[发明专利]静电除尘用高频高压变压器优化设计方法

摘要

本发明公开了一种静电除尘用高频高压变压器优化设计方法，选取合适的磁芯，针对高频变压器的特性，在高频高压变压器设计方法的基础上将粒子群与遗传算法相结合，以变压器匝比以及波形的占空比为优化变量，以输出损耗为优化目标对变压器进行优化设计。本发明采用遗传粒子群算法，即在粒子群算法的基础上将遗传算法的选择算法、交叉操作以及变异操作引入到粒子群算法中，此算法迭代过程简单，具有容易理解、易于实现、收敛速度较快、效率更优等优点。

主权项

1.一种静电除尘用高频高压变压器优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据设计任务确定变压器技术参数；(2)谐振参数分析，谐振参数的选取应满足f_s<1/2f_r，式中f_s为开关频率，f_r为谐振固有频率，C_e＝(C_pC_s)/(C_s+C_p)，L_s为漏感，C_p为分布电容，C_s为串联谐振电容，电源工作于电流断续模式；(3)由下式计算面积积A_p值：式中K为波形系数，D为整周期占空比，为了使A_p值满足最大要求，取D为最大值，D＝1；K_u为窗口利用系数，取值范围为0.2‑0.4，J为电流密度，经验值为150‑400A/cm²；f为工作频率；B_m为最大磁通密度，取A_w为整个磁芯窗口面积；A_e为有效截面积；(4)选择磁芯材料，为德国VAC公司型号为Vitroperm500的超微晶合金；(5)计算匝比理论值式中U_p‑min为一次侧输入电压的额定最小值,U_s为二次侧输出电压，U_p为一次侧输入电压；(6)采用遗传粒子群算法，以变压器损耗为优化目标，以匝比和占空比为优化变量，若优化结果与目标效率相符，则继续下一步，否则重新进行优化，优化函数可由下式简单表示：式中P_loss(n,D)为变压器的损耗表达式；n为变压器原副边匝比；D为波形的占空比；所述遗传粒子群算法，具体步骤如下：①粒子群初始化：初始化粒子群的迭代次数G，粒子维数n，群体规模m；②初始化粒子的位置和速度：创建m行n列的位置矩阵pop，并将其赋值在0到1之间，每一行代表一个粒子，第一列代表匝比，第二列代表占空比，第三列代表变压器损耗，并使MinX(j)≤pop(i,j)≤MaxX(j)，其中1≤i≤m，1≤j≤n，MinX(j)为第j列变量对应的最小值，MaxX(j)为第j列变量对应的最大值；同时创建一个m行n列的速度矩阵v，值为[0,0.02]；并将粒子的当前位置pop(i,j)初始化为粒子自身的最优位置ibest，根据粒子的初始位置用适应度函数求出所有粒子的适应度值，找出适应度最优的粒子位置，将其作为粒子群全局最优位置的初值gbest；③粒子适应度计算：随着粒子群更新迭代的进行，用适应度函数求出更新之后粒子的适应度值，将适应度值的优劣作为粒子更新的依据；④轮盘赌选择：随机生成一个行数r,1≤r≤m，则将pop矩阵的第r行选择生成新的m行n列的矩阵newpop中进行下面的交叉变异操作；⑤交叉操作：选择一个交叉概率pc，取值范围为[0.4，0.9]，当随机生成的概率小于pc时则进行交叉操作，矩阵newpop的第m行赋值为全局最优值gbest；⑥变异操作：选择合适的变异概率pm，取值范围为[0.01，0.1]，当随机产生的概率小于此概率时则粒子进行变异，即将其值变为随机值，矩阵newpop的第m行赋值为全局最优值gbest；⑦更新粒子自身的最优位置ibest和粒子群全局最优位置gbest：计算并判断更新之后粒子的适应度值，若其值优于粒子在自身最优位置ibest处所取得的适应度值，则将ibest更新为当前粒子的位置，否则不更新；若其值优于在粒子群