那么优化的问题可定为满足启动转矩约束下使启动电流为最小，选取槽形尺寸。 minIXstgTTstst0Xbbrr120,启动转矩作为约束条件提出。于是我们有如下寻优问题：目标约束变量电机优化设计是一个复杂的非线性规划问题。设计变量、目标函数和约束函数的选择是多种多样的，视具体情况而变。有些选择则完全是人为的，不一定能说出令人信服的理由。所

12、以电机优化设计是没有统一模式的。 三相异步电动机优化设计 增广目标函数 P X rf XrgXjjm,11罚因子初值 rf XgXjjm0011目标函数 硅钢片成本铜的成本铝的成本 f X尚加上电机轴径应大于某值的机械约束。最大齿磁密不大于铁材料饱和度容许的参数约束。 TmTstIstcosSNcu约束性能约束：最大转矩，启动转矩，启动电流，满载功率因数，满载转差率，满载温升例1 选择了以下11个设计变量： 定子内径 定子铁心迭片长 定子槽深 定子槽宽XxxxT1211,x1x2x3x4 定子轭高 转子槽深 转子槽宽 气隙磁密 端环宽度 端环高度 气隙长x6x7x8x9x10 x115x原方案

13、的目标函数值大，成本高，温升低，最大转矩和启动转矩远大于约束控制值，故偏保守。经优化后， 几个方案的目标函数值都有不同程度的降低。 cuTmTst优化方法：虎克杰夫法、模式搜索法、Powell法、梯度法 、变尺度法 系列电机的优化设计 大多数应用中的电机，都是工厂系列生产的产品。系列电机是指技术要求、结构及冷却形式、应用范围和生产工艺基本相同的，功率及安装尺寸按一定规律递增的一系列电机。其中同中心高的电机零部件通用性很高，这给系列电机优化设计带来新的难度。因此，如何应用优化技术于系列电机设计中，是个值得探讨的问题。 系列电机优化设计的特点常可归纳成如下几条： 系列的兼容性 约束和整体目标 函数

14、 解题方法 系列电机优化设计问题，实质上是一个多目标规划问题 降维优化法 并行优化方法 系列中同一中心高的所有规格电机要求采用相同的定子外径；极数相同、功率等级相近的电机使用同一种定、转子铁心冲片，以保证共用一套冲模具 自动进行的，优化效果好，并且评价标准明确， 不受人工影响，计算时间也省；缺点是程序编制较繁 计算次数较多，计算时间长，而且优化效果仍在很大程度上依赖设计人员的经验多少，技术熟练的程度；其次，重点规格的选择也与优化结果直接有关。 3、新型绝缘材料的应用第2章 电气装备优化方法2-3 结构设计的优化 局部与部件结构的优化 整机结构的优化 系统结构的优化局部与部件结构的优化例如：槽形

15、结构可提高起动转矩整机结构的优化整机结构的优化例：复式永磁电机例：复式永磁电机用于油田直驱抽油，系统节电60%以上 复复式式永永磁磁电电机机例：磁浮电机 磁浮电机结构磁浮电机结构 例：新型永磁开关的结构与优化例：新型永磁开关的结构与优化 断路器是十分重要的开关电气设备 ，操动机构对断路器的发展有着极大的影响 ，传统操动机构存在机构复杂、可靠性、可控性差等问题。突破传统机构动作原理，研制和发展新型的断路器操动机构具有重要意义 传统操动机构1静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢2动铁心，是整个机构中最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或低碳钢

16、结构3、 4为永久磁体，为机构提供保持时所需要的动力5、6为分闸线圈和合闸线圈;7为驱动杆新型永磁开关新型永磁开关基本结构基本结构|技术创新的内容一般包括产品创新、材料创新、工艺创新.|装备技术优化也包括产品优化、材料优化. 工艺优化 电气装备优化设计中,工艺的优化会对性能起极大的作用,有时会起决定性作用 例: 取向硅钢片的裁剪 铁芯的发黑 离心浇铸 国外公司有许多先进工艺制造技术但其设备不都是高精度，然其独特思考方式、具体作法及认真程度值得我们学习 例：电机制造工艺例：电机制造工艺|最优化技术专门分析研究如何用最优的办法来解决问题。最优化技术在系统工程、控制工程、经济企业管理、产品设计及选型

