张 利 郑文利 路 杰3 王国栋 刘相华
(东北大学 沈阳 110006) (沈阳化工学院3
沈阳 110021)摘要
采用模块编程技术，应用电磁学原理及用C 语言开发了一个基于Windows 平台
的功能较强的小型变压器(单相20kVA 以下，三相50kVA 以下)的CAD 系统，该系
统主要包括变压器的铁心选择、绕组的排列、几何参数和电磁参数的计算、总体结构 优化设计及参数化绘图等功能.
关键词: 小型变压器; 计算机辅助设计; 优化设计
分类号: TP 391.72
现代电器工业的发展要求小型变压器的设计具有更高的可靠性、快速性、灵敏性和精确性.国内各小型变
压器厂尽管在单台容量和安装容量方面满足了生产实践的需要，但采用的设计方法基本上还是传统的手工设计方法，常用的方法有两种，即计算法和图解法.设计人员往往感到设计重复量大、设计效率低、精确性差.因此，我们开发了小型变压器(单相20kVA 以下，三相50kVA 以下)的计算机辅助优化设计系统，从而可以缩短设计周期，创造较好的经济效益，提高工厂的竞争能力.ecit
1 系统结构
本系统参考了国内外有关小型变压器的设计方面的最新理论，应用计算机技术完成了1998年3月1日收稿
第12卷 第2期
1998.6沈 阳 化 工 学 院 学 报JOURNAL OF SHEN Y AN G INSTITU TE OF CHEMICAL TECHNOLO GY
Vo.12 No.2J um.1998
总体功能的设计.在使用本系统时，只需输入初级电压、次级电压、次级电流、电源频率等数据，设计者便可按照计算机的提示进行变压器的铁心形式选择、绕组排列、铁心、绕组、导线等几何参数及电磁参数的计算.在此基础上，采用改进复合形法进行优化设计和采用ADS 进行参数化绘图.本系统分为8
个模块，它们既相互独立，又可以通过数据文件的方式相互传递数据(如图1所示).这8个模块是:
(1) 数据信息模块: 用来输入数据和保存数据.
(2) 铁心参数计算: 选择铁心形式，计算铁心截面、窗口尺寸等参数.
(3) 绕组计算模块: 主副绕组设计(正弦分布绕组)
.
图1
软件模块
图2 设计框图
041沈 阳 化 工 学 院 学 报 1998年
(4) 材料数据库: 用Fropro3.0开发公共数据库，以便程序调用.
(5) 整体优化设计: 以变压器整体的经济成本为目标，采用复合形法进行优化.
(6) 参数化绘图: 采用尺寸驱动法，对变压器结构进行参数化绘图.
(7) 打印输出模块: 用打印机打出变压器的计算清单，用绘图仪输出变压器的铁心断面图、铁心叠片图、整体装配图等.
(8) 使用帮助块: 包括软件的使用方法演示说明、软件设计原理、作者信息等内容.
系统的设计框图如图2所示.
2 优化设计
设计小型变压器时，满足基本性能的可行方案通常不是唯一的，而是几十个，甚至更多.在这样多的方案中，应当依据一定的准则去衡量各种方案，经过综合分析，选择出最佳方案.在求解本设计最优化问
题时，采用改进复合形法，它的基本的思想是在可行域内由K≥n+1个顶点形成一个称为复合形的多面体，比较各个顶点的目标函数值，出目标函数值最大的最坏点，然后沿最坏点和复合形中心的连线方向上进行一维搜索，出一个既满足约束条件，又满足目标函数值有所下降的点以取代最坏点，如此反复进行，当复合形收缩到足够小时，即可将复合形顶点中的最好点作为近似最优点输出.
小型变压器的优化的数学模型包括以下3个部分:(1)变压器的设计变量;(2)变压器的约束条件;(3)变压器的目标函数.
变压器的设计变量的选取是多种多样的.在选取设计变量时，变量越多，求解就越困难.为了减少设计变量的数目，对于相互间有依赖关系的变量只选取其中一个作为设计变量.同时，选取的设计变量还应为程序的编制带来方便，以便保证程序结果的可靠性[2,3].在考虑上述因素后，本文选取以下8个参数作为小型变压器的设计变量：铁心的舌宽x1、铁心窗口高度x2、铁心窗口宽度x3、高压绕组层数x4、低压绕组层数x5、铁心磁密x6、高压电流密度x7和低压电流密度x8，即:
X=(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8)T(1)
其中,T表示向量转置.