全局最优位置gbest处所取得的适应度值，则将gbest更新为当前粒子位置，否则不更新；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，并将其值约束在限值范围之内；v(i,:)＝w*v(i,:)+c1*r₁*(ibest(i,:)‑pop(i,:))+c2*r₂*(gbest‑pop(i,:))pop(i,:)＝pop(i,:)+0.3*v(i,:)其中w为惯性权重因子，用来控制当前粒子速度对下一代粒子更新的影响，w越大，影响越大，粒子的更新的速度越快，群体较活跃，有利于全局寻优；反之，速度更新慢，有利于局部寻优；c1、c2称为正的加权常数，用来控制粒子向自身最优位置ibest以及全局最优位置gbest靠近的速度，取c1＝c2＝2；r1、r2为[0,1]上的常数，每次迭代时都会随机产生；式中的pop(i,:)、v(i,:)分别为pop矩阵和v矩阵第i行的所有元素，1≤i≤m；⑨判断是否满足终止条件，满足则停止迭代，否则继续；(7)利用(6)中优化得到的变压器原副边匝比，确定原副边匝数，n₂＝n×n₁，n₁、n₂分别为原、副边匝数；(8)主绝缘结构设计，采用油浸式变压器，其主绝缘采用变压器油作为绝缘材料，采用油屏蔽绝缘结构；由式求出变压器铁芯的窗口宽度L_w，以及变压器的体积V_c；其中L₁为原边绕组与磁芯之间的绝缘距离，L₂为原边绕组每层厚度，L₃为变压器原边副边绝缘距离，L₄为副边绕组每层厚度，n_2c为副边的绕组层数，L₅为变压器副边到副边的绝缘距离，A_c为变压器的几何截面积，h₁表示磁芯窗口高度；(9)计算绕组线规，原边绕组的裸导线截面积S_p＝I_p/J，原边的铜箔的高度副边绕组的裸导线截面积次级导线线径其中I_s为副边电流；原边电流I_p＝I_S×n；d_p为铜箔厚度；(10)验证磁芯窗口面积能否满足式S_pn₁+S_sn₂≤0.2D_i²要求，若满足，继续下一步，否则回到(9)重新计算；其中D_i表示磁芯窗口宽度；(11)计算绕组铜损，由式P_cu＝2(P_p‑cu+P_s‑cu)计算绕组铜损；其中k_p‑s、k_p‑x分别表示原边绕组的集肤效应系数与邻近效应系数，k_s‑s、k_s‑x分别表示副边绕组的集肤效应系数与邻近效应系数，ρ为电阻率，δ为集肤效应穿透深度，r₀为导线半径，r₀＝d_p/1.772，r₁＝d_s/2，Δ₀＝d_p/δ，Δ₁＝d_s/δ，l_a‑p、l_a‑s表示原副边绕组的平均匝长，R_ac‑p、R_ac‑s分别表示原副边绕组的交流电阻，P_p‑cu、P_s‑cu分别表示原副边绕组的铜耗，P_cu为绕组铜损；(12)计算磁芯损耗式中磁芯密度ρ_core＝7.2g/cm³，V_c为变压器体积，k、α、β为经验系数，D_1/2为半周期的占空比；(13)依据效率公式验证效率η是否大于等于80％，若满足，继续下一步，否则回到(1)重新计算，其中P_o为输出功率，P_Σ为变压器总损耗，P_∑＝P_cu+P_Fe；(14)确定变压器的分布参数以及串联谐振电容，判断其是否满足(2)中的频率要求，若满足，则继续下一步，否则回到(1)重新计算；(15)变压器温升及散热计算，温升近似为若满足，则继续下一步，否则回到(1)重新计算；其中P_Σ为变压器总损耗；K_k为传热系数，S_t为变压器的总表面积；(16)短路阻抗计算，短路阻抗为短路阻抗为百分值，在9％‑10.5％，则满足要求，若满足，则继续下一步，否则回到(1)重新计算；其中W初级绕组总匝数，I为初级绕组额定电流，K为附加电抗系数，可查表得，ρ为洛氏系数，e_t为高低压绕组每匝电压，ΣD指漏磁的等效面积，H_k为两个绕组得平均电抗高度。