17、等方面广泛地得到应用。|人们总是希望采取种种措施,以有限的资源条件, 用最短的时间, 取得人力、物力、投资和年运行费用等单项或多项综合指标最小的最优结果。|因此, 。对于同一问题, 由于要求不同, 可列出不同的目标函数, 因而会得到不同的结论。|从优化的观点如何选择变压器的容量。从优化的观点如何选择变压器的容量。一、变压器容量的几种最优选择方法一、变压器容量的几种最优选择方法选择变压器容量大于最大计算负载。最大计算负载一般按需用系数法计算。所谓最大计算负载,在我国及苏联等国家是指30分钟的平均最大值, 日本则是按一小时平均最大值。按计算负载选择变压器即是按发热观点选择变压器, 使变压器长期运行

18、不会超过允许温升, 对变压器的安全运行是必须的。从优化的观点看, 可称为投资最省、变压器容量最小、最充分利用变压器容量的最优选择。考考 虑变压虑变压 器器 有有 功功 功率功率 、 无无 功功 功功 率损率损 耗的耗的 综合效综合效 率率3）按变压器年）按变压器年 电能效率电能效率 最高最高 时时的的 负负 载载 率率 选择选择 年运行费 由折 旧 、维 修费、基 本 电费及电度电费等部 分组成 。 根 据 目 前我 国 对大 宗工 业 基本 电 费 , 按受 电变压器 容量 4元 /kVA 月 , 或按最高需求量6 元/kW 月 两种计 算方 法 , 故年运 行 费用亦分 两种计算方 法分

19、别计算 。 4、按年运、按年运 行费用行费用 最最 小选小选 择择 6）按投）按投 资资 加加 使使 用年用年 限限 年年 内年运内年运 行费行费 用用 贴现贴现 值值之和最小选之和最小选 择择 。 第二种方第二种方 法所选择法所选择 的的 容量为第一容量为第一 种方法种方法 的的 2.2倍倍 , 它它 较较 第一第一 种方种方 法有法有 如下如下 之特之特 点点 投投 资增加资增加 , 运运 行的负载率低行的负载率低 ,故故 障可能性减少障可能性减少 .当变压器当变压器 功功 率效率最率效率最 高时高时 , 负载负载 的的 功率功率 损耗率损耗率 单位单位 功功 率率 的损的损 耗耗 最最

20、小小 , 但它但它 没有没有 反反 映变压器运映变压器运 行时行时 间间 的长短及的长短及 负载的负载的 变动情变动情 况况 , 即没即没 有反有反 映变压器年映变压器年 电能损电能损 耗耗 的情况的情况 , 因因 之之 , 无无 实用实用 意义意义 。对对 各各 种方种方 法法 的评的评 价及价及 实用实用 范围范围 ： 第一种方第一种方 法法 只只 是是 投投 资低资低 或设备或设备 利用利用 率率 高高 , 电能损电能损 耗情耗情 况况 、 经经 济上如济上如 何何 , 未予未予 以考以考 虑虑 , 是该法的缺点是该法的缺点 在设备供应在设备供应 紧张紧张 , 变压变压 器系国家统一器系

21、国家统一 分配分配 的一的一 类设类设 备备 容量指标卡得紧时容量指标卡得紧时 , 为为 了少了少 占变压占变压 器器 的的 容量指标容量指标 , 或者或者 在投在投 资资 困难困难 的情况下的情况下 , 以及一班制或农业用电情况下以及一班制或农业用电情况下 可采可采 用该法用该法 。 第四种第四种 方方 法法 是一是一 项综合指标项综合指标 , 它它 包括包括 了了 设设 备备的的 折折 旧及维修费用旧及维修费用 、 基基 本本 电费及电费及 电度电度 电电 费费 , 它它 较较 前三前三 种方法种方法 全面全面 。 第五种第五种 方方 法法 的主的主 要缺要缺 点点 , 是把是把 不不 同时同时 间间 的货的货 币放在一币放在一 起起 比较比较 。货。货 币总币总 是要是要 贬值贬值 的的 , 货货 币