在变压器优化设计时，可以选用体积、重量、经济成本等作为目标函数.考虑到是小型变压器，在体积
等方面优化意义不大，因此，采用经济成本作为优化的目标函数.对于单相、三相变压器，目标函数的表达式分别为:
F(x)=2C1ρ1gA C(x1+x2+2x3)+3C2ρ2g[I1
x6
(∑
n1
i=1
l i1+∑
n2
i=1
l i2+∑
x
4
-n1-n2
i=1
l i3)
+I2
x7
(∑
m1
j=1鱼塘理论
l j1+∑
m2
j=1
l j2+∑
x
5
-m1-m2
j=1
l j3)(2)
F(x)=2C1ρ1gA C(3x1+x2+2x3)+9C2ρ2g[I1
x6
(∑
n1
i=1
l i1+∑
n2
i=1
l i2+∑
x
4
-n1-n2
i=1
l i3)
141
乘车
第2期 张 利等：小型变压器计算机辅助优化设计
+I2
x7
(∑
m1
j=1
l j1+∑
m2
j=1
二氧化氯
l j2+∑
x
5
-m1-m2
j=1
l j3)(3)
其中,C1、C2分别为硅钢片、铜导线的单价,ρ1、ρ2分别为硅钢片、铜导线的密度,n1为高压绕组满匝层层数,n2为高压绕组不满匝层层数,l i1为高压绕组满匝层长度,l i2、l i3为高压绕组不满匝层长度,m1为低压绕组满匝层层数,m2为低压绕组不满匝层层数,l j1为低压绕组满匝层长度,l j2、l j3为低压绕组不满匝层长度,I1、I2分别为高、低压绕组的电流密度,g为重力加速度.
为了避免由于温度过高而烧毁变压器，应该限制其温升；做为变压器，输出电压应当稳定，所以其相对电压降应当在一定的范围之内；同时铁心的窗口应当容纳得下绕组等.把以上这些电磁性能和几何性能作为变压器优化设计的性能约束和结构约束.
小型变压器的优化问题属于带约束条件的非线性优化问题.在采用改进的复合法进行优化后，对设计变量进行了圆整，达到了最优的经济成本.
3 参数化绘图
由于变压器产品具有结构大致相同而尺寸不同的特点，比较适合采用参数化设计方法.因此，完成小型变压器从优化设计到参数化绘图过程一体化，具有理论和现实两方面的意义.
在参数化绘图模块中，以AU TOCAD为图形支撑软件，采用Visual C++作为编译器[1]，开发了参数图形库、符号图形库、图形元素命令库.采用了基于变量设计的参数化尺寸驱动方法，为固定视图形式和标住形式图形建立了参数化模型，从而直接沟通了图形尺寸与设计参数的联系.在装配图的形成过程中，运用冷冻图层的装配算法，通过分析装配关系和定位关系，为零件图的装配定点增加了结构描述信息，这样在部分结构尺寸改动后，根据相配关系，可以重新生成合理的装配图，以改善装配图形成的灵活性.
我的性为了使软件面向用户，避免设计人员在输入修改数据方面的麻烦，本文还使用DCL (Dialog Control Language)语言开发了对话框程序.这样，设计者便可以在集成环境下进行变压器的参数化绘图.
4 结束语
通过改进复合形法最优设计及ADS的AutoCAD二次开发，本文完成了小型变压器(单相20kVA以下，三相50kVA以下)从设计计算到参数化绘图的一体化过程.本软件使用方便，操作简单，提高了变压器的设计效率，降低了变压器的经济成本.目前，本系统正处于试用设计阶段.
参考文献
1 Kurt Hampe Jim Boyce.Auto CAD应用开发工具大全.北京：清华大学出版社,1994
2 West G W.Basic program optimizes core selection in transformer design.(Power Tech West Seattle WA, USA)EDN(Fur,ED)(USA)1995,40:87～90
241沈 阳 化 工 学 院 学 报 1998年
3 Rale Transformer Design Program Users Guide.dial 2up edition ,1994,USA.
4 张利.小型变压器优化设计与自动绘图CAD 系统:[学位论文].沈阳：东北大学,1997Computer Aided Optimization Design of Small Transformer
Zhang Li Zheng Wenli Lu Jie 3 Wang Guodong Liu Xianghua
(Northeastern University ,Shenyang 110006)
(Shenyang Institute of Chemical Technology 3,Shenyang 110021)
ABSTRACT
The paper has developed a windows platform CAD system of small trans 2former (less than 20kVA o
ne phase and less than 50kVA three phase )on the ba 2sis of electromagnetism principle by C language and module programming tech 2nology.The system mainly includes core selection ,winding arrangement ,physical and electromagnetism dimension calculation ,general structure optimization and parametrization drawings and so on.
Key words : small transformer ; computer aided design ;
葛菲
optimization design 3
41第2期 张 利等：小型变压器计算机辅助优化设计
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